Brevet FR2601447A1 — publié le 19880115

-1 Appareil de mesure de niveau La présente invention concerne les appareils de détection ou de mesure de niveau et se rapporte en particulier à un appareil de mesure de niveau permettant de détecter ou de mesurer le niveau 5 de liquide ou le niveau d'interface entre deux liquides différents, tels que de l'eau et de l'huile, par exemple, dans un réservoir. On connaît déjà de tels appareils de mesure de niveau. La figure 1 montre, en perspective partiellement éclatée, un mode de réalisation d'un appareil connu. La description d'un 10 exemple d'appareil de mesure de niveau connu est donnée ci-après en regard de cette figure 1. Dans la figure 1, on voit qu'un flotteur ou élément mobile 1 est suspendu à un fil 1 pour être rendu mobile de manière à flotter sur la surface d'un liquide ou le niveau de liquide, non représenté. 15 Ce fil 2 est enroulé sur un tambour de fil 3, il peut être débobiné ou rebobiné sur le tambour de fil 3. Le tambour de fil 3 a son fond 3a supporté de manière rotative par un arbre de détection 8. Lorsque le niveau de liquide sur lequel flotte l'élément mobile 1 change et que l'élément mobile se déplace en correspondance vers 20 le haut ou le bas, selon la modification de niveau de liquide, la tension appliquée par le fil 2 au tambour de fil 3 change également. Cette modification de tension donnée par le fil 2 est transformée par une bague aimantée extérieure de couplage 4, fixée par l'un de ses côtés sur le fond 3a du tambour de fil 3, en étant coaxiale 25 avec l'arbre de détection 8, et par une bague aimantée intérieure de couplage 5, fixée par son centre sur l'arbre de détection 8 en étant intérieure à la bague aimantée extérieur 4, en un couple appliqué à l'arbre de détection 8. Ce couple de l'arbre de détection 8 déplace, à travers une pièce métallique 9 qui est solidaire de l'arbre de détection 8, des renorts d'équilibrage 11 ayant chacun une de leurs extrémités fixée a la pièce métallique 9. Alors que cette pièce métallique 9 et les ressorts d'équilibrage 11 ont été représentés distants d'un pignon 13, qui est porté de manière rotative par l'arbre de détection 8 dans la figure 1, pour des raisons de 35 meilleure compréhension, en pratique, la pièce métallique 9 est 260 1 4 47 -2 fixée par l'une de ses faces sur le pignon 13 et les ressorts ont leur autre extrémité également fixée du même côté sur ce pignon 13, par une patte métallique en L12 pour chacun d'eux. Le déplacement des ressorts d'équilibrage 11 est converti 5 en un signal électrique par un aimant de détection 10 fixé à la pièce métallique 9 et un transducteur électromagnétique 14 associé fixé sur la face du pignon 13, dans une position correspondant à celle de l'aimant 10. Le signal électrique du transducteur électromagnétique 14 est transmis à un amplificateur d'asservissement 17, 10 par une bague collectrice 16 fixée à l'arbre de détection 8, et est amplifié. Le signal électrique amplifié est appliqué à un moteur 18 dont l'arbre d'entraînement ou de transmission 19 entraîne, à travers une vis sans fin 20, formée sur la périphérie de l'arbre 19, le pignon 13 qui engrène sur la vis sans fin 20, dans un sens ou dans 15 l'autre en réponse au déplacement du niveau de liquide. Lorsque le niveau de liquide pour l'élément mobile 1 n'est plus- déplacé, le moteur et les éléments qu'il entraîne s'arrêtent de tourner et on atteint alors l'état l'équilibre. Dans ce même temps, la rotation de l'arbre d'entraînement 19 agit sur un compteur de mesure 20 de niveau 22, par une courroie de transmission de couplage 21, et on peut obtenir ainsi l'affichage de la valeur du niveau de liquide mesuré sur le compteur de mesure de niveau 22 lorsque l'élément mobile 1 est au repos. Une paire de bagues de support 6 et 7 sont prévues pour porter l'arbre de détection 8 et le rendre rotatif. En outre, un roulement à billes 15 est prévu pour permettre à l'arbre de détection 8 et au pignon 13 d'être librement entraînés en rotation, alternativement l'un et l'autre. Il en résulte que l'appareil de mesure de niveau connu, qui vient d'être décrit, doit être réalisé de sorte que l'arbre de détection 8 et le pignon 13 puissent tourner librement