Brevet FR2483610A1 — publié le 19811204

La présente invention concerne un capteur capacitif de pression, c'est-à-dire un capteur dans lequel la pression mesurée fait varier la capacité d'un condensateur. L'invention concerne également une utilisation spécifique d'un tel capteur. Les appareils connus de ce genre comprennent en gé- néral un condensateur plan dans lequel l'une des armatures est fixe et l'autre est une membrane déformable sous l'effet de la pression, ce qui fait varier leur distance, et par conséquent la capacité du condensateur. Ces structures présentent un certain nombre d'inconvénients. D'une part, la courbe de réponse n'est pas linéaire, la capacité variant comme l'inverse de la distance des armatures. D'autre part, la capacité est faible si le diélectrique est de l'air. Si le diélectrique est un materiau solide ou liquide, donc peu compressible, la plaque se déforme peu et la sensibilité de l'appareil est réduite. La présente invention vise à réaliser un capteur capacitif de pression dont la courbe de réponse soit pratiquement linéaire et dont les variations de capacité soient importantes en fonction de la pression. Suivant l'invention, le capteur capacitif de pression comprend deux armatures séparées par un diélectrique dont l'une au moins est reliée à une prise de mesure et au moins partiellement mobile sous l'effet de la pression. Ces deux armatures sont reliéespades bornes de connexion à un circuit électrique de mesure, et le capteur est caractérisé en ce que les armatures sont cylindriques et coaxiales, l'armature interne étant montée coulissante dans l'armature externe avec interposition d'un matériau diélectrique, la prise de mesure étant en relation avec une section droite de l'armature interne, et des moyens élastiques étant disposés pour tendre a s'opposer au déplacement de ladite armature sous l'effet de la pression à mesurer. L'armature interne joue le rôle d'un piston coulissant dans l'armature externe sous l'effet de la pression mesurée. Le déplacement peut être important quelle que soit la nature du diélectrique utilisé, et il est linéaire en raison de l'utilisation d'un ressort antagoniste. Suivant une réalisation préférée de l'invention, l'armature interne comprend un matériau conducteur liquide disposé à la périphérie de cette armature pour coopérer avec la surface du diélectrique. Le centrage relatif des armatures est ainsi parfaitement réalisé et indéréglable. Un tel matériau liquide et conducteur est avantageusement constitué par du mercure. Suivant une réalisation industrielle de l'invention,- l'armature interne comprend un noyau en matériau isolant muni de moyens d'étanchéité pour coopérer avec la surface diélectrique, et le matériau conducteur liquide est logé dans une gorge périphérique dudit noyau. Cette solution présente l'avantage de ne nécessiter qu'une quantité réduite de matériau liquide et d'assurer une bonne tenue mécanique de l'ensemble de l'armature interne. Le diélectrique est avantageusement constitue par un cylindre en matériau céramique, et l'armature externe comprend un revêtement métallisé dudit cylindre. Dans cette réalisation, le diélectrique joue le rôle de matériau porteur et la légèreté de l'armature externe est poussée au maximum. Si l'on désire réaliser un manomètre absolu, la section droite de l'armature interne opposée à celle reliée à la prise de mesure est reliée à une chambre sous vide. On obtient ainsi une mesure indépendante de la pression atmosphérique ambiante, donc notamment de l'altitude du lieu de mesure. Suivant une réalisation perfectionnée de l'invention, le capteur comprend deux armatures internes disposées symétriquement dans l'armature externe. La prise de mesure est reliée à un espace ménagé entre les deux armatures internes, et ces deux armatures sont reliées en parallèle à une borne électrique de sortie. L'avantage de cette réalisation est de rendre la mesure pratiquement indépendante des accélérations axiales du capteur. Le déplacement parasite de l'une des armatures internes résultant de l'accélération est en effet compensé par un déplacement identique de l'autre. Dans une variante de réalisation, le capteur comprend deux ensembles comprenant chacun une armature interne coopérant avec une armature externe. Ces deux ensembles sont disposés tête-bêche parallèlement l'un à l'autre, et les armatures respectives sont reliées en parallèle. Le capteur ainsi obtenu est moins encombrant axialement, mais sa construction est un peu moins simple. Suivant un détail particulier de réalisation, le noyau comprend deux parties coulissant axialement dans lzau- tre, pour absorber une éventuelle dilatation thermique du mercure. Suivant un autre détail de réalisation, le noyau est relié à un piston étanche coulissant dans un cylindre et en relation avec la prise de mercure par sa face opposée au noyau. De cette manière, les-joints d'étanchéité du noyau ne sont pas soumis à la haute pression mesurée. Enfin, des butées de limitation de la course de l'armature interne sont avantageusement prévues pour éviter l'écrasement et la détérioration des éléments déformables. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront encore de la description détaillée qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs - la figure 1 est une vue en coupe axiale, semischématique, d'un capteur conforme à l'invention - la figure 2 est une vue en coupe axiale d'une réalisation perfectionnée du capteur - la figure 3 est une vue analogue d'une variante de réalisation ; et - les figures 4 et 5 sont des vues partielles en coupe axiale montrant des perfectionnements de détail. En référence à la figure 1, le capteur comprend une enveloppe métallique étanche 1 munie d'une prise de mesure de pression 2 et séparée en deux compartiments 3 et 4 par une cloison 5. Un tube 6 en céramique est ouvert à ses deux extrémités et traverse de façon étanche la cloison 5. I1 est recouvert extérieurement, dans sa partie située dans le compartiment 4, d'un dépôt métallique 7 formant armature externe et contient une masse de mercure 8 maintenue entre deux rondelles 9, 11 en coopération étanche avec le tube 6 mais montées coulissantes dans ce tube. La masse de mercure 8 constitue l'armature interne d'un condensateur dont le déport 7 constitue l'armature externe, le tube 6 jouant le rôle de diélectrique. A cette fin, la spécification précise de la céramique du tube 6 sera déterminée conformément aux règles de l'art. Un ressort 12 est fixé d'une part à une barrette 13 elle-même fixée à l'extrémité du tube 6 située dans le compartiment 4 et d'autre part à la rondelle 9 la plus proche de cette barrette. La longueur au repos de ce ressort est telle que, lorsque les pressions sont égales dans les compartiments 3 et 4, la rondelle 9 vienne à la hauteur de la cloison 5, la masse 8 de mercure étant entièrement située dans le compartiment 3. Le ressort 12 traverse la rondelle 9 pour venir au contact du mercure et, à son autre extrémité, il est relié à une cosse 14 de raccordement électrique. De même, le dépôt métallique 7 est relié électriquement à une cosse 15. Une pièce cylindrique creuse 16 est fixée à l'inté-- rieur du tube 6 à son extrémité voisine de la barrette 13 pour servir de butée mécanique à la rondelle 9. Eji fonctionnement, la prise de mesllre 2 est reliée ltellceillte ou lion veut mesurer la pression et les cosses t4 et 15 sont reliées à un circuit électrique de mesure d'un type col u capable de mesurer une capacité. Sous l'effet de la pression qui s'exerce dans le compartiment 3, la masse 8 de mercure se déplace en restant contenue entre les rondelles 9 et 11 et vient en partie visà-vis du dépot métallique 7 en comprimant le ressort 12. La masse 8 et le dépôt 7 constituent alors un condensateur cylindrique dont la capacité varie linéairement en fonction du déplacement de la masse 8 et peut être mesurée par voie électrique. En cas de dépassement d'échelle, la rondelle 9 vient buter sur la pièce 16, ce qui évite la détérioration du ressort 12. La pression mesurée dans ces conditions est une pression relative, par rapport à la pression de référence régnant dans le compartiment 4. Cette pression peut être la pression atmosphérique si l'on pratique une ouverture dans l'enceinte 1 au niveau du compartiment 4. On peut également mesurer une pression absolue en faisant le vide dans le compartiment 3. En cas de variations de température, la dilatation du mercure s'absorbe d'elle-même par déplacement relatif des rondelles 9 et 11. L'erreur de mesure qui en résulte est négligeable. On va maintenant décrire, en référence à la figure 2, une réalisation perfectionnée de l'invention. Le capteur comprend une enceinte cylindrique 101 présentant une prise de mesure 102 et dans laquelle est fixé un tube en céramique 106 par l'intermédiaire de deux traverses 121 disposées de façon sensiblement rectangulaire l'une par rapport à l'autre. Ces traverses passent au travers du tube 106 par des passages non étanches et reposent par leurs extrémités sur des consoles 122 solidaires de l'enceinte 101 et elles sont collées sur ces traverses. Le tube 106 est fermé de façon étanche à ses deux extrémités par un capuchon 113 en métal peu dilatable tel que le Kovar. Ces capuchons présentent une saillie cylindrique 116 coopérant avec le tube 106, et cette saillie est creuse pour servir d'appui à un ressort 112. Chaque ressort 112 s'appuie d'autre part sur un noyau 123 en polytétrafluoréthylène qui est monté coulissant dans le tube 106 par I'intermédiaire de bagues d'étanchéité 124, la saillie 116 formant butée de limitation de course pour le noyau 123. Chaque noyau 123 présente une gorge périphérique 125 remplie de mercure, des canaux 126 étant prévus pour l'introduction du mercure et fermés ensuite