Brevet FR2654210A1 — publié le 19910510

i L'invention concerne un dispositif de mesure de grandeurs physiques au moyen d'un capteur et de deux électrodes métalliques De tels dispositifs de mesure sont utilisés pour la détermination d'un grand nombre de grandeurs physiques, par exemple la pression, la longueur, la valeur du p H, la tension électrique, etc Selon l'aménagement du dispositif on utilise les effets physiques du capteur qui sont liés à la grandeur à mesurer. Toutefois, les propriétés de nombreux capteurs ne se modifient pas seulement en fonction de la grandeur à mesurer, mais aussi en fonction de la température Pour connaître les erreurs qui en résultent ou pour compenser l'influence de la température sur la mesure, soit la température doit être maintenue constante ou compensée, ce qui est cependant impossible dans de nombreux cas à cause du contexte de la mesure, soit la température doit être mesurée séparément Ceci s'obtient surtout par l'adjonction d'un capteur ou sonde de température distinct, étalonné dans la plage de température à mesurer Mais on se heurte à des difficultés pratiques. Tout d'abord, dans de nombreux cas, il est impossible d'effectuer une mesure de la température au voisinage immédiat de l'autre capteur destiné à mesurer la grandeur physique à laquelle on s'intéresse, car cette dernière peut être influencée par la présence de la sonde de température. En outre, la sonde de température a besoin d'un certain espace, qui est rarement disponible à l'endroit o l'autre grandeur physique intéressante doit être mesurée, par exemple dans le cas de mesures de pression, lors desquelles on ne peut que très rarement installer une sonde de température supplémentaire à l'endroit de la mesure de la pression. En l'occurrence d'autres problèmes peuvent en outre se poser, par exemple lorsqu'on est en présence d'une grandeur physique qui varie très rapidement dans le temps et qu'on ne dispose pas d'une sonde de température qui suit aussi vite la variation de la température. La base de l'invention résulte de la constatation que, du fait des problèmes indiqués ci- dessus, à l'aide d'une sonde de température distincte, la température est plus que rarement mesurée à l'endroit o elle est effectivement intéressante, à savoir directement à l'endroit du capteur de l'autre grandeur physique à déterminer, par exemple la pression En réalité la sonde indique une température, mais pas forcément celle existant exactement à l'endroit intéressant, c'est-à-dire l'endroit du capteur destiné à mesurer l'autre grandeur physique. La base de l'invention consiste à proposer un dispositif de mesure qui permette d'évaluer directement l'influence de la température sur le capteur de mesure de l'autre grandeur physique intéressante. Le problème est résolu par l'utilisation d'un dispositif de mesure de grandeurs physiques, par exemple de pressions, constitué d'un capteur de mesure électrique de la grandeur physique avec deux électrodes à conduction électrique, et comportant dans la partie active dudit capteur, un dispositif électrique de mesure de la température. Ainsi, on a la garantie que, directement au niveau de la partie active du capteur o est saisie la grandeur physique à mesurer, la température peut en même temps être déterminée. Conformément à une disposition particulièrement avantageuse de l'invention on prévoit, dans la zone active, l'installation d'une électrode supplémentaire sur l'une des électrodes afin de constituer un dispositif électrique de mesure de températures L'électrode nécessaire au fonctionnement du capteur est en conséquence utilisée simultanément avec l'électrode supplémentaire comme dispositif électrique de mesure de la température L'électrode et l'électrode supplémentaire forment de préférence un couple thermoélectrique Dans le cas o l'électrode supplémentaire recouvre pour l'essentiel, toute la longueur de l'autre électrode, ceci dans l'hypothèse d'une fabrication particulièrement simple, il est évident que ce large recouvrement, à savoir aussi bien dans la partie active du capteur qu'en dehors, mène à une mesure de la température non seulement au niveau de la zone active qui nous intéresse, mais aussi sur l'ensemble du capteur lorsqu'il existe un important gradient de