Brevet FR2795816A1 — publié le 20010105

CAPTEUR DE NIVEAU La présente invention a pour objet un capteur ou détecteur de niveau destiné en particulier, mais non exclusivement, aux réservoirs de carburants de véhicules automobiles. Le réservoir peut contenir du G.P.L., de l'essence, du fuel ou tout autre liquide constituant un bon isolant électrique. Dans les véhicules, il est essentiel de connaître le volume de carburant disponible afin de faire le plein en temps utile, notamment dans le cas du G.P.L. pour lequel les points de distribution sont encore peu nombreux. Cette connaissance est obtenue approximativement au moyen de jauges de diverses constitutions. La plus utilisée actuellement est constituée par un flotteur portant un contact électrique venant porter sur des contacts de sorte que le niveau soit connu par une mesure de résistance électrique. Mais ce moyen est prohibé pour les réservoirs de G.P.L. en raison des risques d'étincelles. Cette difficulté a été surmontée pour ce carburant en montant un aimant sur le flotteur et en réalisant une liaison magnétique avec un autre aimant. Mais, d'une manière générale, la précision des jauges actuellement utilisées n'est pas satisfaisante. Un premier objet de l'invention est de pallier cet inconvénient et de permettre une connaissance précise, à tout moment du volume de carburant restant disponible dans le réservoir quelle que soit la nature de celui-ci. Un second objet de l'invention est de permettre une meilleure carburation du moteur du véhicule par détection de la composition du carburant se trouvant dans le réservoir, notamment dans le cas du G.P.L. Selon l'invention, le détecteur de niveau relié par l'intermédiaire d'un circuit électronique à un tableau d'affichage est caractérisé en ce qu'il est constitué par deux condensateurs disposés à l'intérieur du réservoir, le premier condensateur étant disposé au fond du réservoir pour donner une capacité de référence, le second, s'étendant sur toute la hauteur du réservoir, la capacité dudit second condensateur variant de façon reproductible avec le niveau du liquide dans le réservoir, les condensateurs étant alimentés et connectés à un circuit électronique de mesure. Dans un premier mode de réalisation, les condensateurs sont réalisés à l'aide de tubes coaxiaux conducteurs de l'électricité. Le tube central ou le tube extérieur est continu alors que l'autre tube est partagé en deux parties de longueurs inégales. Le tronçon le plus court est destiné à constituer le condensateur de référence et le plus long, le condensateur de mesure. Les deux tubes sont maintenus en position relative par des espaceurs et le tube interne peut être percé de trous pour permettre une libre circulation du fluide. Dans un second mode de réalisation, les condensateurs sont constitués par des plaques planes. Bien entendu, le matériau utilisé est tel qu'il soit suffisamment rigide et inerte vis-à-vis du liquide contenu dans le réservoir et bon conducteur de l'électricité. Selon une autre caractéristique de l'invention, les condensateurs sont reliés, par des commutateurs à des horloges émettant périodiquement des tops pour cadencer la charge ou décharge des condensateurs. L'invention concerne également différents circuits de correction par exemple de la température du liquide contenu dans le réservoir ainsi que de détection de sa composition Le système effectue automatiquement la commutation d'un réservoir à un autre. Selon une autre caractéristique de l'invention, le circuit d'interprétation comprend un capteur, un convertisseur analogique /numérique incluant un modulateur EO spécialisé et un microcontrôleur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation, donnés uniquement à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins qui représentent - La figure 1, un schéma de principe du système de mesure de niveau; - les figures 2, un schéma plus détaillé du système; - la figure 3, un schéma par blocs du circuit de correction et d'interprétation électronique des mesures effectuées. - la figure 4, un organigramme de fonctionnement pour la commutation G. P. L.