Brevet FR2379056A1 — publié le 19780825

La présente invention concerne une jauge de mesure de contenu utilisable avec un réservoir de stockage de liquide, par exemple un réservoir de stockage de pétrole. Plus particulièrement, la jauge selon l'invention permet de mesurer et de fournir une indication du volume de liquide présent dans le réservoir et elle peut etre commodément adaptée pour être employée avec des réservoirs de n importe quelle forme. Les jauges de conception connue peuvent seulement etre utilisées avec des réservoirs de formes et de dimensions particulières et il est difficile d'effectuer leur ré-étalonnage pour des réservoirs d'autres formes et dimensions. Selon l'invention, il est prévu une jauge de mesure de contenu d'un réservoir de stockage de liquide, comprenant des moyens fournissant un signal électrique correspondant à la hauteur verticale du liquide dans le réservoir, des moyens électroniques pour déterminer le volume de liquide en correspondance à ladite hauteur verticale et des moyens de sortie pour fournir une indication visuelle dudit volume. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels Fig. la et lb, formant la figure 1, représentent une vue en coupe partielle du dispositif de détection de la jauge selon l'invention qui est représentée installée dans un réservoir; Fig. 2 est une coupe de la jauge faite selon la ligne A-A de la figure lb; Fig. 3 est un schéma synoptique d'un circuit électronique associé à la jauge selon l'invention; Fig. 4 est un schéma synoptique d'une variante de circuit électronique utilisant un microprocesseur. Le dispositif de détection 10 représenté sur la figure 1 comporte un tube allongé 11, à l'extrémité inférieure duquel est monté un transducteur ultrasonique 12. Le tube 11 est suspendu à l'intérieur du réservoir dont le contenu est à jauger et la longueur du tube 11 est choisie de manière que le transducteur 12 soit placé sur ou à proximité du fond du réservoir. Ce transducteur est orienté de manière que son signal soit propagé verticalement vers le haut à l'intérieur du tube et jusqu'à la surface du liquide emmagasiné dans le réservoir. Des trous 13 ménagés dans le tube 11 permettent au liquide de pénétrer dans le tube 11 pour faire en sorte que le niveau du liquide corresponde au niveau dans le réservoir. Le type de montage décrit ci-dessus, où le transducteur est placé à l'intérieur du tube, présente l'avantage que le transducteur est protégé contre un dommage en cours d'installation ou bien par la chute d'objets. Des chocs sévères pourraient également lui faire produire des tensions élevées par effet piézoélectrique. Cependant, dans certaines situations, il est préférable d'adopter une autre forme de montage,par exemple la fixation du transducteur sur la surface supérieure d'une plaque horizontale placée au fond du réservoir. Il est également possible de monter le transducteur à l'extérieur du fond du réservoir mais en contact avec celui-ci. Une telle configuration réduit la puissance du signal d'écho reçu en nécessitant une amplification supplémentaire, mais on peut alors obtenir une disposition mécanique bien plus simple.Avec de gros réservoirs, le montage du transducteur et son réglage d'orientation à partir du haut à l'aide d'une barre de grande longueur ou d'un dispositif semblable peuvent être incommodes et il peut être mieux approprié de l'introduire par l'intermédiaire d'un trou ménagé dans le côté du réservoir à proximité du fond. Comme le montre la figure 3, le signal appliqué au transducteur 12 est fourni par un oscillateur 14 par l'intermédiaire d'un diviseur de fréquence 15, d'un circuit de conformation d'impulsions 16 et d'un modulateur 17. Un second oscillateur J8 commande le modulateur 17 de manière que le signal transmis au transducteur 12 se présente sous la forme de rafales d'impulsions de plusieurs cycles et longueurs émises à intervalles réguliers. Ce signal est transmis au transducteur par l'intermédiaire d'un amplificateur de puissance 19. On peut utiliser en pratique comme transducteur, par exemple, un disque en titanate-zirconate de plomb, d'une fréquence de résonance de 500 kHz. Quand le signal ultrasonique atteint la surface du liquide, une partie de son énergie au moins est réfléchie par l'interface liquide/air et est renvoyée au transducteur 12. Ce signal réfléchi est reconverti sous une forme électrique par le transducteur et il est amplifié par