Brevet FR2383430A1 — publié le 19781006

L'invention concerne d'une manière générale la détermination, en vue de la mesure à distance, de l'enregistrement ou du traitement informatique, de la longueur d'une colonne liquide représentative d'une grandeur physique, en particulier d'une pression ou d'une différence de pressions. Dans le cas particulier de la détermination des pressions, il n'existe pratiquement parmi les dispositifs de mesure, aussi bien industriels que de laboratoire, que soit des dispositifs relativement bon marché et précis comme les tubes manométriques ou les manomètres de tableaux, mais non enregistrables et nécessitant donc la présence d'un personnel dé mesure, soit des dispositifs enregistrables mais reposant sur l'emploi de capteurs de pressions peu précis ou extr8me- ment coûteux.En outre, même dans ce dernier cas la mesure n'est pas toujours fiable, du fait des variations de zéro et des dérives de toute nature, notamment en température pour les types de capteurs industriels, ni directement contrôlables et nécessite de ce fait non seulement un étalonnage initial mais également périodiquement un réétalonnage de l'appareil à l'aide d'un dispositif de contrôle approprie. Le but de l'invention est de réaliser un dispositif de mesure qui élimine les inconvénients précédents, c'est-àdire qùi soit simple, bon marché et précis et en même temps exempt de dérive comme le tube manométrique, mais qui utilise l'intermédiaire d'une grandeur électrique et qui permette le traitement analogique ou numérique, en temps réel ou après enregistrement de la grandeur mesurée, en particulier lorsqu'on utilise une pluralité de points de mesure. L'invention consiste avant tout à réaliser un capteur sensible à la longueur d'une colonne de liquide conducteur en formant cette colonne dans un tube diélectrique dont la surface extérieure comporte un revêtement conducteur sans contact avec le liquide, et en détectant la capacité du condensateur variable constitué par le liquide et le revêtement séparés par le diélectrique. Le revêtement conducteur est de préférence transparent pour permettre à la fois la détection capacitive et le contrôle visuel direct. Ce capteur peut avantageusement être associé à un convertisseur capacité/fréquence constitué par un circuit incluant une résistance fixe en série avec la capacité du capteur, avec comparaison à un seuil de tension de manière à transformer la capacité représentative de la longueur de la colonne liquide en une fréquence d'impulsions. L'invention consiste par ailleurs à réaliser un dispositif de scrutation et d'enregistrement en associant plusieurs capteurs commutes alternativement sur le convertisseur capacité/fréquence du type précédent, en découpant à l'aide d'une base de temps des durées constantes des signaux provenant du convertisseur et en enregistrant à la suite les unes des autres sur un enregistreur magnétique les signaux de fréquences variables ainsi dEcoupés dont le nombre d'impulsions est représentatif de la longueur de la colonne liquide, l'enregistrement obtenu étant exploité en différé par comptage successif des impulsions et repérage par rapport à un top de synchronisation des divers découpages correspondant aux divers capteurs et à divers temps échelonnés, en vue d'un traitement numérique. D'autres particularités de l'invention appatattront dans la description qui va suivre d'un mode de réalisation et de diverses variantes pris comme exemples et représenté sur le dessin annexé, sur lequel la fig. l représente schématiquement en coupe axiale un capteur de pression différentiel; la fig. 2 est le schéma électrique du convertisseur capacité/ fréquence dans une première variante de réalisation avec circuit dérivateur; la fig. 3 est également le schéma électrique d'un convertisseur capacité/fréquence dans une seconde variante de réalisation avec circuit intégrateur; la fig. 4 est la représentation schématique d'une installation de scrutation et d'enregistrement d'un grand nombre de points de mesure. Contrairement aux capteurs capacitifs habituels, dans lesquels on a deux électrodes conductrices fixes entre lesquelles se déplace une lame de liquide diélectrique affectant la capacité du condensateur, dans le capteur qui est à la base de la présente invention, et qui correspond schématiquement à la fig. 1, on utilise un liquide conducteur l qui se déplace dans un tube diélectrique 2 entouré au moins partiellement d'une électrode fixe 3. C'est donc la colonne liquide l elle-même qui constitue une des électrodes alors qu'au contraire la couche diélectrique 2 