Brevet FR2494443A1 — publié le 19820521

La présente invention concerne d'une manière générale un dispositif pour détecter le poids spécifique d'un liquide et plus précisément, un dispositif pour détecter l'état de charge d'une batterie à électrolyte en phase liquide. Dans le passé, le principal procédé de mesure du poids spécifique d'un liquide était d'utiliser un hydromètre. Bien que l'hydromètre fournit une mesure précise du poids spécifique, il est généralement conçu de telle manière qu'il fournisse une série de points d'échantillons séparés dans l'espace et/ou dans le temps. Cependant, il est souhaitable dans de nombreuses situa- tions de disposer d'une lecture continue du poids spécifique d'un liquide particulier. A titre d'exemple, dans l'industrie de la conserverie et de la mise en bouteilles, les sirops doivent répondre à certaines spécifications établies par les règlements administratifs pour permettre une classification comme sirops lourds, sirops légers, etc. Un dispositif capable de mesurer en continu le poids spécifique du sirop de façon très précise permettrait à un industriel de la conserverie ou de la mise en bouteilles de réaliser d'importantes économies en évitant d'ajouter du sucre au sirop afin de répondre plus étroitement aux spécifications adminis- tratives. - Il existe bien sVr un grand nombre d'utilisa- tions pour un dispositif de détection du poids spécifique d'un liquide. Dans le passC, l'un des problèmes fonda- mentaux posés par l'application des batteries à élec- trolyte en phase liquide, telles que des batteries acide-plomb, en tant que source d'énergie pour véhicules électriques, ou pour toute autre application, était l'absence d'indicateur ou de détecteur fiable et précis de l'état de charge de la batterie. L'état de charge de la batterie est défini comme étant la quantité d'énergie restant dans la batterie et pouvant être uti- lisée par une source externe. La tension en circuit ouvert, la tension en charge, et le nombre de kilowatts-heure utilisés depuis la dernière charge de la batterie étaient des paramètres que l'on mesurait avec des dispositifs et des procédés de l'art antérieur, pour tenter de déterminer, sans succès, l'état de charge d'une batterie acide-plomb. Cependant, jusqu'à présent, le seul instrument satis- faisant pour déterminer l'état de charge d'une batterie était l'hydromètre. Mais dans ce cas également, bien que l'hydromètre permette de mesurer le poids spécifique de l'électrolyte de la batterie, pour déterminer son état de charge, il est incapable de fournir une mesure continue de l'état de charge. Un certain nombre d'approches a été envisa- gé pour contrôler en continu le poids spécifique de l'acide d'une batterie. L'une de ces approches consiste à utiliser un flotteur semblable à celui d'un hydromètre normal, mais modifié par l'adaptation d'un détecteur de capacité pour suivre en continu la position du flot- teur. Bien que le niveau de liquide dans la batterie n'affecte pas la mesure fournie par un dispositif de ce type, le flotteur peut facilement être déplacé sous l'effet d'une accélération, d'un choc, ou de vibrations et conduire à une mesure erronée. De plus, ce dispositif présenterait une dur e de vie utile assez limitée du fait qu'il est nécessaire de fixer des conducteurs directement au flotteur dans l'électrolyte acide. Un autre procédé consiste à utiliser un flot- teur immerge pour produire une force verticale, c'est- à-dire un effet de flottabilité, proportionnelle au poids spécifique du liquide. Cependant, ces forces sont très petites, de l'ordre de 10 Newton, et bien qu'elles soient mesurables dans certaines conditions statiques, l'effet d'une accélération, d'un choc, et de vibrations rendrait également cet instrument inutile si la batterie était mise en mouvement. La présente invention a donc pour objet un dispositif pour détecter le poids spécifique d'un liqui- de. L'invention a également pour objet un disposi- tif pour détecter l'état de charge d'une batterie à électrolyte à phase liquide. Un autre objet de l'invention est de fournir un dispositif pour détecter le poids spécifique d'un liquide qui est relativement insensible aux effets