Brevet FR2450446A1 — publié le 19800926

La présente invention concerne un équipement destiné à détecter la présence d'un fluide comprenant un premier dispositif semi-conducteur, dont le comportement dépend de la température, qui est alimenté par un premier courant d'intensité suffisante pour le chauffer à une température supérieure à la température ambiante et qui est monté de façon à être plongé dans le fluide. La chaleur dissipée est alors plus grande et donc sa température plus basse quand il est plongé dans le fluide que lorsqu'il ne l'est pas. L'invention concerne particulièrement, mais non exclusivement, un équipement détectant le moment où un carburant ou un lubrifiant atteint un niveau prédéterminé (par exemple, dans un avion). Des agencements antérieurs ont utilisé un dispositif électrique par exemple une diode semi-conductrice, qui réagit à des variations de température en produisant des variations correspondantes d'intensité ou de tension du courant. Le dispositif est monté dans un réservoir contenant un liquide et il est chauffé par le courant qui l'alimente. La quantité de chaleur dissipée par le dispositif est normalement plus grande et donc sa température est plus basse quand il est plongé dans un liquide que lorsqu'il se trouve dans un gaz. En détectant la différence d'intensité ou de tension due à une variation de la température du dispositif, il est par conséquent possible de déterminer le moment où il passe du liquide dans le gaz. En montant un tel dispositif au fond d'un réservoir, contenant un liquide, il est possible de déterminer le moment où le réservoir est vide. De même, en montant un dispositif au sommet du réservoir, il peut indiquer quand celui-ci est rempli. L'utilité de ces agencements antérieurs est, cependant, quelque peu limitée par le fait que des variations de température du liquide ou du gaz que contient le réservoir peuvent être suffisantes pour que le dispositif réagisse comme s'il passait du gaz dans le liquide. On a utilisé des agencements antérieurs dans lesquels la différence de température entre le gaz et le liquide est toujours supérieure à toutes les variations de température qui peuvent se produire dans le gaz ou le liquide seul. Une telle application a été la détection du niveau de liquides cryogéniques (décrite, par exemple par les brevets britanniques nO 1 099-409 et n0 1 297 007). La présente invention concerne donc un équipement permettant de supprimer l'inconvénient indiqué plus haut et, plus particulièrement, de détecter le niveau d'un liquide dont la température peut varier sur une plage étendue. Un équipement selon l'invention, dit du type spécifié, comprend un second dispositif semi-conducteur monté de façon à être plongé dans le fluide et qui est alimenté par un second courant d'intensité plus faible que celle du premier courant, de sorte que le second dispositif chauffe moins que le premier, la présence ou l'absence de fluide étant déterminée en détectant la variation de la différence entre les comportements ou rendements des premier et second dispositifs. Le comportement du-premier dispositif change lorsqu'après avoir été plongé dans un fluide il cesse de l'être, tandis que celui du second reste sensiblement le même. Les variations de la température ambiante ont la même influence sur les deux dispositifs et en détectant leur différence de comportement, on obtient une compensation des effets de ces variations de la température ambiante. Les premier et second dispositifs semi-conducteurs peuvent être montés sensiblement au même niveau par rapport à la surface du fluide de façon à être tous les deux plongés ou non dans celui-ci. Les tensions à leurs bornes peuvent varier en fonction des variations de leur température et la présence ou l'absence du fluide est déterminée en détectant les variations de la différence entre les tensions à leurs bornes. Ces dispositifs peuvent être des diodes Zener dont les anodes sont connectées l'une à l'autre. L'équipement indique l'absence du fluide lorsque la différence de tension aux bornes des diodes Zener est supérieure à une valeur située sensiblement à mi-chemin entre la différence de tension aux bornes des diodes en présence de fluide et la différence de tension en cas d'absence du fluide. L'invention sera décrite plus en détail dans son application à un système d'avertissement et d'indication du niveau du carburant d'un avion, en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels la figure 1 est un schéma du système ou équipement selon l'invention ; la figure 2 montre la variation de-la tension aux bornes d'une diode Zener alimentée en courant constant, lorsqu'il se produit une variation de sa température ; et la figure 3 montre les variations de tension aux bornes de deux diodes Zener dont les