Brevet FR2932564A1 — publié le 20091218

CAPTEUR-TRANSMETTEUR CAPACITIF DE NIVEAU LIQUIDE SOMMAIRE La présente invention concerne un capteur transmetteur de niveau liquide entièrement statique (aucune pièce en mouvement même à micro déplacement) pouvant être adapté aux liquides conducteurs et non-conducteurs de l'électricité. Il est basé sur le principe d'une capacité électrique variable en fonction de la hauteur rendue indépendante des caractéristiques diélectriques du liquide considéré (nature et température de ce dernier). La géométrie, la nature et le traitement de surface de ce substrat, permet à cette technologie de réaliser des systèmes de mesure de niveau liquide applicables à des produits tels que l'urée, eau quelconque, liquide de frein, liquides comportant des antigels, liquide de refroidissement, huile de lubrification, fioul et différentes essences pour moteurs à explosion. Ce système permet également de délivrer une mesure supplémentaire de la caractéristique 20 diélectrique du liquide, significative, de sa nature et de son taux de pollution par des particules conductrices (huile en particulier). La structure monolithique multi-couches et multi-faces de ce substrat-capteur réduit les risques d'encrassement pouvant se produire dans les assemblages. L'acquisition des variables capacitives de mesure et de correction, est réalisée par un circuit électronique miniature intégré à l'une des extrémités de ce substrat. La très faible largeur et la longueur adaptable rendent compatible ce système avec la plupart des 30 applications projetées. Un dessin particulier de la base de ce système permet à ce dernier d'assurer une mesure à partir du niveau zéro. 25 35 1 ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE La mesure des niveaux dans les liquides conducteurs (eau, urée...) et non conducteurs (huile, essence, fioul...) a fait l'objet sur plusieurs décennies de développements et de réalisations les plus diverses parmi lesquels on peut citer d'une manière non exhaustive : - Système à flotteur associé à un potentiomètre pour la conversion en signal électrique - Système à flotteur associé à un codage optique ou magnétique - Système à flotteur actionnant à distance un dispositif de conversion électrique - Dispositif à ultra son - Système à capacité variable discontinue en fonction du niveau (faible résolution) - Système à multi-contacts secs déclenchés en fonction du niveau (faible résolution) - Système à capacité variable d'une façon continue en fonction du niveau (grande résolution) - Système à détection optique - Système mesurant une impédance proportionnelle à la hauteur - Conversion d'une poussée d'Archimède par un capteur à jauges extensométriques - Capteur de pression situé au fond du réservoir Après avoir analysé les brevets internationaux relatifs aux mesures de niveau liquide orientée particulièrement sur les systèmes dits � capacitifs � nous avons constaté les éléments suivants : 20 � Absence de caractéristiques de stabilité ou de précision � Absence de fonction de transfert caractérisé 25 � Structure plus ou moins complexe se traduisant par des assemblages à coût élevé � Structure hétérogène comportant des obstacles à l'écoulement du fluide susceptible de modifier la caractéristique de transfert par suite de couches de dépôt perturbatrices 30 � Pas de quantification des variations relatives de capacité (variation capacitive en fonction de la hauteur / capacité de base) Il est important de souligner que ce facteur a une influence directe sur la précision à long terme compte tenu de l'instabilité de la capacité de base (capacité parasite en parallèle sur la variation de capacité). 2 � Structure montrant la très faible amplitude pleine échelle de la variation de capacité, étant précisé que cette dernière doit avoir une valeur suffisante pour être traitée par des circuits d'acquisition sans risque d'instabilité des performances (supérieure à 10 pF). � Structure mécanique complexe engendrant un coût non compatible avec les applications en grande série (électroménager, automobile, petits réservoirs divers) � Modèles technologiquement différents suivant la constante diélectrique ou la 10 conductivité, obligeant la création d'outils de production spécifiques des applications. � Structure mécanique dont la forme ne permet que difficilement la réalisation d'un capteur non rectiligne quelquefois nécessaire suivant les applications rencontrées. 15 � Structures discontinues composées de multiples électrodes longitudinales ne permettant pas d'avoir une résolution infinie et se traduisant par un grand nombre de liaisons entre l'électrode de mesure et le circuit électronique de conditionnement. II est important de souligner que cette mesure discontinue, indépendamment de la 20 mauvaise résolution, ne permet pas la mise en évidence d'ondulation de niveau de faible amplitude. Cette faible résolution ne permet pas de réaliser des systèmes d'alarme déclenchés par une immersion brutale dans un liquide au repos. 