Brevet FR2572518A1 — publié le 19860502

Jaugeur pour citerne à liquide. L'invention concerne le jaugeage du niveau d'un liquide dans un ré- cipient par l'utilisation d'un dispositif optique réfringent à réflexion totale dont les propriétés de transmission d'un rayon lumineux se trouvent modifiées lorsque la surface de réflexion se trouve mouillée par le liquide. On connait déjà, notamment d'après le brevet français 2 213 487, au nom de la demanderesse, la détection d'un ou plusieurs niveaux fixes utilisant un ou plusieurs prismes ou cbnes combinés avec des fibres optiques également fixes. Un tel dispositif ne renseigne que sur l'instant o un niveau dé- terminé se trouve atteint, mais ne donne aucune indication précise sur le niveau dans les autres circonstances. On connaît également, d'après le brevet britannique 888 941 un dis- positif de prisme optique intégré avec l'émetteur et le récepteur de lumière et qui permet par conséquent l'interrogation à distance à l'aide de fils électriques plutôt que de fibres optiques. Cependant, là encore, les prismes sont toujours à poste fixe, avec les mêmes inconvénients que précédemment. Enfin on connaît, notamment d'après le brevet français 1 593 760, un dispositif de jaugeur qui, dans une forme particulière, utilise des prismes mobiles verticalement à l'aide d'une vis, mais l'émetteur et le récepteur de lumière sont toujours fixes avec transmission de la lumière à distance. L'ensemble optique, électronique et mécanique est alors fort complexe et extrêmement délicat. Le but de l'invention est de réaliser un dispositif de jaugeur par voie optique du type précédent mais qui soit particulièrement précis, fiable et simple, de construction et d'installation, et qui en outre satisfasse toutes les conditions de sécurité imposées pour les produits pétroliers ou simi- laires. L'invention consiste à utiliser un capteur optique à réflexion totale avec émetteur et récepteur de lumière intégrés, à le rendre mobile ver- ticalement en le suspendant à un câble s'enroulant sur un treuil actionné par un moteur pas à pas, à le réunir électriquement à un dispositif de détection électronique par l'intermédiaire d'un fil électrique qui part du capteur vers le bas dans le prolongement du câble, se trouve renvoyé sur une poulie mobile à contrepoids et remonte jusqu'au détecteur électronique placé en partie supérieure, enfin à compléter le tout par un détecteur magnétique situé à poste fixe au voisinage du tambour et détectant le passage devant lui d'un aimant porté par le câble, ce capteur magnétique agissant également sur le détecteur électronique pour fournir un signal supplémentaire, les divers signaux étant exploités a distance à l'aide d'un calculateur qui détermine le niveau par initialisation à partir du capteur magnétique et comptage des pas de déplacement du moteur. D'autres particularités et variantes de l'invention apparaîtront dans la description qui va suivre d'un mode de réalisation pris comme exemple et représenté sur le dessin annexé, sur lequel: la figure 1 est une vue en élévation du schéma mécanique de l'ensemble; la figure 2 est un détail à plus grande échelle de la réalisation du capteur du contrepoids; la figure 3 est le schéma électronique du détecteur; et la figure 4 est le schéma électronique du récepteur situé à distance. Comme on le voit sur les figures 1 et 2, l'appareil placé sur la cuve comprend un capteur optique 1 dont la partie essentielle est un cane 2 en matière réfringente orienté avec sa pointe vers le bas et dont la face supérieure horizontale 3 comporte côte a cote une diode électroluminescente DE et une photorésistance PR, ces deux éléments n'étant visibles que sur la figure 3. La diode électroluminescente émet un rayonnement lumineux qui, après deux réflexions totales successives sur deux côtés opposés du cône 2, illumine la photorésistance PR, lorsque le cône 2 se trouve dans l'air. Si au conL.Tire ce cône se trouve partiellement