Brevet FR2386818A1 — publié le 19781103

Actuellement l'état de la technique en co qui concerne les dispositifs utilisés en pratique pour mesurer et afficher le niveau d'un fluide contenu dans un réservoir comprend d@s discositifs mécaniques, c'est-à-dire basés sur le déplacement d'un flotteur ou autre organe d'analyse mobile et des dispositif s électriquement capacitifs, c'est-à-dire basés sur le changement de capacité d'un détecteur électrique qui résulte du couplage d'un condensateur à air ou à liquide dans un- circuit électrique. Des tentatives ont été effectuées en vue de réaliser un dispositif passif pour la détection d'un liquide a l'intérieur d'un réservoir en utilisant des éléments conçus pour recevoir et rediriger la lumière par réflexion lorsqu'ils sont entourés par un milieu ayant un indice de réfraction différent de celui du liquide dont le niveau doit entre détecté. Une illustration d'une telle tentative est fournie par le brevet des E.U.A. n. 3.120.125. Cependant, les tentatives de la technique antérieure ont eu pour objectif d'observer la surface du fluide contenu dans le réservoir suivant un plan horizontal ou plusieurs plans horizon- taux à travers le réservoir, Avec de telles Constructions il 'est avéré qu'il est extrêmement difficile de monter les appareils de détection étrcite ment rapprochés les uns des autres de façon à contrôler las faibles changements de niveau du fluide dans le réservoir et qu'en outre, les réflexions de la surface supérieure d'un fluide ne permettent pas de déterminer avec précision la densité du fluides lorsqu'il existe une quelconque perturbation dans le fluide. Par conséquent, l'un des buts principaux de la présente invention est d'apporter un perfectionnement par rapport à la technique antérieure en réalisant un dispositif de mesure de la quantité d'un fluide qui est de nature passive et qui est monté de fa çon à observer la hauteur verticale d'un fluide à partir d'un de ses côtés en un nombre d'emplacements bien plus grand qu'il n'était possible jusqu'à prisent avec les dispositifs de la technique an térieure qui ressortissent au domaine de la présente invention. Un autre but de la présente invention est de réaliser un dispositif indicateur du niveau d'un fluide qui est moins sensible aux interférences électroniques, qui ne comporte pas de pièces mo- biles et est moins sensible aux fuites de courant, aux capacités parasites et l'attitude du réservoir que les dispositifs connus. Un autre but de la présente invention est de réaliser un dispositif indicateur du niveau d'un fluide qui utilise une sonde ot des circuits électroniques qui fcournissent un niveau de signal facilement utilisable pour réduire au minimum le câblage et les problèmes de connexion et accroitre ainsi la fiabilité a Encore un autre but de la prrsente invention est de réali- ser un dispositif de mesure numérique de la densité d'un fluide qui indique la densité (ou plus précisément le poids volumique) du fluide en livres (0,454 g) par gallon (3,785 1) ou en kilogrammes par litre afin de permettre la compensation des différences fondamentales entre las lots de carburants ainsi quc la compensation dos effets de la température, permettant ainsi la détermination de la znasse da fluide contenue dans le réservoir. Un autre but encore de la présente invention est de pro- duire un signal d'avertissement lorsqu'un fluide non prévu est présent dans le réservoir de façon ainsi à fournir une protection contre les situations dans lesquelles de l'eau est introduite par inadvertance dans la réservoir à carburant d'un moteur ou s'accumu- le au-dessus d'une quantité normale dans ce réservoir. Un autre but encore de la présente invention est de réali- ser un dispositif de mesure de fluide dont la sensibilité et la précision s' améliorent à mesure que le fluide est consommé. Plus particulièrement, les dispositifs de mesure capacitifs présentent une erreur continuellement croissante a mesure que le carburant est consommé, plus particulièrement lorsque la quantité de carburant s'approche de la valeur critique.On sait, par exemples que dans les avions de grandes dimensions actuels, des excès de remplissage des réservoirs de l'ordre de 1350 kg ou plus sont admis pour compenser les erreurs