- essence; - Les figures 5 à 7 différents modes de construction du condensateur de référence et du condensateur de mesure. Sur l'ensemble des figures, les mêmes références désignent les mêmes éléments. Sur la figure 1, on voit que la sonde 1 se compose de deux condensateurs respectivement de référence 11 et de mesure 12. La capacité du condensateur de référence 11 est celle de la capacité obtenue lorsque le réservoir est vide, ce condensateur restant toujours immergé. La capacité du condensateur 12 dépend du niveau de remplissage du réservoir. Ces deux condensateurs sont reliés à une carte électronique 2 et alimentés périodiquement grâce à_ des commutateurs 3 à partir d'une source de tension dont le voltage ne dépasse pas cinq volts. Les armatures des condensateurs 11 et 12 sont par ailleurs reliées à un intégrateur 4 suivi d'un comparateur 5 dont la sortie est connectée par un circuit de contre réaction au commutateur 3 correspondant au condensateur 12, dont la capacité est variable avec le niveau, pour constituer le modulateur EA spécialisé. La sortie est, par ailleurs reliée à un microcontrôleur 7 par une liaison à quatre fils. Le microcontrôleur 7 reçoit des informations de contact moteur et d'alimentation par la batterie (non représentée) et est connecté en sortie avec une électrovanne 8 de remplissage, avec un commutateur G.P.L./essence 9 et avec un tableau d'affichage 19. En fonction des informations reçues du condensateur 12, le contrôleur 7 ferme ou ouvre la vanne 8 en tenant compte de ce que, pour le G.P.L., le taux de remplissage du réservoir ne doit pas excéder 80$. La commutation essence G.P.L. est automatiquement commandée par le contrôleur 7 en fonction du niveau de remplissage du réservoir de G.P.L. Sur la figure 2, on voit que le petit condensateur 11 qui conserve une valeur Cil constante pour une température et une composition de carburant données n'est pas utilisé. Le condensateur 12 s'étend sur le reste de la hauteur du réservoir (non représenté) et présente une capacité Cie qui croît ou décroît avec le niveau de remplissage du réservoir en raison des différences de constantes diélectriques entre le carburant liquide et le carburant à l'état gazeux qui recouvre le liquide. La carte est alimentée en courant continu par Vcc. Elle est reliée à la masse et reçoit les signaux d'horloge (D1 et (D2 un signal de commutation C, et émet le signal SR par le comparateur 5. En parallèle aux capacités Cil et C12 sont montés des condensateurs Co, la capacité étalon, et Ca, capacité d'offset ou d'étalonnage dont le rôle sera décrit ci-après. Toutes les capacités sont mesurées par rapport à la capacité étalon Co placée dans le circuit. A titre d'exemple Co est supérieure à toutes les capacités à mesurer. Fondamentalement, la hauteur du niveau est égale à: C12o est la valeur de la capacité variable C12 lorsque le réservoir est vide et K un facteur d'échelle. Le circuit d'interprétation 4,5 comprend un intégrateur 4 qui charge ou décharge la quantité d'électricité contenue dans les condensateurs par quantités discrètes selon la formule Q=CxV. Un comparateur électronique compare cette valeur à une valeur de référence et prend une décision. A cet effet, des horloges cadencent l'évolution du système et émettent des "tops", chaque top constituant le temps élémentaire de cadencement. A chaque top, le condensateur 12 reçoit une quantité d'électricité égale à C12.Vi si Vi est la tension appliquée. Dès que, la quantité d'électricité de l'intégrateur atteint une valeur de seuil fixée par le comparateur 5, le circuit comparateur 5 émet un signal SR qui est transmis au microcontrôleur 7 par la liaison SR ce qui se traduit par le prélèvement de la quantité d'électricité Co.Vi, de sorte que la charge de l'intégrateur 4 reste quasiment constante. Pendant N tops, l'intégrateur 4 reçoit la quantité d'électricité (X12.Co-N.C12).Vi expression qui est sensiblement égale à "0". X12 est le nombre de fois où le comparateur est à "1" pendant les N coups d'horloge. Toutefois, X12 n'est pas encore la représentation numérique du niveau car le condensateur 12 possède, lorsque le réservoir est vide, une valeur de capacité non nulle C120. Mesurée en fonction de la capacité Co elle est stockée numériquement sous la forme Finalement, pour reconstituer à chaque nouvelle mesure l'expression numérique du niveau on utilise la formule Selon encore une autre caractéristique de l'invention, la mesure de niveau est insensible aux variations des caractéristiques diélectriques des fluides avec la température, car la