Brevet FR3075369A1 — publié le 20190621

L'invention concerne un capteur de pression. L'invention concerne plus particulierement un capteur de pression, notamment pour la mesure d'une pression de fluide au sein d'un stockage, comprenant un corps muni d'une zone sensible a la pression, la zone sensible etant deformable et destinee a etre exposee a la pression a mesurer, le capteur comprenant en outre un organe electronique de mesure de la contrainte ou pression subie par la zone sensible, l'organe electronique de mesure de la contrainte etant relie a la zone sensible et etant configure pour convertir cette contrainte mesuree en une valeur de pression et pour generer un signal de pression mesuree. Les capteurs de pression industriels destines aux hautes pressions (par exemple superieur a 100 bar) restent relativement complexes et coOteux pour les applications necessitant un deploiement sur un nombre important de pieces (dizaines de milliers de pieces). Ce coOt eleve est dO d'une part a une combinaison particuliere de dispositifs electroniques et mecaniques et d'autre part a la necessite de les caracteriser a la fois en pression et temperature (etalonnage). Un but de la presente invention est de pallier tout ou partie des inconvenients de l'art anterieur releves ci-dessus. A cette fin, le capteur selon ('invention, par ailleurs conforme a la definition generique qu'en donne le preambule ci-dessus, est essentiellement caracterise en ce qu'il comporte une chambre contenant un fluide compressible interposee entre la zone sensible et l'organe electronique de mesure, c'est-a-dire que l'organe electronique de mesure de la contrainte est relie a la zone sensible via la chambre contenant le fluide compressible. Cette structure permet une transformation de pression convertissant une pression elevee a mesurer (aux alentours de 200 bar ou plus) en une pression basse (aux alentours de la pression atmospherique). Ceci permet l'emploi d'un capteur basse pression (par exemple selon la technologie MEMS) pour mesurer des pressions elevees. L'industrie des semi-conducteurs produit en effet des capteurs divers, dont des capteurs de pression, en technologie « MEMS » (dispositif micro-electromecaniques) permettant d'atteindre une tres grande qualite pour des grands 2 volumes et a faible coOt. Ces capteurs de pression « MEMs » sont configures pour des gammes de pression beaucoup plus basses (typiquement autour de la pression atmosphorique, ceci pour permettre des applications d'altimetrie ou de barometrie). L'invention permet leur utilisation pour des mesures de pression 5 elevoes, notamment dans pour des stockages de fluide (gaz) sous pression tels que des bouteilles. Par ailleurs, des modes de realisation de ('invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caracteristiques suivantes : - la zone sensible comprend au moins une paroi ou membrane elastique, 10 cette zone sensible delimitant au moins une partie de la chambre contenant le fluide compressible, - la paroi ou membrane elastique de la zone sensible comporte une portion plane et notamment en forme de disque, - la paroi ou membrane elastique de la zone sensible comporte une portion 15 de forme tubulaire, notamment cylindrique, - la chambre contenant le fluide compressible comporte une portion de forme tubulaire, notamment cylindrique, - la zone sensible est configuree pour se deformer et roduire le volume de la chambre lorsqu'elle est soumise une pression superieure a un seuil et ainsi 20 roduire le volume de la chambre, le fluide compressible otant configure pour transforer un effort ou une contrainte determinee a l'organe electronique de mesure qui est dependant de cette variation de volume de la chambre, - l'organe electronique de mesure est configure pour mesurer la pression dans la chambre, 25 - le capteur comprend une butoe mocanique limitant le debattement d'au moins une partie de la paroi ou membrane elastique de la zone sensible, - la butoe mocanique est constituoe par le corps du capteur, - la chambre contient un gaz, notamment un gaz neutre tel que de l'azote et/ou de ('argon et oventuellement un liquide tel qu'une