du dispositif de mesure, au détriment de la charge payante. Encore un autre but de 1 présente invention est de réaliser un dispositif indicateur du niveau et de la densité d'un fluide de pour un avion comportant une multiplicité de réservoirs dans lequel des sondes peuvent être utilisées pour établir une interface de détection numérique utilisant un facteur de proportionnalité commun ou commode en combinaison avec une source lumineuse et des photodétecteurs pour détecter le niveau et la densité du carburant et dans lequel des moyens peuvent entre utilisés pour combiner les signaux de plusieurs sondes afin de fournir une indication individuelle cu globale du niveau du fluide. La présente invention a bgarement pour but de réaliser un dispositif de jaugeage du carburant pour un avion, destiné a rem- placer les dispositifs analogiques du type 8 condensateur qui sont actuellement utilisés et qui se sont avérés entre notoirement imprécis et incertains.Plus particulièrement, on a observé que les dispositifs de jaugeage de carburant du type à condensateur de la technique connue, utilisés dans les avions, sont sujets à diverses erreurs dues a de petites variations du signal provoquées par lés changements dos conditions atmosphériques et par les défauts de fonctionnement du câblage et des connecteurs ainsi que d'autres éléments. De tels dispositif s s'avèrent couramment présenter des erreurs supérieures à un pour cent (1 %) de la capacité du rdaer- voir plus doux pour cent (2 %) d'erreur -de lecture avant entre livrés par l'usine.Ceci est imputable au facteur de proportionna- lité des dispositif s capacitifs qui est habituellement de 1 picofarad (1 x 10-12 farads) pour 25,855 kg de carburant en admettant que le carburant peee 0,839 kg/i. Avec de telles erreurs, un avion conçu pour emporter 45.360 kg de carburant peut avoir à bord 1360 kg de carburant en trop ou en moins au décollage. Dans le cas où des conditions se produisent dans lesquelles la quantité de carburant restant indiquée est de 4.536 kg, l'erreur admissible du dispositif est de 12 @ soit 545 kg.On peut facilement comprendre que, à mesure que le réservoir se vide et que la quantité de carburant disponible devient critique1 l'erreur admissible du dispositif ca pacitif tend asymptotiquement vers l'infini Avec la présente invention, cependant, et du fait de l'indication de points discrets qui est possible grâce à son utilisa t'on, la grandeur des erreurs éventuelles du dispositif ne comprend pas une erreur fixe comme dans le cas des dispositifs du type à condensateur de la technique connue utilisés dans les avions. D'autres caractéristiques de-l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen des des sins annexés dans lesquels t - la figure 1 est une vue isomêtrique d'un réservoir de forme rectangulaire comportant une sonde indicatrice du partir d'une interface sonde-air/liquide (défaut de concordance des indices de réfraction). Comme représenté sur la figure 1, id sonde 20 de mesure du niveau de fluide est constituée par une enveloppe contenant un groupe de faisceaux 22 de fibres optiques transmettant la lumière et un groupe de faisceaux 24 de fibres o tiques conduisant la lumière qui entrent et sortent de l'enveloppe par un tube 26. Les faisceaux précités 22 ot 24 de fibres optiques sont portus par une plaque 28 sur une face de l'enveloppe 20 de façon a émerger de l'enveloppe par paires, comme on le dCcrira en détail ci-après, à une multiplicité d'emplacements 30 du sommet à la base du réservoir 32 à l'intérieur duquel la onde 20 est dis-o- sée. Une sensibilité accrue est obtenue lorsque le fluide contenu dans le réservoir est épuisé en diminuant l'espacement entre les faisceaux de fibres optiques, comme représenté a l'extrémité inf6rieure de la plaque 28. Dans le mode de réalisation représenté sur la figura 2, la sonde 20' est disposée dans la partie la plus profonde 34 d'un rE- servoir 36 de forme irrégulière et les emplacements discrets des paires de conduits de lumière sont modifiés de façon a tenir cornpte du volume irrégulier du réservoir, de son sommet jusqu'au fond de la partie la plus profonde 34. Sur la figure 3, a laquelle on se référera ensuite, on a représenté d'une manibre plun détaillée la plaque