Brevet FR2550335A1 — publié le 19850208

La présente invention concerne un capteur capacitif comprenant un bottier en matière synthétique de forme tubulaire fermé du côté frontal, une électrode sensitive disposée à l'intérieur du bottier sur son côté frontal, ainsi qu'au moins une électrode écran de forme tubulaire, les électrodes étant disposées à l'intérieur du bottier de manière à se succèder à faible distance, et un circuit électronique disposé à l'intérieur du bottier et relié d'une part aux électrodes et d'autre part à un câble 10 sortant du bottier par son côté arrière. Des capteurs capacitifs de ce genre sont utilisés par exemple dans le cadre de la mesure des niveaux de remplissage, en particulier pour servir d'interrupteurs limites permettant de constater qu'un niveau de remplis15 sage prédéterminé a été atteint. Dans les capteurs capacitifs de ce genre, appartenant à l'état de la technique, le boîtier en matière synthétique est constitué par une pièce monobloc en forme de tube présentant à son extrémité avant une paroi frontale de fermeture et ouvert sur son extrémité arrière Les électrodes et le circuit électronique sont introduits dans le bottier par l'extrémité arrière ouverte, qui est fermée ensuite par un couvercle approprié à travers lequel sort le c&ble de raccordement. 25 Ces capteurs capacitifs ne répondent pas à toutes les exigences qui leur sont imposées en cas d'utilisation dans des domaines déterminés En particulier, les capteurs capacitifs utilisés dans des zones à risques d'explosion doivent pouvoir résister aux sollicitations de choc venant 30 de tous côtés qui s'exercent sur la partie du capteur pénétrant dans le réservoir C'est pourquoi, ils sont soumis à un essai de chocs au cours duquel des forces de choc axiales et radiales sont exercées sur le capteur Avec les capteurs connus ces forces de choc doivent être absorbées, 35 uniquement par le bottier en matière synthétique, car les électrodes en forme de tubes n'opposent pas de résistance notable aux sollicitations axiales et parce que, en raison du matériau dont elles sont constituées et de leurs dimensions, elles ne sont pas appropriées à absorber des forces de choc radiales. L'objet de la présente invention est de proposer un capteur capacitif du genre mentionné ci-dessus, qui présente une résistance accrue à l'égard des sollicitations de choc axiales et radiales et qui de ce fait convienne 10 particulièrement à l'utilisation dans les domaines à risques d'explosion. Suivant l'invention, le capteur est caractérisé en ce que le boîtier en matière synthétique est constitué par une partie principale de forme tubulaire et un capot 15 en forme de gobelet, en ce que l'électrode sensitive est une pièce métallique résistant aux forces de choc et disposée dans le capot, en ce que l'électrode écran est un tube métallique résistant aux forces de choc et disposé dans la partie principale de forme tubulaire, en 20 ce que du côté intérieur de la partie principale est ménagée une butée sur laquelle s'appuie l'extrémité arrière de l'électrode écran, l'électrode écran étant introduite dans la partie principale par l'avant, et en ce que le capot en forme de gobelet et la partie princi25 pale de forme tubulaire sont assemblés de manière étanche, avec interposition d'une entretoise isolante placée entre les électrodes. Dans le capteur capacitif selon l'invention, les électrodes séparées par les entretoises, sont serrées 30 entre la paroi frontale du capot et la butée ménagée du côté intérieur de la partie principale, et forment ainsi une structure tubulaire interne très résistante à l'égard des sollicitations de choc provenant de tous côtés. Le capteur capacitif répond donc aux conditions inhérentes 35 à l'utilisationdans des domaines à risques d'explosion. Le bottier réalisé en deux parties permet un montage simple du capteur, car la butée ménagée dans la partie principale ne permet pas d'introduire les électrodes par l'arrière. Cette conformation en deux parties présente encore d'autres avantages appréciables En particulier, la même partie principale peut être utilisée avec