Brevet FR2668595A1 — publié le 19920430

i PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE DU NIVEAU DE LIQUIDE La présente invention a pour objet un procédé de mesure du niveau d'un liquide contenu dans un réservoir et elle trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans le jaugeage des carburants, notamment sur les avions. Les capteurs de la plupart des jaugeurs utilisés à l'heure actuelle sont constitués par des condensateurs pla- cés dans les réservoirs et immergés plus ou moins profondé- ment dans le carburant suivant le niveau de ce dernier. Cette méthode de mesure conduit à mettre sous tension des éléments contenus dans le réservoir, en contact avec un liquide inflammable ou explosif Les liaisons entre ces capteurs et l'extérieur peuvent être sensibles aux pertur- bations électromagnétiques. On a par ailleurs déjà proposé un dispositif per- mettant de détecter si la surface libre d'un liquide conte- nu dans un réservoir dépasse ou non un niveau déterminé Ce dispositif comprend une fibre optique en épingle à cheveux dont la partie cintrée, dirigée vers le bas, est dénudée et est placée au niveau de détection Lorsque le liquide con- tenu dans le réservoir atteint la partie cintrée dénudée, la lumière canalisée par l'âme de la fibre s'échappe et le flux lumineux détecté à la sortie de la fibre diminue bru- talement. Un tel dispositif a l'inconvénient de ne donner qu'une simple possibilité de détection. L'invention vise à fournir un procédé et un dispo- sitif de mesure optique, permettant de mesurer le niveau de la surface libre avec une précision acceptable dans la pra- tique et ce en ne mettant en oeuvre que des moyens simples et commercialement disponibles. Dans ce but l'invention propose notamment un procé- dé de mesure selon lequel on envoie un flux lumineux dans une extrémité d'une fibre optique ayant un tronçon dénudé, sensiblement rectiligne, occupant une hauteur déterminée dans le domaine de variation du niveau à mesurer, la fibre étant choisie de façon que les indices de son coeur et de sa gaine encadre l'indice du liquide; on mesure le flux lumineux sortant de la fibre optique et on compare l'atté- nuation subie par le temps de ladite fibre à l'atténuation dans une fibre de référence de même nature, dont la partie dénudée est toujours à l'extérieur du liquide et située dans le gaz qui surmonte le liquide; et on déduit la fraction de la hauteur dénudée qui est immergée d'une comparaison entre les atténuations. La comparaison des deux atténuations peut être di- recte, c'est-à-dire effectuée sur les rapports entre flux sortants et flux entrants dans chaque fibre; elle peut se ramener dans la mesure o les flux entrants dans les deux fibres restent toujours dans un même rapport bien détermi- né, à une comparaison entre les flux sortants. L'utilisation d'une fibre de référence permet de s'affranchir des variations d'indice du liquide, par exem- ple en fonction de la température. La variation de l'atténuation subie par la lumière en fonction de la hauteur d'immersion n'est pas linéaire. Le défaut de linéarité peut être compensé par une correc- tion effectuée à l'aide d'une courbe d'étalonnage mémori- sée Aussi longtemps que le tronçon dénudé est de longueur réduite, la correction à effectuer reste faible Cette cor- rection peut en particulier être effectuée à l'aide d'un processeur numérique. Une solution plus avantageuse lorqu'on recherche une dynamique de mesure importante consiste à utiliser plu- sieurs fibres optiques ayant des tronçons dénudés, décalés verticalement (avec ou sans recouvrement des tranches ver- ticales correspondant aux tronçons dénudés) la mesure s'effectuant alors par identification de la fibre dont le tronçon dénudé est partiellement immergé, puis détermina- tion de la fraction immergée par le procédé défini ci- dessus. Si par exemple on utilise dix fibres dont les par- ties dénudées sont de longueur égale et sont placées dans des tranches directement adjacentes et sans recouvrement, une précision de mesure de 10 % sur chaque fibre suffit pour obtenir une