Brevet FR2133590A1 — publié le 19721201

La présente invention concerne un appareil servant à mesurer le poids d'un liquide dans un réservoir, par exemple d'un carburant contenu dans un réservoir d'avion. Parfois, le poids est plus important que le volume et notamment dans ce dernier e-5 xemple, car il permet de mieux mesurer la quantité d'énergie disponible . Selon la présente invention, 1 Il faut noter que l'appareil conforme à l'invention est apte à fournir des mesures particulièrement précises, notamment en raison du fait que la densité du liquide mesurée est la densité moyenne du liquide sur la longueur immergée de la ligne de 40 transmission. La précision est ainsi garantie lorsque la densité 72 10724 2" 2133590 du liquide est plus grande pour des niveaux plus bas, comme cela se produit parfois. Si l'appareil conforme à l'invention doit être utilisé pour mesurer le poids du liquide dans chacun des réservoirs, on 5 peut le simplifier en le disposant de façon à fonctionner en partage de temps. Un tel appareil peut comprendre des détecteurs respectifs de niveaux de liquide, dont chacun se présente sous la forme d'une ligne de transmission électrique ouverte au liquide et disposée pour être montée de façon généralement verticale dans 10 le réservoir correspondant, un unique circuit générateur d'impulsions électriques, un certain nombre de dispositifs électriques à retard qui, en service, reçoivent les impulsions électriques produites par le générateur d'impulsions et, en retardant chaque impulsion d'une valeur différente, produisent à partir de chaque 15 impulsion une séquence d'impulsions qui sont appliquées à une extrémité des lignes correspondantes, les impulsions étant partiellement réfléchies à la surface des liquides et aux autres extrémités des lignes, un unique circuit de mesure électrique qui, en service, mesure pour chaque ligne la période qui sépare une im-20 pulsion appliquée et l'impulsion correspondante réfléchie en surface ainsi que la période séparant l'impulsion réfléchie en surface et l'impulsion correspondante réfléchie en fin de ligne, ces périodes étant toujours inférieures à la période qui sépare des impulsions successives dans la séquence, ainsi qu'un calculateur 25 qui, en service, répond aux deux périodes mesurées associées à chaque ligne en calculant le poids du liquide dans chaque réservoir, et cela en calculant en fait le volume du liquide qui est fonction de la première période, la densité du liquide qui est fonction des deux périodes, et, enfin, le produit du volume et de 30 la densité calculés. La ou les lignes de transmission utilisées dans l'appareil conforme à l'invention peuvent présenter un certain nombre de constructions différentes. Par exemple, l'une des réalisations se présente sous la forme d'un conducteur hélicoïdal disposé au-35 tour d'un axe et monté dans un conducteur cylindrique coaxial à l'axe. Cette construction convient tout particulièrement pour ê-tre utilisée dans un réservoir dont la surface du liquide varie avec sa profondeur, car le nombre de tours du conducteur hélicoïdal par unité de longueur peut être rapporté à la surface, de 40 sorte que le volume du liquide est une fonction essentiellement 72 10724 3 2133590 linéaire de la première période, qui est la période séparant une impulsion appliquée et l'impulsion correspondante réfléchie par la surface. En d'autres termes, le capteur à ligne de transmission peut être caractérisé par rapport au réservoir par le fait 5 que la variation de vitesse de propagation le long de la ligne est inversement proportionnelle à la vitesse de variation de volume le long de cette même ligne. Dans une autre réalisation de ligne de transmission qui est également du type décrit, un conducteur est monté concentri-10 quement dans un conducteur cylindrique et est entouré par une gaine diélectrique coaxiale de forme telle qu'elle produit entre les conducteurs une permittivité proportionnelle, par unité de longueur des conducteurs, à la surface, de sorte que le volume du liquide est une fonction essentiellement linéaire de ladite pre-15 mière période. Dans une autre réalisation très semblable par le principe, tua conducteur est monté concentriquement dans un conducteur cylindrique et est entouré par une gaine ferromagnétique coaxiale de forme telle qu'il se produit entre les conducteurs u-ne perméabilité qui se rapporte à la surface, par unité de lon-20 gueur des conducteurs, de sorte que le volume du liquide est une fonction essentiellement linéaire de ladite première période. Avant de décrire des exemples spécifiques d'appareils conformes à l'invention, la théorie de fonctionnement sera décrite plus en détail au moyen de l'exemple généralisé suivant. 