Brevet FR2763124A1 — publié le 19981113

"Système et procédé de mesure capacitive de niveau d'un liquide dans un conteneur" DESCRIPTION La présente invention concerne un système de mesure capacitive de niveau d'un liquide dans un conteneur. Elle vise également un procédé de mesure capacitive mis en oeuvre dans ce système. L'émergence de nouvelles techniques de motorisation automobile mettant en oeuvre des gaz liquéfiés, a conduit au développement de conteneurs cryogéniques de carburants liquides. Pour ces conteneurs qui sont destinés à être produits à terme en grande série, il est nécessaire de prévoir des systèmes de mesure de niveau spécifiques qui n' ont rien en commun avec les systèmes à flotteur communément utilisés dans les réservoirs classiques. La technique de mesure capacitive s' avère particulièrement intéressante pour de multiples raisons au rang desquels la relative simplicité structurelle des sondes de mesure. Mais jusqu'à présent, il s'est avéré difficile de concevoir des systèmes de mesure capacitive qui soient d'une coût de fabrication modeste tout en garantissant un niveau suffisant de qualité et de fiabilité dans des environnements et des conditions de fonctionnement difficiles. On connaît déjà des systèmes de mesure capacitive de niveau de liquide dans un conteneur, tel que celui décrit dans le FR 2680767 qui est adapté à la mesure de niveau dans une flasque cryogénique destinée à recevoir des échantillons biologiques. Les détecteurs de niveau capacitifs sont ici insérés entre les parois intérieure et extérieures de la flasque. Le mode de réalisation décrit dans ce document ne convient pour une réalisation à faible coût. On connaît également par le W09635929 un détecteur de niveau de liquide mettant en oeuvre des électrodes capacitives en forme de boucles. Ce détecteur de niveau est principalement destiné à des cuves de lait et ne peut répondre aux exigences spécifiques de la mesure de niveau dans un conteneur fermé tel qu'un conteneur cryogénique. Il existe aussi des sondes capacitives de mesure de niveau qui sont introduites dans un conteneur par un orifice ménagé sur la partie supérieure d'un conteneur. ceci suppose une conception spéciale du conteneur qui contribue à un accroissement des coûts de revient. Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un système de mesure capacitive de niveau d'un liquide qui permette des mesures de très faibles capacités, tout en procurant une insertion et un enlèvement aisés de la sonde capacitive dans le conteneur. Cet objectif est atteint avec un système de mesure capacitive du niveau d'un liquide dans un conteneur, comprenant: - une sonde de mesure capacitive au moins partiellement immergée dans ce liquide, - des moyens pour exciter la sonde de mesure capacitive, - des moyens pour traiter des signaux de mesure délivrés par la sonde de mesure capacitive. Suivant l'invention, la sonde de mesure capacitive est flexible et est montée insérée dans un tube en matériau électriquement conducteur et de forme prédéterminée constituant une cible capacitive reliée à une masse de référence. Dans un mode préféré de réalisation d'un système de mesure selon l'invention, la sonde de mesure capacitive est montée insérée dans un tube de remplissage du conteneur. Pour garantir un niveau suffisant de qualité de mesure, les moyens d'excitation et les moyens de traitement des signaux de mesure sont réalisés sous la forme d'un circuit électronique au moins en partie gardé. La sonde capacitive comprend de préférence une tige centrale faisant fonction d'électrode d'excitation entourée par une portion du tube de remplissage faisant fonction de cible capacitive, cette tige centrale étant reliée par un conducteur gardé à l'entrée du circuit électronique. Ce conducteur gardé permet de s'affranchir des capacités parasites dans la zone hors mesure. Le conducteur gardé reliant la tige centrale à l'entrée du circuit électronique est par exemple réalisé sous la forme d'un câble coaxial. On peut avantageusement prévoir que la tige centrale soit maintenue sensiblement au centre de la portion droite du tube de remplissage par des moyens de centrage qui sont en pratique rendus solidaires de la tige centrale. Le circuit électronique comprend, dans un mode pratique de réalisation, un premier étage gardé et un second étage de traitement. Le premier étage comporte une garde soumise à un potentiel flottant généré par des moyens oscillateurs et est alimenté par des moyens d'alimentation flottante. Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé de mesure capacitive de niveau d'un liquide dans un conteneur, mis en oeuvre dans le système selon l'invention, caractérisé en ce qu il comprend une insertion préalable d'une sonde capacitive flexible dans un tube de forme prédéterminée au sein du conteneur, ce tube étant réalisé en matériau électriquement conducteur, faisant fonction de cible capacitive et étant relié à une masse de référence. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après. Aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs: - la figure 1 représente un système de mesure capacitive selon l'invention; et la figure 2 représente un exemple de réalisation d'une sonde flexible mise en oeuvre dans le système de mesure selon l'invention.. On va maintenant décrire un exemple de réalisation d'un système de mesure selon l'invention, en référence aux figures précitées. Le système de mesure 1 comprend, en référence aux figures 1 et 2, une sonde capacitive flexible 100 insérée dans un tube de remplissage 150 d'un conteneur ou réservoir cryogénique 10 qui comporte un orifice de remplissage 12 à laquelle sont reliés d'une part le tube de remplissage 150 et d'autre part, un dispositif de remplissage 11, et un orifice de sortie 16 du liquide 13 contenu dans le réservoir 10. Le tube de remplissage 150 présente une forme spécifique adaptée aux contraintes de remplissage et de stockage cryogénique; il comporte une portion droite 110 présentant à son extrémité supérieure un orifice de sortie 160 et dans laquelle est logée la sonde capacitive 100, et une portion 140 de liaison entre la portion droite et l'orifice de remplissage 12. Un trou 141 est prévu au bas du tube de remplissage 150 pour permettre la mise en communication de l'intérieur du tube de remplissage 150 avec le reste du conteneur 10. La sonde capacitive 100 est constituée d'une tige centrale 120 en cuivre au béryllium faisant fonction d'électrode d'excitation et de la portion droite 110 du tube de remplissage 100 faisant fonction de cible capacitive. La tige centrale est maintenue sensiblement au centre de la portion droite 110 au moyen de pièces de centrage 131-135 en matériau isolant tel que du Téflon, et est reliée en son extrémité inférieure à l'âme centrale 121 d'un câble coaxial 15 dont la périphérie 122 fait fonction de garde. Le tube de remplissage faisant fonction de cible capacitive sur sa portion droite 110 est relié à la masse de référence M de l'électronique de mesure 20. L'électronique de mesure 20 comporte, en référence à la figure 1, un pont flottant capacitif 21 entouré par une garde à un potentiel flottant v reliée à la garde 122 du câble coaxial 15 et un étage de traitement 22 délivrant un signal de sortie Vs représentatif de la densité volumique équivalente au sein du conteneur 10. Ce signal de sortie Vs est appliqué en entrée d'un dispositif indicateur de niveau 27. L'électronique de mesure 20 comporte en outre un régulateur 25 pour générer à partir de la tension aux bornes d'une batterie 26 une tension d'alimentation régulée +V, un inverseur 24 pour délivrer une tension d'alimentation négative -V, une alimentation flottante 28 pour délivrer à partir des tensions d'alimentation +V, -V des tensions d'alimentation flottantes V+, V-, et un oscillateur 23 pour générer le potentiel flottant v du pont flottant 21. Pour la réalisation de l'électronique de mesure 20 on peut aussi utiliser, à titre d'exemple non limitatif, un pont flottant capacitif existant, notamment du type décrit dans le FR2640373, comprenant un amplificateur de charge, une source de tension de polarisation, un modulateur synchrone, et en aval de l'amplificateur de charge, un amplificateur de niveau, un démodulateur synchrone et un intégrateur. Mais il est à noter que bien d'autres types de ponts flottants capacitifs peuvent être mis en oeuvre dans la présente invention. On va maintenant expliquer la mise en place et le fonctionnement d'un système de mesure selon l'invention, en référence aux figures précitées. La sonde capacitive 100 est mise en place au sein du conteneur 10 par insertion via l'orifice de remplissage 12 dans le tube de remplissage 150. La tige centrale 120 est préalablement pourvue des éléments de centrage 131-135 et reliée au câble coaxial 15. Lorsque la sonde capacitive est correctement mise en place, le câble coaxial 15 est connecté à l'électronique de mesure 20 qui est en pratique placée à distance, par exemple plusieurs mètres, du conteneur 10. L'électronique de mesure 20 est elle-même reliée à une batterie d'alimentation 26 qui peut être en pratique la batterie d'alimentation du véhicule, et à un indicateur de niveau 27 qui peut être du type à aiguille ou à affichage numérique. Lorsque le système de mesure 1 selon l'invention est en marche, l'amplificateur de charge du pont flottant recueille un courant de mesure prélevé sur la tige centrale 120 