température Aussi, en présence de gradients de température importants, sera utilisée de préférence une version de l'invention dans laquelle l'électrode et l'électrode supplémentaire qui forment le couple thermoélectrique ne se chevauchent que dans le domaine actif du capteur. Au lieu de former un couple thermoélectrique, l'électrode et l'électrode supplémentaire peuvent aussi former une sonde de température résistive Pour pouvoir garantir également dans ce cas qu'on obtiendra une mesure seulement dans la zone active intéressante du capteur, l'électrode supplémentaire entoure de préférence presque entièrement l'une des électrodes, dans ladite zone active. Le dispositif conforme à l'invention offre des avantages particuliers lorsque le capteur comporte un détecteur pelliculaire en polyfluorure de vinylidène (PVDF) Une feuille de ce type comporte une électrode de chaque côté, laissant au constructeur une grande liberté pour implanter l'électrode. Il est évident que le capteur peut aussi être un capteur de pression formé d'un quartz avec deux électrodes à ses extrémités et comporter une électrode supplémentaire sur l'une de ces électrodes. Il est également possible de prévoir comme capteur de préférence un capteur formé d'un quartz pourvu de deux électrodes à ses extrémités, o l'une de ces électrodes est couplée avec une résistance de mesure de la température. Il est avantageux que, dans tous les cas décrits précédemment, les électrodes et/ou l'électrode supplémentaire du capteur soient formées de pellicules métalliques, obtenues de préférence par pulvérisation cathodique. Par exemple l'électrode peut être formée d'un conducteur froid, donc constituée d'un corps pur comme du platine de préférence, mais aussi du nickel ou du cuivre, lors de l'utilisation desquels la résistance électrique augmente en fonction de la température De la même manière, on peut aussi prévoir pour l'électrode, au moins dans le domaine actif du capteur, un matériau à base d'oxyde pour la formation d'un conducteur chaud, lors de l'utilisation duquel la résistance diminue avec la température. Pour le montage du dispositif de mesure de la température en tant que couple thermoélectrique, la nature de l'électrode et de l'électrode supplémentaire est définie l'une en fonction de l'autre, comme on le sait en ce qui concerne les couples thermoélectriques. Les couples thermoélectriques permettent une mesure avec une inertie particulièrement faible, également de températures variant rapidement dans le temps, et sont ainsi particulièrement appropriés aux cas d'utilisation dans lesquels la grandeur physique intéressante, par exemple la pression varie rapidement. A ce propos, le capteur utilisé pour la mesure en particulier des pressions variant rapidement dans le temps sera de préférence un capteur de pression piézo- électrique De tels capteurs de pression sont capables de mesurer aussi bien des hautes pressions dans le domaine du kbar que, par exemple pour des mesures ultrasoniques, des basses pressions de l'ordre du mbar Comme mentionné auparavant, le capteur peut comporter un détecteur pelliculaire en polyfluorure de vinylidène (PVDF), ou un capteur de pression formé d'un quartz muni d'électrodes à ses deux extrémités. Les dessins schématiques annexés donnent une explication détaillée de l'invention par la présentation d'exemples d'application et font apparaître d'autres avantages et caractéristiques. Sur ces dessins: la figure la représente une vue de dessus d'un capteur de pression dans l'état actuel de la technique; la figure lb est une vue latérale du capteur de la figure la; la figure 2 a est une vue de dessus d'un capteur de pression comportant un capteur de température intégré conformément à une première version de la présente invention; la figure 2 b est une vue latérale du capteur de la figure 2 a; les figures 3 a et 3 b représentent une deuxième version de la présente invention, respectivement en vue de dessus et en vue latérale, la figure 4 a est une vue de dessus d'une troisième version de la présente invention pourvue d'une résistance de mesure-en platine; la figure 4 b est une coupe le long de la ligne I Vb, I Vb de la figure 4 a; les figures 5 a (état de la technique) et 5 b correspondent à une quatrième version