Brevet FR2688880A1 — publié le 19930924

i JAUGE DE NIVEAU DE LIQUIDE A ULTRA-SONS La présente invention concerne une jauge de liquide comportant un capteur de niveau de liquide à ultra-sons et un processeur, le capteur comportant un transducteur ultrasonique monté au bas du capteur et agencé pour émettre de 1 ' énergie ultrasonique en direction du haut dans le liquide, et plusieurs réflecteurs disposés les uns au- dessus des autres sur la hauteur du capteur, de telle sorte que ceux des réflecteurs qui sont immergés dans le liquide réfléchissent chacun de l'énergie ultrasonique vers le transducteur. Les capteurs de niveau de liquide à ultra-sons 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'ultra-sons, 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 ultra-sons 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 ultra-sons Un exemple de sonde ultrasonique comportant un tube de ce genre est décrit par exemple dans le document EP-A-0 106 677 Dans cet agencement antérieur, l'impulsion réfléchie par le réflecteur situé au-dessous du niveau du liquide est utilisée pour indiquer une moyenne de la vitesse du son dans le liquide au-dessous de ce réflecteur Cette indication de la vitesse moyenne est utilisée, en combinaison avec la durée de parcours des impulsions réfléchies par la surface du liquide, pour calculer la hauteur du liquide Bien que cette méthode tienne compte des variations de la propagation acoustique dans les liquides, elle ne donne pas des résultats précis quand il existe une stratification notable dans le liquide Par exemple, dans les applications aéronautiques, le carburant restant dans un réservoir après un vol peut être à une température très basse Quand on refait le plein avec du carburant plus chaud, celui-ci se tient au-dessus du carburant froid et présente des propriétés de propagation acoustique très différentes Par conséquent, une mesure de la vitesse moyenne de propagation acoustique dans le carburant au-dessous du réflecteur immergé le plus élevé, cela ne donne pas nécessairement une indication très précise des propriétés de propagation acoustique dans le carburant se trouvant au-dessus du réflecteur. La présente invention a pour objet de perfectionner une jauge de niveau de liquide de ce genre et son procédé de fonctionnement, de manière à éviter les inconvénients mentionnés ci-dessus. Dans ce but, selon un aspect de base de la présente invention, il est prévu une jauge de niveau de liquide du genre indiqué plus haut, caractérisée en ce que le processeur est agencé pour identifier des réflexions provenant des deux réflecteurs immergés les plus élevés et pour mesurer la hauteur du liquide au-dessus du réflecteur immergé le plus élevé sur la base des temps d'arrivée d'impulsions ultrasoniques réfléchies respectivement par la surface du liquide et par les deux réflecteurs immergés les plus élevés. De préférence, le processeur est agencé pour calculer ladite hauteur du liquide au moyen du rapport entre, d'une part, la différence entre les temps d'arrivée des impulsions réfléchies respectivement par les deux réflecteurs immergés les plus élevés et, d'autre part, la différence entre les temps d'arrivée des impulsions réfléchies respectivement par la surface du liquide et l' un ou l'autre des deux réflecteurs immergés les plus élevés Le capteur peut comporter un tube s' étendant vers le haut au-dessus du transducteur et agencé pour être rempli au même niveau que celui d'un liquide se trouvant à l'extérieur du tube, et les réflecteurs peuvent être formés par des éléments protubérants traversant la paroi du tube. Dans une forme préférée de l'invention, le transducteur est actionné de manière à émettre des salves d' énergie ultrasonique ayant des durées plus longues lorsque le niveau du liquide est élevé que lorsque ce niveau est bas. Le transducteur peut être actionné de manière à émettre de l'énergie ultrasonique à une intensité plus grande lorsque le niveau du liquide est élevé que lorsque ce niveau est bas Le processeur peut être agencé pour fonctionner avec un gain plus élevé lorsque le niveau du liquide est élevé que lorsque ce niveau est bas. Ainsi, une jauge de niveau selon l'invention peut fournir une mesure précise du niveau du liquide dans des situations o il y a une forte stratification du liquide dans le bas du réservoir, parce que la hauteur est mesurée au-dessus du réflecteur immergé le plus élevé et se base sur les propriétés de propagation dans la zone située immédiatement au-dessous de ce réflecteur, lesquelles sont la plupart du temps très semblables à celles de la zone située immédiatement au- dessus du réflecteur. On décrira ci-dessous, à titre d'exemple, une jauge de carburant à capteur à ultra-sons selon la présente invention dans un aéronef, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue schématique en élévation de la jauge, la figure 2 est une vue agrandie en coupe verticale du capteur, et la figure 3 représente des signaux reçus dans la jauge. 