des capots différents, dont la forme peut être différente en vue de recevoir des électrodes de natures différentes De même il est possible d'utiliser des capots dont la couleur est différente de celle de la partie principale du bottier, par exemple en vue de permettre l'identification de différents types de capteurs. Les entretoises isolantes disposées entre les électrodes ont elles aussi un rôle important en ce qui concerne les sollicitations de chocs Etant donné que les électrodes en métal sont sensiblement indéformables dans le sens axial, ce sont les entretoises qui absorbent les déformations axiales Il est possible en particulier de 20 conformer l'une au moins des entretoises de manière qu'elle constitue une zone de déformation qui se déforme élastiquement sous la charge d'un choc venant du côté frontal. D'autres particularités et avantages de la présente 25 invention ressortiront de la description qui va suivre d'un mode de réalisation représenté sur le dessin Sur ce dessin: la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un capteur capacitif selon l'invention, à l'état 30 assemblé; et la figure 2 est une vue en coupe longitudinale des deux parties du bottier avec les composants qu'elles contiennent, avant leur assemblage. Le capteur capacitif représenté sur la figure 1 comporte un boitier 10 en matière synthétique, de forme tubulaire, fermé du côté frontal, constitué de deux parties à savoir une partie principale 11 de forme tubulaire et un capot 12 en forme de gobelet A l'intérieur du Boitier 10 sont disposées trois électrodes, à savoir une électrode sensitive 13, une électrode de protection 14 et une électrode-écran 15 L'électrode sensitive 13 a la forme d'un pot plat à fond plan 13 a s'étendant contre le côté intérieur de la paroi frontale du capot 12 et un bord périphérique 13 b replié à angle droit par rapport au fond 10 13 a L'électrode de protection 14 est une pièce métallique de forme tubulaire relativement courte, qui est disposée à faible distance derrière l'électrode sensible 13 à l'intérieur du capot 12 et qui s'étend contre la surface interne cylindrique de ce capot Entre les électrodes 13 15 et 14 se trouve un disque-entretoise isolant 16, qui maintient la distance voulue entre les deux électrodes. L'électrode-écran 15 est une pièce métallique de forme tubulaire de section identique à celle de l'électrode de protection 14, mais nettement plus longue L'électrode20 écran 15 s'étend sur la majeure partie de la longueur de la partie principale tubulaire 11 du bottier 10 et pénètre légèrement dans le capot 12 dans lequel elle se termine à faible distance de l'électrode de protection 14 Entre l'électrode de protection 14 et l'électrode-écran 25 15 est disposée unerondelle entretoise 17 Les électrodes 13, 14 et 15 peuvent être toutes constituées du même métal, de préférence en acier inoxydable ou galvanisé Ces pièces métalliques sont formées et dimensionnées de manière à présenter une grande stabilité visà-vis des forces dues 30 aux chocs De préférence, les électrodes 13 et 14 sont fabriquées en découpant un tube d'acier dont l'épaisseur est par exemple de 1,5 mm pour un diamètre de 26 mm. L'électrode sensitive 13 peut être formée dans une tôle d'acier de même épaisseur. Dans la partie principale 11 du bottier est disposée une plaque de circuit 20 dont l'extrémité terminale avant pénètre dans le capot 12 et s'appuie contre le disqueentretoise 16 Cette plaque de circuit 20 porte les composants du circuit électronique du capteur capacitif, qui ne sont pas représentés en détail Les composants de circuit sont reliés les uns aux autres, de la manière requise, par un circuit imprimé fixé sur la plaque 20 et qui n'a pas été représenté Des fils de connexion 21, 22 et 23 relient les électrodes 13, 14 et 15 avec 10 le circuit imprimé sur la plaque 20. Les parties de bottier 11 et 12 peuvent être faits avec la même matière synthétique, choisie en tenant compte des propriétés mécaniques, chimiques et électriques requises, ou en matières synthétiques diffé15 rentes Le polycarbonate s'est avéré particulièrement approprié, par