Brevet FR2543293A1 — publié le 19840928

L'invention concerne un dispositif de mesure destiné à l'évaluatin niveaux dans les réservoirs ou cuves. Ce dispositif convient à tout t: de jaugeage et s'adapte particulièrement bien à la mesure du volume d carburant contenu dans les réservoirs des véhicules automobiles. Le principe retenu est celui de la sonde capacitive, connu depuis for longtemps, il est à la base de nombreux brevets. Une sonde constitue la capacité de mesure qui varie en-fonction de la hauteur de produit dans la cuve. Les problèmes inhérant aux dispositifs de mesure de niv capacitifs se posent à divers degrés: - Choix d'un paramètre évoluant avec la capacité à mesurer dans un système où les autres paramètres interviennent trés peu. Par exemple, la demande de brevet Smith Industries Limited U.K. NO 40 350 du 12 Ocl 1978 décrit un système travaillant en fréquence et en amplitude.La demande de brevet déposée aux U.S.A. par Joseph E. Donnelly le 25 Juix 1973 sous le numéro 373363 décrit un ensemble dont le signal de sortie est indépendant de la tension d'alimentation, tout en recherchant l'iz dépendance vis à vis des capacités parasites. La demande de brevet déy sée en République Fédérale d'Allemagne par N. Treier Otto le 28 Janvie 1976 sous le numéro P 26 03 185 6 propose un circuit indépendant de le fréquence et de la tension d'alimentation. La demande de brevet dépose aux U.S.A. le 13 Novembre 1979 sous le numéro 093 392 par la Sté Magné International Incorporated (inventeur :Lawrence Butler Townsend) décri un système indépendant de la température. - Recherche d'un dispositif délivrant un signal proportionnel au volum ou au niveau avec une bonne linéarité. La linéarité peut être obtenue un système délivrant un signal linéaire en fonction de la variation de la capacité de mesure, par exemple demande de brevet Jaeger publiée en France sous le numéro 2 447 555. La linéarité peut aussi être fonct du réservoir en utilisant des électrodes adaptées, par exemple demande de brevet déposée en République Fédérale d'Allemagne le 1er Aout 1980 sous le numéro P 30 29 352 8 par Endures6 Mauser Gmbh. et demandes de brevet déposéesen République Fédérale d'Allemagne sous les numéros P 28 03 863 3 et P 28 24 144 3 par la Sté V.D.O. Adolf Schindling.La demande de brevet déposée aux U.S.A. le 1er Octobre 1979 sous le numér o80 556 par la Sté Rockwell International Corporation fait état d'un dispositif doté d'une table de linéarisation mémorisée. - Enfin, et c'est le point le plus délicat, on peut chercher à obtenir un signal représentatif du niveau qui ne soit pas influencé par la var tion de constante dielectrique du produit mesuré en utilisant une électrode de compensation. Par exemple demande de brevet de Smith Industries Limited précitée, demande de brevet en République Fédérale d'Allemagne déposée le 5 Mars 1979 sous le numéro P 29 o8 449 9 par la Sté V.D.O. Adolf Schindling, etc.. D'autres problèmes moins importants naissent de l'utilisation de ce principe demesure. L'invention vise à résoudre toutes ces difficultés en proposant un circuit électronique permettant la réalisation de capteurs capacitifs: - indépendants des tensions d'alimentation, des fréquences d'oscillateur, de la température. - intégrants simplement une compensation fonction de la constante diélectrique du produit, permettant de mesurer le niveau. - permettants d'obtenir un signal de sortie linéaire, soit en fonctiop du niveau soit en fonction du volume soit en fonction d'un autre paramètre. - extrêmement simples et pouvant à précision inégalable rivaliser du point de vue du prix avec les détecteurs de niveau de carburant actuellement utilisés sur les véhicules. Pour arriver à un tel résultat, la présente invention propose un circuit de mesure caractérisé par le fait qu'il comprend: - un multivibrateur astable, - un dispositif chargeant et déchargeant le condensateur constitué d'armatures constamment immergées dans le produit et destinées à la compensation en fonction de la constante diélectrique1 la charge et la décharge commandées par le multivibrateur astable se faisant au travers d'une résistance