Brevet FR2583512A1 — publié le 19861219

DISPOSITIF ELECTRONIQUE DE DETERMINATION ET MESURE D'ANGLE PAR RAPPORT A UN PLAN DE REFERENCE. L'invention concerne un dispositif permettant la détermination et la mesure électronique de l'angle compris entre l'axe du dispositif et un plan de référence qui sera pour la plupart des applications le plan horizontal. Un tel dispositif fournit une information électrique, analogique ou numérique, de la valeur de l'angle entre l'axe et le plan horizontal, sans aucune référence au plan horizontal extérieur au dispositif ni aucune pièce mécanique en mouvement. Ce dispositif est destiné à être utilisé soit comme outil en tant que "niveau électronique" soit comme capteur permettant de repérer la position et les mouvements d'un système par rapport au plan horizontal. Parmi les applications qui consistent à utiliser ce dispositif comme niveau électronique , il faut distinguer les applications dans lesquelles le dispositif sera utilisé comme instrument de mesure autonome et indépendant, des applications à vocation industrielle dans lesquelles.le dispositif sera utilisé pour fournir une information de position qui sera déportée et traitée pour controler et éventuellement réagir sur l'application dans laquelle le dispositif est intégré. Lorsque le dispositif est utilisé comme capteur de position, l'objectif est de repérer les variations de position du système par rapport au plan de référence sans nécessiter une mesure absolue de l'angle. Un exemple d'application de ce dispositif en tant que capteur est celui des centrales d'alarme de véhicules automobiles ou motocyclettes : le dispositif permet en effet d'évaluer le changement d'assiette du véhicule par rapport à une position initiale quelconque, ce qui n'est pas le cas des dispositifs à pendule vertical et contact électrique. La détermination du plan horizontal est traditionnellement effectuée à l'aide d'un niveau à bulle. La mesure d'angle se fait soit a' partir du plan horizontal repéré par un niveau à bulle, soit à partir de la verticale repérée par un fil à plomb, à l'aide de rapporteur d'angle. Ces outils traditionnels permettent des mesures de grande précision mais leur mise en oeuvre est délicate et nécessite le positionnement d'au moins 2 outils pour obtenir une référence et une mesure d'angle. D'autre part, ne fournissant aucune information électrique, ils ne permettent pas le déport de la mesure. D'autres instruments du type gyroscope permettent d'évaluer avec précision des mouvements par rapport à une position initiale de référence quelconque. Ces instruments sont très précis mais coûteux et de ce fait leur utilisation ne se justifie pas pour des applications "grand public" ou industrielles. La présente invention décrit un dispositif autonome fournissant en un seul appareil une référence du plan horizontal ainsi qu'une mesure électrique de l'angle entre l'axe du dispositif et le plan horizontal, sans aucune pièce mécanique en mouvement. Le dispositif selon l'invention consiste en un liquide servant de référence du plan horizontal et un système électronique permettant d'évaluer la position de l'axe du dispositif par rapport a la surface du liquide. Le liquide utilisé comme référence du niveau horizontal présente des caractéristiques électriques données : conductivité dans le cas d'un liquide conducteur ou permittivité dans le cas d'un diélectrique. Deux électrodes plongées dans ce liquide constituent un dipôle dont l'impédance varie avec la position du liquide relativement à ces électrodes. La mesure de l'impédance du dipôle fournit donc le moyen d'évaluer la position du dipole lié au dispositif par rapport a la surface du liquide représentant le plan horizontal. Cette solution simple est cependant caractérisée par un manque de stabilité dans le temps et en température. D'autre part la précision de la mesure est très sensible aux variations de caractéristiques électriques du liquide. Afin d'éviter ces inconvénients l'invention est basée sur la mesure de variation relative d'impédance entre au moins 2 dipôles. La structure du dispositif sera concue de manière å offrir les caractéristiques suivantes : - précision de la mesure; - insensibilité a la température; - étalonnage et