Brevet FR2465196A1 — publié le 19810320

La présente invention se rapporte à un dispositif pour déterminer la position d'un objet et elle concerne plus particulièrement, bien que non exclusivement, un dispositif pour déterminer la position d'un flotteur dans un dispositif indicateur de niveau de liquide. Dans les appareils classiques utilisés pour indiquer le niveau d'un liquide, par exemple dans un réservoir, un flotteur qui flotte à la surface du liquide est relié par un fil ou une chaîne â un mécanisme capteur de niveau de telle manière que les mouvements du flotteur qui sont dus aux variations du niveau du liquide soient communiqués au mécanisme. Le mécanisme peut enregistrer et/ou indiquer la hauteur du niveau et produire des signaux électriques qui correspondent à la hauteur de ce niveau. Cet appareil souffre d'un certain nombre d'inconvénients. I1 est particulièrement sujet à présenter une sensibilité insuffisante en raison du frottement des divers organes mobiles. L'utilisation de dispositifs capteurs électriques tel que des résistances variables commandées par un flotteur peuvent atténuer les problèmes de frottement mais, si le liquide est inflammable, on doit alors prendre des précautions considérables pour éviter que le liquide ne soit enflammé par les étincelles électriques. Un procédé couramment utilisé pour résoudre ce problème consiste à faire passer une tringlerie mécanique à travers la paroi du réservoir, au moyen d'un dispositif d'étanchéité et de relier cette tringlerie à un dispositif capteur et indicateur électrique placé à l'extérieur du réservoir, à l'écart du liquide inflammable et de ses vapeurs éventuellement explosives. Toutefois, cette tringlerie est à son tour sujette a' poser des problèmes de frottement. Le but de l'invention est de réaliser un appareil perfectionné de détermination de position qui soit plus particulièrement bien que non exclusivement utile pour déterminer la hauteur du niveau d'un liquide. L'appareil de détermination de position suivant l'invention comprend un organe conducteur de forme allongée et tendu ; des moyens pour appliquer une impulsion de courant électrique le long du dit organe ; un aimant situé en un premier point de la longueur de cet organe pour appliquer un champ magnétique à cet organe en ce point, la position de ce point étant celle qu'il s'agit de déterminer ; des moyens situés en un deuxième point de la longueur de 1' organe et servant à détecter l'arrivée en ce deuxième point d'une impulsion mécanique qui est appliquée audit organe par l'interaction entre l'impulsion de courant et le champ magnétique au moment où cette impulsion franchit l'aimant ; et des moyens qui répondent à l'intervalle de temps séparant l'instant dtapplication de l'impulsion de l'instant d'arrivée de l'impulsion mécanique audit deuxième point pour déterminer ladite position. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparattront au cours de la description qui va suivre. Au dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple, la figure unique représente schématiquement le dispositif suivant l'invention. Suivant l'exemple d'exécution représentéw un organe conducteur de forme allongée tel que, par exemple un fil 1 d'acier inoxydable de 2 mm de diamètre, est maintenu tendu entre un ancrage 2 prévu au fond d'un réservoir 3 et la paroi supérieure de ce réservoir par un ressort de compression 4 qui est lui-même isolé du fil 1 par une bague 5 faite d'une matière isolante de l'électricité. Le ressort 4 est monté sur une ferrure 6 suspendue à la paroi supérieure du réservoir. Un flotteur 7 flotte à la surface 8 d'un liquide contenu dans le réservoir lorsque l'appareil est en fonctionnement. Un aimant semi-circulaire 9 est monté dans le flotteur et présente à ses extrémités des pièces polaires radiales 10 servant à concentrer le flux magnétique en un point situé dans le fil. La position de ce point dépend de la hauteur du niveau du liquide. Pour permettre au flotteur 7 de glisser régulièrement en montant et en descendant le long du fil 1 lorsque le niveau du liquide change, des guides 11 en forme de secteur d'anneau, réalisés en PTFE, sont montés au centre du flotteur. Un deuxième aimant 12 comportant des pièces polaires radiales 13 est prévu pour appliquer un champ magnétique au fil 1 en un point situé juste au-dessous du niveau le plus bas envisagé. Un aimant 14 comportant des pièces