en utilisant le roulement à billes 15, ou une autre disposition analogue. En conséquence, l'appareil de mesure de niveau est de construction compliquée et de prix élevé. De plus, du fait des frottements mécaniques engendrés au niveau de l'arbre de détection 8 et des bagues de support 6 et ? qui portent l'arbre et des autres frottements mécaniques -3 engendrés au niveau de l'arbre de détection 8, du roulement à billes 15 et du pignon 13, l'appareil de mesure de niveau connu a une sensibilité de détection mécanique qui reste insuffisante pour la détection du changement de tension appliqué au tambour de fil 3 par le fil 5 2, lorsque le niveau de liquide change. Du fait de ces forces de friction, l'appareil de mesure de niveau selon l'art connu ne peut avoir une sensibilité de détection mécanique accrue. De plus, l'appareil de mesure connu ne peut pas utiliser efficacement les amplificateurs d'asservissement les plus performants, qui sont de haute stabilité 10 et ont un facteur d'amplification élevé. En conséquence, il est peu probable d'arriver à améliorer de façon significative la sensibilité de détection mécanique d'un tel appareil de mesure de niveau de l'art connu. La présente invention a pour but de réaliser un appareil amélioré de mesure, qui ne présente pas les inconvénients des appareils connus. Elle a aussi pour but de réaliser un appareil de mesure de niveau de réalisation simplifiée et qui peut être fabriqué à bas prix. L'invention a également pour autre but de réaliser un appareil de mesure dont la sensibilité de détection mécanique est considérablement améliorée. Elle a encore pour autre but de réaliser un appareil de mesure de niveau qui évite d'être affecté par des phénomènes d'hystérisis, 25 ou par les variations d'un ressort d'équilibrage ou autre facteur comparable. En outre, elle a pour but de réaliser un appareil de mesure de niveau qui permet d'utiliser efficacement un amplificateur d'asservissement de grande stabilité et de rapport d'amplification élevé. En outre, elle a aussi pour but de réaliser un appareil de détection de mesure qui permet de mesurer le niveau de liquide avec une grande précision. Elle a encore pour but de réaliser un appareil de mesure de niveau dans lequel l'élément mobile peut être miniaturisé en -35 dimensions relativement à ceux utilisés dans les appareils de l'art 260 1447 connu. L'invention a donc pour objet un appareil de mesure de niveau comportant: - un élément mobile monté suspendu par un fil de mesure audessus du niveau de liquide àdétecter, - un arbre de détection, - un tambour de fil sur lequel ledit fil est enroulé, qui est porté par ledit arbre de détection et rotatif sur ledit arbre de détection, - une bague aimantée externe de couplage fixée audit tambour de 10 fil, - une bague aimantée interne de couplage fixée sur ledit arbre de détection, - des moyens de conversion à aimant de détection associé à un transducteur électromagnétique qui sont couplés audit tambour et audit arbre de détection relativement l'un à l'autre, pour convertir le déplacement en rotation du tambour en un signal électrique, - des moyens d'entraînement en rotation dudit arbre de détection à partir du signal électrique délivré par ledit transducteur électromagnétique et étant caractérisé en ce que ledit transducteur électromagnétique 20 est directement fixé sur l'une desdites bagues aimantées externe et interne de couplage et en regard de l'autre desdites bagues externe et interne de couplage qui constitue ledit aimant de détection associé audit transducteur électromagnétique pour que, lorsqu'une force est engendrée pour provoquer un déplacement relatif desdites 25 bagues aimantées externe et interne de couplage en réponse à une variation du niveau de liquide à mesurer, une variation de flux magnétique engendré entre lesdites bagues aimantées externe et interne de couplage soit convertie en signal électrique par ledit transducteur électromagnétique et ledit signal électrique utilisé 30 pour l'entraînement dudit arbre de détection de manière à rattraper ledit déplacement entre lesdites bagues aimantées externe et interne de couplage, tandis que la valeur de niveau de liquide est délivrée. Selon une autre