Brevet FR2565345A1 — publié le 19851206

DISPOSITIF DE MESURE PAR ULTRASONS DU NIVEAU ET/OU DU VOLUME D'UN LIQUIDE DANS UN RECIPIENT. La présente invention concerne un dispositif de mesure par ultrasons du niveau et/ou du volume d'un liquide dans un récipient. Il est connu de mesurer le niveau de liquide dans un récipient au moyen d'un flotteur associé à un poten- tiomètre dont la résistance varie proportionnellement au niveau de liquide. Malheureusement, si le récipient est de forme complexe et sujet à des variations d'as- siette importantes comme c'est généralement le cas pour les réservoirs de carburant de véhicules automo- biles, la mesure de niveau peut dans certaines condi- tions être fortement entachée d'erreur. Il est également connu de mesurer par ultrasons le niveau d'un liquide dans un récipient au moyen d'un dispositif comprenant une cellule émettrice d'ondes ultrasonores placée dans le récipient de manière à être constamment immergée dans le liquide, ainsi que des moyens de mesure du temps de propagation d'une onde émise entre la cellule émettrice et un récepteur apres réflexion à la surface du liquide. Toutefois, la précision de la mesure du niveau d'un liquide par ultrasons au moyen de la plupart des dis- positifs connus est fortement tributaire d'une con- naissance exacte de la vitesse de propagation du son dans le liquide considéré. Cette vitesse dépend de la nature du liquide, de sa température, mais elle est également sujette à des dispersions dues à des varia- tions de composition (mélanges, gaz dissous) et à un vieillissement du liquide que des capteurs permettent difficilement de prendre en compte. 49398 I 16; -2- Le brevet FR-A- 2 391 456 décrit un dispositif de mesure de niveau par ultrasons qui permet de s'affran- chir des variations de vitesse de propagation du son dans le milieu considéré. Bien que ce dispositif pré- voit une cellule placée au dessus du niveau à mesurer et une propagation des sons dans un milieu gazeux, la solution qui y est décrite est transposable à un dis- positif à cellule émettrice immergée et propagation ultrasonore dans un liquide dont le niveau est à mesurer. Cette solution consiste à émettre simultané- ment une onde ultrasonore vers la surface dont l'éloi- gnement de la cellule émettrice est à mesurer et vers une surface de référence placée à une distance connue de la cellule, et à mesurer les temps de propagation engendrés entre l'émission et la réception par la cel- lule de l'onde ultrasonore après réflexion de celle-ci sur les deux surfaces. Le rapport des temps de propa- gation est alors égal au rapport des distances indé- pendamment de la vitesse de propagation puisque celle- ci a lieu dans des milieux identiques et, connaissant la distance entre la cellule et la surface de réfé- rence, on peut en déduire celle qui sépare la cellule de l'autre surface. Cependant, la simple transposition du dispositif con- forme au brevet FR-A- 2 391 456 à la mesure de niveau d'un liquide dans un récipient par immersion de la cellule émettrice-réceptrice au voisinage du fond du récipient ne permet pas de résoudre tous les problèmes que l'on rencontre dans une telle configuration. L'un de ces problèmes est que la mesure de niveau peut être sensiblement faussée en cas de variation d'assiette du récipient, cette erreur pouvant être amplifiée dans le cas d'un récipient de forme complexe si l'on traduit la mesure de niveau en mesure de volume. 493U 1 1676 - 3 - Un autre problème tient au fait que l'onde arrière émise par la cellule est susceptible de créer des échos multiples avec une paroi opposée à la direction privilégiée d'émission, ce qui risque de fausser la mesure, et que les mesures d'un faible niveau de liquide sont rendues délicates si le premier écho reçu par la cellule se trouve dans sa zone d'amortissement électrique. L'invention vise à fournir un dispositif de mesure de niveau à ultrasons du type décrit au brevet FR-A- 2 391 456 qui permette de minimiser, sinon d'éliminer, les problèmes évoqués ci-dessus, tout en étant insen- sible à la nature et aux évolutions éventuelles des propriétés du liquide dont le niveau est à mesurer. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de mesure par ultrasons du niveau et/ou du volume d'un liquide dans un récipient, comprenant une cellule émettrice-réceptrice adaptée pour émettre des ondes ultrasonores respectivement vers la surface d'un liquide dont le niveau est à mesurer et vers une sur- face de référence placée à une distance prédéterminée connue de la cellule, des moyens d'excitation de la cellule, et des moyens de mesure des temps qui s'écou- lent entre l'excitation de la cellule et la réception par celle-ci des échos de l'onde émise sur la surface du liquide et la surface de référence respectivement, caractérisé en ce que ladite cellule est interposée dans un guide d'ondes acoustiques entre un tronçon de mesure s'étendant sensiblement suivant la ligne de carène du récipient et un tronçon de référence terminé à son extrémité opposée à la cellule par un réflecteur placé avec la cellule et le tronçon de référence dans une zone du récipient o il est toujours immergé dans le liquide. 4939E -4- Suivant un exemple de réalisation, le tronçon de réfé- rence a une longueur supérieure à la longueur du tron- çon de mesure comprise entre la cellule et le niveau maximal que peut atteindre le liquide dans le réci- pient et les moyens de mesure comprennent un circuit de détection d'échos à seuil variable adapté pour éle- ver son seuil initial de détection, en réponse à la réception d'un premier écho correspondant à la réfle- xion de l'onde émise sur la surface du liquide, à un niveau supérieur autorisant la détection del'écho correspondant à la réflexion de l'onde émise sur la surface de référence et interdisant la détection des échos secondaires résultant des réflexions multiples du premier écho sur la cellule et la surface du liquide. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre d'un mode de réalisation donné uniquement à titre d'exemple et illustré par les dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un récipient équipé d'un dispositif de mesure de niveau de liquide suivant l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un raccord dans lequel est logée la cellule émettrice- réceptrice; - la figure 3 est un schéma d'un circuit électronique connecté à la cellule émettrice-réceptrice; 403 I 1676 - 5 - - les figures 4a à 4e sont des chronogrammes de signaux apparaissant dans le circuit de la figure 3. En se reportant à la figure 1, dans le récipient 1 contenant le liquide dont le niveau ou le volume est à mesurer, par exemple un réservoir de carburant de véhicule automobile, est monté un dispositif de mesure à ultrasons comprenant deux tronçons 2 et 3 de tube réunis par un raccord 4 dans lequel est logée une cel- lule émettrice-réceptrice d'ondes ultrasonores, par exemple une cellule piézoélectrique. Les tronçons 2 et 3 de tube constituent des guides d'ondes acoustiques et présentent à cet effet une impédance très différente de celle du liquide. Le tronçon 2, ci-après appelé tronçon de mesure, s'étend sensiblement suivant la ligne de carène du récipient de manière à minimiser l'influence des variations d'assiette de ce dernier sur la mesure de niveau, et il se trouve plus ou moins immergé dans le liquide suivant le niveau de ce dernier qui peut être compris entre une valeur minimale hmin et une valeur maximale hmax. Le tronçon de tube 2 présente une partie coudée 2a comprise entre le raccord 4 et le point cor- respondant au niveau minimal hmin: cette partie cou- dée 2a, qui est constamment immergée dans le liquide, a une longueur telle que, lorsque le liquide est au niveau minimal hmin, le temps de propagation aller et retour de l'onde ultrasonore avec réflexion sur la surface de liquide au niveau hmin est supérieur à la période d'amortissement de la cellule afin d'assurer une détection correcte de l'écho. -6- Le tronçon de tube 3, ci-après appelé tronçon de réfé- rence, est placé dans une zone du récipient 1 o il est constamment immergé dans le liquide et a une lon- gueur L supérieure à la longueur e de la partie du tronçon 2 comprise entre le raccord 4 et le point cor- respondant au niveau maximal hmax du liquide. De plus, le tronçon de référence 3 est terminé à son extrémité opposée au raccord 4 par un réflecteur 5 qui présente une impedance très différente de celle du liquide de manière