polaires 1S est prévu de la même façon juste au-dessus du niveau le plus haut envisagé pour le liquide. La fonction des aimants 12 et 14 sera décrite plus loin. Un circuit 16 générateur d'impulsions de courant est connecté aux extrémités du fil 1 pour appliquer période quement à ce fil des impulsions de courant. Chaque impulsion appliquée au fil circule le long du fil â la vitesse de la lumière et, lorsque l'impulsion passe au niveau des pièces polaires 10 de l'aimant 9, une impulsion mécanique est induite dans le fil 1, sous l'effet de l'ínter-action entre la circulation du courant et le champ magnétique (suivant la règle bien connue des trois doigts de la main gauche qui s'applique aux moteurs électriques). Une bobine 17 est disposée en relation d'induction avec le fil 1 pour détecter l'instant de l'application de l'impulsion de courant. Cette bobine est avantageusement placée à proximité de la paroi supérieure du réservoir, à distance du liquide. L'impulsion mécanique circule le long du fil 1 à la vitesse du son dans les deux sens à partir de la position de l'aimant 9. Un transducteur 18, qui est également avantageusement placé à proximité de la paroi supérieure du réservoir, est couplé mécaniquement au fil 1 pour capter l'arrivée de l'impulsion mécanique a cet endroit. Le transducteur 18 peut être constitué, par exemple par un microphone pièzocéramique ou bimorphe. Des transducteurs (non représentés) peuvent être placés au-dessus et au-dessous et connectés au circuit pour répondre au bon sens de circulation de l'impulsion, afin de distinguer l'impulsion des vibrations erronées du fil. Un générateur 19 d'impulsions d'horloge introduit continuellement des impulsions d'horloge dans un compteur 20. La bobine 17 est connectée à une entrée de démarrage du compteur tandis que le transducteur 18 est connecté à l'entrée d'ARRET de ce compteur. I1 est avantageux mais non essentiel que le générateur d'impulsions de courant 16, le générateur d'impulsions d'horloge 19 et le compteur 20 soient placés à l'extérieur du réservoir 3, les impulsions de courant et les signaux de démarrage et d'arrêt étant alors introduits par l'-intermédiaire d' un connecteur 25 qui est monté dans la paroi supérieure ou dans la paroi latérale du réservoir. En cours de fonctionnement du dispositif, le flotteur 7 monte et descend avec le niveau du liquide, son mouvement étant guidé par le fil 1. Une impulsion de courant est appliquée au fil par le générateur 16 et un signal de sortie est induit dans la bobine 17 par le passage du courant. Ce signal provoque le commencement du comptage des impulsions d'horloge. L'impulsion de courant, en passant au niveau de l'aimant 9 logé dans le flotteur 7, induit une impulsion mécanique dans le fil, ainsi qu'on l'a indiqué plus-haut, et l'arrivée de cette impulsion mécanique au transducteur 18 provoque la formation d'une impulsion électrique qui arrête le comptage des impulsions dthorloge. Le compte des impulsions d'horloge représente la distance séparant le flotteur 7 du transducteur 18 et, par conséquent, varie en-proportion inverse de la hauteur du niveau du liquide. Un dispositif d'affichage 21 connecté au compteur 20 peut être étalonné pour donner directement la hauteur du niveau du liquide. L'exemple suivant donne une indication des divers paramètres du fonctionnement. La vitesse du son dans un fil d'acier est d'environ 5 700 m par seconde. Si la longueur de la partie du fil comprise entre le transducteur 18 et l'aimant 9 pour le niveau moyen du liquide, est de 15 m, l'inter valle de temps séparant l'instant d'application de l'impulsion de courant de l'instant d'arrivée de l'impulsion mécanique sera de 15/5700 secondes, ce qui équivaut à 2,63 millisecondes. Si la fréquence des impulsions d'horloge est de 57 MHz, une variation de 1 mm du niveau du liquide donnera lieu à une variation du compte des impulsions d'horloge de 10. Cette variation du compte entre dans le domaine du pouvoir de résolution des compteurs électroniques modernes. Les variations de la température ambiante et/ou de la pression entrassent une variation de la vitesse de la propagation du son dans le fil 1, en introduisant ainsi des erreurs sur la position indiquée du flotteur. Des capteurs de température et de pression (non représentés) peuvent entre incorporés dans le dispositif, en combinaison avec un circuit permettant de corriger le compte en fonction