Brevet FR2464481A1 — publié le 19810306

La présente invention concerne un appareil de mesure de la capacité et particulièrement, mais non exclusivement, un appareil utilisé pour la mesure de la profondeur d'un li- quide dans un réservoir. Il existe de nombreuses méthodes de mesure de la profondeur d'un liquide dans un réservoir. Cependant, si le réservoir est enterré, ce qui est le cas par exemple des réservoirs de stockage de carburant, un grand nombre de ces méthodes sont inutilisables. Une méthode utilisée communé- ment en pareils cas comporte l'emploi d'une réglette-jauge graduée. Ceci suppose, cependant, que l'on-peut accéder au réservoir et en enlever le couvercle. Avec le succès gran- dissant des postes d'essence à commande à distance, il existe une demande d'un système de mesure automatique télé- commandé. On connaît l'emploi de jauges capacitives consistant en une paire de tubes concentriques s'étendant sur toute la profondeur du réservoir et formant un condensateur, dont la capacité dépend de la profondeur du carburant dans le ré- servoir. Une jauge capacitive de ce type peut former un élément d'un pont de mesure à courant alternatif. Là o une installation comprend un certain nombre de réservoirs de stockage, ce qui est courant, un pont unique commutant la jauge appropriée, suivant les nécessités, peut être utilisé. L'inconvénient majeur d'un système de ce genre est que les lignes relativement longues nécessaires pour raccorder cha- que jauge à l'appareil commun sont des sources d'erreur pos- sibles dues à leur capacité propre ou à l'excitation exté- rieure. De plus, un tel système est incapable de compenser les variations de la constante diélectrique du liquide. Des techniques similaires peuvent être utilisées dans d'autres applications, telles que la mesure de dépla- cement, de contrainte et de charge par des moyens capaci- tifs. Là encore, si les mesures sont prises en un certain nombre de points utilisant un pont commun, on se trouve en 2 464481 présence des mêmes sources d'erreur. L'invention a pour but de réaliser un appareil de mesure de la capacité qui n'ait pas les inconvénients pré- cités. Suivant l'invention, l'appareil de mesure de la capacité est caractérisé en ce qu'il comprend un condensa- teur variable et un condensateur de référence, des moyens pour produire une forme d'onde périodique destinée à être appliquée directement au condensateur variable et sous forme inversée au condensateur de référence, un intégrateur, des moyens de commutation pour raccorder le condensateur variable et le condensateur de référence séquentiellement à l'entrée de l'intégrateur, des moyens de comparaison pour comparer la sortie de l'intégrateur avec un niveau de réfé- rence, des moyens de commande sensibles à la sortie des moyens de comparaison pour commander la séquence des opéra- tions des moyens de commutation et pour délivrer une série d'impulsions de sortie et des moyens de sortie sensibles à la série d'impulsions de sortie pour déterminer la capacité du condensateur variable relativement à celle du condensa- teur de référence. Selon un mode préféré de mise en oeuvre de l'inven- tion, le condensateur variable peut être immergé dans un liquide diélectrique de telle sorte que l'appareil est destiné à permettre de déterminer la profondeur du liquide. Selon un mode avantageux de réalisation de l'inven- tion, l'appareil peut comprendre deux condensateurs de réfé- rence définissant respectivement la limite supérieure et la limite inférieure, les moyens de commutation étant destinés à raccorder à l'entrée de l'intégrateur le condensateur variable et l'un ou l'autre des deux condensateurs de réfé- rence suivant une séquence prédéterminée. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront encore de la description ci-après. