WO2025040864A1 - Capteur, en particulier capteur capacitif pour réservoir d'aéronef - Google Patents

Capteur, en particulier capteur capacitif pour réservoir d'aéronef Download PDF

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WO2025040864A1 PCT/FR2024/051091 FR2024051091W WO2025040864A1 WO 2025040864 A1 WO2025040864 A1 WO 2025040864A1 FR 2024051091 W FR2024051091 W FR 2024051091W WO 2025040864 A1 WO2025040864 A1 WO 2025040864A1
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Sylvain Hauzeray
Gilles DELAITRE
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Safran Aerosystems SAS
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    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
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    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
    • G01N27/221—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance by investigating the dielectric properties
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    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
    • G01N27/226—Construction of measuring vessels; Electrodes therefor

Definitions

  • TITLE Sensor, in particular capacitive sensor for aircraft tank
  • the invention relates to a sensor, in particular a capacitive sensor, capable of measuring a dielectric permittivity of a medium, in particular fuel in an aircraft tank, as well as an assembly comprising such a capacitive sensor.
  • sensors of the gauge type
  • Such sensors are in particular of the capacitive type and measure a change in a capacitance between two plates extending in the tank and separated by an air gap into which the fuel penetrates.
  • the gauges are integrated into a multi-sensor system for measuring the quantity of fuel in the tank, for which redundancies and drift correction measures are provided, in order to improve the precision and reliability of the measurements.
  • a measure intended to improve the accuracy of such capacitive sensors is a measurement of the dielectric permittivity of the fuel, implemented by a capacitive compensation sensor placed near the bottom of the tank, also designated by the acronym “CIC” for “Capacitance Index Compensator” in English.
  • Such a sensor comprises flat metal plates arranged parallel to each other, fixed to a support and assembled together by means of columns of known length so as to form precise air gaps.
  • Such sensors are susceptible to expansion when the temperature varies over a wide operating range, typically operating conditions extending for example from -55°C to 65°C, disturbing the parallelism of the plates and the regularity of the air gaps and leading to non-linearities and measurement errors.
  • Such expansion is particularly prevalent when the plates and the support are made of materials with very different coefficients of thermal expansion, especially for a plastic support.
  • the invention aims to overcome these drawbacks by enabling the measurement of the dielectric permittivity of the fuel in an aircraft tank with predictable and controlled drifts over a wide temperature range.
  • the invention relates to a sensor, in particular a capacitive sensor, capable of enabling measurement of a dielectric permittivity of a medium, in particular a fuel contained in an aircraft tank, comprising:
  • a plurality of plates comprising at least a first plate and a second plate extending substantially parallel to the support and aligned along a stacking axis perpendicular to the support,
  • the support and the plates are made of the same first metallic material, and in that the spacer column is made of a second metallic material.
  • the first metallic material may have a first coefficient of thermal expansion.
  • the second metallic material may have a second coefficient of thermal expansion.
  • this coefficient is the same in all directions, which is the case for the materials considered here.
  • the plates drilling the capacitive measuring electrodes and the support will be modified by the temperature according to an identical coefficient in all directions. Due to the low variation values, a linear approximation can be made for the variation of the surfaces of the facing plates, which varies with the temperature according to a coefficient 2o.
  • the use of a second same material for the spacer columns will cause the thermal expansion, in a direction perpendicular to the plates, to maintain the parallelism of the plates with each other.
  • the air gap then varies according to the same expansion law, with the expansion coefficient of the second material of the columns.
  • Maintaining the parallelism of the columns and plates during thermal expansion means that the calculation of the capacitance value can use the simple formula for parallel plate capacitances and only take into account the variation in surface and air gap for the calculation of the capacitor value.
  • the first support column may be made of a third metallic material, in particular having a third coefficient of thermal expansion.
  • the second support column may be made of a fourth metallic material, in particular having a fourth coefficient of thermal expansion.
  • Such a sensor makes it possible to avoid distortions caused by differences in thermal expansion between the support and the plates in directions transverse to the stacking axis.
  • Such a sensor makes it possible to predict and control variations in capacitance due to thermal expansion in the direction of the stacking axis from the first coefficient of thermal expansion and the second coefficient of thermal expansion, over the temperature range considered.
  • a second coefficient of thermal expansion of the second metallic material may be substantially equal to twice a first coefficient of thermal expansion of the first metallic material.
  • Such a characteristic makes it possible to have a substantially zero variation in the sensor capacity with temperature variations, over the temperature range considered.
  • the insulating fasteners may be made of a polymeric material, in particular polyetheretherketone, in particular comprising glass fibres, specifically at least 25% glass fibres.
  • the plurality of plates may comprise an even number of plates.
  • the second metal material and the third metal material, and in particular the fourth metal material may be identical.
  • the plurality of plates may comprise an odd number of plates, such as three or five plates.
  • the third metal material and the fourth metal material may be different.
  • the senor may comprise an equal number of first support columns, second support columns and spacer columns.
  • Such a feature allows for a more rigid and distortion-resistant symmetrical mechanical assembly.
  • Figure 1 is an exploded perspective view of a support and plates of a capacitive sensor according to the invention
  • FIG. 2 is a sectional view of a capacitive sensor according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 3 is a schematic representation of the capacitive sensor of Figure 2.
  • the sensor 1 is in particular intended to be placed near the bottom of the tank in order to be completely immersed in the fuel during the entire flight of the aircraft.
  • the sensor in particular the capacitive sensor 1, comprises
  • FIG. 1 a plurality of plates 7, in particular a plurality of metal plates 7, shown in exploded perspective view in FIG. 1.
  • the support 3 is notably made up of a flat plate made from a first metallic material having a first coefficient of thermal expansion eu.
  • the coefficient of thermal expansion a varies little over a wide temperature range, and in particular over a temperature range considered to be operating for the sensor 1.
