Brevet FR2653555A1 — publié le 19910426

La présente invention a pour objet un dispositif de mesure du niveau d'un liquide dans un réservoir. Un tel dispositif est utilisé notamment dans le domaine automobile, pour la mesure du niveau de liquides tels que des carburants, des lubrifiants et autres liquides analogues. On connaît déjà de nombreux dispositifs du type ci-dessus. Certains d'entre eux comprennent un flotteur mobile qui entraîne un curseur métallique en contact avec une piste résistive, par exemple. La mesure du niveau est effectuée en mesurant la résistance de la portion de piste comprise entre le curseur et une des extrémités de cette piste. La présence du curseur est cependant à l'origine d'un certain nombre d'inconvénients, parmi lesquels il faut signaler la mauvaise influence du frottement sur la précision des déplacements du flotteur, et l'encrassement et l'usure du contact susceptible de fausser la mesure électrique. D'autres dispositifs, dits statiques car ils ne comportent aucune pièce en mouvement, ne souffrent pas des inconvénients précédents. Ils sont par exemple basés sur la mesure de la capacité d'un condensateur dont les armatures sont partiellement immergées, ou encore sur la mise en oeuvre d'un faisceau ultrasonore ou électromagnétique comme dans un sonar ou dans un radar, respectivement. Ces dispositifs ont cependant pour inconvénient un prix de revient élevé, qui les rend mal adaptés à une utilisation grand public comme celle du domaine automobile. La présente invention vise à pallier les inconvénients précédents en procurant notamment un dispositif fiable et précis de mesure du niveau d'un liquide dans un réservoir, d'un prix de revient particulièrement bas. A cet effet, elle a pour objet un dispositif de mesure du niveau d'un liquide dans un réservoir, caractérisé par le fait qu'il comprend: - des moyens collecteurs de lumière, s'étendant sur la hauteur dudit réservoir, - au moins une source de lumière, disposée au voisinage d'une des extrémités desdits moyens collecteurs pour les éclairer en totalité en l'absence de liquide, et, - des moyens de mesure de l'intensité lumineuse collectée par lesdits moyens collecteurs, intensité représentative du niveau à mesurer. Dans le dispositif de l'invention, il n'y a pas de curseur en frottement sur une piste résistive et donc pas de problèmes d'usure et de grippage. De plus, les moyens nécessaires à la mise en oeuvre de l'invention sont particulièrement simples et d'un prix de revient réduit. Dans le dispositif de l'invention, du fait que la lumière ne se propage pas de la même façon dans le liquide et dans le gaz, en principe de l'air, qui surmonte ce liquide, l'intensité lumineuse collectée par les moyens collecteurs, qui s'étendent sur toute la hauteur du réservoir, dépend du niveau du liquide dans le réservoir. Naturellement, plus les propriétés optiques du liquide à mesurer diffèrent de celles du gaz qui le surmonte, plus la précision du dispositif est grande. Notamment, celle-ci est maximale lorsque le liquide absorbe l'énergie lumineuse émise par la source, c'est à dire lorsque le liquide est opaque pour le rayonnement lumineux de la source. Avantageusement, il est prévu des moyens d'arrêt de ladite lumière, portés par la surface du liquide. Dans ce cas, les propriétés optiques du liquide sont sans influence sur la précision du dispositif, puisque la lumière, arrêtée par la surface du liquide, n'atteint pas l'intérieur du liquide si la source est extérieure au liquide, ou l'extérieur du liquide si la source est intérieure au liquide. La partie des moyens collecteurs intérieure au liquide dans le premier cas, ou extérieure dans le second cas, ne collecte donc aucun rayonnement lumineux, quelles que soient les propriétés optiques du liquide. Dans la forme de réalisation préférée, lesdits moyens collecteurs comprennent un tronçon de guide de lumière et lesdits moyens de mesure de l'intensité sont disposés en regard d'au moins une des extrémités dudit tronçon. Dans ce cas, l'énergie lumineuse collectée par le tronçon reste, au moins en partie, prisonnière du tronçon et guidée vers ses extrémités. I1 est alors suffisant que les moyens de mesure de l'intensité soient de surface voisine de