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs: 2 4 6 4 4 8 1 - la figure 1 est un diagramme synoptique de l'appareil de mesure de la profondeur du liquide; - la figure 2 représente l'allure de tensions apparaissant dans le circuit de la figure 1; - la figure 3 est un diagramme synoptique plus détaillé d'une partie du circuit de la figure 1; - la figure 4 est un diagramme synoptique du décodeur de la figure 1; et la figure 5 représente l'allure de tensions apparaissant dans le circuit de la figure 4. En se référant à la figure 1, un condensateur va- riable VC est disposé dans un réservoir (non représenté) prévu pour contenir un liquide diélectrique tel que l'essence. Le condensateur comprend deux tubes conducteurs concentriques montés verticalement et maintenus à un espacement constant par des cales d'écartement isolantes. La capacité du conden- sateur VC dépendra de la profondeur de l'essence dans le réservoir. Un second condensateur, le condensateur de réfé- rence "plein" FC est d'une construction semblable et est disposé dans la conduite d'aspiration du réservoir, de telle sorte qu'il est toujours complètement immergé dans l'essence et que sa capacité est proche de celle du conden- sateur de référence quand le réservoir est plein. Un troi- sième condensateur, le condensateur de référence "vide" EC est prévu sous la forme d'un condensateur classique ayant une valeur qui est proche de celle du condensateur variable quand le réservoir est vide ou aussi proche d'être vide qu'il est permis. Un générateur d'impulsions d'horloge central CG produit une série d'impulsions d'horloge continue, qui est utilisée pour commander trois circuits de commande. L'un de ces circuits, le circuit de commande D, produit une forme d'onde périodique continue, qui est appliquée à une électrode du condensateur variable VC. Un circuit de commande inver- seur ID1 produit une forme d'onde semblable de polarité opposée, qui est appliquée au condensateur de référence "plein" FC. De même, un second circuit de commande inver- seur ID2 produit la même forme d'onde inversée pour appli- cation au condensateur de référence "vide" EC. L'autre élec- trode de chacun des trois condensateurs est raccordée au pôle d'un commutateur respectif, un contact de chaque com- mutateur étant raccordé au potentiel de terre. De cette manière, le condensateur VC est raccordé au commutateur Si qui a son contact normalement fermé raccordé au potentiel de terre. De même, le condensateur FC est raccordé au com- mutateur S2 et le condensateur EC au commutateur S3, les deux commutateurs ayant leur contact normalement fermé raccordé au potentiel de terre. Les trois commutateurs Si, S2 et S3 constituent les moyens de commutation de l'inven- tion et sont commandés par la logique de commande CL qui sera décrite par la suite. Le contact normalement ouvert de chacun des trois commutateurs est raccordé à un point commun, celui-ci étant le point de terre virtuel d'un intégrateur comprenant l'amplificateur IA et le condensateur IC. La sortie de l'in- tégrateur est raccordée à l'entrée d'un comparateur CM ayant une tension de référence VR qui lui est appliquée. La sortie du comparateur CM est raccordée à la logique de commande CL, comme l'est la sortie du générateur d'impulsions d'horloge CG. Tout ce qui a été décrit jusqu'ici de l'appareil est disposé à proximité du réservoir d'essence. En dehors des deux condensateurs VC et FC effectivement disposés dans le réservoir, les autres éléments constitutifs peuvent être disposés sur une plaque de circuit imprimé unique à l'inté- rieur d'une boîte fixée sur l'un des deux condensateurs montés sur le réservoir. Ainsi, s'il existe plusieurs réser- voirs, chacun d'eux sera équipé de tous les éléments consti- tutifs qui viennent d'être décrits. Le reste de l'appareil peut être disposé à distance, à savoir un décodeur DC et quelque forme d'affichage DP. La figure 2 représente les allures de la tension produites à certains points du circuit de la figure 1, les points étant indiqués par les chiffres dans les cercles. Ces chiffres correspondent à ceux de la forme d'onde appropriée sur la figure 2. La figure 2 comprend, en outre, les dia- grammes montrant la synchronisation de la commutation. En se référant maintenant aux figures 1 et 2, la sortie du générateur d'impulsions d'horloge CG est une onde carrée montrée à 1) sur la figure 2 et celle-ci amène le circuit de commande D à produire une allure de la tension suivant une forme d'onde triangulaire