l'amplificateur 20. Le temps mis par le signal pour se déplacer jusqu'à la surface et pour revenir jusqutau transducteur 12 est égal au double de la profondeur divisé par la vitesse de propagation des ondes ultrasoniques. Cette vitesse est constante pour un liquide particulier et, en conséquence, on peut aisément calculer la profondeur en mesurant le temps de transmission.Pour mesurer l'intervalle de temps s'écoulant entre l'émis- sion d'une rafale d'impulsions et la réception de son écho,il est prévu un circuit effectuant le comptage du nombre d'impulsions d'un train d'impulsions à haute fréquence d'une cadence de répétition connue et se produisant pendant cet intervalle. Ce compte a été désigné par cl. Pour éviter une ambigulté, la cadence d'émission des rafales de signaux est suffisamment basse pour faire en sorte que, même pour une profondeur maximale de liquide, l'écho revienne au transducteur avant l'émission du signal suivant. Le signal provenant de l'amplificateur 20 est transmis par l'intermédiaire d'un circuit détecteur 21 et d'un second amplificateur 22. Le signal de sortie de l'amplificateur 22 est appliqué à un générateur de forme d'onde de commande 23 sous la forme d'un signal de réenclenchement, l'autre signal d'entrée appliqué au générateur 23 provenant de la sortie du circuit de conformation d'impulsions 16. Le générateur de commande 23 sert à commander une porte 24 qui transmet les impulsions provenant de ltoscillateur 14 à un compteur 25. Dans des applications où la température du liquide stocké est sujette à variation, il est prévu un système de compensation de la variation de vitesse de propagation des ondes ultrasoniques. La température est mesurée à l'aide d'un détecteur tel qu'une thermistance, un thermocouple ou un thermomètre à résistance 291 et le signal électrique produit commande un oscillateur commandé en tension. On compte le nombre de cycles du signal de sortie de cet oscillateur se produisant dans l'intervalle de temps compris entre l'émission d'une rafale et la réception de son écho. Ce compte c2 est additionné au compte cl précité correspondant à la 2 fréquence constante. La relation entre la température et la fréquence de l'oscillateur commandé en tension est choisie de manière que le compte total c = (cl + c2), pour une profondeur parti culière, ne varie pas si la vitesse ultrasonique change en fonction de la température. Le compte total c se produisant dans l'intervalle de temps compris entre l'émission d'une rafale d'énergie ultrasonique et la réception de son écho constitue une mesure directe de la profondeur de liquide. Quand le liquide est placé dans un réservoir présentant une section droite non constante qui varie avec la profondeur, la relation entre la profondeur et le volume n'est pas linéaire. Cela se produit couramment dans de nombreux types de réservoirs de stockage. Par exemple, on stocke fréquemment du pétrole dans des réservoirs cylindriques dont les axes sont orientés horizontalement. Pour convertir une profondeur en un volume,on on utilise des mémoires inaltérables programmables (PROM) 26. Le nombre des impulsions de haute fréquence se produisant dans l'intervalle compris entre l'émission d'une rafale et la réception d 'un écho est obtenu sous une forme binaire à la sortie du compteur 25 et est utilisé comme adresse d'entrée dans une mémoire. Le signal de sortie fourni par une mémoire pour une entrée particulière définit le volume correspondant sous une forme binaire. Ce signal est converti en un format décimal codé en binaire par des circuits de décodage à décades 27 ilest utilisé pour exciter un dispositif d'affichage décimal 28 indiquant le volume stocké.Pour permettre une lecture en gallons ou en litres, on utilise deux séries de mémoires inaltérables programmables,et l'une ou l'autre série peut etryEise en service. Le diamètre vertical du réservoir est quantifié sous la forme de plus de 1000 segments égaux. En conséquence, en faisant en sorte que les changements de sens de niveau du système soient au moins aussi petits que l'un desdits segments, on obtient une précision meilleure que 0,1%. En correspondance à chacune des hauteurs possibles de liquide, il existe un mot de 16 bits représentant le volume approprié de liquide. Chaque mot doit avoir une longueur de 16 bits du fait que le dispositif d'affichage comporte quatre décades principales nécessitant chacune une entrée de 4 bits en