de l'écart entre la valeur réelle de la température et/ou de la pression et les valeurs de référence. Toutefois, les aimants additionnels 12 et 14 assurent une compensation automatique de ces variations. Etant donné que les aimants 12 , 9 et 14 sont espacés les uns des autres sur la longueur du fil 1, le transducteur 18 capte trois impulsions mécaniques espacées. La détection de la pre miere impulsion, qui correspond au passage de l'impulsion de courant au niveau de l'aimant 15, peut être utilisée pour mettre en marche un premier circuit de comptage des impulsions d'horloge contenu dans le compteur 20. La détection de la deuxième impulsion peut ensuite arrêter ce premier circuit de comptage et, en même temps, mettre en marche un deuxième circuit de comptage contenu dans le compteur 20. La troisième impulsion arrête ensuite le deuxième circuit de comptage. Le rapport entre les comptes obtenus dans les deux circuits de comptage est alors égal au rapport entre les distances séparant les paires d'aimants successives, indépendamment de la vitesse absolue de la propagation du son dans le fil. Etant donné que la distance entre les aimants 12 et 14 est fixe, la hauteur du niveau peut facilement être calculée à partir du rapport des comptes. On peut incorporer dans le dispositif un circuit approprié pour effectuer ce calcul de telle manière que le dispositif d'affichage indique directement la hauteur du niveau. I1 est suffisant que les impulsions de courant appliquées au fil 1 par le générateur 16 soient de l'ordre de 1 watt et cette puissance peut être fournie au générateur 16, par exemple par l'intermédiaire d'une barrière de sécurité, comme décrit dans le brevet britannique nO 977 913. Les impulsions de courant sont des impulsions courtes et de grande amplitude et ces impulsions peuvent être engendrées par la charge et la décharge d'un condensateur. Le générateur 16 est représenté sous une forme qui comprend un condensateur 22 chargé par une alimentation en courant continu par l'intermédiaire d'une résistance 23. Le conducteur négatif de l'alimentation est connecté au réservoir 3. Le condensateur se décharge périodiquement dans le fil 1, par exemple à intervalles d'une seconde, sous l'action d'un circuit de commutation 24.Le brevet britannique nO 1 466 246 décrit un circuit générateur d' impulsions qui travaille suivant ce principe de charge et de décharge d'un condensateur. Etant donné que le niveau d'énergie est faible, l'alimentation est sûre en elle-meme, le circuit ne risquant pas de provoquer la mise à feu du liquide ni de la vapeur de liquide contenue dans le réservoir. Le circuit peut donc être si nécessaire logé dans le réservoir. Le fil 1 peut être enrobé. Le fil 1 n'est pas nécessairement en acier inoxydable. En fait, on peut utiliser n'importe quel organe conducteur de forme allongée. Par exemple, cet organe peut comprendre une âme rigide entourée d'une gaine extérieure à haute conductibilité. La matière de cet organe peut être choisie en fonction de la nature du liquide particulier dont il s'agit de mesurer le niveau afin de supprimer la nécessité d'une compensation de température. I1 convient de remarquer que le fil 1 joue le role de guide pour le flotteur 7 et que l'impulsion électrique applique en fait une petite force au flotteur. I1 est donc possible de vérifier, en se basant sur la nature de l'impulsion mécanique si le flotteur est libre ou s'il est immobilisé mécaniquement. Inversement, en appliquant les impulsions de courant avec une relation de phase appropriée, on peut faire en sorte que les forces exercées sur le flotteur mettent ce dernier en oscillation. De même, en inversant le sens des impulsions de courant et en les synchronisant de façon appropriée, on peut faire en sorte que les effets mécaniques des impulsions successives s'ajoutent ou se retranchent.Ces variations ont non seulement pour effet de confirmer que le flotteur se trouve exactement à la surface libre du liquide mais également de donner une confirmation de la mesure puisqu'on peut mesurer la distance séparant le sommet du réservoir de la surface du liquide ou la distance séparant le fond du réservoir de cette surface. I1 est avantageux d'utiliser celle des deux distances qui est la plus faible puisqu'une variation du niveau d'une unité donne alors une plus grande variation proportionnelle du signal. Bien que le dispositif suivant l'invention