définitivement par un bouchon 127. L'ensemble constitue une armature interne 108. Un conducteur 128 est au contact du mercure et traverse l'épaisseur du noyau 123 pour être connecté électriquement au ressort 112 qui se prolonge, à son autre extrémité, par un autre conducteur traversant le capuchon 113 pour aboutir à une connexion extérieure 114 après avoir traversé l'enceinte 101. Le tube 106 est recouvert de deux dépôts métalliques 107, par exemple en argent, auxquels sont connectés des conducteurs respectifs aboutissant à des connexions 115 situées hors de l'enceinte 101. Mise à part la prise de mesure 102, la structure ainsi décrite est sensiblement symétrique par rapport au plan médian transversal de l'enceinte 101. Pour monter l'appareil, on commence par fixer le tube 106, muni de ses dépôts métalliques 107, dans l'enceinte 101 au moyen des traverses 121. Puis on introduit les noyaux 123 et l'on fait le vide dans la gorge 125 par l'intermé- diaire des canaux 126. Après introduction du mercure, on met en place hermétiquement le bouchon 127. On met en place les ressorts 112 et l'on scelle hermétiquement les capuchons 113. On fait ensuite le vide dans l'espace 132 compris entre le capuchon et le noyau en enlevant un louchon 130 dans le capuchon 113, bouchon que l'on replace ensuite définitivement. Pour rendre possibles ces opérations, l'enceinte 101 présente deux opercules d'extrémités 129 et 131 qui ne sont fixés qu'après le montage. En fonctionnementl la pression à mesurer est appliquée à l'intérieur de l'enceinte 101 par l'intermédiaire de la prise de mesure 102 et elle s 'établitdans l'espace 133 situé entre les deux noyaux 123 par les passages non étanches des traverses 121. En raison du vide précité, le capteur ainsi obtenu est un manomètre de pression absolue. Pour l'utiliser, on réunit les deux connexions 114 à une borne d'un circuit de mesure des capacités et les deux connexions 115 à une autre borne, les deux condensateurs cy 1indiques symétriques étant ainsi montés en parallèle. La forme des noyaux 123 permet une remarquable économie de mercure et leur rigidité d'ensemble assure un coulissement sans coincement dans le tube 106. Si le capteur est soumis à une accélération axiale, les deux noyaux 123 subissent des déplacements parasites égaux dont les effets sur la capacité de l'ensemble des deux condensateurs se compensent. Cette caracteristique permet en particulier l'utilisation d'un tel capteur à la mesure en permanence de la pression dans les pneumatiques de roues d'avion, même pendant le roulage au sol. Le capteur est alors branché en permanence au voisinage de la valve des pneumatiques, et la liaison électrique avec le circuit de mesure est de type inductif. On va maintenant décrire, en référence à la figure 3, une variante de réalisation au capteur qui vient d'être décrit. Par mesure de simplification, le dessin a été sche matisé et la description qui va suivre sera abrégée. Dans cette variante, deux enceintes 201 sensiblement identiques sont disposées tete-heche et séparées l'une de l'autre par une cloison longitudinale 235. Elles sont également séparées chacune en deux compartiments 203, 204 par une cloison transversale 205. Des tubes 206 en matériau céramique traversent la cloison 205 à laquelle ils sont fixés et contiennent chacun un noyau 223 assorti de mercure suivant ce qui a été dit plus haut pour former des armatures internes 208. Ces tubes sont recouverts extérieurement d'un déport métallique 207 et stouvrent dans les compartiments 203 gui sont mis en relation avec la pression mesurée par des prises de mesure 202. Ils sont en communication, par leur autre extrémité, avec les compartiments 204 dans lesquels le vide a été fait. Des ressorts 212 sont comprimés entre les noyaux 223 et des barrettes 213 fixées à l'extrémité des tubes 206. L'ensemble des tubes 206 et de leurs équipements respectifs sont disposés tête-bêche comme les enceintes 201. Le mercure des noyaux 223 est relié à des connexions de sortie 214 et les dépits métalliques 207 sont reliés à des connexions de sortie 215, ces connexions étant reliées respectivement en parallèle à des bornes d'un circuit électrique de mesure. L'ensemble constitue en fait deux capteurs distincts dont le fonctionnement est sensiblement le même que celui décrit en référence à la figure 1, avec cette différence que leur disposition tête-bêche procure le même avantage d'insensibilité aux accélérations que dans la réalisation précédente. On va maintenant décrire,, en référence à la figure 4, un perfectionnement de détail du noyau. Suivant ce perfectionnement, un noyau 323 est monté coulissant dans un tube en céramique 306 avec lequel il coopère par des bagues d'é-tanchéité 324. Ce noyau est en deux parties 323a, 323b qui coeperellt entre elles par l'intermédiaire de pièces tubu Lairds coulissaiites 341, 342, l'espace entre ces deux parties