Brevet FR2382677A1 — publié le 19780929

Laprésente invention a pour objets un appareil de mesure d'une inclinaison et en particulier son utilisation pour mesurer électroniquement les dé viations d'un plan par rapport à l'horizontale déterminée par la gravitation. L'un des buts de la présente invention est la réalisation d'un appareil perfectionné de mesure d'une inclinaison, capable d'effectuer de façon continue des mesures de position extremement précises par rapport à l'horizon- tale et capable de fournir un signal de mesure électronique pouvant etre transmis à distance sans changement pour enregistrement ou traitement. Un autre but de l'invention est la réalisation d'un appareil présentant une grande durée de vie et exempt de forces de frottement. On a trouvé que ces buts peuvent être atteints avec un appareil de mesure d'une inclinaison dans lequel l'aptitude d'un liquide ou d'un gaz ou d'un mélange de ceux-ci à atténuer une radiation permet de produire un signal électrique qui est proportionnel à la déviation à partir d'une position déterminée. L'appareil de mesure selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend un récipient, un liquide ou un mélange de liquide et de gaz capable d'atténuer une radiation à l'intérieur du récipiént, des moyens émetteurs de radiation et des moyens récepteurs de radiation disposés de manière qu'une variation du niveau du liquide provoquéepar-le déplacement du récipient relativement à un plan de référence provoque une variation de la radiation reçue par les moyens récepteurs, et des moyens pour mesurer ladite variation de radiation. Dans une forme d'exécution particulière de l'appareil de mesure, les moyens émetteurs de radiation et les moyens récepteurs de radiation sont disposés au-dessus ou au-dessous de la surface du liquide, une variation du niveau du liquide provoquée par une inclinaison de l'appareil servant à faire varier l'intensité de la radiation réfléchie vers les moyens récepteurs, cette variation de l'intensité de la radiation étant proportionnelle à l'augmentation ou à la diminution du niveau du liquide. Selon une autre forme d'exécution particulière de l'appareil de mesure, les moyens émetteurs de radiation et les moyens récepteurs de radiation sont disposés au-dessus et au-dessous de la surface du liquide, une variation du niveau du liquide provoquée par une inclinaison de l'appareil servant à faire varier l'intensité de la radiation parvenant aux moyens récepteurs sous l'effet de la réfraction de la radiation par la surface du liquide. Dans toutes les formes d'exécution on peut utiliser deux dispositifs émetteurs de radiation et deux dispositifs récepteurs de radiation pour corriger les erreurs dues aux variations de température, aux défauts d'alignement et autres. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemple la figure 1 est une vue schématique d'une partie d'une première forme d'exécution de l'appareil selon l'invention; la figure 2 représente le schéma d'un premier circuit que comprend cette première forme d'exécution; la figure 3 représente le schéma d'un second circuit que comprend cette première forme d'exécution; la figure 4 est un vue schématique d'une partie d'une deuxième forme d'exécution de l'appareil selon l'invention la figure 5 est une vue schématique d'une partie d'une troisième forme d'excution de l'appareil selon l'invention; la figure 6 est une vue en perspective de la figure 5; la figure 7 représente une variante pratique de la première forme d'exécution; et la figure 8 est une vue en perspective de la figure 7. Dans la première forme dlexécution, l'appareil comprend une enveloppe principale li renfermant du liquide 12 et montée sur une plateforme 13 de mesure du niveau. Des dispositifs émetteurs de radiation 16 et 17 sont disposés au fond du liquide. Des dispositifs récepteurs de radiation 14 et 15 sont disposés directement au-dessus des dispositifs émetteurs. L'appareil est fermé de façon hermétique et nécessite des chemins de retour 18 et 19 pour le liquide d'une part, et pour l'air ou le gaz, d'autre part. La figure 2 illustre un exemple dtun circuit pouvant etre utilisé pour actionner les dispositifs émetteurs de radiation 16 et 17. Des diodes émettrices de radiation 22 et 23 sont alimentées par des sources de courant d'un circuit 21. Des résistances 24 et 25 servent à régler le courant fourni aux dispositifs émetteurs. La figure 3 illustre un exemple d'un circuit de réception de la radiation. Des transistors récepteurs de radiatIon 32et 33 sont équilibrés à l'aide de dispositifs de réglage 34 et 35. Un