  • the temperature range considered extends for example from -55°C to 65°C and corresponds to the operational conditions of the fuel in an aircraft tank.
  • the senor 1 may comprise a housing 5, in particular capable of containing measuring electronics of the sensor 1.
  • the housing 5 is fixed to the support 3 and is capable, in particular, of containing the measuring electronics of the sensor 1 in an internal space isolated from the outside.
  • the measuring electronics may comprise digital and/or analog components, depending on the case.
  • the measuring electronics are isolated from the fuel contained in the tank by the housing 5, in order to prevent its operation from generating heating and/or a spark in the vicinity of the fuel.
  • the internal space of the housing 5 can be flooded with an insulating material, in order to improve the insulation of the measuring electronics.
  • the plates 7 may be substantially rectangular and flat.
  • the plates 7 may be made of the same first metallic material as the support 3.
  • the plates 7 may be of a different geometry, in particular circular or other likely to be compatible with a function of the plates 7.
  • the plates 7 are arranged substantially parallel to each other and aligned along a stacking axis X, extending in a direction perpendicular to the plates 7 and to the support 3.
  • the plates 7 are arranged so as to form two sets of plates 7. More specifically, the plates 7 of the same set are electrically connected to each other.
  • the plates 7 of two sets are alternated along the direction of the stacking axis X.
  • the plates 7 of a set of plates may be identical to each other.
  • the spaces separating the plates 7 facing each other are intended to receive the fuel contained in the tank, the capacitance measured by the flat capacitor then depending linearly on the dielectric permittivity £ of the fuel.
  • the third plate 7c constitutes an additional plate with respect to the first plate 7a and the second plate 7b of the plurality of plates 7.
  • the second plate 7b is arranged between the first plate 7a and the third plate 7c.
  • the first plate 7a and the third plate 7c are identical to each other, electrically connected and form a first set.
  • the second plate 7b forms the second set.
  • the passage openings 9 are substantially rectangular and open onto at least one lateral edge 10 of the plates 7.
  • the passage openings 9 may have rounded, circular or oblong shapes and/or extend away from the side edges 10 of the plates 7.
  • the passage openings 9 of the plates 7 of each set of plates are located opposite the fixing holes 8 of the plates 7 of the other set of plates, in the direction of the stacking axis X.
  • Figure 2 is a sectional view in a horizontal plane parallel to the stacking axis X of the assembled capacitive sensor 1.
  • the assembled capacitive sensor 1 is schematically shown in Figure 3.
  • the capacitive sensor 1 comprises a set of first support columns 11, a set of second support columns 13, and a set of spacer columns 15.
  • the capacitive sensor 1 comprises insulating fixing elements 17.
  • the set of first support columns 1 1 comprises four first support columns
  • the set of second support columns 13 comprises four second support columns
  • the set of spacer columns 15 comprises four spacer columns 15.
  • the first support columns 11, the second support columns 13 and the spacer columns 15 may have substantially cylindrical tubular shapes.
  • the first support columns 11 define first central conduits 12 extending between their ends and allowing a fixing member to be engaged.
  • the fasteners are, for example, bolts and are not shown in Figure 2 for the sake of clarity.
  • the first support columns 11 mechanically connect the first plate 7a to the insulating fixing elements 17 fixed to the support 3. More particularly, the first support columns 11 are fixed to the first plate 7a by their free end, for example by bolting, through the first central conduits 12. In addition, the first support columns 11 have identical lengths Li, so that the first plate 7a extends substantially parallel to the support 3.
  • the second support columns 13 mechanically connect the second plate 7b to the insulating fixing elements 17 fixed to the support 3. More particularly, the second support columns 13 are fixed to the second plate 7b by their free end, for example by bolting, through the first central conduits 12.
  • the second support columns 13 define second central conduits 14 for engaging the fixing members.
  • the second support columns 13 have identical lengths L 2 , so that the second plate 7b extends substantially parallel to the support 3 and to the first plate 7a.
  • the spacer columns 15 mechanically connect the third plate 7c to the first plate 7a.
  • the spacer columns 15 extend in continuity with the first support columns 11, on the opposite side of the first plate 7a, and through the passage openings 9 of the second plate 7b.
  • the spacer columns 15 define third central conduits 16 for engaging the fixing members.
  • the spacer columns 15 have identical lengths L 3 .
  • the length L 3 of the spacer columns 15 is determined from the length Li of the first support columns 11 and the length L 2 of the second support columns 13 so that a distance Ei separating the first plate 7a from the second plate 7b is equal to a distance E 2 separating the second plate 7b from the third plate 7c.
  • the sum of the distance Ei separating the first plate 7a from the second plate 7b, of the distance E 2 separating the second plate 7b from the third plate 7c and of a thickness of the second plate 7b is equal to the length L 3 of the spacing columns 15.
  • the thickness of the second plate 7b being much less than the length L 3 of the spacer columns 15, the variations in the thickness of the second plate 7b due to thermal expansions are negligible compared to those of the length L 3 .
  • the spacer columns 15 are made of a second metallic material having a second coefficient of thermal expansion o 2 .
  • the second metallic material may be identical to the first metallic material or be different.
  • the first support columns 11 are made of a third metallic material having a third coefficient of thermal expansion o3 .
  • the second support columns 13 are made of a fourth metallic material, having a fourth coefficient of thermal expansion eu.
  • the third metallic material may be the same as the second metallic material and/or the first metallic material, or different.
  • the fourth metal material may be the same as the third metal material.
  • the second metal material, the third metal material and/or the fourth metal material may be different and have different thermal expansion coefficients.
  • the third material of the first support columns 11 and the fourth metallic material of the second support columns 13 are identical to the second material forming the spacer columns 15.
  • Such a choice is in particular necessary in order to maintain variations in the distance Ei separating the first plate 7a and the second plate 7b and the variations in the distances separating the other pairs of facing plates.
