Brevet FR2688588A1 — publié le 19930917

CAPTEUR DE NIVEAU DE LIQUIDE A ULTRASONS La présente invention un capteur de niveau de liquide à ultrasons, comportant un transducteur ultrasonique monté à proximité de l' extrémité inférieure d' un tube dirigé vers le haut et agencé pour être rempli de liquide au même niveau que celui d'un liquide se trouvant à l'extérieur du tube. Les capteurs de niveau de liquide à ultrasons utilisent le fait que les vibrations ultrasoniques se transmettent librement dans un liquide mais sont rapidement atténuées dans l'air ou dans un autre gaz Si un transducteur ultrasonique est monté à la base d'un réservoir de liquide de façon à diriger de l'énergie vers le haut jusqu'à l'interface liquide/air, l'énergie est réfléchie par cette interface et atteint le transducteur En mesurant le temps écoulé entre l'émission et la réception d'une impulsion d'énergie, il est possible de mesurer la distance entre le transducteur et l'interface liquide/air et d'en déduire la profondeur du liquide. Il est courant de monter des transducteurs ultrasoniques de ce genre à l' extrémité inférieure d'un tube s' étendant de la base au sommet d'un réservoir de liquide Le tube est ouvert à la base, de sorte que le liquide remplit le tube au même niveau que dans le réservoir à l'extérieur du tube Le tube remplit plusieurs fonctions Il contribue à isoler le transducteur d'autres capteurs ou sources d'interférence. Il a aussi pour effet de confiner le faisceau d'ultrasons, dirigé ainsi uniquement sur la zone de la surface liquide qui se trouve directement au-dessus du transducteur En outre, le tube délimite une surface du liquide qui est pratiquement dépourvue de vagues. Le tube a en outre l'avantage de pouvoir donner facilement un niveau de référence, si l'on monte une sorte de réflecteur à un niveau connu à l'intérieur du tube De cette façon, le transducteur reçoit une réflexion provenant de la surface du liquide et une autre réflexion provenant du réflecteur de référence et permettant d' étalonner la hauteur du liquide Ceci permet au dispositif de jaugeage à ultrasons d'effectuer une compensation pour différents liquides ayant différentes propriétés de propagation acoustique et pour des variations de température susceptibles d'affecter la propagation des ultrasons Un exemple de sonde ultrasonique comportant un tube de ce genre est décrit par exemple dans le document EP-A-0 106 677. Les capteurs de jaugeage de liquide à l'aide d' ultrasons existants posent divers problèmes L'un de ces problèmes est dû au fait qu'à part l'énergie ultrasonique se transmettant dans le liquide contenu dans le tube, de l'énergie se propage aussi dans la paroi du tube lui-même Ceci peut conduire à une propagation de la paroi au liquide, spécialement aux points o la paroi du tube est fixée à un support, de sorte que le transducteur reçoit de faux échos On a tenté de résoudre ce problème en utilisant des tubes en matière synthétique, qui sont moins sujets à la production d'échos parasites. Cela crée un autre problème par le fait que, les matières synthétiques n' étant pas aussi rigides que les métaux, la paroi du tube doit être relativement épaisse pour assurer la rigidité voulue et il en résulte donc une augmentation de poids Dans les applications aux jauges de carburant dans les aéronefs, susceptibles de comporter une douzaine ou plus de sondes de jaugeage, le surplus de poids peut être considérable et augmenter notablement les coûts d' exploitation. Une autre difficulté surgit dans ces capteurs quand 1 ' énergie ultrasonique ne passe pas axialement le long du tube, car il en résulte des échos multiples et un allongement du chemin de transmission, avec un retard correspondant à la réception Ce problème se présente spécialement quand la surface du liquide n' est pas perpendiculaire à l'axe du tube, c'est-à-dire que la plupart des signaux réfléchis n'ont pas une direction axiale Bien que les signaux qui sont réfléchis axialement le long du tube puissent suffire à déterminer le niveau du liquide, ils peuvent être masqués par de forts signaux causés par des réflexions multiples sur la paroi du tube. La présente invention a pour but de créer un capteur de niveau de liquide à ultrasons qui permet d' éviter au moins certains des problèmes évoqués ci-dessus. Selon un aspect de base de la présente invention, il est prévu un capteur de niveau de liquide à ultrasons du genre indiqué plus haut, caractérisé en ce que le tube est fait d'un premier matériau, qui est rigide, et comporte, le long d'au moins la majeure partie de sa longueur, une couche superficielle faite d'un second matériau, différent du premier et acoustiquement absorbant, afin d'atténuer la transmission d'ultrasons de la paroi du tube au liquide se trouvant à l'intérieur du tube. De cette manière, il est possible d'avoir un tube ayant des propriétés acoustiques semblables à celles d'un tube fait entièrement en matière synthétique, mais la résistance du premier matériau permet au tube d'avoir une paroi plus mince et donc un poids nettement inférieur à