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 processeur 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 ' 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 1 ' extrémité inférieure de l'organe tubulaire L'organe tubulaire 15 a une longueur pouant aller jusqu'à environ 2 m et un diamètre extérieur d' environ 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 Dix réflecteurs de référence 101 à (dont seuls les réflecteurs 1001, 103, 104 et 105 sont représentés dans la fig 2) sont disposés les uns au-dessus des autres dans l'organe tubulaire 15 Les réflecteurs 101 à 110 sont de courts barreaux rectangulaires en métal ou en un autre matériau acoustiquement réfléchissant; ils sont saillants horizontalement sur environ un tiers du diamètre et sont régulièrement espacés les uns des autres le long du tube. 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 comprenant 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 à processeur 13 excite le transducteur 68 par des impulsions électriques, de sorte que le transducteur émet des salves d'énergie ultrasoniques de forme générale sinusoïdale, avec une fréquence d'environ 1 M Hz et une fréquence de répétition des salves d'environ 1 seconde Le nombre d'impulsions électriques fournies au transducteur 68 varie avec la hauteur du carburant dans le réservoir 4 Un plus grand nombre d'impulsions est délivré au transducteur 68 lorsqu'il y a beaucoup de carburant dans le réservoir que lorsque le niveau du carburant est bas, c' est-à-dire que la durée de r' émission d'ultra-sons par le transducteur diminue quand le niveau de carburant baisse Comme l'aptitude de l'unité à processeur 13 à distinguer entre des impulsions réfléchies et du bruit dépend dans une large mesure de la longueur des salves d'énergie reçues par le transducteur, les salves longues maximisent cette aptitude pour les grandes profondeurs avec lesquelles l'amplitude des signaux reçus est réduite Pour de faibles profondeurs, avec lesquelles les signaux reçus par le transducteur 68 arrivent peu de temps après l'émission, il existe le risque que le début de la salve réfléchie chevauche la fin de l'émission, rendant difficile ou impossible l'identification précise du début de la salve réfléchie En raccourcissant les salves pour les faibles hauteurs de liquide, on maximise la séparation entre la fin de la salve émise et le début de la salve réfléchie et l'on améliore donc l'aptitude du dispositif à identifier précisément les impulsions faibles On peut aussi faire varier l'intensité de l'énergie émise en fonction du niveau du liquide, en augmentant l'intensité de 1 ' émission pour les niveaux élevés du carburant et en la réduisant pour les niveaux bas De même, on peut faire varier avec le niveau du liquide le gain de l'amplificateur- récepteur dans l'unité 13, en utilisant un gain plus fort pour les signaux plus faibles réfléchis par les surfaces situées à des niveaux élevés. L' énergie ultrasonique est dirigée verticalement vers le haut, suivant l'axe de l'organe tubulaire 15 Chaque salve d'ultra-sons monte axialement dans le carburant 6 contenu dans l'organe 15 jusqu'à ce qu'elle rencontre l'interface avec l'air ou le gaz se trouvant au- dessus du carburant dans le réservoir 4 A cet endroit, la salve d'énergie est réfléchie vers la bas en direction du transducteur 68. Le transducteur 68 reçoit aussi des signaux d'échos par réflexion sur ceux des réflecteurs 101 à 110 qui sont immergés Ces signaux d'échos constituent des signaux d'étalonnage pour l'écho venant de la surface du liquide, comme on le décrit ci-dessous Le revêtement 32 sur la face intérieure de l'organe 15 réduit considérablement la quantité d'énergie transmise à la paroi de cet organe par le carburant qu'il contient et la quantité d' énergie transmise au carburant par la paroi 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. Quand la surface du carburant se trouve entre le quatrième réflecteur 104 et le cinquième réflecteur 105, les signaux reçus par le transducteur 68 ressemblent à ceux que montre la figure 3 Ces signaux comprennent quatre salves Bl à B 4 d'amplitude relativement faible, produites par réflexion sur les réflecteurs 101 à 104, et un signal B 5 d'amplitude plus forte, produit par la réflexion sur la surface du carburant Les temps à la réception des salves Bl à B 5 sont appelés respectivement Tl à T 5 Comme la position des réflecteurs 101 à 104 est connue, chacune des salves Bl à B 4 correspond à une réflexion à une hauteur connue L'unité à processeur 13 calcule la hauteur h du carburant au-dessus du réflecteur immergé le plus élevé 104 au moyen des signaux reçus par le transducteur en provenance des deux réflecteurs immergés les plus élevés 103 et 104 Ces signaux réfléchis sont identifiés