Brevet FR2470366A1 — publié le 19810529

La présente invention concerne un dispositif de détection de niveau de fluide résistif et elle a pour but de fournir un dispositif qui est capable de détecter trois ni- veaux différents de fluide. Selon l'invention, il est prévu un dispositif de détection de niveau de fluide résistif, comprenant une sonde comportant des première et seconde zones conductrices reliées électriquement en série et connectées dans un circuit-série avec une source de courant électrique bidirectionnel. ainsi qu'un moyen pour détecter un courant passant dans la sonde, le dispositif étant agencé de manière que, lorsque le niveau de fluide est situé en dessous de la sonde. aucun courant ne passe dans celle-ci, que lorsque le niveau de fluide atteint la seconde zone, cette zone laisse passer le courant bidirec- tionnel seulement dans un sens et que, lorsque le niveau du fluide atteint la première zone, cette zone laisse passer le courant dans les deux sens. D'autres avantages et caractéristiques de l'inven- tion seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux des- sins annexés dans lesquels: la fig. 1 représente schématiquement un dispositif de détection de niveau de fluide résistif conforme à l'inven- tion, la fig. 2 représente de façon plus détaillée le circuit du dispositif de la fig. 1, et la fig. 3 est une version simplifiée d'un second exemple de réalisation du dispositif selon l'invention. En référence à la fig. 1, le dispositif de détec- tion de niveau de fluide résistif 10 comprend une sonde 11 formée de plusieurs zones conductrices, à savoir une zone conductrice supérieure 12 et une zone conductrice inférieure 13. La zone conductrice supérieure 12 a n'importe quel type d'impédance électrique et elle est forméepar exempled'une tige métallique conductrice. La seconde zone conductrice 13. ou zone inférieure est formée de deux éléments. Le premier é- lément est une tige métallique conductrice 14 qui est reliée en 15 à une diode ou un composant conducteur asymétrique de courant 16. La diode 16 est en outre reliée en 17 à la premiè- 2. re zone conductrice, ou zone supérieure, constituée par la tige 12. Un élément porteur non conducteur 20 supporte méca- niquement la zone conductrice 12 et la zone conductrice infé- rieure 13 de même que la diode 16. Cette diode 16 peut être enrobée d'une résine époxy ou d'une matière plastique desti- née à assurer sa protection et à augmenter la rigidité méca- nique de la sonde 11. En conséquence.la zone 13 devient une impédance qui est capable de conduire un courant électrique seulement dans une direction. La raison de cette structure sera mise en évi- dence lors de la description de l'ensemble du dispositif. La sonde Il est supportée (de toute manière appro- priée) dans un récipient 21, qui pourrait être une chaudière d'une installation de chauffage ou bien tout autre type de récipient contenant un fluide résistif 22. Le récipient 21 est mis à la masse en 23. Le récipient, ou chaudière, 21, com- porte un tuyau d'admission 24 qui reçoit le fluide résistif 22 sous l'action d'une pompe ou d'une source pressurisée qui est commandée par une électrovanne, comme cela est classique dans des installations à chaudières. Le dispositif de comman- de de niveau de fluide résistif est complété par un conduc- teur 25 qui est relié, par l'intermédiaire d'une résistance de charge 26, à une source de courant électrique bidirection- nel 27, dans ce cas du courant alternatif, ladite source étant elle-même mise à la masse en 23. Un amplificateur 30 se compo- sant d'un amplificateur, d'un détecteur et d'un dispositif de commande de sortie, tel qu'un relais, est connecté aux bornes de la résistance de charge 26 par l'intermédiaire de conduc- teurs 31 et 32. L'amplificateur 30 peut réagir différemment à trois états différents de tension se manifestant aux bornes b la résistance de charge 26. Sur la fig. 1, on a représenté le fluide résistif 22 comme se trouvant en dessous de l'extrémité de la zone conductrice inférieure 13 et il apparaît que, dans l'état in- diqué, aucun courant ne passe entre la source 27 et la sonde 11 par l'intermédiaire de la résistance de charge 26 et du conducteur 25. A ce moment, il n'apparaît par conséquent au- cune tension aux bornes de la résistance de charge 26 et 1'- amplificateur 30 réagit en correspondance en permettant la 3. pénétration de fluide dans le récipient 21 par l'intermédi- aire du tuyau 24. Aussitôt que, le fluide 22 atteint la zone conduc- trice inférieure 14, un circuit électrique