  • the insulating fixing elements 17 are provided for mechanically fixing the first support columns 11 and the second support columns 13 to the support 3 while electrically insulating them from the support 3.
  • the insulating fixing elements 17 are, for example, of the type known as a barrel-socket.
  • the insulating fixing elements 17 have, for example, an elongated tubular shape defining a central passage 18 for engaging the fixing member, completed with a transverse washer 19 intended to be interposed between the first support column 11 and the support 3 and/or between the second support column 13 and the support 3.
  • the fixing elements 17 may be made from a hard and rigid polymer material, having a low coefficient of thermal expansion over the temperature range considered. Thus, the thermal expansions of the insulating fixing elements 17 following temperature variations are negligible compared to those of the support 3, the plates 7, the first support columns 11, the second support columns 13 and the spacer columns 15.
  • the length Li of the first support columns 11, the length L2 of the second support columns 13 and the length of the spacer columns 15 vary linearly with the corresponding second thermal expansion coefficient a2 , and third thermal expansion coefficient o3 .
  • the capacitance is calculated by the formula where C is the capacity
  • S is the surface area of the plates facing each other.
  • the total capacitance is the sum of the capacitances of the pairs of plates 7 opposite each other, calculated with the previous formula.
  • the coefficient of linear variation of the capacitance of the capacitive sensor 1 with the temperature is equal to where AC is the change in capacitance between the initial temperature and a measured temperature, Co is the capacity at initial temperature,
  • AT is the temperature variation between the initial temperature and the measured temperature
  • ai is the first coefficient of thermal expansion of the first metallic material
  • o 2 is the second coefficient of thermal expansion of the second metallic material.
  • the value of the coefficient of linear variation of the capacitance makes it possible to predict drifts in the measurement of the dielectric permittivity £ of the fuel based on knowledge of the thermal expansion coefficients of the first metallic material and the second metallic material.
  • the choice of the first metallic material and the second metallic material, in order to have the second coefficient of thermal expansion o 2 equal to twice the first coefficient of thermal expansion ai makes it possible to have a substantially zero temperature drift in the capacitance of the capacitive sensor.
  • the capacitive sensor 1 comprises three plates 7.
  • the first support columns 11, the second support columns 13 and the spacer columns 15 may be made of stainless steel, in particular of the type designated by the acronym Inox 304.
  • the polymer material of the insulating fixing elements 17 may be polyetheretherketone, also designated by the acronym “PEEK” for “polyetheretherketone” in English, in particular comprising 30% by mass of glass fibers.
  • Figure 4 is a schematic representation of the capacitive sensor 1 according to a second embodiment of the invention.
  • the capacitive sensor 1 comprises five plates 7.
  • a first plate 7a, a third plate 7c and a fifth plate 7e form a first set of plates identical to each other and electrically connected.
  • a second plate 7b and a fourth plate 7d form a second set of plates identical to each other and electrically connected.
  • the third plate 7c, the fourth plate 7d and the fifth plate 7e constitute additional plates with respect to the first plate 7a and the second plate 7b of the plurality of plates 7.
  • the assembly of the support 3, the first plate 7a, the second plate 7b and the third plate 7c by means of the first support columns 11, the second support columns 13, the spacer columns 15 and the insulating fixing elements 17 is identical to that of the first embodiment described above.
  • the fourth plate 7d is fixed and electrically connected to the second plate 7b by a set of spacer columns 15 passing through the passage openings 9 of the third plate 7c.
  • the fifth plate 7e is fixed and electrically connected to the third plate 7c by a set of spacer columns 15 passing through the passage openings 9 of the fourth plate 7d.
  • the five plates 7 of the capacitive sensor 1 according to the second embodiment form between them four air gaps having respective distances

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Abstract

L'invention concerne un capteur (1) apte à permettre une mesure d'une permittivité diélectrique d'un milieu, notamment un carburant dans un réservoir, comprenant : - un support (3), - des éléments de fixation isolants (17), - une pluralité de plaques (7) comprenant au moins une première plaque (7a) et une deuxième plaque (7b) parallèles et alignées selon un axe d'empilement (X), - au moins une première colonne de support (11) reliant la première plaque (7a) à l'un des éléments de fixation isolants (17), - au moins une deuxième colonne de support (13) reliant la une deuxième plaque (7b) à l'un des éléments de fixation isolants (17), - au moins une plaque supplémentaire (7c), et - au moins une colonne d'écartement (15) reliant la plaque supplémentaire à une plaque qui est la deuxième plus proche voisine. Le support (3) et les plaques (7) sont constitués d'un même premier matériau métallique et la colonne d'écartement (15) est constituée d'un deuxième matériau métallique.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Capteur, en particulier capteur capacitif pour réservoir d’aéronef
Domaine technique de l’invention
L’invention concerne un capteur, en particulier un capteur capacitif, apte à mesurer une permittivité diélectrique d’un milieu, notamment un carburant dans un réservoir d’aéronef, ainsi qu’un ensemble comprenant un tel capteur capacitif.
Etat de la technique antérieure
Une connaissance de la quantité de carburant contenu dans un réservoir d'un aéronef est d'une grande importance au cours d'un vol. Il est donc nécessaire de pouvoir suivre une mesure d’une telle quantité et d’une densité du carburant dans le réservoir en temps réel au cours du vol avec un haut degré de précision.
Pour cela, il est connu d'installer des capteurs adaptés, de type jauge, dans les réservoirs de carburant. De tels capteurs sont notamment de type capacitif et mesurent une évolution d’une capacité entre deux plaques s’étendant dans le réservoir et séparées par un entrefer dans lequel pénètre le carburant. On rappelle que dans le cas d’un condensateur plan comprenant deux plaques parallèles de même aire A, séparées d’une distance d et plongées dans un
Figure imgf000003_0001
milieu de permittivité diélectrique E, la capacité C mesurée est donnée par C = E E0
Figure imgf000003_0002
, où z0 est la permittivité diélectrique du vide.