25 � Variation de la permittivité du liquide agissant directement sur la mesure. Il est important de préciser qu'une correction thermique de la constante diélectrique du liquide ne résout que partiellement le problème de l'étalonnage, la permittivité des différents fluides (huile en particulier) variant en fonction de son type et de son vieillissement dans les moteurs thermiques. 30 � Capacité parasite parallèle sur la capacité variable de mesure réduisant considérablement la sensibilité relative se traduisant par : - Multiplication de l'erreur par soustraction de grands nombres - Instabilités dues à la variation en température ou dans le temps de ces capacités 35 parasites 3 � Pas d'indication sur la correction de la dérive des capacités parasites parallèles (substrat et assemblage) en fonction de l'humidité, de la température et du temps de vieillissement. � Pas de calcul des erreurs de stabilité et de linéarité engendrés par des dérives mécaniques ou de constantes diélectriques par suite de la non différentialité des actions sur le champs électrique. � Pas d'indication de l'ordre de grandeur des précisions globales pouvant être obtenue par les solutions proposées. � Réalisation souvent complexe ne permettant pas une fabrication en masse sous forme de wafers interdisant toute implantation, contrôles et réglages automatisés nécessaires à la réduction des coûts. � Capteur réalisé par des surfaces parallèles planes ou concentriques susceptibles de créer des instabilités par suite de la modification de l'espace diélectrique inter-électrode. 20 Ci-après, l'essentiel des brevets consultés pour analyse : 1 - Capteur de niveau capacitif pourvu d'une pluralité de segments comprenant chacun un condensateur et un circuit Inventeur : SLEZAK JAN [NL] ; Demandeur : SIEMENS MILLTRONICS SCHOENMAKERS KEES [NL] PROCESS IN [CA] 25 Publication : EP1902278 (Al) - 2008-03-26 CIB : GO1.F23/26; G01F23/22 2 Capteur capacitif pour détecter le niveau de substances électriquement conductrices, en particulier de liquides Inventeur : AGUGLIA JORGE MIGUEL [IT] Demandeur : SIE M S R L [IT] Publication : EP1816448 (Al) - 2007-08-08 CIB : GOI.F23/26; G01F23/22 3 Capteur de niveau capacitif Inventeur : MATEA STEIIAN MARIUS [RO] Demandeur : MOONHAVEN LLC [US] Publication : EP1677085 (A2) - 2006-07-05 CIB : A47L 1.5/42; D06F39/08 ; GOl. F23/26 (+3) 30 35 4 Capteur de niveau capacitif pour un liquide diélectrique Inventeur : BOCCACCIO GIOVANNI [IT] Publication : EP1091198 (Al) - 2001-04-11 5 Circuit et capteur capacitif de mesure du niveau Inventeur : MARTIN BARRY E [US] ; TYMOSZUK STEPHEN [US] (+ 1) Publication : EP1274972 (A2) - 2003-01-15 6 Procédé et dispositif pour l'évaluation des signaux d'un capteur de niveau capacitif Demandeur : BITRON SPA [IT] CIB : GO1.F23/26; G01F23/22; (IPCI-7): GOI F23/26 Demandeur : ROBERTSHAW CONTROLS CO [US] ; MARTIN BARRY E [US] CIB : GO1.F23/26; G01F23/22 ; (IPCI-7): G01 F23/26 Inventeur : RAFFALT FEUX DIPL-ING [DE]; WOEHRLE SIEGBERT DIPL-ING [DE] Publication : EP0724140 (Al) - 1996-07-31 7 Capteur de niveau liquide capacitif Inventeur : LIN YINGJIE [US] Publication : EP1845347 (A2) - 2007-10-17Demandeur : GRIESHABER VEGA KG [DE] CIB : GOI.F23/26; G01F23/22 ; (IPC1-7): G01F23/26 Demandeur : DELPHI TECH INC [US] CIB : GO1.F23/26; G01F23/22 8 Capteur capacitif de niveau d'un liquide Inventeur : BARLESI LORENZO [BE] ; CHIAFFI MICHEL [FR] (+1) Publication : EP1831653 (A2) - 2007-09-12 9 Capteur capacitif de niveau d'un liquide et méthode d'estimation du niveau Inventeur : BARLESI LORENZO [BE] ; CHIA FFI Demandeur: INERGY AUTOMOTIVE SYSTEMS Demandeur: INERGY AUTOMOTIVE SYSTEMS RES [BE] CIB : GO1.F23/26; G01F23/22 MICHEL [FR] (+ 1) Publication : EP1831652 (A2) - 2007-09-12 RES [BE] CIB : GOLF23/26; G01F23/22 10 Capteur de niveau capacitif avec détection intégrée de film d'impuretés Inventeur : BYATT ANTHONY [CH] ; CHRISTEN THOMAS [CH] (+3) Publication : EP0926475 (A2) - 1999-06-30 Demandeur : ABB RESEARCH LTD [CH] CIB : GO1.F23/26; G01F23/22; (IPC1-7): G01F23/26 5 1l Capteur capacitif de niveau Inventeur : GOEKLER LEWIS E [US] Demandeur : STANDEX INT CORP [US] Publication : EP0377508 (AI) - 1990-07-11 CIB : G01F23/26; G01F23/22 ; (IPC1-7): G01F23/2 12 Machine d'emballage pour la fabrication continue d'emballages scellés pour un produit alimentaire coulable, ayant un capteur de niveau capacitif Inventeur : BASSISSI FABIO [IT] ; Demandeur : TETRA LAVAL HOLDINGS & GALAVOTTI GIORGIO [IT] FINANCE [CH] Publication : EP1053940 (AI) - 2000-11-22 CIB : 86589/10; 86589/20; 865857/10 (+6) 13 Segments comprenant chacun une capacitance et un circuit Inventeur : SCHOENMAKERS KEES [NL] : Demandeur: SIEMENS MILLTRONICS 15 SLEZAK JAN [NL] PROCESS IN [CA] Publication : EP1744132 (AI) - 2007-01-17 CIB : G01F23/26; G01F23/22 14 Circuit électronique comportant un capteur capacitif à faible niveau de bruit et accéléromètre équipé de ce circuit 20 Inventeur : WILLEMIN MICHEL [CH] ; Demandeur: EM MICROELECTRONIC MARIN PFEFFERLI BEAT [CH] SA [CH] Publication : EP1691203 (AI) - 2006-08-16 CIB : G01P15/125; GO1P15/18; G01P15/125 (+1) 15 Capteur capacitif du niveau d'un liquide. 