détermination du "zéro" (plan horizontal ou plan de référence quelconque) simple; - amortissement rapide des oscillations du liquide auprès déplacement du dispositif. Une caractéristique importante du dispositif concerne son amortissement, c'est à dire le temps nécessaire au liquide pour se stabiliser. Différentes solutions peuvent être envisagées pour stabiliser le dispositif : utiliser un liquide visqueux en prenant garde à ce qu'il n'adhère pas aux parois, ou bien dans le cas d'un liquide conducteur, compléter le volume du récipient par un autre liquide diélectrique visqueux, non miscible, qui servira à amortir les oscillations, ou encore placer à la surface du liquide un corps solide flottant de surface un peu inférieure à celle du récipient contenant le liquide de manière à ce qu'il ntentrave pas le mouvement du liquide. Cet élément pourra avantageusement être réalisé en polystyrène expansé. Les différents dipôles plongés dans le liquide offriront des caractéristiques électriques de même nature, de ce fait, la mesure de l'angle étant simplement basée sur une variation relative dtimpédance des dipôles, différentes solutions sont possibles - liquide conducteur dont la conductivité est assurée par des particules conductrices en suspension : métal, graphite; - électrolyte; - diélectrique. Dans les deux premiers cas correspondant au liquide conducteur, les dipôles seront des résistances. Dans le cas du diélectrique les dipôles seront des capacités qui seront indifféremment parfaites ou non suivant les caractéristiques du diélectrique; La mesure de ces variations dtimpédance pourra être avantageusement réalisée à l'aide de ponts qui seront du type Wheastone pour le cas du liquide conducteur, du type Sauty dans le cas de diélectrique parfait, du type Nernst dans le cas de diélectrique présentant une conductivité non nulle. En cas d'utilisation d'un liquide electrolyte, le pont de mesure sera alimenté par une tension alternative afin d'éviter les phénomènes dloxydo-réduction des électrodes et de dissociation de ltélectrolyte ou autres. De même le choix des matériaux composant les électrodes sera fait en fonction de l'électrolyte de manière à ne pas provoquer les phénomènes précédemment cités. Dans certains cas particuliers il pourra cependant être choisi un électrolyte et des electrodes telles que l'ensemble se comporte comme une pile. Il s'agira electrodes telles que l'ensemble se comporte comme une pile.Il s'agira alors, non plus de mesurer une variation d'impédance, mais une variation de tension. 7 t L'information électrique provenant du pont et renseignant sur l'angle d'inclinaison du dispositif est traitée pour être déportée ou affichée. Il sera aussi possible de fournir un signal sonore lorsque le dispositif est horizontal. Ceci permettra de manipuler le dispositif en tant que niveau sans regarder l'affichage , en se fiant au signal sonore émis par le dispositif. Il est partout précisé que le plan de référence est le plan horizontal car cela correspond à la plupart des applications. Il est bien entendu que ce plan de référence peut-être quelconque dans la plage de fonctionnement du dispositif, la détermination de la valeur 0 pour le plan de référence se faisant par étalonnage du dispositif. La réponse du dispositif aux variations de position est fonction du déplacement du liquide par rapport aux 2 électrodes de chacun des dipôles et donc fonction de la forme des électrodes. Cette propriété sera utilisée afin d'augmenter la précision du dispositif et de corriger sa courbe de réponse. Un certain nombre d'autres dispositions particulières peuvent être envisagées. Une première disposition concerne un cas d'application simple pour lequel seule la position du dispositif dans le plan de référence est utilisée. Lorsque le plan de référence est le plan horizontal, ce cas correspond à celui du niveau à bulle, et le principe du centrage de la bulle par rapport à deux repères peut avantageusement être utilisé. Il suffit en effet de placer une électrode à chacun des deux repères et une troisième immergée dans le liquide. Lorsque le dispositif est dans sa position de référence, les deux électrodes correspondant aux repères sont dans la bulle et sont donc isolés du liquide