celle de la section du guide, qui est relativement faible. Un détecteur de rayonnement lumineux de type courant, comme une simple photodiode, est utilisable à une ou aux deux extrémités du tronçon. Avantageusement, le tronçon est réalisé dans un matériau transparent chargé par une substance fluorescente. Un tel tronçon est particulièrement bien adapté pour collecter l'énergie lumineuse qui frappe sa surface, pour une grande plage de valeurs d'angles d'incidence, et pour guider ensuite une proportion définie de cette énergie vers ses extrémités. La substance fluorescente absorbant des rayonnements lumineux dont la longueur d'onde est centrée sur une première valeur, et les restituant sous la forme de rayonnements dont la longueur d'onde est centrée sur une deuxième valeur, ladite source est avantageusement de spectre étroit proche de ladite première valeur, et lesdits moyens de mesure sont avantageusement de spectre étroit proche de ladite deuxième valeur. Dans ce cas, la lumière parasite qui pourrait passer directement, sans l'intermédiaire du tronçon, de la source de lumière au détecteur, et donc ainsi fausser la mesure, a une influence faible puisque sa longueur d'onde n'est pas celle qui correspond au maximum de sensibilité du détecteur. Selon une caractéristique de l'invention, il est prévu des moyens de modulation de la lumière de la source , pour moduler l'intensité de cette lumière selon la hauteur de son point d'incidence sur lesdits moyens collecteurs, de façon adaptée à la forme du réservoir, afin que l'intensité de la lumière collectée varie linéairement avec le volume du liquide dans le réservoir. Selon une autre caractéristique de l'invention, lesdits moyens d'arrêt comprennent une multitude de billes de petite dimension flottantes à la surface du liquide. Dans ce cas, il est possible de s'accommoder de sections variables pour les moyens collecteurs comme pour le boîtier de logement et de protection du dispositif. Selon encore une autre caractéristique, lesdits moyens d'arrêt sont réfléchissants. Cette caractéristique permet, dans le cas où la source est disposée à l'extérieur du liquide, d'augmenter la précision pour les faibles niveaux de liquide, puisque la lumière qui se trouve collectée dans cette situation est plus importante. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante de la forme de réalisation préférée du dispositif de l'invention, et de quelques variantes, faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels, - la figure 1 représente une vue en coupe d'un réservoir pourvu d'un dispositif de mesure du niveau conforme à l'invention, - la figure 2 représente une vue d'une première variante du dispositif de la figure 1, - la figure 3 représente une vue d'une deuxième variante du dispositif de la figure 1, et, - la figure 4 représente une vue d'une troisième variante du dispositif de la figure 1. Sur la figure 1 est représenté, de façon schématique, un réservoir 1 contenant un liquide 2. Comme cela a déjà été signalé, l'invention est relative à un dispositif 3 pour mesurer le niveau du liquide 2 dans le réservoir 1. Plus particulièrement, le dispositif qui va maintenant être décrit en référence à la figure 1 est relatif à la mesure du niveau d'un liquide dont les propriétés optiques différent sensiblement de celle de l'air, par exemple parce que ce liquide absorbe fortement les rayonnements lumineux dont la longueur d'onde est comprise à l'intérieur d'une certaine bande, dite bande d'absorption. Le dispositif 3 comprend, de façon connue, un boîtier 31 destiné à supporter et à protéger ses constituants. Ici, le réservoir 1 étant monté à bord d'un véhicule automobile et donc soumis à des vibrations et secousses relativement importantes, le boîtier 31 permet de plus le filtrage des variations brusques résultantes du niveau du liquide 2, grâce à des orifices 311, de faibles dimensions, pratiqués dans sa paroi pour laisser passer le liquide 2. De façon connue, le boîtier 31 est rendu solidaire du réservoir 1 par sa partie supérieure qui s'adapte à un orifice prévu à cet effet dans la paroi supérieure du réservoir 1. Le boîtier 31 s'étend sur toute la hauteur du réservoir 1. Entre la partie supérieure du boîtier 31 et son fond est