immergé dans un liquide, les réflexions totales perdent de leur efficacité et la résistance de la photo- résistance PR augmente brusquement dans des proportions importantes, per- mettant ainsi de détecter à distance ce changement. Ce capteur optique 1, de type connu pour utilisation fixe, est monté sur un support mobile 4, suspendu a l'extrémité d'un câble 5 en matériau inextensible, par exemple un câble de 0,6 mm de diamètre en acier inoxydable, la partie supérieure de ce câble 5 étant enroulée sur un tambour 6 qui présente une gorge hélicoïdale pour assurer un bon enroulement du câble et un point de fixation 7 pour l'extrémité correspondante du câble. Ce tambour est monté sur des paliers non représentés, et entraîné par l'intermédiaire d'un accouplement 8 a partir d'un moteur pas à pas 9. Le diamètre du tambour 6 et 2 5 7 2518 le nombre de pas par tour du moteur 9 sont choisis pour avoir la précision voulue (fraction de mm). En outre, un fil électrique 10 à plusieurs conducteurs est accroché à l'extrémité inférieure du support 4 par un serre-cable 11, le brin 12 sans tension de ce fil étant raccordé électriquement au capteur 1, tandis que le brin inférieur passe dans une poulie à gorge mobile 13, solidaire d'un contrepoids 14, puis repart verticalement vers le haut jusqu'au voisinage du tambour, o il est fixé mécaniquement pour résister à la tension du poids et raccordé électriquement à un détecteur 15. Le fil électrique 10 et le poids 14 assurent donc tout à la fois la tension nécessaire du câble 5 pour assurer un bon enroulement sur le tambour 6, et d'autre part, la connexion électrique des éléments du capteur mobile avec la partie fixe tout en évitant à ce câble toute formation de boucles intempestive. Le dispositif comporte en outre un capteur magnétique 16, coopérant avec un petit aimant 17 pour détecter l'arrivée en position haute du capteur 1 et de son support 4. Dans l'exemple représenté, le capteur 16 est constitué par un relais à anche magnétique situé en position fixe et raccordé par un fil 18 au détecteur 15, tandis que l'aimant 17 est fixé sur le support 4 ou sur le câble 5 au-dessus du support 4. Le raccordement électrique est celui re- présenté sur la figure 3. Dans ce cas, le fil conducteur 10 comporte trois conducteurs correspondant respectivement aux fils a, b et c sur la figure 3. Mais il est également possible d'intégrer toute la partie supérieure du dé- *ecteur 15 au capteur 1, pour n'avoir plus que deux fils de raccordement, représentés par les fils d et e sur la figure 3, et même également d'intégrer le capteur magnétique 16 à ce capteur 1, pour n'avoir toujours que deux fils de connexion, correspondant aux bornes A et B sur la figure 3. Dans ce dernier cas, c'est-à-dire si c'est le capteur magnétique I6 qui est mobile, cTest l'aimant 17 qui est placé à un poste fixe, et l'extrémité supérieure du fil électrique 10 se-raccorde alors directement au bornier 19. Le moteur pas à pas 9 est d'un type relativement puissant et comnporte plusieurs centaines de pas par tour, de sorte qu'il peut difficilement être réalisé en sécurité intrinsèque. Il est alors enfermé dans un boîtier antidéflagrant 20, représenté schématiquement sur la figure 1, avec une sortie antidéflagrante 21 pour l'arbre 22 d'entraînement du tambour 6, et un bornier de raccordement avec presseétoupe 23 pour le câble de liaison 24 qui est du type étanche simple ou antidéflagrant. Au contraire, le reste du dispositif placé dans la partie supérieure de la cuve est en sécurité Intrinsèque et peut être placé dans un boltier 25 ordinaire avec un bornier 19 non étanche. Le détecteur 15, qu'il soit placé dans le bottier 25 ou dans le capteur 1, comporte le minimum d'électronique pour faciliter l'installation et la maintenance dans un endroit souvent exigu et d'accès difficile. Ce détecteur comprend plusieurs circuits en parallèle entre ses bornes A et B: une résistance R1 en série avec DE, une résistance R2 