Domaine technique

L’invention se rapporte au domaine technique des dispositifs de mesures capacitives.

L’invention trouve notamment son application pour mesurer un niveau d’un fluide (par exemple la hauteur) et/ ou la qualité d’un fluide dans un contenant, de type réservoir ou de type conduit. Un contenant de type réservoir peut être un réservoir mobile appartenant à un appareil de transport mobile (e.g. automobile, aéronef, bateau) ou un réservoir fixe utilisé dans un procédé industriel. Un contenant de type conduit peut être une canalisation (e.g. un tuyau) par laquelle s’écoule le fluide.

La mesure d’un niveau de fluide et/ou la qualité d’un fluide est un enjeu important en termes de sécurité et sur le plan économique, par exemple pour prévenir des pannes par manque d’alimentation en carburant ou en raison d’un carburant frelaté, ou encore anticiper les besoins en réapprovisionnement du réservoir pour la mise en œuvre d’un procédé industriel.

État de l’art

Un contenant destiné à recevoir un fluide, par exemple de type réservoir ou de type conduit, comporte une paroi séparant le fluide d’un milieu extérieur. La paroi comporte :

- une surface interne, orientée vers le fluide ;

- une surface externe, opposée à la surface interne, et orientée vers le milieu extérieur.

Il est connu d’équiper le contenant d’un capteur de mesures capacitives, soit sur la surface interne de la paroi (immergé dans le fluide), soit sur la surface externe de la paroi (à distance du fluide).

De telles solutions de l’état de la technique ne sont pas entièrement satisfaisantes. D’une part, un capteur équipant la surface interne de la paroi est en contact avec le fluide, ce qui est susceptible d’occasionner des dégradations selon la nature du fluide. D’autre part, un capteur équipant la surface externe de la paroi est vulnérable mécaniquement du milieu extérieur, par exemple via une projection de gravillons pour un réservoir contenant de l’AdBlue®.

Par ailleurs, de telles solutions de l’état de la technique nécessitent des connecteurs filaires pour alimenter électriquement le capteur de mesures capacitives et pour accéder aux résultats des mesures. De tels connecteurs filaires sont généralement sensibles à l’usure et à l’encrassement, et peuvent être sources de fragilité mécanique. En outre, l’installation de tels connecteurs filaires nécessite la formation d’inserts sur le contenant, ce qui peut occasionner des problèmes ultérieurs d’étanchéité.

Exposé de l’invention

L’invention vise à remédier en tout ou partie aux inconvénients précités. A cet effet, l’invention a pour objet un contenant, préférentiellement de type réservoir ou de type conduit, destiné à recevoir un fluide, le contenant comportant :

- une paroi, séparant le fluide d’un milieu extérieur, et réalisée dans un matériau diélectrique ;

- au moins une cavité fermée, formée à l’intérieur de la paroi ;

- un capteur de mesures capacitives, comprenant au moins un couple d’électrodes formant un condensateur, le couple d’électrodes étant agencé à l’intérieur de la ou des cavités fermées de manière à générer un champ électrique à l’intérieur du contenant.

Ainsi, un tel contenant selon l’invention permet de protéger le capteur de mesures capacitives grâce à une telle paroi creuse, munie d’au moins une cavité fermée. Le capteur de mesures capacitives, agencé à l’intérieur de la cavité fermée, se retrouve à la fois protégé du milieu extérieur et du fluide. Le capteur de mesures capacitives effectue les mesures à distance du fluide en générant un champ électrique à l’intérieur du contenant.

Définitions

- Par « diélectrique », on entend un matériau présentant une conductivité électrique à 300 K inférieure ou égale à ICI ⁶ S. cm ⁴ .

- Par « cavité fermée », on entend que la cavité ne débouche pas sur le fluide, c'est-à-dire que la cavité ne communique pas avec le volume interne du contenant.

- Le terme « paroi » peut inclure la présence d’une pluralité de couches en son sein, pour un contenant de type multicouche (e.g. réservoir multicouche, tube multicouche). La cavité fermée est préférentiellement formée entre deux couches adjacentes.

Le contenant selon l’invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes.

Selon une caractéristique de l’invention, le contenant comporte un plan de masse, et le capteur de mesures capacitives comprend une électrode de contrôle, agencée à l’intérieur du contenant, et reliée au plan de masse ; l’électrode de contrôle étant destinée à être immergée dans le fluide.