tronquée montrée à 2) sur la figure 2, tandis que les circuits de commande inver- seurs ID1 et ID2 produisent des tensions qui ont la forme inverse montrée à 3) et 4) respectivement. Ces tensions sont appliquées aux condensateurs respectifs. Les trois formes d'onde de commande sont généralement symétriques autour du niveau zéro volt. Les moyens de commutation SM sont commandés par la logique de commande CL de la manière montrée à Si, S2 et S3 sur la figure 2, le niveau élevé correspondant, pour chaque commutateur, à la position haute représentée sur la figure 1. A certains moments, les commutateurs Si et S3 sont actionnés simultanément pour raccorder un côté de cha- cun des condensateurs VC et VE au point de terre virtuel de l'intégrateur. A moins que le réservoir ne soit vide, la charge transférée dans le condensateur variable VC est plus grande que celle transférée hors du condensateur de réfé- rence EC, de sorte que la charge nette transférée amène la sortie de l'intégrateur à chuter, comme montré à 5) sur la figure 2. A un point approprié du cycle, les deux commuta- teurs Si et S3 commutent, de sorte que les deux condensa- teurs sont déchargés et que les tensions de commande sont renvoyées à leurs valeurs précédentes. La logique de commande CL est conçue de telle sorte que la sortie basse du comparateur CM donne une impulsion de courte durée à la sortie de la logique de commande à chaque impulsion de commutation montrée à 7) sur la figure 2. Si la sortie de l'intégrateur est encore au-dessus de la tension de référence VR du comparateur CM, les deux commutateurs SI et S3 sont de nouveau actionnés ensemble et un nouveau transfert de charge a lieu. Ceci est répété tant que la sortie de l'intégrateur reste au-dessus de VR et que chaque opération de commutation donne naissance à une courte impulsion à la sortie de la logique de commande CL. A un certain moment, la sortie de l'intégrateur tombe au-dessous de la tension de référence VR du comparateur CM. Quand cela se produit, la sortie du comparateur devient haute, comme montré à 6). L'opération du commutateur S3 cesse et le commutateur S2 est actionné à sa place. Ceci donne un trans- fert de charge simultané concernant les condensateurs VC et FC. Puisque le condensateur FC représente la condition "pleine" du réservoir, le transfert de charge hors de ce condensateur est plus grand que le transfert de charge au condensateur VC. En conséquence, l'accroissement de la charge nette provoque l'accroissement de la sortie de l'in- tégrateur. Comme montré à 5) sur la figure 2, une seule opération du commutateur S2 suffit à faire passer la valeur de la sortie de l'intégrateur, d'au-dessous à au-dessus de la tension de référence du comparateur, avec la conséquence que la sortie du comparateur devient basse, comme montré à 6). L'opération du commutateur S2 amène la logique de com- mande CL à produire une impulsion de sortie de plus longue durée chaque fois que le commutateur S2 est actionné. Le nombre des opérations consécutives de S2 et S3 dépend de la capacité du condensateur variable VC relative- ment aux deux condensateurs de référence FC et EC, et la sortie de la logique de commande comprend une série d'im- pulsions ayant une succession d'impulsions courtes ou lon- gues. Le décodeur DC opère en comptant un grand nombre N d'impulsions et en déterminant le nombre n d'impulsions longues dans ce total. On peut voir que pour une valeur suffisamment grande de N la capacité C du condensateur variable est donnée par CVC = CEC + n (CC - CEC) (1) ou CFC est la capacité du condensateur de référence "plein" FC. Or, la capacité du condensateur variable VC égale celle du condensateur de référence "plein" FC quand il est rempli de diélectrique et égale celle du condensateur de référence "vide" EC quand il est vide de diélectrique. En supposant que le condensateur variable a une caractéristi- que uniforme le long de sa longueur, sa capacité variera linéairement en proportion de la fraction immergée dans le diélectrique. Soit D la longueur totale du condensateur variable et d la longueur immergée. On aura alors VC CEC + d (C FC CEC) (2) D En comparant