déterminée, à une tension nulle pour la décharge, et à une tension continue produite en un point du circuit pour la charge, -.un dispositif redressant le signal produit sur la capacité de référence' donnant une image de la tension de crête et produisant une tension inversement proportionnelle à la constante diélectrique du produit et intégrant éventuellement une compensation en température - un dispositif chargeant et déchargeant deux capacités, une de référence et une de mesure constituée en tout ou partie par la sonde, au travers d'un potentiomètre-ou de ce qui peut en faire office; et respectivement de deux éléments résistifs; variables ou non, la charge et la décharge étant commandées par le multivibrateur astable et se faisant à une tension référencée nulle pour la décharge et à la tension produite par le dispositif précédent pour la charge. - un dispositif effectuant la détection de crête des tensions au niveau des points de jonction entre les éléments résistifs et les condensateurs de mesure et de référence et donnant une image des tensions de crête des condensateurs, - un amplificateur différentiel délivrant une tension de sortie proportionnelle à la différence de tension entre les tensions de crête redres sées et pouvant être traitée par ailleurs pour donner le signal de sortie souhaité, - une alimentation régulée de préférence monolithique alimentant un dispositif produisant une tension continue, dépendante de la tension de sortie de l'amplificateur précédent , et alimentant le dispositif de charge ou de décharge du condensateur de compensation de constante diélectrique; ce dernier moyen étant destiné à effectuer la linéarisation. Ces moyens et dispositifs ne sont pas tous nécessaires au fonctionnement d'un capteur de niveau capacitif. Ainsi il n'est pas forcément obligatoire d'avoir une linéarisation dans le cas de variation relative faible de capacité. De même, une compensation en fonction de la constante diélectrique n'est pas dans tous les cas indispensable. Le montage de base est constitué de: - une alimentation régulée > monolithique de préférence, - un multivibrateur astable, - un dispositif chargeant et déchargeant la capacité de mesure et une capacité de référence, commandé par le multivibrateur effectuant la charge à la tension délivrée par le régulateur de tension et la décharge à tension nulle au travers de deux élémen L'invention et la justification denses caractéristiques annoncées est décrite ci-après en détail à l'aide de quelques exemples non limitatifs. Les figures annexées en sont l'illustration: La figure 7 décrit le schéma de base à partir duquel on peut utiliser un certain nombre de moyens pour obtenir les fonctions souhaitées. La figure 2 décrit le schéma d'une sonde capacitive à alarme originale et offrant une souplesse d'utilisation peu communne. La figure 3 décrit le schéma d'une sonde capacitive de mesure sans linéarisation ni compensation de constante diélectrique. La figure 4 décrit une sonde de mesure ayant une compensation de constante diélectrique. La figure 5 décrit une sonde de mesure convenant par exemple pour l'automobile, ayant une compensation de constante diélectrique, un circuit de linéarisation et une sortie en courant. La figure 1 permet de comprendre le fonctionnement de base: la tension Vs est une tension continue, non régulée, compatible avec le fonctionnement du multivibrateur astable (1) et du régulateur de tension (2). Le multivibrateur, par exemple un circuit de type 555 monté en astable, fournit un signal rectangulaire dont le rapport cyclique et la fréquence sont indépendants de la tension d'alimentation. Le régulateur de tension, par exemple un circuit monolithique de type 78 L 05, fournit une tension continue stable et indépendante de la température au montage push-pull constitué des transistors (7) et (8), des résistances (4) et (5) et des condensateurs (3) et (6) qui permettent la commutation.On pourrait utiliser des transistors MOS Quand la sortie du multivibrateur est haute, elle est plus haute que la tension de l'émetteur du transistor (7) donc celui-ci ne conduit pas mais le transistor (8) conduit