Ainsi, un avantage procuré est d’augmenter la sensibilité du capteur de mesures capacitives. Par ailleurs, une telle électrode de contrôle permet d’autoriser la pénétration du champ électrique généré par le condensateur à l’intérieur du contenant lorsque la paroi présente une épaisseur importante.

Selon une caractéristique de l’invention, le couple d’électrodes comporte une électrode d’excitation et une électrode de mesure linéaires, de préférence coplanaires.

Par « linéaires », on entend que l’électrode d’excitation et l’électrode de mesure s’étendent suivant une direction longitudinale.

Ainsi, un avantage procuré est la compacité du capteur de mesures capacitives permettant de s’intégrer à une partie longitudinale fine de la paroi du contenant.

Selon une caractéristique de l’invention, le couple d’électrodes comporte une électrode d’excitation et une électrode de mesure interdigitées, de préférence coplanaires.

Ainsi, un avantage procuré est d’augmenter la longueur effective des électrodes d’excitation et de mesure, et par là-même d’augmenter la capacité du condensateur.

Selon une caractéristique de l’invention, la paroi comprend :

- une surface interne, destinée à être orientée vers le fluide ;

- une surface externe, opposée à la surface interne, et destinée à être orientée vers le milieu extérieur, la ou les cavités fermées s’étendant entre la surface interne et la surface externe ;

l’électrode d’excitation et l’électrode de mesure interdigitées présentent une période spatiale, notée l, et sont séparées de la surface interne de la paroi par une distance, notée d, de sorte que :

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Ainsi, un avantage procuré est d’autoriser la pénétration du champ électrique généré par le condensateur à l’intérieur du contenant, avec la possibilité de s’affranchir d’une électrode de contrôle.

Selon une caractéristique de l’invention, la paroi comprend :

- une surface interne, destinée à être orientée vers le fluide ; - une surface externe, opposée à la surface interne, et destinée à être orientée vers le milieu extérieur, la ou les cavités fermées s’étendant entre la surface interne et la surface externe ;

le couple d’électrodes comportant une électrode d’excitation et une électrode de mesure formant des motifs en relief périodiques ; la surface interne de la paroi comprenant des portions creuses s’étendant entre les motifs en relief périodiques de manière à recevoir le fluide entre l’électrode d’excitation et l’électrode de mesure.

Ainsi, un avantage procuré par la conjugaison des motifs en relief périodiques et de telles portions creuses est d’augmenter l’influence entre les électrodes d’excitation et de mesure, de manière à augmenter la capacité du condensateur.

Selon une caractéristique de l’invention, la paroi comprend des première et deuxième parties opposées ; le contenant comportant des première et deuxième cavités fermées, formées respectivement à l’intérieur des première et deuxième parties de la paroi ; le couple d’électrodes comportant une électrode d’excitation et une électrode de mesure agencées respectivement à l’intérieur des première et deuxième cavités fermées.

Par « opposées », on entend que les première et deuxième parties de la paroi se font face, de préférence de part et d’autre d’un axe de symétrie du contenant.

Selon une caractéristique de l’invention, le capteur de mesures capacitives est configuré pour mesurer un niveau du fluide et/ ou la qualité du fluide dans le contenant.

Selon une caractéristique de l’invention, le contenant comporte une étiquette de radio- identification agencée à l’intérieur de la cavité fermée.

Ainsi, un avantage procuré est de pouvoir identifier aisément le contenant.

Selon une caractéristique de l’invention, le capteur de mesures capacitives comprend une électronique de commande, configurée pour commander le couple d’électrodes ; le contenant comportant un système de récupération d’énergie, agencée à l’intérieur de la cavité fermée, et configuré pour récupérer une énergie provenant d’une source, de manière à alimenter électriquement l’électronique de commande.

Ainsi, un avantage procuré par un tel système de récupération d’énergie est d’alimenter électriquement le capteur de mesures capacitives, ce qui permet de s’affranchir de la présence de connecteurs électriques fllaires. Selon une caractéristique de l’invention, le contenant comporte des moyens de stockage, agencés à l’intérieur de la cavité fermée pour stocker l’énergie récupérée par le système de récupération d’énergie.

Ainsi, un avantage procuré est de pouvoir alimenter électriquement l’électronique de commande en l’absence de source externe.