en série avec PR, une résistance R4 en série avec un montage Darlington T1, T2 et R3, comnmandé par la tension en b, et enfin le détecteur magnétique 16. Le détecteur 15 est raccordé par une double ligne non représentée au récepteur du jaugeur proprement dit placé à distance, et les résistances Ri à R4 son déterminées pour que, compte tenu de la résistance de cette ligne et du récepteur situé à l'autre extrémité, on ait dans la ligne les intensités suivantes selon les cas: Lorsque le détecteur 1 est immergé et n'est pas en position haute, PR est à sa valeur maximum, les transistors T1 et T2 sont bloqués et 16 est ouvert. Dans ce cas, on a le courant miminum, et R1 est déterminé pour que ce courant minimum soit de 5 mA. R1 vaut par exemple 1500 Ohms pour une ali- mentation en 12 V. Lorsque le détecteur 1 n'est pas immergé et n'est pas en position haute, PR est éc.iré et prend sa valeur minimum. Les transistors T1 et T2 de- viennent alors conducteurs, et au courant précédent s'ajoute le courant passant par R4 et T2. Les résistances R2, R3 et R4 sont déterminées pour que dans ces conditions le courant soit de 15 mA. Par exemple-, R2 = 100 000 Ohms, R3 = 1 800 Ohms, et R4 = 240 Ohms. Enfin, lorsque le capteur optique 1 est en position haute, immergé ou non, le détecteur magnétique 16 est fermé et l'on a dans la ligne un courant de 25 mA. On peut ainsi, avec seulement deux fils de jonction, déterminer les trois états nécessaires pour la détermination du niveau. Pour cela, à l'autre extrémité de la ligne de jonction, on place un récepteur 26 dont les bornes - d'entrée A' et B' sont raccordées par cette ligne aux bornes A et B du détecteur 15. 2572518 Ce récepteur 26 comprend tout d'abord un ensemble de résistances en série R5, R6, R7, R8 et R9 et de diodes Zener en parallèle Z1, Z2 et Z3, avec en outre un fusible F pour constituer une barrière de sécurité intrinsèque. Ensuite, ce récepteur 26 comprend un détecteur à deux seuils et trois états constitué par un circuit intégré 27 détecteur de seuils recevant sur une entrée B8 le signal de mesure déterminé par une résistance de mesure RlO de valeur précise, et recevant sur une autre entrée B7 une tension de référence basse définie par un montage potentiométrique à deux résistances Rll et R12, et sur une troisième entrée B6 une tension de référence haute dé- terminée par un autre montage potentiométrique à deux résistances R13, R14. Les résistances Rll à R14 sont par exemple déterminées pour que la tension de référence basse en B7 soit de 6 volts et la tension de référence haute en B6 a 9 volts, et la résistance R10 est déterminée pour que, pour les trois courants indiqués précédemment, de 5, 15 et 25 mA respectivement, la tension en B8 soit de 10,5 volts; 7,5 volts et 4,5 volts, respectivement. De la sorte, les deux sorties B2 et B14 prennent respectivement des états logiques qui renseignent sur celui des trois cas envisagés plus haut dans lequel on se trouve: Les états 1 et 0 correspondent au premier cas, capteur immergé, les états 1 et 1 correspondent au deuxième cas, capteur non immergé, et les états 0 et 1 correspondent au troisième cas, capteur au niveau haut. Ces deux sorties logiques sont alors reprises par un dispositif de traitement à microprocesseur qui incrémente et décrémente un compteur- décompteur numérique d'une unité respectivement pour chaque pas du moteur 9 dans le sens de la montée et de la descente, et qui applique le procédé de mqsure suivant: Dans une phase de règlage, qui intervient nécessairement lors de la mise en route du dispositif (initialisation), mais qui peut être répétée chaque fois qu'elle parait nécessaire (recalage), le moteur pas à pas est commandé dans le sens de la montée jusqu'à ce que l'on détecte le troisième état logique, c'est-à-dire le niveau haut correspondant à la fermeture du capteur magnétique 16. Cette fermeture a alors deux effets, l'un étant un effet de sécurité interdisant toute rotation ultérieure