amplificateur différentiel 31 amplifie la différence de l'intensité des signaux reçus par les deux dispositifs récepteurs et actionne un dispositif d'affichage 38. Un dispositif de réglage 36, de mise à zéro, sert à équilibrer l'amplificateur lors de la mise en place. La gamme du dispositif d'affichage 38 peut être modifiée en réglant la résistance 37 à des valeurs déterminées. Ceci sert à faire varier le gain de l'amplificateur 31. Dans -la seconde forme d'exécution représentée à la figure 4, l'appareil comprend une enveloppe principale 41 renfermant du liquide 42 et montée sur une plateforme de mesure de niveau 43. Des dispositifs émetteurs de radiation 46 et 47 sont montés au-dessus du liquide à proximité de dispositifs récepteurs de radiation 44 et 45. Les dispositifs émetteurs et récepteurs sont disposés tous les deux de telle manière que leur distance focale tombe sur le fond de l'appareil. Ce dernier est fermé de façon hermétique et nécessite des chemins de retour 48 et 49 pour le liquide et l'air respectivement. Dans la troisième forme d'exécution illustrée aux figures 5 et 6, l'appareil comprend une enveloppe principale 51 présentant un passage usiné 53 et renfermant du liquide 52. Des dispositifs émetteurs 56 et 57 à des fins de démonstration sont placés au fond du liquide. Des dispositifs récepteurs de radiation 54 et 55 sont disposés directement au-dessus des dispositifs émetteurs. L'appareil est fermé de façon hermétique et nécessite des chemins de retour 48 et 49 pour le liquide, d'une part, et pour l'air ou les gaz, d'autre part. Les figures 7 et 8 illustrent une variante pratique de la première forme d'exécution, dans laquelle une enveloppe principale 71 présente un canal usiné 73 renfermant un liquide 72. Cet appareil ne comprend qu'un seul dispositif d'émission 76, et deux dispositifs de réception 74 et 75 disposés au-dessus du dispositif d'émission, dans chacun des canaux de l'appareil. L'appareil est fermé de façon hermétique et des chambres usinées 78 et 79 ménagent des chemins de retour pour le liquide, d'une part, et pour l'air ou le gaz, d'autre part. Le procédé de surveillance de l'horizontale est extremement précis, sur une gamme allantd'une petite fraction de degré à plusieurs dizaines de degré, sans qu'il soit nécessaire de procéder à un réajustement du corps de l'appareil. L'échelle de l'indicateur peut etre modifiée à l'aide d'un commutateur modifiant le gain de l'amplificateur. Pour autant que l'on choisisse correcte ment les caractéristiques du dispositif récepteur de la radiation et de l'ampli ficateur, on peut obtenir un signal de sortie parfaitement linéaire. De petites variations dans le fléchissement de la surface peuvent etre amplifiées afin de permettre une lecture. L'invention ne fait aucun recours à la surveillance de la position d'une bulle pour indiquer la position par rapport à I'horizontale. La lecture de la position d'une bulle serait sujette à erreur en raison des variations de température provoquant une variation de la grandeur de la bulle. Dans une forme d'exécution préérée de l'appareil selon ltinvention, celui-ci comprend deux dispositifs émetteurs de radiation 16 et 17 et deux dispositifs récepteurs de radiation 14 et 15 pour lire les deux extrémités du liquide 12. Les signaux de sortie de ces deux sources sont appliqués à un amplificateur différentiel. Ainsi on- obtient une indication précise et stable qui n'est pas influencée par les variations- du niveau ou de densité du liquide dues à la température ou encore par l'azimut de l'appareil. Toutes les variations se produisant dans les deux chemins de réception de radiation~et dans le me- me sens- sont équilibrées par l'amplificateur différentiel qui ne produit aucune variation de son signal de sortie. Le type du liquide utilisé dans l'appareil objet de l'invention peut varier mais il doit généralement présenter une faible tension de surface et peut etre constitué par un alcool ou autre liquide analogue. Si le liquide n'entraide qu'une faible atténuation, il peut etre souhaitable de le mélanger à un additif afin d'augmenter l'absorption de la radiation, par exemple sous la forme d'un colorant. On peut utiliser de l'hexane ou de l:isopentane mais on améliore l'absorption de chacun de ces liquides en mélangeant une certaine quantité d'éther. Tout autre liquide ou mélange de liquides ou de solutions produisant un certain degré d'atténuation peut etre utilisé, Bien que l'on ait décrit l'invention en prévoyant un liquide comme milieu atténuateur, on peut également utiliser une combinaison de liquide et de gaz ou de gaz et