25 Inventeur: DAVIS JAMES EDWARD [US] Publication: EPO438158 (Al) - 1991-07-24 10 Demandeur: DU PONT [US] CIB : G01 F23/26; G01N35/10; G01F23/22 5+2) Capacitive liquid level sensor : 30 Capacitive liquid level sensor : Device for measuring levels : Sensor for levels of conductive liquids : Capteur de niveau capacitif : Measuring the content of carbonaceous matters in oil : 35 Capacitive liquid level : Compensated capacitive liquid level sensor : Capacitive liquid level sensor : Capteur de niveau capacitif : US 20070240506 US 6073488 ù US 622373181 EP1470394 US 7219545B2 EP1877085A2 EP0291363 W003/02331AI US 6490920B1 EP1677083 EP1677085A2 6 Capacitive liquid level sensor : Liquid quality and level sensor : Capacitive liquid level sensor : Capacitive level probe : Liquid level sensor virtual ring : Liquid level sensing device : Method for rneasuring fluid level : Reservoir liquid level capacitive : Liquid level sensor : Capacitive transducer : Capacitive liquid level sensor : Capteur de niveau capacitif : US2007240506 US2007252715 US 4841227 - 5142909 WO 2006128721 US 7145465B2 US 6935173B2 US 6497144B I FR2752053 US 6408692B I EP0334441 EP1617083 EP 1677085A2 PRINCIPE Cette invention dénommée capteur-transmetteur de niveau se compose d'un substrat multifaces actives monolithique d'une section rectangulaire et d'une longueur spécifique de l'application. Une capacité électrique (condensateur) est constituée par un diélectrique d'épaisseur et de 20 hauteur variable en fonction du niveau. Ce diélectrique est composé latéralement de deux parties en série dont l'une représente une très faible épaisseur constante sur toute la hauteur et dont l'autre, est assurée par le liquide à mesurer. 25 Les valeurs de ces deux capacités en série varient en fonction de la hauteur. La répartition horizontale de ces deux capacités en série dépend de la valeur de la constante diélectrique du liquide et de la constante diélectrique du revêtement de surface. 30 Ce revêtement de surface a été choisi pour être insensible à l'action des différents produits projetés et peut fonctionner à une température atteignant 200°C. La capacité électrique variable en fonction de la hauteur résulte de l'immersion du capteur dans des fluides de permittivités différentes (liquide et air environnant). 35 7 CARACTERISTIQU ES PARTICULIERES - Fonctionnement technologique identique pour les liquides conducteur et non-conducteur - Mesure des caractéristiques diélectriques du fluide à mesurer par un second capteur imbriqué au capteur de mesure de niveau La base du substrat-capteur est composée de deux structures capacitives juxtaposées n'augmentant pas la largeur et permettant la génération d'une mesure linéaire de niveau à partir de l'origine - Possibilité de délivrer un signal de mesure significatif de la nature du liquide ou de l0 son vieillissement - Possibilité de délivrer une information de mesure de niveau indépendante des caractéristiques diélectriques du liquide - Très faibles dimensions - Hauteur adaptable de quelques centimètres à un mètre 15 - Intégration du circuit électronique de conditionnement ù transmission standardisée sur le substrat de mesure - Substrat ù capteur dont les caractéristiques dimensionnelles peuvent être adaptées à l'application étant précisé que pour des hauteurs supérieures à un mètre, une structure mécanique de rigidification doit y être associée. 20 - Possibilité de mesurer la hauteur d'un liquide conducteur situé à la base du réservoir indépendamment de la hauteur d'un liquide non conducteur (densité inférieure), situé au-dessus quelle que soit la hauteur de ce dernier. Possibilité pour certaines versions, à temps de réponse très court, de détecter des ondulations de très faible amplitude de la surface du liquide (alarme) par suite d'une 25 perturbation brutale engendrant des ondulations de la surface. - Structure mécanique du substrat-capteur monotone sans obstacle modifiant la vitesse d'écoulement et susceptible d'augmenter la rétention permanente de dépôt. DESCRIPTION 30 L'essentiel de la partie longitudinale de ce capteur d'une épaisseur inférieure à 3 mm et d'une largeur inférieure à 16 mm est constitué de lignes conductrices parallèles obtenues par gravure d'un substrat isolant et dont l'extrémité supérieure comporte le circuit d'acquisition et de traitement des données. 