Brevet FR2479452A1 — publié le 19811002

L'invention concerne un convertisseur de grandeurs mesurées parcoursfréquence qui fonctionne d'après le principe capacitif et qui comprend un condensateur, dont la capacité C se modifie en fonction du parcours qAe représente la grandeur mesurée. L'invention a pour objet de réaliser, à des fins de commande, de régulation et de techniques de mesures, un convertisseur parcours-fréquence, avec lequel on détecte des modifications de parcours d'environ 0,5 à 10 mmoet on peut les transformer en une fréquence d'un signal électrique qui se modifie en fonction de ces modifications de parcours, cette fréquence se modifiant dans un rapport supérieur à 1: 10. L'invention concerne à cet effet un convertisseur du type ci-dessus caractérisé en ce que la capacité C du con- densateur est utilisée comme grandeur déterminant la fréquence dans un oscillateur résistance-capacité (RC), de préférence un multivibrateur astable spécial. Il est également prévu, dans l'invention, d'autres perfectionnements et améliorations qui consistent dans les dis- positions suivantes: - le montage oscillateur RC est constitué d'un intégrateur et d'un déclencheur de Schmitt, - l'on prévoit un condensateur de compensation CK, parallèlement à la résistance de charge de l'intégrateur, - pour la formation de la capacité C, on prévoit au moins une membrane métallique M d'une capsule manométrique D soumise à la pression à mesurer, la membrane étant établie sous la forme d'une électrode de condensateur réglable en fonction de la pression par rapport à une contre-électrode, - la capsule manométrique D est établie sous la forme d'une capsule à membrane ondulée dont la surface est utilisée comme une des deux électrodes de condensateur, - dans la zone centrale de la contre-électrode, il est prévu au moins une zone qui ne porte aucune garniture conductrice d'électrode, - la capsule manométrique D est enclose entre deux parties de boîtier qui sont posées par le bas et par le haut sur une plaque à conducteur, qui porte la contre-électrode, - l'on prévoit au moins un condensateur de réglage C parallèle- ment à la capacité de mesure C, et au moins un second conden- 2 2479452 - sateur Ck, parallèlement à la résistance de charge d'un inté- grateur, - le montage oscillateur est posé sur la plaque à conducteurs, le montage oscillateur est posé sur une seconde plaque à conducteurs séparée, qui est fixée.en-dessous de la partie du bottier servant de fond, et est recouverte de préférence d'un capot de blindage, - le condensateur contient une plaque de condensateur qui est entourée d'une électrode annulaire, et que cette électrode annulaire est amenée au potentiel d'une entrée non-inversante d'un amplificateur opérationnel. L'invention sera mieux comprise en regard de la des- cription ci-après et des dessins annexés, illustrant des modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exeiple, dessins dans lesquels - la figure 1 représente le principe capacitif utilisé dans l'invention. - la figure 2 représente un montage oscillateur RC intégrable. - la figure 3 montre des courbes de tension utili- sées dans l'invention. - la figure 4 montre à titre d'exemple la configu- ration d'un indicateur de parcours capacitif. - les figures 5 à 11 représentent d'autres exemples de réalisation de l'invention, et enfin, - la figure 12 représente la caractéristique linéai- re f, obtenue avec les valeurs ci-dessus en fonction d'une pression p. Le principe capacitif utilisé dans l'invention est représenté dans la figure. On a indiqué par deux plaques 11 et 12 les électrodes d'un condensateur dont la capacité Cs se modifie avec l'écartement des plaques s quand une de ces deux plaques est accouplée avec une pièce non représentée de la construction d'un moteur à comfJd-sLtion interne, par exemple la membrane d'une capsule manométrique. Les deux électrodes 11 et 12 vont à un multivibrateur 13 astable qui est réalisé suivant la technique IC et qui fournit une fréquence de sortie f, qui est f4J eV s s 3 2479452 c'est-à-dire qui est directement proportionnelle au déplacement de réglage. Dans la réalisation technique du condensateur variable, on-obtient en pratique, des capacités Cs très petites, de l'ordre d'environ 0,5 à 50 pF. D'aussi petites variations de la capacité nécessitent un très grand soin dans la construction de l'oscillateur RC 13, afin que l'effet recherché de la modi- fication de fréquence ne puisse être affecté défavorablement par des effets et des influences secondaires, telles que des capacités parasites du montage, des mouvements de température du montage; des