de gaz dans laquelle soit le liquide soit le gaz constitue le milieu modulateur. L'appareil n'est pas limité quant à sa grandeur et il peut etre construit en métal, en céramique ou autre matériau. L'appareil doit de préférence, dlune part, etre construit en un matériau ineassable et, d'autre part, etre fermé de façon hermétique, ceci de façon à etre robuste et à présenter une grande durée de vie. L'appareil n'a pas besoin d'être usiné avec précision étant donne que toutes les corrections sont effectuées électriquement lors de la fabrication. Toute fois, pour les applications exigeant un degré de précision exceptionnel et une grande sensibilité il peut étre nécessaire d'usiner l'appareil avec soin. L'appareil, y compris le circuit électronique, la source de puissance et les moyens d-'affichage, peut- etre construit suffisamment petit pour etre logé à l'intérieur d'une enveloppe dont les dimensions correspondent à un petit calculateur de poche et qui fournit une mesure précise de l'orientation en pesant sur un bouton. L'appareil n'est pas limité, dans ses applications, à des mesures faites en référence à un plan d'horizon, étant donné que le signal de sortie est linéaire et peut etre analogique ou numérique ou encore peut à l'aide d'un circuit électronique fournir une indication lorsque des limites déterminées de l'orien- tation ont été atteintes. Un servomécanisme peut etre entraidé directement à partir de la sortie pour fournir une correction servant à commander un avion ou analogue. En positionnant correctement un ensemble d'appareils et en traitant électrolliquement le signal combiné de sortie on peut effectuer une mesure de position précise sur 3600. Ceci peut également etre généralisé en utilisant deux ensembles dtappareils comme indiqué, disposés à 900 l'un de l'autre, et en traitant correctement les signaux de sortie pour fournir une indication complète de l'orientation par rapport au plan horizontal. Il ressort des dessins et des circuits que les moyens d'émission de la radiation représentés sont constitués par une diode d'émission infrarouge. Celle-ci a été choisie pour s'adapter aux caractéristiques du dispositif récepteur à phototransistor. Toutefois, on peut utiliser d'autres dispositifs d'émission d'une radiation électromagnétique. On peut également remplacer le phototransistor de réception qui est sensible et produit un signal de sortie linéaire par une photodiode ou autre moyen récepteur de radiation. Le choix des deux dispositifs récepteurs de radiation doit etre effectué de manière qu'ils présentent des caractéristiques semblables. Les petites variations peuvent etre compensées par les dispositifs de mise à zéro repré sentés dans les circuits. Les variations du niveau d'émission des dispositifs émetteurs peuvent etre compensés à l'aide des moyens de réglage illustrés dans les schémas du circuit. Toutefois, une méthode plus précise consiste à avoir une meme source de radiation commune aux deux côtés ceci en disposant les cylindres ou les ca naux en forme de V ou utilisant un moyen de couplage constitué par des fibres optiques, notamment. Etant donné les faibles tolérances pour le maximum et le minimum du signal de sortie des diodes émettrices infrarouges utilisées, une variante pratique consiste à remplacer les sources de courant par une modulation de la largeur des impulsions pour varier le niveau de la radiation. Toutefois suivant la sensibilité des dispositifs récepteurs de radiation et de l'atténuation obtenue par le liquide, il peut etre nécessaire utiliser un filtre pour appliquer une atténuation fixe de la radiation de sortie. Ceci permettrait de bloquer les impulsions de radiation saturant les dispositifs récepteurs de radiation. Dans la forme d'exécution illustrée à la figure 4, les deux dispositif émetteurs de radiation 46 et 47 et les deux dispositifs récepteurs de radiation 44 et 45 sont disposés au-dessus du liquide 42. Le procédé de mesure du niveau du liquide dans cette forme d'exécution diffère en ce sens que le changement de niveau est détecté par la variation de la radiation Réfléchie depuis la surface du liquide. Les dispositifs d'émission et de réception de la radiation sont focalisés de manière à couvrir le fond de l'appareil. L'élévation ou l'abaissement du niveau du liquide sert à varier la radiation en provenance du dispositif d'émission et qui a été réfléchie vers le dispositif de réception. La radiation passant par la surface du liquide est absorbée dans le liquide.La compensation due aux variations en mode commun qui sont dues à la dilatation du liquide ou aux variations