8 Cette structure de lignes conductrices parallèles, efficaces dans deux directions perpendiculaires (champ électrique de surfaces juxtaposées et champ électrique de plans parallèles), se traduit par des capacités électriques variables en fonction de la hauteur et de la caractéristique diélectrique du liquide immergeant. L'acquisition par le circuit électronique de ces capacités électriques variables, assure l'élimination de l'influence des caractéristiques diélectriques sur la mesure de niveau. La longueur, la largeur et le dessin des connexions de ces lignes conductrices parallèles ont pour 10 objectif de moduler la fonction de transfert capacitive. Les lignes conductrices parallèles aux lignes de référence (zéro) sont modulées en longueur afin d'obtenir un fonctionnement analogique dans le sens longitudinal et un fonctionnement numérique dans le sens latéral. L'application de ce principe pour la partie inférieure du substrat-capteur permet de disposer simultanément de deux mesures capacitives sans augmenter la largeur. Le traitement électronique de ces deux capacités imbriquées permet de générer un signal 20 électrique de sortie indépendant des variations diélectriques du liquide (caractéristiques de base, température, pollution) à partir de l'origine basse du capteur (suppression d'une hauteur non efficace). Les signaux électriques de mesure disponibles à l'extrémité supérieure peuvent être analogiques 25 (tension variable) ou numériques (PWM) proportionnels à la hauteur de la zone immergée et des caractéristiques du liquide. La forme et le traitement de surface de ce substrat assurent un écoulement convenable, suivant les viscosités du liquide, réduisant l'action des ménisques positifs ou négatifs préjudiciables à la 30 précision. Le monolithisme et la géométrie monotone de ce substrat-capteur suppriment tout risque de piège pour les liquides visqueux par opposition aux structures composées d'électrodes à surfaces importantes parallèles. 15 35 9 Un revêtement à haute température et réfléchissant du substrat protège ce dernier contre les agressions chimiques et réduit considérablement l'accrochage de particules perturbatrices pouvant être contenu dans le liquide de base. Des signaux de rétroactions positives permettent de minimiser l'influence des capacités parasites parallèles pouvant créer des instabilités et réduisant la sensibilité. Les multi-faces capacitives actives du substrat immergé ont des fonctions complémentaires permettant de prendre en compte simultanément la hauteur et les caractéristiques du liquide et 10 réduisent les dérives dues aux variations des isolements par l'utilisation d'un mode différentiel. La distance des plans parallèles capacitifs conjugués avec la surface correspondante permet une concentration des champs électriques ne nécessitant pas une métallisation de ces faces réduisant ainsi le coût de fabrication tout en conservant une capacité électrique linéique suffisante. Le circuit électronique d'acquisition et de traitement situé à l'extrémité supérieure du capteur de niveau est gravé sur le même substrat augmentant ainsi considérablement la stabilité et la fiabilité par la suppression de lignes filaires. 20 FONCTIONNEMENT Le substrat-capteur est composé de lignes conductrices verticales bipolaires dont l'association permet de constituer un ou deux condensateurs variant avec la hauteur de la zone immergée et de la permittivité différentielle. 25 La permittivité absolue du condensateur composée par les électrodes immergées à longueur variable (hauteur du liquide) étant supérieure à la permittivité absolue du condensateur composée par les électrodes émergées (hauteur complémentaire de la hauteur immergée), la variable capacitive dépendra de ces permittivités différentielles. 30 La géométrie de la coupe horizontale en deux dimensions du substrat permet de disposer d'une variable capacitive dépendant de la hauteur (axe Z) et de la forme des zones conductrices de la coupe horizontale (axes X et Y). 1510 En d'autres termes, indépendamment des caractéristiques diélectriques fixes ou variables, la capacité de mesure est simultanément proportionnelle à la hauteur et à la largeur efficace de la surface immergée du substrat. On rappellera que l'objectif à atteindre consiste à obtenir une variable capacitive ne dépendant que de la hauteur immergée et indépendante des paramètres suivants : - Permittivité du diélectrique de la zone immergée Permittivité du diélectrique de la zone émergée Capacité parallèle parasite des constituants du substrat On appellera C l la capacité électrique totale de mesure constituée par la zone immergée. On appellera C2 la capacité électrique totale de référence constituée par la zone immergée. La capacité électrique Cl est constituée de lignes conductrices longitudinales de longueurs, largeurs et nombre