les équations 1 et 2, on peut voir que n d N D Les seules limites mathématiques de la précision sont dues au fait que n et N sont des nombres entiers. Par voie de conséquence, la précision d'ensemble du calcul peut être accrue en échantillonnant sur une période de temps plus longue. La figure 3 montre avec plus de détail une forme de l'appareil de la figure 1, en particulier les circuits et la logique de commande. Comme le montre la figure 3, le générateur d'impul- sions d'horloge comprend un oscillateur OSC ayant par exem- ple une fréquence de 100 kHz, suivi de deux étages de divi- seur de fréquence, le premier produisant des impulsions dans un rapport marque-espace de 3 à 1. La sortie finale 2c464481 montrée à 1) sur la figure 2 est, par conséquent, une onde carrée de 12,5 kHz dans un rapport de 1 à 1. Le circuit de commande D prend commodément la forme d'un amplificateur opérationnel, tel que le type 741, avec un condensateur à réaction et des diodes de limitation com- mandées par une onde carrée symétrique à travers une résis- tance. Ceci produit la forme d'onde triangulaire tronquée nécessaire. Les deux circuits de commande inverseurs ID1 et ID2 peuvent être, en fait, un amplificateur opérationnel inverseur unique, de nouveau du type 741, alimentant en parallèle les deux condensateurs FC et EC. Les moyens de commutation sont montrés sous la forme de trois paires de transistors à effet de champ, chaque paire agissant comme un commutateur unique. La logique de commande CL comprend, dans sa forme la plus simple peut-être, un réseau de portes Gi à G5 et des circuits bistables type D, BS1 à BS3, commandés par la sortie du comparateur et deux sorties de synchronisation du générateur d'impulsions d'horloge CG. Le fonctionnement du circuit est comme il a été décrit en se référant aux figures 1 et 2 avec la logique de commande commandant les moyens de commutation SM. Ainsi qu'il a déjà été dit, le décodeur de la figure 1 fonctionne pour déterminer le nombre d'impulsions longues présentes dans un nombre d'impulsions total donné dans la sortie de la logique de commande CL. La figure 4 est un dia- gramme synoptique du décodeur montrant son fonctionnement avec plus de détails. Le décodeur représenté est, par consé- quent, conçu pour convertir la mesure de la profondeur en une indication de la quantité d'essence dans le réservoir. En se référant maintenant à la figure 4, la sortie de la série d'impulsions sortant de la logique de commande de la figure 1 est appliquée à un séparateur d'impulsions PS. Celui-ci sépare les impulsions courtes ou "d'horloge" des impulsions longues ou "de donnée" dans la série d'impulsions. Il comprend un circuit de synchonisation simple, puisque 2 464481 chaque impulsion qui se produit est une impulsion d'horloge, tandis que chaque impulsion ayant une plus longue durée que celle d'une impulsion d'horloge doit être une impulsion de donnée. En conséquence, la longueur de chaque impulsion est comparée à la longueur d'une impulsion d'horloge de réfé- rence. Les impulsions d'horloge du séparateur d'impulsions PS sont passées à un compteur d'impulsions d'horloge CTR, qui compte un nombre d'impulsions prédéterminées. Les impulsions de donnée passent à travers un divi- seur à graduation d'échelle SD à un compteur d'impulsions de donnée DPC. Les sorties d'étage séparées du compteur sont appliquées sous la forme d'entrées à une mémoire de lecture programmable ROM. La sortie de la mémoire ROM est appliquée à un diviseur d'impulsions DV en tant que diviseur, avec les impulsions de données sortant du séparateur d'impulsions en tant que dividende. La sortie du diviseur d'impulsions DV est appliquée à un compteur à visualisation DCT. La sortie de ce compteur est appliquée à travers une porte G à un organe de visualisation DP, l'entrée de commande de la porte étant fournie par la sortie du compteur d'impulsions d'horloge CPC. Un élément à retard DE actionné par la sor- tie du compteur CPC applique des entrées de remise à zéro au compteur d'impulsions d'horloge CPC, au compteur d'impul- sions de donnée DPC et au compteur à visualisation DCT après un court retard. Le fonctionnement