est bouclé entre la source de potentiel 27 et la masse 23 par l'intermédiaire de la résistance de charge 26, du conducteur 25 et de la son- de 11. Du fait de la présence de la diode 16, le courant qui passe dans ce circuit-série est unidirectionnel. Plusspéci- fiquement, il apparaît aux bornes de la résistance de charge 26 une tension redressée en simple alternance. L'amplifica- teur 30 est conçu pour détecter la différence entre l'absence totale de-tension et l'existence d'un courant alternatif re- dressé en simple alternance. Une résistance fictive 33 a été mise en évidence pour représenter le trajet du courant qui est établi quand le fluide conducteur 22 atteint la zone con- ductrice inférieure 13, cette résistance 33 représentant le circuit électrique établi entre la zone 11 et la masse 23. Quand le fluide conducteur 22 continue à monter dans le récipient 21, il atteint finalement un niveau o ce fluide 22 entre en contact direct avec la zone conductrice supérieure 12, cette résistance étant représentée, Figure 1, sous la forme. de la résistance fictive 34. On voit qu'à ce moment la diode 16 est mise hors circuit et que le courant qui passe dans le circuit comprenant la résistance de charge 26 engendre maintenant une tension redressée en double alter- nance aux bornes de cette résistance 26. L'amplificateur 30 réagit à cette tension redressée en double alternance en ar- rêtant la pompe ou en fermant l'électrovanne qui alimente en fluide le tuyau 24. On voit par conséquent que, dans le dispositif re- présenté sur la fig. 1, il s'établit trois états de fonction- nement séparés et distincts. Le premier état de fonctionne- ment correspond à l'absence de tension aux bornes de la ré- sistance de charge 26. L'état suivant correspond à l'appari- tion d'une tension unidirectionnelle ou redressée aux bornes de la résistance de charge 26. Le troisième état correspond au passage d'un courant alternatif dans la résistance 26, ce qui provoque l'application d'une tension alternative à l'am- plificateur 30. 4. Le principe de fonctionnement qui a été mis en évi- dence schématiquement sur la fig. 1 est maintenant appliqué à un dispositif qui est plus représentatif de la manière sui- vant laquelle la sonde serait appliquée à une chaudière, la figure montrant comment l'amplificateur 30 est agencé à des fins de commande. On peut aussi inverser le fonctionnement du dispositif par rapport à ce qui a été décrit ci-dessus. Par exemple, une commande de pompe alimentaire peut être enclen- chée pour un haut niveau de l'eau et arrêtée lorsque l'eau tombe en dessous de la sonde 11. Il existe d'autres applica- tions correspondant à ce mode de fonctionnement inversé. En référence à la fig. 2, la sonde 11 est reliée par un conducteur 25 à une borne 35 de l'amplificateur 30'. La borne 35 est reliée par l'intermédiaire d'une résistance de réglage de sensibilité 36. qui est connectée à une prise 37 d'un enroulement de transformateur 38. L'enroulement de transformateur 38 correspond au secondaire d'un transforma- teur 40, qui comporte un enroulement primaire 41 relié par l'intermédiaire de deux bornes 42 et 43 à une source classi- que de courant alternatif. L'enroulement 38 est en outre re- lié à une diode 44 de façon qu'une tension de commande redres- sée soit appliquée par l'intermédiaire du conducteur 45 à 1'- amplificateur 30'. Entre le conducteur 45 et la masse 23 il- est pré- vu une résistance 46 et un transistor à effet de champ 47. Ce transistor à effet de champ 47 est d'un type nécessitant 1'- application d'un potentiel négatif à une grille 50 du tran- sistor pour que celui-ci cesse d'être conducteur. La grille est reliée à un condensateur 51 et à une résistance 52 qui sont tous deux connectés à la masse 23. La grille 50 est en outre connectée par l'intermédiaire d'unediode 53 à la borne 35. La borne 35 est en outre connectée par l'intermédiaire d'une diode à connexion inverse 54 à un contact de relais normalement ouvert 55, ce contact étant actionné mécanique- ment par une armature 56 associée à une bobine de relais 57. La bobine de relais 57 est connectée par une de ses extrémi- tés au conducteur 45 et par son extrémité opposée à un autre transistor à effet de champ 60. Le transistor à effet de champ comporte une grille 61 mais, puisque le transistor 60 est 5. du type à grille isolée, cette grille 61 nécessite un poten- tiel positif d'activation pour rendre le transistor 60 con- ducteur. Le transistor à effet de champ 60 est en outre connecté à la masse 23 de façon à boucler un circuit