support pour les paires de conduite de lumière. Cotte plaque comporte un flasque de montage 36 pour une plaque 38 qui comporte une série de fenêtres (interfaces optiques) 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52 formées dans la face avant de la plaque 38. Comme représenté, le tube 26' qui porte les groupes de faisceaux 22' et 24' de fibres optiques débouche derrière la plaque 38 de sorte que les palres individuelles de faisceaux de fibres optiques (telles que la paire de faisceaux dé- signés par les références 54 et 56) pénètrent dans la plaque 38 pour se terminer en des emplacements adjacents aux fenêtres prEci- tées. La plaque 38 est représentée de manière plus détaillée sur la figure 4 qui montre qu'elle comprend une ce structure rectan gulaire allongée 58 dans laquelle une série d'ouvertures 64 et 68 sont formes, ces ouvertures s'étendant de la face arrière à la face avant de la plaque 38, obliquement par rapport I cette dernid- re. Les ouvertures peuvent être constituées par des fentes allongées niveau de fluide avec un espacement des détecteurs réa- lisé conformément aux principes de l'invention ; la figura 2 est une vue isométrique d'un réservoir de forme irrégulière comportant une sonde indicatrice du nlveau- de fluide avec un espacement irrégulier des dé- tecteurs réalisé conformément aux principes de l'inven tion ;; - la figure. 3 est une vue isométrique de la sonde indica trice du niveau de fluide utilisés dans les réservoirs des figures 1 et 2 ; - la figure 4 est une vue de face d'une plaque support pour la sonde indicatrice de la figure 3 i - la figure 5 est une vue de côté de la plaque support - la figure 6 est une vue en coupe hori::ontale de dessus de la plaque support p - la figure 7 est une vue en coupe de la plaque support de la figure 6- montrant une paire de détecteurs à conduit de lumière avec un interface optique entre les élémente de la paire, conformément aux prlncipes de la présente invention t - la figure 8 est un schéma (lectrique d'un circuit indica teur qui peut btre utilisé avec la sonde indicatrice du niveau d'un fluide p la figure 9 est une représentation schématique de la commande au moyen d'un conduit de lumière d'une partie du du circuit électrique représenté sur la figure 8 la figure 10 est une représentation isométrique d'un dispositif comportant plusieurs capteurs dans plusieurs réservoirs et de l'appareil lectrique et de l'appareil d'affichage utilisés pour réaliser un dispositif indica teur du niveau de fluide complet conformément aux princi pes de l'invention t la figure 11 est un schéma d'un circuit logique pour com mander l'appareil d'affichage de la figure 10 t et la figure 12 est une vue en coupe d'un densimètre/détec- tcur d'eau réalisé conformément a la présente invention. Le concept de base de la pr4sente invention est l'utilisa- t ion de la loi de Snell relative à la réflexion de la lumière à dans lesquelles des pièces d'espacement peuvent remplir les esra- ces entre les fibres. Sur la figure 6, la nature de l'interface de détection $optique a été plus particulièrement représentée pour un n ode de realisation préférentiel de l'invention. Sur la figure 7, à laquelle on se réfèrera ensuite, la plaque 38 a été représentée comme comportant des surfaces 60 et 62 d'une cavité triangulaire formant toutes deux un angle dc 45 avec la face avant de la plaque de telle sorte que les faisceaux gainés 68 et 70 de fibres optiques peuvent être introduits à rartir de l'arrière de la plaque dans la cavité de façon que chaque faisceau se termine dans un plan parallèle 9 la surface respective 60,;62 de sorte que les extrémités terminales des fibres 68, 70 font entre es un angle identique à celui que font entre elles les surfaces 60 et 62. En outre, les fibres 68 et 70 ont leurs bords los plus extérieurs situés approximativement dans le plan de la face avant de la plaque 38.Il n'est pas nécessaire d'utiliser seulement cet angle étant donné que la seule condition requise est qu'il soit forme une interface optique 72 entre les bords termi- naux des fibres 68 et 70. L'interface optique 72 est une structure prismatique en matière plastique transparente ou en verre. Cette structure peut être formée non seulement de façon à être présente entre