du décodeur et de l'organe de visualisation sera maintenant décrit en se référant à la figure 5 qui montre les formes d'onde apparaissant à cer- tains points du circuit de la figure 4. La figure 5a) montre les impulsions sortant de la logique de commande CL de la figure 1, qui est appliquée au séparateur d'impulsions PS. La sortie d'impulsions d'horloge est montrée à b) sur la figure 5 et ce sont ces impulsions qui sont comptées par le compteur d'impulsions d'horloge CPC. Un comptage convenable de ce compteur serait, par exemple, 2. La sortie d'impulsions de donnée est montrée sur la figure 5c) et est comptée, après une réduction d'échelle convenable, par exemple par un facteur de 2 6, dans le comp- teur d'impulsions de donnée DPC. Chaque sortie successive du compteur représente une petite partie de la profondeur totale du réservoir et la sortie correspondante de la mé- moire ROM donne l'aire de la section transversale du ré- servoir à cette profondeur. Les facteurs diviseurs du divi- seur à graduation d'échelle SD et du diviseur d'impulsions DV sont conçus de telle sorte que chaque impulsion du divi- seur DV représente une fraction d'un gallon ou d'un litre. Ces impulsions sont comptées par le compteur à visualisation, qui compte, par conséquent, le volume du carburant dans le réservoir. D'après le nombre prédéterminé des impulsions d'hor- loge, la sortie du compteur CPC ouvre la porte G et applique la sortie du compteur à visualisation DCT à l'organe de visualisation DP. Les différents compteurs sont ensuite remis à zéro par l'élément à retard DE en laissant l'affichage en place. Le processus est répété continuellement aussi long- temps que l'affichage est nécessaire. L'utilisation du décodeur et de l'organe de visuali- sation en liaison avec un certain nombre d'installations de mesure de la profondeur dans différents réservoirs est de toute évidence d'une grande simplicité. Il suffit, en effet, d'une simple commutation pour afficher le contenu de ces différents réservoirs. Divers perfectionnements peuvent être apportés au système de mesure de la profondeur. Il peut être prévu des avertisseurs pour indiquer les situations plein, vide et autres situations prédéterminées, et l'appareil peut effec- tuer un cycle à travers une série de réservoirs, en affi- chant successivement leur contenu et leur identité. Des pos- sibilités d'essai peuvent aussi être prévues. L'appareil de mesure de la capacité utilisé dans le 2 6448 1 mode de réalisation décrit demande un condensateur de réfé- rence limite haute et un condensateur de référence limite basse. Il peut, cependant, être modifié pour utiliser un seul condensateur de référence, par exemple, le condensa- teur de référence "vide" EC de la figure 1. En pareil cas, le condensateur de référence "plein" FC, le commutateur S2 et le circuit de commande inverseur ID1 sont omis. En se référant maintenant à la figure 2, quand la forme d'onde de commande 1) devient négative et la forme d'onde de commande 3) positive, les commutateurs Si et S3 sont tous deux à la position basse montrée sur la figure 1, de sorte que les condensateurs sont déchargés. Quand les formes d'onde de commande 1) et 3) sont inversées, cepen- dant, seul l'un des commutateurs Si ou S3 passe à la posi- tion haute montrée sur la figure 1, déterminée par la sor- tie du comparateur. En conséquence, aussi longtemps que la tension de sortie de l'intégrateur reste au-dessous de la tension de référence VR du comparateur, le commutateur Si est actionné périodiquement. Lorsque la tension de l'inté- grateur excède la tension de référence, le commutateur S3 fonctionne pour réduire la charge, ce qui a pour conséquence une impulsion longue dans la série d'impulsions de la logi- que de commande. Avec le système modifié, il est possible de détermi- ner la capacité du condensateur variable VC par rapport à la capacité du condensateur de référence "vide" EC par l'expression -n VC - C Cvc = EC N o n et N sont des nombres entiers et N a une valeur suffi- samment grande. L'inconvénient d'un tel système s'il est utilisé comme jauge de la profondeur d'un réservoir est qu'il ne peut compenser