caractéristique lesdites bagues externe et interne de couplage présentent, l'une et l'autre, des pôles magnétiques 35 alternés N et S, selon leur circonférence et ledit transducteur - 5 électromagnétique est fixé dans la portion limite entre les différents pôles magnétiques, avantageusement sur la périphérie de la bague aimantée interne de couplage. Les caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront clairement dans la description détaillée ci-après d'un mode préféré de réalisation illustré dans les dessins ci-annexés. Dans ces dessins: - la figure 1 est une vue en perspective partiellement éclatée d'un exemple de réalisation d'un appareil de mesure de niveau de 10 type connu, - la figure 2 est une vue en perspective partiellement éclatée montrant un mode de réalisation d'un appareil de mesure de niveau, selon la présente invention, - les figures 3A à 3C sont des vues de face permettant d'expliquer 15 le fonctionnement de l'appareil selon l'invention de la figure 1, - La figure 4 est une vue en perspective illustrant un exemple de transducteur électromagnétique utilisé dans la présente invention. Dans le mode de réalisation de l'appareil de mesure de niveau selon la présente invention, illustré dans les dessins, des références 20 identiques ont été utilisées pour désigner des éléments comparables à ceux de l'appareil connu représenté dans la figure 1 et décrit ci-avant. Ces éléments ne sont plus décrits de manière détaillée. Dans la figure 2, l'élément mobile 1 est suspendu par un fil 2 au dessus du niveau de liquide à détecter, non représenté, et ce fil 2 est enroulé sur un tambour de fil 3 et peut être débobiné ou rebobiné sur ce tambour de fil, comme décrit ci-avant en regard de la figure 1. La bague aimantée extérieure de couplage, de forme cylindrique 4, est fixée à l'intérieur du tambour de fil 3, sur son fond 3a, et présente des pôles magnétiques nord sud N, S, formés 30 alternativement en magnétisant la bague aimantée extérieure de couplage 4 selon sa circonférence, comme montré dans les figures 3. La bague aimantée interne de couplage 5 est couplée à l'arbre de détection 8, et présente des pôles magnétiques nord, sud, N, S, en nombre identique à celui des pôles magnétiques N, S de la bague aimantée extérieure de couplage 4, formés alternativement en magnétisant -6 la surface extérieure de la bague aimantée interne de couplage 5. Un transducteur électromagnétique 14' est fixé sur la surface extérieure de la bague aimantée interne de couplage 5, dans une zone limite entre les différents pôles, ainsi que montré dans les figures 3. Pour une meilleure compréhension, la bague aimantée extérieure de couplage 4 a été représentée dans la figure 2 avec une partie arrachée pour montrer le transducteur électromagnétique 14', monté en regard d'elle sur la bague aimantée interne de coupalge 5. Quatre fils conducteurs de liaison du transducteur électromagné10 tique 14 ont été représentés connectés à la bague collectrice 16 montée sur l'arbre de détection 8, comme dans la figure 1, ils sont en pratique connectés par l'intérieur de l'arbre de détection 8 à la bague collectrice 16, comme montré par la ligne en pointillés selon l'axe de cet arbre 8 dans la figure 2. Le pignon 13 est directement fixé sur l'arbre de détection 8, sans roulement à billes intermédiaire comme c'était le cas dans l'appareil connu de la figure 1. Dans la figure 2, les autres éléments correspondants à ceux de la figure 1 sont simplement désignés par les mêmes références et ne sont pas décrits ci-après. Le fonctionnement de l'appareil de mesure de niveau selon l'invention, illustré dans la figure 2, est expliqué en regard des figures 3A, 3B et 3C. La figure 3A est une vue de face illustrant les positions relatives des bagues aimantées externe et interne-de couplage 4 25 et 5 lorsqu'une tension F appliquée par le fil 2 ne varie pas, la figure 3 B est une vue de face illustrant les positions relatives de ces bagues aimantées externe et interne de couplage 4 et 5, lorsque la tension F appliquée par le fil 2 passe de F à F+ F, et la figure 3C, une vue de face illustrant les positions relatives 30 de ces mêmes bagués aimantées externe et interne de couplage 