les bords terminaux des fibres 68 et 70 mais également en tant que moyens servant a aligner les fibres et a les maintenir espacées lorsque des fentes sont formées dans la plaque 38 à la place des ouvertures percées. Sur la figure 8, à laquelle on se référera maintenant, cn a représenté un circuit électrique destiné à coopérer avec les faisceaux de fibres optiques qui utilise une série de phototransis- tors 74 montés entre une source de courant 76 et une série d'inver- seurs 78 raccordés par une série de résistances 80 à un amplificateur 82 commandant un indicateur analogique 84. Les inverseurs 78 sont utilisés pour indiquer la quantité de liquide contenu dans un réservoir. rour indiquer la quantité de liquide consommée, ils ne seraient pas nécessaires. Comme représenté sur la figure 9, l'un des nombreux faisceaux de fibres optiques 70 d'un groupe de faisceaux est exposé a une lumière 86 et un. faisceau correspondant de l'autre groupe de faisceaux 68 de fibres optiques coopère avec un phototransistor 74 de telle sorte que chaque fois que la lumière transmise par le faisceau 70 est reflétée sur le faisceau 68, com- me ceci est le cas chaque fois que le niveau du liquide est audessous de l'interface 72, le phototransistor 74 appliquo un signal à l'inverseur 78 qui, par l'intermédiaire de la résistance 80 et de l'amplificateur 82, commande l'indicateur 84. Sur la figure 10, a laquelle on se réfèrera maintenant, on,a représenté un rCservoir 88 de carburant d'avion dans lequel ont été disposes plusieurs plaques supports 90 et 92 de moyens détecteurs, similaires a celles représentées sur la figure 3.Les plaques 90 et 92 sont raccordées a des bottiers 94 et 96 fixés sur le panneau extérieur de la surface supérieure du réservoir ou même a des emplacements plus éloignés. Dans ces bottiers sont logés dos mcyens pour produire la lumière nécessaire ainsi que les phototransistors qui servent, comme précédemment décrit, a transmettre un signal sur des lignes 98 et 100, chaque fois qu'il y a un défaut de concordance entre les indices de réfraction A l'un quelconque des emplacements des indimateurs de niveau discrets montés dans les supports 90 et 92 ou & BR Comme représenté, une sonde 101 de détection des produits de contamination et de mesure de la densité du carburant est dispo- sée a l'intérieur des réservoirs pour fournir un signal électrique sur la ligne 103 (105) à un circuit multiplicateur 106 (108). Ceci permet d'appliquer un coefficient de pondération aux signaux électriques provenant des lignes 98 et 100 (102 et 104) lors de la sonunation des signaux des lignes 98 et 100 (102 et 104) de façon a fournir sur la ligie 110 (112) des signaux qui reflètent le poids en kilogrammes du carburant restant dans le réservoir 88 (réservoir n 2).Les signaux sont appliqués à des circuits 122 et 124 et à un circuit sommateur 134 et ensuite communiqués par des ligues 126, 127 et 128 à des dispositifs d'affichage numérique individuels 130, 132 et totaliseur 138. Les dispositifs d'affichage 130, 132 et 138 sont contenus dans un tableau d'affichage 140 prévu dans le poste d'équipage de l'avion. Le tableau d'affichage 140 peut également entre muni d'un indicateur det densité 142 et d'un avertisseur de contamination 144 ainsi que des commandos d'étalon- nage 146 et 148 pour le dispositif indicateur du niveau de carburant. Les boîtiers 94 et 96, quelle que soit leur position sur le réservoir ou à un emplacement éloigné du zéservoir, peuvent contenir, en plus de la source de lumière et des phototransistors ou des diodes photosensibles des moyens détecteurs de la présente invention, un réseau logique tel que représente sur la figure 11 qui comporte des réseaux OU exclusif 150 et 152 qui fournissent des signaux logiques 0-1 à des décodeurs binaires #54 et 156 dont les signaux de sortie sont additionnés par un circuit approprié 158 et communiqués à un circuit binaire diviseur par 2 160 pour fournir un signal de sortie appliqué par le conducteur 162 au circuit mul- tiplicateur 106 ou 108.Le circuit diviseur par 2 160 peut, naturellement, être situé à distance et contenu dans le circuit multiplicateur 106 ou 108 plutôt que dans les boîtiers 94 et 96. Sur la figure 12, à laquelle on se réfèrera, on a représen- té