huile electronique, 30 - l'organe electronique de mesure est un capteur de pression de type micro- electro-mocaniques (« MEMS »), notamment un capteur de pression « basse pression », c'est-a-dire configure pour mesurer une pression dans l'intervalle 0,1 a cinq bar, 3 - le capteur comporte un organe electronique de stockage et de traitement de donnees comprenant un microprocesseur ou une puce electronique reliee a ou comprenant l'organe electronique de mesure, - le capteur comporte une sonde de temperature configuree pour mesurer 5 la temperature ambiante ou la temperature dans la chambre, ladite sonde de temperature otant reliee a ou intogree a l'organe electronique de stockage et de traitement de donnees, - au moins l'organe electronique de mesure est en partie scene dans une resine de maintien et de protection, le capteur comprend une connectique 10 electrique faisant saillie hors de la resine. L'invention concerne ogalement un robinet pour reservoir(s) de fluides sous pression ou un reservoir ou ensemble de reservoirs de fluide sous pression comprenant un tel capteur. L'invention peut concerner ogalement tout dispositif ou procede alternatif 15 comprenant toute combinaison des caracteristiques ci-dessus ou ci-dessous. D'autres particularitos et avantages apparaltront a la lecture de la description ci-apres, faite en reference aux figures dans lesquelles : - la figure 1 reprosente une vue en coupe, schernatique et partielle, illustrant un premier exemple de realisation possible d'un capteur selon l'invention, 20 - la figure 2 reprosente une vue en coupe, schernatique et partielle, illustrant un deuxierne exemple de realisation possible d'un capteur selon l'invention. Le capteur de pression, notamment pour la mesure d'une pression de fluide au sein d'un stockage, comprend un corps 2, par exemple motallique ou autre 25 muni d'une zone 3 sensible a la pression. La zone 3 sensible est deformable, notamment elastiquement et destinoe a etre exposoe a la pression P a mesurer. Cette zone 3 sensible comprend par exemple une paroi du corps ayant une opaisseur comprise entre 0,05mm et 2mm. 30 Cela peut etre une paroi lisse ou une paroi a laquelle on a donne une forme onduloe (avec symotrie axiale par exemple) pour en augmenter le deplacement. Le capteur comprend ogalement un organe 4 electronique de mesure de la contrainte ou pression subie par la zone 3 sensible. 4 L'organe 4 electronique de mesure de la contrainte peut etre un capteur absolu basse pression qui est relio a la zone 3 sensible et est configure pour convertir cette contrainte mesuree en une valeur de pression et pour generer un signal de pression mesuree. 5 Selon une particularite avantageuse, le capteur 1 comporte une chambre 5 contenant un fluide compressible interposoe entre la zone 3 sensible et l'organe 4 electronique de mesure. C"est-a-dire que l'organe 4 electronique de mesure de la contrainte est relio a la zone 3 sensible via la chambre 5 contenant le fluide compressible. Par exemple, la chambre 5 est reliee a l'organe 4 electronique de 10 mesure via un canal 11 contenant le fluide. Cette structure forme un roducteur ou diviseur de pression permettant donc de passer de pressions elevoes (plusieurs dizaines de bar a plusieurs en centaines de bar) au niveau de la zone 3 sensible a une pression proche de quelques bar ou proche du bar au niveau de l'organe 4 electronique de mesure. 15 Ceci permet ('utilisation d'un capteur 4 de basse pression dans un dispositif mesurant des hautes pressions. En particulier, cette structure mocanique permettant d'abaisser par exemple une pression de la gamme 100-300 bar a une pression proche de la pression atmosphorique (0,33-1.0 bar par exemple). La basse pression au niveau de 20 l'organe 4 de mesure peut alors etre mesuree notamment par un capteur de type MEMS a faible coOt. Comme Must* la zone sensible comprend une membrane ou paroi 3 (de preference metallique) elastique 1 qui assure une separation entre la zone ou regne la haute pression a mesurer et la chambre 5 basse pression hermetique 25 dont le volume variera du fait de la deformation elastique de la membrane 