Les jauges sont intégrées dans un système multi-capteur de mesure de la quantité de carburant dans le réservoir, pour lequel sont prévues des redondances et des mesures de correction de dérives, afin d’améliorer une précision et une fiabilité des mesures.
Notamment, une mesure destinée à améliorer la précision de tels capteurs capacitifs est une mesure de permittivité diélectrique du carburant, mise en œuvre par un capteur capacitif de compensation placé au voisinage du fond de réservoir, également désigné par l’acronyme « CIC » pour « Capacitance Index Compensator » en anglais.
Un tel capteur comprend des plaques métalliques planes disposées parallèles entre elles, fixées à un support et assemblées entre elles au moyen de colonnettes de longueur connues de manière à former des entrefers précis.
Cependant, de tels capteurs sont susceptibles de subir des dilatations lorsque la température varie sur une large plage d’utilisation, typiquement des conditions opérationnelles s’étendant par exemple de -55°C à 65°C, perturbant le parallélisme des plaques et la régularité des entrefers et entraînant des non-linéarités et des erreurs de mesure. Une telle dilatation est particulièrement prévalente lorsque les plaques et le support sont constitués de matériaux présentant des coefficients de dilatation thermique très différents, notamment pour un support en matière plastique.
Présentation de l’invention
L’invention vise à remédier à ces inconvénients, en permettant la mesure de la permittivité diélectrique du carburant dans un réservoir d’aéronef avec des dérives prévisibles et maîtrisées sur une plage de température large.
A cet effet, l’invention a pour objet un capteur, en particulier un capteur capacitif, apte à permettre une mesure d’une permittivité diélectrique d’un milieu, notamment un carburant contenu dans un réservoir d’aéronef, comprenant :
- un support,
- une pluralité d’éléments de fixation isolants fixés au support,
- une pluralité de plaques comprenant au moins une première plaque et une deuxième plaque s’étendant sensiblement parallèles au support et alignées selon un axe d’empilement perpendiculaire au support,
- au moins une première colonne de support ayant une première longueur et reliant la première plaque à l’un des éléments de fixation isolants,
- au moins une deuxième colonne de support ayant une deuxième longueur supérieure à la première longueur et reliant la deuxième plaque à l’un des éléments de fixation isolants,
- au moins une plaque supplémentaire, et
- au moins une colonne d’écartement ayant une troisième longueur et reliant la plaque supplémentaire à une plaque de la pluralité de plaques qui est la deuxième plus proche voisine de la plaque supplémentaire dans la direction du support selon l’axe d’empilement, caractérisé en ce que le support et les plaques sont constitués d’un même premier matériau métallique, et en ce que la colonne d’écartement est constituée d’un deuxième matériau métallique.
Le premier matériau métallique peut présenter un premier coefficient de dilatation thermique. Le deuxième matériau métallique peut présenter un deuxième coefficient de dilatation thermique.
Le coefficient de dilatation thermique d’un matériau, noté a, est le coefficient linéaire permettant de déterminer la variation de longueur AL du matériau dans chaque dimension par rapport à une longueur de référence Lo à une température de référence, en fonction de la variation de température AT par rapport à ladite température de référence, de sorte que AL = a L AT. Pour un matériau isotrope, ce coefficient est le même selon toutes les directions, ce qui est le cas des matériaux considérés ici.
Ainsi, dans le capteur selon l’invention, les plaques forant les électrodes de mesure capacitive et le support vont être modifiés par la température suivant un coefficient identique selon toutes les directions. Du fait des faibles valeurs de variations, on peut faire une approximation linéaire pour la variation des surfaces des plaques en regard, qui varie avec la température selon un coefficient 2o. L’utilisation d’un second même matériau pour les colonnes d’écartement fera que la dilatation thermique, suivant une direction perpendiculaire aux plaques, maintient le parallélisme des plaques entre elles. L’entrefer varie alors suivant la même loi de dilatation, avec le coefficient de dilation du deuxième matériau des colonnes.
Le maintien des parallélismes des colonnes et des plaques durant les dilatations thermiques fait que le calcul de la valeur de capacité peut utiliser la formule simple des capacités à plaques parallèles et seulement prendre en compte la variation de surface et d’entrefer pour le calcul de la valeur du condensateur.
La première colonne de support peut être constituée d’un troisième matériau métallique, notamment présentant un troisième coefficient de dilatation thermique. La deuxième colonne de support peut être constituée d’un quatrième matériau métallique, notamment présentant un quatrième coefficient de dilatation thermique.
Un tel capteur permet d’éviter les distorsions causées par les différences de dilatation thermique entre le support et les plaques selon des directions transverses à l’axe d’empilement. Un tel capteur permet de prévoir et de maîtriser les variations de capacité dues aux dilatations thermiques selon la direction de l’axe d’empilement à partir du premier coefficient de dilatation thermique et du deuxième coefficient de dilatation thermique, sur la plage de température considérée.
Un deuxième coefficient de dilatation thermique du deuxième matériau métallique peut être sensiblement égal au double d’un premier coefficient de dilatation thermique du premier matériau métallique.
Une telle caractéristique permet d’avoir une variation sensiblement nulle de la capacité du capteur avec les variations de températures, sur la plage de températures considérée.
Les éléments de fixation isolants peuvent être constitués d’un matériau polymère, en particulier le polyétheréthercétone, notamment comprenant des fibres de verre, spécifiquement au moins 25% de fibres de verre.
Une telle caractéristique permet d’avoir une fixation rigide des colonnes de support sur le support, avec des éléments de fixation isolants présentant des dilatations thermiques faibles et sensiblement égales aux matériaux métalliques utilisés sur la plage de température considérée. La pluralité de plaques peut comprendre un nombre pair de plaques. Dans un tel cas, le deuxième matériau métallique et le troisième matériau métallique, et notamment le quatrième matériau métallique, peuvent être identiques.