du moteur pas à pas 9 dans le sens de la montée, et l'autre l'initialisation du compteur-décompteur numérique du jaugeur à une valeur déterminée expérimentalement et conservée en mémoire. Dans une deuxième phase d'utilisation de la citerne, dont le niveau liquide est donc stable ou en baisse lente, on opère par cycles de mesure successifs et régulièrement espacés dans le temps, et pour chaque cycle, on commande le moteur pas à pas 9 dans le sens de la descente et en vitesse lente, à raison d'un pas par seconde, et ceci tant qu'on est dans le deuxième état logique, c'est-à-dire capteur 1 non immergé. Pour chaque pas du moteur 9, on décompte naturellement une unité dans le compteur du jaugeur. Lorsque l'état logique correspondant au capteur immergé est détecté, on arrête la rotation du moteur 9, on note dans une mémoire d'affichage le contenu du compteur numérique, puis on provoque la rotation du moteur 9 dans le sens de la montée et à vitesse rapide, d'environ 1 cm/seconde, et ceci pour un nombre déterminé de pas correspondant à une remontée suffisante du capteur 1 pour qu'il soit toujours en période de repos au-dessus du niveau liquide. Toujours dans cette deuxième phase d'utilisation, on compare en per- manence le contenu du compteur-décompteur avec une mémoire de niveau bas chargée initialement afin de déclencher une alarme si le niveau descend au- dessous de la valeur de ce niveau bas. Enfin dans une troisième phase de remplissage de la citerne, on commande en permanence, non plus par cycles successifs, mais pendant toute la durée du - remplissage, la rotation du moteur 9 dans le sens de la montée en vitesse c;ide (1 cm/seconde) chaque fois que l'on a détecté l'état immergé du capteur 1. Le capteur 1 fuit donc vers le haut en évitant constamment le contact liquide et déclenche éventuellement une alarme haute lorsque l'état logique correspondant au niveau haut est atteint. Naturellement, le dispositif de traitement raccordé aux sorties B2 et B14 et constituant le jaugeur proprement dit peut être associé à plusieurs dispositifs de détection correspondant à plusieurs citernes en effectuant une scrutation séquentielle de ces citernes et en alternant les cycles de mesure. En outre, ce dispositif de traitement peut comporter tous les périphériques voulus pour l'exploitation de ces informations, y compris affichage, alarme, traitement des informations, par exemple pour les calculs de correction, ou encore imprimante pour imprimer les résultats ou liaison à distance par modem. 7 2572518 L'ensemble de l'installation, et en. particulier l'ensemble propre à chaque citerne, est relativement simple, peu encombrant et d'une installation facile, les deux bottiers 20 et 25 étant réunis à l'extrémité supérieure d'un tube de tranquillisation 28 qui contient l'ensemble mobile et qui se raccorde de manière étanche sur le sommet de la citerne par un passage de diamètre réduit. En outre, la mesure est extrêmement précise, fiable, et particu- lièrement adaptée au traitement informatique tout en présentant une sécurité intrinsèque. REVENDICATIONS 1. Jaugeur de niveau liquide dans une citerne du type comportant un capteur optique (1) à réflexion totale, mobile verticalement pour pouvoir être émergé ou partiellement immergé par rapport au niveau liquide, avec des moyens de déplacement et de détection de l'état du capteur, caractérisé par le fait que le capteur optique (1) intègre au moins 1' émetteur (DE) et le récepteur (PR) de lumière, qu'il est suspendu par un câble (5) inextensible à un tambour supérieur (6) sur lequel s'enroule ce câble, que ce tambour est entratné par un moteur pas à pas (9) dans le sens de la montée et dans le sens de la descente du capteur, que le capteur (1) est réuni en outre à un fil électrique souple (10) à plusieurs conducteurs qui est renvoyé sur une poulie (13) lestée d'un poids (14) avant de se fixer à son extrémité supérieure, de manière à assurer à la fois la tension mécanique du câble (5) et la connexion électrique du capteur mobile (1), et qu'enfin le dispositif comporte un capteur magnétique (16) coopérant avec un aimant (17), l'un de ces deux organes étant fixe en position supérieure et l'autre mobile avec le câble (5), de manière à détecter l'arrivée du capteur (1) à un niveau supérieur déterminé. 