d'une accélération, d'un choc ou de vibrations. Un autre objet de l'invention est de fournir un dispositif pour détecter l'état de charge d'une batterie à électrolyte en phase liquide, qui est rela- tivement insensible à l'accélération, aux chocs et aux vibrations. Conformément à l'invention, ces différents objets sont obtenus au moyen d'un dispositif pour détec- ter l'état de charge d'une batterie à électrolyte en phase liquide, comprenant un milieu transparent disposé à l'intérieur de l'électrolyte, ce milieu transparent ayant une densité supérieure à celle de l'électrolyte; une source lumineuse disposée de telle façon qu'elle émette un ensemble de rayons lumineux qui heurtent une surface de ce milieu transparent sous un angle pra- tiquement égal à l'angle critique de réflexion interne totale; et, des moyens de détection des rayons lumineux atteignant cette surface sous l'angle critique de réflexion totale afin de déterminer l'indice de réfrac- tion de l'électrolyte, cet indice de réfraction étant ainsi pratiquement proportionnel à l'état de charge de la batterie. L'invention concerne également un dispositif 3 5 pour détecter le poids spécifique d'un liquide, comprenant un milieu transparent disposé à l'intérieur du liquide, ce milieu transparent ayant une densité supérieure à celle du liquide; des moyens pour émettre des rayons lumineux qui coupent une surface de ce milieu transpa- rent plongé dans le liquide, sous un angle pratiquement égal à l'angle critique de réflexion interne totale tel qu'il soit déterminé par le rapport des indices de réfraction du milieu transparent et du liquide; et, des moyens pour détecter les variations de l'angle critique de réflexion interne totale, représentatif des variations de l'indice de réfraction du liquide, cet indice de réfraction étant pratiquement proportion- nel au poids spécifique du liquide. La présente invention concerne également un dispositif pour détecter le poids spécifique d'un liquide, comprenant un milieu transparent ayant une surface d'interface et une surface de détection, ce milieu transparent étant disposé de telle manière que la surface d'interface soit plongée dans le liquide; une source lumineuse ponctuelle disposée de façon à émettre des rayons qui coupent la surface d'interface, sous un angle se trouvant dans une gamme comprenant l'angle critique de réflexion interne totale, de telle manière que des rayons réfléchis à partir de cette sur- face, sous des angles égaux ou supérieurs à l'angle critique de réflexion interne totale, aient une inten- sité supérieure à celle des rayons réfléchis à partir de cette surface d'interface, sous des angles inférieurs à l'angle critique de réflexion interne totale; et, des moyens pour détecter l'amplitude du déplacement, le long de la surface de détection, d'une variation d'intensité de ces rayons réfléchis à partir de la surface d'inter- face, cette amplitude du déplacement étant pratiquement proportionnelle au poids spécifique du liquide. L'invention concerne également un dispositif pour détecter l'é tat de charge d'une batterie à élec- trolyte en phase liquide, comprenant un milieu trans- parent ayant une surface d'interface et une surface de détection, ce milieu transparent étant disposé de telle manière que la surface d'interface soit prolongée dans l'électrolyte; une source lumineuse ponctuelle disposée de façon à émettre des rayons qui coupent la surface d'interface sous un angle se trouvait dans une gamme comprenant l'angle critique de réflexion interne totale, de telle sorte que des rayons réfléchis à partir de cette surface, sous des angles supérieurs ou égaux c l'angle critique de réflexion interne totale, aient une intensité supérieure à celle des rayons réfléchis à partir de cette surface d'interface, sous des angles inférieurs à l'angle critique de réflexion interne totale; et, des moyens pour:détecter l'amplitude du déplacement, le long de la surface de détection, d'une variation d'intensité de ces rayons réfléchis à partir de la surface d'interface, cette amplitude du déplacement étant pratiquement proportionnelle à l'état de charge de la batterie. En conséquence, la présente invention concerne un dispositif permettant de suivre en continu le poids spécifique d'un liquide de façon régulière et très précise au moyen d'un dispositif simple et économique. Ce dispositif est également capable de mesurer en continu l'état de charge d'une batterie dans des applications telles que des véhicules électriques alimentés par une batterie et d'autres dispositifs o il est souhaitable de connaître le potentiel énergétique de la batterie. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la des- cription qui suit, donnée à titre explicatif mais nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une représentation schéma- tique du mode de réalisation préféré de l'invention pour détecter l'état de charge d'une batterie; - la figure 2 est un graphique de l'indice de réfraction calculé de l'électrolyte de la batterie, dans le cas d'une batterie acide-plomb, en fonction de l'état de charge de la batterie; - la figure 3 est un graphique représentant l'énergie transmise en fonction de l'angle d'incidence pour une onde réfractée et pour une onde réfléchie, illustrant l'importante variation d'intensité pour l'angle critique; - la figure 4 est une variante du dispositif de mesure de l'état de charge d'une batterie; et, - la figure 5 est une autre variante de dis- positif de mesure de l'état de charge d'une batterie. La figure 1 représente la réalisation préférée du dispositif de l'invention pour détecter l'état de charge d'une batterie à électrolyte en phase liquide. Le dispositif représenté sur la figure 1 et sur les figures 4 et 5 peut également être utilisé pour détecter le poids spécifique de n'importe quel liquide souhaité, y compris des électrolytes de batterie. Conformément à l'invention, le terme de liquide désigne n'importe quelle matière visqueuse dont l'indice de réfraction change lorsque sa densité varie. La figure 1 représente une vue en coupe d'une cellule unique d'une batterie à électrolyte liquide telle qu'une batterie acide-plomb. Elle montre le bottier de la batterie 10, le capuchon de batterie 12, et l'électrolyte de batterie 14. Un joint 16 est disposé entre le bottier de batterie 10 et le capuchon de batterie 12 comme dans les batteries acide-plomb clas- siques, utilisées dans l'industrie automobile. Le dispositif de l'invention, tel qu'illustré sur la figure 1, est directement incorporé dans le capuchon de batterie 12. En conséquence, le dispositif de l'invention peut être installé dans des batteries acide-plomb de type classique, en remplaçant le capu- chon de batterie ordinaire par le capuchon de batterie 12 contenant le dispositif de l'invention. La figure 1 illustre le milieu transparent 18 qui présente une densité supérieure à celle de l'êlec- trolyte 14. Le milieu transparent 18 peut être constitué de verre, de quartz, ou d'autres matières transparentes qui sont résistantes aux acides. Le milieu transparent 18 est fixé ou peut être inséré dans le capuchon de batterie 12, comme le montre la figure. Le milieu transparent 18 doit être capable de transmettre des faisceaux lumineux 20 produits par une diode électro- luminescente 22 ou par n'importe quelle source de lu- mière appropriée. La diode électroluminescente 22, représentée dans la figure 1, est reliée à une source de courant par l'intermédiaire d'un connecteur 24 qui est fixé ou inséré dans le capuchon de batterie 12. La lumière produite par la diode électroluminescente 22 est dirigée par un biseau 26 de façon à produire une "source ponctuelle" de lumière dirigée vers la surface de l'interface 28 du milieu transparent 18. Le terme de "source ponctuelle" tel qu'il est utilisé ci-dessus désigne une source de lumière pratiquement ponctuelle par opposition à une source de lumière ponctuelle théorique. Un détecteur 30 est fixé sur la surface détec- trice 32 du milieu transparent 18. La sortie du détec- teur 34 fournit un signal électronique à l'électronique de détection. En mode de fonctionnement, la diode électro- luminescente 22 émet.dés rayons lumineux 20 qui coupent la surface 28 sous un angle pratiquement égal à l'angle 24e4443 critique de réflexion interne totale, c'est-à-dire sous un angle inférieur, égal ou supérieur à l'angle