Brevet FR2598220A1 — publié le 19871106

La présente invention concerne un dispositif pour la mesure du niveau d'un liquide, et notamment d'un liquide inflammable, dans un récipient clos. Bien que l'invention sera principalement décrite en application à la mesure du niveau d'un liquide cryogénique, cette application n'est aucunement limitative et l'invention s'applique aussi bien à la mesure du niveau d'autres liquides, notamment les carburants pour véhicules automobiles contenus dans les 10 citernes des raffineries ou des stationsservice, les gaz liquéfiés, ou tout autre liquide. On connaît de nombreux types d'appareils de mesure du niveau d'un liquide inflammable, qu'il s'agisse par exemple d'appareils basés sur la détection du déplacement d'un flotteur (appareils à indication directe, appareils à flotteur suspendu à un filin enroulé sur un tambour asservi,.. .) ou sur la mesure de la variation d'une propriété électrique (sondes capacitives,..DTD: sondes à mesure de résistivité). En raison du caractère inflammable du liquide dont on souhaite mesurer le niveau, tous les dispositifs qui font directement ou indirectement intervenir des organes électriques doivent répondre à un certain nombre de prescriptions très rigoureuses qui obligent à conce25 voir ces dispositifs en sécurité intrinsèque, ou, à tout le moins, à les enfermer dans des coffrets anti-déflagrants. En ce qui concerne les dispositifs à plongeur d'Archimède, ceux-ci font toujours intervenir une sus30 pension élastique du plongeur (système de rappel à ressort ou tube de torsion), ce qui a pour conséquence de créer un effet d'hystérésis et d'introduire des défauts de précision et par surcroît lesdispositifs ana- logiques de conversions électroniques ou pneumatiques ajoutent à l'imprécision de l'ensemble. Dans le cas particulier des fluides cryogéniques à très basse température, notamment l'hydro5 gène liquide, les dispositifs connus n'apportent pas de résultats pleinement satisfaisants, compte tenu des conditions très particulières de température (15 K, soit -258 C environ) et de pression (60 bars) et de la très faible densité (0,07) de l'hydrogène liquide. L'un des buts de l'invention est de proposer un dispositif pour la mesure du niveau d'un liquide, notamment d'un liquide inflammable, qui: assure une sécurité absolue, grâce à l'absence totale de tout organe électrique à l'intérieur du réservoir 15 aussi bien qu'à proximité de celui-ci, assure une très grande précision de mesure malgré une grande vitesse de variation de niveau (dans le cas de la mesure du niveau des ergols dans les réservoirs destinés à alimenter-les moteurs fusées, il est impé20 ratif d'assurer une précision millimétrique sur une hauteur de l'ordre de 4 mètres), ne soit pas affecté par le caractère rapide ou lent de la variation du niveau, permette de conserver l'étanchéité complète du réser25 voir, grâce à la suppression de toute organe traversant la paroi de celui-ci. En outre, on verra qu'un autre avantage essentiel de l'invention est de pouvoir délivrer directement une information numérisée représentative du niveau, cette numérisation étant effectuée in situ sans l'aide d'aucun composant ou système électrique ou électronique. A cet effet, le dispositif selon l'invention comprend: un plongeur vertical de forme allongée, librement suspendu à un filin par son extrémité supérieure de manière à s'immerger partiellement dans le liquide, en partie supérieure du récipient, une poulie mobile en rotation sur au plus un quart de tour, cette poulie permettant l'enroulement du filin de suspension.du plongeur et étant solidaire d'un contrepoids, de sorte que l'ensemble poulie-contrepoids permette de compenser le poids du plongeur diminué de la poussée d'Archimède exercée par le liquide sur le plongeur, la position angulaire de l'ensemble poulie-contrepoids variant en fonction de la profondeur d'immersion et 15 par suite du niveau de liquide dans le réservoir, des moyens de mesure et de numérisation de la position angulaire de la poulie. De préférence, les moyens de mesure et de numérisation comprennent un disque à codage binaire se 20 déplaçant entre des moyens optiques émetteurs et récepteurs d'un signal