modulées sur la totalité de la hauteur de mesure. La capacité électrique C2 est constituée de lignes conductrices longitudinales de longueurs, largeurs et nombre modulées sur une fraction ou la totalité de la hauteur de mesure. Les équations développées ci-après montrent que l'élimination des caractéristiques diélectriques du liquide immergeant est obtenue en effectuant le quotient C l sur C2. Compte tenu de ce qui précède, il apparaît que le condensateur C2 devrait être constitué d'une 25 zone d'immersion permanente automatiquement située à la base du capteur. D'autre part, la nécessité d'avoir une capacité électrique suffisante pour une acquisition électronique fiable et stable tout en conservant une largeur du capteur de très faible dimension ne permet pas de séparer fonctionnellement les variables C 1 et C2 sans risque d'avoir une hauteur à 30 la base non mesurable trop importante. 11 La solution retenue consiste à définir deux zones verticales de fonctionnement obéissant à des lois de variation telles, que le traitement électronique de ces deux capacités génère un signal de mesure linéairement proportionnel à la hauteur et indépendant de la constante diélectrique. Cette technique permet d'avoir une mesure � sans zone de base inefficace � c'est-à-dire assurant une mesure depuis l'origine verticale du capteur tout en prenant en compte les caractéristiques diélectriques du liquide à mesurer. Le conditionneur électronique intégré au substrat-capteur, faisant l'objet d'un brevet indépendant 10 mais complémentaire, réalise la fonction suivante : S=Cpt+C1ùKl/Cp2+C2ùK2 S : Signal de sortie de mesure analogique ou numérique 15 Cp : Capacité parasite parallèle K : Constante d'annulation des constantes de fonctionnement C : Capacité électrique métrologique CIRCUIT ELECTRONIQUE DE CONDITIONNEMENT 20 Les différents montages pouvant être intégrés à ce substrat-capteur sont réalisés par des circuits analogiques ou numériques en fonction des précisions recherchées et des domaines d'exploitation. Dans les deux cas, le circuit d'entrée réalise l'acquisition d'une variation capacitive de faible 25 valeur rendue intrinsèquement stable par la structure monolithique et le traitement de ce substrat. De plus, un montage différentiel permet de réduire considérablement les dérives à long terme des valeurs de base. 30 Ce montage réalise des traitements analogiques ou numériques des signaux en conformité avec le développement mathématique développé ci-après. 12 Ces différents montages originaux utilisant des composants passifs ou actifs de faible coût font l'objet d'un brevet indépendant destiné à être associé au brevet considéré mais peuvent être utilisés sur d'autres substrats comportant une ou plusieurs capacités électriques ou résistances variables en fonction des grandeurs physiques à mesurer (constante de temps). EQUATIONS Pour la bonne compréhension du développement ci-après, les symboles suivants ont été retenus : S : Signal de sortie de mesure analogique ou numérique 10 Cl : Capacité électrique de mesure variable en fonction de la zone immergée C2 : Capacité électrique de référence variable en fonction de la zone immergée Hm : Hauteur du liquide à mesurer (zone immergée) 15 Hr : Hauteur du liquide de référence (zone immergée) Ho : Hauteur initiale du capteur voisine de 0 H, : Hauteur de la zone de mesure et de référence HPe : Hauteur maximale de mesure (pleine échelle) 11 : Largeur intervenant dans la capacité électrique Cl (mesure) 20 12 : Largeur intervenant dans la capacité électrique C2 (référence) Chl : Capacité de mesure variable entre 0 et Hl Ch2 : Capacité de référence variable entre 0 et H1 Cp, : Capacité parasite en parallèle sur la capacité de mesure Cl Cpt : Capacité parasite en parallèle sur la capacité de correction C2 25 f(H) : Expression de 11 en fonction de la hauteur immergée Hl g(H) : Expression de 12 en fonction de la hauteur immergée Hl CA : Permittivité du liquide non-conducteur ou du diélectrique de surface go : Permittivité absolue de l'air Permittivité absolue du substrat isolant Les capacités parallèles Cpt et Cpt sont éliminées, suivant les versions, par une rétroaction capacitive de la forme : Capacité parasite effective après correction = Cp (1 - X) X : Facteur de réinjection pouvant varier entre 0 et 1,5 par un réseau passif résistif de précision. CD: 30 13 2932564 Il apparaît que : Si X = 0 : La capacité parasite Cc est égale à la capacité parasite du substrat 5 Si k = 1 : La capacité parasite Cc est égale à zéro quelle que soit la valeur de cette capacité. Si ?