et de la troisième électrode. Si l'axe du dispositif est légèrement incliné par rapport au plan de référence, la bulle se déplace, l'une des électrodes placées sur les repères vient en contact avec le liquide permettant l'établissement d'un courant vers la troisième électrode, si le liquide est conducteur. Ceci peut être facilement utilisé pour commander où arrêter un signal optique ou sonore. Une autre disposition concerne la possibilité de prolonger optiquement l'axe du dispositif à l'aide d'un faisceau lumineux parallèle émis par le dispositif et pouvant servir à en repérer la position par rapport à l'environnement. La figure 1 décrit schématiquement la structure fonctionnelle du dispositif selon l'invention. La figure 2 présente une variante du dispositif de la figure 1 dans laquelle la forme du récipient contenant le liquide présente une forme telle que les caractéristiques de précision et de dynamique du dispositif de la figure 1 sont conservées mais avec un-volume de liquide plus faible. La figure 3 décrit un exemple dans lequel la forme des électrodes a été étudiée de manière à augmenter la précision du dispositif. La figure 4 présente le shéma de principe du module électronique de mesure des impédances. Le dispositif selon la figure 1 comporte un récipient 1 de hauteur h contenant un liquide 2 jusqu'à une hauteur h/2, dans lequel sont situés 2 dipoles 3 et 4. Les dipoles 3 et 4 sont reliés au module de mesure électronique 5 par des fils électriques 6 de liaison. La mesure effectuée par le module 5 est transmise au module 7 pour affichage sur l'appareil ou pour déport de l'information. L'affichage pourra s'effectuer par l'intermédiaire d'afficheur numérique présentant directement l'information d'angle ou par un réseau linéaire de diodes électroluminescentes. Dans le cas où la mesure doit être déportée, l'information peut être transmise sous forme analogique ou numérique. La taille du récipient 1 contenant le liquide est calculée en fonction des caractéristiques de dynamique (valeur minimum et maximum de l'angle à mesurer par rapport au plan horizontal) et de précision.L'angle étant mesuré dans le sens trigonométrique par rapport à l'axe Ox du dispositif, les différentes valeurs caractérisant le dispositif sont liés par les relations définies ci-dessous Tg X = d'ou X max = Arctg La dynamique du dispositif selon la figure 1 c'est à dire la plage de fonctionnement est - X max , X max Pour mesurer des angles entre -45 et +45 , il est nécessaire d'avoir h=l. Un exemple de calcul simplifié permet d'évaluer la fonction donnant l'impédance d'un dipôle dans le cas d'un liquide diélectrique. Les dipôles sont des condensateurs. La capacité des dipoles 3 et 4 est C = 5. e étant la permittivité du diélectrique; S = h.a la surface des plans en regard; e la distance séparant les 2 plans; ò étant la permittivité de l'air qus l'on approximera à celle du vide; étant la permittivité relative du liquide; E=EoEr Une inclinaison x fait varier le niveau relatif du liquide dans les 2 dipoles faisant ainsi varier la capacité de chaque dipole.En effet, la capacité du dipole Cd est égale à la sonne de la capacité immergée et de la capacité dans l'air, soit : Cd = ò( 5+L.a.Tgx ) + +L.a.Tgx) Z 2 e La capacité de chacun des dipoles étant, comme nous l'avons vu dans la formule précédente fonction de l'inclinaison x du dispositif, la fonction du module de mesure 5 sera d'évaluer la variation relative de capacité des dipoles et de fournir une tension continue fonction de l'angle x. Lorsque le liquide est conducteur, un calcul analogue montre que la résistance des dipôles varie en fonction de l'angle x. Il est bien entendu que le récipient contenant le liquide 2 pourra avoir une forme quelconque, permettant en particulier d'optimiser la précision et la dynamique du dispositif compte tenu du volume disponible. La figure 2 présente un exemple possible de récipient permettant en particulier l'intégration des modules de mesure et d'affichage dans le volume laissé libre au centre du dispositif. Ce dispositif offre pour un volume identique les mêmes caractéristiques de dynamique et de précision que le dispositif décrit dans la figure 1. L'exemple simplifié précédent, ainsi qu'un calcul analogue