25 Le volume de carburant liquide ^ d'un réservoir peut s'exprimer sous la forme : T2 - Tj - V-L (X) où Vfj, est le volume total du réservoir (qui est connu) et le volume de la partie du réservoir qui n'est pas occupée par le 30 carburant (et qui manque pour faire le plein). Dans tin réservoir uniforme, le volume est directement proportionnel à la longueur Lj qui est la distance entre le sommet de la ligne de transmission et la surface du carburant. Donc, T2 - VT - KlLx (2) 35 la longueur peut s'exprimer en fonction de la période qui s'écoule entre l'impulsion appliquée et l'impulsion correspondante réfléchie par la surface, car cette période désignée par la suite par le symbole t-^ varie directement en fonction de L^n/ e-^/C, formule dans laquelle e^ est la constante diélectrique du milieu qui 40 occupe le volume et où C est la vitesse de la lumière. Gomme 72 10724 4 2133590 milieu est constitué par de l'air, ou de l'air et de la vapeur de carburant, sa constante diélectrique est très proche de l'unité. Donc : V2 " " K2ti (3) Plus généralement, ceci couvre le cas où le réservoir n'est pas uniforme, ou lorsqu'il est basculé, ou les deux cas à la fois : V2 » T -fCV (4) Le poids du carburant dans le volume 7^ est 10 w2 = y2 B2 (5) où Dg est la densité du carburant. V2 est déterminé d'après l'équation (3) ou (4). Pour déterminer Dg, on utilise la relation de Clausius-Mossotti. D2 = P2(e2-D/(e2 + 2) (6) 15 où P^ est une constante de polarisation associée au carburant et e2 est la constante diélectrique de ce dernier. La constante diélectrique peut être exprimée en fonction du temps. La raison en est que la période qui s'écoule entre l'impulsion réfléchie par la surface et l'impulsion correspondante 20 réfléchie par l'extrémité de la ligne (période à laquelle on se réfère par la suite comme (t2 - t^) varie comme Ve^~(L2-L^)/C où L2 est la longueur totale de la ligne de transmission. On peut donc démontrer que : ^ e2 - r 25 D'après la dérivation précédénte de l'équation (3), sait que L^ peut s'exprimer en fonction de ^ de sorte que : e2 = K3 /"(VV/^ ~ ' " "2 En substituant l'équation (8) on ~ ^4^1^—7 dans (8) l'équation (6) on obtient 30 d2 = 35 E, E, -1 (%z - *1 \2 - VJ . t Ji - K^t-jy/ (9) Le produit de l'équation (3) ou (4) et de l'équation (9) donne 7 (t2 - V W2 n'est fonction et t, qui sont mesurées par l'appa- 40 que des variables reil. L'appareil conforme à l'invention sera maintenant décrit 72 10724 5- 2133590 à titre d'exemple en se référant aux dessins joints dans lesquels : la figure 1 est un schéma synoptique de l'appareil, destiné à mesurer le poids d'un combustible liquide contenu dans un 5 réservoir; la figure 2 est un diagramme des temps qui permet de mieux comprendre le fonctionnement de l'appareil représenté sur la figure 1; la figure 3 est un block-diagramme qui montre comment 10 l'appareil de la figure.1 peut être modifié pour permettre la mesure du poids, de combustible dans plusiéurs réservoirs; la figure 4- est un diagramme des temps qui permet de mieux comprendre le fonctionnement du dispositif-de la figure 3; la figure 5 est une représentation schématique d'un type 15 de détecteur de niveaux de liquide pouvant être utilisé dans l'appareil et, , la figure 6 est,une": représentation schématique d'une autre réalisation de détecteur de niveau de liquide pouvant être u-tilisé dans l'appareil., 20 L'appareil représenté sur la figure 1 est utilisé pour mesurer le poids du combustible liquide"dans un réservoir 1. Un capteur de niveau de liquide ayant la forme d'une ligne de transmission électrique 2 ouverte aux deux extrémités est monté de façon à plonger verticalement dans le- réservoir. Un générateur d'-25 impulsions électriques 3 est branché de façon que les impulsions soient appliquées au sommet de. la ligne 2, et particulièrement au conducteur central. Un détecteur d'impulsions 4 est branché de façon à détecter les impulsions réfléchies sur la ligne 2. Le générateur d'impulsions 3 est commandé par un