Brevet FR2012618A1 — publié le 19700320

La présente invention a trait à un dispositif pomr la détection du niveau de remplissage à l'intérieur d'un réservoir, du genre comprenant une sonde avec au moins une barrette oscillante, un mécanisme propre à déterminer des oscillations mécaniques de 5 cette barrette et un système susceptible de déclencher des procès» sus de signalisation ou de commutation en fonction des amplitudes d'oscillation de celle-ci. Les dispositifs du genre en question s'utilisent plus particulièrement dans le cas où l'on ne peut plus employer les appa-10 reils capacitifs en raison de la faible constante diélectrique du miliéu de remplissage* Leur fonctionnement repose sur le fait que l'amplitude d'oscillation de la barrette est relativement grande tant que celle-ci se trouve dans l'air, alors qu'il apparaît un amortissement marqué aussitôt qu'elle est noyée dans le milieu 15 précité. Les différences d'amplitude peuvent être détectées par des organes appropriés, par exemple par des transducteurs électromécaniques, et l'on peut les utiliser en vue de déterminer les signalisations et/ou commutations désirées. Sans les dispositifs connus du genre en question le mécanis-20 me d'excitation dès oscillations est alimenté par une tension alternative à fréquence constante, le plus souvent par la tension du réseau, la fréquence mécanique propre ou fréquence de résonance de l'équipage mobile correspondant aussi exactement que possible avec celle d'excitation. On aboutit ainsi au problème suivant: 25 Four que les oscillations mécaniques puissent être maintenues sans dépense d'énergie excessive, on doit établir le système oscillant avec un coefficient de qualité aussi élevé que possible. Cela a pour effet que la largeur de la bande de résonance de ce système est extrêmement faible ; en fait elle peut facilement être infé-30 rieure à 1 Hz. Il en résulte que la tension électrique d'excitation doit être maintenue très exactement à la fréquence propre du système ou inversement que cette dernière doit être adaptée de façon strictement précise à la fréquence d'excitation. On sait que la fréquence propre d'un système mécanique oscillant dépend essen-55 tiellement de la longueur de la pièce oscillante, de la répartition de sa masse et de la réaction de rappel assurée par sa fi» xation. On peut donc agir sur cette fréquence en modifiant un ou plusieurs des tfcois paramètres précités. Compte tenu de ce que la bande de résonance est extrêmement étroite, comme sus-exposé, il 40 est indispensable que la fabrication soit très précise avec des 12072 2 2012618 tolérances mécaniques très serrées. Sa outre la fréquence propre d'un tel système mécanique dépend de divers facteurs susceptibles d'ent»er en ;}eu au cours du fonctionnement. La longueur de la pièce oscillante et la réaction de sa fixation dépendent de la tem-5 pérature, de sorte qu'il en va de môme de la fréquence propre du système. De plus celle-ci peut être influencée par dépôt de souillures sur la barrette oscillante étant donné que cela a pour effet d'augmenter la masse en oscillation. Par ailleurs dans les dispositifs connus il n'est générale-10 ment prévu qu'une barrette oscillante unique. Lorsque celle-ci est en état d'oscillation, elle applique à son dispositif de fixation des efforts périodiques notables qui, dans le cas d'oscillations de flexion, apparaissent sous la forme de couples de réaction que ce dispositif doit encaisser. Il faut donc que celui-ci 15 comporte une masse suffisante ou soit suffisamment chargé pour pouvoir absorber les couples précités. La masse du dispositif doit par conséquent représenter plusieurs ordres de grandeur par rappert à celle de la pièce oscillante* Si ce dispositif comporte une masse trop faible, il oscille lui-mêâe en absorbant de l'énergie. 