appliqué à des dipôles est fonction de la tangente de l'angle x. Selon des formes de réalisation préférentielles, la forme des électrodes sera optimisée en fonction des objectifs d'utilisation du dispositif. Une première variante de cette solution est présentée dans la figure 3 représentant une vue en coupe des électrodes. La forme des électrodes 8 a été définie de manière à utiliser au mieux la plage de variation d'impédance des 2 dipôles dans la dynamique de fonctionnementtdu dispositif et à augmenter la sensibilité du dispositif par rapport à l'exemple simplifié. En effet, selon cette variante, un dipôle est entièrement recouvert par le liquide , alors que l'autre est entièrement découvert lorsque le dispositif est incliné à un angle correspondant à l'angle maximum de mesure. De plus, ces électrodes ont une pente y par rapport à l'axe du dispositif, augmentant ainsi la sensibilité du dispositif d'un facteur égal à c1 r au voisinage de 0. co5r Selon une autre variante du dispositif la pente des électrodes peut être déterminée de manière à ce que l'impédance du dipôle soit une fonction linéaire de l'angle x. La pente des électrodes est alors fonction de x et donc non constante. Selon d'autres variantes liées aux caractéristiques électriques du liquide, il est possible de disposer de plusieurs dipôles en parallèle ou bien de dipôles ayant des électrodes discontinues. Principalement dans le cas de liquide conducteur, les dipoles du dispositif pourront avantageusement être réalisés par des pistes sur un même circuit imprimé. Cette solution permet réellement d'envisager des électrodes de forme quelconque avec une très bonne précision : celle-ci étant liée à la technologie de fabrication de circuits imprimés et non à un positionnement mécanique. Le schéma de la figure 3 peut aussi représenter la forme des pistes permettant la réalisation de deux dipôles sur un circuit imprimé. Le circuit imprimé pourra constituer une des parois du récipient contenant le liquide, ou bien être amovible. Lorsque le liquide utilisé est un diélectrique, les capacités pourront être réalisées en plaçant 2 circuits imprimés symétriques face à face. De même les 2 circuits pourront constituer 2 parois du récipient ou non. La figure 4 présente un exemple de réalisation du dispositif de mesure d'impédance basé sur le principe du pont. Le dispositif de mesure comporte principalement un pont constitué de 2 impédances 9 et 10 correspondant aux 2 dipoles 3 et 4 de la figure 1 et de 2 résistances 11 et 12. Ce pont est alimenté entre les points 14 et 15 par un oscillateur 13 fournissant une tension alternative. Le principe de la mesure d'angle est le suivant : le pont est équilibré pour le plan de référence, à l'aide de la résistance ajustable 10. On a alors la condition d'équilibre du pont : R10.Z9=R11.Z10 A l'équilibre la tension V entre les points 16 et 17 du pont est nulle. Une inclinaison du dispositif d'un angle x fait varier les impédances Z9 et Z10 provoquant un déséquilibre du pont et la naissance d'une tension V entre les points 16 et 17. Cette tension V est une fonction connue de l'angle x. La tension V est redressée par le module 18 et amplifiée par l'amplificateur 19 puis filtrée. La tension de sortie 20 peut ensuite être codée et affichée ou déportée. Un grand nombre d'autres solutions permettront d'évaluer la variation relative d'impédance des dipôles. Il est en particulier possible d'utiliser ces impédances comme éléments d'un ou de circuits résonnants. Une variation d'impédance provoquera alors une variation de fréquence ou de rapport cyclique qui sera convertie en une tension analogique. Le choix de la meilleure solution sera effectué par l'homme de l'art en fonction de la technologie et des objectifs d'utilisation du dispositif. La valeur des résistances 11 et 12 est déterminée en fonction de la nature du liquide utilisé, de la forme et de la surface des électrodes et éventuellement si le liquide est diélectrique en fonction de la fréquence d'oscillation de l'oscillateur. Lorsque le plan de référence est le plan horizontal, dans le cas où les électrodes sont symétriques les valeurs des résistances 11 et 12 sont égales. Une des résistances, par exemple, la résistance 11 est