valeur du facteur K tient compte de cette dépendance. Pour tenir compte de cette dépendance, le niveau s'exprime par la formule suivante Avant le premier remplissage, c'est-à-dire avant immersion du condensateur 11 à la température To , la capacité de celui-ci est de Ciio.Cette valeur est numérisée à l'aide de la capacité étalon stable en température Co selon la méthode déjà décrite. La structure métallique et les espaceurs constituant les capacités sont peu déformables avec la température, aussi la connaissance de Cil suffit-elle pour être capable, lors de chaque mesure de niveau, de reconstruire le facteur recherché à savoir le facteur K. Puis Xiio est mémorisé dans le microcontrôleur 7. Régulièrement, mais selon une récurrence relativement lente, adaptée aux constantes de temps thermiques, la mesure de Cii/Co est répétée selon la même procédure. L'expression devient L'invention permet également d'éliminer les effets parasites dus à la matérialisation de l'algorithme. Cet effet parasite et assimilable à la présence d'une capacité parasite Ca qui s'ajoute ou se retranche de la capacité Co. La formule ci-dessus devient donc Cet effet est remarquablement stable pour une implémentation donnée. Il suffit donc de disposer d'une capacité physique C9 pour qu'à chaque top elle produise l'effet inverse du phénomène indésirable et retrouver la mesure résultant de l'équation précédente. Dans la réalisation proposée à titre d'exemple qui est basée sur une implémentation semi discrète unipolaire, la capacité C4 vaut 2pF qu'il faut retrancher de la capacité Cil. Dans une réalisation intégrée unipolaire de même architecture, la capacité Ca serait négligeable, voir nulle pour une intégration symétrique. En réalité, Cil varie en fonction de la température et de la composition. Associée à une mesure de température très précise effectuée par un capteur de température (non représenté), cette formule permet de remonter à la composition du G.P.L. dont on connaît la variabilité et ainsi de pouvoir optimiser le réglage de l'injection. La très haute résolution obtenue selon l'invention qui croît de façon au moins linéaire avec le temps de mesure permet d'accéder à la connaissance de K et aux compositions du G.P.L. Le carburant G.P.L. sera qualifié de médian lorsqu'il contient autant de propane que de butane. est mesuré puis stocké de même que l'algorithme de calcul M(médian, T). La comparaison de M(T) et de M(médïan, T) permet de déterminer la composition du G.P.L. L'architecture du système permet de réaliser des rapports de capacités et de les numériser en vue de construire les algorithmes définis ci- dessus. . Selon une autre caractéristique de l'invention, l'architecture système inclût un modulateur Eà à un bit adapté au problème à traiter. Ces modulateurs sont, par ailleurs, connus dans d'autres applications, qu'ils soient unipolaires, symétriques du premier ou second ordre. La figure 3 représente un schéma par blocs d'un circuit de commande et d'interprétation selon l'invention. on retrouve sur cette figure , sur la droite de celle-ci un réservoir 10 incluant les condensateurs 11 de référence et 12 de mesure constitués, par exemple comme représenté sur les figures 5 à 7. Les condensateurs 11 et 12 sont chargés à travers le modulateur là 4 lui-même inclus dans un étage 2. L'étage 2 comprend outre le modulateur 4, un étage de temporisation 14 constitué de deux horloges non recouvrantes et d'un étage 15 délivrant la tension de référence. Le modulateur est lui-même connecté à un microcontrôleur 7 dont les sorties assurent les fonctions de limite de remplissage ou de commutation des réservoirs, la liaison avec l'ordinateur de bord 9 ou l'affichage 19. Le microcontrôleur 7 inclût un étage 17 de conversion numérique/analogique relié à un amplificateur opérationnel 18 dont la sortie permet de disposer d'une sortie 19 analogique résistante en vue de l'affichage traditionnel de réserve de carburant. Le résultat de la mesure est obtenu à partir du rapport du nombre de changements d'états (SR) du comparateur(5) par le nombre N de tops envoyés par le microcontrôleur 7, suréchantilloné à 100 Khz par exemple. Ces accumulations de tops Xiz, Xizo, Xii, Xiio s'effectuent pour un nombre N constant de tops d'horloge dans cet exemple. L'accroissement de la résolution et le filtrage des fluctuations