Selon une caractéristique de l’invention, l’électronique de commande comporte un module de communication sans-fil, de préférence choisi parmi les technologies Bluetooth, Bluetooth à basse énergie, RFID, Wifi, LoRa, Sigfox.

Ainsi, un avantage procuré est de pouvoir transmettre les données du capteur de mesures capacitives en s’affranchissant de connecteurs électriques fïlaires.

Selon une caractéristique de l’invention, le contenant comporte un circuit imprimé sur lequel est montée l’électronique de commande, le circuit imprimé comprenant des pistes électriquement conductrices formant le couple d’électrodes ; le circuit imprimé étant plan ou incurvé.

« Par électriquement conductrices », on entend que les pistes sont réalisées dans un matériau présentant une conductivité électrique à 300 K supérieure ou égale à 1 S. cm ⁴ .

Ainsi, un avantage procuré est de produire aisément le capteur de mesures capacitives à l’échelle industrielle. En outre, un tel circuit imprimé permet d’obtenir un capteur de mesures capacitives compact pouvant s’intégrer à l’intérieur d’une paroi fine du contenant.

Selon une caractéristique de l’invention, le contenant comporte un film de protection, réalisé dans un matériau diélectrique, de préférence un matériau plastique, et formé sur le circuit imprimé de manière à recouvrir l’électronique de commande et le couple d’électrodes.

Ainsi, un avantage procuré est de protéger l’électronique de commande et le couple d’électrodes de contraintes mécaniques et/ ou thermiques.

Selon une caractéristique de l’invention, l’énergie est choisie parmi une énergie électromagnétique, une énergie mécanique, une énergie thermique.

L’invention a également pour objet un dispositif de mesures capacitives, comportant :

- un contenant conforme à l’invention ;

- une source, fournissant une énergie au système de récupération d’énergie. Selon une caractéristique de l’invention, l’énergie est une énergie électromagnétique, et la source émet des ondes radioélectriques ; la source étant de préférence sélectionnée parmi :

- un ordiphone muni d’un module de communication en champ proche,

- une antenne émettant un signal de type Bluetooth à basse énergie, ou un signal Wifi à 2,4 GHz ou à 5 GHz.

Brève description des dessins

D’autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans l’exposé détaillé de différents modes de réalisation de l’invention, l’exposé étant assorti d’exemples et de références aux dessins joints.

Figure 1 est une vue schématique en perspective d’un contenant selon l’invention de type réservoir.

Figure 2 est une vue schématique en perspective d’un contenant selon l’invention de type conduit.

Figure 3 est une vue schématique de côté d’un contenant selon l’invention de type réservoir.

Figure 4 est une vue schématique partielle en perspective d’un contenant selon l’invention, illustrant des motifs périodiques en relief pour les couples d’électrodes du capteur de mesures capacitives.

Figure 5 est une vue schématique partielle en coupe d’un contenant selon l’invention, illustrant des motifs périodiques en relief pour les couples d’électrodes du capteur de mesures capacitives.

Figure 6 est une vue schématique partielle en coupe d’un contenant selon l’invention, illustrant des motifs périodiques en relief pour les couples d’électrodes du capteur de mesures capacitives.

Figure 7 est une vue schématique partielle en coupe d’un contenant selon l’invention, illustrant des motifs périodiques en relief pour les couples d’électrodes du capteur de mesures capacitives.

Figure 8 est une vue schématique partielle en coupe d’un contenant selon l’invention, illustrant une pluralité de couples d’électrodes, les électrodes de chaque couple étant agencées dans des cavités fermées opposées. Exposé détaillé des modes de réalisation

Les éléments identiques ou assurant la même fonction porteront les mêmes références pour les différents modes de réalisation, par souci de simplification.

Un objet de l’invention est un contenant 1, préférentiellement de type réservoir ou de type conduit, destiné à recevoir un fluide F, le contenant 1 comportant :

- une paroi 2, séparant le fluide F d’un milieu extérieur M, et réalisée dans un matériau diélectrique ;

- au moins une cavité fermée, formée à l’intérieur de la paroi 2 ;

- un capteur 3 de mesures capacitives, comprenant au moins un couple d’électrodes Ei, E2 formant un condensateur, le couple d’électrodes Ei, E ₂ étant agencé à l’intérieur de la ou des cavités fermées de manière à générer un champ électrique à l’intérieur du contenant 1.