exemple le polycarbonate Makrolon type 6030 pour le capot 12 en forme de gobelet, et le polycarbone Orgalon, type I 2700 pour la partie principale tubulaire 11 Le diamètre intérieur de la partie de bottier 11 est étagé et égal au diamètre extérieur de l'électrodeécran 15 sur la majeure partie de sa longueur à partir de l'extrémité avant, puis légèrement plus petit dans la région d'extrémité arrière, constituant ainsi un épaulement 24 de forme annulaire sur lequel s'appuie la 25 surface frontale arrière de l'électrode-écran 15 avec interposition d'une rondelle entretoise 18 en matière synthétique élastique, par exemple en caoutchouc au silicone L'épaisseur de la paroi de la partie de bottier 11 de forme tubulaire est à peu près uniforme de sorte que 30 la région entourant l'électrode-écran tubulaire 15 présente un diamètre extérieur légèrement plus grand Dans cette région est formé un filetage 25 qui sert à fixer le capteur capacitif dans un orifice de paroi, par exemple au moyen de deux écrous 26 et 27 vissés sur le filetage 35 25 La surface frontale avant de la partie de bottier 11 présente un elargissement annulaire 28 (figure 2) dans lequel s'engage une saillie annulaire 29 formée sur la surface frontale arrière du capot 12 Les deux parties de bottier 11 et 12 sont assemblées par soudure aux ultrasons, ce qui assure entre elles une liaison rigide. L'extrémité arrière de la partie de boîtier 11 est en biseau à 45 ;une plaque de raccordement 30 en matière isolante est emboîtée dans l'ouverture oblique ainsi formée, et y est fixée par exemple par soudure aux ultrasons Cette plaque de raccordement 30 porte des bornes de connexion auxquelles est relié le circuit électronique fixé sur la plaque 20 Un raccord 31 muni d'un filetage intérieur s'écarte de la plaque 30 à angle droit Au moyen 15 d'une vis 34 engagée dans le raccord fileté 31, il est possible de fixer contre la plaque oblique 30 un organe de traversée 32 à surface oblique correspondante, avec interposition d'un joint d'étanchéité 33 Cette fixation est possible en deux positions angulaires différentes, telles qu'une traversée de câble 35 fixée sur la pièce de traversée 32, se trouve ou bien, comme représenté sur la figure 1, à angle droit par rapport à l'axe longitudinal du boîtier 10 ou bien, lorsque la pièce de traversée 32 est fixée dans une position tournée de 180 , dans le 25 prolongement axial de l'axe du boîtier La pièce de traversée 32 sert à faire passer, de façon étanche et résistante à la traction un câble qui peut être connecté aux bornes de raccordement de la plaque 30 et qui assure de ce fait la liaison entre la plaque de circuit 20 et 30 des instruments extérieurs Grâce à la liaison à faces obliques entre le boîtier 10 et la pièce de traversée 32, la sortie du câble peut être adaptée aux exigences locales. La plaque de raccordement 30 supporte également la plaque de circuit 20 au moyen d'un organe de raccordement 35 36 fixée sur la plaque 30 Une pièce d'appui en mousse 37 est fixée à l'extrémité libre de l'organe de raccordement. 36. Le disque-entretoise 16 est unie pièce conformée en matière plastique élastique relativement dure Les élas5 tomères de polyuréthane thermoplastiquement formables conviennent particulièrement bien à cet effet, par exemple la matière disponible dans le commerce sous la dénomination Desmopan d'une dureté de 80 Shore La pièce conformée en matière plastique a la forme d'unecoupelle plate comportant deux nervures annulaires périphériques 40 s'étendant à une certaine distance l'une de l'autre entre l'électrode sensitive 13 et l'électrode de protection 14 Une traversée tronconique 41 formée dans le disque entretoise 16 reçoit le fil de connexion 21 qui 15 relie l'électrode sensitive 13 à la plaque de circuit 20. En outre, deux saillies 42 formées sur le disque entretoise 16 reçoivent et supportent la région d'extrémité de la plaque de circuit 20 à l'état monté Les surfaces orientées l'une vers l'autre des saillies 42 sont chanfreinées pour faciliter l'introduction de la plaque de circuit 20 lors du montage. La rondelle entretoise 17 entre