séparant les deux électrodes l et 3 est fixe. On obtient ainsi un capteur capacitif dont la capacité varie selon une fonction rigoureusement linéaire avec la longueur de la colonne de liquide représentative de la grandeur mesurée si l'épaisseur du diélectrique est constante. Il suffit par exemple d'associer ce capteur à un capacimètre 4 analogique ou numérique pour obtenir une mesure, eventuellement à distance, de la longueur de la colonne l. Pour cela un des fils de jonction 5 est réuni au revêtement conducteur 3 tandis que l'autre fil de jonction 6 est réuni à une électrode 7 plongeant dans le liquide. Le liquide conducteur l peut en particulier etre constitué par du mercure, ou tout autre conducteur liquide en général. L'application principale de l'invention étant la mesure des pressions, ou des différences de pressions, le capteur précédent est alors utilisé comme un tube manométrique classique en plongeant saase dans un réservoir 8 partiellement rempli du liquide conducteur dans lequel plonge également l'électrode 7, et en soumettant l'espace au-dessus du liquide, respectivement dans le réservoir et dans le tube, aux deux pressions dont on veut déterminer la di-ffé- rence. Pour cela on prévoit un couvercle 9, se raccordant de manière étanche avec le réservoir et-avec le tube, et pourvu d'un embout 10 pour un tuyau de raccordement il, tandis qu'un autre tuyau de raccordement 12 se monte directement au sommet du tube. Naturellement, le tuyau il est réuni à la pression la plus forte et le tuyau 12 à la pression la plus faible. Dans le cas ol l'on désire mesurer des pressions absolues, le tube peut être fermé à la partie supérieure de manière que le tube forme un baromètre, c'est-à-dire que la colonne de liquide soit surmontée par le vide. Inversement, si l'on désire mesurer des pressions relatives par rapport à la pression atmosphérique, on se raccorde respectivement au tuyau il ou au tuyau 12 selon que l'on désire mesurer une pression positive (supérieure à l'atmosphère) ou négative (inférieure à l'atmosphère), l'autre tuyau étant dans chaque cas supprimé ou réuni à l'atmosphère. Le capteur selon l'invention pourrait naturellement être utilisé également pour mesurer d'autres grandeurs physiques repréaentables par la longueur d'une colonne liquide.En particulier il pourrait être associé à la colonne d'un thermomètre à mercure pour une mesure de température. Le capteur qui vient d'être décrit présente l'avantage d'être rigoureusement linéaire, tant que le niveau de la colonne de mercure se trouve dans la zone métallisée, et de ne pas présenter de dérive La correction de zéro, pour tenir compte du ménisque qui se forme à l'extrémité supérieure de la colonne, est d'autre part automatiquement intégrée dans la détermination de la relation d'étalonnage. On notera enfin que l'extrémité inférieure 13 du revêtement conducteur 3 doit nécessairement s'arrêter avant la surface libre du liquide dans le réservoir 8 faute de quoi les deux électrodes constituant la capacité seraient en court-circuit. Il est particulièrement intéressant dans le cas de l'invention de réaliser l'électrode conductrice extérieure 3 sous la forme d'un revêtement conducteur transparent dépose à la surface externe du tube 2.En particulier dans le cas d'utilisation de mercure qui est la plus courante, le tube 2 est de préférence en verre et le revêtement conducteur transparent peut avantageusement être constitué par un dépôt métallique extrêmement mince, notamment par la mise en oeuvre du procédé décrit dans le brevet français 2.iiO.622 au nom du C.E.A. et opérant par pyrolyse d'un aérosol d'oxyde d'indium déposé en couche mince. Dans ce cas, le tube, manoxtiétrique, barométrique ou thermométrique peut continuer à être utilisé- de la manière habituelle, c'est-à-dire par visée directe et par comparaison avec une échelle graduée 14 placée derrière lui. Cela permet alors, non seulement de simplifier grandement ltétalonnage initial, mais également de vérifier à tout moment si la mesure optique correspond à la mesure capacitive chaque fois qu'un doute peut se présenter et sans avoir à interrompre le cycle de mesure pour un réétalonnage. Dans le cas d'un tel revêtement métallique mince sur l'extérieur du tube, la jonction avec le fil de raccordement 5 peut être faite par l'intermédiaire d'une électrode ou d'un collier 15 qui est serré contre le revêtement par un moyen mécanique, ou de préférence par soudure ou par collage à 11 aide d'une colle conductrice. Conformément à l'invention, le capteur capacitif qui vient d'être décrit est avantageusement