précision de 1 % sur la mesure globale de niveau. L'invention propose également un dispositif de me- sure optique du niveau d'un liquide dans un réservoir, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une fibre optique de mesure ayant un tronçon sensiblement rectiligne, dénudé, s'étendant sur une hauteur prédéterminée de mesure et une fibre optique de référence ayant un tronçon sensiblement rectiligne dénudé destiné à plonger en permanence dans le liquide, des moyens d'envoi de flux lumineux dans les fi- bres; des moyens de mesure du flux lumineux sortant des fibres et des moyens pour en déduire la fraction immergée du tronçon de la fibre optique de mesure. Dans le cas fréquent o le dispositif est destiné à mesurer le niveau d'un carburant tel que le kérosène, dont l'indice à la température ambiante est d'environ 1,44, une fibre optique disponible, commerciale, à âme de silice, d'indice légèrement supérieur à celui du kérosène, donne des résultats satisfaisants On peut en particulier utili-25 ser des fibres optiques ayant un diamètre de coeur de 600 em, et une épaiseur de gaine optique de 200 pi, qui a permis d'obtenir des résultats satisfaisants avec des tron- çons dénudés de 40 mm de long. Dans une variante de réalisation de l'invention, les fibres de mesures présentent non pas un, mais plusieurs tronçons dénudés, non directement adjacents, ce qui permet de multiplier le nombre de plages de mesure et donc la pré- cision, pour un nombre de fibres déterminé Il est simplement nécessaire de limiter la longueur dénudée à une valeur qui ne conduit en aucun cas à une atténuation réduisant de façon inadmissible la précision Dans la pratique, les f i- bres n'auront jamais plus de trois parties dénudées. Du fait de la non linéarité de l'atténuation, la relation entre variation de l'atténuation et variation de la hauteur sera différente pour les différents tronçons dé- nudés d'une même fibre L'identification du tronçon et l'application de la relation de proportionnalité peut être faite par un processeur numérique. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs La description se réfère aux dessins qui l'accompagne, dans lesquels: la figure 1 est un schéma de principe destiné à montrer les composants principaux d'un dispositif de mesure selon l'invention; la figure 2 est une courbe représentative de l'atténuation a dans une fibre en fonction de la hauteur de liquide h; la figure 3 est une courbe représentative du coefficient de transmission c dans une fibre ayant un tron- çon dénudé plongé dans un fluide, en fonction de l'indice de ce fluide; la figure 4, similaire à la figure 1, montre un dispositif utilisable pour le jaugeage du carburant dans un réservoir;25 la figure 5 montre une disposition possible de fibres ayant chacune deux tronçons dénudés; la figure 6 montre un montage permettant de sous- traire l'âme d'une fibre, dans une partie dénudée, à l'action d'un liquide polluant. Le dispositif dont la constitution de principe est montrée en figure 1 utilise les propriétés de transmission de la lumière dont un tronçon de quelques centimètres a été partiellement ou complètement débarrassé de sa gaine opti- que, dont l'indice est plus faible que celui de l'âme. Le dispositif montré en figure 1 comporte une fibre de mesure unique 10 et une fibre de référence 12 Ces fi- bres sont de type identique La fibre est choisie de façon que l'indice du liquide 16 dont le niveau est à mesurer soit inférieur à celui de l'âme 14 de la fibre et nettement supérieur à l'indice de la gaine optique de la fibre Des moyens permettent d'envoyer un flux lumineux à une extrémi- té de la fibre et de recueillir à l'autre extrémité le flux sortant et de fournir un signal représentatif de ce flux sortant Dans le cas schématisé sur la figure 1, l'une des extrémités de la fibre 10 est couplée à un émetteur optique 18, qui sera généralement une diode électroluminescente, et l'autre extrémité est couplée à un capteur opto-électroni- que 20, qui sera par exemple un phototransistor muni d'un amplificateur Le flux lumineux émis par la source 18 