3. La membrane 3 peut etre plane et circulaire. La chambre 5 (basse pression), avant d'être hermetiquement fermee, peut etre remplie d'un fluide compressible. Cette chambre remplie de fluide compressible permet de convertir la reduction de volume induite par le deplacement de la membrane 3 en presence 30 d'une haute pression P, en une variation de pression beaucoup plus faible, mais sensiblement proportionnelle a la variation de la haute pression P. 5 L'organe 4 electronique de mesure (par exemple utilisant la technologie MEMS) peut etre dispose en communication/contact avec la chambre 5 et donc d'en mesurer la pression. De preference, le debattement de la membrane 3 est limito par une butoe 6 5 afin d'eviter tout risque de passage dans le domaine de deformation plastique. Cette butoe 6 peut etre assuree par une portion adjacente du corps 2 ayant une opaisseur plus importante que celle de la membrane 3. De cette fawn, lorsque la pression P depasse significativement la pression maximale a mesurer, la membrane 3 vient en appui sur la butoe 6 et peut ainsi supporter les hautes 10 pressions appliquees sans changement de caracteristiques mocaniques (utile par exemple lors d'essais de surpression). La sensibilito du capteur 1 peut etre directement hoe au coefficient de compressibilito du fluide contenu dans la chambre 5 et au rapport des volumes de la chambre 5 dans le cas des pressions minimum et maximum a mesurer. Ce 15 coefficient peut etre ajusto procisoment en remplissant la chambre partiellement d'un gaz, neutre de preference, tel que l'azote ou ('argon, et oventuellement d'un fluide tel qu'une huile. Pour garantir une meilleure otancheito au dispositif, une configuration avantageuse peut consister a utiliser un gel capable de transmettre la pression 20 avec une erreur (due a sa viscosito propre) negligeable et prosentant une compressibilito connue, obtenue par exemple par inclusion de bulles de gaz inerte en proportion adequate pour obtenir globalement la compressibilito recherchoe. Le capteur 1 peut comprendre une electronique de traitement comprenant par exemple un organe 7 electronique de stockage et de traitement de donnees 25 comprenant un microprocesseur (microcontroleur) ou une puce electronique reliee a ou comprenant ('organe 4 electronique de mesure. Ce dispositif peut etre configure pour assurer ogalement oventuellement une mesure de temperature. L'organe 4 electronique de mesure peut etre dispose sur un circuit imprime 10. 30 Tout ou partie de ces composants electronique et notamment le circuit imprime 10 peuvent etre scenes dans une resine 8. 6 Les signaux electriques transportant ('information de pression peuvent etre amenos au niveau des conducteurs 9 ou connectique, sous forme de fil ou de connecteur, a ('exterieur de la zone resinee. Le microcontroleur 7 peut avantageusement prendre en charge une 5 fonction de compensation en temperature pour le calcul de la pression. La temperature du fluide compressible, qu'il soit un gaz ou un autre milieu fluide, a priori une influence sur la pression, qu'il convient de soustraire afin de donner une pression corrigoe le cas ed.-leant. La figure 2 illustre une variante dans laquelle la chambre 5 et la zone 10 sensibles comportent des portions de forme tubulaires concentriques notamment cylindriques). L'espace tubulaire situe entre la membrane 3 tubulaire et le reste du corps 2 definit la chambre 5 remplie d'un fluide compressible. Les dimensions (diametres) de ces membrane 3 et paroi 3 sensible peuvent 15 etre dimensionnos de sorte que la paroi ou membrane 3 arrive au contact du reste du corps 2 en cas de pression superieure a la pression maximum a mesurer (butee 6 comme procedemment). Dans ce cas, le « tube interieur » vient en appui sur le « tube exterieur ». De plus, l'opaisseur du tube 3 exterieur est configuree pour supporter les 20 contraintes induites par une forte surpression (par exemple 3 fois la pression a mesurer). Cette configuration permet de conserver une bonne sensibilito de mesure tout en assurant ('absence de deformation plastique de la zone 3 sensible lors des surpressions, REVENDICATIONS1. Capteur