à assurer une très bonne réflexion de l'onde arrière émise par la cellule dans le tronçon de réfé- rence 3: on est ainsi assuré que le premier écho pro- venant du réflecteur 5 parviendra toujours à la cel- lule après le premier écho dû à la réflexion de l'onde ultrasonore sur la surface du liquide et que l'ampli- tude de l'écho de référence sera également toujours supérieure à celle de l'écho de mesure. Enfin, des trous 3a sont ménagés à la partie supérieure du tron- çon de référence 3 pour éliminer la présence dans le liquide de bulles qui pourraient fausser la mesure, et de tels trous peuvent être également prévus, si néces- saire, dans la partie coudée 2a du tronçon 2. La figure 2 montre en coupe un exemple de réalisation du raccord 4: celuici est constitué de deux parties 6 et 7 comprenant chacune une collerette 8 prolongée par un embout tubulaire 9 sur lequel est emmanchée l'extrémité du tronçon de tube correspondant 2, 3. Les collerettes 8 des parties 6 et 7 sont assemblées par vissage et ménagent entre elles un logement dans lequel est reçue la cellule émettrice-réceptrice d'ondes ultrasonores 10 constituée par exemple d'une pastille piézoélectrique: ainsi la face avant de la cellule 10 définit l'une des extrémités du tronçon de 43M I 1676 -7- mesure 2 tandis que la face arrière définit l'extré- mité adjacente du tronçon 3. Enfin, la cellule 10 est connectée de façon étanche par des moyens appropriés (non représentés) à un circuit électronique. Ce circuit électronique représenté à la figure 3 com- prend un microprocesseur 11 connecté à un dispositif 12 d'affichage de niveau et/ou de volume et à un géné- rateur 13 pour commander l'excitation de la cellule 10 avec une certaine périodicité. La cellule piézo- électrique 10 est également connectée à l'entrée d'un amplificateur 14 dont la sortie attaque un circuit de détection d'échos à seuil variable 15. Le circuit à seuil variable 15 comprend un comparateur 16 dont l'entrée positive est attaquée par la sortie de l'amplificateur 14 par l'intermédiaire d'une diode D1. Une résistance R2 et un condensateur C sont con- 1 2 2 nectés en parallèle entre l'entrée positive du compa- rateur 16 et la masse. La sortie du comparateur 16, connectée à une source de tension de polarisation Vcc par l'intermé- diaire d'une résistance R4, constitue une entrée du microprocesseur 11. Le comparateur 16 présente entre sa sortie et son entrée négative une boucle de contre- réaction constituée d'une diode D2 et d'une résistance R connectées en série. Enfin, l'entrée négative du comparateur 16 est connectée à une source de tension de référence par l'intermédiaire d'une résistance R1 tandis qu'un condensateur C est connecté entre l'en- trée négative du comparateur 16 et la masse. - 8 - Le fonctionnement du dispositif de mesure suivant l'invention sera maintenant décrit en se référant aux chronogrammes des figures 4a à 4e sur lesquels: - la figure 4a montre le signal émis par le micro- processeur 11 pour exciter la cellule 10 par l'in- termédiaire du générateur 13; - la figure 4b représente les signaux apparaissant à la sortie de l'amplificateur 14; - la figure 4c représente le signal apparaissant à l'entrée positive du comparateur 16; - la figure 4d représente le signal apparaissant à l'entrée négative du comparateur 16; et - la figure 4e représente les signaux générés à la sortie du comparateur 16. Entre les instants to et tl, le microprocesseur 11 émet une impulsion Io qui suscite la génération simul- tanée par la cellule 10 d'ondes ultrasonores avant et arrière dans le tronçon de mesure 2 et le tronçon de référence 3 respectivement. Sachant que la longueur L de ce dernier est supérieure à la longueur maximale e susceptible d'être immergée du tronçon de mesure 3, on est certain que le premier écho reçu au voisinage de l'instant t2 provient de la réflexion sur la surface du liquide de l'onde avant émise par la cellule 10. Cette dernière, fonctionnant en récepteur, convertit le signal acoustique reçu en un signal électrique amplifié par l'amplificateur 14 (figure 4b). Ce signal est appliqué à l'entrée positive du comparateur 16 n3W 1 1676 9 - après redressement par la diode D1 et intégration par le circuit R2 C2 dont la