passant par la bobine de relais 57. La bobine de relais 57 est con- nectée en parallèle à un condensateur 62 qui agit de façon à stabiliser le fonctionnement du relais. L'armature de relais 56 est reliée à un autre contact 63 normalement ouvert, qui agit comme un élément de commande de sortie afin de commander une pompe ou une électrovanne 64, elle-même reliée par deux conducteurs 65 et 66 aux bornes d'alimentation 42 et 43. La fermeture du contact 63 assure l'excitation de la pompe ou de l'électrovanne 64 en vue de la fourniture de fluide au tuyau 24 pendant la marche du dispositif. Le circuit de l'amplificateur 30' est complété par liaison de la grille 61 du transistor à effet de champ 60 par l'intermédiaire d'une diode Zener 70, à une combinaison parallèle d'une résistance 71 et d'un condensateur 72 et à la masse 23. Le condensateur 72 et la résistance 71 forment un circuit de retard en coopération avec une autre diode 73. qui est connectée entre la résistance 46 et le conducteur commun 74 qui assure la connexion de la diode Zener 70 avec le con- densateur 72, la résistance 71 et le contact de relais 55 nor- malement ouvert. On va maintenant décrire le fonctionnement du cir- cuit représenté sur la fig. 2. On va supposer initialement que l'amplificateur ' vient d'être excité par application d'un courant alterna- tif, se présentant sous la forme d'une tension de 60 Hz clas- sique, aux bornes 42 et 43. A cet instant particulier, le fluide résistif 22 est situé en dessous de l'extrémité de la zone conductrice 13. A ce moment également, la bobine de re- lais 57 est désexcitée et les contacts de relais 63 et 55 sont ouverts, comme indiqué sur la fig. 2. Aussitôt que la tension est appliquée aux bornes 42 et 43, une tension apparaît aux bornes de la partie infé- rieure de l'enroulement secondaire 38 et du courant passe dans la diode 53, la résistance 36 et la partie inférieure de 6. l'enroulement 38 pour aboutir à la masse 23. Ce courant passe ensuite dans une résistance relativement grande 52, et simul- tanément dans le condensateur 51 de manière à le charger à un potentiel qui est négatif à la grille 50 du transistor à ef- fet de champ 47. Lors de l'excitation des bornes 42 et 43, le transistor à effet de champ 47 a reçu à sa grille 50 un po- tentiel insuffisamment négatif pour le faire passer dans l'é- tat de blocage eten conséquence, le courant alternatif conti- nue à passer dans ce transistor 47, Cela produit une réduc- tion de tension aux bornes de la résistance 46 et il en ré- sulte l'application d'un potentiel de masse à la diode 73 dans la zone de jonction avec le transistor à effet de champ 47. Cela provoque un courtcircuitage de la grille 61 du transistor à effet de champ 60 à grille isolée et en consé- quence ce transistor 60 est bloqué. Le condensateur 51 se charge rapidement et appli- que un potentiel négatif à la grille 50 du transistor à effet de champ 47, en provoquant ainsi le blocage de ce transistor. Aussitôt que le transistor à effet de champ 47 cesse d'être conducteur, la tension qui apparaît dans le conducteur 45 est appliquée par l'intermédiaire de la résistance 46 et de la diode 73 au condensateur 72 de façon à le charger. Dès que le condensateur 72 a pris une charge suffisante pour rendre la diode Zener 70 conductrice, un potentiel positif apparaît à la grille 61 du transistor à effet de champ 60 qui est ainsi rendu conducteur. La bobine de relais 57 fait alors passer un courant suffisant dans le transistor à effet de champ 60 pour obliger l'armature 56 à fermer les contacts 63 et 55. La fer- meture du contact 63 fait immédiatement en sorte que la pompe ou vanne 64 débite du fluide résistif dans le tuyau 24. La fermeture du contact 55 par l'intermédiaire de la diode 54 verrouille effectivement le dispositif dans cette condition par liaison d'une source de potentiel au condensateur 72, par l'intermédiaire de la diode 54, de façon à maintenir l'appli- cation du potentiel positif à la grille 61 du transistor à effet de champ 60, ce qui est nécessaire pour le maintenir à l'état conducteur. Le fluide résistif 22 monte dans le réservoir de chaudière 21 jusqu'à ce qu'il atteigne la zone conductrice 13 7. o un trajet de courant est établi par l'intermédiaire de la diode 16. Cette action enlève à la diode 53 et à ses compo- sants associés la fonction de commande du transistor à effet de champ 47. Puisque le contact de relais 55 a été fermé, le transistor à effet de champ 60 ne change pas d'état de con- duction et la bobine de relais 57 est encore