20 Ce phénomène agit à la façon d'un amortissement de l'ensemble du système, ce qui a pour conséquence une diminution considérable de la sensibilité de celui-ci. L'invention vise à permettre d'établir un dispositif du genre précité qui, moyennant des tolérances de fabrication relative-25 ment larges, comporte une bonne sensibilité susceptible de demeurer en dépit des variations des conditions de fonctionnement. A cet effet, le dispositif suivant l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend deux barrettes oscillantes mises en os» cillation en parallèle, mais en sens contraire, par un premier 50 transducteur électromécanique, en ce qu'il y est prévu un second transducteur électromécanique qui transiixme les oscillations des deux barrettes en signaux électriques dont l'amplitude est fonction de celle des oscillations elles-mêmes, en ce que la sortie du second transducteur est reliée à l'entrée d'un amplificateur 35 @t enfin en ce que le premier transducteur ainsi que lé système de déclenchement de la signalisation et/ou de la commutation sont branchés à la sortie de ce même amplificateur. Grâce à l'utilisation suivant l'invention de deux barrettes oscillantes, l'on obtient que les couples de réaction déterminés 40 par ces deux barrettes se compensent mutuellement, de sorte qu'il 49 13072 3 2012618 ne se peré aucune énergie par transmission d'oscillations au dispositif de fixation. Ce dernier peut donc être établi sous une forme relativement légère et peu coûteuse,. En outre la liaison des deux transducteurs électromécaniques par l'intermédiaire de l'am-5 plificateur constitue une "boucle de réaction englobant le système oscillant et grâce à laquelle celui-ci est toujours excité à sa fréquence propre de résonance, même lorsque celle-ci se modifie. Il n'est donc pas nécessaire de maintenir à la fabrication une fréquence propre déterminée de façon précise et d'autre part la 10 sensibilité du système n'est pas défavorablement influencée lorsque cette fréquence propre varie au cours du fonctionnement en raison des variations de température, des dépôts de crasse ou analogues. La seule condition posée est que la largeur de la bande passante de l'amplificateur renferme la totalité du champ de va-15 riation possible de la fréquence propre précitée. En outre tout le dispositif reste très sensible étant donné que les oscillations d'auto-excitation ainsi obtenues s'arrêtent dès que les barrettes sont légèrement amorties par immersion dans le milieu de remplissage du réservoir. 20 Suivant une première forme d'exécution de l'invention les deux barrettes oscillantes sont fixées à un diaphragme par une de leurs extrémités et sont reliées l'une à l'autre par deux ponts découplés mécaniquement l'un par rapport à l'autre, chacun de ceux-ci étant lui-même accouplé avec un transducteur électromécanique. 25 Sans la forme d'exécution précédente chaque pont est avanta geusement constitué par une traverse qui porte contre le diaphragme et par un étrier qui chevauche cette traverse, un élément piézoélectrique étant inséré entre la traverse et 1'étrier. Dans une autre forme d'exécution de l'invention les deux 30 barrettes sont fixées par une de leurs extrémités à deux points fixes situés à un écartement voulu l'un de l'autre et entre ces deux points il est rapporté sur chacune d^âLles une armature magnétisable, le premier transducteur électromécanique étant constitué par une bobine susceptible d'agir sur les armatures précitées. 35 Le dessin annexé, donné à titre d'exemple, permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques qutelle présente et les avantages qu'elle est susceptible de procurer s 3?ig. 1 montre en coupe une première forme d'exécution d'un dispositif suivant l'invention. 40 Fig. 2 est une coupe suivant A - A (fig. 1). 69 12072 4 2012618 Fig. 3 représente le schéma des circuits électriques du dispositif de fig. 1 et 2. Fig. 4 montre en coupe une autre forme d'exécution de l'invention, 5 Fig. 5 représente le schéma électrique correspondant. Le dispositif représenté en fig. 1 à 3 comprend deux barrettes plates 1, faites en acier inoxydable et dont on a considérablement réduit la langueur sur le dessin, comme l'indique la partie arrachée figurée sur celui-ci. Ces barrettes sont disposées 10 parallèlement l'une à l'autre et à un certain écartement. Elles sont fixées par une de leurs extrémités à un diaphragme 2 qui ferme le bas d'un boîtier tubulaire 3 pourvu d'un filetage extérieur. Ce boîtier 3 est vissé dans une ouverture filetée de la paroi 20 du réservoir dont on désire détecter le niveau de