4 et 5 lorsque la tension F appliquée par le fil 2 passe de F à F- F. Lorsque l'élément mobile 1 et les autres éléments sont en état d'équilibre, les pôles magnétiques N, S et S, N des deux bagues aimantées externe et interne de couplage 4 et 5 sont opposés les 35 uns aux autres, selon la direction radiale passant par leur centre commun 0, ainsi que montré dans la figure 3A, et la force de couplage orientée selon la direction radiale agit entre les deux bagues aimantées externe et interne de couplage 4 et 5 pour que ces bagues aimantées externe et interne de couplage soient toutes deux au repos. Si, par contre, le niveau de liquide est abaissé, par exemple, pour rompre cet état d'équilibre et l'élément mobile 1 déplacé vers le bas pour modifier la tension F donnée par le fil 2 en F+ tF, ainsi que montré dans la figure 3B, une force de rotation, dans le sens de la flèche A de cette figure 3B, est appliquée à la bague aimantée externe de couplage 4. Dans ce cas, puisque la bague aimantée interne de couplage 5 est maintenue au repos tant que la vis 20 et le pignon 13 ne sont pas entraînés en rotation par le moteur 18, du fait de la variation de tension F donnée par le fil 2, la bague aimantée externe de couplage 4 s'est déplacée en regard de la bague aimantée interne de couplage 5, avec un mouvement de rotation de faible amplitude à, dans le sens de la flèche A dans la figure 3B. En conséquence, le flux magnétique traversant le tansducteur électromagnétique 14' fixé sur la bague aimantée interne de couplage 5 a varié, comparativement à l'état montré dans la figure 3A, de sorte qu'une variation du signal électrique correspondant à la variation F de tension donnée par le fil 2 apparaît en sortie du transducteur électromagnétique 14'. Si ce transducteur électromagnétique 14' est réglé ou aJusté de sorte que son signal de sortie soit nul ou à zéro pour les conditions montrées dans la figure 3A, le transduc25 teur électromagnétique 14' génère alors un signal électrique correspondant à la variation de tension 6 F donnée par le fil 2. En se référant à nouveau à la figure 2, ce signal électrique est transmis à travers la bague collectrice 16 à l'amplificateur d'asservissement 17 dans lequel il est amplifié de manière à faire tourner le moteur 18. L'entraînement en rotation du rteur 18 entraîne, à travers l'arbre 19, la vis sans fin 20 et le pignon 13, l'arbre de détection 13 et, en conséquence, la bague aimantée interne de couplage 5, dans le même sens que celui du mouvement de la bague aimantée externe de couplage 4, en réponse à la variation F de tension donnée par le fil 2. Lorsque le déplacement entre les deux bagues aimantées -- 8 _8 externe et interne de couplage 4 et. 5 arrive à une valeur nulle, le signal de sortie du transducteur électromagnétique 14' devient nul. A cet instant, le déplacement de l'élément mobile 1 en regard du niveau de liquide devient également nul et le moteur 18 s'arrête 5 de tourner, l'état d'équilibre est alors à nouveau atteint. Pendant l'intervalle de temps d'arrivée à cette condition d'équilibre, le moteur 18 entraîne le compteur de mesure de niveau 22, à travers l'arbre d'entraînement 19 et la courroie 21, de manière que ce compteur indique la valeur de niveau mesuré ou détecté lorsque 10 les bagues aimantées externe et interne de couplage 4 et 5 sont au repos. Quand le niveau de liquide monte, par exemple, et que l'élément mobile 1 se déplace vers le haut pour modifier la tension F donnée par le fil en FOF, une force d'entraînement en rotation de sens 15 opposé à celui de la flèche A agit sur la bague aimantée externe de couplage 4, ainsi qu'illustré par la flèche B dans la figure 3C. Du fait de la variation F de la tension donnée par le fil 2, il résulte, en conséquence, un déplacement -,d en sens opposé de celui dans le cas de la figure 3B, entre les bagues aimantées externe 20 et interne de couplage 4 et 5, de sorte que le flux magnétique varie en sens opposé à celui correspondant à la figure 3B. Dans ces conditions, le transducteur électromagnétique 14' délivre un signal électrique opposé à celui délivré en regard de la figure 3B et correspondant à la variationLF de tension donnée par le fil 2. 