circuit à temps 5 Qui 30 applique également des signaux- dihorloge à tin compteur électronique 6. Les impulsions réfléchies commandent le détecteur d'impulsions 4 qui ,agit sur un circuit de commande 7 déclenchant en réponse le fonctionnement du compteur 6» L'appareil comporte également un calculateur"de volume 8, un calculateur de densité 9 et 35 un.calculateur de poids 10 qui fonctionnent en réponse aux impulsions du compteur 6 de façon à calculer le poids du combustible dans le réservoir 1. En service, les signaux provenant du circuit à temps 5 excitent le générateur d'impulsions 3 et font démarrer le comp-40 teur 6 qui comporte une source d'impulsions haute fréquence fonc 72 10724 s. 2133590 tionnant comme horloge, les impulsions provenant du générateur 3 sont appliquées au conducteur central de la ligne de transmission 2. Dans la figure 2, un^telle impulsion est représentée sous la référence 11, se produisant au moment t^. Elle se propage vers 5 le "bas de la ligne jusqu'à ce que la. surface du liquide soit atteinte. A ce point, l'impulsion est partiellement réfléchie. La partie non réfléchie continue,à se propager vers le bas et est finalement réfléchie à l'extrémité inférieure de la ligne, qui ne se termine pas par son impédance caractéristique. Dans la figure 10 2, les deux impulsions réfléchies associées à ehaque impulsion appliquéê 11 sont représentées par l'impulsion 12 se produisant au moment t^ et l'impulsion 13 se produisant au moment tg. Les impulsions réfléchies sont détectées par le détecteur d'impulsions 4 et sont ensuite utilisées pour déclencher le circuit de comman-15 de 7 qui, en réponse, produit des signaux servant à commander le compteur 6, signaux qui font transférer le contenu du compteur irers les calculateurs 8 et 9» et signaux qui provoquent la remise à zéro du compteur. De façon plus détaillée, le compteur 6 produit deux si-20 gnaux numériques de sortie, l'un qui est proportionnel à la période t^ et l'autre qui est proportionnel à la période (tg-t^). A " la détection d'une impulsion réfléchie par la surface, comme l'impulsion 12, le total se trouvant dans le compteur et proportionnel à t^ est transféré au calculateur de volume 8 et le compteur 25 4 est remis à zéro. Le signal numérique correspondant à la période t^ est également transféré au calculateur de densité 9* Lorsqu'une impulsion réfléchie par l'extrémité de la ligne de transmission est détectée, par exemple l'impulsion 13, le signal numé-riqué produit par le compteur 4 et correspondant à la période 30 (^2"^) es^ transféré au calculateur de densité 9 et le compteur est remis "à zéro. Le cycle se reproduit continuellement. Le volume du combustible se, trouvant, dans le réservoir est fonction de la période t^ et est calculé par le calculateur 8 qui utilise é-galement quelques constantes. La densité du combustible se trou-35 vant dans le réservoir est fonction de la-période., t^ et de la période (tg-t-^) et elle est calculée par le calculateur 9 qui utilise également quelques constantes. Les signaux calculés de volume et de densité sont transmis au calculateur dp poids 10 qui en fait calcule le produit des signaux de volume et de densité. 40 Ainsi qu'il a été précédemment expliqué, dans un appa 72 10724 2133590 reil de mesure du poids de liquide se trouvant dans deux réservoirs ou davantage, une simplification peut être obtenue en utilisant des techniques de temps partagé. Ceci est réalisé dans le mode de réalisation représenté à la figure 3 par trois modules 5 de retard 20, 21 et 22 qui fournissent différents retards fixes à chaque impulsion provenant du générateur d'impulsions 3. Ces retards sont tels que la plus longue péri-ode qui puisse se produire dans l'un quelconque des détecteurs entre une impulsion appliquée et une impulsion réfléchie, est inférieure au retard qui se pro-10 duit entre l'application d'impulsions consécutives par les modules de retard. En d'autres termes, une tranche de temps est affectée à chaque détecteur. La figure 4 explique ce fonctionnement en temps partagé. Une impulsion initiale 23 provenant du générateur d'impulsions3 15 est appliquée à chaque module de retard 20, 21 et 22. Le retard produit par le module 20 (RETARD 1) est le plus faible et celui produit par le module 22 (RETARD N° 3) est le plus important. Après celui fourni par le module de retard 20, une