associé à un convertisseur capacité/fréquence en vue d'un traitement, enregistrement et exploitation, plus précis et plus pratique qu'une simple mesure analogique. Dans la première variante de réalisation de ce convertisseur représentée sur la fig. 2, les impulsions en créneaux fournies à la sortie 16 d'un amplificateur 17 attaquent par une première branche 18 le capteur selon l'invention représenté schématiquement dans son ensemble par 19, puis une résistance 20 refermant le circuit à la masse. On réalise ainsi un circuit dérivateur dont la borne intermédiaire 21 présente un potentiel par rapport à la masse qui est directement fonction du courant de charge du condensateur. On sait que ce courant de charge est représenté par une courbe 22 se rapprochant exponentiellement de l'axe à partir de chaque front d'impulsion positive ou négative.Le signal obtenu attaque l'entrée positive d'un comparateur 23 dont l'entrée négative reçoit le signal en créneaux provenant de la sortie 16 mais par l'intermédiaire d'un diviseur de tension constitué par les deux résistances 24 et 25 ce qui reproduit donc les créneaux de sortie représentés par la courbe 26, que l'on a reportée également en trait interrompu sur le tracé de la courbe 22 pour permettre une comparaison. De cette manière, chaque fois que le potentiel représenté par 22 pst supérieur au potentiel représenté par 26, le comparateur fournit un créneau positif, tandis que dès que le potentiel représenté par 22 devient inférieur au potentiel 26 il fournit un créneau négatif et ainsi de suite. Les signaux en créneaux ainsi fournis traversent ensuite un limiteur 27 avant d'attaquer l'entrée positive de l'ampli- ficateur 17 dont on était parti. Le gain de cet amplificateur est défini par le diviseur de tension constitué par les résistances 28 et 29 recevant la sortie 16 et attaquant l'entrée négative, Un dispositif correcteur des fronts d'onde 30 est constitué par une résistance et un condensateur montés en série et ayant une fonction d'amortissement des oscillations parasites produites après chaque front d'un créneau. L'ensemble donnerait une réponse sensiblement linéaire entre la période et la capacité 19 avec cependant une très légère tendance à fournir une période trop longue pour les capacités faibles. Pour corriger ce défaut on utilise un correcteur de linéarité 31 qui corrige la tension de référence 26 fournie par le diviseur de tension 24-25-de telle sorte que la valeur absolue de la tension de référence augmente lorsque la fréquence augmente, En ajustant les diverses capacités et résistances du dispositif de correction 31 on arrive ainsi a obtenir-une réponse en période rigoureusement proportionnelle à la capacité 19 donc finalement rigoureuse -ment proportionnelle à la longueur de la colonne de liquide à mesurer. Dans la variante de réalisation représentée sur la fig. 3, et mieux adaptée à la mesure des capacités, la résistance 20 est remplacée par une résistance 20a, et le circuit déri vateur 19-20 est remplacé par un circuit intégrateur 20a-19 placé entre la sortie 16 et la masse. En outre, le signal qui est prélevé comme précédemment à leur point de jonction 21a est acheminé vers l'entrée négative du comparateur 23 qui reçoit à I'entrée positive le signal 26 élabore comme précédemment Dans ce cas, le circuit RC constitué par 20a et 19 fonctionne en intégrateur et la tension fournie est représentative de la tension de charge, représentée par la courbe 22a, sur laquelle on a reporté également pour compa raison en trait interrompu le tracé de la courbe 26. On voit que, le signal 22a va en croissant jusqu'à atteindre le niveau 26 positif, puis le comparateur 23 bascule et le signal 22a évolue en décroissant jusqu'S atteindre le niveau 26 négatif, et ainsi de suite. Le reste du dispositif est identique, excepté le sens d'action du correcteur 31a qui affaiblit la valeur absolue de la tension de référence 26 lorsque la fréquence augmente. La combinaison du capteur selon l'invention et du convertisseur capacité/fréquence de l'un ou l'autre type décrit permet d'obtenir en définitive une fréquence variable rigoureusement représentative-de la longueur de la colonne de liquide que l'on désire mesurer, c'est-à-dire en particulier de la pression ou de la différence de pressions pour. l'application préférentielle. Cette fréquence pourrait naturellement être exploitée immédiatement à l'aide d'un fréquencemètre pour en retirer la valeur de la mesure, mais alors une telle utilisation ne présenterait que peu d'intérêt. L'enregistrement de la fréquence devient une méthode particu lièrement attractive lorsque l'on doit effectuer un grand nombre de mesures échelonnées dans le temps et réparties sur un ou plusieurs points de mesure. Dans ce cas il est particulièrement intéressant d'utiliser le dispositif de scrutation et d'enregistrement représenté sur la fig. 4 et dans lequel on utilise une base ae temps précise 32 qui commande un relais de commutation constitué par un compteur numérique 33 associé à un multiplexeur 34 qui commute une sortie 35 alternativement avec un certain nombre de voies référencées (1), (2)...