un détecteur d'eau/densimètre électro-optique 164 qui peut être utilisé pour constituer la sonde 101, représentée montée dans le réservoir 88, à la place d'autres dispositifs du commerce pour permettre d'obtenir des avantages similaires a ceux des disposi- tifs de mesure décrits ci-dessus, ces avantages étant les suivants l - matériel passif à l'intérieur du réservoir i 2 - léger t 3 - bon marché t 4 - résolution convenable t 5 - niveaux de signaux faciles a utiliser t 6 - étalonnage facile i 7 - suppression des problèmes d'interférence électromagné tique à la fois a l'émission et à la réception t 8 - En outre, le détecteur 164 (101) présente l'avantage distinctif d'être capable de mesurer la densité abso- lue en tenant compte des variations de la densité du fluide délivré et des changements de température du fluide. Le densimètre/détecteur de produits de contamination 101, de même que les dispositifs décrits ci-dessus, comporte un boîtier 80 logeant les circuits électroniques dans lequel ou travers le- quel une source lumineuse éclaire un faisceau de fibres optiques, tel que le faisceau 178, tandis que des moyens semi-conducteurs sensibles a la lumière reçoivent la lumière conduite par des fais- ceaux de fibres optiques tels que les faisceaux 188, 190, 192, 196, 198, 200 et 202 qui coopèrent respectivement avec eux.En pratique, les faisceaux de fibres optiques conducteurs peuvent entre du type constitué par un ruban plat au lieu d'être constitues par les faisceaux individuels tubulaires gainés représentés. Dans ce cas également, de même que dans le cas des -sondes 90 et 92, le détecteur utilise le principe de la loi de Snell relative à la réflexion/réfraction de la lumière par-une surface optique inclinée 164 d'une lentille transparante allongée 166 comportant une extrémité asphé- rique 168 disposée à l'intéricur d'une enveloppe 170, de préférence une enveloppe en matière plastlque transparente.La lentille 166 et son extrémité asphérique coopèrent avec les parois de l'enveloppe 170 pour séparer une chambre à liquide 172 d'une chambre à air 174. Comme représenté, l'enveloppe 170 est fermée à une ex- trémité par un bloc 176 qui est façonné, percé, etc. pour recevoir le faisceau de fibres optiques 178. En fait, le bloc 176 pourrait être fendu pour permettre à la lumière solaire ou à celle d'une source lumineuse quelconque de rayonner dans la chambre à air 174. La lentille 166 est également munie d'un bloc 184 qui est collé 1 un organe support 186 sur lequel sont montés les faisceaux 188, 190 et 192 ou un ruban de fibres optiques. Le support 186 s'incur- ve autour de la seconde extrémité de l'enveloppe 170 pour porter un bloc 194 qui porte a won tour les faisceaux 196, 198, 200 et 202 ou un ruban de fibres optiques, dans un emplacement adjacent à l'extrémité 204 de l'enveloppe 170.Les spécialistes de la technique comprendrent immédistement que lorsque des rubans de fibres optiques sont utilisés, les extrémités exposées se trouvent à l'inté rieur des blocs 184 et 194, comme ceci est le cas avec les faisceaux cylindriques représentés. Le faisceau 178, lorsqu'il est utilisé comme moyen pour transmettre la lumière transmet la lumière à travers la chambre 174 suivant un diagramme de rayonnement sphérique représenté par les flèches 206, Du fait que l'extrémité asphérique 168 a un rayon de courbure dans le plan de la figure 12 et un autre dans le plan de la surface 164, la lumière qu'elle reçoit est dirigée sur un point focal le long do la surface 164 et/ou sur un point focal adjacent a l'extrémité de la lentille 166 adjacente au bloc 184 de sorte que la lumière traversant la lentille est réfléchie et/ou réfractée à la surface 164 de façon à éclairer les faisceaux 188, 190 ou 192 ou une combinaison de ces faisceaux ou, respectivement, de façon à éclairer les faisceaux 196, 198, 202 ou une combinaison de ces faisceaux. En fait, un bloc muni d'un ruban de fibres optiques peut être utilisé à une inclinaison prédéterminée sur l'axe de la lentille 166 et de 11 enveloppe 170. Avec une telle disposition, un spécialiste de la technique sera capable de limiter l'erreur de conversion en numérique 8 l'inclinaison choisie des éléments d6- tecteurs. L'enveloppe 170 est munie dans tous les cas