système décimal codé en binaire. Comme mémoire inaltérable programmable,on peut utiliser celles fabriquées par la Société Signetics (type 92S115), qui consti tuent des dispositifs bipolaires à 4096 bits organisés sous la forme de 512 x 8 octets. Puisqu'il faut avoir 1000 x 16 mots, il est nécessaire d'utiliser quatre unités 82S115 par instrument pour lire des gallons. Lorsqu'il est prévu une option à lecture en gal- lons et en litres il faut prévoir une autre série de quatre unités de ce genre. On peut également prévoir un système d'impression qui permette à l'opérateur d'enregistrer le volume de liquide sur un rouleau de papier. Le mécanisme d'impression reçoit un signal semblable à celui qui actionne le système d'affichage décimal, mais qui intervient seulement lorsque cela est imposé par l'opérateur. Pour indiquer lorsque le réservoir est plein, il est également prévu un système d'avertissement ou d'alarme. Celui-ci est actionné par un circuit qui détecte quand le nombre établi dans le compteur binaire 25, agissant pendant l'intervalle de temps s'écoulant entre l'émission d'un signal et la réception de son écho, atteint un niveau prédéterminé. Ce système d'alarme peut se présenter sous la forme d'un dispositif de signalisation lumineuse, d'un dispositif de signalisation acoustique, ou bien d'un dispositif lumineux/acoustique, et il est principalement en service pendant l'opération de remplissage de réservoirs. Dans certaines applications, le traitement des signaux peut être effectué en utilisant un microprocesseur à la place de circuits numériques, comme indiqué sur la figure 4. Avec un système à microprocesseur,on peut assurer une compensation de la variation de vitesse ultrasonique en fonction de la température en multipliant la profondeur apparente de liquide, qui est obtenue à partir de l'intervalle de temps s'écoulant entre l'émission d'impulsion et la réception d'écho, par un facteur de correction. On choisit le facteur approprié dans la mémoire du système en effectuant l'adressage de cette mémoire à l'aide de la sortie numérique du détecteur de température. On utilise cette méthode de compensation à la place de celle décrite précédemment, dans laquelle un oscillateur fonction d'une tension est commandé par un signal analogique correspondant à la température. Dans certaines circonstances, il est également approprié d'utiliser une variante du procédé de conversion d'une profondeur en volume lorsqu'un microprocesseur est incorporé au système, au lieu de mémoriser toutes les paires de valeurs de profondeur/ volume dans une mémoire inaltérable programmable. Comme indiqué sur la figure 4, le signal fourni au transducteur 12 est produit par un générateur 30 équivalent à l'ensemble constitué par ltoscillateur 14, le diviseur de fréquence 15, le conformateur d'impulsions 16 et le modulateur 17 cammandé par I'oscillateur 18, et il est amplifié par un amplificateur 19, comme auparavant. En outre, chaque impulsion fournie par le générateur 30 est appliquée à un microprocesseur 31 qui reçoit également l'impulsion de retour par l'intermédiaire de l'amplificateur 20 et du circuit détecteur 21. Un signal provenant du détecteur de température 29 est également appliqué au microprocesseur 31 et les variations de la vitesse de propagation en fonction de la température sont automatiquement compensées. Le microprocesseur est programmé de manière à calculer le volume à partir des dimensions du réservoir et de la profondeur mesurée Cependant, pour certaines formes de réservoirs, on ne peut pas obtenir une relation profondeur/volume facile à calculer et on utilise alors une combinaison des deux méthodes consistant (a) à mémoriser toutes les paires de valeurs profondeur/ volume, et (b) à calculer le volume à chaque instant. Les valeurs correspondantes de profondeur et de volume pour un certain nombre de profondeurs comprises entre un minimum et un maximum sont emmagasinées en mémoire. Les valeurs de volume correspondant à des profondeurs intermédiaires sont obtenues par interpolation. On utilise une interpolation linéaire quand les profondeurs de référence sont assez rapprochées les unes des autres ou bien lorsque la relation volume/profondeur ne s'écarte pas sensiblement de la relation linéaire, alors qu'on adopte des processus d'interpolation d'ordre supérieur dans d'autres cas. Le signal de sortie du microprocesseur 31 est appliqué à un dispositif d'affichage