remplis-15 sage. Les deux barrettes 1 sont reliées l'une à l'autre par deux traverses parallèles 4, 5, disposées l'une près de l'autre et par deux étriers 6, 7 qui les chevauchent. Bans l'exemple représenté les traverses 4, 5 font partie intégrante du diaphragme 2. Bans 20 l'espace intermédiaire ménagé entre chacune d'elles et 1*étrier correspondant est disposé un élément piézo-électrique 8, respectivement 9, serré entre les deux organes précités par des vis 10. Chaque élément 8, 9 est constitué par deux rondelles d'une céramique appropriée dont les deux faces comportent un revêtement 25 d'argent» Entre ces deux rondelles est disposée une électrode 11, respectivement 12, tandis que les couchas d'argent extérieures sont en contact avec la masse constituée par les traverses et les étriers, cette masse comportant un contact ou borne 19 (fig. 3). L'ensemble de la traversa 4, de 1'étrier 6 et de l'élément 30 piézo-électrique 8 constitue un premier transducteur électromécanique, un second comprenant la traverse 5, l'étrier 7 «t» l'élément 9. Ces deux transducteurs sont isolés mécaniquement l'un de l'autre par l'espace intermédiaire 13 (fig. 2) qui les sépare, de sorte que les forces ou oscillations de l'un sont transmises à l'au-35 tre non pas directement, mais bien à travers le diaphragme 2 et la barrette 1 qui est associée à cet autre transducteur. Le diaphragme 2 est lui-même isolé mécaniquement du boîtier 3 par une gorge circulaire 14. Les barrettes 1 s'amincissent à leur extrémité libre pour se 40 terminer par une partie 15 en forme de pàlette de faible épais- 69 12072 5 201,2618 s*ur. Fig. 3 montre le schéma électrique du dispositif décrit. L'électrode 12 de l'élément piézo-électrique 9 est réliêe à lse&«= trée d'un amplificateur 16 dont la sortie est à son tour reliée 5 à l'électrode 11 de l'élément 8. En outre la sortie de 1'amplificateur 16 est encore reliée à un discriminateur de seuil 17 qui commande un relais 18. Le fonctionnement âu dispositif sus-décrit est le suivant î Les rondelles piézo-éleetriques de l'élément de chaque trans-10 ducteur sont montées électriquement en parallèle et mécaniquement en série. Si l'on applique une tension alternative à l'élément 8, il y apparaît un déplacement périodique à la façon de celui d'un piston et qui se traduit par des flexions de la traverse 4-. Les barrettes 1 sont ainsi entraînées en oscillation en fléchissant 15 en sens inverse l'une de l'autre. Ces oscillations provoquent & leur tour des flexions de la traverse 5, ce qui engendre des variations de pression sur l'élément piézo-électrique 9 en déterminant l'apparition sur l'électrode 12 d'une tension alternative de m8me fréquence que celle des oscillations mécaniques des bar-20 rettes 1. Cette tension est envoyée à l'entrée de l'amplificateur 16 qui l'amplifie pour l'appliquer ensuite à l'élément piézoélectrique 8. Les barrettes 1 sont ainsi excitées par un courant dont la fréquence correspond exactement à la fréquence propre de résonance du système oscillant mécanique constitué essentielle-25 ment par lesdites barrettes 1, le diaphragme 2, le boîtier 3 et les traverses 4 et 5. Si cette fréquence propre vient à varier, la fréquence du courant d'excitation suit exactement la variation, en supposant simplement que la bande passante de^L1 amplificateur 16 est assez large pour contenir le champ des variations précitésa 30 En pratique le système s'amorce de lui-môme dès que l'amplificateur 16 est mis sous tension, étant donné que si les barrettes 1 ne sont pas amorties, leurs plus minimes oscillations, et il an existe toujours dans un dispositif oscillant à coefficient de qualité très élevé, déterminent à l'entrée de 1'amplificateur 16 me 35 tension suffisante pour provoquer l'auto-excitation® L'ensemble du système mécanique se met très vite à osciller de plus en plus fort jusqu'à ce que 1'amplificateur 16 soit saturé et ne puisse plus fournir des tensions de sortie toujours plus élevées. On est ainsi arrivé à un état stable, les barrettes 1 oscillant avec mis 40 amplitude qui dépend du coefficient de qualité mécanique du sys 69 12072 e 2012618 tème et de 15énergie fournie par l'amplificateur. Il y a alors équilibre entre