Brevet FR2488988A1 — publié le 19820226

La présente invention concerne des systèmes indicateurs de niveau de fluide du type comprenant un capteur capacitif destiné à être plongé dans un fluide, un dispositif d'alimentation destiné à délivrer un signal d'entrée alternatif au capteur de façon que ce dernier fournisse un signal de sortie alternatif qui varie en fonc- tion du changement de la quantité de fluide, et un cir- cuit détecteur qui-est destiné à recevoir ce signal de sortie. L'invention concerne en particulier des sys- tèmes destinés à fournir une indication de la quantité de carburant contenue dans un réservoir et,plus particulière- ment,un réservoir de carburant d'un aéronef. Dans les systèmes indicateurs de niveau de fluide de la technique antérieure, le niveau du fluide contenu dans un récipient est déterminé par la détection de changements de la valeur de la capacité d'un capteur capacitif placé dans le récipient. Le capteur comporte généralement deux électrodes en forme de plaques qui sont séparées par un espace rempli et vidé au fur et à mesure que le niveau du fluide change, en modifiant ainsi sa ca- -pacité. Un signal électrique alternatif est appliqué au capteur et son signal de sortie est transmis à un circuit de mesure ou de détection convenable. Dans le passé, on a rencontré des difficultés avec ces systèmes pour diverses raisons. Dans certains appareils antérieurs, il a été nécessaire d'utiliser des câbles électriquement blindés pour délivrer le signal d'excitation au condensateur du capteur et pour transmettre le signal de sortie du condensateur au circuit de mesure ou de détection. En l'absence de tels câbles blindés, un autre équipement électrique situé à proximité risque de provoquer une interférence électrique avec ces signaux. Toutefois, les câbles blindés ont l'inconvénient d'être sensiblement plus lourds et plus coûteux que les câbles non blindés; cet inconvénient est particulièrement impor- tant dans le domaine de l'aviation et encore plus lors- qu'il y un grand nombre de condensateurs capteurs dont cha- cun peut être équipé d'un câble individuel. Des connecteurs utilisés avec des câbles blindés doivent être eux-mêmes également blindés et cela conduit à une augmentation sup- plémentaire de la complexité,du prix et du poids. Pour tenter d'éviter d'avoir recours à des câ- bles blindés, il a été proposé de redresser le signal de sortie du condensateur capteur au moyen de deux diodes connectées en opposition à une électrode du condensateur et montées à proximité de ce dernier dans le réservoir à carburant ou autre récipient. Chaque diode produit un si- gnal redressé à une alternance qui est délivré au cir- cuit détecteur par des conducteurs respectifs non blindés. L'utilisation de diodes de cette manière évite également d'avoir recours à des câbles blindés pour délivrer le si- gnal d'excitation au condensateur capteur. Toutefois, cette disposition a l'inconvénient que le comportement des diodes et,en particulier,la chute de tension aux bornes de ces dernières varient en fonction des changements de température. Il est possible de compenser ces effets thermiques en utilisant des signaux distincts provenant d'autres diodes montées dans le réservoir ou récipient et en utilisant ces signaux distincts pour la compensation. En variante, il est possible d'atténuer les effets ther- miques en appliquant une tension relativement élevée aux bornes du condensateur capteur. Un autre problème,qui se pose avec les systèmes capacitifs de détermination de la quantité de carburant contenue dans un réservoir,est dû à la présence d'impuretés conductrices de l'électricité, comme l'eau, qui peuvent gravement affecter le signal de sortie du capteur et con- duire à de graves erreurs dans l'indication de la quantité de carburant. La présence d'un litre d'eau,par exemple, provoquerait normalement un accroissement de l'erreur d'indication de la quantité de carburant de plusieurs fois cette valeur. La présente invention a pour objet un système et un procédé de détermination de la quantité de fluide contenue