visuel 32. Dans certaines situations, notamment lorsqu'on utilise des réservoirs pour le stockage de pétrole, de l'eau peut s'accumuler au fond d'un tel réservoir. Du fait que sa densité est supérieure à celle du pétrole et également du fait des différences chimiques qui empêchent leur mélange-, les liquides forment deux couches, l'eau étant placée en dessous. I1 est alors prévu un dispositif de signalisation qui sert à indiquer quand le niveau de l'eau indésirable dépasse un certain seuil prédéterminé. Ce dispositif de détection d'eau comprend deux plaques de condensateur 32 de forme annulairé concentrique, qui sont montées à l'intérieur du tube 11 à quelques centimètres au-dessus du transducteur 12. La présence d'eau est décelée par détection d'une variation de la capacité entre les plaques 32, les constantes diélectriques de l'eau et du pétrole ou d'une huile combustible étant différentes. Lorsque de l'eau se trouve au fond d'un réservoir contenant un liquide d'une constante diélectrique inférieure, elle augmente la capacité du condensateur formé par les plaques 32. Cette capacité commande la fréquence d'un oscillateur à ondes carrées en relation inverse, de telle sorte que la présence d'eau fasse diminuer la fréquence. Chaque cycle du signal de sortie de l'oscil- lateur assure le déclenchement d'un circuit monos tab le produisant des impulsions d'une durée fixe. Ces impulsions sont intégrées et filtrées de manière à produire une tension directe. Quand la valeur de cette tension tombe en dessous d'un seuil prédéterminé, un système d'alarme est enclenché. Ce cystème d'alarme peut se présenter sous la forme d'un dispositif acoustique, d'une lampe visible ou bien des deux systèmes. Le tube 11 est monté sur un ensemble 33 qui permet d'orienter l'axe du tube 11 dans une position parfaitement verticale. L'ensemble est vissé sur la partie supérieure du réservoir à l'aide d'un chapeau 34 pourvu d'un filetage 35. Pour permettre un réglage de l'ensemble 33 permettant d'orienter l'axe du transducteur perpendiculairement à la surface du liquide, le tube 11 est fixé sur une plaque 36. Cette plaque 36 est suspendue au chapeau 34 à l'aide de vis 37. Des ressorts 38 maintiennent le chapeau 34 espacé de la plaque 36. Les vis 37 sont vissées dans des trous taraudés dans le chapeau 34 et une rotation de l'une des vis modifie la position verticale du chapeau. Une rotation simultanée des trois vis permet de faire descendre ou monter la plaque 36 mais une rotation d'une ou bien de deux vis permet également de faire varier l'angle d'orientation de l'axe de l'ensemble transducteur 12 par rapport à la surface horizontale du liquide. Pour obtenir le signal réfléchi maximal, on règle l'axe du transducteur dans la position verticale. I1 est également prévu des écrous de blocage 37 qui sont serrés pour maintenir ce positionnement. Le transducteur 12 et les plaques de condensateur 32 sont reliés à un équipement extérieur de commande électrique par l'intermédiaire de câbles coaxiaux 38 qui passent à l'intérieur du tube 11 de façon à parvenir à un conduit de câble 39 fixé sur le chapeau 34. Le tube ll est mis à la terre par des pattes 40 qui sont reliées à une broche 41 de laquelle part un conducteur de mise à la terre qui passe dans le conduit decâble 39. Dans une variante, le tube 11 est relié à un anneau formant tourillon en deux points diamétralement opposés afin de permettre au tube un mouvement de pivotement dans un plan vertical par rapport à l'anneau. L'anneau proprement dit est lui-même monté à pivotement dans un carter de façon à pouvoir tourner autour d'un axe perpendiculaire à l'axe de rotation entre le tube et l'anneau. Le carter est fixé sur le réservoir par l'intermédiaire d'un support fileté réglable. L'anneau à tourillon joue le rôle d'un support gyroscopique qui permet au tube 11 d'être suspendu dans une position parfaitement verticale. Un tel montage convient nettement dans des cas où le réservoir peut prendre une inclinaison, par exemple lorsqu'il est installé sur un véhicule. Lorsque le détecteur de niveau de liquide doit être utilisé dans un réservoir cylindrique vertical de grande capacité, on monte le détecteur de préférence sur le côté du réservoir dans une zone adjacente à son extrémité inférieure afin d'éviter l'emploi d'un tube Il d'une longueur excessive. Dans ce cas, on adopte une forme appropriée de liaison pivotante pour permettre