constante de temps est beau- coup plus faible que celle du circuit R1 C1 (figure 4c). Le condensateur C1 étant initialement faiblement chargé, le seuil initial S1 du comparateur 16 est relativement bas de sorte que tout premier écho E1 d'amplitude significative reçu par la cellule avec un maximum à l'instant t2 est systématiquement détecté, ce qui se traduit par la génération à la sortie du comparateur 16 d'une première impulsion I1 coincidant avec ce premier écho E1 (figure 4e). Par ailleurs, le basculement de la sortie du compara- teur 16 provoque la charge du condensateur C1 à tra- vers la diode D2 et la résistance R3, jusqu'à ce que la sortie du comparateur 16 revienne à l'état bas. Du fait de la constante de temps élevée du circuit R1 C1, ce circuit R1 C1 maintient à l'entrée négative du com- parateur 16 un niveau de tension qui correspond à un deuxième seuil évolutif S2 du comparateur 16 (figure 4d). Ce seuil S2 supérieur au seuil initial S1 est choisi de manière à interdire la détection au temps t3 d'un deuxième écho E2 résultant de la réflexion du premier écho E1 sur la cellule 10 puis à nouveau sur la sur- face du liquide, deuxième écho E2 dont l'amplitude est nécessairement atténuée par rapport à celle du premier écho E1. Par contre, ce seuil S2 est adapté pour permettre de détecter le premier écho Er provenant du réflecteur 5 et dont on est sûr que son amplitude sera supérieure à 49398 t lE - 10 - celle du premier écho E1 sur la surface du liquide du fait du choix approprié de l'impédancedu réflecteur 5. Aussi, ce premier écho Er, reçu par la cellule 10 après réflexion sur le réflecteur 5 et détecté avec un maximum à l'instant t4, se traduit-il par la généra- tion d'une deuxième impulsion I2 à la sortie du compa- rateur 16. Le microprocesseur 11 compte de manière classique au moyen d'une horloge interne les temps qui s'écoulent entre l'instant t0 de génération de l'impulsion 10 d'excitation de la cellule 10 et les instants d'appa- rition des première et deuxième impulsions Il, I 2. Le rapport des temps ainsi mesurés étant égal à celui des distances, on peut en déduire le niveau de liquide puisque la distance entre la cellule 10 et le réflec- teur 5 est fixe et connue. Le microprocesseur 11 peut également, à partir du rapport précité des temps de propagation, fournir directement une indication de volume par adressage d'une table programmée en fonc- tion de la forme du récipient. Cette indication peut être affichée sur le dispositif d'affichage 12 en unité de volume ou en pourcentage de la contenance maximale du récipient. Le cycle de mesure décrit ci-dessus est répété avec une périodicité fixée par le microprocesseur Il et adaptée pour permettre l'amortissement de la cellule et le retour du circuit 15 au seuil initial S1. En variante, le tronçon de référence 3 peut avoir une longueur L inférieure à la longueur du tronçon de mesure 2 comprise entre la cellule 10 et le niveau mini- mal hmin. Dans ce cas le circuit électronique de la 4531 I 1676 - 11 - figure 3 peut être conservé inchangé en choisissant un réflecteur 5 qui donne un écho de référence d'ampli- tude inférieure à celle du premier écho de mesure. Bien entendu, le circuit de détection d'échos à seuil variable 15 est alors adapté pour élever son seuil initial de détection, en réponse à la réception d'un premier écho correspondant à la réflexion de l'onde émise sur le réflecteur 5, à un niveau supérieur auto- risant la détection ultérieure de l'écho correspondant à la première réflexion de l'onde émise sur la surface de liquide et interdisant la détection de tout écho d'amplitude inférieure audit niveau supérieur. - 12 - REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure par ultrasons du niveau et/ou du volume d'un liquide dans un récipient, comprenant une cellule émettrice-réceptrice (10) adaptée pour émettre des ondes ultrasonores respectivement vers la surface d'un liquide dont le niveau est à mesurer et vers une surface de référence (5) placée à'une dis- tance prédéterminée connue de la cellule, des moyens (11, 13) d'excitation de la cellule, et des moyens (11, 14, 15) de mesure des temps qui s'écoulent entre l'ex- citation de la cellule et la réception par celle-ci des échos de l'onde émise sur la surface du liquide et la surface de référence respectivement, caractérisé en ce que ladite cellule (10) est interposée dans un guide d'ondes acoustiques entre un tronçon de mesure (2) s'étendant sensiblement suivant la ligne de carène du récipient (1) et un tronçon de référence (3) ter- miné à son extrémité opposée à la cellule par un réflecteur (5) placé avec la cellule (10) et le tron- çon de référence (3) dans une zone du récipient o il est toujours immergé dans le liquide. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tronçon de référence (3) a une longueur (L) supérieure à la longueur (e) du tronçon de mesure com- prise entre la cellule (10) et le niveau maximal (hmax) que peut atteindre le liquide dans le récipient (1) et en ce que les moyens de mesure (11, 14, 15) comprennent un circuit de détection d'échos à seuil variable (15) adapté pour élever son seuil initial de détection (S1), en réponse à la réception d'un premier écho (E1) cor- respondant à la réflexion de l'onde émise sur la sur- face du liquide,à un niveau supérieur (S2) autorisant 4g93 I 16 - 13 - la détection de l'écho correspondant à la réflexion de l'onde émise sur la surface de référence (5) et inter- disant la détection des échos secondaires (E2) résul- tant des réflexions multiples du premier écho sur la cellule (10) et la surface du liquide. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tronçon de référence (3) a une longueur (L) inférieure à la longueur du tronçon de mesure (2) com- prise entre la cellule (10) et le niveau minimal (hmin) auquel peut descendre le liquide dans le récipient (1) et en ce que les moyens de mesure (11, 14, 15) com- prennent un circuit de détection d'échos à seuil variable (15) adapté pour élever son seuil initial de détection, en réponse à la réception d'un premier écho correspondant à la réflexion de l'onde émise sur le réflecteur (5), à un niveau supérieur autorisant la détection ultérieure de l'écho correspondant à la pre- mière réflexion de l'onde émise sur la surface de liquide et interdisant la détection de tout écho d'am- plitude inférieure audit niveau supérieur. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 2 et 3, caractérisé en ce que le circuit de détection d'échos à seuil variable (15) comprend un comparateur (16) dont l'entrée positive est attaquée par le signal de sortie de la cellule (10) par l'inter- médiaire d'un amplificateur (14), d'un redresseur (D1) et d'un premier circuit intégrateur (R2 C2) à faible constante de temps et dont la sortie est bouclée avec son entrée négative par l'intermédiaire d'un circuit à diode (D2) et résistance (R3) attaquant un second circuit intégrateur (R1 C1) à constante de temps élevée. 49398 1 16, "565345 - 14 - 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce que ledit guide d'ondes acoustiques est un tube, ledit tube (2, 3) et le réflecteur (5) ayant des impédances acoustiques dif- férentes de celle du liquide. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisé en ce que ledit tronçon de référence (3) du guide d'ondes acoustiques présente des trous (3a) à sa partie supérieure. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce que le tronçon de mesure (2) présente une partie coudée (2a) comprise entre la cellule (10) et le point correspondant au niveau mini- mal (hmin) que peut atteindre le liquide dans le réci- pient, cette partie coudée (2a) ayant une longueur telle que, lorsque le liquide est au niveau minimal (hmin), le temps de propagation aller et retour de l'onde ultrasonore avec réflexion sur la surface du liquide au niveau minimal (hmin) est supérieur à la période d'amortissement de la cellule (10). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 7, caractérisé en ce que la cellule (10) est une pastille piézoélectrique dont une face définit l'une des extrémités du tronçon de mesure (2) et dont l'autre face définit l'extrémité adjacente du tronçon de référence (3). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la pastille est enfermée entre les deux par- ties (7, 8) d'un raccord (4) présentant des embouts tubulaires (9) sur lesquels sont emmanchées lesdites extrémités des tronçons de mesure (2) et de référence (3).