Brevet FR2751074A1 — publié le 19980116

La présente invention concerne un dispositif de mesure capacitive du niveau de liquide dans un réservoir, notamment un réservoir de véhicule automobile, du type comportant une sonde destinée à être fixée dans le réservoir et un circuit électronique de traitement relié à ladite sonde, laquelle sonde comprend un condensateur de référence destiné à être totalement immergé et en permanence dans le liquide et un condensateur de mesure dont les armatures sont destinées à être partiellement immergées dans le liquide, la surface immergée des armatures étant proportionnelle à la hauteur du liquide dans le réservoir. Des dispositifs de mesure de niveau connus mettent en oeuvre un condensateur de mesure et un condensateur de référence chacun utilisé dans un circuit oscillant du circuit de traitement. Les sorties de ces circuits oscillants sont reliées chacune à un convertisseur période/tension. Les sorties de ces derniers sont elles-mêmes reliées à un diviseur effectuant le quotient des valeurs de deux tensions proportionnelles aux valeurs des capacités des condensateurs de mesure et de référence. La valeur obtenue en sortie du diviseur est proportionnelle à la hauteur du liquide dans le réservoir et est insensible aux variations de température et de composition du liquide, les variations de la valeur des capacités des condensateurs résultant de ces phénomènes se trouvant annulées lors de l'exécution du quotient. Ce type de circuit est relativement complexe ce qui entraîne un coût de fabrication élevé et des risques de pannes importants. L'invention a pour but de proposer un dispositif de mesure capacitive de niveau qui ait une structure simple, fiable et peu coûteuse. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de mesure capacitive du niveau de liquide dans un réservoir, notamment un réservoir de véhicule automobile, du type précité, caractérisé en ce que le circuit de traitement comporte une source de signal alternatif dont la sortie est reliée à un circuit multiplicateur de tension incorporant le condensateur de mesure et le condensateur de référence, et dont le gain est sensiblement proportionnel au rapport des capacités des condensateurs de mesure et de référence, l'amplitude du signal obtenu en sortie du circuit multiplicateur étant ainsi sensiblement proportionnelle à la hauteur du liquide dans le réservoir indépendamment des variation des paramètres caractéristiques du liquide. Suivant des modes particuliers de réalisation, le dispositif peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes - ledit circuit multiplicateur comporte un amplificateur opérationnel - une armature du condensateur de mesure et une armature du condensateur de référence sont au même potentiel et ce même potentiel est égal au potentiel de référence du circuit électronique de traitement - le potentiel de référence du circuit électronique de traitement est le potentiel du liquide dans le réservoir - le circuit multiplicateur comporte une résistance reliant la sortie dudit amplificateur opérationnel à son entrée inverseuse, le condensateur de mesure reliant en outre cette entrée inverseuse au potentiel de référence et la sortie dudit amplificateur opérationnel est reliée à la sortie dudit circuit multiplicateur par une résistance, le condensateur de référence étant disposé entre la sortie du circuit multiplicateur et le potentiel de référence ; - une boucle de contre-réaction est établie entre la sortie de l'amplificateur opérationnel et l'entrée inverseuse de celui-ci, cette boucle comportant en parallèle une résistance et le condensateur de mesure, l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel étant en outre reliée au potentiel de référence par ledit condensateur de référence ; - il comporte un redresseur en sortie du circuit multiplicateur ; et - il comporte un dispositif d'échantillonnage limitant la durée d'existence d'une différence de potentiel entre les armatures des condensateurs de mesure et de référence. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins sur lesquels - La figure 1 est une vue schématique en perspective du dispositif de mesure capacitive, dont la sonde est fixée dans un réservoir - La figure 2 est un schéma électronique d'un dispositif de mesure capacitive comportant un circuit à filtre et un dispositif d'échantillonnage et dans lequel l'une des armatures du condensateur de mesure est au potentiel de référence ; et - La figure 3 est un schéma électronique d'une variante de réalisation d'un dispositif de mesure comportant un circuit à filtre. Sur la figure 1 est représenté schématiquement un dispositif de mesure capacitive du niveau de liquide dans un réservoir 10. Ce dispositif de mesure comporte une sonde 12 destinée à être fixée dans le réservoir 