peut souvent être représenté par le signal de commande appliqué à la source Un circuit électronique 22 permet de commander la source et de calculer l'atténuation subie par le flux lumineux. Dans une fibre équipée de sa gaine, la lumière est transmise pratiquement sans atténuation Au contraire la lumière transmise dans une fibre 10 ayant un tronçon dénudé est fonction de la hauteur immergée x Lorsque ces hauteurs varient, l'atténuation a change d'une valeur minimum an pratiquement nulle à une valeur a M, puis elle reste cons- tante lorsque le niveau du liquide augmente encore, comme le montre la courbe en traits pleins sur la figure 2 Dans la pratique la variation de l'atténuation a en fonction de h n'est pas complètement linéaire mais elle peut être dé- terminée expérimentalement et mémorisée De plus, une loi linéaire représente une approximation suffisante lorsque la hauteur totale de la partie dénudée reste faible. L'atténuation subie par la lumière dépend également dans une large mesure de l'indice du liquide 16 Comme le montre la figure 3, le coefficient de transmission de la lumière, à profondeur d'immersion donnée du tronçon dénudé, diminue lorsque l'indice augmente en restant compris entre l'indice de la gaine et l'indice du coeur Pour le kérosène par exemple, la variation d'indice en fonction de la tempé- rature peut faire varier le coefficient de transmission dans toute la zone indiquée par des hachures sur la figure 3. En conséquence, il sera nécessaire de tenir compte de la température dans la mesure, chaque fois que cette température est susceptible de varier dans un domaine im- portant La compensation de la variation d'indice peut être effectuée de façon simple en utilisant la fibre de réfé- rence 12. La détermination de la hauteur x est encore facili- tée si on dispose d'une autre fibre encore de référence, du même type que les fibres 10 et 12, ayant la même longueur de tronçon dénudé, de façon que ce tronçon dénudé soit en permanence dans l'air Dans ce cas l'atténuation dans la fibre 12 de référence est égale à a M tandis que l'atténua- tion dans l'autre fibre de référence est égale à ar Dans la mesure o la variation de l'atténuation est linéaire, la hauteur x peut être déterminée, pour 1 'atténuation a, par la formule: x (a = lH(a-am)l / (a M-am). Cette formule peut être remplacée par une formule d'interpolation parabolique ou en cosinus, de type connu. Dans un dispositif comportant plusieurs fibres de mesure, chaque fibre optique peut avoir plusieurs tronçons non jointifs dénudés, comme cela est représenté par exemple en tirets sur la figure 1: la courbe de variation de l'atté- nuation en fonction du niveau de l'eau a alors, pour une fibre, l'allure représentée sur la figure 2. La figure 1 montre très schématiquement, à titre d'exemple, deux fibres de mesure 101 et 102 ayant chacune deux tronçons dénudés, chacun des quatre tronçons corres- pondant à une tranche de hauteur H, adjacente à la tranche luisante. Le dispositif montré en figure 4 comporte deux fibres de mesure 10 et 102, seulement une fibre de réfé- rence 12 et éventuellement une autre fibre de référence 24 dont le tronçon dénudé est à l'extérieur du liquide et située dans le gaz surmontant le liquide en permanence dans l'oeil Dans le cas représenté, une même source 18 illumine les entrées de toutes les fibres, par l'intermédiaire d'un système optique 25 prévu pour donner un éclairement homogène de toutes les tranches Par l'intermédiaire de connecteurs 26, qui peuvent être rassemblés en un seul, les fibres de mesure et de référence proprement dites sont reliées aux fibres de transport de lumière, qui permettent de placer les parties électrique et électronique du dispositif à une distance importante, pouvant atteindre plusieurs mètres, du réservoir Les capteurs de lumière 20 associés chacun à une fibre peuvent être portés par les connecteurs. On peut notamment utiliser, comme source de lumiè- re, une diode électroluminescente ou une diode laser four- nissant une lumière monochromatique On peut en particulier utiliser des diodes