l'électrode de protection 14 et l'électrode écran 15 est constituée, tout comme la rondelle 18, en une matière plastique élastique par exemple en caoutchouc au silicone d'une dureté de 40 Shore. Le montage du capteur capacitif est expliqué à l'aide de la figure 2 qui représente, avant assemblage, les deux parties de boîtier 11 et 12 et les composants 30 qu'elles contiennent. A l'extérieur du boîtier 11, la plaque de circuit 20 équipée du circuit électronique a été fixée sur la plaque au moyen de l'organe de raccordement 36, après quoi on a établi les connexions requises entre la plaque de 35 circuit 20 et les bornes fixées sur la plaque 30 On insère l'électrode-écran 15 en même temps que la rondelle entretoise 18 dans la partie principale tubulaire 11, par le côté avant de cette dernière, jusqu'à ce que sa face frontale arrière s'appuie par la rondelle 18, sur l'épaulement annulaire 24 On introduit la plaque de circuit 20 par l'arrière du boîtier jusqu'à ce que la plaque 30 soit en bonne position dans l'orifice arrière oblique de la partie principale 11 On fixe alors la plaque 30 à la partie de bottier 11 par soudage aux ultra10 sons La pièce en mousse 37 disposée à l'extrémité avant de l'organe de raccordement 36 s'appuie sur le côté interne de l'électrode-écran tubulaire 15 et assure un appui mécanique complémentaire à la plaque de circuit 20 On peut alors établir la connexion entre la plaque de circuit 15 20 et l'électrode-écran 15 au moyen du fil de connexion 23. Les éléments du capteur capacitif montés dans la partie de boîtier 11 ont alors atteint le stade de montage représenté sur la figure 2 L'électrodeécran tubulaire 15 dépasse légèrement l'extrémité avant de la partie princi20 pale tubulaire 11 et la plaque de circuit 20 dépasse par rapport à l'extrémité avant de l'électrode-écran 15 de forme tubulaire. On introduit dans l'ordre dans le capot 12 en forme de gobelet, d'abord l'électrode sensitive 30 sur laquelle 25 est soudé le fil de connexion 21, puis le disque entretoise 16, l'électrode tubulaire de protection 14 sur laquelle est soudé le fil de connexion 22 et la rondelle entretoise 17; ces constituants prennent alors la position représentée sur la figure 2 Apres avoir soudé 30 les fils de connexion 21 et 22 sur la plaque de circuit 20, on introduit la saillie 29 dans l'élargissement 28 jusqu'à ce que la partie de boîtier 11 etle capot 12 s'appuient l'un contre l'autre sans laisser d'interstice. Cette opération comprime les rondelles-entretoises 35 élastiques 17 et 18, ce qui compense les tolérances éventuelles Ensuite, on assemble de manière permanente par soudage aux ultrasons les parties du boîtier 11 et 12. Enfin, il est possible de couler une masse dans l'ensemble de l'espace intérieur du boîtier 10 à travers un orifice 5 (non représenté) prévu dans la plaque de raccordement 30. Cette opération achève le montage du capteur capacitif. A l'état assemblé, représenté sur la figure 1, les électrodes 13, 14 et 15 sont fermement serrées entre la paroi frontale du capot 12 et l'épaulement annulaire 24 10 avec interposition des entretoises 16, 17 et 18 La déformation élastique des rondelles entretoises 17 et 18 compense les tolérances éventuelles. Les trois électrodes 13, 14 et 15 forment avec les entretoises 16, 17 et 18 une ossature qui procure au capteur une grande résistance envers les sollicitations axiales et radiales résultant des chocs Le bord périphérique 13 b de l'électrode 13 en forme de pot a pour effet de créer entre le fond 13 a et le disque entretoise 16 un espace creux 43 qui absorbe les déformations 20 élastiques du fond 13 a provoquées par les forces résultant des chocs axiaux, sans que le disque 16 risque d'être détérioré Les nervures 40 du disque entretoise 16 situées entre le bord périphérique 13 b et l'électrode de protection 14 forment une zone élastique qui absorbe les forces de choc axiales transmises par le bord périphérique 13 b Les nervures 40 sont conformées de façon à se comprimer élastiquement sous l'effet de telles forces axiales et à reprendre leur forme et leur position primitives lorsque la charge