Brevet FR2947337A1 — publié le 20101231

Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif de mesure comportant une unité de capteur et une unité d'exploitation séparée galvaniquement de l'unité de capteur par une cloison. Etat de la technique Dans l'état de la technique, on connaît les capteurs capacitifs utilisés par exemple comme des capteurs de pression. Les capteurs capacitifs forment une capacité électrique variable dépendant de la grandeur de mesure. Cette capacité est traitée par un circuit d'exploitation approprié. En particulier dans la construction automobile, on utilise les capteurs capacitifs de pression dans de nombreuses applications. Les conditions limites dans lesquelles on mesure la pression sont de plus en plus strictes. Par exemple, dans les filtres à parti-cules de noir de fumée (appelé simplement filtre à particules), on mesure la différence de pression au niveau du filtre dans la conduite des gaz d'échappement. Pour cela, le capteur est exposé directement aux gaz et liquides chimiquement agressifs à des températures élevées. Pour protéger le dispositif de mesure, on réalise ainsi un élément de capteur en partie en des matériaux résistants à de tels milieux c'est-à- dire des matériaux qui ne sont pas attaqués par l'environnement agressif. Le circuit d'exploitation, sensible, est encapsulé pour être séparé de l'élément de capteur par une cloison. L'exploitation de l'élément de capteur se fait par couplage inductif à travers la cloison. La figure 1 donne un exemple d'un capteur de pression 10 réalisé selon ce principe. Le capteur de pression comporte une chambre de capteur 18 reliée à l'environnement. Cette chambre est séparée par une cloison 13 d'une chambre 19 fermée de manière hermétique. La chambre 19 hermétique contient une unité d'exploitation avec une électronique d'exploitation 12 disposant d'une ligne de transmission de donnée 17 pour le signal de mesure. La chambre de capteur 18 comporte un capteur capacitif de pression 11 réalisé selon le principe connu. L'élément principal du capteur de pression est une chambre dans laquelle il y a deux électrodes 14a, 14b installées sur des côtés opposés. Ces électrodes fonctionnent comme les plaques d'un condensateur. Dans l'exemple présenté, l'électrode 14a est portée par un côté mécanique- 2 ment déformable de la chambre de sorte que la distance entre les électrodes 14a et 14b et ainsi la capacité du montage peut varier en fonction de la pression ambiante. Les électrodes 14a, 14b sont reliées respectivement aux extrémités opposées d'une bobine planaire 15 représentée en coupe à la figure 1. La bobine planaire 15 forme un circuit oscillant avec le capteur de pression capacitif 11. La fréquence de résonance de ce circuit oscillant dépend de la capacité du condensateur formé par les électrodes 14a, 14b. Pour la fréquence de résonance Fo, on a la formule générale, connue : 0 (P)° 2rz ,/L.C(p) Dans cette formule, L représente l'inductance de la bobine planaire 15 et C(p) représente la capacité dépendant de la pression du condensateur formé par les électrodes 14a, 14b. Si le circuit oscillant est excité pour osciller, une seconde bobine planaire 15 reliée à l'électronique d'exploitation 12 peut lire le signal de capteur à travers la cloison 13, signal dont la fréquence est une mesure de la pression régnant dans la chambre de capteur 18. L'électronique d'exploitation 12 détermine la fréquence du signal de capteur et génère ainsi le signal de mesure transmis par la ligne de données 17 pour être traitée. Une difficulté de ce principe est que la fréquence de résonance fo est très élevée à cause de la faible capacité du capteur de pression 11 et de l'inductance nécessairement limitée par construction de la bobine planaire de sorte que la variation de fréquence dépendant de la pression est faible. De plus, la mesure peut être faussée par des influences parasites telles que les variations de température. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un dispositif de mesure du type défini ci-dessus évitant les inconvénients des solutions connues et permettant de fournir un signal dont la variation de fréquence en fonction de la pression est élevée et qui n'est pas faussée par les perturbations telles que celles résultant des variations de température. 3 Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne un dispositif de mesure défini ci-dessus caractérisé en ce que - l'unité de capteur comprend un premier circuit oscillant formé d'un premier capteur capacitif et d'une première bobine ainsi qu'un second circuit oscillant formé d'une seconde bobine relies électrique-ment à une capacité de référence, et - l'unité d'exploitation comprend une troisième bobine couplée par induction à la première bobine et à la seconde bobine, et l'unité d'exploitation est réalisée pour déterminer comme signal de mesure, la fréquence de battement d'un signal de battement couplé par induction dans la troisième bobine à partir du premier et du second circuit oscillant et pour émettre ce signal de mesure. Le dispositif de mesure selon l'invention a l'avantage que les signaux injectés par le premier et le second circuits oscillants dans la troisième bobine génèrent un signal de battement lorsque la fréquence de résonance du premier et du second circuits oscillants diffère. La fréquence de