de l'invention comprenant un capteur de température monté dans le même boîtier que le capteur de pression, mais qui en est toutefois séparé; la figure 6 représente une cinquième version de la présente invention; la figure 7 représente une sixième version de la présente invention; et la figure 8 représente une septième version de la présente invention. Les figures la et lb représentent un capteur de pression piézo-électrique selon l'état actuel de la technique, la figure la étant une vue du dessus et la figure lb étant une vue latérale Le capteur connu comporte une feuille 4 en PVDF sur la face supérieure de laquelle est montée une première électrode 2 et dont la face inférieure comporte une deuxième électrode 3 Comme il ressort de la figure lb, le volume actif ou la partie active o a lieu la mesure est aménagé dans la zone de chevauchement des électrodes 2, 3 Le branchement des électrodes métalliques 2, 3 n'est pas représenté dans les figures la et lb Comme il a été mentionné au début, le dispositif de mesure décrit dans les figures la et lb est imprécis en raison du fait qu'il est impossible de déterminer les influences de la température; c'est à ce niveau que la présente invention apporte une solution. Les figures 2 a et 2 b montrent une première version d'un dispositif de mesure conforme à la présente invention, la figure 2 a étant une vue de dessus et la figure 2 b étant une vue latérale Cette version de la présente invention part de l'état actuel de la technique représenté dans les figures la et lb. IT, dispositif de mesure représenté dans les figures 2 a, 2 b met en évidence une première électrode métallique 12 et une deuxième électrode métallique 13 entre lesquelles on a installé un détecteur pelliculaire 14 en polyfluorure de vinylidène (PVDF), se différenciant de l'état de la technique à ce niveau Conformément à l'invention, on prévoit une électrode supplémentaire 10 qui est également en métal (comme les-électrodes 12, 13) et qui s'étend sensiblement parallèlement à l'électrode 12, mais qui recouvre toutefois cette dernière dans la zone active 15 La forme des électrodes peut être appropriée aux différentes exigences, le parallélisme n'étant pas nécessaire pour la fonction. Les électrodes 10, 12 forment ensemble un dispositif électrique de mesure de la température. D'après le matériau dont est composée l'électrode 12 ou l'électrode supplémentaire 10, le dispositif 10, 12 de mesure de la température peut être aménagé par exemple sous forme de couple thermoélectrique ou de sonde de température résistive Les électrodes, en particulier l'électrode 12 et l'électrode supplémentaire 10, sont réalisées de préférence par un procédé de dépôt par pulvérisation cathodique sur la feuille 14 On obtient ainsi des propriétés correctement reproductibles du dispositif 10, 12 de mesure de la température Etant donné que l'électrode 12 et l'électrode supplémentaire 10 ne se chevauchent que dans le domaine actif 15, il est garanti que la mesure de la température a lieu exactement et uniquement à l'endroit o a lieu la mesure de l'autre grandeur physique à mesurer, à savoir la pression. Une autre version de la présente invention est représentée dans les figures 3 a, 3 b, selon une représentation correspondant aux figures 2 a, 2 b Le dispositif de mesure schématisé dans les figures 3 a, 3 b comprend une feuille de capteur 34, une première électrode 32 et une deuxième électrode 33, formant ainsi une sonde piézo-électrique de pression Conformément à la présente invention, on prévoit une électrode supplémentaire 31 s'étalant sur l'essentiel de la surface de l'électrode 32. Sur la figure 3 b on a en outre représenté une connexion 37 pour l'électrode 33, une connexion 38 pour l'électrode 32 et une connexion 36 pour l'électrode supplémentaire 31 La partie active du dispositif de mesure, dans lequel s'effectue la mesure de pression, est désignée par le chiffre de référence 35. Etant donné que l'électrode supplémentaire 31 s'étend sur presque toute la longueur de l'électrode 32, le montage comprenant l'électrode 32 et l'électrode supplémentaire 31 ne convient pas en tant que sonde de température résistive, mais comme couple thermoélectrique, qui s'obtient grâce à un choix de matériau approprié de l'électrode 