impulsion de ligne de base 26 est reçue par le détecteur d'impulsions 4. Cette 20 impulsion de ligne de base est une impulsion réfléchie et se produit grâce à une mauvaise adaptation, réalisée, à dessein, entre les câbles d'interconnexion et chaque détecteur. Les impulsions de ligne de base servent de points de référence temporelle et é-liminent le besoin de modules de retard précis et extrêmement 25 stables. Après avoir reçu l'impulsion de ligne de base 26, les impulsions réfléchies 27 et 28 produites par le premier détecteur sont reçues. L'impulsion 27 est l'impulsion réfléchie en surface et l'impulsion 28 est réfléchie par l'extrémité de la ligne de transmission. Après le retard produit par le module de retard 21 30 (RETARD N° 2), une seconde impulsion de ligne de base 29 et deux impulsions réfléchies 30 et 31 provenant du second détecteur sont reçues par le détecteur 4. Après le retard provoqué par le module de retard 22, une troisième impulsion de ligne de base 32 et deux impulsions réfléchies 33 et 34 sont reçues par le détecteur 4. 35 Dans chaque cas, la période t^ est la période qui sépare une impulsion de ligne de base et la première des impulsions réfléchies; la période tg-t^ est, dans chaque cas, le temps qui sépare les impulsions réfléchies en surface et les impulsions de fin de ligne associées. 40 On se réfère maintenant à la figure 5 Qui représente un 72 10724 8 2133590 capteur à ligne de transmission du type hélicoïdal décrit précédemment. Il comprend un mandrin cylindrique 40 sur lequel est bobiné ou imprimé un conducteur hélicoïdal 4-1, l'ensemble étant monté coaxialement à un conducteur cylindrique 42. La vitesse de 5 transmission le long d'une telle ligne varie conformément à l'équation : ^ v = (LC) ~ 2 (10) dans laquelle L et C sont l'inductance et la capacité le long de la ligne. La capacité par unité de longueur axiale est donnée par 10 la formule : c - (11) logio D/d dans laquelle K est la constante diélectrique du milieu entre le conducteur hélicoïdal 41 et le conducteur extérieur 42, D est le 15 diamètre intérieur du conducteur extérieur 42 et d est le diamètre moyen de l'hélice formée par le conducteur 41. L'inductance par unité de longueur axiale est donnée par la formule L' - 0,30 n2d2 ^fl-(d/D)2_7 (12) où n est le nombre de tours par unité de longueur axiale du con-20 ducteur hélicoïdal. Les équations (12) et (10) montrent clairement que l'on peut faire Varier la vitesse de transmission v en fonction inverse de n, ce qui confirme donc la description précédente d'un détecteur caractérisé. La figure 6 représente un détecteur à ligne de transmis-25 sion comprenant un conducteur central 45, un conducteur extérieur coaxial 45, et une gaine 47 en matériau diélectrique monté sur le conducteur 45. La vitesse de transmission le long d'une ligne de transmission est fonction de l'inductance et de la capacité de la ligne, comme l'exprime l'équation (10). Alors que seule l'induc-30 tance du détecteur de la figure 5 est caractérisée, la capacité ou l'inductance des deux détecteurs de la figure 6, ou les deux, sont caractérisées. Ceci est obtenu en faisant varier le coefficient diélectrique, et par conséquent la capacité, de l'espace qui sépare les conducteurs, grâce à la variation de forme de la 35 gaine 47 sur sa longueur, ainsi qu'on peut le voir. On peut également faire varier la permittivité en utilisant des matériaux dont la constante diélectrique est variable le long du détecteur. Le détecteur peut également être caractérisé par l'utilisation d'une gaine en matériau ferromagnétique, de sorte que la perméabilité, et par conséquent l'inductance de l'espace qui sépa-re les conducteurs, varie sur la longueur. 72 10724 2133590 REVENDICATIONS. 1. Appareil pour mesurer le poids d'un liquide contenu dans un réservoir, caractérisé en ce qu'il comprend un détecteur de niveau de liquide constitué par une ligne de transmission é-5 lectrique (2) ouverte au liquide et conçue de façon à être montée en position généralement verticale dans le réservoir, un circuit électrique générateur d'impulsions (3) qui, en service, applique les impulsions électriques à une extrémité de la ligne, les impulsions se réfléchissant partiellement à la surface du liquide 10 et à l'autre extrémité de la ligne, un appareil électrique de mesure (6) qui, en service, mesure la période qui sépare une impulsion appliquée et l'impulsion correspondante réfléchie en surface, ainsi que la période qui sépare l'impulsion réfléchie en surface et l'impulsion correspondante réfléchie à l'extrémité de la 15 ligne, et un calculateur (8, 9» 10) qui, en service, répond aux deux périodes mesurées en calculant le poids du liquide, en fait en calculant le volume de ce dernier qui est fonction de la première période, puis la densité qui est fonction des deux périodes, et enfin le produit du volume et de la densité calculés. 