lumineux. Dans ce cas, les moyens optiques émetteurs et récepteurs comportent de préférence un faisceau de - fibres optiques débouchant à proximité des régions codées du disque: ceci permet la transmission à distance de l'information numérique par voie optique, donc sans qu'il soit besoin de prévoir un système de transmission électrique en sécurité intrinsèque. Enfin, très avantageusement, l'intervalle séparant les secteurs successifs constituant le codage binaire du disque va décroissant en fonction de l'angle de rotation, la loi de variation de cet intervalle étant choisie de manière à compenser la non-linéarité introduite par l'inclinaison du contrepoids dans son déplace- ment, de sorte que l'information numérisée en sortie des moyens récepteurs varie linéairement avec le niveau du liquide dans le réservoir. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-dessous, faite en référence aux figures annexées sur lesquelles: la figure 1 montre schématiquement les éléments du dispositif de l'invention situés à l'intérieur du récipient, la figure 2 est une vue de dessus, en coupe selon la ligne II-II de la figure 1, montrant les moyens de mesure et de numérisation de position angulaire, 15. *la figure 3 est un détail de la figure 2, montrant la structure et la disposition des moyens optiques émetteurs et récepteurs, la figure 4 est une vue en plan du disque,f - à codage binaire montrant la répartition des secteurs successifs constituant le codage binaire. Sur la figure 1, la référence 1 désigne le réservoir, clos, contenant le liquide inflammable dont on souhaite mesurer le niveau. A cet effet, il est prévu un plongeur 2 de forme allongée, partiellement immergé dans le liquide. Ce plongeur peut être par exemple cylindrique et constitué en acier inoxydable, en PTFE, ou tout autre matériau approprié, et éventuelle-ment lesté en fonction des caractéristiques physiques du liquide. Ce plongeur 2 est librement suspendu à un filin 3, par exemple réalisé en"invar",qui est un matériau cryogénique. Ce filin s'enroule autour d'une poulie 4 de faible rayon, solidaire d'un contrepoids 5, l'ensemble poulie-contrepoids pouvant tourner d'au plus un quart de tour, l'amplitude maximale du déplacement angulaire étant de préférence de l'ordre de 1/8e de tour. Le fonctionnement de l'ensemble est le suivant: on suppose que, lorsque le réservoir est vide, le contrepoids 5 équilibre exactement le poids de l'ensemble filin-plongeur de sorte que le segment OG (O correspondant à l'axe de la poulie, et G étant le centre de gravité du contrepoids) soit horizontal. 10 - Lorsque le niveau de liquide monte dans le réservoir, la poussée d'Archimède exercée sur le plongeur vient en diminution du poids de celui-ci, de sorte que le poids apparent du plongeur va diminuer au fur et à mesure que le niveau augmente. Corrélativement, l'axe 15 OG du contrepoids va s'incliner par rapport à l'horizontale,le filin 3 venant à s'enrouler sur la poulie 4. L'écriture de la condition d'équilibre statique permet de déterminer la hauteur H du liquide dans 20 le réservoir, soit: H = 1 (m - M cos a) + r a (1) Os r H étant la hauteur du liquide dans le réservoir, p la masse volumique du liquide, 25 s la section du plongeur, m la masse du plongeur, M la masse du contrepoids, R la distance séparant le centre de gravité G du contrepoids de l'axe de la poulie, 30 r le rayon de la poulie, et a l'angle que forme le segment OG par rapport à l'horizontale(c'est-àdire l'inclinaison du contrepoids). Si l'on suppose que, pour H = 0 (réservoir vide), a = 0, c'est-à-dire que le contrepoids est strictement horizontal pour un réservoir vide, la masse du contrepoids doit être choisie telle que: R M R = m (2) r De sorte que l'équation (1)devient: H =- (1 - cos a) + r a (3) Ps On voit ainsi que, connaissant a, on peut en déduire immédiatement la hauteur H du liquide dans le réservoir. La mesure de l'angle de rotation a de la 15 poulie est effectuée au moyen du dispositif illustré figures 2 et 3: l'axe de la poulie 4 est solidaire d'un accouplement magnétique 6, 7 qui permet la transmission, sans jeu, du mouvement du disque à une roue dentée 8. Cette roue dentée 8 entraîne une roue 9 de 20 plus petit