32 d'une part et de l'électrode supplémentaire 31 d'autre part. La version représentée dans les figures 3 a, 3 b d'un dispositif de mesure conforme à l'invention est particulièrement facile à mettre en place Comme toutefois le couple thermoélectrique formé par l'électrode 32 et l'électrode supplémentaire 31 ne s'étend pas seulement sur le domaine actif 35, mais en outre sur toute la longueur de l'électrode 32, cette forme d'application n'est utilisable que s'il n'y a pas de gradients de température trop élevés (à partir du domaine actif 35 jusqu'aux extrémités de l'électrode 32). Les figures 4 a, 4 b représentent une autre version du dispositif de mesure conforme à l'invention dans laquelle la température est déterminée à l'aide d'une sonde de température résistive uniquement au niveau de partie active o s'effectue la mesure de la pression du dispositif de mesure. La figure 4 a montre une vue de dessus du dispositif de mesure et la figure 4 b une coupe le long du plan matérialisé par la ligne I Vb, I Vb, de la figure 4 a. Une électrode 43 est installée sur la face inférieure de la feuille en PVDF 44 du capteur de pression, et une électrode 42 est installée sur sa face supérieure Jusque là, ce montage représente un capteur de pression du type décrit dans la figure 1. A l'intérieur d'un domaine 46 de l'électrode 42 on a installé dans la zone active 45 (figure 4 b) une électrode supplémentaire 41 qui l'entoure et qui s'étend parallèlement à l'électrode 42 tout en en étant séparée. Ce n'est que dans le domaine 46, donc essentiellement dans le domaine actif 45 o s'effectue la mesure de pression qu'une sonde de température résistive est formée par l'électrode 42 et l'électrode supplémentaire 41 On est ainsi assuré qu'à l'endroit intéressant, c'est-à-dire dans le domaine actif 45 o s'effectue la mesure électrique de la pression, la mesure de la température est également effectuée au moyen d'une sonde de température résistive, de la façon représentée dans la figure 4. Les versions de l'invention décrites jusqu'à présent s'inspirent de l'état actuel de la technique, comme il a été décrit à l'aide de la figure 1, à savoir d'un capteur de pression muni d'une feuille de PVDF Les figures suivantes 5 a à 8 décrivent des versions de la présente invention, qui font appel à un capteur de pression piézo-électrique formé d'un quartz (ou d'un corps d'un autre matériau approprié) pourvu d'une électrode à son extrémité. A ce sujet, la figure 5 a représente l'état actuel de la technique Un quartz cylindrique 51 comporte à son extrémité supérieure une électrode 52 en forme de disque et, au-dessus, une connexion électrique 53 A l'extrémité inférieure du quartz 51 on prévoit une électrode métallique 52 ' en forme de disque et une connexion électrique supplémentaire 53 '. Dans la version de l'invention représentée dans la figure 5 b, les parties correspondant à l'état actuel de la technique représenté dans la figure 5 a sont désignées par les mêmes chiffres de référence En outre, on prévoit une couche métallique en tant qu'électrode supplémentaire 54 sur l'électrode métallique 52 en forme de disque du capteur de pression schématisé dans la figure 5 b Une connexion électrique 55 est fixée sur l'électrode supplémentaire 54 Comme la zone active du capteur de pression 51 se trouve entre les électrodes 52, 52 ', le dispositif électrique de mesure de la température (couple thermoélectrique) 52, 54 permet une mesure de la température directement au niveau de la zone active. Une version similaire de la présente invention est représentée dans la figure 6 On prévoit un quartz piézo-électrique 61 de forme cylindrique pourvu d'une électrode métallique 62 en forme de disque à une extrémité et à l'autre une électrode métallique 62 ' correspondante en forme de disque Des connexions électriques 63, 63 ' sont reliées respectivement aux électrodes 62 et 62 '. Une résistance électrique de mesure 66 comportant une connexion électrique 65 est reliée à l'électrode supérieure 62 Le montage direct de la résistance électrique de mesure 66 à l'électrode 62 permet une détermination de la température directement au niveau du domaine actif du capteur de pression piézo- électrique 61, 62, 62 '. Dans les figures 7 et 8 on a représenté