cette énergie et celle dépensée dans le système oscillant et dans sa fixation* La fréquence propre de résonance du système dépend en premier 5 lieu de la longueur L des barrettes oscillantes, de leur section et par conséquent de la répartition de leur masse, ainsi que de la force de rappel déterminée par le diaphragme 2 et par les traverses 4, 5„ Dès que les barrettes 1 sont amorties par Immersion au sein 10 d'un milieu amortisseur, tel qu'un liquide ou une poudre de matière plastique, l'amplitude des oscillations devient plus faible, ce qui a pour effet de réduire la tension, d'entrée appliquée à l'amplificateur. Il en résulte une diminution de l'énergie amenée au transducteur excitateur, La tension de sortie de 1* amplifiea-15 teur s'abaisse et finalement s'annule. Le diseriminateur de seuil 17 relié à celui-ci répond dès que la valeur de cette tension tombe au-dessous d'une certaine limite en actionnant le relais 18, On est ainsi averti de ce que le niveau à l'intérieur du réservoir a atteint la hauteur pour laquelle les barrettes 1 plongent dans 20 le milieu de remplissage. Lorsque le niveau de remplissage A'abaisse à l'intérieur du réservoir, les barrettes 1 sont à nouveau libérées. Le système oscillant peut alors s'auto-exciter et dès que la tension de sortie de l'amplificateur 16 a dépassé la valeur fixée, le disc?imi-* 25 natmmr de seuil 17 ramène le relais 18 à sa position initiale, ce qui a pour effet de signaler l'abaissement du niveau. Le relais 18 peut bien entendu servir à commander ou déclencher des cycles opératoires déterminés ; il peut par exemple maintenir automatiquement le niveau à une valeur constante, 30 Le dispositif décrit est toujours excité par une tais ion alternative dont la fréquence coïncide exactement avec la fréquence pvopse de résonance du système oscillant mécanique, de sorte qu'on est assuré du fonctionnement optimal. Les nécessités de fabrication qui apparaissent toujours dans une production en 35 série et qui aboutissent à des fréquences propres çn peu différentes pour des pièces successives, n'ont aucune influence défavorable sur le fonctionnement de l'appareil. Il en va de môme des variations de fréquence propre résultant des modifications des conditions extérieures au cours du service du dispositif, 40 La transmission &' énergie oscillante au dispositif de fixa 69 12072 7 2012618 tion et aux parois du réservoir est évitée par le découplage mécanique que réalise la gorge annulaire 14 prévue entre le diaphragme 2 et le boîtier tubulaire 3, En outre en choisissant convenablement le rapport entre le diamètre de ce boîtier 3 et l'écar-5 tement des barrettes 1 (longueur des traverses 4 et 5), l'on peut obtenir que les noeuds, c'est-à-dire les points d'oscillation zéro du système, se trouvent à des emplacements favorables, de sorte qu'il n'est transmis au boîtier qu'une fraction négligeable de l'énergie mise an jeu. 10 If® dispositif décrit convient particulièrement pour la détec tion du niveau de matières éboulantes légères telles que des poudres et poussières. La mesure peut être effectuée avec des barrettes 1 comportant sur toute leur longueur la même section et la même largeur. Au contraire dans le cas d'un liquide il se forme 15 entre les barrettes une onde immobile de sorte que l'énergie transmise à ce liquide est renvoyée par réflexion au système oscillant et que finalement la fraction absorbée n'est pas suffisante pour amortir celui-ci. On peut obtenir une émélioration en perçant des trous dans l'extrémité libre des barrettes. Bans 20 ces conditions lorsque celles-ci oscillent, il s'effectue un transfert de liquide à travers les trous de sorte qu'il y a absorption d'énergie par frottement sur les bords de ces derniers et par la formation de tourbillons qui se manifeste alors. Mais dans ce cas la forme d'exécution représentée au dessin assure en-25 core de meilleurs résultats grâce aux palettes 15, cLe faible épaisseur et de grande largeur, prévues aux extrémités des barrettes. Dans un tel agencement, lorsque les barrettes oscillent, du fait de leur moindre rigidité il apparaît un déplacement partiel en sens inverse de celui imposé par l'oscillation (mouvement 30 analogue à celui d'une nageoire) ce qui a pour résultat qu'il se forme le long de la "nageoire" un courant tourbillonnaire assurant une dépense d'énergie suffisante pour que les barrettes se trouvent fortement amorties dès qu'elles sont immergées. En outre cet effet de nageoire empêche la formation d'une onde immobile 35 entre les barrettes. Le découplage mécanique mutuel des deux transducteurs électromagnétiques par le moyen de l'espace intermédiaire 13 est nécessaire pour éviter que de l'énergie oscillante ne soit directement transmise de l'élément piézo-électrique 8 de l'élément 9. 