électroluminescentes de type courant émettant dans le rouge La source lumière 18 est excitée par un générateur de signal électrique 28, éventuellement avec une modulation d'amplitude permettant une détection synchrone, sous la commande d'une base de temps 30. Les récepteurs de lumière 20 peuvent être des pho- todiodes ou des phototransistors, formés par des éléments discrets ou regroupés sous forme d'une matrice linéaire ou à deux dimensions Les signaux électriques de sortie des capteurs 20 sont appliqués, dans le mode de réalisation montré en figure 4, à un multiplexeur 32 commandé par la base de temps 30 Chaque signal fourni par un capteur 20 de fibres de mesure à son tour est comparé aux signaux fournis35 par les capteurs des fibres de référence 12 et 24 par un organe de calcul Dans le cas montré sur la figure 4, les signaux de sortie du multiplexeur 32 sont mis sous forme numérique par un convertisseur analogique-numérique 34 et traités par un microprocesseur 36 qui effectue les compa- raisons. Le microprocesseur peut également, à partir des informations qu'il reçoit, fournir des indications autres que de niveau, portant par exemple sur les caractéristiques du liquide (masse volumique, température) et du gaz contenu dans le réservoir Il peut également vérifier la cohérence des informations et ainsi détecter les pannes. La séquence des opérations effectuées sous la com- mande de la base de temps peut être la suivante: mesure de am et a M pour les deux fibres d'étalon- nage 24 et 12; détermination d'une courbe d'étalonnage entre les valeurs a et a M, par exemple suivant la loi linéaire défi- nie plus haut; mémorisation d'une courbe d'étalonnage complète pour l'ensemble des fibres de mesure 10 et 102 c'est-à- dire déterminaton de h en fonction de l'atténuation dans les deux fibres; interrogation des fibres de mesure suivant un ordre prédéterminé et mémorisé, par exemple dans l'ordre 12, 101, 102, 24 et détermination de celles des fibres qui ont un tronçon dénudé partiellement immergé, par comparai- son avec les atténuations mémorisées; calcul de x pour la fibre concernée, par interpo- lation, et détermination de la valeur corrélative de h; affichage de h si le résultat est cohérent avec des valeurs antérieures et sinon mise en route d'une procé- dure de recherche d'erreur. On peut considérer que h est représenté par un nombre comportant une partie de poids élévé, identifiant la fibre servant à la mesure et une partie de poids faible, résultat de l'interpolation sur une partie dénudée La dé- termination de la fibre concernée a un caractère numérique, l'interpolation s'effectue par passage d'analogique en nu- mérique: suivant les caractéristiques recherchées pour un codeur déterminé, on peut accentuer son caractère de codeur numérique ou de mesureur analogique en multipliant ou en réduisant le nombre des tronçons. Les composants 18,28,32,34 et 36 peuvent évidemment être regroupés dans un boîtier placé à distance du réser- voir Les capteurs peuvent eux- mêmes être incorporés à ce boîtier et dans ce cas la liaison avec les fibres de mesure et de référence proprement dites s'effectuent par des sec- tions de fibres normales et des connecteurs. Dans certains cas, on peut craindre une perturba- tion des mesures par une contamination provoquée par des impuretés contenues dans le liquide à jauger Cette diffi- culté peut être écartée en utilisant un liquide intermé- diaire, contenu dans un espace déformable entourant le tronçon dénudé, suffisamment souple pour que le liquide contenu dans cet espace soit au même niveau que le liquide extérieur La figure 6 montre, à titre d'exemple, une fibre dont le tronçon dénudé est contenu dans un espace isolé du liquide 16 par une paroi déformable ayant un élément tubulaire rigide 40 et deux membranes 42 reliant de façon étanche l'élément 40 à la gaine L'espace contient un liquide de transfert 44 dont la densité et l'indice doivent être aussi voisins que possible de ceux du liquide 16 à jauger A condition d'utiliser des éléments déformables 42 n'ayant qu'une rigidité négligeable, la