10 et un circuit électronique de traitement 14 relié à la sonde 12. Ce circuit 14 comporte notamment un afficheur 16 pour l'affichage de la valeur de la hauteur de liquide dans le réservoir. Des exemples de structure d'un tel circuit seront décrits dans la suite de la description. La sonde 12 est fixée de telle sorte qu'elle s'étende sensiblement verticalement sur l'essentiel de la hauteur du réservoir 10. Elle comporte sur sa hauteur deux condensateurs successifs. Dans sa partie inférieure est prévu un condensateur de référence 18 destiné à être immergé totalement et de manière permanente dans le liquide, le liquide s'étendant notamment entre les deux armatures. Au-dessus de ce condensateur 18 est prévu un condensateur de mesure 20 s'étendant sur l'essentiel de la hauteur de la sonde. Les armatures du condensateur de mesure 20 sont baignées dans le liquide sur une surface proportionnelle à la hauteur du liquide dans le réservoir. Ainsi, du fait de la différence des constantes diélectriques du liquide et de l'air, la valeur de la capacité du condensateur de mesure est proportionnelle à la hauteur du liquide dans le réservoir. Les condensateurs 18 et 20 comportent une armature commune 22 formée par exemple par une bande cuivrée d'un circuit imprimé. En regard de la partie inférieure de l'armature commune 22 est disposée une armature de référence 24 formant l'armature complémentaire du condensateur de référence 18. De même, une armature de mesure 26, formant l'armature complémentaire du condensateur de mesure 20 est disposée en regard de l'armature commune 22 sur l'essentiel de la hauteur de celle-ci. Les armatures de référence 24 et de mesure 26 sont formées par exemple par des surfaces cuivrées portées par un même circuit imprimé disposé en regard de l'armature commune 22. Les armatures de référence 24 et de mesure 26 sont recouvertes d'un revetement électriquement isolant. Suivant les modes de réalisation, l'armature commune 22 est ou non également revêtue d'un matériau électriquement isolant. Chacune des trois armatures 22, 24, 26 est reliée au circuit électronique de traitement 14 par un conducteur électrique isolé noté respectivement 22A, 24A, 26A. La figure 2 représente un premier mode de réalisation du dispositif de mesure capacitive. Ce dispositif comporte un générateur de tension en créneaux 50 formant une source de signal alternatif dont la sortie est reliée à un filtre 52 incorporant les condensateurs de référence 18 et de mesure 20. Ce filtre 52 forme un circuit multiplicateur de tension dont le gain est sensiblement proportionnel au rapport des valeurs des capacités du condensateur de mesure 20 et de référence 18. Ce gain est donc également proportionnel à la hauteur du liquide dans le réservoir. Le condensateur de référence 18 est destiné à compenser les variations de constante diélectrique du liquide, dues par exemple aux variations de température. Un dispositif d'échantillonnage 54 relié aux armatures de référence 24 et de mesure 26 assure périodiquement et temporairement la mise au potentiel de la masse de l'armature de mesure 26 et de l'armature de référence 24 des condensateurs 18 et 20, afin de limiter la durée pendant laquelle ces condensateurs sont soumis à une différence de potentiel. Le potentiel de la masse est appelé potentiel de référence dans la suite de la description. Il correspond notamment au potentiel du liquide contenu dans le réservoir 10. A la sortie du filtre 52 sont disposés successivement un détecteur de crête ou redresseur 56, un amplificateur différentiel 58 et un filtre passe-bas 60. La sortie de chacun de ces trois modules est relié à un suiveur afin d'assurer une adaptation d'impédance entre ces différents modules. Le générateur 50 comporte une cellule astable ou bascule 62 dont une première entrée est maintenue en permanence au potentiel d'alimentation Vcc. La seconde entrée est reliée à la masse par un condensateur 64. Une résistance 66 relie la sortie de la cellule 62 à la seconde entrée de celle-ci. L'oscillation se produit de manière classique par charge et décharge du condensateur 64 en fonction de l'état de la cellule 62. Le générateur 50 comporte en outre en sortie un diviseur de tension comportant en série deux résistances 68, 70 reliant la sortie de la cellule 62 à la masse et entre lesquelles est prélevée la tension en créneaux appliquée à l'entrée du filtre 52. Le filtre 52 comporte un amplificateur opérationnel 72 à la borne non-inverseuse duquel est injectée la tension en créneaux. La borne inverseuse de l'amplificateur opérationnel est reliée d'une part à la masse par un condensateur 74 et d'autre part à l'armature de mesure 26 du condensateur de mesure. La sortie de l'amplificateur opérationnel 72 est reliée à la sortie non inverseuse de celui-ci par