cesse L'épaulement 24 sert de contre-appui à l'absorption des forces de choc axiales, qui sont transmises à cet épaulement par les tubes d'acier qui constituent les électrodes 14 et 15, tandis que les rondelles entretoises 17 et 18 interposées ont un effet tampon. La pièce en mousse 37 absorbe élastiquement les forces de choc axiales qui sont transmises par la masse coulée à l'intérieur et les transmet à la plaque 30 par l'intermédiaire de l'organe de raccordement 36, ce qui protège la plaque 30 des forces de choc axiales. Les forces de choc radiales sont principalement absorbées par l'électrodeécran 15, qui de par sa constitution en tube d'acier résiste bien aux sollicitations radiales. La région terminale avant, saillante, de l'électrode-écran rigidifie la région de liaison entre les parties 11 et 10 12 du bottier L'électrode tubulaire de protection 14 et l'électrode sensitive 13 en forme de pot rigidifient également le capot 12 envers les sollicitations de choc radiales Les électrodes 13, 14 et 15 sont constituées, d'une part par le choix du matériau (acier) et d'autre 15 part par leurs formes et leurs dimensions, de façon à être capables d'absorber élastiquement les sollicitations de choc sans subir de déformation permanente. La conformation en deux parties du bottier 10 permet et facilite l'assemblage du capteur capacitif En raison de la présence de l'épaulement 24 qui sert de contre-appui mécanique pour absorber les forces de choc, il n'est plus possible de monter les électrodes du côté du raccordement comme c'est le cas habituellement sur les capteurs capacitifs connus Par ailleurs, la conformation en deux 25 parties du boîtier présente d'autres avantages Ainsi, il est possible de fixer sur la même partie de boîtier 11 dans laquelle sont disposées l'électrode-écran et la plaque de circuit, des capots 12 de types divers. Ces capots peuvent présenter par exemple des formes différentes pour recevoir des électrodes sensitives de types différents et ils peuvent être de couleurs différentes pour permettre l'identification de sondes diversifiées. Naturellement la construction décrite du capteur ne se limite pas au cas o il est prévu trois électrodes, c'est-à-dire o une électrode de protection est placée entre l'électrode sensitive et l'électrode-écran. Les modifications nécessaires pour réaliser un capteur capacitif ne comportant qu'une électrode sensitive et une électrode-écran tubulaire ne posent aucun problème à l'homme de l'art Dans ce cas, seule l'électrode sensitive munie du disque entretoise est disposée dans le capot en forme de gobelet et l'électrode-écran s'étend jusqu'au disque entretoise, ce qui est réalisable par un dimensionnement approprié du capot et/ou de la partie faisant saillie de l'électrode-écran Naturellement il est également possible d'allonger de manière correspondante le bord périphérique de l'électrode sensitive en forme de pot. Dans tous les cas, le capteur capacitif présente une résistance mécanique élevée et il résiste en particulier aux sollicitations axiales et radiales résultant des chocs L'électrode-écran tubulaire entourant la plaque de circuit constitue un écran électrique de bonne qualité 20 protégeant le circuit électronique. REVENDICATIONS 1 Capteur capacitif comprenant un boîtier ( 10) en matière synthétique de forme tubulaire fermé du côté frontal, une électrode sensitive ( 13) disposée à l'inté5 rieur du boîtier ( 10) sur son côté frontal ainsi qu'au moins une électrode-écran ( 15) de forme tubulaire, les électrodes ( 13, 15) étant disposées à l'intérieur du boîtier ( 10) de manière à se succéder à faible distance, et un circuit électronique ( 20) disposé à l'intérieur du 10 boîtier ( 10) et connecté d'une part aux électrodes ( 13,15) et d'autre part à un c&ble sortant du boîtier par son côté arrière, caractérisé en ce que le boîtier en matière synthétique ( 10) est constitué par une partie principale ( 11) de forme tubulaire et un capot ( 12) en forme de 15 gobelet, en ce que l'électrode sensitive ( 13) est une pièce métallique résistant aux forces de choc et disposée dans le capot ( 12), en ce que l'électrode-écran ( 15) est un tube métallique résistant aux forces de choc et disposée dans la partie principale de forme tubulaire ( 11), en ce 20 que du côté intérieur de la partie principale ( 11) est ménagée une butée( 24 sur-laquelle s'appuie l'extrémité arrière de l'électrode-écran ( 15), l'électrode-écran ( 15) étant introduite dans la partie principale ( 11) par l'avant, et en ce que le capot en forme de gobelet ( 12) et la partie principale de forme tubulaire ( 11) sont assemblés de manière étanche avec interposition d'une entretoise isolante( 16) placée entre les électrodes. 