40 En pareil cas le système comportant 1'amplifieateur comme organe 69 12072 8 201261Ô de liaison n'oscillerait plus à la fréquence propre de résonance mécanique des barrettes 1, mais à une fréquence plus élevée, telle par exemple que celle du boîtier tubulaire 3 et du diaphragme 2, Dans la forme d'exécution représentée en fig, 4 et 5 on re-5 trouve deux barrettes oscillantes 21 susceptibles d'être établies de la même manière que celles de fig. 1 à 3. Mais au contraire le dispositif de fixation et le système excitateur sont réalisés d'une autre façon. Le dispositif de fixation est constitué par un boîtier tubulaire 23 dont l'extrémité inférieure est fermée 10 par un diaphragme 22. A l'intérieur de ce boîtier est rapporté un corps de retenue 24. Les barrettes 21 sont là encore rigidement solidaires du diaphragme 22» mais elles se prolongent au-dessus de celui-ci sur une hauteur notable à travers l'espace intérieur du corps 24, leurs extrémités supérieures étant fixées à une cloi-15 son transversale 25• Chacune des deux barrettes 21 est ainsi montée en deux points écartés l'un de l'autre, d'une part sur le diaphragme 22, d'autre part sur la cloison 24. Entre ces deux points sur chaque barrette 21 est fixée une armature 26 en fer doux présentant la forme d'un barreau. Ces armatures 26 sont en-20 tourées sur à peu près toutes leur longueur par une bobine électromagnétique 27 contre les deux faces d'extrémité de laquelle sont montées des carcasses magnétiques 28 et 29* Ces carcasses 28 et 29 constituent avec le matériau magnétisable du boîtier 23 un circuit magnétique extérieur qui entoure la bobine 27. 25 Au-dessus du diaphragme 22 le corps 24 comporte une chambre ou élargissement 30 qui referme un élément piézo-électrique 31 fixé au diaphragme 22 êntre les deux barrettes 21, cette fixation étant réalisée par exemple par collage à l'aide d'une masse 32 d'une matière plastique appropriée. Les deux électrodes de l'élé-30 ment 31 sont reliées par des fils 33 à un pré-amplificateur 34 établi sous la forme d'un organe d'adaptation d'impédance enfermé dans une chambre 35 prévue dans le haut du corps 24. Le pré-ampli-ficateur 34 est à son tour relié par les fils 36 d'un câble 37 avec l'entrée d'un amplificateur 38 situé à l'extérieur du boîtier 35 la sortie de cet amplificateur aboutissant à la bobine 27 par l'in termédiaire des conducteurs 39 d'un autre câble. L'amplificateur 38 est établi de manière à alimenter la bobine 27 par des impulsions de courant continu, Le champ magnétique périodique ainsi produit a pour effet que les armatures 26 se re-^ poussent mutuellement du fait qu'elles présentent la même polarité 69 12072 9 2012618 tout comme dans un appareil de mesure à fer doux. De s© fait les parties des barrettes oscillantes 21 situées entre les deux points de montage de celles-ci reçoivent une force radiale orientée vers l'extérieur. Siles impulsions de courant ainsi amenées à la bobi-5 ne 27 comportent la même fréquence que celle de résonance des barrettes, ces dernières entrent en oscillation. Leur déplacement détermine alors des flexions correspondantes du diaphragme 22, de sorte qu'il apparaît aux bornes de l'élément piézo-électrique 31 une tension alternative dont la fréquence coïncide là encore avec 10 la fréquence de résonance du système mécanique oscillant. Cette tension est transmise au pré-amplificateur 34 qui la renvoie à l'entrée de l'amplificateur 38, de sorte qu'il apparaît une réaction d'auto-excitation grâce à laquelle les barrettes 21 sont entraînées en oscillation avec l'amplitude maximale permise par 15 le système, du moins aussi longtemps