ajustable pour permettre l'étalonnage du système. En prenant comme exemple les électrodes de la figure 3, réalisées sur un circuit imprimé de 16 centimètres sur 4 centimètres, la largeur des électrodes étant de 2 mm, le liquide étant de l'alcool à brûler, des valeurs envisageables pour les résistances sont de l'ordre de la centaine de kiloohms. La figure 5 décrit un exemple de réalisation du module d'affichage. La tension continue 20 provenant du module de mesure est convertie en une valeur numérique par le convertisseur/analogique numérique 21. Le nombre de bits est fonction de la dynamique et de la précision du dispositif. La valeur numérique est ensuite transmise à une mémoire PROM ou EPRON 22 servant à étalonner le dispositif. Cette mémoire pourra contenir plusieurs plages de fonctionnement qui permettront par sélection l'affichage 23 de la valeur de l'angle en degré, grade, radian ou toute autre unité. Cette mémoire PROM ou EPROM n'est toutefois pas indispensable dans certains cas, l'utilisation d'électrodes de formes appropriées permettront avantageusement un affichage direct de la valeur numérique fournie par le convertisseur analogique/numérique. Les solutions décrites par les figures 4 et 5 sont des exemples de réalisation. Il est bien entendu que de nombreuses autres solutions permettront d'évaluer la variation relative d'impédance des dipôles. Le choix de la solution optimale dépend des objectifs d'utilisation du produit et des composants électroniques disponibles sur le marché. REVENDICATIONS 1. Dispositif autonome de mesure d'angle par rapport à un plan de référence quelconque, fournissant une information électrique analogique ou numérique de l'inclinaison du dispositif caractérisé par le fait qu'il n'utilise aucune pièce mécanique en mouvement, l'information pouvant être affichée localement ou être déportée pour être traitée. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'il peut émettre ou stopper un signal sonore ou optique lorsqu'il est incliné d'un angle nul par rapport au plan de référence. Le dispositif pourra d'ailleurs, pour une application simple, se limiter à cette fonction en repérant la position d'une bulle par rapport à deux électrodes. 3. Dispositif selon la revendication 1 caractérise par le fait qu'il utilise un liquide (2) comme référence du plan horizontal et un systeme électronique (5) permettant d'évaluer la position de l'axe du dispositif par rapport au plan horizontal représenté par le liquide, et un module d'affichage ou de déport d'information. Le liquide peut être indifféremment un liquide conducteur, un électrolyte ou bien un diélectrique. 4. Dispositif selon les revendications 1, 2 et 3 caractérisé par le fait que les déplacements du dispositif par rapport au liquide sont mesurés en évaluant les variations des dipôles (3) et (4) partiellement plongés dans le liquide, les variations d'impédance étant provoquées par le déplacement du liquide relativement aux électrodes des dipôles. 5. Dispositif selon les revendications 1, 2, 3 et 4 caractérisé par le fait qu'il utilise deux dipôles et que les variations d'impédance sont mesurées à l'aide de ponts du type Wheastone dans le cas d'un liquide conducteur ou d'un électrolyte, les dipôles étant alors des résistances ou bien du type Sauty ou Nernst dans le cas d'un liquide diélectrique, les dipôles étant alors des capacités parfaites ou non. 6. Dispositif selon les revendications 1, 2, 3 et 4 caractérisé en ce que les variations d'impédance des dipôles sont mesurées par un autre moyen que le pont, l'impédance de chaque dipôle pouvant intervenir comme élément d'un circuit résonnant. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que les mouvements du liquide sont amortis par un autre liquide non miscible ou bien par un corps solide flottant à la surface du liquide. 8. Dispositif selon les revendications 1, 2, 3 et 4 caractérisé par le fait que les électrodes des dipoles peuvent avoir une forme optimisée compte tenu des objectifs d'utilisation du dispositif. 9. Dispositif selon les revendications 1, 2, 3 et 4 caractérisé en ce que les électrodes sont réalisées par des pistes (8) du circuit imprimé, ce circuit imprimé pouvant être une des parois contenant le liquide ou non.