La pluralité de plaques peut comprendre un nombre impair de plaques, notamment trois ou cinq plaques. Dans un tel cas, le troisième matériau métallique et le quatrième matériau métallique peuvent être différents.
Une telle caractéristique permet d’avoir un assemblage mécanique ayant une bonne rigidité et une capacité totale suffisante pour obtenir une bonne précision de mesure de la permittivité diélectrique.
Par ailleurs, le capteur peut comprendre un même nombre de premières colonnes de support, de deuxièmes colonnes de support et de colonnes d’écartement.
Une telle caractéristique permet d’avoir un assemblage mécanique symétrique plus rigide et robuste aux distorsions.
L’invention concerne également un réservoir de carburant pour aéronef comprenant un capteur capacitif comme plus haut.
Brève description des figures
La présente invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques et avantages apparaîtront encore à la lecture de la description détaillée qui suit comprenant des modes de réalisation donnés à titre illustratif en référence avec les figures annexées, présentés en tant qu’exemples non limitatifs, qui pourront servir à compléter la compréhension de l’invention et l’exposé de sa réalisation et, le cas échéant, contribuer à sa définition, sur lesquelles :
La figure 1 est une vue en perspective éclatée d’un support et de plaques d’un capteur capacitif selon l’invention ;
- la figure 2 est une vue en coupe d’un capteur capacitif selon un premier mode de réalisation de l’invention ;
- la figure 3 est une représentation schématique du capteur capacitif de la figure 2 ; et
- la figure 4 est une représentation schématique d’un capteur capacitif selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
Description détaillée de l’invention
Les figures 1 à 3 sont respectivement des vues en perspective éclatée, en coupe et une représentation schématique d’un capteur 1 , notamment un capteur capacitif 1 , selon un premier mode de réalisation de l’invention. Le capteur 1 est apte à permettre une mesure d’une permittivité diélectrique £ d’un milieu. En particulier, le capteur 1 est notamment destiné à être installé dans un réservoir de carburant d’aéronef, afin de permettre une mesure d’une permittivité diélectrique E du carburant.
Le capteur 1 est notamment destiné à être placé au voisinage d’un fond du réservoir afin d’être entièrement immergé dans le carburant au cours de l’ensemble d’un vol de l’aéronef.
Selon l’invention, le capteur 1 , en particulier le capteur capacitif 1 , comprend
- un support 3, et
- une pluralité de plaques 7, en particulier une pluralité de plaques métalliques 7, représentés en vue en perspective éclatée sur la figure 1 .
Le support 3 est notamment constitué d’une plaque plane réalisée dans un premier matériau métallique présentant un premier coefficient de dilatation thermique eu.
Pour un matériau métallique, le coefficient de dilatation thermique a varie peu sur une large plage de température, et notamment sur une plage de température considérée de fonctionnement pour le capteur 1 . Notamment, la plage de température considérée s’étend par exemple de -55°C à 65°C et correspond aux conditions opérationnelles du carburant dans un réservoir d’aéronef.
Selon une alternative de réalisation, le capteur 1 peut comprendre un boitier 5, en particulier apte à contenir une électronique de mesure du capteur 1 . Dans un tel mode de réalisation, le boitier 5 est fixé au support 3 et est apte, en particulier, à contenir l’électronique de mesure du capteur 1 dans un espace interne isolé de l’extérieur. A cet effet, l’électronique de mesure peut comprendre des composants numériques et/ou analogiques, selon les cas.
En conditions de fonctionnement, l’électronique de mesure est isolée du carburant contenu dans le réservoir par le boitier 5, afin d’éviter que son fonctionnement ne génère un échauffement et/ou une étincelle au voisinage du carburant.
Plus particulièrement, l’espace interne du boitier 5 peut être noyé par un matériau isolant, afin d’améliorer l’isolation de l’électronique de mesure.
Les plaques 7 peuvent être sensiblement rectangulaires et planes. De plus, les plaques 7 peuvent être réalisées dans le même premier matériau métallique que le support 3. Alternativement, les plaques 7 peuvent être d’une géométrie différente, notamment circulaires ou autres susceptibles d’être compatibles avec une fonction des plaques 7.
Les plaques 7 sont disposées sensiblement parallèles entre elles et alignées selon un axe d’empilement X, s’étendant selon une direction perpendiculaire aux plaques 7 et au support 3. Les plaques 7 sont agencées de sorte à former deux ensembles de plaques 7. Plus spécifiquement, les plaques 7 d’un même ensemble sont connectées électriquement entre elles. De plus, selon un mode particulier de réalisation, les plaques 7 de deux ensembles sont alternées selon la direction de l’axe d’empilement X. Par ailleurs, les plaques 7 d’un ensembles de plaques peuvent être identiques entre elles.
Un tel agencement permet aux plaques 7 de former un condensateur plan, les deux ensembles de plaques 7 étant reliés électriquement à l’électronique de mesure placée dans le boitier 3, les connections n’étant pas représentées sur les figures.
Les espaces séparant les plaques 7 en regard les unes des autres sont destinés à recevoir le carburant contenu dans le réservoir, la capacité mesurée par le condensateur plan dépendant alors linéairement de la permittivité diélectrique £ du carburant.
Dans l’exemple représenté sur la figure 1 , le capteur capacitif comprend trois plaques 7, parmi lesquelles une première plaque 7a, une deuxième plaque 7b et une troisième plaque 7c.
La troisième plaque 7c constitue une plaque supplémentaire par rapport à la première plaque 7a et la deuxième plaque 7b de la pluralité de plaques 7.