dans un réservoirqui peuvent être utilisés de manière à surmonter sensiblement les difficultés exposées plus haut. Selon une caractéristique de la présente inven- tion, un système de détermination de la quantité de fluide contenue dans un réservoir du type susmentionné est carac- térisé en ce que le circuit détecteur comporte un premier interrupteur qui reçoit le signal de sortie et en ce qu'il est actionné en synchronisme et en quadrature avec le si- gnal d'entrée,de sorte que le premier interrupteur ne lais- se passer qu'une composante de courant unidirectionnel du signal de sortie par rapport à la quantité de fluide, et en ce que le circuit détecteur reçoit la composante de courant unidirectionnel et délivre un signal en courant continu dont l'amplitude varie en fonction de la quantité de fluide. Dans un tel agencement, le capteur capacitif peut être connecté au détecteur par un conducteur non blindé. Bien qu'il puisse être encore nécessaire de déli- vrer le signal d'entrée au capteur au moyen d'un conduc- teur blindé, le système de la présente invention permet d'obtenir d'importants avantages. Il en est particulière- ment ainsi lorsque plusieurs capteurs capacitifs sont uti- lisés, étant donné que le signal d'entrée peut être délivré à tous les capteurs au moyen d'un seul conducteur blindé, alors qu'il suffit d'utiliser des conducteur non blindés pour établir la connexion individuelle entre chaque cap- teur et le détecteur. Le circuit détecteur peut comporter un second interrupteur qui est actionné en opposition de phase avec le premier interrupteur, le signal de sortie étant délivré à la fois au premier et au second interrupteur. Le second interrupteur peut transmettre une composante du signal de sortie concernant des impuretés contenues dans le fluide, qui peut être délivrée à un indicateur qui indique la présence d'une impureté. De cette manière, il est possible d'obtenir une indication, par exemple, de la présence d'eau dans un carburant hydrocarboné, ainsi qu'une mesure de sa quantité. Il est alors possible d'en tenir compte lorsqu'on effectue une lecture de l'indicateur de quantité de carburant. Le dispositif d'alimentation peut comporter un autre premier interrupteur qui est actionné en synchronisme et en quadrature avec le signal d'entrée et un autre second interrupteur qui est actionné en opposition de phase avec le premier autre interrupteur. Le dispositif d'alimenta- tion peut comporter un condensateur dont une électrode est reliée pour recevoir le signal d'entrée et dont l'autre électrode est connectée pour délivrer un autre signal de sortie aux deux autres interrupteurs. Le dispositif d-'ali- mentation peut comporter un oscillateur qui délivre le signal d'entrée et un circuit de réglage qui maintient sensiblement constant le produit de la fréquence et de la tension du signal d'entrée. Selon une autre caractéristique de la présente invention, un procédé permettant d'obtenir une indication de la quantité de fluide contenue dans un récipient, dans lequel un signal d'entrée alternatif est délivré à un cap- teur capacitif qui se prolonge dans le récipient, et ca- ractérisé en ce qu'un signal alternatif de sortie est délivré par le capteur à un circuit intégrateur et en ce que l'application du signal de sortie au circuit intégra- teur est alternativement interrompue et autorisée en syn- chronisme et en quadrature avec le signal d'entrée. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels la figure 1 est un schéma de montage du système selon l'invention; la figure 2 représente plus en détail une partie du système de la figure 1; et la figure 3 est un diagramme de forme d'onde illustrant le fonctionnement du système de la figure 1. En se référant à la figure 1, le système de dé- termination de la quantité de carburant contenue dans un réservoir comprend un capteur capacitif 1, un dispositif d'alimentation 2 qui délivre un signal alternatif au cap- teur 1, et un détecteur 3 qui délivre une tension continue de sortie à la fois à un dispositif 4 d'indication ou de détermination de la quantité