de pression, notamment pour la mesure d'une pression de fluide au sein d'un stockage, comprenant un corps (2) muni d'une zone (3) sensible a la pression, la zone (3) sensible otant deformable et destinoe a etre exposoe a la pression a mesurer, le capteur comprenant en outre un organe (4) electronique de mesure de la contrainte ou pression subie par la zone (3) sensible, l'organe (4) electronique de mesure de la contrainte otant relio a la zone (3) sensible et otant configure pour convertir cette contrainte mesuree en une valeur de pression et pour generer un signal de pression mesuroe, caracterise en ce qu'il comporte une chambre (5) contenant un fluide compressible interposoe entre la zone (3) sensible et l'organe (4) electronique de mesure, c'est-a-dire que l'organe (4) electronique de mesure de la contrainte est relio a la zone (3) sensible via la chambre (5) contenant le fluide compressible. 2. Capteur selon la revendication 1, caracterise en ce que la zone (3) sensible comprend au moins une paroi ou membrane elastique et en ce que cette zone (3) sensible delimite au moins une partie de la chambre (5) contenant le fluide compressible. 3. Capteur selon la revendication 2, caracterise en ce que la paroi ou membrane elastique de la zone (3) sensible comporte une portion plane et notamment en forme de disque. 4. Capteur selon la revendication 2 ou 3, caracterise en ce que la paroi ou membrane elastique de la zone (3) sensible comporte une portion de forme tubulaire, notamment cylindrique. 5. Capteur selon la revendication 4, caracterise en ce que la chambre (5) contenant le fluide compressible comporte une portion de forme tubulaire, notamment cylindrique. 6. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 a 5, caracterise en ce que la zone sensible (3) est configuree pour se deformer et roduire le volume de la chambre (3) lorsqu'elle est soumise une pression superieure a un seuil et ainsi roduire le volume de la chambre (3), le fluide compressible otant configure pour transforer un effort ou une contrainte determinee a 8 l'organe (4) electronique de mesure qui est dependant de cette variation de volume de la chambre (3). 7. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 a 6, caracterise en ce que l'organe (4) electronique de mesure est configure pour mesurer la 5 pression dans la chambre (3). 8. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 a 7, caracterise en ce qu'il comprend une butoe (5) mocanique limitant le debattement d'au moins une partie de la paroi ou membrane elastique de la zone (3) sensible. 9. Capteur selon la revendication 8, caracterise en ce que la butoe (6) 10 mocanique est constituoe par le corps (2) du capteur. 10.Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 a 9, caracterise en ce que la chambre (5) contient un gaz, notamment un gaz neutre tel que de l'azote et/ou de ('argon et oventuellement un liquide tel qu'une huile electron ique. 15 11.Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 a 10, caracterise en ce que l'organe (4) electronique de mesure est un capteur de pression de type micro-electro-mecaniques (« MEMS »), notamment un capteur de pression « basse pression », c'est-a-dire configure pour mesurer une pression dans l'intervalle 0,1 a cinq bar. 20 12.Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 a 10, caracterise en ce qu'il comporte un organe (7) electronique de stockage et de traitement de donnees comprenant un microprocesseur ou une puce electronique reliee a ou comprenant l'organe (4) electronique de mesure. 13.Capteur selon la revendication 12, caracterise en ce qu'il comporte 25 une sonde de temperature configuree pour mesurer la temperature ambiante ou la temperature dans la chambre 5, ladite sonde de temperature otant reliee a ou intogree a l'organe (7) electronique de stockage et de traitement de donnees. 14. Capteur selon la revendication 12, caracterise en ce qu'au 30 moins l'organe (4) electronique de mesure est en partie scene dans une resine (8) de maintien et de protection et en ce que le capteur comprend une connectique (9) electrique faisant saillie hors de la resine (8).