Selon l’exemple représenté sur la figure 1 ,
- la première plaque 7a est disposée entre le support 3 et la deuxième plaque 7b, selon la direction de l’axe d’empilement X, et
- la deuxième plaque 7b est disposée entre la première plaque 7a et la troisième plaque 7c.
La première plaque 7a et la troisième plaque 7c sont identiques entre elles, connectées électriquement et forment un premier ensemble. La deuxième plaque 7b forme le deuxième ensemble.
Plus particulièrement, Les plaques 7 présentent des orifices de fixation 8 et des ouvertures de passage 9 traversantes, selon la direction de l’axe d’empilement X.
Dans l’exemple représenté, les ouvertures de passage 9 sont sensiblement rectangulaires et débouchent sur au moins un bord latéral 10 des plaques 7.
Alternativement, les ouvertures de passage 9 peuvent présenter des formes arrondies, circulaires ou oblongues et/ou s’étendre à l’écart des bords latéraux 10 des plaques 7.
Les ouvertures de passage 9 des plaques 7 de chaque ensemble de plaques sont situées en regard des orifices de fixation 8 des plaques 7 de l’autre ensemble de plaques, selon la direction de l’axe d’empilement X.
La figure 2 est une vue en coupe dans un plan horizontal parallèle à l’axe d’empilement X du capteur capacitif 1 assemblé. Le capteur capacitif 1 assemblé est représenté de manière schématique à la figure 3.
Comme cela est visible sur les figures 2 et 3, le capteur capacitif 1 comprend un ensemble de premières colonnes de support 1 1 , un ensemble de deuxièmes colonnes de support 13, et un ensemble de colonnes d’écartement 15. De plus, le capteur capacitif 1 comprend des éléments de fixation isolants 17.
Dans l’exemple représenté, - l’ensemble de premières colonnes de support 1 1 comprend quatre premières colonnes de support,
- l’ensemble de deuxièmes colonnes de support 13 comprend quatre deuxièmes colonnes de support, et
- l’ensemble de colonnes d’écartement 15 comprend quatre colonnes d’écartement 15. Les premières colonnes de support 11 , les deuxièmes colonnes de support 13 et les colonnes d’écartement 15 peuvent présenter des formes sensiblement cylindriques tubulaires.
Les premières colonnes de support 1 1 définissent des premiers conduits centraux 12 s’étendant entre leurs extrémités et permettant d’engager un organe de fixation.
Les organes de fixation sont, par exemple, des boulons et ne sont pas représentés sur la figure 2 par souci de clarté.
Les premières colonnes de support 11 relient mécaniquement la première plaque 7a aux éléments de fixation isolants 17 fixés au support 3. Plus particulièrement, les premières colonnes de support 11 sont fixées à la première plaque 7a par leur extrémité libre, par exemple par boulonnage, à travers les premiers conduits centraux 12. De plus, les premières colonnes de support 11 présentent des longueurs Li identiques, de sorte que la première plaque 7a s’étend sensiblement parallèle au support 3.
Les deuxièmes colonnes de support 13 relient mécaniquement la deuxième plaque 7b aux éléments de fixation isolants 17 fixés au support 3. Plus particulièrement, les deuxièmes colonnes de support 13 sont fixées à la deuxième plaque 7b par leur extrémité libre, par exemple par boulonnage, à travers les premiers conduits centraux 12.
Notamment, les deuxièmes colonnes de support 13 présentent des formes identiques aux premières colonnes de support 11 à l’exception du fait que la longueur L2 des deuxièmes colonnes de support 13 est plus grande que la longueur Li des premières colonnes de support 11.
Les deuxièmes colonnes de support 13 définissent des deuxièmes conduits centraux 14 d’engagement des organes de fixation.
Les deuxièmes colonnes de support 13 sont positionnées de manière à traverser la première plaque 7a par les ouvertures de passage 9 de la première plaque 7a.
De plus, les deuxièmes colonnes de support 13 présentent des longueurs L2 identiques, de sorte que la deuxième plaque 7b s’étend sensiblement parallèle au support 3 et à la première plaque 7a.
Les colonnes d’écartement 15 relient mécaniquement la troisième plaque 7c à la première plaque 7a. Les colonnes d’écartement 15 s’étendent dans la continuité des premières colonnes de support 1 1 , du côté opposé de la première plaque 7a, et à travers les ouvertures de passage 9 de la deuxième plaque 7b. Les colonnes d’écartement 15 définissent des troisièmes conduits centraux 16 d’engagement des organes de fixation.
Les colonnes d’écartement 15 présentent des longueurs L3 identiques. La longueur L3 des colonnes d’écartement 15 est déterminée à partir de la longueur Li des premières colonnes de support 11 et la longueur L2 des deuxièmes colonnes de support 13 afin qu’une distance Ei séparant la première plaque 7a de la deuxième plaque 7b soit égale à une distance E2 séparant la deuxième plaque 7b de la troisième plaque 7c.
Plus particulièrement, la somme de la distance Ei séparant la première plaque 7a de la deuxième plaque 7b, de la distance E2 séparant la deuxième plaque 7b de la troisième plaque 7c et d’une épaisseur de la deuxième plaque 7b est égale à la longueur L3 des colonnes d’écartement 15.
L’épaisseur de la deuxième plaque 7b étant largement inférieure à la longueur L3 des colonnes d’écartement 15, les variations de l’épaisseur de la deuxième plaque 7b dues aux dilatations thermiques sont négligeables devant celles de la longueur L3.
Les colonnes d’écartement 15 sont réalisées en un deuxième matériau métallique présentant un deuxième coefficient de dilatation thermique o2. Le deuxième matériau métallique peut être identique au premier matériau métallique ou être différent.
Les premières colonnes de support 1 1 sont constituées d’un troisième matériau métallique présentant un troisième coefficient de dilatation thermique o3. Les deuxièmes colonnes de support 13 sont constituées d’un quatrième matériau métallique, présentant un quatrième coefficient de dilatation thermique eu.