excitée pour maintenir le contact 63 fermé. A mesure que le fluide résistif ou eau 22 monte, il atteint finalement le niveau o il entre en contact avec la zone conductrice 12. Aussitôt que le fluide résistif 22 atteint cette zone conductrice 12, il établit un court-cir- cuit avec la borne 25 en supprimant le potentiel de commande appliqué au transistor à effet de champ 60. Ce potentiel de commande étant supprimé, un léger retard est établi par la décharge du condensateur 72 dans la résistance 71 afin de maintenir la grille 61 suffisamment positive pendant un petit intervalle de temps pour maintenir le relais excité afin d'- empêcher des vagues se produisant dans le fluide résistif 22 d'enclencher accidentellement la pompe. A la fin de la période de retard établie par le décharge du condensateur 72 dans la résistance 71, la grille 61 du transistor à effet de champ 60 se trouve dans une con- dition telle qu'il n'existe plus le potentiel positif de com- mande nécessaire. Dans cette condition, le transistor à effet de champ 60 se bloque et la bobine de relais 57 est désexci- tée, ce qui ouvre les contacts 55 et 63. Il en résulte un ar- rêt de la pompe 64, ou une fermeture de la vanne correspon- dante, ainsi qu'une ouverture du circuit de maintien établi par l'intermédiaire du contact 55. Une légère baisse de niveau du fluide résistif 22 ne réenclenche pas cycliquement la pompe ou vanne 64 du fait qu'un effet différentiel est créé par la zone conductrice supérieure de la sonde 11. Lorsque le niveau de liquide 22 a baissé suffisamment pour ouvrir entièrement le circuit, le dispositif recommence à fonctionner. La condi- tion différentielle peut être établie en agissant sur la con- ception de la sonde et/ou sur les paramètres du circuit am- plificateur particulier utilisé. Sur la fig. 3. on a représenté une autre variante de la sonde. Cette sonde 80 est suspendue dans une position 8. appropriée dans le récipient de fluide 21. La sonde 80 com- porte une zone supérieure 81 qui constitue une impédance ca- pable de conduire un courant électrique bidirectionnel. Il est prévu une seconde zone conductrice 82 qui est reliée mé- caniquement et électriquement en 83 à la zone conductrice 81. Dans ce mode de réalisation, la zone conductrice 82 est for- mée d'une matière qui peut conduire seulement dans une direc- tion le courant électrique bidirectionnel qui est appliqué à la zone conductrice 82. Une matière susceptible de remplir cette fonction est constituée par du titane. La raison pour laquelle le titane constitue une matière capable de conduire le courant bidirectionnel seulement dans un sens lorsque ce courant est appliqué à la structure selon l'invention sera définie après la description de la condition d'équilibre du dispositif. La zone conductrice 81 est reliée par un conduc- teur 84 à un amplificateur et à une unité de commande de sor- tie 85 qui est elle-même connectée par un conducteur 86 à une source de courant électrique bidirectionnel 90. La source de courant électrique 90 est excitée par l'intermédiaire de deux lignes de transmission de courant électrique à basse fréquen- ce 91, 92, la liaison de la source de courant alternatif 90 avec la masse étant établie en 23 de façon à permettre l'ap- plication d'un courant alternatif à la sonde 80 par l'inter- médiaire du récipient 21 et du fluide résistif 22 lorsque ce fluide est monté à un niveau suffisant. La source 90 peut être constituée par tout type approprié d'oscillateur engendrant un courant alternatif de basse fréquence ou bien tout autre type de courant bidirec- tionnel commandé, par exemple un courant à forme d'onde posi- tive et/ou négative de forme rectangulaire. Les composants particuliers intervenant dans la source de courant électrique bidirectionnel 90 ne rentrent pas dans le cadre de l'invention et on peut considérer qu'il est bien connu de convertir un courant alternatif de 60 Hertz classique en toute autre fré- quence appropriée et désirée. Pour rendre fonctionnel l'exemple de réalisation de la fig. 3, il est nécessaire que la sonde 80, et en parti- culier la zone conductrice 82, soit capable de conduire seu- 9. lement dans une direction le courant bidirectionnel qui est appliqué quand le fluide résistif 22 augmente de niveau de façon à entrer en contact avec la zone conductrice 82. On a précisé qu'une zone conductrice 82 formée de titane permet- tait de remplir cette fonction caractéristique. Lorsque la zone conductrice en titane 82 est sollicitée par un potentiel positif et est en contact avec de l'eau