cri- tique de réflexion interne totale. La loi de Snell établit que l'angle critique de réflexion interne totale est l'angle pour lequel il se produit une réflexion interne totale et il est déterminé par le rapport des indices de réfraction des deux milieux, c'est-à-dire du milieu transparent 18 et de l'électrolyte 14. L'angle critique de réflexion interne totale est mesuré par rapport à un plan normal à la surface d'interface 28. Un rayon lumineux 36 qui peut être l'un des rayons lumineux 20 coupe la surface d'interface 28 sous un angle inférieur à l'angle critique de réflexion interne totale. Le rayon 36 est réfracté dans l'électrolyte 14 en donnant un rayon réfracté 38. Le rayon 36 est également partiel- lement réfléchi par la surface d'interface 28 en donnant un rayon réfléchi 40. Les rayons 42 et 44 coupent la surface d'interface 28 sous des angles égaux ou supé- rieurs à l'angle critique de réflexion interne totale et sont totalement réfléchis par la surface d'interface 28. Les rayons 40, 42 et 44 sont totalement réfléchis par la surface réfléchissante 46 sur la surface de détection 32. Comme le rayon 36 se sépare en un rayon réfracté 38 et en un rayon réfléchi 40, le rayon réfléchi 40 possède une intensité très inférieure à celle des rayons 42 et 44 qui ont subi une réflexion interne totale à la surface de l'interface 28. Le détecteur 30 fournit un signal à l'électronique de détection qui indique l'amplitude du déplacement, le long de la surface de détection 32, de la variation d'intensité entre le rayon 40 et les rayons 42 et 44. Bien que les rayons , 42 et 44 soient représentés sous forme de rayons de lumière individuels, la diode électroluminescente 22 produit en réalité un ensemble continu de rayons de telle manière que le détecteur 30 peut fournir une mesure très précise de l'amplitude du déplacement de la variation d'intensité de l'ensemble continu de rayons, projetés sur la surface 32 du détecteur. Comme le montre clairement la figure 1, l'am- plitude du déplacement de la variation d'intensité de l'ensemble continu de rayons 20, projetés sur la surface 32 du détecteur, est une indication directe de l'angle critique de réflexion interne totale. La valeur de l'angle critique de réflexion interne totale est proportionnelle à une fonction du rapport des indices de réfraction du milieu transparent 18 et du liquide environnant, comme l'électrolyte 14 représenté dans la figure 1. Comme l'indice de réfraction du milieu transparent 18 est constant, l'amplitude du déplacement de la variation des intensités de l'ensemble continu des rayons, projetés sur la surface 32 du détecteur est une fonction de l'indice de réfraction de l'électro- lyte 14. Par ajustement d'une courbe des données fournies par le Handbook of Chemistry and Physics, on peut établir que l'indice de réfraction de l'électrolyte, dans le cas d'une batterie acide-plomb est donné par: n = 1,333 + 0,00123 X (1) ot X est égal au pourcentage pondérai de H2S04. L'état de charge C de la batterie est donné par C = 770 (p - 1,15) (2) olû est le poids spécifique donné par P = 1 + (0,00491X)1,117 (3) Ces équations donnent C en fonction de: C = 770 (8,59 (n - 1,333)1117 - 0, 150) (4) Une très bonne approximation de l'équation ci-dessus est donnée par: C = 5000 (n - 1,3586) (5) La figure 2 est un graphique représentant le pourcentage de charge (C) ou l'état de charge de la batterie en fonction de l'indice de réfraction (n) de l'électrolyte sur la base de l'équation 5. Comme le montre la figure 2, l'état de charge de la batterie est très proche d'une fonction linéaire de l'indice de réfraction de l'électrolyte. L'angle critique c est calculé selon l'équation suivante: sin 0c = n2/ n1 (6) dans laquelle n1 est l'indice de réfraction du liquide et 2 est l'indice de réfraction du milieu transparent. Pour une batterie chargée à 50 % de son état de charge maximum, l'indice de réfraction de H2SO4 est de 1,37. Lorsqu'on utilise du verre avec un indice de réfraction de 1,514 à 6 700 A, par exemple, l'angle critique est donné par: sin 0 = 1,37/1,514 c -l 0 = sinm 0,9049 c OC = 64,80 Pour les rayons lumineux arrivant à des angles supérieurs à 64,8 par rapport