une résistance 76 assurant une contreréaction. La sortie de l'amplificateur opérationnel 72 est en outre reliée par une résistance 78 au détecteur de crête 56. L'armature de référence 24 du condensateur de référence est reliée, en sortie du filtre 52, à la résistance 78 par l'intermédiaire d'un condensateur 80. L'armature commune 22 des condensateurs de référence 18 et de mesure 20 est reliée directement à la masse. Ainsi, le liquide contenu dans le réservoir 10 étant également au potentiel de la masse, l'armature commune 22 ne nécessite pas un revêtement électriquement isolant. La fonction de transfert de ce filtre s'exprime sous la forme 1 + R76 C2oeqP 1 + R78 CiaeqP où R76 est la valeur de la résistance 76 ; R78 est la valeur de la résistance 78 C2oeq est la valeur de la capacité équivalente au condensateur 74 et au condensateur de mesure 20 Cl8eq est la valeur de la capacité équivalente au condensateur 80 et au condensateur de référence 18. Aussi, on comprend que le filtre 52 constitue un circuit multiplicateur dont le gain est sensiblement proportionnel au rapport des valeurs des capacités des condensateurs de mesure 20 et de référence 18. Le dispositif d'échantillonnage 54 est relié aux armatures 24 et 26 des condensateurs de référence et de mesure. Il assure leur mise au potentiel de référence simultanée pendant des périodes de temps déterminées. Ce dispositif d'échantillonnage comporte une cellule astable ou bascule 82 dont une première entrée est maintenue en permanence au potentiel d'alimentation Vcc et dont la seconde entrée est reliée à la masse par un condensateur 84. La sortie de la cellule 82 est reliée à la seconde entrée par, montées en parallèle, d'une part une résistance 86 et d'autre part une résistance 88 montée en série avec une diode 90. L'anode de la diode 90 est reliée à la sortie de la cellule 82. Cette diode assure une modification du rapport cyclique, en modifiant la valeur de la résistance du circuit de charge et de décharge du condensateur 84. En particulier, la durée de l'état haut de la cellule 82, correspondant au potentiel Vcc en sortie de celle-ci, est plus court que la durée de l'état bas de la cellule 82, correspondant au potentiel de référence à sa sortie. En effet, la charge et la décharge du condensateur 84 s'effectue par des circuits distincts. La charge de celui-ci s'effectue à l'état haut de la cellule 82 au travers des résistances 86 et 88 alors que sa décharge ne s'effectue qu'au travers de la résistance 86. Les valeurs des résistances 86 et 88 sont par exemple choisies de telle sorte que la durée de l'état bas de la sortie de la cellule 82 soit sensiblement égale à 90% de la durée totale du cycle. Les armatures de référence 24 et de mesure 26 sont reliées par des diodes 92, 94 à la sortie de la cellule 82. La cathode de chacune des diodes est reliée à la sortie de la cellule 82. Ainsi, lorsque la cellule 82 est à l'état haut, les diodes 92 et 94 sont polarisées en inverse, puisque les condensateurs 18 et 20 sont à des potentiels de fonctionnement imposés par le générateur de créneaux 50 et inférieurs à la tension Vcc. Le filtre 52 fonctionne alors normalement. Par contre, lorsque la cellule 82 est à l'état bas, les diodes 92, 94 sont passantes et les armatures 24 et 26 des condensateurs de référence 18 et de mesure 26 sont au potentiel de la sortie de la cellule 82, c'est-àdire au potentiel de référence. Aucune différence de potentiel n'est alors présente aux bornes des condensateurs 18 et 20. Le détecteur de crête 56, relié à la sortie du filtre 52, assure le redressement de la tension obtenue en sortie de ce filtre. Il comporte une diode 96, dont l'anode est reliée à la sortie du filtre et dont la cathode est reliée à la masse par un condensateur 98 monté en parallèle avec une résistance 100. Le condensateur 98 assure une mémorisation de la tension d'attaque alors que la résistance 100 permet la décharge du condensateur 98 en cas de décroissance de la tension aux bornes de ce condensateur. La tension en sortie du détecteur de crête 56 prise entre la diode 96 et la résistance 100 attaque l'entrée de l'amplificateur différentiel 58 par l'intermédiaire d'un suiveur 102. L'amplificateur différentiel 58 comporte un amplificateur opérationnel 104 dont l'entrée non inverseuse est reliée à la sortie du suiveur 102 par une résistance 106, cette entrée étant en outre reliée à la masse par une résistance 108. L'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel 104 est reliée à la source de tension d'alimentation Vcc par l'intermédiaire d'une résistance 110 connectée, au point milieu d'un diviseur de tension formé des résistances 112 et 114. La contre-réaction entre la sortie de l'amplificateur opérationnel 114 et sa borne inverseuse est assurée par une résistance 