les variations de la constante diélectrique du liquide, puisque le condensateur de référence "vide" EC est un condensateur fixe plutôt qu'une jauge dans le ré- servoir. Il ressort des deux équations citées donnant la valeur du condensateur variable que l'appareil peut être utilisé pour des mesures autres que la profondeur d'un liquide diélectrique. L'une ou l'autre forme de l'appareil décrit peut être utilisée dans d'autres applications impli- quant la variation de la capacité. Des jauges de déplacement, des cellules de charge et des sondes de pression peuvent aussi être agencés pour fonctionner comme des condensateurs variables permettant à l'appareil d'être utilisé pour mesu- rer le déplacement, le poids ou la pression. D'autres quan- tités physiques peuvent aussi être mesurées d'une manière analogue. L'appareil décrit ci-dessus, particulièrement en se référant à la figure 3, peut être modifié tout en mettant en application le principe de l'invention. Par exemple, les moyens de commutation SM de la figure l peuvent prendre différentes formes ainsi que la logique de commande CL et le décodeur DC. D'autres méthodes de commutation sont possibles, par exemple mettant en circuit EC ou VC seulement dans un cycle quelconque. 2 R E V E N D I C A T I O N S 1. Appareil de mesure de capacité, caractérisé en ce qu'il comprend un condensateur variable (VC) et un con- densateur de référence (FC, EC), des moyens (D, ID1, ID2) pour produire une forme d'onde périodique destinée à être appliquée directement au condensateur variable (VC) et sous forme inversée au condensateur de référence (FC, EC), un intégrateur (IA), des moyens de commutation (SM) pour rac- corder le condensateur variable (VC) et le condensateur de référence (FC, EC) séquentiellement à l'entrée de l'inté- grateur (IA), des moyens de comparaison (CM) pour comparer la sortie de l'intégrateur (IA) avec un niveau de référence (VR), des moyens de commande (CL) sensibles à la sortie des moyens de comparaison (CM) pour commander la séquence des opérations des moyens de commutation (SM) et pour délivrer une série d'impulsions de sortie, et des moyens de sortie (DC, DP) sensibles à la série d'impulsions de sortie pour déterminer la capacité du condensateur variable (VC) rela- tivement à celle du condensateur de référence (FC, EC). 2. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un second condensateur de référence, les deux condensateurs de référence (FC, EC) définissant respectivement les valeurs limites supérieure et inférieure du condensateur variable (VC), et en ce que les moyens de commutation (SM) sont destinés à raccorder à l'entrée de l'intégrateur (IA), le condensateur variable (VC) et l'un ou l'autre des deux condensateurs de référence (FC, EC) suivant une séquence prédéterminée. 3. Appareil suivant l'une quelconque des revendica- tions 1 ou 2, caractérisé en ce que le condensateur varia- ble (VC) est conçu pour être immergé dans un liquide dié- lectrique, l'appareil étant destiné à permettre de déter- miner la profondeur du liquide dans un réservoir. 4. Appareil suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le condensateur variable (VC) comprend une paire ?f6448 1 de tubes concentriques en matière électriquement conductrice, s'étendant sur toute la profondeur utile du réservoir. 5. Appareil suivant l'une quelconque des revendica- tions 3 ou 4, caractérisé en ce que les moyens de sortie (DC) sont conçus de manière à convertir la capacité mesu- rée en une indication de la quantité de liquide dans le réservoir. 6. Appareil suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de sortie comprennent une mémoire(ROM) contenant des facteux prédéterminés pour convertir la capacité en quantité. 7. Appareil suivant l'une quelconque des revendica- tions 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de sortie (DC) sont conçus de manière à convertir la capacité mesurée en une indication d'une quantité physique représentée par cette capacité. 8. Appareil suivant l'une quelconque des revendica- tions 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens de sortie comprennent un organe d'affichage visuel (DP).