courants de fuite, etc. Dans la figure 2 est illustré un montage formant un oscillateur RC intégrable, qui satisfait aux exigences posées ci-dessus et qui pour une dépense faible, est linéaire, stable à la température, et insensible aux variations de la tension de fonctionnement. L'oscillateur RC représenté est constitué par le montage en série d'un intégrateur et d'un déclencheur de Schmitt avec un couplage de réaction approprié. La partie du montage entre 6 et 2 est un amplifi- cateur opérationnel à effet de champ monté en intégrateur. La capacité Cs, fonction du parcours, et les capacités parasitai- res Cp parallèles déterminent en commun avec la résistance de charge R2, la constante de temps de l'intégration Ti = R2 (Cs + Cp) de l'intégrateur. La capacité C d'un petit condensateur ajustable, variable, sert à compenser l'influence indésirable de C sur la p caractéristique du convertisseur, comme on l'exposera plus loin. La partie du montage entre 2 et 4 contient un compa- rateur rapide qui est établi, avec une hystérésis définie, à l'aide de R3 et de R4, sous la forme d'un déclencheur de Schmitt. Du fait que l'on désire la fourniture d'une tension de fonction- nement asymétrique, on fixe, au moyen du diviseur de tension composé des deux résistances R1, en 5, un potentiel par rapport auquel les potentiels en UB et la masse se trouvent symétriques. Par un couplage de réaction de 4 vers 6, il se forme en ces points une oscillation rectangulaire symétrique à , avec un rapport d'impulsions de 1: 1 et une fréquence f qui est fonction de Cs. La figure 3 montre les courbes de tension en 4 et 2 et les seuils de mise en circuit U et U pour lesquels le 2u déclencheur de Schmitt se commute. La tension U2 présente un bond à chacun des points d'inversion. Cet effet recherché est à attribuer au condensateur de compensation CK qui donne une dérivation à l'allure U2 de la tension et compense ainsi le ralentissement par C de la montée linéaire de U2. (pour C = C = O, U suivrait la ligne en tirt K s en tirets). La fréquence de l'oscillateur est: R R 2 pR.CS + R4 K Elle est indépendante de la tension de fonctionne- ment UB et l'influence de C peut être écartée en donnant à C R3 une dimension' approprié. (C = C) K R4 p On atteint alors, pour C I ', la corrélation s s f éJS voulue. La figure 4 montre à titre d'exemple la configura- tion d'un indicateur de parcours capacitif, avec les raccords de montage. L'une des plaques El du condensateur est circulaire et est entourée par une électrode de protection E5 annulaire. Les deux électrodes sont posées sous la forme d'un placage de cuivre sur une plaque imprimée P, isolées par rap- port au boitier G métallique qui se trouve au potentiel de la masse. La contre-électrode circulaire E2 est mobile sur le parcours s. Ce parcours s est transmis, par l'intermédiaire du goujon B monté dans le boitier, et modifie ainsi la capacité entre El et E2. E2 est isolé par rapport au goujon B, le con- tact est assuré au moyen d'un pont en fil métallique souple. L'électrode annulaire E5 a deux raisons d'être: Elle se trouve pratiquement au meme potentiel que El, et supprime ainsi les courants de fuite de El vers le boî- tier. En outre, l'électrode annulaire conditionne l'homogénéité du champ électrique entre E2 et El, même au bord de El. La corrélation CS PJ) - est ainsi assurée. s Grâce aux propriétés particulières du montage, les capacités notables entre E2 et G (masse), El et G, El et E5 5. -2479452 n'ont aucune influence sur la fréquence. Le blindage continu du condensateur de mesure qui peut même être étendu sur le montage électronique, supprime les radiations incidentes et autres radiations perturbatrices. Les figures 5 à il représentent d'autres exemples de réalisation dans lesquels il est prévu pour la formation de la capacité C au moins une membrane M métallique d'une cap- sule manométrique D, soumise à la pression à mesurer, cette membrane étant établie sous la forme d'une électrode de conden- sateur réglable indépendamment de la pression par rapport à une oentreélectrode. On pourra prévoir avantageusement une capsule à membrane à ondulations concentriques dont la surface est utilisée pour constituer une des deux électrodes du conden- sateur et qui fait face à la contre-électrode de telle façon qu'en cas de variations de la pression à mesurer, la distance entre ces deux électrodes se modifie avec les modifications de la pression. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, il peut être prévu que dans la zone intérieure de la contre- électrode, il existe au moins une zone qui ne porte aucune garniture conductrice d'électrode. Au moyen d'une telle zone exempte de garniture, on peut régler au chiffre voulu la dépen- dance linéaire entre la fréquence de l'oscillateur et les modi- fications de pression à mesurer, la capsule à membrane étant avantageusement entourée de deux parties du boîtier, qui sont posées par le haut et par le bas sur une plaque conductrice qui porte la contre-électrode et de plus le montage formant l'oscil- lateur. On peut aussi rapporter, par exemple par vaporisation sous vide ou par pulvérisation, sur une plaque à conducteurs constituée d'une matière isolante, d'autres parties du montage électrique. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, on peut prévoir, pour agir sur la caractéristique, au moins un condensateur d'égalisation, parallèlement à la capacité de mesure de la capsule à membrane, et en outre au moins un second condensateur qui est monté parallèlement à la résistance de charge d'un intégrateur. Dans le mode de réalisation de la figure 5, une plaque (I) en matière isolante (fibre de verre-époxyde) isole les deux parties G1 et G2 du boîtier en aluminium, zinc, laiton, Les deux parties du boîtier sont collées avec cette plaque. Sur la surface supérieure de la plaque sont posées les couches formant électrodes El, E5, en matière hautement conductrice. On peut concevoir à cet effet un placage de cuivre avec une surface gravée par rongeage, une garniture en couche épaisse, ou en couche mince. Les raccordements des électrodes 5 et 1 traversent hermétiquement le fond du bottier. Le fond du bottier est mis à la masse en 10. L'électrode E2 (capsule à membrane) est mise en contact par une tige 2, et la partie supérieure G2 du bottier ainsi que le raccord A2. Cette méthode de mise en contact de E2 par l'inter- médiaire de G2 présente des avantages au point de vue de la construction et de la technique de fabrication; il y a lieu toutefois de noter que la partie G2 du bottier n'est pas au potentiel de la masse, mais au contraire transmet une tension alternative à haute fréquence ( tion en tension continue. On peut concevoir qu'il se produira des interférences capacitives dans les circuits de commutation avoisinants. Le raccordement à la pression par exemple au tuyau aspirant d'un moteur à combustion interne peut s'effectuer en A1 ou A2, par l'intermédiaire d'un tube isolant. Le montage électronique peut être fixé soit sur - une plaque à conducteurs imprimés à l'aide des tiges 1, 2, 5, 10 en-dessous de l'indicateur de pression, et être pourvu d'un couvercle protecteur qui sert aussi de blindage, ou l'indicateur de pression peut être soudé (comme un transistor à puissance) sur une plaque à conducteurs, le montage reposant à côté de l'indicateur de pression sur la même plaque (figure 6). La figure 8 montre une autre possibilité. La plaque à conducteurs avec le montage d'exploita- tion de l'indicateur de pression et év-cr-,Cuellement le reste du circuit électronique va directement, comme plaque électrode, sur l'indicateur de pression c'est-à-dire que les parties G1 et G2 sont collées du bas et du haut sur la plaque. La réalisation des raccordements d'électrodes se fait à l'aide de bandes con- ductrices dans une rainure du bottier G2, que l'on remplit par coulée. Comme détail particulier dans ce mode de réalisation, on citera l'isolation de la capsule à membrane qui est munie d'un raccord à vis (par une douille filetée) qui est vissée dans le bottier. On peut dans ce cas mettre la partie supérieure du 7 2479452 bottier à la terre, la capsule à membrane étant raccordée par un conducteur blindé et le raccord à vis. Le rayonnement capa- citif incident peut ainsi être supprimé pratiquement totalement dans les autres parties du montage. La figure 9 montre le tracé d'une platine indica- trice de pression exécutée en pratique pour l'indicateur de pression de la figure 8. La figure 7 indique que l'indicateur de pression peut aussi fonctionner avec une électronique d'exploitation construite à part, un conducteur blindé (2 brins, blindés séparément) servant à la liaison.. La figure 10 montre enfin une variante avec un montage d'exploitation incorporé. La plaque électrode I et la platine de connexion P sont alors séparées, Le raccordement de la capsule à membrane, isolée du bottier, s'effectue au moyen d'une tige soudée et d'un fil métallique de raccordement5 mince, enroulé en spirale. Le montage d'exploitation est décrit plus haut avec référence à la figure 1. La figure 5 montre le montage dans son ensemble. IS 1 est un amplificateur opérationnel avec entrée a effet de champ, IS 2 est un comparateur double