116. Cet amplificateur différentiel assure d'une part la suppression d'une tension résiduelle continue et d'autre part l'amplification de la tension proportionnelle au rapport des valeurs des capacités des condensateurs de mesure et de référence. La sortie de l'amplificateur opérationnel 58 est reliée au filtre passe-bas 60 par l'intermédiaire d'un nouvel étage d'adaptation 118. Le filtre 60 est un filtre RC comportant une résistance 120 dont une borne est reliée en sortie du suiveur 118 et dont l'autre borne est reliée à un condensateur 122 lui-même relié à la masse. Un nouvel étage d'adaptation 124 formé par un suiveur est disposé en sortie du filtre 60, son entrée étant reliée entre la résistance 120 et le condensateur 122. Le filtre passe-bas 60 assure une atténuation des variations rapides de la hauteur mesurée, dues par exemple à un bouillonnement à l'intérieur du réservoir. Les valeurs de la résistance 120 et du condensateur 122 sont adaptées afin de déterminer le temps de réponse approprié du filtre. Dans un tel dispositif, le générateur de tension 50 produit des signaux en créneaux de manière permanente. Le filtre 52 assure une multiplication de la tension fournie par le générateur 50 pendant les périodes de libération des condensateurs de mesure 20 et de référence 18 par le dispositif d'échantillonnage 54. Le signal obtenu en sortie du filtre 52, pendant la période de libération des condensateurs de la sonde, est redressé par le détecteur de crête, puis amplifié et enfin filtré. On comprend que, en sortie du suiveur 124, on obtient pendant les périodes de libération des condensateurs une tension qui est proportionnelle au quotient de la valeur de la capacité du condensateur de mesure par la valeur de la capacité du condensateur de référence. La capacité du condensateur de mesure 20 étant proportionnelle à la hauteur de liquide dans le réservoir 10, il est ainsi possible de déduire simplement de la tension obtenue en sortie du dispositif la hauteur de liquide dans le réservoir. Le rapport des valeurs des capacités des condensateurs de mesure et de référence permet que la valeur de hauteur mesurée par le dispositif soit indépendante des variations des paramètres caractéristiques du liquide, comme la température ou la composition. Le dispositif d'échantillonnage 54 assure que les condensateurs de référence 18 et de mesure 20 n'aient une différence de potentiel entre leurs armatures que pendant les brefs instants correspondant à l'état haut de la cellule 82. Ainsi, en minimisant la durée pendant laquelle la cellule 82 est à l'état haut, les condensateurs de référence et de mesure sont préservés puisqu'une différence de potentiel n'est établie entre leurs armatures que pendant de brefs instants. Ainsi, la création de micro-arcs électriques est très réduite et la durée de vie des condensateurs est en conséquence allongée. Toutefois, le dispositif d'échantillonnage peut etre supprimé, le filtre fonctionnant alors de manière permanente. De même, le signal obtenu en sortie du filtre 52 a une amplitude proportionnelle à la hauteur du liquide dans le réservoir, de sorte que la chaîne de traitement disposée en aval du filtre peut être de toute autre nature et notamment comporter des moyens de traitement numérique de l'information. Sur la figure 3 est représentée une variante de réalisation du dispositif de mesure capacitive de la figure 2. Sur cette figure, les références identiques à celles de la figure 2, désignent des organes analogues. Le dispositif de la figure 3 est identique à celui de la figure 2, à l'exception du filtre dont la structure est modifiée et du dispositif d'échantillonnage 54 qui est supprimé. Dans ce dispositif de mesure, le filtre, portant la référence générale 150, incorpore également le condensateur de référence 18 et le condensateur de mesure 20. Toutefois, l'armature commune 22 de ces condensateurs n'est pas liée à la masse. Le filtre 150, formant un circuit multiplicateur de tension, comporte un amplificateur opérationnel 152, dont l'entrée non inverseuse est attaquée par les signaux en créneaux issus du générateur de tension en créneaux 50. Une boucle de contre-réaction, disposée entre la sortie de l'amplificateur opérationnel 152 et son entrée inverseuse, comporte en parallèle une résistance 154, un condensateur 156 et le condensateur de mesure 20. L'armature de mesure 26 est reliée à la sortie de l'amplificateur opérationnel 152. De plus, l'entrée inverseuse de l'amplificateur 152 est reliée à la masse par successivement, le condensateur de référence 18, un condensateur 158 et une résistance 160. L'armature commune 22 des condensateurs de mesure et de référence est reliée à l'entrée de l'amplificateur opérationnel 152. La fonction de transfert du filtre 150 s'exprime sous la forme 