et,étant saturée, la tension collecteur-émettear est triés faible (inférieure a' 0,1 Volt). Quand la sortie du multivibrateur est basse, le transistor (8) ne conduit plus mais le transistor (7) devient passant et saturé, et la tension sur son collecteur est quasiment égale à la tension fournie par le régulateur de tension.On a donc là un système qui à l'aide des composants (3,4,5,6) délivre un signal rectangulaire de rapport cyclique et de fréquence fixe, soit à la tension nulle, soit à la tension du régulateur. Les condensateurs (11) et (13) se chargent et se déchargent donc au travers des résistances (10) et (12) selon deux lois exponentielles. Si le temps de décharge est suffisamment long pour- que la tension sur les condensateurs revienne à O Volt au bout de ce temps, la loi de croissance de la tension des condensateurs quand la tension du push-pull devient haute est: t = O quand le push-pull devient haut. Au bout d'un temps Tm de montée, la tension sur le push-pull retombe à zéro et la tension sur les condensateurs devient: t = 0 quand le push-pull devient bas. sil est le temps pendant lequel le push-pull reste bas et qu'il est te: que: au bout de ce temps les tensions sur les condensateurs reviennent quasi ment à zéro (à moins de 2X de la tension de crête) et les tensions de crête peuvent s'écrire: --~~~~~~~ = 12 = e 75rt) Les transistors (14) et (17) montés en diode permettent de donner sur l entrées différentielles du dispositif (20) des tensions égales à: Si les tensions RE 14 et VHE 17 sont égales ou trés proches et le res tent en température - on prend justement des transistors pour obtenir ci résultat - la différence de tensionVA' VB est éale à: Le condensateur (13) peut être constitué de la sonde de mesure, donc sa valeur va augmenter en fonction du niveau. Elle passera à vide d'une valeur C13 à une valeur C13 + AC13. On peut ajuster les résistances (10 et (11) pour faire en sorte qu'à videg A - VB soit nul.Donc la tension VA -VB sera, pour une variation faible de C13: On montre aisément que le maximum de sensibilité est obtenu quand Tm = R12 . C13 , l'expression devient alors: Ce développement montre plusieurs choses: - La tension recueillie est toujours proportionnelle à la tension d'ali mentation du push-pull à condition que le temps de décharge soit assez long. - La tension est indépendante de la fréquence et est peu influencée par des variations du temps Tm, dans la mesure où l'on reste à - 5% autour de R1t.C13. Donc, il n'y a qu'un seul temps à controler, ce qui est tré facile vu le niveau de précision demandé. TEXTE NON PUBLIE tionnel à la hauteur de produit contenu dans le réservoir. Ce circuit peut être utilisé dane le cas de la mesure de niveau, dans un réservoir cylindrique, de produits dont les constantes diélectrique6 sont proches et varient peu. Le potentiomètre permet d'ajuster le signal au zéro, quant aux condensateurs (57,58,59,60) ils permettent, grâce à une commutation, de faire en sorte que la variation relative de capacité de mesure ne soit pa supérieure à 20% afin que le signal reste suffisamment linéaire en fonction du niveau. Les dispositifs (67) et (68) sont un amplificateur différentiel et un organe de traitement délivrant par exemple un signal 4-20 mA. La figure 4 décrit un système de mesure avec compensation de constante diélectrique. Le circuit intégre, comme le précédent, le multivibrateur (69), le régulateur de tension (70), le push-pull (86,87), le condensateur de référence (91), le condensateur de mesure (93), les résistances de charge (90 et 92), le potentiomètre d'ajustage de zéro (89), le traitement du signal (700 et 101). Ce circuit utilise la particularité de la méthode de mesure retenue qui est de délivrer un signal proportionnel à la tension positive du push-pull.Le régulateur de tension (70) alimente un premier push-pull commandé par le multivibrateur (69). Le pushpull charge et décharge un condensateursformé d'armatures toujours immergées dans le produit dont on mesure le niveau, dont la capacité évolue linéairement en fonction de la constante diélectrique. La tension de crête sera, dans une gamme de variation