de la sonde capacitive 100 excitée par une tension d'excitation à haute fréquence dont l'amplitude est constante. Ce courant de mesure est sensiblement proportionnel à la capacité équivalente entre la tige centrale 120 et la portion droite du tube 110 faisant fonction de cible. Cette capacité équivalente est ellemême proportionnelle à la longueur immergée de la sonde capacitive 100 dans le liquide. Lorsque le niveau de liquide 13 dans le conteneur 10 varie, la proportion relative de liquide 13 et de gaz 14 varie, et par conséquent la densité équivalente. On peut encore améliorer la précision du système de mesure en utilisant les enseignements de la loi de Clausius-Mosotti. On peut ainsi s'affranchir des variations de pression et de température au sein du conteneur, puisqu'il est possible de relier directement la densité du liquide à sa permittivité relative. On peut d'ailleurs avantageusement utiliser un microcontrôleur pour calculer, à partir de données géométriques sur la forme réelle de l'intérieur conteneur préalablement stockées en mémoire, le niveau de liquide effectif en fonction de la mesure de capacité. A titre d'exemple pratique non limitatif, le système de mesure capacitive selon l'invention peut être mis en oeuvre dans un conteneur cryogénique sous une pression d'environ 15 bars et à une température de service de 163"C à 40"C. La précision globale du système de mesure est estimée à 5%. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. On peut par exemple prévoir d'insérer la sonde capacitive flexible dans un tube électriquement conducteur distinct du tube de remplissage. REVENDICATIONS 1. Système (1) de mesure capacitive du niveau d'un liquide (13) dans un conteneur (10), comprenant: - une sonde de mesure capacitive (100) au moins partiellement immergée dans ce liquide (13), - des moyens (23) pour exciter la sonde de mesure capacitive (100), - des moyens (21, 22) pour traiter des signaux de mesure délivrés par la sonde de mesure capacitive (100), caractérisé en ce que la sonde de mesure capacitive (100) est flexible et est montée insérée dans un tube (150) en matériau électriquement conducteur et de forme prédéterminée constituant une cible capacitive reliée à une masse de référence (M). 2. Système (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sonde de mesure capacitive (100) est montée insérée dans un tube de remplissage (150) du conteneur (10) . 3. Système (1) selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens d'excitation et les moyens de traitement des signaux de mesure sont réalisés sous la forme d'un circuit électronique (20) au moins en partie gardé. 4. Système (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce que la sonde capacitive (100) comprend une tige centrale (120) faisant fonction d'électrode d'excitation entourée par une portion (110) du tube de remplissage faisant fonction de cible capacitive, cette tige centrale (120) étant reliée par un conducteur gardé (15) à l'entrée du circuit électronique (20). 5. Système (1) selon la revendication 4, caractérisé en ce que le conducteur gardé (15) est réalisé sous la forme d'un câble coaxial. 6. Système (1) selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que la tige centrale (120) est maintenue sensiblement au centre de la portion droite (110) du tube de remplissage (150) par des moyens de centrage (131-134). 7. Système (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de centrage (131-134) sont solidaires de la tige centrale. 8. Système (1) selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que le circuit électronique (20) comprend un premier étage gardé (21) et un second étage de traitement (22). 9. Système (1) selon la revendication 8, caractérisé en ce que le premier étage (21) comporte une garde soumise à un potentiel flottant généré par des moyens oscillateurs (23) et est alimenté par des moyens d'alimentation flottante (28). 10. Procédé de mesure capacitive de niveau d'un liquide (13) dans un conteneur (10), mis en oeuvre dans le système (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une insertion préalable d'une sonde capacitive flexible (100) dans un tube (150) de forme prédéterminée au sein dudit conteneur, ce tube étant réalisé en matériau électriquement conducteur, faisant fonction de cible capacitive et étant relié à une masse de référence. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la sonde capacitive flexible (100) préalablement insérée est démontable et peut être extraite du tube (150). 12. Procédé selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que ce que le tube (150) dans lequel est insérée la sonde capacitive flexible (100), est un tube de remplissage du conteneur (10).