1 + R154 C2oeqP 1 + R160 C1BeqP 1 + Rl6o C18eqP où Rl54 est la valeur de la résistance 154 R160 est la valeur de la résistance 160 C20eq est la valeur de la capacité équivalente au condensateur 156 et au condensateur de mesure 20 C18eq est la valeur de la capacité équivalente au condensateur 158 et au condensateur de référence 18. Dans ce mode de réalisation, l'armature commune 22 n'étant pas au potentiel de la masse et du liquide contenu dans le réservoir 10, celle-ci doit etre recouverte d'un revêtement électriquement isolant. Le filtre 150 assure, comme précédemment, une multiplication de la tension obtenue en sortie du générateur de créneaux par un gain sensiblement proportionnel au rapport des valeurs des capacités des condensateurs de mesure et de référence. Ainsi, en sortie du suiveur 124, est obtenue une tension proportionnelle au rapport de ces capacités et donc à la hauteur de liquide contenu dans le réservoir 10, ceci indépendamment des variations des paramètres caractéristiques du liquide. Les dispositifs décrits ici présentent des structures relativement simples par rapport aux dispositifs mettant en oeuvre un diviseur. De plus, ils ne nécessitent pas l'utilisation de moyens de conversion période/tension et de diviseur dont le coût est relativement élevé. En variante du mode de réalisation de la figure 2, toutes les armatures des condensateurs sont recouver tes d'un revêtement électriquement isolant. Ainsi, le potentiel du liquide dans le réservoir et le potentiel de référence du circuit peuvent être différents. REVENDICATIONS 1.- Dispositif de mesure capacitive du niveau de liquide dans un réservoir (10), notamment un réservoir de véhicule automobile, du type comportant une sonde (12) destinée à être fixée dans le réservoir et un circuit électronique de traitement (14) relié à ladite sonde (12), laquelle sonde (12) comprend un condensateur de référence (18) destiné à être totalement immergé et en permanence dans le liquide et un condensateur de mesure (20) dont les armatures (22, 26) sont destinées à être partiellement immergées dans le liquide, la surface immergée des armatures étant proportionnelle à la hauteur du liquide dans le réservoir, caractérisé en ce que le circuit de traitement (14) comporte une source de signal alternatif (50) dont la sortie est reliée à un circuit multiplicateur de tension (52 ; 150) incorporant le condensateur de mesure (20) et le condensateur de référence (18), et dont le gain est sensiblement proportionnel au rapport des capacités des condensateurs de mesure (20) et de référence (18), l'amplitude du signal obtenu en sortie du circuit multiplicateur (52 ; 150) étant ainsi sensiblement proportionnelle à la hauteur du liquide dans le réservoir (10) indépendamment des variation des paramètres caractéristiques du liquide. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit circuit multiplicateur (52;150) comporte un amplificateur opérationnel (72 ; 152). 3.- Dispositif de mesure selon la revendication 1 ou 2, dans lequel une armature (22) du condensateur de mesure (20) et une armature (22) du condensateur de référence (18) sont au même potentiel, caractérisé en ce que ce même potentiel est égal au potentiel de référence du circuit électronique de traitement (14). 4.- Dispositif de mesure selon la revendication 3, caractérisé en ce que le potentiel de référence du circuit électronique de traitement est le potentiel du liquide dans le réservoir (10). 5.- Dispositif selon les revendications 2 à 4, prises ensemble, caractérisé en ce que le circuit multiplicateur (52) comporte une résistance (76) reliant la sortie dudit amplificateur opérationnel (72) à son entrée inverseuse, le condensateur de mesure (20) reliant en outre cette entrée inverseuse au potentiel de référence et en ce que la sortie dudit amplificateur opérationnel (72) est reliée à la sortie dudit circuit multiplicateur par une résistance (78), le condensateur de référence (18) étant disposé entre la sortie du circuit multiplicateur et le potentiel de référence. 6.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une boucle de contre-réaction est établie entre la sortie de l'amplificateur opérationnel (152) et l'entrée inverseuse de celui-ci, cette boucle comportant en parallèle une résistance (154) et le condensateur de mesure (20), l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel étant en outre reliée au potentiel de référence par ledit condensateur de référence (18). 7.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un redresseur (56) en sortie du circuit multiplicateur (52 ; 150). 8.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'échantillonnage (54) limitant la durée d'existence d'une différence de potentiel entre les armatures des condensateurs de mesure (20) et de référence (18).