2. Jaugeur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le détecteur (15) est réuni à un récepteur (26) placé à distance à l'aide d'une ligne comportant seulement deux conducteurs, et que le détecteur (15), placé à poste fixe sur la citerne ou au moins partiellement intégré au capteur (1), -comporte plusieurs circuits en parallèle entre ses deux bornes (A, B) et inJluait, avec des résistances d'équilibrage (R1 à R4), respectivement une diode électroluminescente (DE) intégrée au capteur (1), une photorésistance (PR) également intégrée au capteur (1), un montage amplificateur à tran- sistors (T1, T2, R3) et le capteur magnétique (16), les résistances d'é- quilibrage (R1 à R4) étant déterminées, en fonction de la résistance de la ligne et du récepteur (26), pour assurer la transmission de trois courants d'intensités très distinctes pour trois états logiques correspondant le premier au capteur immergé et non en position haute, le second au capteur émergé et non en position haute, et le troisième au capteur en position haute, immergé ou non. 3. Jaugeur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le récepteur (26) comporte une barrière de sécurité intrinsèque (R5 à R9, Z1 à 9 2 572518 Z3), une résistance de mesure précise (R10) et un détecteur à deux seuils(27 et Rll à R14) qui, en fonction des trois états envisages, détermine les états logiques de deux sorties (B2, B14) permettant le traitement par une unité de traitement qui détermine le niveau et commande le moteur pas.à pas (9). 4. Procédé de mesure du niveau du liquide dans une citerne à l'aide du jaugeur selon une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que dans une phase de réglage, on commande la rotation du moteur pas à pas dans le sens de la montée jusqu'à ce qu'on détecte l'état logique corres- pondant à l'arrivée du capteur (1) au niveau haut, que l'on arrête alors le moteur (9) et que l'on transfère dans un compteur décompteur une valeur de niveau haut déterminée expérimentalement et contenue dans une mémoire; que dans une phase d'utilisation, on opère par cycles de mesure successifs au cours de chacun desquels on commande la rotation du moteur pas à pas dans le sens de la descente à une vitesse lente jusqu'à ce qu'on ait détecté l'état logique correspondant au début d'immersion du capteur optique (1), on transfère alors le contenu du compteur décompteur dans une mémoire d'affichage représentative de la mesure recherchée, puis on commande la rotation du moteur pas à pas (9) dans le sens de la remontée à une vitesse rapide et pour un nombre de pas déterminé pour que le capteur optique (1) parvienne à une certaine distance au-dessus du niveau liquide, après quoi on arrête le moteur dans l'attente du cycle suivant; enfin dans une phase de remplissage, on commande la rotation du moteur pas à - pas (9) dans le sens de la remontée à une vitesse rapide chaque fois que l'on Atecte l'état logique correspondant à un début d'immersion du capteur et au moins jusqu'à ce qu'on ait détecté l'état logique correspondant à l'émersion; le compteur décompteur étant dans tous les cas incrémenté et décrémenté en synchronisme respectivement avec les pas de montée et de descente du moteur (9). 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que l'on utilise un dispositif de traitement de l'information à microprocesseur, commun pour plusieurs citernes, en alternant les diverses phases de mesure pour les diverses citernes, et que l'on réalise diverses opérations de traitement, transformation des données, transmission, affichage ou impression à l'aide de périphériques associés au dispositif.