^, > 1 : La capacité parasite Cc devient négative et permet pour certaines applications d'augmenter la sensibilité capacitive relative du capteur. Ces capacités parasites Cp sont également éliminées en faisant K, = Cl), et K2 = Cpt dans les mémoires du circuit de traitement. D'une façon générale, la variation capacitive (Ch) en fonction de Hm, de HPe (mesure pleine échelle) et des permittivités des fluides s'écrit : Ch=HEoEr+(HPe ûH)Eo Ch = Eo [H (Er ù 1)] + Eo HPe Eo HPe est une constante éliminée dans le circuit de traitement à mémoire (offset). Par conséquent S = Eo [Hm (Er ù 1)] / Eo [Hr (Er ù 1)] montrant que les paramètres Eo et (Er û 1) présents au numérateur et dénominateur sont éliminés, le signal de sortie S ne dépendant que du quotient Hm / Hr. 25 Par conséquent, ce quotient doit être linéairement proportionnel à H. Ce résultat est obtenu de deux façons en fonction de la hauteur : Hr = constant 30 - Les variations non linéaires par dessin du substrat des paramètres Hm et Hr obéissent à des lois rendant ce rapport linéairement proportionnel à Hm. 20 14 Nous avons vu précédemment que nous avons distingué les deux zones verticales de fonctionnement (C 1 et C2) suivantes : L'une dite zone de mesure dont la caractéristique capacitive en fonction de la hauteur obéit à une expression non linéaire développée ci-après. Cette expression peut se décomposer en deux parties (de H=0 à H=H1 et de H=H1 à H=Hpe) mathématiquement différentes L'autre dénommée zone de référence dont la caractéristique capacitive en fonction de la hauteur obéit à une autre expression non linéaire développée ci-après. La combinaison de ces deux morphologies exploitant la totalité de la largeur du substrat permet d'obtenir, après traitement, une caractéristique de transfert linéaire en fonction de la hauteur. Zone de référence - mesure Cette zone comprise entre Ho et H1 s'écrit : Chl = A.J 11.dH Ch2 = B 512.Dh 11 = f(H) 12 = g(H) On obtient : Chl = A J f(H).d(H) Ch2 = B J g(H).d(H) Dans cette zone on pose : Chl / Ch2 = C.H c'est-à-dire que le quotient de la capacité de mesure par la capacité de référence variant de 0 à H1 est une fonction linéaire de la hauteur d'où : A J f(H).d(H) / B J g(H).d(H) = Ch indépendant des caractéristiques diélectriques du fluide Etant précisé que les intégrales des fonctions f(H) et g(H) sont définies dans l'intervalle Ho et H1. 15 D'autre part, l'utilisation maximale de la surface du substrat (largeur minimale) se traduit par l'écriture de l'expression suivante : A J f(H).d(H) + B 1 g(H).d(H) = DH exploitant la totalité de la surface immergée de 5 référence La résolution des équations ci-dessus a pour résultat : f(H) = a5H (2 + aH / (1+aH)2) g(H) _ 5 / (1 + ax)2 10 f(H) et g(H) traduisent la variation active de largeur du substrat en fonction de la hauteur Les paramètres A, B, C, D, a et 5 sont des facteurs de forme constants par construction (dessin de gravure du substrat). 15 Le découpage de la capacité électrique latérale par des lignes parallèles permet par gravure du substrat de respecter les fonctions ci-dessus (Il = f(H) et 12 = g(H)). Il est important de souligner que la hauteur H1 comprise entre H0 et Hpe peut être confondue avec Hpe. 20 Zone de mesure Cette zone est comprise entre HO et Hpe. La caractéristique de transfert de cette zone (Cl) en fonction de la hauteur peut combiner l'expression non linéaire définie ci-avant avec une expression linéaire complémentaire de la 25 forme C l = AH. En conclusion : L 'association sans discontinuité des zones de mesure et de référence constituées des capacités électriques variables en fonction de la hauteur permet d'obtenir une variation linéaire à partir 30 de Ho tout en éliminant l'action des caractéristiques diélectriques du liquide pouvant varier en fonction de sa composition et de sa température. 16 Equation générale S=C1 /C2 avec: C 1 = A.sD.HI + B.sA HI + C.sD.HPe ù C.sD.H, + D.sA_ H ù D.CA. H1 + D. so. Hpe ù D. Co. H Après simplification : C 1 = D.H (sA - so + sD.KI + sA K2 + so.K3) K~ = Hl (A-C) + C.Hpe K2 = Hl (B-D) K3 = D.Hpe C2 = E.CD.HI + F.c, Hl = Hl (E.sD + F.sA) Les facteurs A, B, C, D, E, F sont des paramètres géométriques constants. La variable principale est H (hauteur) Les paramètres correspondant à la nature du liquide et à la composition du substrat sont sA et sD. Pour des raisons de sensibilité du circuit électronique d'acquisition : - HI est compris entre 2 et 4 cm (voir équation ci-avant) - Hpe est compris entre 10 et 100 cm La modélisation graphique de S = ftl / C2 se traduit par la mise en évidence suivante : 20 S est une fonction linéaire de H L'erreur de linéarité est meilleure que 1% Une variation de sA dans un rapport 3 se traduit par une erreur inférieure à 0,5% ILLUSTRATIONS 25 Les dessins référencés figure 1, figure 2 et figure 3 page 23 sont relatifs au mode de réalisation principale. Le synoptique électronique a pour objectif de montrer la possibilité de disposer simultanément de sorties analogiques et numériques. La courbe illustre les modulations longitudinales des capacités Cl et C2 obtenues par la gravure 30 des conducteurs électriques. Le dessin de la figure 1 est un exemple de réalisation mais toute autre morphologie des lignes conductrices respectant la courbe figure 3 s'inscrit dans le cadre de ce brevet. 