d'azimut est effectuée par l'amplificateur différentiel. Cette forme d'exécution nécessite toutefois une fabrication plus précise et est sujette à un signal de sortie non linéaire provoqué par un défaut d'alignement des dispositifs émetteurs et récepteurs de radiation. Dans les formes d'exécution illustrées aux figures 5 et 6, les dispositifs émetteurs de radiation 56 et 57 et les dispositifs récepteurs de radiation 54 et 55 sont situés au-dessus et au-dessous de la surface du liquide 52. Le changement de niveau du liquide est détecté par une variation de l'intensité des radiations reçues par réfraction de la radiation à la surface du liquide. Suivant que le liquide est élevé ou abaissé, l'intensité de la radiation varie en raison de l'effet de focalisation provoqué par le ménisque de la surface du liquide. Les variations du diamètre du cylindre conjointement avec les propriétés du liquide choisi ont pour effet de faire varier la longueur focale de la trajectoire de la radiation. La construction de l'appareil renfermant le liquide, le dispositif émetteur et le dispositif récepteur peut être adaptée aux différentes applications prévues. Généralement on peut obtenir une plus grande sensibilité à de petites variations en éloignant les deux canaux due détection l'un de l'autre. L'appareil peut etre constitué par un simple cylindre de grande dimension ou un tube en forme de U. Dans la forme d'exécution préférée, le liquide servant à moduler l'intensité du rayonnement ne remplit pas plus de la -moitié de l'appareil étant donné que l'angle mesurable maximal est constitué par la différence angulaire entre le liquide le plus proche du dispositif récepteur de la radiation et le liquide le plus proche-du dispositif émetteur. Il s'ensuit qu'une limitation de la hauteur de l'appareil limite l'angle maximal pouvant etre mesuré. Une limitation de la distance entre les deux chemins de mesure des radiations en train également une limitation de l'angle maximal pouvant etre mesuré. REVENDICATIONS 1. Appareil de mesure d'une inclinaison, caractérisé en ce qu'il comprend un récipient, un liquide ou un mélange de liquide et de gaz capable d'atténuer une radiation à l'intérieur du récipient, des moyens émetteurs de radiation et des moyens récepteurs de radiation disposés de manière qu'une variation du niveau du liquide provoquée par un déplacement du récipient relativement à un plan de référence provoque une variation de la radiation reçue par les moyens récepteurs, et des moyens pour mesurer ladite variation de radiation. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens émetteurs de radiation et les moyens récepteurs de radiation sont disposés de part et d'autre ou aux extrémités opposées d'une chambre renfermant le liquide et/ ou le gaz de modulation. 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce les moyens émetteurs de radiation et les moyens récepteurs de radiation sont positionnés au-dessus et au-dessous de la surface du liquide et/ou du gaz de modulation. 4. Appareil selon la revendication 1 ou 3, caractérisé en ce que la surface du liquide et/ou du gaz de modulation sert à varier la radiation réfléchie vers les moyens récepteurs et provenant des moyens émetteurs. 5. Appareil-selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide et/ou le gaz de modulation sert à varier la réfraction de la radiation entre les moyens émetteurs de radiation et les moyens récepteurs de radiation. 6. Appareil selon l'une des revendications précédentest caractérisé en ce que les signaux issus des moyens récepteurs sont traites de manière à fournir une indication relative à la position par rapport à l'horizontale déterminée par la gravitation. 7. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on utilise deux trajectoires pour la radiation afin de capter deux points de la surface du liquide et/ou du gaz. 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que les signaux issus des moyens récepteurs de radiation sont traités de manière à fournir une réjection en mode commun. 9. Utilisation de l'appareil selon l'une des revendications précédentes pour mesurer Blectroniquemént des déviations d'un plan quelconque par rapport a l'horizontale, caractérisée en ce que l'on compare deux ou plusieurs signaux de mesure pour éliminer les erreurs dues à la température ou au défaut d!ali guement de l'appareil. 10. Utilisation d'un ensemble d'appareils selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée -en ce qu'ils sont positionnés de manière à fournir une indication relative a n'importe quel plan par rapport à l'horizontale.