2 Capteur capacitif selon la revendication 1, dans lequel, à l'intérieur du boîtier ( 10) entre l'élec30 trode sensitive ( 13) et l'électrodeécran de forme tubulaire ( 15) une électrode de protection ( 14) est montée coaxialement à l'électrode-écran ( 15) de manière à se situer à faible distance de l'électrode sensitive ( 13) et de l'électrode-écran ( 15), caractérisé en ce que l'électrode de protection ( 14) est un tube métallique résistant aux forces de choc et est disposée avec l'électrode sensitive ( 13) dans le capot avec interposition d'une entretoise isolante ( 16). 3 Capteur capacitif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'électrode sensitive ( 13) a la forme d'un pot. 4 Capteur capacitif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les électrodes ( 13, 14, 15) sont en acier. 5 Capteur capacitif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la butée est formée par un épaulement annulaire ( 24) dans la partie principale tubulaire ( 11). 6 Capteur capacitif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'unerondele entretoise élastiquement déformable ( 18) est insérée entre l'électrode-écran ( 15) et la butée ( 24). 7 Capteur capacitif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'électrode-écran ( 15) est 20 d'une longueur telle qu'elle dépasse l'extrémité avant de la partie principale tubulaire ( 11) lorsqu'elle est introduite jusqu'à la butée ( 24). 8 Capteur capacitif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les entretoises isolantes 25 ( 16, 17, 18) placées entre les électrodes ( 13, 14, 15) sont élastiquement déformables. 9 Capteur capacitif selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'une moins des entretoises ( 17) disposées entre les électrodes ( 13, 14, 15) est faite 30 en un élastomère par exemple en caoutchouc au silicone. Capteur capacitif selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'une au moins des entretoises ( 16) disposées entre les électrodes ( 13, 14, 15) est une pièce conformée en matière plastique ( 16) dont la forme permet 35 la déformation. 11 Capteur capacitif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la pièce conformée en matière plastique ( 16) présente deux nervures périphériques ( 40) distantes l'une de l'autre, situées dans l'espace intermédiaire entre les électrodes ( 13, 14)etpouvantse rapprocher l'une de l'autre par déformation élastique sous l'effet d'une sollicitation de choc du côté frontal, de façon à former une zone d'absorption. 12 Capteur capacitif selon l'une des revendications 10 10 ou 11, caractérisé en ce que la pièce conformée en matière plastique ( 16) moulée est constituée en un élastomère de polyuréthane. 13 Capteur capacitif selon l'une des revendications à 12, dans lequel le circuit électronique est disposé 15 sur une plaque de circuit ( 20) elle-même disposée à l'intérieur du bottier (i O), caractérisé en ce que la plaque de circuit ( 20) est fixée dans la partie principale tubulaire ( 11) et a une longueur telle qu'à l'état monté du bottier ( 10) elle pénètre dans le capot ( 12) jusqu'à 20 la pièce conformée en matière plastique ( 16),et en ce que sur la pièce conformée en matière plastique ( 16) sont formées des saillies ( 42) entre lesquelles est introduite la région terminale de la plaque de circuit ( 20). 14 Capteur capacitif selon l'une des revendications 25 précédentes, caractérisé en ce que la partie principale tubulaire ( 11) et le capot ( 12) sont reliés l'une à l'autre par soudure aux ultrasons.