Contenant

Le matériau diélectrique dans lequel est réalisée la paroi 2 est de préférence un matériau plastique ou un matériau composite. A titre d’exemples non limitatifs, le matériau plastique peut être le polyéthylène ; le matériau composite peut être un matériau pré-imprégné, comprenant une matrice (ou résine) imprégnant un renfort. La résine peut être une résine thermodurcissable ou une résine thermoplastique.

A titre d’exemples non limitatifs, le fluide F peut être un liquide, une poudre fluidisée, un mélange pâteux etc.

La paroi 2 comprend :

- une surface interne 20, destinée à être orientée vers le fluide F ;

- une surface externe 21, opposée à la surface interne 20, et destinée à être orientée vers le milieu extérieur M, la ou les cavités fermées s’étendant entre la surface interne 20 et la surface externe 21.

Lorsque le contenant 1 est un conduit de forme cylindrique (comme illustré à la figure 2), la paroi 2 comporte une paroi unique. Lorsque le contenant 1 est un réservoir (comme illustré à la figure 1), la paroi 2 comporte une paroi de fond et une paroi supérieure reliées entre elles par des parois latérales.

Le contenant 1 comporte avantageusement un plan de masse GND. Par « plan de masse », on entend tout moyen d’obtenir un potentiel de référence pour le capteur 3 de mesures capacitives. Le plan de masse GND est avantageusement agencé dans la cavité fermée. Le plan de masse GND peut former un écran de protection vis-à-vis de perturbations externes. Le contenant 1 comporte avantageusement une étiquette de radio-identification (non illustrée) agencée à l’intérieur de la cavité fermée. A titre d’exemple non limitatif, l’étiquette de radio-identification peut être une étiquette RFID (« Radio Frequency ÏDentification » en langue anglaise).

Capteur de mesures capacitives

Le capteur 3 de mesures capacitives comprend avantageusement une électronique 30 de commande, configurée pour commander le couple d’électrodes Ei, E2. L’électronique 30 de commande est reliée électriquement au plan de masse GND. L’électronique 30 de commande comporte avantageusement un module de communication sans-fil, de préférence choisi parmi les technologies Bluetooth, Bluetooth à basse énergie, RFID, Wifl, LoRa, Sigfox. L’électronique de commande 30 comporte avantageusement un microcontrôleur.

Le contenant 1 comporte avantageusement un circuit imprimé 5 sur lequel est montée l’électronique 30 de commande, le circuit imprimé 5 comprenant des pistes électriquement conductrices formant le couple d’électrodes Ei, E2. Le circuit imprimé 5 peut être plan ou incurvé, c'est-à-dire que le circuit imprimé 5 peut être un substrat rigide ou un substrat souple. Le contenant 1 comporte avantageusement un film de protection (non illustré), réalisé dans un matériau diélectrique, de préférence un matériau plastique, et formé sur le circuit imprimé 5 de manière à recouvrir l’électronique 30 de commande et le couple d’électrodes Ei, E ₂ .

Le couple d’électrodes Ei, E2 comporte une électrode d’excitation Ei et une électrode de mesure E2. L’électrode d’excitation Ei et l’électrode de mesure E2 peuvent être linéaires, de préférence coplanaires. Selon une alternative, l’électrode d’excitation Ei et l’électrode de mesure E2 peuvent être interdigitées, de préférence coplanaires.

Selon un mode de réalisation, l’électrode d’excitation Ei et l’électrode de mesure E2 interdigitées présentent une période spatiale, notée l, et sont avantageusement séparées de la surface interne 20 de la paroi 2 par une distance, notée d, de sorte que :

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Selon un mode de réalisation (illustré aux figures 4 à 7), le couple d’électrodes Ei, E2 comporte une électrode d’excitation Ei et une électrode de mesure E2 formant des motifs en relief périodiques. La surface interne 20 de la paroi comprend avantageusement des portions creuses 200 s’étendant entre les motifs en relief périodiques de manière à recevoir le fluide F entre l’électrode d’excitation Ei et l’électrode de mesure E2. Dans ce mode de réalisation, l’électrode d’excitation Ei et l’électrode de mesure E2 délimitent un volume par l’intermédiaire des motifs en relief périodiques, et ne sont donc pas coplanaires. A titre d’exemples non limitatifs, les motifs en relief périodiques peuvent former des dièdres. Les motifs en relief périodiques de l’électrode d’excitation Ei et de l’électrode de mesure E ₂ présentent avantageusement une alternance choisie de manière à augmenter l’influence entre lesdites électrodes, et ce de manière à augmenter la capacité du condensateur.