20 2. Appareil pour la mesure du- poids du liquide dans plu sieurs réservoirs, caractérisé en ce qu'il comporte des détecteurs respectifs de niveau de liquide constitués chacun par une ligne de transmission électrique ouverte au liquide et agencée pour être montée dans une position généralement verticale-dans 25 chacun des réservoirs, un unique générateur d'impulsions électriques (3), un certain nombre de dispositifs électriques à retard (20, 21, 22) qui, en service, reçoivent les impulsions électriques produites par le générateur d'impulsions et, en donnant à chaque impulsion une valeur de retard différente, produisent à partir de 30 chaque impulsion une séquence d'impulsions qui sont appliquées à une extrémité des lignes respectives, les impulsions se réfléchissant partiellement sur les surfaces du liquide et aux autres extrémités des lignes, un unique circuit de mesure électrique (6) qui, en service, mesure pour cha-nie ligne la période séparant une 35 impulsion appliquée et l'impulsion correspondante réfléchie à la surface, ainsi que la période séparant l'impulsion réfléchie à la surface et l'impulsion correspondante réfléchie à l'extrémité de la ligne, ces périodes étant toujours inférieures à celle qui sépare des impulsions successives de la séquence, et tua calculateur 40 (8, 9, 10) qui, en service, répond aux deux périodes mesurées as 72 10724 10. 2133590 sociées à chaque ligne de façon à calculer le poids du liquide dans chaque réservoir en calculant, en fait, le volume du liquide qui est fonction de la première période, la densité du liquide qui est fonction des deux périodes, et enfin le produit du volume 5 et de la densité calculés. 3. Appareil conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que le branchement entre chaque module de retard et son détecteur correspondant comporte un défaut d'adaptation servant à produire une première impulsion réfléchie, dans un but de synchro- 10 nisation. 4. Appareil conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la ligne de transmission a la forme d'un conducteur hélicoïdal (41) s'enroulant autour d'un axe et monté à l'intérieur d'un conducteur cylindrique (42) coaxial à l'axe. 15 5• Appareil conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que le détecteur est monté dans le réservoir, ce dernier fournissant une surface liquide qui varie avec la profondeur de ce dernier, et en ce que le nombre de spires du conducteur hélicoïdal par unité de longueur est lié à la surface de telle sorte 20 que le volume du liquide est une fonction essentiellement linéaire de la première période. 6. Appareil conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur est monté dans le réservoir, ce dernier présentant une surface liquide qui varie avec la profondeur de ce 25 dernier, et en ce que la ligne de transmission a la forme d'un conducteur (45) monté coaxialement dans un conducteur cylindrique (46) et entouré par une gaine diélectrique coaxiale (47) dont la forme est telle qu'il se produit entre les conducteurs une per-mittivité qui, par unité de longueur des conducteurs, est liée à 30 la surface de telle sorte que le volume du liquide est une fonction essentiellement linéaire de ladite première période. 7. Appareil conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur est monté dans le réservoir, ce dernier présentant une surface liquide qui varie avec la profondeur de ce 35 dernier, et en ce. que la ligne de transmission a la forme d'un conducteur monté coaxialement dans un conducteur cylindrique et entouré par une gaine ferromagnétique coaxiale dont la forme est telle qu'il se produit entre les conducteurs une perméabilité qui, par unité de longueur des conducteurs, est liée à la surface, de sorte que le volume du liquide est une fonction essentiellement 40 linéaire de ladite première période.