Le troisième matériau métallique peut être identique au deuxième matériau métallique et/ou au premier matériau métallique, ou être différent.
De plus, le quatrième matériau métallique peut être identique au troisième matériau métallique. Notamment, lorsque le nombre de plaques 7 du capteur capacitif 1 est impair, comme dans le cas représenté sur les figures 1 à 3, le deuxième matériau métallique, le troisième matériau métallique et/ou le quatrième matériau métallique peuvent être différents et présenter des coefficients de dilatation thermiques différents.
Notamment, lorsque le nombre de plaques 7 est pair, il est nécessaire que le troisième matériau des premières colonnes de support 11 et le quatrième matériau métallique des deuxièmes colonnes de support 13 soient identiques au deuxième matériau formant les colonnes d’écartement 15. Un tel choix est notamment nécessaire afin de conserver des variations de la distance Ei séparant la première plaque 7a et la deuxième plaque 7b et les variations des distances séparant les autres paires de plaques en regard.
De telles conditions permettent de prévoir de manière simple et fiable les variations de la capacité du capteur capacitif 1 avec la température. Les éléments de fixation isolants 17 sont prévus pour fixer mécaniquement les premières colonnes de support 1 1 et les deuxièmes colonnes de support 13 au support 3 tout en les isolant électriquement du support 3.
Les éléments de fixation isolants 17 sont, par exemple, du type connu sous l’appellation de douille-canon. Les éléments de fixation isolants 17 présentent, par exemple, une forme tubulaire allongée définissant un passage central 18 d’engagement de l’organe de fixation, complétée d’une rondelle transverse 19 destinée à s’interposer entre la première colonne de support 1 1 et le support 3 et/ou entre la deuxième colonne de support 13 et le support 3.
Les éléments de fixation 17 peuvent être réalisés à partir d’un matériau polymère dur et rigide, présentant un coefficient de dilatation thermique eu faible sur la plage de température considérée. Ainsi, les dilatations thermiques des éléments de fixation isolants 17 suite aux variations de température sont négligeables devant celles du support 3, des plaques 7, des premières colonnes de support 11 , des deuxièmes colonnes de support 13 et des colonnes d’écartement 15.
Lors de variations de températures, dans la plage considérée, la longueur Li des premières colonnes de support 1 1 , la longueur L2 des deuxièmes colonnes de support 13 et la longueur des colonnes d’écartement 15 varient linéairement avec le deuxième coefficient de dilatation thermiques a2, et le troisième coefficient de dilatation thermique o3 correspondants.
De même, les surfaces des plaques 7 en regard les unes des autres varient, au premier ordre, comme le double du premier coefficient de dilatation thermique ai.
Pour un condensateur plan à deux plaques, la capacité et calculée par la formule
Figure imgf000011_0001
où C est la capacité,
£ est la permittivité diélectrique du milieu séparant les plaques,
S est la surface des plaques en regard l’une de l’autre, et
E est l’écart entre les plaques.
Pour un condensateur à trois plaques ou plus, la capacité totale est la somme des capacités des couples de plaques 7 en regard, calculées avec la formule précédente.
Ainsi, le coefficient de variation linéaire de la capacité du capteur capacitif 1 avec la température, comme conséquence des dilatations thermiques des plaques 7 et des colonnes, est égal à
Figure imgf000011_0002
où AC est la variation de capacité entre la température initiale et une température mesurée, Co est la capacité à température initiale,
AT est la variation de température entre la température initiale et la température mesurée, ai est le premier coefficient de dilatation thermique du premier matériau métallique, et o2 est le deuxième coefficient de dilatation thermique du deuxième matériau métallique.
La valeur du coefficient de variation linéaire de la capacité permet de prévoir des dérives de la mesure de la permittivité diélectrique £ du carburant à partir d’une connaissance des coefficients de dilatation thermiques du premier matériau métallique et du deuxième matériau métallique.
Avantageusement, le choix du premier matériau métallique et du deuxième matériau métallique, afin d’avoir le deuxième coefficient de dilatation thermique o2 égal au double du premier coefficient de dilatation thermique ai, permet d'avoir une dérive en température sensiblement nulle de la capacité du capteur capacitif.
Selon un exemple de réalisation du capteur capacitif 1 selon le premier mode de réalisation de l’invention, le premier matériau métallique constituant les plaques 7 et le support 3 est l’aluminium, avec un premier coefficient de dilatation thermique ai ai = 23,9 ppm/°C (partie par million par degré Celsius) = 23,9.10-6 °C-1.
Plus particulièrement, dans l’exemple de réalisation présenté, le capteur capacitif 1 comprend trois plaques 7.
Les premières colonnes de support 11 , les deuxièmes colonnes de support 13 et les colonnes d’écartement 15 peuvent être réalisées en acier inoxydable, notamment du type désigné par le sigle Inox 304.
Le deuxième matériau métallique et le troisième matériau métallique peuvent alors être identiques et présentent des coefficients de dilatation thermique, respectivement le deuxième coefficient de dilatation thermique o2 et le troisième coefficient de dilatation thermique a3, égaux : o2 = o3 = 17,3 ppm/°C (partie par million par degré Celsius)=17,3.10-6 °C-1.
Le matériau polymère des éléments de fixation isolants 17 peut être le polyétheréthercétone, également désigné par l’acronyme « PEEK » pour « polyetheretherketone » en anglais, notamment comprenant 30% en masse de fibres de verre.
Le coefficient de variation linéaire de la capacité du capteur capacitif 1 a été mesuré sur la plage de températures considérée et trois valeurs ont été obtenues de +27 ppm/°C, +29 ppm/°C et +30 ppm/°C. De telles valeurs montrent une bonne adéquation avec la valeur théorique calculée selon la formule précédente, de
Figure imgf000013_0001
La figure 4 est une représentation schématique du capteur capacitif 1 selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
Le capteur capacitif 1 selon le deuxième mode de réalisation comprend cinq plaques 7. En particulier une première plaque 7a, une troisième plaque 7c et une cinquième plaque 7e forment un premier ensemble de plaques identiques entre elles et connectées électriquement. Par ailleurs, une deuxième plaque 7b et une quatrième plaque 7d forment un deuxième ensemble de plaques identiques entre elles et connectées électriquement.