de carburant et à un indica- teur d'impuretés 7, selon des variations du signal de sortie du capteur 1. Le capteur 1 est monté dans un réservoir 5 de carburant d'avion et comprend un condensateur 6 qui est placé à un endroit approprié pour être immergé dans tout carburant présent dans le réservoir. Le condensateur 6 peut être d'une forme connue et présenter,par exemple, des plaques parallèles ou tubes concentriques séparés par un espace qui est rempli de carburant à une hauteur qui dé- pend du niveau du carburant contenu dans le réservoir 5. A mesure que le niveau du carburant change, la valeur de la capacité change d'une façon correspondante et ce chan- gement de capacité est utilisé pour établir une mesure du niveau du carburant. Le dispositif d'alimentation 2 comprend un oscil- lateur 201 à ondes sinusoïdales qui délivre une tension alternative de sortie d'amplitude maximale V et de fré- quence f qui ést appliquée par un câble blindé 202 à une électrode du condensateur 6. Le signal de sortie de l'oscillateur 201 constitue donc le signal de commande du capteur 1. L'oscillateur 201 est commandé par l'ampli- tude d'une tension continue VI qui est appliquée à l'entrée de l'oscillateur par un conducteur 203,de façon que le produit tensionfréquence V pf de son signal de sortie soit maintenu constant. La tension appliquée au conducteur 203 provient de la sortie d'un circuit de réaction 204. Ce dernier com- porte un condensateur de référence 205 de capacité CREF, dont une électrode reçoit les signaux de sortie de l'os- cillateur 201 par un conducteur blindé 206. L'autre élec- trode du condensateur de référence 205 est connectée aux entrées de deux interrupteurs à semi-conducteurs 207 et 208 qui sont commandés tous deux par un circuit 209, de fa- çon qu'ils soient fermés (c'est-à-dire conducteurs) et ou- verts (c'est-à-dire non conducteurs) en opposition de phase l'un avec l'autre et synchroniquement en quadrature avec le signal de sortie de l'oscillateur 201. La sortie d'un interrupteur 207 est mise à la masse, le circuit de commande 209 faisant en sorte de fermer cet interrupteur de façon que le courant circule à la masse pendant la demi-période positive du signal de sortie du condensa- teur de référence 205. La sortie de l'autre interrupteur 208 est reliée à l'entrée de masse virtuelle d'un ampli- ficateur convertisseur de courant en tension 210, le cir- cuit de commande 209 faisant, dans ce cas, en sorte de fermer cet interrupteur afin que le courant circule dans l'entrée du convertisseur pendant la demi-période négative du signal de sortie du condensateur 205. Le convertisseur 210 comporte une résistance de réaction 211 et un conden- sateur 212- de sorte qu'il agit comme un intégrateur, son entrée positive étant mise à la masse. Les propriétés d'intégration du convertisseur 210 atténuent l'effet de tout signal alternatif parasite qui pourrait être transmis au convertisseur par l'interrupteur 208. Le signal de sor- tie du convertisseur 210 est une tension continue dont l'amplitude V02 est donnée par l'expression suivante V02 = 2VpfC REFRREF () dans laquelle RREF est la valeur de la résistance de réac- tion 211. Le signal de sortie du convertisseur 210 est transmis par un conducteur 213 à une entrée d'un compara- -teur 214 dont l'autre entrée est connectée à une borne de tension de référence stable VREF. Le comparateur 214 applique la tension de sortie au conducteur 203 et règle l'amplitude VI de cette tension,de façon que les deux signaux d'entrée du comparateur soient maintenus égaux, c'est-à- dire de façon que: V02 = REF (II) Ainsi, par exemple, si V02 devait tomber au- dessous de la valeur de VREF en cas de chute de Vp ou de f, le signal de sortie VI du comparateur 214 serait accru. Cela provoquerait à son tour une augmentation de l'ampli- tude maximale Vp du signal de sortie de l'oscillateur 201 qui, comme on peut le voir d'après l'expression (I), aug- menterait d'une façon correspondante la valeur de V021 jusqu'à ce qu'elle devienne égale à VREF. De cette manière, en maintenant constant le produit