maintenu un tronçon 4 d'un guide de lumière, ici du type fibre optique. Ce tronçon 4 s'étend donc sur toute la hauteur du réservoir 1. Il est ici en matériau transparent chargé par une substance fluorescente. Plus particulièrement, et à titre d'exemple, le matériau dont il s'agit ici est un polymère transparent optiquement pur de la famille PMMA coloré par un colorant fluorescent et commercialisé par la société BAYER AG sous la marque déposée "Lisa". Ici, la substance fluorescente, ou colorant, est de couleur rouge. Plus précisément, elle absorbe les rayonnements lumineux dont la longueur d'onde est comprise entre sensiblement 493nm et sensiblement 580nm, c'est à dire sensiblement centrée sur la valeur 535nm , et les restitue sous la forme de rayonnements dont la longueur d'onde est comprise entre sensiblement 567nm et sensiblement 655nm, et sensiblement centrée sur la valeur 625 nm. Une source 5 de lumière, ici une diode électroluminescente, est disposée au voisinage de l'extrémité supérieure du tronçon 4, de façon à éclairer le tronçon 4 sur toute sa longueur, en l'absence de liquide dans le réservoir 1. Le spectre d'émission de la diode 5 est choisi pour être dans la bande d'absorption du liquide 2. Ici, de plus, ce spectre est étroit et proche de 535 nm, valeur de la longueur d'onde absorbée par le colorant du tronçon 4. Un détecteur de lumière 6, ici une photodiode, est disposé en regard de l'extrémité supérieure du tronçon 4. La photodiode 6 est ici spectre étroit proche de 625 nm, valeur de la longueur d'onde restituée par le colorant du tronçon 4. Un circuit électronique 7 est pourvu d'une sortie d'alimentation de la diode électroluminescente 5, d d'une entrée reliée à la photodiode 6 et d'une sortie reliée ici à un dispositif d'affichage 8. Le dispositif qui vient d'être décrit fonctionne comme suit. En l'absence totale de liquide, la totalité du tronçon 4 est éclairée par la source 5. Le tronçon 4 collecte la lumière incidente sur sa surface. La lumière ainsi collectée est en partie absorbée par le colorant fluorescent, qui la restitue sous la forme d'une lumière de fluorescence de grande longueur d'onde. Compte tenu des lois qui régissent les phénomènes optiques à l'interface entre un milieu d'indice donné, comme le matériau du tronçon 4, et un milieu d'indice inférieur à cet indice donné, tel que l'air ambiant au dessus du liquide 2, la plus grande partie de la lumière de fluorescence induite dans le tronçon 4 reste guidée par ce tronçon. En effet, l'angle d'incidence de la plus grande partie de la lumière de fluorescence induite au sein du tronçon 4 est tel que chacun de ces rayons y subit une suite de réflexions totales qui le guident et maintiennent ainsi l'énergie lumineuse correspondante prisonnière du tronçon 1. Cette énergie lumineuse parvient ainsi aux extrémités du tronçon 4. Là, elle peut sortir par la section du tronçon 4 et atteindre notamment la photodiode 6 qui, associée au circuit électronique 7, permet la mesure de l'intensité lumineuse collectée. Les phénomènes optiques qui viennent d'être exposés font que le tronçon 4, lorsqu'il est réalisé dans un matériau chargé par un colorant fluorescent, est particulièrement bien adapté, notamment du point de vue du rendement, à sa fonction de collecte de l'énergie lumineuse, de sommation de cette énergie et de guidage vers un détecteur de surface sensible relativement faible comme le détecteur 6. L'utilisation d'un détecteur de surface sensible faible est appréciable car elle permet de réduire les coûts. Lorsque le niveau du liquide est à une valeur intermédiaire dans le réservoir, comme cela est représenté sur la figure 1, la partie immergée du tronçon 4 ne collecte aucun rayonnement lumineux provenant de la source, puisque ceuxci sont absorbés par le liquide 2. L'intensité lumineuse collectée est alors plus faible que lorsque le réservoir 1 est vide. L'intensité lumineuse collectée étant donc d'autant plus faible que le niveau du liquide est élevé, le résultat de la mesure de cette intensité indiquée par le dispositif d'affichage 8 est donc représentatif du niveau du liquide 2 dans le réservoir 1. Naturellement, il est souvent préférable que l'intensité mesurée varie linéairement avec le