diamètre, de manière à démultiplier le mouvement de la poulie. Pour éviter tout jeu dans la transmission, il est prévu un ressort spiral 10 de suppression de jeu. La roue 9 est solidaire d'un disque à codage 25 binaire 11 se déplaçant entre des moyens optiques émetteurs 12 et des moyens récepteurs 13. Ces derniers moyens sont illustrés plus en détail figure 3: les moyens émetteurs 12 comprennent, dans un bottier, une pluralité de fibres optiques issues 30 d'un même faisceau et débouchant à proximité de la surface du disque en des points S0, S1,...., de manière à former une pluralité-de sources émettrices individuelles. On choisit par exemple un disque codé à 12 secteurs, ce qui permet une résolution de 4096 points. De la même façon, les moyens récepteurs 13 comportent un faisceau de fibres optiques dont les extrémités RO, R1,.....débouchent, de l'autre côté du disque, en vis-à-vis des sources respectives S0, S1,.... - La figure 4 montre, en plan, la structure du disque à codage binaire 11: celui-ci est un disque transparent comportant une série de zones opaques réparties sur une série de pistes (douze dans l'exemple choisi) en forme de couronne concentrique, et disposées au droit des sources respectives S0, S1,..... De façon classique, le disque est divisé en une pluralité de secteurs (4096 dans l'exemple choisi) dont le code binaire (qui peut être un code binaire pur, mais aussi un code BCD ou tout -autre code binaire approprié) est donné par la présence ou l'absence des zcnes opaques sur les différentes pistes d'un même secteur. Le codage sur 12 pistes, qui assure une 20 résolution de 4096 points, permet donc d'obtenir, comme indiqué plus haut, une précision millimétrique sur une hauteur de 4 mètres environ. De façon caractéristique de l'invention, l'intervalle x séparant les secteurs successifs n'est 25 pas choisi constant, mais décroissant en fonction de l'angle de rotation, de manière à compenser la nonlinéarité introduite par le terme en cos a de l'équation(3) cette non-linéarité étant surtout sensible pour les valeurs importantes de a. De la sorte, l'information numérisée recueillie en sortie des moyens récepteurs 13 variera linéairement avec le niveau du liquide dans le réservoir, permettant ainsi une utilisation immédiate sans aucune correction intermédiaire. REVENDICATIONS 1. Un dispositif pour la mesure du niveau d'un liquide inflammable, notamment un liquide cryogénique, dans un récipient clos (1), caractérisé en ce qu'il comprend: 5. un plongeur (2) vertical de forme allongée, librement suspendu à un filin (3) par son extrémité supérieure de manière à s'immerger partiellement dans le liquide, en partie supérieure du récipient, une poulie (4) 10 mobile en rotation sur au plus un quart de tour, cette poulie permettant l'enroulement du filin de suspension du plongeur et étant solidaire d'un contrepoids (5), de sorte que l'ensemble poulie-contrepoids permette de compenser le poids du plongeur diminué de 15 la poussée d'Archimède exercée par le liquide sur le plongeur, la position angulaire (î) de l'ensemble poulie-contrepoids variant en fonction de la profondeur d'immersion et par suite du niveau (H) de liquide dans le réservoir, 20. des moyens (6-12) de mesure et de numérisation de la position angulaire de la poulie. 2. Un dispositif selon la revendication 1, dans lequel les moyens de mesure et de numérisation comprennent un disque (11) à codage binaire se dépla25 gant entre des moyens optiques émetteurs (12) et récepteurs (13) d'un signal lumineux. 3. Un dispositif selon la revendication 2, dans lequel les moyens optiques émetteurs et récepteurs comportent un faisceau de fibres optiques débouchant à 30 proximité des régions codées du disque. 4. Un dispositif selon la revendication 2, dans lequel l'intervalle (x) séparant les secteurs successifs constituant le codage binaire du disque va décroissant en fonction de l'angle de rotation, la loi de variation de cet intervalle étant choisie de manière à compenser la non-linéarité introduite par l'inclinaison du contrepoids dans son déplacement, de sorte que l'information numérisée en sortie des moyens récepteurs varie linéairement avec le niveau du liquide dans le réservoir.