étant rempli de mercure pour constituer une armature interne mobile de condensateur cylindrique. Du fait du coulissement relatif des parties 323a, 323b, une dilatation thermique du mercure est facilement absorbée. Ce type de perfectionnement s'applique à des capteurs appelés à fonctionner dans des conditions de température fortement variables. Suivant un autre perfectionnement de détail (figure 5), un noyau 423 est monté coulissant dans un tube en céramique 406 servant de diélectrique par l'intermédiaire de bagues d'étanchéité 424 qui délimitent un espace périphérique contenant du mercure. Ce noyau est fixé sur une plaque 451 formant piston et coopérant avec un cylindre 452 de diamètre notablement plus grand que le tube 406 par I'in- termédiaire d'une bague d'étanchéité 453. La pression à mesurer est appliquée sur la plaque 451 suivant la flèche F et un ressort 412 tend à s'opposer à l'action de cette pression. Une pièce circulaire 416 fixée dans le cylindre 452 forme butée de limitation de course pour la plaque 451. Dans cette réalisation, l'étanchéité vis-à-vis du fluide dont on mesure la pression est assurée par la bague 453, de sorte que les bagues 424 assurent uniquement l'é- tanchéité vis-à-vis du mercure et sont ainsi ménagées, surtout si le fluide mesuré présente un certain caractère polluant ou corrosif. Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux exemples décrits mais s'applique à toute variante de réalisation accessible à l'homme de l'art. De même, l'utilisation proposée ne se limite pas aux pneumatiques d'avions, mais à toute mesure de pression à distance, et notamment de la pression dans tout type de pneumatiques. REVENDICATIONS 1. Capteur capacitif de pression, comprenant deux armatures séparées par un diélectrique dont l'une au moins est reliée à une prise de mesure et au moins partiellement mobile sous lteffet de la pression, ces deux armatures étant reliéespades bornes de connexion à un circuit électrique de mesure, caractérisé en ce que les armatures (7, 107, 207 ; 8, 108, 208) sont cylindriques et coaxiales, l'armature interne (8, 108, 208) étant montée coulissante dans l'armature externe (7, 107, 207) avec interposition d'un matériau diélectrique (6, 106, 206), la prise de mesure (2, 102, 202)étanten relation avec une section droite (11, 123, 223) de l'arma- ture interne, et des moyens élastiques (12, 112, 212) étant disposés pour tendre à s'opposer au déplacement de ladite armature sous l'effet de la pression à mesurer. 2. Capteur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que l'armature interne (8, 108, 208) comprend un matériau conducteur liquide disposé à la périphérie de cette armature pour coopérer avec la surface du diélectrique (6, 106, 206). 3. Capteur conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau conducteur liquide est du mercure. 4. Capteur conforme à l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que l'armature interne (108) comprend tin noyau (123) en matériau isolant muni de moyens d'étanchéité (124) pour coopérer avec la surface du diélectrique (106), le matériau conducteur liquide étant logé dans une gorge périphérique (125) dudit noyau. 5. Capteur conforme à l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le diélectrique est un cylindre (6, 106) en matériau céramique, l'armature externe comprenant un revêtement métallisé (7, 107 ) dudit cylindre. 6. Capteur conforme à l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la section droite (9, 123, 223) de 1' 7. Capteur conforme à l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend deux armatures internes (108) disposées symétriquement dans l'armature externe, la prise de mesure étant reliée à un espace (133) ménagé entre les deux armatures internes, ces deux armatures étant reliées en parallèle à une borne électrique de sortie (114). 8 Capteur conforme à l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu il comprend deux ensembles comprenant chacun une armature interne (208) coopérant avec une armature externe (207), ces deux ensembles étant disposes tete-bêche parallèlement l'un à l'autre, et les armatures respectives étant connectées électriquement en parallèle, 9. Capteur conforme à l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le noyau (323) comprend deux parties (323a, 323b) coulissant axialement l'une dans l'autre. 10. Capteur conforme à l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le noyau (423) est relié à un piston étanche (451) coulissant dans un cylindre (452) et en relation avec la prise de mesure par sa face opposée au noyau. 11. Capteur conforme à l'une des revendications là 10, caractérisé en ce qu'il comprend des butées (16, 116) de limitation de la course de l'armature interne (8, 108). 12. Utilisation d'un capteur conforme à l'une des revendications 1 à 11 à la mesure permanente de la pression dans les pneumatiques de roues.