de constante diélectrique donnée représentative à une constante près de la constante diElectrique du produit. Sans ou avec liaison (80) le dispositif (81) alimente donc le second push-pull dit push-pull de mesure- avec une tension inversement proportionnelle à la constante diélectrique du produit. On a vu que Let C93, pour une hauteur donnée de produit, est proportionnel à la constante diélectrique du produit. Si vR est rendu inversement proportionnel à cette même constante diélectrique, alors VA' - VB'est indépen- dant de la constante diélectrique et ne dépend que de la hauteur de produit dans le réservoir. La figure 5 est un schéma électronique d'une sonde ayant les caractéristiques de la précédente mais ayant de plus une linéarisation. Ce type de sonde est adapté aux mesures où il est nécessaire d'effectuer une compensation de constante diélectrique et une linéarisation en fonction de la forme du réservoir. Le type de mesure décrit par l'invention s'y prête parfaitement. On distingue aisément sur ce schéma la partie push-pull de mesure (127, 128), le condensateur de mesure (132) et le condensateur de référence (136), la détection de crête (133, 134, 137, 138), l'amplificateur différentiel (171, 139, 140, 141, 142), le multivibrateur astable (106). En outre,on remarque: une protection d'entrée (102, 103, î04, 105) destinée à protéger le circuit des pollutions électriques, un dispositif alimentant le push-pull de mesure avec une tension inversement proportionnelle à la constante diélectrique du produit (107 à 121), une sortie en courant (145 à 148). Mais on observe que le régulateur de tension n'alimente plus directement le premier push-pull, il alimente ici un dispose tif destiné à linéariser la tension de sortie en fonction du volume contenu dans le réservoir. On voit que le régulateur (149) alimente une série de ponts diviseurs résistifs (152-154, 153-155, 156-139, etc.). Ils sont tels que: R 152 = R 153 R 154 = R 155 R 156 = R 157 R 159 = R 160 Un autre pont 165-166 est unique. L'amplificateur (172) qui alimente avec la tension VLI le premier pushpull est monté de telle sorte que VLI est égale à k fois la tension au point commun des résistances (165,166). Quand9C est inférieure à la tension VE' , au point commun des résistances (157 et 160), la tension, à la tension directe de diode près, est égale à la tension de sortie\IC. QusndVC devient supérieure àVE', VE devient et reste égale à\E'. De même. quand est inférieure àVD', \ID est égale à\lD' puis suit\(C quand Vc devient supérieure àYD', à la tension de conduction de diode près. Les rapports entre les résistances (162 et 170) déterminent l'influence de la linéarisation. Le double pont permet d'éliminer l'influence de la tension du pont sur la tension de sortie de l'amplificateur de linéarisation, seule la piffé rence entre les deux points du pont agit sur la tension VLI. On dispose ainsi d'un système agissant sur une tension en fonction de la tension de sortie à des seuils déterminés, avec des gain6 déterminés et dans des sens souhaités. Un simple réseau de résistances, particulier à un type de réservoir suffit. La tension VLI est ainsi réinjectée sur le premier push-pull et elle ne dépend que de la forme du réservoir. La tension de sortie de l'amplificateur (121) dépend de la forme du réservoir et est, dans une gamme donnée, proportionnelle à la constante diélectrique du produit mesuré. Ces exemples de réalisation, non limitatifs, démontrent la simplicité de l'invention et ce qu'elle apporte par rapport a ce qui existe. Tous les problèmes posés par l'utilisation d'une sonde capacitive sont ainsi résolus et son usage dans le domaine automobile est rendu possibl REVENDICATIONS 1 - Dispositif de mesure capacitif de niveau de produit dans un réservoir ou dans une cuve comportant une sonde (13) constituant la capacité de mesure qui varie en fonction de la hauteur de produit dans le réservoir et caractérisé en ce qu'il comporte: un multivibrateur astable (1) produisant un signal rectangulaire; une alimentation régulée (2); un dispositif (3 à 8) chargeant et déchargeant deux capacités (11 et 13), une constituée