deux autres versions de la présente invention dans lesquelles -contrairement aux modes de réalisation représentés dans les figures 5, 6 des dispositifs électriques de mesure de la température ne sont pas reliés aux électrodes, mais placés séparément, directement au contact du volume actif d'un quartz piézo-électrique. Le capteur de pression piézo-électrique représenté dans la figure 7 comprend un corps cylindrique en quartz 71 comportant, à une extrémité, une électrode métallique 72 en forme de disque munie d'une connexion électrique 73 et, à l'extrémité opposée, une autre électrode métallique 72 ' en forme de disque munie d'une connexion électrique 73 ' Dans le milieu du volume du quartz 71 sont placées sur sa surface extérieure deux électrodes supplémentaires 76, 78, avec leurs connexions il respectives 75, 77, les électrodes supplémentaires 76, 78 contenant un couple thermoélectrique Dans la version représentée sur la figure 7, la température est également mesurée directement au contact du domaine actif du quartz 71. La version de l'invention représentée dans la figure 8 se différencie essentiellement par le fait que dans ce cas on prévoit une résistance de mesure en platine entre les électrodes 86 et 88 à la place d'un couple thermoélectrique Un quartz cylindrique 81 comporte une électrode métallique 82 avec sa connexion 83 à une extrémité et à l'autre une électrode correspondante 82 ' avec sa connexion 83 ' Deux électrodes 86, 88 d'un matériau approprié avec les connexions désignées par les chiffres 85, 87, contiennent une résistance de mesure en platine Le dispositif de mesure avec résistance en platine 86, 88 est placé sur la surface extérieure du quartz 81, environ à mi-distance entre les électrodes 82, 82 ' On obtient ainsi également dans ce cas une détermination de la température à l'aide du capteur de pression piézo-électrique 81, 82, 82 ' directement au niveau de son domaine actif. REVENDICATIONS 1 Dispositif de mesure pour la détermination d'une grandeur physique, par exemple la pression, comportant un capteur de mesure électrique de la grandeur physique et deux électrodes à conduction électrique associées au capteur, caractérisé par le fait qu'un dispositif électrique de mesure de la température ( 10, 12) est placé directement dans la zone active ( 15) du capteur ( 12, 13, 14). 2 Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé par le fait qu'une électrode supplémentaire ( 10, 31), montée directement dans la zone active ( 15, 35) sur l'une des électrodes ( 12, 32), est prévue pour former un dispositif électrique de mesure de la température ( 10, 12; 31, 32). 3 Dispositif conforme à la revendication 2, caractérisé par le fait que l'électrode ( 32) et l'électrode supplémentaire ( 31) forment un couple thermoélectrique. 4 Dispositif conforme à la revendication 3, caractérisé par le fait que l'électrode supplémentaire ( 31) s'étend sensiblement sur toute la longueur de l'électrode ( 32). Dispositif conforme à la revendication 2, caractérisé par le fait que l'électrode ( 12) et l'électrode supplémentaire ( 10) forment une sonde de température résistive. 6 Capteur conforme à la revendication 3 ou 5, caractérisé par le fait que dans le domaine actif ( 45) du capteur ( 42, 43, 44) l'électrode supplémentaire ( 41) est disposée sensiblement autour de l'électrode ( 42) dans la zone ( 46). 7 Capteur conforme à l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le capteur comporte un détecteur pelliculaire ( 14, 34) en polyfluorure de vinylidène (PVDF). 8 Capteur conforme à l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le capteur ( 52, 51, 52 ') comporte une électrode supplémentaire ( 54) sur l'une de ses électrodes ( 52), et que le capteur est un capteur de pression qui est composé d'un quartz ( 51) pourvu d'électrodes ( 52, 52 ') à ses deux extrémités. 9 Capteur conforme à la revendication 1, caractérisé par le fait que le capteur ( 62, 61, 62 ') comporte une résistance de mesure de la température ( 66) relié à l'une de ses électrodes ( 62). Capteur conforme à l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que les électrodes et/ou l'électrode supplémentaire du capteur sont formées de préférence de pellicules métalliques obtenues par pulvérisation cathodique.