d'ouvertures pour permettre à la chambre 172 de recevoir le fluide qui est con tenu dans le réservoir 88 a une distance limitée au-dessus de son fond.Ceci permet a la sonde d'être utilisable pour indiquer la présence de produits de contamination au-dessus d'un niveau es compté. Dans tous les cas, la lumière reçue par les faisceaux 188, 190, 192, 196, 198, 200 et 202 est indicative de la densité, à une extrémité des faisceaux et de la contamination à l'autre de sorte qu'un circuit sommateur approprié produit le signal approprié pour indiquer la densité, par exemple, sur le cadran indicateur 142 ou produit un avertissement de contamination, tel que la présence d'une trop grande quantité d'eau, par exemple, au moyen do l'indi- catgut 144. Avec le détecteur ci-dessus, la densité du fluide peut être indiquée sans faire passer la lumière à travers le carburant, comme ceci est également le cas pour mesurer la quantité de carburant contenuc dans le réservoir. Par consCquent, les nuances de couleur du carburant et analogues n'ont pas d'effot sur le fonctionnement du dispositif. En utilisant une surie de faisceaux de fibres optiques et des semi-conducteurs photosensibles individuels dans la sonde de mesure de densité et de ddtection des produits de contamina- tion, on donne à cette sonde une caractéristique de sécurité après défaillance qui est également présentée par les sondes de masure de niveau 90, 92 mais en outre, il est possible do dEc1on- cher un avertissement d'une contamination difficile à contrôler à un niveau prédéterminé du. produit de contamination sur la surface 164 ainsi que de déclencher une lecture do. poids volumique en ce sens que l'angle de la surface 164 provoque des réflexions de différents ordres lorsque la densité du carburant change. En d'au- tres termes, certains des fibres optiques sont éclairées dans les blocs 184 et 194 lorsque le niveau dé produit de contamination contenu dans la chambre 172 varie ou lorsque des carburants diffé- rents ayant des densités différentes sont utilisés ou lorsque la densité varie du fait des changements de température. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour mesurer la densité et distinguer des fluides entre eux, daractérisé en ce qu'il comprend : - une enveloppe comportant une chambre interne - une lentille disposée à l'intérieur de ltenveloppe entre une première partie et une seconde partie de la chambre, obliquement pour exposer une extrémité profilée de la lentille dans la première partie et un ctté de la lentille dans la seconde partie, la première partie étant une chambre scellée et la seconde partie étant une chambre pour le fluide dont la densité et les éléments constitutifs doivent être déterminés - des moyens pour transmettre une lumière à la lentille a travers la chambre à air scellée de telle sorte que la lentille conduise par son extrémité profilée de la lumière versdes points ocaux déterminés par 11 extrémité profilée - des moyens à fibres optiques supportés par rapport à la lentille et à la chambre à fluide pour recevoir lténergie optique réfléchie et réfractée à 11 interface lentille/fluide et pour la transporter à distance ; et - des moyens-électriques raccordés aux moyens à fibres optiques pour fournir des signaux électriques conformes à l'é- nergie optique à des dispositifs d'affichage pour indiquer la densité du fluide et la contamination du fluide. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ltextrémité profilé-e de la lentille est asphérique. 3* Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les points focaux sont respectivement situés sur le c8té exposé au fluide dans la seconde partie et sur ltextrémité opposée à l'extrémité asphérique. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens à fibres optiques comprennent une partie coopérant avec le point focal situé sur le côté exposé au fluide de la lentille et une partie coopérant avec le point focal situé à l'extrémité opposée à l'extrémité asphérique. 5. Application du dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 à un indicateur de niveau de fluide, caractérisé par le fait que le dispositif pour mesurer la densité est utilisé pour appliquer un coefficient fonction des mesures de densité de fluide audit indicateur.