battement fs du signal oscillant est donnée par la for-mule suivante : .f = f f2 dans cette formule, fi et f2 représentent la fréquence de la résonance du premier et du second circuits oscillants. Bien que les fréquences fi et f2 restent toujours des fréquences très élevées, la fréquence de battement fs est égale à la diffé- rence des fréquences fi et f2 de sorte qu'elle est significativement plus faible et plus simple à exploiter en métrologie. Ainsi, des variations relativement faibles des fréquences de résonance produisent une variation relativement plus grande de la fréquence de battement. Comme la capacité de référence est d'une réalisation si possible façon analogue à celle du capteur capacitif, la capacité de référence se comporte comme le capteur capacitif, vis-à-vis des perturbations et des parasites. Comme on forme la différence, les variations des fréquences de référence du premier et du second circuits oscillants, engendrées par les parasites s'éliminent au moins approximativement ce qui améliore d'autant la précision de la mesure. 4 D'une manière particulièrement préférentielle, le capteur capacitif est un capteur capacitif de pression mais l'invention peut également s'appliquer à n'importe quel autre type de capteur capacitif. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, la capacité de référence est réalisée comme second capteur capacitif notamment comme second capteur capacitif de pression. On peut alors envisager au moins deux variantes : Selon une première variante, le premier capteur capacitif et le second capteurs capacitifs forment un capteur capacitif différentiel générant un signal de capteur comme différence de la capacité du premier capteur capacitif et de celle du second capteurs capacitifs. Cette variante forme par exemple un capteur de différence de pression per-mettant de déterminer une différence de pression à deux emplacements différents. Si le premier et le second capteurs capacitifs sont de cons- traction identique et sont bien couplés thermiquement, on neutralise ainsi de manière optimale les influences parasites comme cela a été indiqué ci-dessus. Le premier capteur capacitif et le second capteurs capacitifs doivent se trouver dans des chambres distinctes mais qui peuvent être reliés à des points différents de l'environnement de mesure tout en étant reliés dans l'espace. Selon une seconde variante, le premier capteur capacitif et le second capteurs capacitifs sont installés dans les mêmes chambres. Le second capteur capacitif est ainsi soit fixé pour que sa capacité soit indépendante de la grandeur de mesure soit conçu pour que sa caractéristique soit opposée à celle du premier capteur capacitif c'est-à-dire que les variations des grandeurs de mesure se répercutent avec un signal algébrique opposé à celui de la capacité du capteur. Dans ce dernier cas, les composantes variables des fréquences de résonance du premier et du second circuits oscillants s'additionnent puisque l'on forme la différence selon la formule donnée ci-dessus pour la fréquence de battement fs ; cela augmente la sensibilité de la mesure. La fréquence de résonance du premier circuit oscillant peut pour certaines conditions d'environnement, notamment pour une pression prédéfinie et/ou une température prédéfinie, être égale à la fréquence de résonance du second circuit oscillant. Les conditions am- biantes prédéfinies fixent ainsi un point de référence pour le dispositif de mesure ; pour ce point de référence, la fréquence de battement sera nulle. Si les conditions ambiantes effectives varient par rapport aux conditions ambiantes prédéfinies, la fréquence de résonance du premier 5 circuit oscillant et celle du second circuit oscillant seront différentes, ce qui donnera une fréquence de battement. Selon un mode de réalisation préférentiel du dispositif de mesure, l'unité d'exploitation comporte une bobine d'excitation pour exciter et faire vibrer le premier circuit oscillant et le second circuit os-cillant. Ce mode de réalisation permet de concevoir l'unité de capteur comme passive de façon à éviter un conducteur électrique ou moyen analogue exposé à une éventuelle corrosion dans la partie du dispositif de mesure exposée à un environnement chimiquement agressif. L'unité d'exploitation génère une impulsion de courant 15 transmise à la bobine d'excitation. La durée de l'impulsion de courant dépend des fréquences de résonance effectives dans un certain dispositif de mesure pour le premier et le second circuits oscillants. Plus la fréquence de résonance est élevée et plus brève sera l'impulsion de courant. 20 En variante, la bobine d'excitation peut être reliée à une capacité d'excitation pour former un troisième circuit oscillant ayant une excitation active. Dans ce cas, le troisième circuit oscillant pourra osciller sur une durée plus longue à sa fréquence de résonance grâce à son excitation active et ainsi exciter le premier et le second circuits os- 25 cillants par son couplage inductif. Dans les deux alternatives citées ci-dessus, la bobine d'excitation peut être la troisième bobine. On peut également envisager une bobine d'excitation supplémentaire. Pour déterminer la fréquence de battement, l'unité 30 d'exploitation comporte un redresseur, un filtre passe-bas et un compteur de fréquence. Le redresseur redresse le signal de battement et le filtre passe-bas sépare le signal de battement redressé par un filtrage passe-bas. Le compteur de fréquence détermine la fréquence du signal de battement redressée et filtrée par le filtre passe-bas comme fré- 35 quence de battement. En variante, on peut envisager d'autres circuits 6 d'exploitation dont l'homme du métier dispose dans l'état de la technique. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de l'exemple de réalisation représenté dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre un capteur de pression capacitif à couplage inductif selon l'état de la technique, - la figure 2 montre un premier exemple de réalisation de l'invention comme capteur de pression capacitif différentiel, - la figure 3 montre des exemples de signaux pour une mesure à l'aide du dispositif de mesure selon l'invention, et - la figure 4 montre un second exemple de réalisation de l'invention. Description détaillée des modes de réalisation La figure 2 montre un exemple de réalisation de l'invention sous la forme d'un capteur de pression capacitif différentiel 20. Deux capteurs de pression capacitifs 21a, 21b sont placés dans deux chambres de capteur 28a, 28b, séparées l'une de l'autre ; chacune des chambres est reliée à un environnement différent. Le capteur de pression capacitif différentiel 20 mesure les différences de pression entre les différents environnements. Chacun des deux capteurs de pression capacitifs 21a, 21b est entouré d'une bobine planaire 25a, 25b avec laquelle il est couplé électriquement pour former un circuit oscillant. Les deux chambres de capteur 28a, 28b sont séparées par une cloison 23 d'une chambre 29 fermée hermétiquement. Cette chambre 29 contient l'unité d'exploitation électronique 22. L'unité d'exploitation 22 est électriquement couplée à une troisième bobine planaire qui sert d'une part à activer l'oscillateur des bobines planaires 25a 25b, et d'autre part à recevoir les oscillateurs produites par les circuits oscillants formés par les capteurs de pression capacitifs 21a 21b et les bobines planaires 25a 25b, et à les délivrer à l'unité d'exploitation 22 en tant que signal de battement. L'unité d'exploitation 22 détermine la fréquence de battement du signal de battement et fournit un signal de mesure corres- pondant par une ligne de transmission de données 27. La fréquence de 7 battement du signal de battement est une mesure de la différence de pression dans les deux chambres de capteur 28a, 28b. Comme les chambres de capteur 28a, 28b et les capteurs de pression capacitifs 21a, 21b logés dans ces chambres sont si possible réalisés de façon identique, on obtient des propriétés électriques et des propriétés thermiques aussi analogues que possible pour les deux unités de capteur. Cela garantit une grande précision des mesures dans une plage de température étendue. Comme selon l'invention, on ne détermine que la différence des fréquences des oscillations générées par les unités de capteur, les composantes des fréquences de résonance dépendant de la température et des autres conditions ambiantes des deux circuits oscillants s'éliminent lorsqu'on forme la différence. La figure 3 montre des exemples de signaux d'une me-sure à l'aide du dispositif de mesure selon l'invention. Dans le premier des trois parties de diagramme, on a représenté le signal transitoire fourni par un premier circuit oscillant ayant une fréquence de résonance fl ; dans la seconde partie du diagramme, on a le signal correspondant d'un second circuit oscillant dont la fréquence de résonance est f2. Les deux fréquences de résonance fl et f2 de l'exemple présenté diffèrent uniquement d'environ 15 %. Dans la troisième partie de dia-gramme, on a représenté le signal de battement résultant de la combinaison des deux fréquences de résonance fl et f2 en fonction du temps. Ce signal de battement se reconnaît par une enveloppe dont la fréquence est considérablement plus basse. La fréquence de cette enve- loppe est la fréquence de battement. Elle correspond à l'amplitude de la différence des deux fréquences de résonance fl et f2. En effectuant un filtrage approprié, on peut séparer la fréquence de battement comme par démodulation d'un signal modulé en amplitude à partir du signal de battement pour ainsi définir ce signal. La figure 4 montre un second exemple de réalisation 30 de l'invention. Dans ce second exemple de réalisation, deux capteurs de pression capacitifs 31a, 31b sont logés dans la même chambre 38. Le capteur capacitif de pression 31b sert de référence ; il a une capacité invariable en fonction de la pression. Dans l'exemple de réalisation pré- senté, on obtient cette invariance en bloquant mécaniquement les 8 plaques de condensateur 34a, 34b du capteur capacitif 31b pour que ces deux plaques ne puissent se déplacer l'une par rapport à l'autre. Ainsi la fréquence de résonance du circuit oscillant de référence formé par le couplage électrique du capteur de pression capacitif 31b et d'une bobine planaire 35b sera indépendante des variations de pression mais reste par exemple sensible à des variations de température. La mesure de pression proprement dite sera faite par le capteur de pression capacitif 31a formant un circuit oscillant avec une bobine planaire 35a. Le second exemple de réalisation 30 de l'invention permet de déterminer la