au plan normal à la sur- face d'interface 28 de la figure 1., on obtient une réflexion interne totale de 100 %. Pour des rayons lumineux intersectant la surface de l'interface 28 a des angles inférieurs à 64,80, dans le cas de l'exemple ci-dessus, une partie du rayon est réfléchie alors que la partie restante est réfractée dans l'électrolyte de la batterie. Ceci provoque une importante variation de l'intensité lumineuse à la surface 32 du détecteur, semblable à la variation donnée par un bord franc, % de la lumière étant réfléchie sur un coté du bord, et généralement moins de 50 % étant réfléchie sur l'autre c3té. La position du bord se déplace lorsque l'angle critique varie sous l'effet d'une variation de l'indice de réfraction de l'électrolyte de la batterie. La figure 3 illustre la façon dont le bord franc d'intensité est produit sur la surface 32 du détec- teur. Elle représente un graphique donnant le pourcentage il d'énergie transmise dans une onde réfractée et une onde réfléchie pour divers angles d'incidence mesurés par rapport à un plan normal à l'interface verre/air. Ce graphique est tiré de Physics, chapitres I et II, P. 1028 de David Halliday et Robert Resnick, John Wyle and Sons, Seconde Edition, 1966. Une courbe analogue est produite par des interfaces verre/électrolyte, plastique/ électrolyte, etc. Comme le montre la figure 3, aux faibles angles d'incidence, l'onde réfractée présente une intensité d'environ 90 % à 95 % alors que l'onde réfléchie a une intensité d'environ 5 % à 10 %. A environ 40 , c'est- à-dire pour un angle pratiquement égal à l'angle criti- que, on observe une importante variation de l'intensité qui produit le bord franc sur la surface du détecteur 32, comme décrit ci-dessus. La figure 4 illustre une variante du mode de réalisation de la présente invention. Comme le montre cette figure, une diode laser électroluminescente 50 émet un faisceau de lumière cylindrique à travers le milieu transparent 52 constitué de verre, de quartz ou d'un autre milieu transparent, depuis un point situé au-dessus de la batterie de façon à ce qu'un seul faisceau de lumière 54 soit réfléchi par les surfaces réfléchissantes 56 et 58. Le faisceau 54 pénètre dans l'électrolyte et est réfracté à la surface 62 en fonction du rapport des indices de réfraction du milieu transparent 52 et de l'électrolyte 64. Le faisceau réfracté 54 pénètre de nouveau dans le milieu transparent et est transmis au détecteur 66 qui mesure l'amplitude du déplacement du faisceau, le long de la surface du détecteur 68, celle-ci étant représentative de l'indice de réfraction de l'électrolyte 64. Le système représenté sur la figure 4 indique également automatiquement l'abaissement du niveau de l'électrolyte résultant de la variation de position du faisceau qui se propage dans l'air et non dans l'électrolyte. qn notera que le dispositif de la figure 1 peut également indiquer l'abaissement du niveau d' électrolyte dans la batterie, ceci se traduisant par une importante variation de l'angle critique de réflexion interne totale. La figure 5 illustre une variante du mode de réalisation représenté sur la figure 4. Une diode laser ou électroluminescente 68 projette un faisceau cylindri- que qui est réfléchi sur une surface réfléchissante 70, projeté à travers l'électrolyte 78 et transmis vers le détecteur 72. La déviation du faisceau sur le détec- teur 72 qui résulte de la réfraction à la surface 74 indique une variation de l'indice de réfraction de l'électrolyte 78. Bien que les figures 1, 4 et 5 illustrent l'application de la présente invention dans une batterie pour mesurer le poids spécifique d'un électrolyte afin de déterminer l'état de charge de cette batterie, on notera qu'en ajustant de façon appropriée les angles, cet instrument peut être utilisé pour contrôler in situ un grand nombre de processus physiques dans lesquels l'indice de réfraction peut servir comme indicateur. En outre, chacun des modes de réalisation des figures 1, 4 et 5 utilise au moins une surface réfléchissante pour renvoyer les faisceaux vers le haut de façon à fournir un dispositif à une seule extrémité. On notera que dans les cas o l'on peut accéder