facilement puisqu'il s'agit de l'antépénultième et du pénultième dans chaque série de signaux reçus Après identification de ces signaux venant des deux réflecteurs les plus élevés, on peut ignorer les signaux venant des autres réflecteurs En fait, l'unité à processeur 13 calcule le rapport entre la différence des temps de réception des signaux venant de la surface du carburant et du réflecteur immergé le plus élevé 104 et la différence des temps de réception des signaux venant du réflecteur le plus élevé 104 et du réflecteur immédiatement inférieur 103, c' est-à- dire: (T 5-T 4)/(T 4-T 3)=h/s ( 1) o S est l'espacement entre les réflecteurs 103 et 104 En transformant l'équation ( 1) on obtient h=s (T 5-T 4)/(T 4-T 3) ( 2) On calcule alors la hauteur totale de carburant en ajoutant h à la hauteur connue du réflecteur immergé le plus élevé 104. Suivant une autre méthode, on peut mesurer la différence entre les temps de réception de l'écho de la surface et celui du plus bas 103 des deux réflecteurs immergés les plus élevés, pour employer 1 expression: (T 5-T 3)/(T 4-T 3)=(h+s)/s ( 3) que l'on peut simplifier pour obtenir h=s -(T 5-T 3)/(T 4-T 3)-s ( 4) On remarque que cette technique calcule la hauteur de carburant existant au-dessus du réflecteur immergé le plus élevé en employant des informations sur les propriétés de propagation acoustique dans le carburant situé immédiatement au-dessous de ce réflecteur Lorsqu'il existe une forte stratification du carburant, cette technique donne une mesure de niveau plus précise que les techniques antérieures mesurant les propriétés du carburant en moyenne sur toute sa hauteur. Quand la surface du carburant se trouve plus bas que le réflecteur 102, c' est-à-dire le deuxième depuis le bas, il n' est pas possible d' utiliser cette technique, mais dans ce cas il n'y a pas de problème sensible de stratification. La présente invention n' est pas limitée à 1 ' exemple de réalisation et d'application décrit ci-dessus, mais elle s' étend à toute modification ou variante évidente pour un homme du métier En particulier, bien que le tube soit avantageux dans un capteur tel que décrit, l'invention est aussi applicable avec des capteurs o les réflecteurs sont montés sur une tige de support ou sur la paroi du réservoir. REVENDICATIONS 1 Jauge de niveau de liquide comportant un capteur de niveau de liquide à ultra-sons ( 2) et un processeur ( 13), le capteur comportant un transducteur ultrasonique ( 68), monté au bas du capteur et agencé pour émettre de 1 ' énergie ultrasonique en direction du haut dans le liquide, et plusieurs réflecteurs ( 101, 103, 104, 105) disposés les uns au- dessus des autres sur la hauteur du capteur, de telle sorte que ceux des réflecteurs qui sont immergés dans le liquide réfléchissent chacun de l'énergie ultrasonique vers le transducteur, caractérisée en ce que le processeur ( 13) est agencé pour identifier des réflexions provenant des deux réflecteurs immergés les plus élevés ( 103 et 104) et pour mesurer la hauteur (h) du liquide ( 6) au-dessus du réflecteur immergé le plus élevé ( 104) sur la base des temps d'arrivée d'impulsions ultrasoniques réfléchies respectivement par la surface du liquide ( 6) et par les deux réflecteurs immergés les plus élevés ( 103 et 104). 2 Jauge selon la revendication 1, caractérisée en ce que le processeur ( 13) est agencé pour calculer ladite hauteur (h) du liquide au moyen du rapport entre, d'une part, la différence entre les temps d'arrivée des impulsions réfléchies respectivement par les deux réflecteurs immergés les plus élevés ( 103 et 104) et, d'autre part, la différence entre les temps d'arrivée des impulsions réfléchies respectivement par la surface du liquide ( 6) et l'un ou l'autre des deux réflecteurs immergés les plus élevés ( 103, 104). 3 Jauge selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le capteur ( 2) comporte un tube ( 30) s'étendant vers le haut au-dessus du transducteur ( 68) et agencé pour être rempli au même niveau que celui d'un liquide se trouvant à ' extérieur du tube, et en ce que les réflecteurs ( 101, 103, 104, 105) sont formés par des éléments protubérants traversant la paroi du tube. 4 Jauge selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le transducteur ( 68) est actionné de manière à émettre des salves d'énergie ultrasonique ayant des durées plus longues lorsque le niveau du liquide est élevé que lorsque ce niveau est bas. Jauge selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le transducteur ( 68) est actionné de manière à émettre de l'énergie ultrasonique à une intensité plus grande lorsque le niveau du liquide est élevé que lorsque ce niveau est bas. 6 Jauge selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le processeur ( 13) est agencé pour fonctionner avec un gain plus élevé lorsque le niveau du liquide est élevé que lorsque ce niveau est bas.