17 MODES DE REALISATION Deux familles de réalisation sont prévues en fonction des contraintes spécifiques d'utilisation et des outils de production. Mode n °1 On peut distinguer dans ce capteur monolithique les constituants intégrés suivants : - Un substrat isolant d'une largeur de 10 mm et d'une longueur comprise entre 10 cm et 100 cm - Une métallisation sur une face composée de lignes verticales dont les longueurs sont modulées suivant l'équation définie au chapitre correspondant, dont le pas peut être de 1 mm avec un facteur de forme de 0,5 mm et dont le nombre est compris entre 5 et 10 - Ces lignes conductrices sont électriquement réunies pour constituer deux groupes dénommés Cl et C2 - Le circuit électrique du conditionneur électronique est situé à l'une des extrémités dans la même largeur que le substrat-capteur Mode n°2 Structure identique au mode n°1 avec un pas de 2 mm et une métallisation sur les deux faces. Mode n°3 Structure identique au mode n° 2 associé à des lignes de passage interface de liquide entre les lignes métallisées étant précisé que pour des raisons de tenue mécanique, la longueur individuelle des lignes de passage sera de l'ordre de 10 cm. De plus, l'extrémité fermée de ces lignes de passage ont une forme inclinée dans l'épaisseur du substrat pour améliorer l'écoulement du fluide. En conclusion, on utilisera ces différents modes de réalisation suivant la viscosité des fluides à mesurer, du temps de réponse recherché et des outils de fabrication. UTILISATION Ce capteur-transmetteur de hauteur adaptée à l'application peut être mis à l'intérieur d'un tube de tranquillisation faisant également fonction de blindage électrique. Ce tube devra être muni d'orifices inférieurs et supérieurs compatibles avec les vitesses de variation du niveau (débit). 18 Son état de surface intérieur doit être tel que le liquide ne constitue pas avec le substrat, de ménisques susceptibles d'engendrer des erreurs de mesure. Les extrémités latérales du substrat-capteur sont constituées de lignes conductrices reliées à la 5 masse électrique supprimant tout risque de court-circuit et éloignant le tube de protection des lignes conductrices sensibles. Les signaux de sortie analogiques ou numériques ont une impédance électrique basse permettant une liaison à distance sans risque de dégradations métrologiques. 10 Pour les applications dans lesquelles les ondulations rapides de niveau ne doivent pas être considérées comme une information principale mais doivent, au contraire, être supprimées, une filtration électronique intégrée au conditionneur électronique (éventuellement associé à un tube de protection û tranquillisation) d'une constante de temps pouvant atteindre 10 secondes, réduit 15 l'influence de ces ondulations à une valeur inférieure à la précision. Le circuit électronique de ce capteur à court temps de réponse pour les liquides à faible viscosité, permet de délivrer simultanément une information de niveau principal (filtration des variations rapides) et une information représentative des ondulations de surface. Dans ce cas la voie délivrant le signal électronique d'ondulation est rendue insensible à la hauteur de base et la faible amplitude des ondulations est amplifiée. De la même façon, il est possible de mettre un circuit de consigne à un ou plusieurs niveaux sur 25 la voie relative aux oscillations. Ce capteur-transmetteur monolithique et de faibles dimensions dont le fonctionnement est identique pour les liquides conducteurs et non conducteurs, trouve son utilisation dans tous les domaines nécessitant une mesure de niveau comprise entre 10 cm et 100 cm avec une précision 30 pouvant être meilleure que 1 % PE. A titre d'exemples non exhaustifs, on peut citer en priorité, les domaines automobiles et électroménagers. 20 35 19 Dans le domaine automobile, les utilisations à court terme sont les suivantes : - Essences diverses Fioul Additif urée Liquide de refroidissement - Liquide de circuit de freins Huile de lubrification Ce produit est particulièrement adapté à ce domaine, les caractéristiques des produits de même 10 nature pouvant avoir des caractéristiques présentes ou futures différentes en fonction de la composition, du vieillissement et de la température. Comme exposé ci-avant, la variation des caractéristiques des produits à mesurer est pris en compte par le substrat-capteur et géré par le circuit électronique d'acquisition et de traitement 15 afin de délivrer un signal de mesure linéairement proportionnel à la hauteur et indépendant des caractéristiques précitées. 