ait été décrit ci-dessus dans son application à la détermination de la position d'un flotteur flottant à la surface d'un liquide, ce dispositif peut également être appliqué à la détection de la position d'un élément quelconque qui porte un aimant qui peut se déplacer le long d'un élément électro-conducteur de forme allongée0 REVEND ICAT IONS 1 - Dispositif pour déterminer une position, caractérisé en ce qu'il comprend un organe électriquement conducteur de forme allongée, tendu, des moyens pour appliquer une impulsion de courant électrique sur cet organe, un aimant situé en un premier point de la longueur de cet organe et servant à appliquer un champ magnétique à cet organe en ce point, la position de ce point étant celle qu'il s'agit de déterminer, des moyens placés en un deuxième point de la longueur dudit-organe et servant à détecter l'arrivée en ce deuxième point d'une impulsion mécanique qui est imprimée à cet organe par l'inter-action entre l'impulsion de courant et le champ magnétique au moment où l'impulsion de courant passe au niveau de l'aimant, et des moyens sensibles à l'intervalle de temps'séparant l'instant d'application de l'impulsion de courant de l'instant d'arrivée de l'impulsion mécanique au deuxième point pour déterminer ladite position. 2 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens sensibles à l'intervalle de temps comprennent un générateur d'impulsions d'horloge et un compteur qui compte le nombre d'impulsions d'horloge engendrées entre l'instant d'application de l'impulsion de courant et l'instant de l'arrivée de l'impulsion mécanique audit deuxième point. 3 - Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend une bobine en relation d'induction avec ledit organe et qui envoie un signal de démarrage au compteur pour déclencher le comptage des impulsions d'horloge en réponse à l'application de l'impulsion de courant. 4 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les moyens qui détectent l'arrivée de l'impulsion mécanique comprennent un transducteur qui envoie un signal d'arrêt au compteur pour arrêter le comptage des impulsions d'horloge en réponse à l'arrivée de l'impulsion mécanique. 5 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'affichage connectés au compteur pour afficher une représentation de ladite position. 6 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des aimants supplémentaires situés respectivement en un troisième et un quatrième points fixes de la longueur dudit organe pour appliquer des champs magnétiques à cet organe, le troisième point étant situé entre le premier point et le deuxième point et le quatrième point se trouvant sur le côté du premier point qui se trouve à 1'op- posé du troisième point, de sorte que trois impulsions mécaniques successives sont captées au deuxième point, ces impulsions étant dues respectivement aux actions des aimants placés au quatrième point au premier point et au troisième point, et en ce que les moyens sensibles à l'intervalle de temps répondent à l'intervalle de temps séparant les instants d'arrivée de la première et de la deuxième impulsions mécaniques et à l'intervalle de temps séparant les instants d'arrivée de la deuxième et de la troisième impulsions mécaniques. 7 - Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens qui déterminent le rapport entre les deux intervalles de temps afin de déterminer ladite position en fonction de la distance entre le troisième et le quatrième points. 8 - Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend un générateur d'impulsions d'horloge et des moyens qui comptent les impulsions d'horloge engendrées pendant lesdits intervalles de temps. 9 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens servant à appliquer une impulsion de courant comprennent un circuit servant à charger une capacité électrique à partir d'une source de courant continu et à décharger cette capacité dans ledit élément. 10 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens servant à appliquer l'impulsion électrique fonctionnant à un niveau de puissance intrinsèquement sûr. 11 - Dispositif indicateur de niveau de liquide comprenant le dispositif de détermination de position suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ledit organe est monté à peu près verticalement et en ce que 1' aimant placé au dit premier point est porté par un flotteur agencé pour flotter à la surface du liquide.