25 De manière analogue à celle indiquée ci-avant, tous les mouvements en sens opposé à ceux correspondant au cas de la figure 3B ont lieu et l'état d'équilibre est à nouveau atteint. Un élément à effet Hall, un élément à magnéto-résistance ou bobine détectrice ainsi dite, peut être utilisé en tant que tranducteur électromagnétique 14'. Dans ce cas, l'élément à effet Hall qui est utilisé en tant que transducteur électromagnétique 14' est décrit ci- après en regard de la figure 4. Cette figure 4 est une vue en perspective illustrant essentiellement l'élément à effet Hall He. En regard de la figure 4, des bornes d'entrée a et b et des -9 bornes de sorties c et d sont prévues pour l'élément à effet Hall He. Lorsqu'un courant de commande IC est appliqué à travers les bornes d'entrée a et b à l'élément à effet Hall He pour générer un champ magnétique C perpendiculairement à la surface de l'élément à effet Hall, une tension par effet Hall VH proportionnelle au produit du champ magnétique C et du courant de commande IC apparaît entre les bornes de sortie c et d. Si ce courant de commande IC est choisi de manière à être constant, la tension Hall VH devient alors proportionnelle au champ magnétique C. En conséquence, si la tension Hall VH 10 dans les conditions correspondant au cas de la figure 3A, c'està-dire dans les conditions d'état d'équilibre, est ajustée pour avoir une valeur nulle, de zéro volt, cette tension Hall VH dans les conditions de la figure 3B devient par exemple négative et dans les conditions de la figure 3C positive. Lorsque cette tension 15 est amplifiée dans l'amplificateur d'asservissement 17 et le moteur entraîné dans le sens positif ou le sens inverse pour ramener cette tension Hall à sa valeur de zéro volt, même si le niveau de liquide est modifié par rapport à celui de l'élément mobile 1 et la tension F donnée par le fil 2 modifiée en conséquence, on peut retrouver immédiatement et automatiquement les conditions d'état d'équilibre. Alors que le niveau de liquide peut être détecté, ainsi que décrit ciavant à titre d'exemple, l'appareil de mesure de niveau selon l'invention est tout aussi bien utilisable dans d'autres conditions en particulier pour la mesure du niveau d'interface 25 de deux liquides différents, tels que de l'eau et de l'huile, ou d'autres liquides analogues. De la description et du fonctionnement donnés ci-avant, il ressort que l'appareil selon l'invention présente de nombreux avantages tels que ceux indiqués ci-après. L'appareil de mesure de r veau selon l'invention est de construction nettement simplifiée et peut être réalisé à un prix de revient bas. Dans l'appareil de mesure selon l'invention, des forces de friction ne sont engendrés qu'au niveau du tambour de sorte que l'appareil de mesure ou de détection de niveau a sur le plan mécanique Z601447 - 10 une sensibilité de détection considérablement améliorée. Puisque l'appareil de mesure de niveau selon l'invention ne comporte pas de ressorts d'équilibrage, on évite qu'il soit affecté par des phénomènes hystérésis, une variation ou analogue de tels ressorts d'équilibrage. De plus, comme l'appareil de mesure de niveau selon l'invention peut utiliser efficacement un amplificateur d'asservissement de pointe de la technologie électronique actuelle, qui présente une grande stabilité et un facteur d'amplification élevé, on peut mesurer 10 le niveau de liquide avec une sensibilité de détection très grande et une grande précision. De plus, comme l'appareil de mesure de niveau selon l'invention est de sensibilité de détection nettement améliorée, on peut utiliser un élément mobile miniaturisé en dimension comparativement à celui 15 utilisé dans les appareils de mesure de niveau de l'art connu. La présente invention a été décrite en regard du seul mode préféré de réalisation illustré dans les dessins annexés. Il est évident que l'on peut y apporter des modifications à la portée de l'homme de l'art et remplacer certains moyens par d'autres moyens 20 techniquement équivalents, sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. - 1 1 REVENDICATIONS 1/ Appareil de mesure de niveau comportant: - un élément mobile monté suspendu par un fil de mesure au-dessus