(n). Sur chacune deces voies peut être raccordé un capteur selon l'invention associé à un des points de mesure. La sortie 35 raccorde ainsi alternativement et successivement les divers capteurs 19 dans le circuit d'un convertis seur capacité/fréquence 36 de type dér=rit- précédemmentet suivi éventuellement d'un diviseur de fréquence non représen- té. Les diverses fréquences représentatives des diverses mesures sont alors acheminées à une porte 37 qui reçoit elle-même les signaux de commande de la base de temps 32 de manière de découper dans chaque signal de fréquence une durée precise déterminée, par exemple de 0,5 seconde, la durée du signal provenant de 36 étant nécessairement supérieure à cette valeur, ce qui est déterminé par le compteur 33. Enfin, chaque fois que s'est écoulé un certain laps de temps correspondant à l'intervalle voulu entre deux séries de mesure, la base de temps 32 commande successivement la mise en marche d'un magnétophone 38 recevant les signaux débloqués par la porte 37, puis l'enregistrement sur ce magnétophone d'un top de synchronisation initial, après quoi la porte 37 est ouverte n fois pour découper et enregistrer, en synchronisme avec le multiplexeur 34, les divers signaux de fréquence correspondants aux divers points de mesure. I1 est essentiel de considérer que si l'on associe comme on vient de le faire le capteur selon l'invention avec le convertisseur capacité/fréquence selon l'invention avec la porte 37 et la base de temps 32 pour découper dans chacun des signaux de fréquence une durée bien déterminée, la valeur de chaque mesure se trouve finalement représentée par le nombre d'impulsions enregistrées pendant chaque temps d'ouverture de la porte, et ceci naturellement à une constante multiplicative près.Si l'on fixe le gain du convertisseur tension-frequence, ou la valeur du diviseur de fréquence, pour obtenir une gamme de variation en fréquence compatible avec la bande passante d'un enregistreur magnétique standard (entre 100 et 5000 Hz) les divers trains d'impulsions ainsi découplés peuvent être enregistrés les uns à la suite des autres sur un magnétophone 38 absolument ordinaire, à une seule piste, sans avoir à exiger de ce magnétophone aucune précision, notamment dans la constance de sa vitesse de défilement, puisqu'en définitive une variation de vitesse de défilement, à l'enregistrement aussi bien qu'à la reproduction, pourra affecter la frOquence mais en aucun cas le nombre d'impulsions qui a été enregistré.En conséquence l'enregistrement, qui peut être fait sur une cassette du commerce particulièrement economique, pourra être exploitée par la suite par tous les moyens de traitement informatiques avec une précision absolue qui ne dépend exclusivement que des qualités du capteur 19, du convertisseur capacité/fréquence 36 et de la base de temps 32. Naturellement à la reproduction les diverses mesures d'une même série sont distribuées par comptage des différents trains d'impulsion et par repérage partir dd top de synchronisation. De même l'instant dè la mesure est déterminé par comptage des séries de trains d'impulsions.Afin de pouvoir connattre à chaque cycle le temps représentatif de la mesure, l'horloge est connectée à un compteur, qui revient à zéro toutes les 24 heures, et qui produit une rampe de courant avec incrémentation toutes les minutes, qui par l'intermédiaire d'une des voies du multiplexeur est, lors de chaque scrutation, convertie en un signal de fréquence enregistré sur la bande en plus des signaux externes. On arrive ainsi avec un matériel extrêmement simple et relativement bon marché, ne nécessitant pas de réglage minutieux ni de rétalonnage fréquent, d'enregistrer en vue d'un traitement informatique des mesures provenant d'un nombre élevé de capteurs repartis aux divers points de mesure, et un nombre élevé de séries de mesure échelonnées dans le temps avec la fréquence que l'on désire, toutes ces séries de mesure étant groupées sous un faible encombrement dans une cassette magnétique facilement manipulable