du niveau sous l'effet des mouvements du véhicule s'obtient par une moyenne sur un nombre répété de mesures (par exemple 16). La vitesse de rafraîchissement de l'information s'effectue néanmoins au rythme d'une seule mesure par une structure pipelinée. Le circuit qui vient d'être décrit est particulièrement adapté aux séries faibles et moyennes. Le modulateur Y-d est réalisé à l'aide de composants discrets de type CMOS de la série 4000, le traitement numérique de l'information (pilotage du modulateur E0, calcul, autotest) est effectué dans le microcontrôleur 7. Une sortie analogique nécessite trois composants supplémentaires un amplificateur, un transistor et une résistance. La réalisation sous forme de circuit intégré pour les séries moyennes ou grandes comprend seulement un circuit intégré spécifique et CMOS, deux condensateurs externes (1,2) et deux composants de découplage. La sortie analogique ne nécessite plus, dans ce cas qu'un composant externe. Ainsi, les versions à éléments discrets et intégrée sont identiques jusqu'à un niveau de description fonctionnelle assez bas. I1 en résulte une capitalisation aisée de l'expérience acquise dans la version "discrète" pour la réalisation d'une version intégrée ce qui limite les frais d'intégration et limite la diffusion d'information vers le fondeur. Comme cela apparaît sur l'organigramme de la figure 4, lors de la mise sous tension le capteur définit si le niveau de G.P.L. est supérieur ou inférieur à la réserve en calculant Cil par rapport à la capacité Clio mémorisée sous forme numérique. Le calcul du niveau est effectué sur, par exemple 32 moyennes enregistrées en utilisant la valeur de Cil et celle de la capacité mémorisée. La mise en marche du moteur provoque, soit le réveil du système, soit la fermeture de la vanne 8. La réserve de carburant dans le réservoir est ensuite testée. Si la réponse est "vrai", ce qui signifie que le niveau du réservoir est inférieur à la valeur minimale de fonctionnement, le système demande directement la commutation sur le réservoir essence. Si la réponse est "faux", c'est-à-dire que le réservoir est plus ou moins rempli, on procède au calcul du niveau comme indiqué précédemment. Le niveau est ensuite affiché, par exemple sur l'afficheur 19. Après quoi, on pose la question de commutation du réservoir G.P.L. sur le réservoir essence. Si la réponse est "non", le circuit est rebouclé entre le calcul de niveau et l'affichage. Si la réponse est "oui", on compare le niveau détecté à une valeur minimale du niveau. Si la réponse est "oui", le système se reboucle avant l'étape de calcul NIVEAU. Si la réponse est "non", la commutation est demandée. Dans les deux cas de commutation, le niveau de la réserve est affiché. Sur les figures 5 et 6, on voit que la sonde désignée d'une manière générale par la référence 1 se compose d'un petit condensateur cylindrique 11 placé au fond du réservoir pour être en permanence immergé dans le carburant. Ce condensateur conserve ainsi une valeur Cil constante pour une température et une composition de carburant données. Le condensateur 12 s'étend sur le reste de la hauteur du réservoir (non représenté) et présente une capacité C12 qui croît ou décroît avec le niveau de remplissage du réservoir en raison des différences de constantes diélectriques entre le carburant liquide et le carburant à l'état gazeux qui recouvre le liquide. Dans ce mode de réalisation, les armatures des condensateurs sont cylindriques et coaxiales. L'armature centrale étant plus courte (fig.5) ou plus longue (fig.6) que l'armature périphérique. Bien entendu, le condensateur 11 est d'une hauteur très inférieure à celle du condensateur 12. Sur la figure 7, la sonde 10 est réalisée à partir de plaques planes. La plaque centrale 4 est réalisée d'un seul tenant, les deux plaques latérales 25,26, étant fractionnées en deux parties de longueurs inégales. Les parties les plus courtes servent à constituer le condensateur 11 de référence et les parties les plus longues le condensateur 12 de mesure de niveau. La plaque centrale 24 est .moins large et plus longue que les plaques latérales 25 et 26 pour bénéficier de l'effet de cage de FARADAY et elle peut-être conformée pour tenir compte de la forme du réservoir. Les espaceurs 27 sont peu encombrants pour ne pas gêner le passage du liquide