du niveau de liquide à détecter un arbre de détection, - un tambour de fil sur lequel ledit fil est enroulé, qui est porté par ledit arbre de détection et rotatif sur ledit arbre de détection, - une bague aimantée externe de couplage fixée audit tambour de fil, - une bague aimantée interne de couplage fixée sur ledit arbre de détection, - des moyens de conversion à aimant de détection associé à un transducteur électromagnétique qui sont couplés audit tambour de fil et audit arbre de détection relativement l'un à l'autre, pour convertir 15 le déplacement en rotation du tambour en un signal électrique, - des moyens d'entraînement en rotation dudit arbre de détection à partir du signal électrique délivré par ledit transducteur électromagnétique, et étant caractérisé en ce que ledit transducteur électromagné20 tique (14') est directement fixé sur l'une (5) desdites bagues aimantées externe et interne de couplage (4, 5) et en regard de l'autre (4) desdites bagues externe et interne de couplage qui constitue ledit aimant de détection associé audit transducteur électromagnétique pour que, lorsqu'une force est engendrée pour provoquer un déplacement relatif desdites bagues aimantées externe et interne de couplage en réponse à une variation du niveau de liquide à mesurer, une variation de flux magnétique engendré entre lesdites bagues aimantées externe et interne de couplage soit convertie en signal électrique par ledit tranaducteur électromagnétique et 30 ledit signal électrique utilié pour l'entraînement dudit arbre de détection de manière à rattraper ledit déplacement entre lesdites bagues aimantées externe et interne de couplage, tandis que la valeur de niveau de liquide est délivrée. 2/ Appareil de mesure de niveau selon la revendication 1, caractérisé '35 en ce que lesdites bagues externe et interne de couplage (4, 5) 260 1 4 4 7 - 12 présentent chacune des pôles nord et sud, N, S, qui sont formés alternativement par magnétisation desdites bagues externe et interne de couplage, selon leur circonférence, pour chacune d'elles. 3/ Appareil de mesure de niveau selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit transducteur électromagnétique (14') est fixé sur la surface extérieure de ladite bague aimantée interne de couplage (5) dans une portion limite entre lesdits pôles N et S. 4/ Appareil de mesure de niveau selon l'une des revendications 1 à 3 et dans lequel lesdits moyens d'entraînement en rotation dudit arbre de détection (8) comportent un moteur (18) un arbre de transmission (19) entraîné par le moteur, une vis sans fin (20) formée sur ledit arbre de transmission et un pignon (13) engrenant ladite vis sans fin, caractérisé en ce que ledit pignon (13) est directement fixé (13) sur ledit arbre de détection (8). 5/ Appareil de détection de niveau selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un amplificateur d'asservissement (17) pour amplifier ledit signal électrique qui commande alors ledit moteur (18). 6/ Appareil de détection de niveau selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens d'affichage (22) couplés audit arbre de transmission (19) à travers une courroie (21), pour indiquer une valeur de niveau de liquide quand ledit élément mobile (1) est au repos. 7/ Appareil de détection de niveau selon la revendication 6, caractérisé 25 en ce que lesdits moyens d'affichage (22) sont constitués par un compteur. 8/ Appareil de détection de niveau selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une bague collectrice (16) montée sur l'arbre de détection (8) et couplant ledit transducteur électroma30 gnétique (14') audit amplificateur (17). 9/ Appareil de détection de niveau selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit transducteur électromagnétique (14') est constitué par un élément à effet Hall (He). / Appareil de détection de niveau selon la revendication 9, caractérisé 35 en ce que ledit élément à effet Hall (He) comporte une paire de 260 1 447 - 13 bornes d'entrée (a, b) et une paire de bornes de sortie (c, d). 11/ Appareil de détection de niveau selon la revendication 10, caractérisé en ce que lesdites bornes d'entrée de l'élément à effet Hall (He) reçoivent un signal de commande IC.