Vpf, la valeur de V02 est maintenue constante. Le détecteur 3 reçoit par un conducteur non blin- dé 301 le signal alternatif de sortie de l'autre électrode du condensateur 6 du capteur 1. En raison des propriétés d'un condensateur, il est évident que le courant de sortie du condensateur 6 du capteur est en avance de 900 sur le signal de commande. Le signal appliqué au conducteur 301 est transmis aux entrées de deux interrupteurs à semi- conducteurs 302 et 303 qui sont commandés tous deux par le circuit 209 de la même manière que les interrupteurs 207 et 208 du dispositif d'alimentation 2. A cet égard, les interrupteurs 302 et 303 sont ouverts et fermés en opposition de phase l'un par rapport à l'autre et syn- chroniquement en quadrature avec le signal de commande appliqué au conducteur 202. La sortie d'un interrupteur 302 est connectée à un indicateur d'impuretés 8,le circuit de commande 209 faisant en sorte de fermer cet interrup- teur de façon que le courant circule vers l'indicateur d'impuretés pendant la demi-période positive du signal sur le conducteur 301. Si aucune indication d'impuretés n'était nécessaire, l'indicateur 8 serait supprimé et l'interrupteur 302 serait connecté directement à la masse. La sortie de l'autre interrupteur 303 est connectée à l'entrée de masse virtuelle d'un amplificateur convertis- seur de courant en tension 304. Le circuit de commande 209 provoque la fermeture de cet interrupteur 303 (de la même manière que l'interrupteur 208 du dispositif d'alimen- tation 2) de façon que le courant circule vers le conver- tisseur 304 pendant la demi-période négative du signal transmis par le conducteur 301. Le convertisseur 304 com- porte une résistance de réaction 305 et un condensateur 306, de sorte qu'il constitue un intégrateur, son entrée positive étant mise à la masse. Comme pour le convertis- seur 210 du dispositif d'alimentation 2, les propriétés d'intégration de ce convertisseur 304 atténuent l'effet de tout signal alternatif parasite qui pourrait être transmis au convertisseur par l'interrupteur 303, ce qui confère au système une immunité supplémentaire quand au bruit. Le signal de sortie du convertisseur 304 est une tension continue dont l'amplitude V01 est donnée par l'expression suivante V1 = 2VPfCTRT (III) dans laquelle RT est la valeur de la résistance de réac- tion 305, et CT est la valeur de la capacité du condensa- teur 6 du capteur 1. En substituant les expressions (I) et (II) dans l'expression (III), on obtient: Vol = 2CTRTVREF/2CREFRREF (IV) ou VOl (VREFRT/CREFRREF)CT (V) étant donné que les termes VREF CRE RT et REF ont tous des valeurs constantes, alors V01-a C T (VI) L'amplitude de la tension de sortie Vol appliquée à l'indicateur 4-est donc directement proportionnelle à la capacité du condensateur 6 du capteur et par conséquent directement proportionnelle à la hauteur du niveau du car- burant contenu dans le réservoir 5. L'indicateur d'impuretés 7fonctionne d'une façon analogue, excepté qu'il reçoit la composante en phase du signal transmis par le conducteur 301. Des impuretés con- ductrices de l'électricité, comme l'eau, donnent nais- sance à un signal en phase qui est intégré par un ampli- ficateur convertisseur de courant en tension 504 et par sa résistance de réaction 505 et son condensateur 506. La tension de sortie de l'amplificateur 504 est appliquée aux bornes d'un amplificateur à courant continu 509 avec une tension de référence REF 2 établie par des résistances 507 et 508 qui constituent un diviseur de potentiel entre la masse et une source de tension positive. La tension de référence REF 2 établit une limite inférieure spécifique qui peut être dépassée avant qu'une indication soit fournie par l'indicateur d'impuretés. On va décrire maintenant plus en détail le cir- cuit de commande 209 en se référant à la figure 2. Le cir- cuit 209 comporte un amplificateur opérationnel 400 dont l'entrée négative reçoit les signaux d'ondes sinusoïdales de la sortie de l'oscillateur 201 par un conducteur 401. Un condensateur 402 est monté en série sur le conducteur 