que ces palettes ne sont pas amorties. Ces oscillations s'évanouissent aussitôt que les barrettes 21 sont immergées dans le milieu de remplissage. La disparition des oscillations est décelée par un discriminâteur de seuil bran-20 ché à la sortie de l'amplificateur 38, de la même manière que suivant la disposition de fig. 3* La forme d'exécution de fig. 4 et 5 fonctionne également toujours suivant la fréquence propre de résonance des barrettes 21, même si cette fréquence vient à varier, aussi longtemps du moins 25 que le domaine de variation se trouve dans la bande passante de l'amplificateur 38. Le dispositif est par conséquent largement indépendant des tolérances de fabrication et des conditions variables d'ambiance. Il doit d'ailleurs être entendu que la description qui précè-30 de n'a été donnée qu'à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails déxécution décrits par tous autres équivalents. 69 i 2072 10 201261Ô REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour la détection du niveau de remplissage à l'intérieur d'un-réservoir, du genre comprenant une sonde avec ij au moins une barrette oscillante plongeant dans ce réservoir, un mécanisme propre à déterminer des oscillations mécaniques de cette barrette et un système susceptible de déclencher des processus de signalisation et/ou de commutation en fonction des amplitudes d'oscillation de celle-ci, caractérisé en ce qu'il comprend deux ^jq barrettes oscillantes mises en oscillation en parallèle, mais en sens contraire par un premier transducteur électromécanique, en ce qu'il est prévu un second tranâducteuar électromécanique qui transforme les oscillations des deux barrettes en signaux électriques dont l'amplitude est fonction de celle des oscillations elles-mêmes, en ce que la sortie du second transducteur est reliée à l'entrée d'un amplificateur, et enfin en ce que le premier transducteur, ainsi que le système de déclenchement de la signalisation et/ou de la commutation, sont branchés à la sortie de ce même amplificateur. 2) 2 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les deux barrettes oscillantes sont fixées à un même diaphragme par l'une de leurs extrémités et sont reliées l'une à l'autre par deux ponts mécaniquement découplés l'un par rapport à l'autre, chacun de ces derniers étant accouplé avec l'un des treize -' £5 ducteurs électromécaniques. 3 - Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que chaque pont est constitué par une traverse appliquée stg? le diaphragme et par un étrier qui chevauche cette traverse, l'élément piézo-électrique correspondant étant serré entre 1'étrier et 50 la traverse. 4 - Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le diaphragme est isolé du boîtier porte*? à l'encontre des oscillations mécaniques. 5 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des barrettes est monté par une de ses extrémités ea deux points disposés à un écartement approprié l'un de l'autre, tandis qu'il est prévu entre ces points une armature magnétisable fixée à la barrette considérée, le premier transducteur électromagnétique étant constitué par une bobine électrique qui agit sur 40 l'ensemble des deux armatures. 12072 11 2012618 6 - Dispositif suivant la revendication 5» caractéirsé en ce que les deux armatures sont constituées par des barreaux de fer doux disposés côté à côte et parallèlement l'un à l'autre de manière à se trouver logés axialement à l'intérieur de la bobine. 5 7 - Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les deux barrettes traversent un diaphragme, le second transducteur électromécanique étant constitué par un élément piézo-électri-que fixé contre ce diaphragme. 8 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que 10 l'extrémité libre de chaque barrette oscillante comporte une partie élargie en forme de palette. 9 - Dispositif suivant la revendication 8, caractérisé en ce que chaque barrette va en s»amincissant dans sa partie qui se raccorde à son extrémité en foime de palette* 15 10 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité libre de chaque barrette oscillante est perforée au voisinage de son extrémité libre de trous orientés dans le sens des oscillations.