niveau du liquide. A cet effet, la diagramme de rayonnement et l'orientation de la source 5 sont choisis pour que l'intensité de la lumière en provenance de la source soit aussi constante que possible le long du tronçon 4, en l'absence de liquide. Dans certains cas, le réservoir n'est pas de forme simple comme celui de la figure 1, et le volume du liquide 2 qu'il contient n'est pas proportionnel à la hauteur de ce liquide dans le réservoir. Comme on s'intéresse en général au volume restant du liquide, et que l'on souhaite alors une variation linéaire de la valeur affichée avec ce volume, il est possible de compenser en totalité ou en partie les nonlinéarités de la variation volume/hauteur par des nonlinéarités de la variation hauteur/éclairement. Ici, du fait de la différence entre la longueur d'onde de la source 5 et celle du détecteur 6, l'influence de la lumière qui pourrait passer directement de la source 5 au détecteur 6 est minimisée. Ceci est un autre avantage procuré par l'utilisation d'un tronçon 4 en matériau chargé par une substance fluorescente. Naturellement, il est préférable que l'intérieur du boîtier 31 soit bien séparé, du point de vue optique, du milieu extérieur, de façon à ce qu'aucune lumière parasite ne vienne fausser les mesures. Le matériau du boîtier 31 sera choisi en conséquence. Sur la figure 2, on a représenté une première variante du dispositif de l'invention, comportant un diffuseur 51 destiné à moduler l'intensité de la lumière de la source 5 selon la hauteur de son point d'incidence sur le tronçon 4. Ici, le diffuseur 51 est en matériau transparent et il a une section sensiblement prismatique. Il n'est pas accolé au tronçon 4, de façon à ce que, dans la partie immergée, le liquide 2, opaque au rayonnement lumineux de la source 5, puisse empêcher le rayonnement qui sort du diffuseur 51 d'atteindre le tronçon 4. Le diffuseur 51 est utile dans les cas où le diagramme de rayonnement de la source est tel qu'un éclairement uniforme du tronçon 4, ou encore un éclairement adapté à la forme du réservoir, est difficile à obtenir directement. Dans ce cas, le profil du diffuseur 51 est choisi pour parvenir au résultat souhaité. Sur la figure 3, on a représenté une deuxième variante du dispositif de l'invention, plus particulièrement destinée au cas où le liquide 2 est transparent au rayonnement de la source 2. Dans un tel cas, en effet, les différences entre les propriétés optiques du liquide 2 et de l'air qui le surmonte peuvent n'être pas suffisantes et conduire à des variations de l'intensité lumineuse collectée difficiles à déceler. Pour éviter cet inconvénient, le dispositif de la figure 3 est pourvu d'un flotteur 9, réalisé dans un matériau opaque qui arrête donc la lumière en provenance de la source 2, afin qu'elle ne pénètre pas dans le liquide 2. On obtient alors un résultat comparable à celui obtenu lorsque le liquide est lui même opaque. Il est à noter ici que le flotteur 9 peut être particulièrement mince, dans la mesure ou, contrairement aux flotteurs connus qui doivent entraîner un curseur, par exemple, le flotteur 9 n'a aucune résistance mécanique à vaincre pour se déplacer, puisque sa fonction est uniquement d'arrêter la lumière au niveau de la surface du liquide. La faible épaisseur du flotteur permet une bonne précision de mesure, surtout vers les faibles niveaux. Le flotteur 9 peut être pourvu d'une face supérieure réfléchissante de forme appropriée afin d'augmenter la précision pour les faibles niveaux, comme cela a déjà été signalé, par renvoi de l'énergie lumineuse vers le haut. Sur la figure 4 est représentée une troisième variante du dispositif de l'invention, dans laquelle le flotteur 9 est remplacé par une couche 9' comprenant une multitude de billes flottantes à la surface du liquide, billes réalisées par exemple en polyacétal opaque. Les billes de la couche 9' pourraient également être réfléchissantes en totalité, ou encore réfléchissantes sur une portion seulement de leur surface, l'orientation de cette surface étant obtenue par lestage. Naturellement, la présente invention n'est pas limitée à la forme de réalisation et aux variantes qui viennent d'être décrites. Ainsi, il est possible d'utiliser, pour collecter