20 REVENDICATIONS1. Capteur-transmetteur capacitif de niveau composé d'un substrat isolant quelconque sur lequel sont intégrés des électrodes bipolaires longitudinales constituées de segments modulés en 5 longueur, en largeur, en nombre et en espace. 2. Capteur-transmetteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la morphologie des zones conductrices constitue au moins deux capacités électriques dénommées Cl et C2. 10 3. Capteur-transmetteur selon la revendication 2 caractérisé en ce que ces capacités électriques varient en fonction de la hauteur du fluide suivant des caractéristiques de transfert mathématiquement déterminées en conformité avec le chapitre � équations � page 16 ligne 10. 4. Capteur-transmetteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la modulation des 15 électrodes bipolaires obéit à une expression mathématique monotone et non périodique. 5. Capteur-transmetteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les électrodes bipolaires longitudinales peuvent avoir des largeurs quelconques. 20 6. Capteur-transmetteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les électrodes bipolaires sont situées sur une ou deux faces du substrat. 7. Capteur-transmetteur selon la revendication 1 caractérisé par un substrat dont les faces principales sont lisses. 8. Capteur-transmetteur selon la revendication 1 caractérisé par la possibilité de réalisation de fentes longitudinales reliant les deux faces du substrat. 9. Capteur-transmetteur selon la revendication 8 caractérisé en ce que les fentes longitudinales 30 peuvent avoir des largeurs comprises entre 0,5 mm et 5 mm. 10. Capteur-transmetteur selon la revendication 1 caractérisé par une épaisseur du substrat pouvant être comprise entre 0,2 mm et 3 mm. 25 21. Capteur-transmetteur selon la revendication 2 caractérisé par une connexion électrique des électrodes bipolaires permettant de différencier électriquement les capacités Cl et C2. 12. Capteur-transmetteur selon la revendication 1 caractérisé par une structure de fabrication 5 monolithique. 13. Capteur-transmetteur selon les revendications 1 et 6 caractérisé par un état de surface du substrat ne présentant pas de discontinuité longitudinale sur les faces en contact avec le liquide. 10 14. Capteur-transmetteur selon les revendications 5 et 6 caractérisé en ce que les surfaces en contact avec le liquide sont recouvertes d'une résine. 15. Capteur-transmetteur selon la revendication 14 caractérisé par l'utilisation d'une résine haute température. 16. Capteur-transmetteur selon la revendication 14 caractérisé en ce que la résine déposée a une épaisseur comprise entre deux et cent micro-mètres. 17. Capteur-transmetteur selon la revendication 14 caractérisé en ce que l'épaisseur de la résine a 20 une tolérance meilleure que 5 %. 18. Capteur-transmetteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le matériau isolant constituant le substrat peut être quelconque. 25 19. Capteur-transmetteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le matériau conducteur composant les électrodes bipolaires peut être quelconque. 20. Capteur-transmetteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le matériau conducteur composant les électrodes peut être réalisé par gravure ou par dépôt. 21. Capteur-transmetteur selon la revendication 1 caractérisé par l'implantation sur le même substrat d'un circuit électronique de conditionnement situé à l'une des extrémités. 15 30 22. Capteur-transmetteur caractérisé par une liaison continue gravée entre les condensateurs Cl et C2 et le circuit électronique de la revendication 21. 23. Capteur-transmetteur selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les capacités Cl et 5 C2 varient en fonction de la hauteur pour les liquides conducteurs et non conducteurs. 24. Capteur-transmetteur selon la revendication 1 caractérisé par un substrat composé d'un empilement de couches conductrices gravées ou déposées recouvertes d'une résine isolante. 10 25. Capteur-transmetteur selon la revendication 21 caractérisé en ce que le traitement électronique de conditionnement effectue le quotient CI / C2. 26. Capteur-transmetteur selon la revendication 21 caractérisé en ce que le traitement électronique analogique ou numérique du rapport Cl / C2 variant en fonction de la hauteur, 15 supprime l'influence de la variation de constante diélectrique du liquide mesuré. 27. Capteur-transmetteur selon la revendication 14 dans lequel la surface intégrale du substrat est recouverte d'une résine isolante réfléchissante. 20 28. Capteur-transmetteur selon la revendication 1 caractérisé par la mise en place autour du substrat d'un tube métallisé assurant un blindage électrostatique et un dispositif de tranquillisation du niveau d'interface. 29. Capteur-transmetteur selon la revendication 28 caractérisé par une géométrie quelconque de 25 la section du tube de tranquillisation û blindage. 23