courants d'alimentation sont différents lorsqu'il se produit une variation de la température ambiante. Le système d'avertissement et d'indication du niveau d'un carburant représenté sur la figure 1, comprend un dispositif de détection 1 monté dans le réservoir 2 de carburant d'un avion, un ensemble de commutation 3 auquel sont transmis les signaux du dispositif 1 et un élément d'affichage 4 recevant les signaux de l'ensemble de commutation et affichant un avertissement ou une indication au moment ou le niveau du carburant tombe au-dessous d'une valeur prédéterminée. Le dispositif de détection 1, en forme de sonde allongée est monté verticalement dans le réservoir 2 de carburant, près du fond, au niveau ou un avertissement est nécessaire. Le dispositif 1 comprend deux diodes Zener au silicium accordées D1 et D2 dont les anodes sont connectées l'une à l'autre. Toutes les deux sont enrobées dans du verre et ont un coefficient de température positif. La première diode D1 se comporte en détecteur de niveau et est montée à l'extrémité inférieure du dispositif 1, de façon à être normalement immergée dans le carburant du réservoir 2. La seconde diode D2 est montée près de la première de manière à etre aussi plongée dans le carburant, mais sans être influencée par un échauffement quelconque de la première diode.Les deux diodes D1 et D2 sont disposées de façon à être toutes les deux à peu près simultanément en contact avec l'air ou le gaz que contient le réservoir 2 audessus du carburant lorsque celui-ci tombe au-dessous du niveau prédéterminé. Le dispositif de détection 1 comprend aussi une résistance 12 connectée à la cathode de la seconde diode D2. Les première et seconde diodes D1 et D2 sont nola risées en sens inverse et leurs cathodes sont alimentées en courant par des lignes respectives 20 et 21 connectées à deux sources à courant constant 30 et 31 de l'ensemble de commutation 3. La tension d'alimentation des deux sources 30 et 31 est produite par la génératrice 32 de 11 avion. Les tensions des lignes 20 et 21 sont transmises aux deux entrées d'un comparateur de tension 33 de l'ensemble de commutation 3. Le signal de sortie du comparateur 33 est appliqué à une résistance 34 montée en série avec une autre résistance 35 montée entre le comparateur 33 et une ligne 36 qui part de la jonction des deux diodes D1 et D2 du dispositif 1.L'ensemble 3 comprend aussi un transistor de commutation 37 dont la base est connectée à la jonction du diviseur de potentiel constitué par les résistances 34 et 35. L'émetteur du transistor est connecté à la ligne 36, tandis que son collecteur l'est à l'élément d'affichage 4. Lorsque le transistor commute, son circuit émetteur-collecteur se ferme sur l'élément 4 et provoque l'affichage d'une indication ou d'un avertissement sur celui-ci. Pendant le fonctionnement de l'équipement, un courant d'environ 27 mA alimente la première diode Zener D1 et la chauffe à une température comprise entre 900 et 100 C au-dessus de la température ambiante. Un courant plus faible de l'ordre de 0,5 mA alimentant la seconde diode D2 ne produit qu'une dissipation de chaleur négligeable. Les diodes D1 et D2 ont toutes les deux un coefficient de température sensiblement linéaire comme représenté sur la figure 2. Le courant alimentant la première diode D1 étant plus intense que celui de la seconde, sa température est plus élevée et la chute de tension à ses bornes plus forte. De plus, lorsque la première diode D1 est en contact avec l'air, sa température est plus élevée que lorsqu'elle est immergée dans le carburant dont la conductibilité thermique est plus grande que celle de l'air. I1 y a donc une différence entre les chutes de tension aux bornes des deux diodes D1 et D2, cette différence étant la plus élevée quand les deux diodes sont en contact avec l'air. La figure 3 montre la tension aux bornes des deux diodes D1 et D2 en fonction des variations de la température ambiante. On voit sur cette figure que, lorsque la première diode D1 est en contact avec l'air, la tension à ses bornes (représentée par le trait 41), pour une valeur déterminée T1 de la température ambiante, est la même que lorsque la diode est immergée dans le carburant (représentée par le trait 42), à une température ambiante T2 plus élevée. Si l'équipement ne comprenait qu'une seule diode Zener, il serait donc difficile de déterminer si elle est plongée ou non dans le carburant. Dans l'agencement selon l'invention, la seconde diode Zener D2 (dont le trait 43 représente la tension à ses bornes en fonction de la température ambiante, qu'elle soit en contact avec l'air ou plongée dans le carburant) a pour but de compenser les effets des variations de la température ambiante. On utilise alors la différence entre les tensions aux bornes