en tout ou partie par la sonde l'autre étant une capacité de référence, au travers éventuellement d'un potentiomètre et de deux éléments résistifs (10 et 12) ajustables ou hon,la charge et la décharge étant commandées par le multivibrateur astable (1),la charge se faisant à la tension de l'alimentation régulée la décharge à une tension référencée nulle; un dispositif (14 à 19) effectuant le redressement des tensions apparaissant au niveau des points communs A et B entre les éléments résistifs et respectivement le condensateur de mesure (13) et le condensateur de référence (11) et donnant l'image continue des tensions de crête; un dispositif (20) sensible à la différence des tensions de crête. 2 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dispositif chargeant et déchargeant la capacité est un push-pull constitué de deux transistors bipolaires (7 et 8) fonctionnant en régime sature. 3 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dispositif chargeant et déchargeant les capacités Il et 13 est un pushpull constitué de deux transistors MOS. 4 - Dispositif selon les revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le dispositif de redressement est constitué de deux transistors (14 et 17t montés en diode-et de deux condensateurs (15 et 18). 5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le dispositif (20) sensible à la différence de tensions de crête redresses est un amplificateur différentiel délivrant un signal proportionnel à cette différence. 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le dispositif (20) sensible à la différence des tensions de crête redressées est un comparateur qui délivre un signal tout ou rien utilisable pour une alarme. 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce qu'il comprend: un dispositif (72 à 75b) chargeant et déchargeant un condensateur (77) constitué d'armatures constamment immergées dans le fluide et destiné à la compensation de constante dié lectrique, la charge et la décharge commandées par le multivibrateur astable (69) se faisant au travers d'une résistance (76) déterminéewà la tension référencée nulle pour la décharge et à la tension du régulateur de tension (70) pour la charge; un dispositif (78, 79, 81) redressant le signal produit sur la capacité de compensation de constante diélectrique et produisant une tension inversement proportionnelle à la constante diélectrique du produit dont on mesure le niveau, cette tension pouvant être de plus compensée en température; un dispositif (82 à 87) chargeant et déchargeant deux capacités (91 et 93) une constituée en tout ou partie par la sonde (93) l'autre par une capacité de référence (91,ou 17j décrite dans la revendication 1, ce dernier dispositif étant cette fois alimenté par la tension du dispositif produisant une tension inversement proportionnelle à la constante diélectrique du produit dont on mesure le niveau. 8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu'un organe constitué d'une alimentation régulée (149) connecté à un ensemble dépendant du signal provenant du dispositif sensible à la différence de détection de crête (139 à 142, 171) remplace le régulateur de tension fixe des revendications 1 à 7 et délivre une tension telle que le signal de sortie est linéaire soit en fonction du volume, soit en fonction de la hauteur ou d'un autre paramètre. 9 - Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce que l'ensemble de linéarisation comprend, outre le régulateur de tension monolithique (149), un amplificateur opérationnel 172, un pont diviseur résistif (765,166), un ou plusieurs ponts diviseurs doubles (152-154, 153-t55, 156-159, 157-160 tels que la résistance 152 est égale à la résistance 153, la résistance 154 est égale à la résistance 155, la résistance 156 est égale à la résistance 157, la résistance 159 est égale à la résistance 160), des diodes(151 et 158) reliant l'un des deux points (D-et E) équivalents des ponts doubles à la sortie de l'amplifi- cateur différentiel des tensions de crête (171) et comprend en outre des résistances d'entrée et de gain (161 à 170) de l'amplificateur opérationnel de linéarisation