rapide, dont la seconde partie est utilisée comme étage de sortie exempt de réaction. La sortie (collecteur ouvert) peut être posée par l'intermédiaire de R8, sur la tension d'alimentation de la logique suivante, et est par suite compatible avec différentes familles de logiques. Le rapport d'impulsions du signal de sortie rectangulaire est de 1: 1, la fréquence f est la mesure de la pression. Le second comparateur peut aussi être monté, à l'aide d'un autre condensateur, comme monobascule (figure 11). Dans ce cas, ce n'est pas seulement la fréquence, mais aussi la valeur moyenne de la tension de sortie O =T *UB2 f qui constitue une mesure de la pression. Un réglage fin de la pente - p de la caractéris- tique f(p) peut s'effectuer par le rapport des résistances R3/R4 soit par la valeur absolue de R2. On régle ensuite f0 en ajustant la capsule à membrane à l'aide du raccord fileté. La capacité CK est amenée à la valeur correcte, une seule fois par 8 2479452 tracé, (voir figure 9). Un réglage individuel de CK n'est dans beaucoup de cas pas nécessaire. Dans un exemple de réalisation qui a été éprouvé expérimentalement, on a utilisé une forme de construction sui- vant la figure 8, avec un tracé suivant la figure 9. La capsule barométrique avait un diamètre de 38 mm, sa caractéristique est A S/A P = 0,2 cm/Pbar. Dimensions données dans le montage: R.1 = 2,2 k -l R2 = 2,2 M -f- IS1 = LF 357 --10 R = 50 k JL- R =100 k O- IS = LM319 3 4 2 R5 = 5,1 k X R6 =470 k-CL R7 =470 k - C1 = 33 nF: CK CK peut être réalisé sous la forme de capacité formant sortie au moyen de bandes conductrices parallèles à R2. Dans la figure 12, on a représenté la caractéristi- que f linéaire obtenue avec les chiffres ci-dessus, en fonction de la pression p. R E V E N D I C A T I 0 N S ) Convertisseur de grandeurs mesurées parcours- fréquence, qui fonctionne suivant le principe capacitif et qui comprend un condensateur (11, 12)-dont la capacité (C s) se modifie en fonction du parcours qui représente la grandeur mesurée, caractérisé en ce que la capacité du condensateur (C) est utilisée comme grandeur déterminant la fréquence dans un oscillateur RC (13). 2 ) Convertisseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le montage oscillateur RC est constitué d'un intégrateur et d'un déclencheur de Schmitt. ) Convertisseur suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on prévoir un condensateur de compensation (CK), parallèlement à la résistance de charge de l'intégrateur. ) Convertisseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, pour la formation de la capacité (C), on prévoit au moins une membrane métallique (M) d'une capsule manométrique (D) soumise à la pression à mesurer, la membrane étant établie sous la forme d'une électrode de condensateur (E2) réglable en fonction de la pression par rapport à une contre-électrode (El). ) Convertisseur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la capsule manométrique (D) est établie sous la forme d'une capsule à membrane ondulée dont la surface est utilisée comme une (E2), des deux électrodes de condensa- teur (El, E2). 6 ) Convertisseur suivant la revendication 5, caractérisé en ce que dans la zone centrale de la oentre- électrode (El), il est prévu au moins une zone qui ne porte aucune garniture conductrice d'électrode. ) Convertisseur suivant l'une des revendications et 6, caractérisé en ce que la capsule manométrique (D) est enclose entre deux parties de bottier (G1, G2) qui sont posées par le bas et par le haut sur une plaque à conducteur (I), qui porte la contre-électrode (El). ) Convertisseur suivant l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que l'on prévoit au moins un condensateur de réglage (C) parallèlement à la capa- p cité de mesure (C) et au moins un second condensateur (Ck), 2479452 parallèlement à la résistance (R2) de charge d'un intégrateur. ) Convertisseur suivant l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que le montage oscillateur est posé sur la plaque (1) à conducteurs. 100) Convertisseur suivant l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que le montage oscillateur est posé sur une seconde plaque à conducteurs séparée, qui est fixée en- dessous de la partie (GI) du boîtier servant de fond, et est recouverte de préférence d'un capot de blindage. 110) Convertisseur suivant l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le condensateur contient une plaque (El) de condensateur qui est entourée d'une électrode annulaire (E5), et que cette électrode annulaire est amenée au potentiel d'une entrée non-inversante d'un amplificateur opéra- tionnel.