des deux diodes D1 et D2 pour indiquer que le détecteur cesse d'être plongé dans le carburant et passe dans l'air. Du fait que leur coefficient de température est linéaire, la différence entre leurs tensions est sensiblement la même à toutes les températures si elles restent toutes les deux plongées dans-le carburant.Cependant, on voit que si leur coefficient de température n1 était pas linéaire, la différence entre les tensions à leurs bornes varierait en fonction de la température ambiante et qu'il serait difficile de déterminer avec précision le moment où le carburant atteint le niveau prédéterminé. Dans l'agencement de l'invention, la différence entre les tensions aux bornes des deux diodes D1 et D2 qui entrain l'affichage d'un avertissement, est réglée à une valeur déterminée VD par un choix approprié de la valeur de la résistance 12 du dispositif 1. Cette valeur est établie entre les deux traits caractéristiques 41 et 42, de la tension aux bornes de la diode D1, dans l'air et dans le carburant respectivement et elle est représentée par le pointillé 40 sur la figure 3. L'avertissement est donné de cette manière lorsque la différence entre les tensions aux bornes des deux diodes D1 et D2 s'élève au-dessus de la valeur VD et se maintient pendant que la tension de la diode D1 suit le trait 41. Du fait de la faible impédance dynamique de la diode D1, la tension aux bornes de cette dernière est à peu près insensible aux faibles perturbations de la tension et aux interférences électriques. Les tensions aux bornes des deux diodes D1 et D2 sont comparées par le comparateur 33. Lorsque la différence entre les deux tensions s'élève au-dessus de la valeur prédéterminée le le comparateur 33 émet à sa sortie un signal qui élève la tension appliquée à la base du transistor 37 qui devient alors conducteur. Le courant passant dans le circuit émetteur-collecteur du transistor 37, qui constitue le circuit de sortie de l'ensemble de commutation 3, provoque l'affichage d'un avertissement "faible niveau de carburant" sur l'élément 4. L'avertissement peut être visuel ou sonore. En variante, le signal de sortie de l'ensemble 3 peut etre utilisé pour faire passer automatiquement l'alimentation en carburant à un autre réservoir. I1 serait possible d'utiliser, à la place des diodes Zener, d'autres diodes semi-conductrices polarisées en sens direct. Ces dernières ont cependant certains inconvénients en comparaison des diodes Zener polarisées en sens inverse. Par exemple, le coefficient de température d'une diode au silicium est d'environ 2 mV/ C, c'est-à-dire inférieure à celui d'une diode Zener de 9,1 V, qui est de 6 mV/OC. I1 en résulterait donc une variation moindre de la tension du dispositif de détection 1 au moment où il passe du carburant à l'air. Un autre inconvénient des diodes normales au silicium, en particulier pour la détection du niveau d'un carburant, est le fait qu'elles nécessitent un courant plus intense. Dans le cas d'une diode Zener de 9,1 V, par exemple une diode Nullard BZY88C9V1 d'une résistance thermique de 0,370C/mV, il suffit d'un courant de 27 mA environ pour élever la température de la diode de détection de 900C au-dessus de la température ambiante. Si l'on utilisait une diode au silicium subissant une chute de tension directe de 0,6 volt, l'intensité du courant qui serait nécessaire pour produire le même accroissement de température serait de l'ordre de 500 mA.Dans un avion équipé de sources normales de courant continu de 2&commat; }, un tel courant d'intensité relativement élevée serait potable, car le dispositif 1 doit être monté dans le mélange gazeux explosif d'air et de carburant d'un réservoir. Le coefficient de tem pérature parfaitement linéaire des diodes Zener est également avantageux, car il permet un fonctionnement précis dans la plage étendue des températures ambiantes auxquelles les réservoirs de carburant d'avion sont susceptibles d'être soumis et qui peut être comprise entre - 400C et + 700C environ. On se rend compte que le système peut être mis en oeuure pour détecter le niveau de liquides au-tres que le carburant d'avions. On peut l'utiliser, par exemple, pour indiquer le niveau de l'huile lubrifiante ou de fluides hydrauliques dans un avion. Ledit système n'est pas destiné uniquement aux avions et il peut être utilisé sur des véhicules terrestres ou des récipients statiques tels que ceux d'usines de traitement chimique ou dans des chaudières à combustible liquide. De plus, l'équipement ou système de l'invention ne se limite pas à des applications de détection du niveau d'un liquide et peut être utilisé pour indiquer la présence d'un liquide dans un pipeline . Le système ne se limite pas non plus à son utilisation avec des liquides, mais peut aussi être mis en oeuvre avec