et qui peut être traitée ultérieurement par un ordinateur sans rien perdre de leur précision. On notera qutavec le dispositif développé, une cassette C90 représente une capacité de stockage de 3600 points de mesure par face à raison d'une durée de signal de 0,5 sec par mesure, et d'un intervalle entre mesures, dans un cycle de 0,25 sec. REVENDICATIONS 1. Capteur capacitif sensible à la longueur d'une colonne de liquide, caractérisé par le fait qu'il utilise un liquide conducteur constituant la colonne liquide dans un tube diélectrique qui comporte, sur une partie au moins de sa surface extérieure, un revêtement conducteur sans contact avec le liquide, deux électrodes étant réunies respectivement au revêtement conducteur et au liquide conducteur pour constituer les bornes de la capacité variable ainsi formée. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le revêtement conducteur est transparent de manière à permettre en outre l'observation visuelle directe de la longueur de la colonne liquide. 3. Capteur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le liquide conducteur est constitué par du mercure, que le tube diélectrique est en verre et que le revêtement conducteur est constitué par un dépit métallique mince adhérent et transparent. 4. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le tube diélectrique constitue un tube manométrique pour la détermination des pressions relatives, positives ou négatives. 5. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le tube diélectrique constitue un tube barométrique pour ladétermination des pressions absolues. 6. Capteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le tube diélecteique constitue la colonne d'un thermomètre à liquide. 7. Capteur selon l'une ou l'autre des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'il se trouve inséré dans le circuit d'un convertisseur capacité/fréquence constitué par un circuit RC associant une résistance constante à la capacité variable constituée par le capteur, circuit du type différenciateur ou intégrateur, qui est lui-même raccordé ê une des entrées d'un comparateur dont l'autre entrée reçoit un seuil de tension et qui comporte à la sortie un dispositif limiteur et un amplificateur. 8. Capteur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que l'amplificateur comporte un circuit ajustable d'amortissement des oscillations parasites résultant de chaque front d'impulsion. 9. Capteur selon l'une ou l'autre des revendications 7 et 8, caract8ris8 par le fait que le seuil de tension du comparateur est élaboré par un circuit diviseur de tension, lequel comporte en outre un correcteur de linéarité rendant le seuil de tension légèrement variable avec la fréquence. 10. Système destiné à effectuer une scrutation dans le temps de un ou plusieurs points de mesure comportant chacun un capteur selon une des révendications 1 à 6, caractérisé par le fait que les divers capteurs sont raccordés a un dispositif les commutant alternativement sur le convertisseur capacité/fréquence selon l'une quelconque des revendications 7 a 9, une base de temps commandant simultanément l'actionnement du dispositif de commutation et l'actionnement d'une porte découpant, dans chaque signal dont la-frEquence est représentative de la mesure dtun des points de mesure, un train d'une durée constante à l'intérieur de laquelle le nombre des impulsions transmises est rigoureusement représentatif de la grandeur correspondante. 11. Système selon la revendication 10, caractérisé par le fait que le dispositif de scrutation est associé à un dispositif d'enregistrement qui enregistre sur un magnétophone ordinaire et a la suite les uns des autres les divers trains d'impulsion successivement découpés par la porte, la même base de temps commandant simultanément le démarrage et l'arrêt du magnétophone et'l'envoi d'un top de synchronisation qui précède chaque série de trains d'impulsion correspondant a chaque série de mesure. 12. Procédé de traitement des enregistrements réalisés a l'aide du système selon les revendications 10 ou 11, caractérisé par le fait que l'enregistrement est ensuite exploité par des moyens de traitement informatiques, le comptage des séries de trains d'impulsions permettant d'affecter une valeur au temps de la mesure en fonction de l'intervalle choisi entre deux mesures, tandis que le comptage des trains d'impulsion à partir de chaque top de synchronisation permet d'affecter chaque mesure au point correspondant, et que le comptage des impulsions dans chaque train permet d'obtenir la valeur numérique de la mesure.