se trouvant dans un réservoir de chaudière, la surface du titane est transformée en bioxyde de titane et devient un isolateur. Cela signifie que, à chaque fois qu'un potentiel positif est appliqué entre le conducteur 84 et la masse, le titane produit une couche d'oxyde de titane qui fait passer la zone conductrice 82 à l'état non conducteur pendant que le courant électrique bidi- rectionnel passe dans cette partie. Lorsque la zone conduc- trice en titane 82 reçoit par l'intermédiaire du conducteur 84 un potentiel négatif par rapport à la masse 23, l'oxyde de titane qui existe sur sa surface *est dissous dans l'eau et la surface en titane devient normale. Dans cette condi- tion, le dispositif fonctionne suivant un mode en simple al- ternance. La seule condition imposée au dispositif consiste en ce que la fréquence du courant bidirectionnel appliqué doit être suffisamment basse pour permettre la formation et l'élimination de la couche de bioxyde de titane. Lorsque le fluide n'est pas au contact de la son- de, il ne passe aucun courant dans l'amplificateur 85 et il en résulte l'excitation par cet amplificateur 85 -d'une pompe ou source de fluide résistif en vue d'ajouter du fluide pour faire monter le niveau du fluide résistif jusqu'à ce qu'il entre en contact avec la zone 82. A ce moment, le courant bi- directionnel à basse fréquence est appliqué entre la zone conductrice 82 et le fluide résistif 22. Par l'effet mention- né ci-dessus, la zone conductrice est capable de conduire le courant bidirectionnel seulement dans un sens. Ce passage u- nidirectionnel du courant dans l'amplificateur 85 est détec- té et la f onction correcte de commande est remplie. A mesure que le niveau du fluide 22 monte jusqu'à ce qu'il entre en contact avec la zone conductrice 81, le courant bidirection- nel intégral passe dans le conducteur 84 et l'amplificateur provoque l'arrêt de la pompe ou la fermeture de la source de fluide alimentant le récipient 21. On voit par conséquent que la sonde 80 fonctionne dans ce dispositif d'une manière qui est semblable à la sonde Il des fig. 1 et 2. 10. REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection de niveau de fluide résistif dans un récipient. caractérisé en ce qu'il comprend une sonde (11) comportant des première et seconde zones con- ductrices (12 et 13) reliées électriquement en série et con- nectées dans un circuit-série avec une source de courant é- lectrique bidirectionnel (27), ainsi que des moyens (30) pour détecter le passage d'un courant dans la sonde, le dispositif (10) étant agencé de manière que, lorsque le niveau de fluide est situé en dessous de la sonde, aucun courant ne la traverse alors que, lorsque le niveau du fluide atteint la seconde zo- ne, cette zone ne laisse passer qu'une composante unidirec- tionnelle du courant bidirectionnel et que, lorsque le niveau du fluide atteint la première zone, celle-ci conduit intégra- lement le courant bidirectionnel. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que lesdites première et seconde zones conductrices (12 et 13) sont formées par des tiges conductrices reliées par un moyen de conduction asymétrique de courant (16). 3. Dispositif selon la revendication 2. caractéri- sé en ce que lesdites tiges sont formées d'un métal. 4. Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit moyen de conduction asymétri- que de courant (16) est une diode. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, caractérisé en ce que lesdites zones (12 et 13) sont reliées mécaniquement l'une avec l'autre pour former une seule sonde. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que lesdites zones sont reliées mécaniquement l'une avec l'autre et en ce que la seconde zone conductrice (13) est composée d'une matière qui est capable de conduire seule- ment une fraction dudit courant électrique bidirectionnel dans un sens lorsque cette seconde zone conductrice est en contact avec le fluide résistif (22) dans ledit récipient (21). 7. Dispositif selon la revendication 6. caractéri- sé en ce que ladite première zone (12) est une tige métalli- que et en ce que ladite seconde zone (13) est une tige de ti- 11. tane. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 7, caractérisé en ce que le moyen de détection (30) est un moyen de commande de niveau de fluide agencé pour réagir à l'absence dudit courant, à la présence de la- dite composante unidirectionnelle dudit courant bidirection- nel et à la présence dudit courant bidirectionnel pour com- mander le niveau du fluide conducteur.