Selon un mode de réalisation illustré à la figure 8, la paroi 2 comprend des première et deuxième parties opposées. Le contenant 1 comporte des première et deuxième cavités fermées, formées respectivement à l’intérieur des première et deuxième parties de la paroi 2. Le couple d’électrodes Ei, E ₂ comporte une électrode d’excitation Ei et une électrode de mesure E ₂ agencées respectivement à l’intérieur des première et deuxième cavités fermées. Comme illustré à la figure 8, le contenant 1 peut comporter une pluralité de couples d’électrodes Ei, E ₂ comportant chacun une électrode d’excitation Ei et une électrode de mesure E ₂ opposées.

Le capteur 3 de mesures capacitives est avantageusement configuré pour mesurer un niveau du fluide F et/ ou la qualité du fluide F dans le contenant 1.

Le capteur 3 de mesures capacitives peut comprendre une électrode de contrôle (non illustrée), agencée à l’intérieur du contenant 1, et reliée au plan de masse GND. L’électrode de contrôle est destinée à être immergée dans le fluide F ou à être en contact du fluide F p onctuellement.

Système de récupération d’énergie

Le contenant 1 comporte avantageusement un système 4 de récupération d’énergie, agencée à l’intérieur de la cavité fermée, et configuré pour récupérer une énergie provenant d’une source S, de manière à alimenter électriquement l’électronique 30 de commande. La source S peut être une source externe située dans le milieu extérieur M. Cependant, la source S peut être située à l’intérieur de la cavité fermée ou à l’intérieur du contenant 1. Le système 4 de récupération d’énergie est relié électriquement au microcontrôleur de l’électronique 30 de commande. L’énergie est avantageusement choisie parmi une énergie électromagnétique, une énergie mécanique, une énergie thermique. A titre d’exemples non limitatifs, la source S peut être un générateur à induction, un générateur thermoélectrique, un système piézoélectrique.

Le contenant 1 comporte avantageusement des moyens de stockage (non illustrés), agencés à l’intérieur de la cavité fermée pour stocker l’énergie récupérée par le système 4 de récupération d’énergie. A titre d’exemples non limitatifs, les moyens de stockage peuvent comporter une batterie ou un supercondensateur (e.g. à base de carbone).

Dispositif de mesures capacitives

Un objet de l’invention est un dispositif de mesures capacitives, comportant : - un contenant 1 comprenant un système 4 de récupération d’énergie ;

- une source S, fournissant une énergie au système 4 de récupération d’énergie.

L’énergie peut être une énergie électromagnétique. La source S peut être une source externe située dans le milieu extérieur M. La source S externe peut émettre des ondes radioélectriques. La source externe S est avantageusement sélectionnée parmi :

- un ordiphone (illustré à la figure 3) muni d’un module de communication en champ proche (NFC pour « Near Field Communication » en langue anglaise),

- une antenne émettant un signal de type Bluetooth à basse énergie (BLE pour « B luetooth Eow Energy » en langue anglaise), ou un signal Wifi à 2,4 GHz ou à 5 GHz.

Il est à noter qu’un logement peut être ménagé sur le contenant 1 afin de recevoir à demeure la source externe S.

Procédé de fabrication

Lorsque le matériau diélectrique de la paroi 2 est un matériau plastique de type thermoplastique, la paroi 2 peut être formée par un procédé de moulage par extrusion- soufflage. Le capteur 3 de mesures capacitives est ajouté dans le moule (insert) avant la phase de soufflage. L’ajout d’inserts dans le moule de soufflage peut s’effectuer par des robots à une cadence qui ne ralentit pas le cycle de moulage du contenant 1. Il est à noter que le film de protection, formé sur le circuit imprimé 5 de manière à recouvrir l’électronique 30 de commande et le couple d’électrodes Ei, E ₂ , permet de manipuler le capteur 3 de mesures capacitives par un opérateur ou par un robot en réduisant les risques de dégradation.

L’invention ne se limite pas aux modes de réalisation exposés. L’homme du métier est mis à même de considérer leurs combinaisons techniquement opérantes, et de leur substituer des équivalents.