des matières particulaires ou des poudres, à condition que leur conductibilité thermique soit suffisamment élevée pour permettre une détection fiable d'un passage entre un gaz et la matière. Le système peut aussi être utilisé pour détecter l'interface entre deux liquides de densités différentes, à condition que leurs conductibilités thermiques soient suffisamment différentes. En montant dans un réservoir plusieurs détecteurs espacés, les uns au-dessus des autres de la façon décrite plus haut, il est possible d'indiquer la hauteur du niveau du fluide qu'il contient. I1 est possible aussi d'indiquer la hauteur du niveau à l'aide d'un détecteur mobile qui est déplacé jusqu'à ce qu'il soit immergé dans le fluide. I1 va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'équipement décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Equipement destiné à détecter la présence d'un fluide et comprenant un premier dispositif semi-conducteur (D1) dont le fonctionnement dépend de la température, le premier dispositif (D1) étant alimenté par un premier courant d'intensité suffisante pour le chauffer à une température supérieure à la température ambiante et étant monté de manière à être plongé dans le fluide afin que la chaleur dissipée soit plus grande et donc sa température plus faible quand il est immergé dans le fluide que quand il ne l'est pas, équipement caractérisé en ce qu'il comprend un second dispositif semiconducteur (D2) monté de façon à être immergé dans le fluide et alimenté par un second courant d'intensité inférieure à celle du premier, de sorte que le second dispositif s'échauffe sensiblement moins que le premier (D1), la présence ou l'absence du fluide étant détectée en détectant les variations de la différence entre les rendements des premier (D1) et second (D2) dispositifs. 2. Equipement suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les premier et second dispositifs semi-conducteurs (D1 et D2) sont montés sensiblement au même niveau par rapport à la surface du fluide, de sorte qu'ils sont tous les deux plongés dans le fluide ou hors de celui-ci. 3. Equipement suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la tension aux bornes des premier et second dispositifs (D1 et D2) varie en fonction des variations de leur température, la présence ou l'absence du fluide étant détectée en détectant les variations de la différence entre les tensions aux bornes des dispositifs. 4. Equipement suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les premier et second dispositifs semi-conducteurs (D1 et D2) sont des diodes Zener. 5. Equipement suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les anodes des diodes Zener (D1 et D2) sont connectées l'une à l'autre. 6. Equipement suivant l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que chaque diode Zener (D1 et D2) est connectée à une source de courant sensiblement constant (30 et 31) de façon à être polarisée en sens inverse. 7. Equipement suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend un comparateur de tension (33) dont le signal de sortie correspond à la différence entre les tensions aux bornes des diodes Zener (D1 et D2). 8. Equipement suivant la revendication 7, caractérisé en ce qu'il indique l'absence du fluide lorsque la différence entre les tensions aux bornes- des diodes Zener (D1 et D2) est supérieure à une valeur située à mi-chemin entre la différence de tension entre les diodes Zener en présence du fluide et la différence de tension en l'absence du fluide. 9. Equipement suivant l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de commutation (37) dont le fonctionnement est commandé par le signal de sortie du comparateur de tension (33). 10. Equipement suivant la revendication 9, caractérisé en ce que le dispositif de commutation est un transistor (37). 11. Equipement suivant l'une d-es revendications 9 et 10, caractérisé en ce qu'il comprend un diviseur de potentiel (34,35) dont une borne est connectée à la sortie du comparateur de tension (33) et dont la tension entre ses bornes commande le dispositif de commutation (37). 12. Equipement suivant les revendications 11 et 5 prises ensemble, caractériséen ce que l'autre borne du diviseur de potentiel (34, 35) est connectée aux anodes des diodes Zener (D1 et D2). 13. Equipement suivant l'une quelconque des revendications précédentes, destiné à indiquer le niveau d'un fluide dans un réservoir, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs dispositifs de détection (1) dont chacun comprend des premier et second dispositifs semi-conducteurs (D1 et D2), les dispositifs de détection (1) étant disposés les uns audessus des autres dans le réservoir de façon que le niveau du fluide soit détecté en repérant ceux des dispositifs qui y sont immergés.