pression (ou d'autres grandeurs de mesure en fonction du type de capteur capacitif utilisé) en un emplacement unique tout en bénéficiant des avantages du principe d'exploitation selon l'invention en ce que l'on génère un battement entre un capteur capacitif et un élément de référence bloqué mais par ailleurs de même construction. Ainsi, le second exemple de réalisation 30 comporte une chambre 39 fermée hermétiquement et séparée par une cloison 33 de la chambre de capteur 38. La chambre hermétique 39 comporte une unité d'exploitation 32 couplée et réalisée avec une autre bobine planaire 36 pour déterminer la fréquence du battement obtenu par la combinaison des fréquences de référence des deux circuits oscillants pour émettre un signal de mesure correspondant par l'intermédiaire d'une ligne de transmission de données 37. Le principe de l'invention peut également s'appliquer à d'autres types de capteurs capacitifs et d'autres capteurs de pression. C'est ainsi que pour mesurer une différence de pression, on peut égale- ment utiliser un capteur de pression ayant un système de membrane à deux électrodes séparées. Dans ce système, les deux électrodes séparées se déplacent en fonction de la pression, par rapport à une électrode médiane, fixe. Les électrodes mobiles sont reliées à une bobine pour former un circuit oscillant et elles constituent avec l'électrode médiane, un condensateur de capacité variable en fonction de la pression. Cette variante de réalisation offre l'avantage particulier que le système de membrane forme directement de manière physique, la différence de pression. La sensibilité de la membrane peut être conçue spécialement pour cette application à une différence de pression, indépendamment de la pression absolue, élevée, qui peut éventuellement être appliquée. Ce- 9 la signifie que la membrane doit être simplement suffisamment résistante pour résister à la différence des deux pressions. En revanche, dans l'exemple de réalisation de la figure 2, chaque capteur de pression capacitif 21a, 21b doit tenir à la pression absolue respective.5 REVENDICATIONS1 °) Dispositif de mesure (20, 30) comportant une unité de capteur et une unité d'exploitation (22, 32) séparée galvaniquement de l'unité de capteur par une cloison (23, 33), caractérisé en ce que - l'unité de capteur comprend un premier circuit oscillant formé d'un premier capteur capacitif (21a, 31a) et d'une première bobine (2 5a, 35a) ainsi qu'un second circuit oscillant formé d'une seconde bobine (25b, 35b) relies électriquement à une capacité de référence (21b, 31b), et - l'unité d'exploitation (22, 32) comprend une troisième bobine (26, 36) couplée par induction à la première bobine (25a, 35a) et à la seconde bobine (25b, 35b), et l'unité d'exploitation est réalisée pour déterminer comme signal de mesure, la fréquence de battement d'un signal de battement couplé par induction dans la troisième bobine (26, 36) à partir du premier et du second circuit oscillant et pour émettre ce signal de mesure. 2°) Dispositif de mesure (20, 30) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier capteur capacitif (21a, 31a) est un capteur capacitif de pression. 3°) Dispositif de mesure (20, 30) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la capacité de référence (21b, 31b) est réalisée par le second capteur capacitif (21b, 3 lb) notamment un second capteur capacitif de pression (21b, 31b). 4°) Dispositif de mesure (20) selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier capteur capacitif (21a) et le second capteur capacitif (21b) forment un capteur capacitif différentiel (20) pour générer un signal de capteur comme différence des capacités du premier capteur capacitif (21a) et du second capteur capacitif (31a). 11 5°) Dispositif de mesure (20, 30) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence du premier circuit oscillant est égale à la fréquence de résonance du second circuit oscillant pour des conditions d'environnement prédéfinies notamment pour une pression prédéfinie et/ou une température prédéfinie. 6°) Dispositif de mesure (20, 30) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité d'exploitation (22, 32) comporte une bobine d'excitation pour ex-citer le premier circuit oscillant et le second circuit oscillant et les faire vibrer. 7°) Dispositif de mesure (20, 30) selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'unité d'exploitation (22, 32) génère une impulsion de courant pour la fournir à la bobine d'excitation. 8°) Dispositif de mesure (20, 30) selon la revendication 6, caractérisé en ce que la bobine d'excitation est reliée électriquement à une capacité d'excitation pour former un troisième circuit oscillant qui possède une excitation active. 9°) Dispositif de mesure (20, 30) selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que la bobine d'excitation est la troisième bobine (26, 36). 10°) Dispositif de mesure (20, 30) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité d'exploitation (22, 32) comporte un redresseur, un filtre passe-bas et un compteur de fréquence, le redresseur redressant le signal de battement, le filtre passe-bas filtrant le signal de battement, redressé, et 12 le compteur de fréquence déterminant la fréquence du signal de batte-ment redressé et filtré par le filtre passe-bas comme fréquence de battement.5