celui d'un tube équivalent en matière synthétique. De préférence, le premier matériau est un métal, par exemple l'aluminium, bien qu'il puisse être fait d'une matière synthétique armée de fibres de verre La couche superficielle se trouve de préférence sur la face intérieure du tube Elle peut être faite d' une matière synthétique telle qu' un polysulfure et être appliquée sur le tube sous la forme d'un enduit. Le transducteur est monté de préférence dans un isolateur acoustique agencé pour réduire sensiblement la quantité d' énergie transmise entre le transducteur et la paroi du tube dans un sens et dans l'autre. On décrira ci-dessous, à titre d'exemple, un capteur à ultrasons selon la présente invention pour un système de jauge de carburant dans un aéronef en référence au dessin annexé, dans lequel la figure 1 est une vue en élévation du capteur dans un réservoir de carburant, et la figure 2 est une vue agrandie en coupe verticale du capteur. En référence à la figure 1, le capteur 2 est monté verticalement dans un réservoir 4 d'un aéronef, ce réservoir contenant du carburant liquide 6 Le capteur est supporté par deux brides 8 et 10 fixées respectivement à l' extrémité supérieure et à l'extrémité inférieure du capteur et à la paroi du réservoir 4 Le signal d'excitation du capteur et son signal électrique de sortie sont transmis par un câble 12 entre 1 ' extrémité inférieure du capteur et une unité de commande 13 comprenant un calculateur de jaugeage qui calcule le volume de carburant sur la base de l'indication de hauteur fournie par le capteur et en connaissant la forme du réservoir Le signal de sortie de l'unité de commande 13 est délivré à un affichage 14 ou à d'autres organes utilisateurs; il peut représenter soit un volume, soit une masse si l'on dispose d'une indication de la densité. En se référant aussi à la figure 2, on voit que le capteur 2 comporte un organe tubulaire 15 et un organe de base 16 monté à l' extrémité inférieure de l'organe tubulaire L'organe tubulaire 15 a une longueur d'environ 530 mm et un diamètre extérieur d' environ 25 mm Cet organe se compose d'un tube cylindrique 30 en métal, par exemple en aluminium, ayant une épaisseur de paroi d'environ 0,5 mm, et dont la face intérieure est revêtue d'une couche 32 Cette couche est faite d'une matière synthétique acoustiquement absorbante, telle qu'un polysulfure à deux composants ou une matière synthétique similaire. L'épaisseur de la couche 32 n'est pas critique et peut être, par exemple, approximativement égale à l' épaisseur de la paroi du tube 30, à savoir d'environ 0, 4 à 0, 5 mm Au lieu d'être à l'intérieur, la couche de matériau acoustiquement absorbant pourrait être appliquée à l' extérieur du tube, bien que l'amélioration ainsi produite ne soit pas aussi grande qu'avec une couche intérieure On peut réaliser le revêtement par toute technique usuelle, notamment en faisant couler le matériau sous une forme liquide dans le tube A son extrémité supérieure, l'organe tubulaire 15 est fermé par un capuchon métallique 33 soudé au tube 30 A son extrémité inférieure, il est ouvert vis-à-vis du carburant contenu dans le réservoir 4, grâce à quatre encoches 34 régulièrement espacées autour de l'extrémité inférieure du tube 30 Un ou plusieurs réflecteurs de référence 35 sont placés à des points voulus de la longueur de l'organe tubulaire 15, à travers sa paroi. L'organe de base 16 comporte une structure interne de support 60 pourvue d'un manchon tubulaire 61 qui embrasse l'extrémité inférieure du tube 30 et présente des encoches 62 en face des encoches 34 du tube A son extrémité supérieure, la structure de support 60 comporte une collerette radiale 63 D'un côté, celle-ci est fixée au tube 30 au moyen d' une lame métallique 34 dont une extrémité est brasée sur l'extérieur du tube et l'autre extrémité est boulonnée à la collerette 60 Un support de montage 65 s' étend verticalement à partir de la collerette 63 et est fixé à la bride 10 supportant l' extrémité inférieure du capteur Au bas de l'organe de base 16 se trouve un organe à transducteur 66 qui comprend une plaque de montage 67 et un transducteur ultrasonique 68 qui est scellé sur la face inférieure de la plaque au moyen d'une matière synthétique acoustiquement absorbante 69 telle qu'un polysulfure Le transducteur 68 est placé dans l'axe du tube 30 et ses fils de raccordement 70 vont jusqu'à un bloc de connexion 71 en traversant une cavité dans laquelle les fils sont noyés dans une matière synthétique légèrement conductrice de l' électricité, telle qu'un polysulfure dans lequel est dispersé une poudre conductrice Ceci constitue un chemin de fuite de sécurité ayant une résistance de l'ordre de plusieurs milliers d'ohms, afin d'empêcher le développement d'une charge en cas de dommages au capteur 2 La plaque de montage 67 est faite d'une matière synthétique telle qu'un sulfure de polyphénylène et son épaisseur est propre à permettre le passage du faisceau d'énergie à travers la plaque en provenance et à destination du transducteur, sans atténuation importante La matière