401 et une résistance 403 est connectée en parallèle à l'entrée négative et à la sortie de l'amplificateur 400 de façon que ce dernier fonctionne comme un différentia- teur. De cette manière, l'amplificateur applique un signal de sortie d'ondes cosinusoldales à un conducteur 404, c'est-à-dire un signal alternatif qui précède de 90 le signal de sortie de l'oscillateur 201. Le signal de sortie de ce différentiateur est appliqué à l'entrée positive d'un comparateur 405 dont l'autre entrée est mise à la masse. Le comparateur 405 délivre un signal d'onde carrée présentant un rapport entre la durée d'une7 impulsion et l'intervalle entre deux impulsions successives de 1: 1, qui est commutée entre ces deux états lorsque le signal passe par 0 à son entrée positive. Le signal de sortie du comparateur 405 est ap- pliqué par un conducteur 406 de façon à commander les interrupteurs 207 et 302, ainsi qu'à l'entrée d'un inver- seur à circuit intégré 407. L'inverseur délivre un signal analogue à onde carrée en opposition de phase avec le si- gnal transmis par le conducteur 406 et l'applique par l'intermédiaire d'un conducteur 408 pour commander les interrupteurs 208 et 203. ta figure 3 représente les formes d'ondes à divers points du système et illustre le fonctionnement des interrupteurs 207, 208 et 303. On voit sur ce dia- gramme que le courant de sortie du capteur 1 est déphasé de 90 par rapport à la tension de commande qui lui est appliquée - le courant de sortie du condensateur de réfé- rence 205 étant également déphasé de 90 . Toutefois, le circuit de commande 209, comme on l'a expliqué plus haut, est destiné à commander la commutation synchroniquement en quadrature avec la tension de commande et par consé- quent provoque une commutation en phase ou en opposition de phase avec les courants de sortie des condensateurs 6 et 205. Les interrupteurs 207, 208, 302 et 303 sont des interrupteurs à semiconducteurs du type RCA CD 4066B, bien qu'il soit possible évidemment d'utiliser d'autres dispositifs de commutation capables de fonctionner à la fréquence nécessaire. Les interrupteurs 207, 208, 302 et 303 fonction- nent comme des détecteurs synchrones et un démodulateur sen- sible à la phase. La disposition des interrupteurs est susceptible de réduire le bruit dans le système et en particulier les signaux parasites en phase avec la ten- sion de commande. Par exemple, une interférence rayonnée en phase avec la tension de commande ne serait pas détectée. Les impuretés contenues dans le carburant peuvent également donner naissance à des signaux parasites si elles entravent l'isolation entre les deux électrodes du condensateur 6 du capteur. Ces signaux parasites sont en phase avec la ten- sion de commande et l'indicateur 4 de carburant est donc capable d'éliminer dans une proportion importante ces signaux,qui par contre sont affichés par l'indicateur d'impuretés7. Le système de la présente invention a l'avan- tage de délivrer un signal de sortie en courant continu qui peut être facilement traité pour le convertir de sa forme analogique à la forme numérique. Le système a également l'avantage de ne pas nécessiter le montage de composants électroniques distincts tels que diodes, condensateurs, résistances, inductances, etc. en dehors du condensateur du capteur placé dans le réservoir. De cette manière, on évite les erreurs qui pourraient être dues à de tels composants par suite de variations de la température à proximité du capteur. Etant donné qu'aucune diode n'est nécessaire, il est inutile d'utiliser une haute tension de commande pour atténuer les effets thermiques qui pour- raient autrement survenir. L'obtention d'une indication de la quantité des impuretés conductrices représente aussi un avantage important,étant donné que ces impuretés peuvent être la cause de graves erreurs dans l'indication de la quantité de carburant présente. Si l'on sait qu'une quan- tité importante d'eau est présente dans le réservoir à carburant, alors il est possible d'en tenir compte lors de la lecture de l'indicateur 4 de carburant ou d'effectuer une compensation. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au système décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, le dis- positif d'alimentation n'a pas besoin d'être du type dé- crit plus haut dans lequel le produit tension-fréquence est maintenu constant. REVENDICATIONS 1. Système de détermination de la quantité de fluide contenue dans un réservoir comprenant un capteur capacitif destiné à être immergé dans un fluide, un dis- positif d'alimentation destiné à délivrer un signal d'en- trée alternatif au capteur de façon que ce dernier dé- livre un signal de sortie alternatif qui varie en fonc- tion du changement de la quantité de fluide, et un cir- cuit détecteur qui est destiné à recevoir le signal de sortie, système caractérisé en ce que le circuit détec- teur (3) comporte un premier interrupteur (303) qui reçoit le signal de sortie et en-ce qu'il est actionné en syn- chronisme et en quadrature avec le signal d'entrée de façon que le premier interrupteur (303) ne transmette qu'une composante de courant unidirectionnel du signal de sortie en fonction de la quantité de fluide, et en ce que le circuit détecteur (3) reçoit la composante de cou- rant unidirectionnel et délivre un signal en courant con- tinu dont l'amplitude varie en fonction de la quantité de fluide. 2. Système selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le circuit détecteur (3) comprend un se- cond interrupteur (302) qui est actionné en opposition de phase avec le premier interrupteur (303), et en ce que le signal de sortie est appliqué à la fois au premier et au second interrupteurs (302 et 303). 3. Système selon la revendication 2, caracté- risé en ce que le second interrupteur (302) transmet une composante du signal de sortie en fonction des impuretés contenues dans le fluide. 4. Système selon la revendication 3, caracté- risé en ce que la composante qui est fonction des impuretés contenues dans le fluide est appliquée à un indicateur (7) qui indique la présence des impuretés. 5. Système selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, caractérisé en ce que le dispositif d'ali- mentation (2) comporte un premier autre interrupteur (208) qui est actionné en synchronisme et en quadrature avec le signal d'entrée. 6. Système selon la revendication 5, caracté- risé en ce que le dispositif d'alimentation (2) comporte un second autre interrupteur (207) qui est actionné en opposition de phase avec le premier autre interrupteur (208). 7. Système selon la revendication 6, caracté- risé en ce que le dispositif d'alimentation (2) comporte un condensateur (205) dont une électrode est reliée pour recevoir le signal d'entrée et dont l'autre électrode est reliée pour délivrer un autre signal de sortie aux deux autres interrupteurs (207 et 208). 8. Système selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que le dispositif d'alimentation (2) comprend un circuit (209) de commande de commutation qui reçoit un signal en réponse au signal d'entrée, ledit circuit de commande (209) comportant un circuit différentiateur qui délivre un premier signal de commande de commutation qui précède de 90 le signal d'en- trée et qui est appliqué pour actionner le premier inter- rupteur (303). 9. Système selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes,caractérisé en ce que le dispositif d'alimentation (2) comporte un oscillateur (201) qui dé- livre le signal d'entrée, et un circuit de réglage (204) qui maintient sensiblement constant le produit de la fré- quence et de-la tension du signal d'entrée. 10. Procédé pour l'obtention d'une indication de la quantité de fluide contenue dans un récipient (5), dans lequel un signal d'entrée alternatif est appliqué à un capteur capacitif (1) qui s'étend dans le récipient, procédé caractérisé en ce qu'un signal de sortie alterna- tif est délivré par le capteur à un circuit intégrateur (304, 305, 306) et en ce que l'application du signal de sortie au circuit intégrateur est alternativement inter- rompue et autorisée en synchronisme et en quadrature avec le signal d'entrée.