perturbation appor- tée aux mesures est tout à fait tolérable La constante de temps de mesure est légèrement allongée, mais cela ne pré- sente pas d'inconvénient majeur. A titre d'exemple, on peut indiquer que, pour un tronçon dénudé de 70 mm de longueur et une fibre optique ayant un diamètre d'âme de 0,6 mm et un diamètre de gaine de 2 mm, le volume de l'espace est de 2 à 3 cm 3 Il est évidemment variable puisque le liquide intermédiaire 44 est contenu dans la partie souple inférieure 42 lorsque le niveau de liquide à jauger est inférieur à la base du tron- çon dénudé Lorsque le niveau du liquide 16 monte, le li- quide intermédiaire 44 monte dans l'élément rigide, à un niveau égal à celui du liquide 16 si les densités des deux5 liquides sont égales. il REVENDICATIONS 1 Procédé de mesure optique du niveau d'un liquide dans un réservoir, caractérisé en ce qu'on envoie un flux lumineux dans une extrémité d'une fibre optique ayant un tronçon dénudé, sensiblement rectiligne, occupant une hauteur déterminée dans le domaine de variation du niveau à mesurer, la fibre étant choisie de façon que les indices de son coeur et de sa gaine encadre l'indice du liquide; on mesure le flux lumineux sortant de la fibre optique et on compare l'atténuation subie par le temps de ladite fibre à l atténuation dans une fibre de référence de même nature, dont la partie dénudée est maintenue en permanence immergée dans le liquide; et on déduit la fraction de la hauteur dénudée qui est immergée d'une comparaison entre les atténuations.15 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise plusieurs fibres ( 101,102) ayant des tron- çons dénudés décalés verticalement, avec ou sans recouvre- ment dans le sens vertical. 3 Dispositif de mesure optique du niveau d'un li- quide dans un réservoir, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une fibre optique de mesure ayant un tronçon sen- siblement rectiligne, dénudé, s'étendant sur une hauteur prédéterminée de mesure et une fibre optique de référence ayant un tronçon sensiblement rectiligne dénudé destiné à25 plonger en permanence dans le liquide, des moyens d'envoi de flux lumineux dans les fibres; des moyens de mesure du flux lumineux sortant des fibres et des moyens pour en dé- duire la fraction immergée du tronçon de la fibre optique de mesure.30 4 Dispositif selon la revendication 3, comportant plusieurs fibres de mesure, caractérisé en ce que chacune des fibres de mesure ( 101,102) comprend plusieurs tronçons dénudés, non directement adjacents, les tronçons dénudés des différentes fibres étant échelonnés pour permettre une mesure en plusieurs plages adjacentes, deux plages succes- sives correspondant à des fibres différentes. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, carac- téisé en ce qu'il comprend une fibre de référence ayant un tronçon dénudé immergé en permanence dans le liquide et une seconde fibre de référence ayant un tronçon dénudé émergé en permanence et en contact avec le même gaz que celui qui occupe le réservoir au-dessus du liquide. 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend des capteurs opto-électroniques asso- ciés chacun à la sortie d'une fibre et des moyens de multi- plexage ( 32) permettant de mesurer en séquence les flux sortants des différentes fibres. 7 Dispositif selon la revendication 6, comprenant plusieurs fibres de mesure, caractérisé en ce que les moyens de calcul ( 36) sont prévus pour, dans une première étape, identifier celles des fibres de mesure ( 101,102) dont le tronçon dénudé est partiellement immergé et calcu- ler la hauteur d'immersion dudit tronçon. 8 Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 3 à 7, caractérisé en ce que chaque tronçon dénudé est contenu dans un volume délimité par une paroi déforma- ble de séparation avec le liquide et est occupé par un volume de liquide ayant des propriétés physiques compara- bles à celles du liquide dont le niveau est à mesurer, de façon que la surface libre du liquide dans le volume soit à25 la même hauteur que le niveau libre du liquide dont le niveau est à mesurer.