synthétique de la plaque 67 sert toutefois d'isolateur acoustique, en combinaison avec la matière de scellement 69, pour isoler le transducteur vis-à- vis de l'organe tubulaire 15. L'organe de base 16 est complété par une enveloppe extérieure cylindrique 72 qui entoure la structure 60 et l'organe à transducteur 66 Des ouvertures 73, ménagées à travers l' extrémité inférieure de l' enveloppe 72, permettent au carburant d' entrer dans et de sortir de l'organe de base 16, donc aussi de l'organe tubulaire 15. Durant le fonctionnement, l'unité de commande 13 excite le transducteur 68 par des impulsions électriques, de sorte que le transducteur émet des impulsions d'énergie ultrasoniques à environ 1 M Hz, avec une fréquence de répétition des impulsions d' environ 1 seconde L'énergie ultrasonique est dirigée verticalement vers le haut le long de l'axe de l'organe tubulaire 15. Chaque impulsion d' énergie ultrasonique monte axialement dans le carburant 6 contenu dans l'organe tubulaire 15 jusqu'à ce qu'elle rencontre l'interface entre le liquide et l'air ou le gaz se trouvant audessus du niveau du carburant dans le réservoir 4 A cet endroit, l'impulsion d'énergie est réfléchie vers le bas vers le transducteur 68 Le transducteur 68 reçoit aussi une impulsion d'écho par réflexion pour chaque réflecteur 35 Chaque écho fournit une impulsion d'étalonnage permettant d'étalonner l' écho en provenance de la surface du liquide Le revêtement 32 à l'intérieur de l'organe 15 réduit considérablement aussi bien la quantité d' énergie transmise au tube 30 à partir du carburant situé dans le tube que la quantité d' énergie transmise du tube à ce carburant Il en résulte un signal de sortie beaucoup plus pur, c' est-à-dire contenant beaucoup moins de bruit parasite que ce que l'on obtient avec un organe tubulaire métallique dépourvu d'un tel revêtement Auparavant, il n' était pas possible d'utiliser des tubes métalliques à cause des forts niveaux de bruit On peut aussi améliorer les performances de tubes faits d'autres matériaux rigides, tels qu'un matériau composite fait d'une matière synthétique rigide armée de fibres de verre, en revêtant le matériau rigide d'un matériau différent, acoustiquement absorbant En particulier, on peut réaliser un tel organe tubulaire en enroulant un ruban de fibres de verre imprégné de résine, tel que le produit commercialisé sous la dénomination Fiberite par ICI Fiberite en Californie aux Etats- Unis, sur un tube en polybutadiène, tel que le produit commercialisé sous la dénomination Buna CB par Bayer AG Leverkusen en Allemagne Après durcissement, la fibre de verre constitue une structure extérieure rigide, tandis que le tube en polybutadiène constitue une couche intérieure élastique, acoustiquement absorbante. Comme la matière synthétique entourant le transducteur 68 est une matière acoustiquement absorbante, elle isole le transducteur par rapport à l'organe tubulaire 15 Ceci réduit encore la part de l'énergie issue du transducteur 68 qui atteint la paroi du tube et réduit donc à la fois les interférences extérieures causées par le capteur à d'autres capteurs et la quantité d' énergie transmise par la paroi au carburant se trouvant dans le capteur. La présente invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation et d'application décrit ci-dessus, mais elle s' étend à toute modification ou variante évidente pour un homme du métier. REVENDICATIONS 1 Capteur de niveau de liquide à ultrasons, comportant un transducteur ultrasonique monté à proximité de l'extrémité inférieure d' un tube dirigé vers le haut et agencé pour être rempli de liquide au même niveau que celui d'un liquide se trouvant à l'extérieur du tube, caractérisé en ce que le tube ( 30) est fait d'un premier matériau, qui est rigide, et comporte, le long d'au moins la majeure partie de sa longueur, une couche superficielle ( 32) faite d'un second matériau, différent du premier et acoustiquement absorbant afin d'atténuer la transmission d'ultrasons de la paroi du tube ( 30) au liquide ( 6) se trouvant à l'intérieur du tube. 2 Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier matériau est un métal. 3 Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit métal est l'aluminium. 4 Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier matériau est une matière synthétique armée de fibres de verre. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche superficielle ( 32) se trouve sur la face intérieure du tube ( 30). 6 Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le second matériau est une matière synthétique. 7 Capteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite matière synthétique est un polysulfure. 8 Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le second matériau est appliqué sous forme d'un revêtement. 9 Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le transducteur ( 68) est monté dans un isolateur acoustique ( 66, 67, 69) agencé pour réduire sensiblement la quantité d'énergie transmise entre le transducteur et la paroi du tube ( 30) dans un sens et dans l'autre.