l'orienta- tion de l'axe du transducteur dans une position parfaitement verticale. Dans des applications où le réservoir contenant des liquides peut prendre une inclinaison (par exemple, dans des pétroliers), le faisceau émis par un transducteur ultrasonique peut ne pas arriver perpendiculairement sur la surface. Dans de telles situa tions, il est préférable d'utiliser un détecteur capacitif. Les électrodes d'un tel transducteur capacitif sont agencées de manière que l'espace diélectrique existant entre elles soit rempli progressivement du liquide à mesurer quand son niveau monte. Du fait que sa constante diélectrique est différente de celle de l'air, la capacité varie avec le niveau. On peut adopter les configurations d'électrodes suivantes (a) cylindres coaxiaux verticaux, (b) une double hélice formée d'une bande ou d'un fil métallique, (c) des plaques parallèles verticales, (d) des "doigts" métalliques imbriqués qui sont déposés sur une matière isolante. Pour mesurer la profondeur d'un liquide, on compte les impulsions fournies par un oscillateur à fréquence constante de grande stabilité pendant un intervalle de temps qui est fonction de la capacité détectée.On utilise le compte pour déterminer par lecture le volume correspondant, comme décrit précédemment. Dans certains instruments, la capacité fonction de la profondeur est utilisée comme élément de détermination de fréquence dans un oscillateur dont les impulsions de sortie sont comptées pendant un temps fixe, mais cela constitue simplement une variante de circuit permettant de produire un compte en fonction d'une profondeur. REVENDICATIONS 1. Jauge de mesure du contenu d'un réservoir de stockage de liquide, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de génération d'un signal électrique correspondant à la hauteur verticale du liquide dans une cuve, des moyens électroniques pour déterminer le volume de liquide correspondant à ladite hauteur verticale et des moyens de sortie pour fournir un signal visuel d'indication dudit volume. 2. Jauge selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens électroniques comprennent plusieurs mémoires inaltérables programmables contenant chacune la valeur d'un volume de liquide correspondant à une hauteur verticale donnée dans le réservoir et des moyens pour assurer l'adressage de la mémoire inaltérable en correspondance à la hauteur verticale établie par ledit signal, le signal de sortie de la mémoire inaltérable étant transmis auxdits moyens de sortie. 3. Jauge selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les moyens de génération de signal électrique correspondant à la hauteur verticale du liquide dans un réservoir comprennent un transducteur ultrasonique qui est placé à la base du réservoir et qui émet une impulsion d'énergie acoustique verticalement vers le haut et qui détecte cette impulsion après réflexion par l'interface liquide/air à l'intérieur du réservoir ainsi que des moyens de minutage préMspour définir l'intervalle entre l'émission de ladite impulsion et la détection de l'impulsion réfléchie. 4. Jauge selon la revendication 3, caractérisée en ce que lesdits moyens de minutage comprennent un compteur qui est enclenché au moment où l'impulsion est émise par le transducteur et qui est arreté à l'instant où ladite impulsion réfléchie est détectée par le transducteur. 5. Jauge selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens électroniques comprennent un microprocesseur programmé de façon à calculer le volume de liquide correspondant audit signal électrique. 6. Jauge selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu il est prévu des moyens pour compenser des variations de la température du liquide dans le réservoir. 7. Jauge selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'il est prévu des moyens pour détecter la présence d'une couche d'un second liquide de contamination non miscible avec le liquide contenu dans le réservoir et d'une plus grande densité que celui-ci,et pour fournir un signal d'avertissement quand la profondeur du liquide de contamination dépasse une valeur donnée. 8. Jauge selon la revendication 7, caractérisée en ce que lesdits moyens comprennent deux plaques de condensateur qui sont placées dans une zone adjacente à la base du réservoir et qui sont reliées à des moyens agencés pour détecter la variation de capacité entre les plaques en vue d'indiquer l'existence dudit second liquide.