La troisième plaque 7c, la quatrième plaque 7d et la cinquième plaque 7e constituent des plaques supplémentaires par rapport à la première plaque 7a et la deuxième plaque 7b de la pluralité de plaques 7.
L’assemblage du support 3, de la première plaque 7a, de la deuxième plaque 7b et de la troisième plaque 7c au moyen des premières colonnes de support 11 , des deuxièmes colonnes de support 13, des colonnes d’écartement 15 et des éléments de fixation isolants 17 est identique à celui du premier mode de réalisation décrit précédemment.
La quatrième plaque 7d est fixée et reliée électriquement à la deuxième plaque 7b par un jeu de colonnes d’écartement 15 traversant les ouvertures de passage 9 de la troisième plaque 7c.
La cinquième plaque 7e est fixée et reliée électriquement à la troisième plaque 7c par un jeu de colonnes d’écartement 15 traversant les ouvertures de passage 9 de la quatrième plaque 7d.
Les cinq plaques 7 du capteur capacitif 1 selon le deuxième mode de réalisation forment entre elles quatre entrefers présentant des distances respectives
Ei, séparant la première plaque 7a de la deuxième plaque 7b,
E2, séparant la deuxième plaque 7b de la troisième plaque 7c,
E3, séparant la troisième plaque 7c de la quatrième plaque 7d, et
E4 séparant la quatrième plaque 7d de la cinquième plaque 7e, égales, recevant le carburant contenu dans le réservoir.
Un tel agencement permet, pour des surfaces des plaques métalliques 7 et une longueur L3 des colonnes d’écartement 15 identiques, d’avoir une capacité totale double de celle du capteur capacitif 1 selon le premier mode de réalisation, améliorant ainsi la précision des mesures de permittivité diélectrique du carburant. Selon un autre exemple de réalisation du capteur capacitif 1 selon le deuxième mode de réalisation, le premier matériau métallique constituant les plaques métalliques 7 et le support 3 est le titane, avec un premier coefficient de dilatation thermique eu ai = 8,64 ppm/°C (partie par million par degré Celsius) = 8,64.10-6 °C-1. Le coefficient de variation linéaire de la capacité du capteur capacitif 1 a été mesuré sur la plage de températures considérée. Plusieurs séries de mesures donnent une valeur moyenne du coefficient de variation linéaire de la capacité sensiblement nulle.
De telles valeurs montrent une bonne adéquation avec la valeur théorique calculée selon la formule précédente, de 0,02 ppm/°C
Figure imgf000014_0001

Claims

REVENDICATIONS
1. Capteur (1 ), en particulier un capteur capacitif (1 ), apte à permettre une mesure d’une permittivité diélectrique (s) d’un milieu, notamment un carburant contenu dans un réservoir d’aéronef, comprenant :
- un support (3),
- une pluralité d’éléments de fixation isolants (17) fixés au support (3),
- une pluralité de plaques (7) comprenant au moins une première plaque (7a) et une deuxième plaque (7b) s’étendant sensiblement parallèles au support (3) et alignées selon un axe d’empilement (X) perpendiculaire au support (3),
- au moins une première colonne de support (1 1 ) ayant une première longueur (Li) et reliant la première plaque (7a) à l’un des éléments de fixation isolants (17),
- au moins une deuxième colonne de support (13) ayant une deuxième longueur (L2) supérieure à la première longueur (Li) et reliant la deuxième plaque (7b) à l’un des éléments de fixation isolants (17),
- au moins une plaque supplémentaire (7c, 7d, 7e), et
- au moins une colonne d’écartement (15) ayant une troisième longueur (L3) et reliant la plaque supplémentaire (7c, 7d, 7e) à une plaque de la pluralité de plaques (7) qui est la deuxième plus proche voisine de la plaque supplémentaire (7c, 7d, 7e) dans la direction du support (3) selon l’axe d’empilement (X), caractérisé en ce que le support (3) et les plaques (7) sont constitués d’un même premier matériau métallique, et en ce que la colonne d’écartement (15) est constituée d’un deuxième matériau métallique.
2. Capteur capacitif (1 ) selon la revendication précédente, dans lequel un deuxième coefficient de dilatation thermique (a2) du deuxième matériau métallique est sensiblement égal au double d’un premier coefficient de dilatation thermique (eu) du premier matériau métallique.
3. Capteur (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les éléments de fixation isolants (17) sont constitués d’un matériau polymère, en particulier le polyétheréthercétone, notamment comprenant des fibres de verre, spécifiquement au moins 25% de fibres de verre.
4. Capteur (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la première colonne de support (11 ) est constituée d’un troisième matériau métallique et/ou la deuxième colonne de support (13) est constituée d’un quatrième matériau métallique.
5. Capteur (1 ) selon la revendication précédente, dans lequel la pluralité de plaques (7) comprend un nombre pair de plaques (7).
6. Capteur (1 ) selon la revendication précédente, dans lequel le deuxième matériau métallique et le troisième matériau métallique, et notamment le quatrième matériau métallique, sont identiques.
7. Capteur (1 ) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la pluralité de plaques (7) comprend un nombre impair de plaques (7), notamment trois ou cinq plaques (7).
8. Capteur (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel il comprend un même nombre de premières colonnes de support (11 ), de deuxièmes colonnes de support (13) et de colonnes d’écartement (15).
9. Réservoir de carburant pour aéronef comprenant un capteur (1 ) selon l’une des revendications précédentes.
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