la lumière, un tronçon de guide de lumière non chargé par un colorant fluorescent. La section du guide de lumière peut être circulaire, carrée, ou encore de toute forme appropriée à la fonction de collection de la lumière de la source. Pour corriger les variations d'éclairement, la section du guide de lumière peut être variable. Pour favoriser la collection de la lumière, un réflecteur peut être utilisé, pour réfléchir le maximum de lumière vers le tronçon. De façon connue, le matériau du guide peut être homogène et donc à indice optique constant, ou à variation d'indice pour procurer un meilleur guidage de la lumière collectée.Lorsque le matériau du guide collecteur et le liquide dont le niveau est à mesurer sont incompatibles, par exemple parce que le liquide attaque le matériau, le guide peur être protégé par un tube de verre, de polyacétal, ou encore par une couche de vernis. Il est possible d'utiliser plusieurs tronçons de guide de lumière parallèles disposés à l'intérieur du boîtier 31. De même, il est possible d'utiliser plusieurs sources judicieusement disposées pour obtenir un bon éclairement du ou des tronçons de guide de lumière. Il est aussi possible de disposer un détecteur à chaque extrémité du tronçon de guide de lumière en sommant les signaux détectés par chacune de ces détecteurs, à condition qu'il y ait guidage quel que soit le milieu dans lequel baigne le guide. Il serait également possible, tout au moins dans le cas ou le liquide est transparent et ou il est prévu un flotteur opaque, de disposer la ou les sources de lumière à l'extrémité inférieure du tronçon de guide, c'est à dire dans le liquide. Le fonctionnement est symétrique du précédent, puisque, dans ce cas, c'est la partie non immergée du tronçon de guide qui ne reçoit aucune lumière. Il est possible que le circuit électronique 7 commande la source de façon continue ou en impulsions. De façon connue, le fonctionnement en impulsions permet notamment d'augmenter le rendement lumineux. Revendications 1. Dispositif (3) de mesure du niveau d'un liquide (2) dans un réservoir (1), caractérisé par le fait qu'il comprend: - des moyens (4) collecteurs de lumière, s'étendant sur la hauteur dudit réservoir (1), - au moins une source de lumière (5), disposée au voisinage d'une des extrémités desdits moyens collecteurs (4) pour les éclairer en totalité en l'absence de liquide, et, - des moyens (6-8) de mesure de l'intensité lumineuse collectée par lesdits moyens collecteurs (4), intensité représentative du niveau à mesurer. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel il est prévu des moyens (9, 9') d'arrêt de ladite lumière, portés par la surface du liquide (2). 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel lesdits moyens collecteurs comprennent un tronçon (4) de guide de lumière et lesdits moyens (6) de mesure de l'intensité sont disposés en regard d'au moins une des extrémités dudit tronçon (4). 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel ledit tronçon (4) est réalisé dans un matériau transparent chargé par une substance fluorescente. 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel, la substance fluorescente absorbant des rayonnements lumineux dont la longueur d'onde est centrée sur une première valeur, et les restituant sous la forme de rayonnements dont la longueur d'onde est centrée sur une deuxième valeur, ladite source (5) est de spectre étroit proche de ladite première valeur, et lesdits moyens de mesure (6) sont de spectre étroit proche de ladite deuxième valeur. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel il est prévu des moyens (51) de modulation de la lumière de la source (5), pour moduler l'intensité de cette lumière selon la hauteur de son point d'incidence sur lesdits moyens collecteurs (4), de façon adaptée à la forme du réservoir (1), afin que l'intensité de la lumière collectée varie linéairement avec le volume du liquide (2) dans le réservoir (1). 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel lesdits moyens d'arrêt comprennent une multitude (9') de billes de petite dimension flottantes à la surface du liquide (2). 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel lesdits moyens d'arrêt (9) sont réfléchissants.