à une autre surface du liquide, la présente invention peut être réalisée sous forme d'un dispositif à deux extrémités. L'invention fournit donc un dispositif pour détecter le poids spécifique d'un liquide et un disposi- tif pour détecter l'état de charge d'une batterie à électrolyte en phase liquide, qui présente une haute précision et qui est de réalisation peu onéreuse. De plus, l'invention concerne un dispositif entièrement électronique qui ne comporte pas de pièces mobiles et par conséquent, qui n'est pas sensible aux chocs, aux vibrations, aux accélérations ou aux déplacements de la surface du liquide. En outre, les éléments électro- niques de l'invention sont physiquement séparés du liquide soumis à la mesure tel que l'électrolyte acide. Les éléments électroniques sont par conséquent protégés de la corrosion due à l'acide de la batterie. De même, le liquide est protégé de toute contamination. La seule partie du dispositif de l'invention qui soit en contact physique réel avec l'électrolyte de la batterie est le milieu transparent qui est conçu pour résister à l'acide de la batterie ou à tout autre liquide soumis à la mesure. La description ci-dessus du mode de réalisation préféré de l'invention a été présentée à des fins d'illustration et de description. Elle n'est pas censée être exhaustive ou limiter l'invention à la forme particulière décrite et il est clair que des modifica- tions et des variantes sont possibles)compte tenu des directives données ci-dessus. Le mode de réalisation a été choisi et décrit pour expliquer les principes de l'invention et son application pratique, afin de permet- tre aux spécialistes d'utiliser au mieux la présente invention dans divers modes de réalisation et avec diverses modifications jugées appropriées à l'utilisa- tion particulière envisagée. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour détecter le poids spécifi- que d'un liquide, caractérisé en ce qu'il comprend: - un milieu transparent (18) ayant une surface d'interface (28) et une surface de détection (32), ce milieu transparent étant disposé de telle manière que la surface d'interface soit plongée dans le liquide (14); - une source de lumière ponctuelle (22 et 26) disposée de façon à émettre des rayons qui coupent la surface d'interface, sous un angle se trouvant dans une gamme comprenant l'angle critique de réflexion interne totale, de telle sorte que des rayons réfléchis à partir de cette surface, sous des angles égaux ou supérieurs à l'angle critique de réflexion interne totale, présen- tent une intensité supérieure à celle des rayons réflé- chis à partir de cette surface d'interface, sous des angles inférieurs à l'angle critique de réflexion interne totale; et, - des moyens pour détecter (30) l'amplitude ' du déplacement, le long de la surface de détection, d'une variation. d'intensité de ces rayons réfléchis à partir de la surface d'interface, cette amplitude du déplacement étant pratiquement proportionnelle au poids spécifique du liquide. 2. Dispositif pour détecter l'état de charge d'une batterie à électrolyte en phase liquide, carac- térisé en ce qu'il comprend - un milieu transparent (18) ayant une surface d'interface (28) et une surface de détection (32), ce milieu transparent étant disposé de telle façon que la surface d'interface soit plongée dans l'électrolyte; - une source de lumière ponctuelle (22 et 26) disposée de façon à émettre des rayons qui coupent la surface d'interface sous un angle se trouvant dans une gamme comprenant l'angle critique de réflexion interne totale, de telle manière que des rayons réfléchis à partir de cette surface, sous des angles égaux ou supérieurs à l'angle critique de réflexion interne to- tale, présentent une intensité supérieure à celle des rayons réfléchis à partir de cette surface d'interface, sous des angles inférieurs à l'angle critique de réflexion interne totale; et, - des moyens pour détecter (30) l'amplitude du déplacement, le long de la surface de détection d'une variation d'intensité de ces rayons réfléchis à partir de la surface d'interface, cette amplitude du déplace- ment étant pratiquement proportionnelle à l'état de charge de la batterie.