entre les plaques. Le montage est simplifié dans la mesure où les plaques latérales 25 et 26 portées au même potentiel peuvent être vissées ou enclipsées. A titre d'exemple seulement, les valeurs relevées peuvent être les suivantes: Co= 140pF, Cil = 24pF et C12 max. = 260pF. I1 va de soi que de nombreuses variantes peuvent être apportées, notamment par substitution de moyens techniques équivalents, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Détecteur de niveau notamment pour réservoir de véhicule automobile relié par l'intermédiaire d'un circuit électronique à un tableau d'affichage, caractérisé en ce qu'il est constitué par deux condensateurs (11,12) disposés à l'intérieur du réservoir, le premier condensateur (11), toujours immergé, étant disposé au fond du réservoir pour constituer une capacité de référence, le second condensateur de mesure (12), s'étendant sur toute la hauteur du réservoir, la capacité du second condensateur (12) variant de façon reproductible avec le niveau du liquide dans le réservoir (13), les condensateurs étant alimentés par et connectés à un circuit électronique d'interprétation. 2 Détecteur de niveau selon la revendication 1, caractérisé en ce que les condensateurs (11,12) sont réalisés à l'aide de tubes coaxiaux conducteurs de l'électricité, l'un des deux tubes étant fractionné en deux parties de longueurs inégales. 3 Détecteur de niveau selon la revendication 1, caractérisé en ce que les condensateurs (11,12) sont réalisés réalisée à partir de plaques planes, la plaque centrale (4) étant d'un seul tenant, les deux plaques latérales (5,6) étant fractionnées en -deux parties de longueurs inégales. 4 Détecteur de niveau selon la revendication 1, caractérisé en ce que les condensateurs sont alimentés périodiquement par des horloges recouvrantes (14) agissant sur des commutateurs (3), les horloges émettant périodiquement des tops d'interrogation de la valeur instantanée de la capacité du condensateur (2). 5 Détecteur de niveau selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit d'interprétation comprend un capteur (1), un convertisseur analogique/numérique basé sur l'application d'un intégrateur (4) spécialisé suivi d'un comparateur (5) et un microcontrôleur (7), le modulateur EA comprenant un comparateur (5) commandant le commutateur (3) de charge/décharge de l'intégrateur (4) 6 Détecteur de niveau selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mesure de niveau est corrigée des variations des caractéristiques diélectriques des fluides avec la température. 7 Détecteur de niveau selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'intégrateur (4) est chargé à cadence régulière par la quantité d'électricité (Ql=Ci2Vi) et déchargé lorsqu'un seuil prédéterminé est dépassé de la quantité d'électricité (Q2=COV1) à chaque top. 8 Détecteur de niveau selon la revendication 7, caractérisé en ce que lorsque la valeur de seuil de charge, correspondant au niveau réel, est atteinte, le comparateur (5) émet un signal SR de neutralisation de la charge de l'intégrateur (4). 9 Détecteur de niveau selon là revendication 1, caractérisé en ce que le microcontrôleur (7) inclût une valeur de consigne correspondant à un remplissage de 80$ du volume du réservoir, cette valeur étant comparée à la valeur de la capacité C12 et, si elle est égale, ferme l'électrovanne (8) de remplissage du réservoir. 10 Détecteur de niveau selon la revendication 1, caractérisé en ce que le microcontrôleur (7) inclût un étage (17) de conversion numérique /analogique connecté à un afficheur (19). 11 Détecteur de niveau selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un élément indépendant de mesure de la température, cette mesure permettant de déterminer la composition du carburant qui est transmise à l'ordinateur de bord (9) qui règle la carburation en fonction de cette donnée. 12" Détecteur de niveau selon la revendication 5, caractérisé en ce que le modulateur LA est cadencé à partir du microcontrôleur (7) au moyen de deux horloges non recouvrantes (14) et commande les commutateurs (3). 13 Détecteur de niveau selon la revendication 1, caractérisé en ce que, le microcontrôleur (7) commande, par un étage (9), la commutation automatique d'un réservoir de premier carburant à un réservoir de second carburant lorsque le premier réservoir est vide.