Brevet FR2868970A1 — publié le 20051021

DISPOSITIF ACOUSTIQUE, SONDE DE JAUGEAGE DE LIQUIDE EQUIPEE D'UN TEL DISPOSITIF ET SYSTEME IDE JAUGEAGE DE LIQUIDE POURVU D'UNE TELLE SONDE La présente invention concerne un dispositif acoustique comprenant un élément piézo-électrique agencé pour générer de l'énergie acoustique en résonnant à travers son épaisseur. Elle concerne également une sonde de jaugeage de liquide équipée d'un tel dispositif et un système de jaugeage de liquide pourvu d'une telle sonde. Les sondes de jaugeage de liquide ultrasoniques, telles que celles pour mesurer la hauteur du carburant dans un réservoir d'avion sont maintenant bien connues et des exemples de systèmes utilisant de telles sondes sont décrits dans les documents US 5 670 710, GB 2 380 795, GB 2 379 744, GB 2 376 073, US 6 598 473 et US 6 332 358. La sonde comporte habituellement un tube ou puits de tranquillisation s'étendant verticalement dans le réservoir de carburant et un transducteur ultrasonique piézo-électrique monté à l'extrémité inférieure de ce puits. Lorsque le transducteur est alimenté électriquement, il génère une salve d'énergie ultrasonique qu'il transmet vers le haut du puits de tranquillisation, à travers le carburant, jusqu'à ce qu'elle rencontre la surface du carburant. Une partie de la salve d'énergie est ensuite réfléchie en retour vers le bas au même transducteur. La hauteur du carburant dans le puits de tranquillisation peut être calculée en mesurant le temps entre la transmission de la salve d'énergie et la réception de sa réflexion. Le transducteur piézo-électrique est normalement entraîné à sa fréquence de résonance dans le mode dans le sens de l'épaisseur pour que l'énergie acoustique maximum soit produite pour une sortie électrique donnée. La fréquence de résonance du transducteur dans ce mode est principalement une fonction de l'épaisseur du matériau piézo-électrique et jusqu'à un très moindre degré est dépendante du matériau piézo-électrique et de la température. La réponse en fréquence dle tels transducteurs est typiquement donnée par une courbe du type représentée par la figure 2. On peut voir que l'énergie chute rapidement à partir de la fréquence de résonance et que la largeur de bande d'un niveau arbitraire de -6dB est relativement étroite. Cela crée des problèmes dans les systèmes de jaugeage car les techniques de domaine fréquentiel sont souvent utilisées pour manipuler l'information et, pour faire cela, la largeur de bande doit être aussi grande que possible. Un des objets de la présente invention est de fournir une variante de dispositif 10 acoustique et un appareil de jaugeage de liquide. Selon un aspect de la présente invention il est fourni un dispositif acoustique du type tel que défini en préambule, caractérisé en ce que ledit élément a une épaisseur différente en différents points de sa largeur. De préférence, l'élément piézo-électrique comporte une surface qui est plate et une surface opposée qui est profilée, l'élément étant agencé pour propager l'énergie pour des mesures à partir de la surface plate. L'épaisseur de l'élément peut varier de façon étagée ou il peut varier graduellement en travers de sa largeur. Selon un autre aspect de la présente invention, il est fourni une sonde de jaugeage de liquide comportant un puits de tranquillisation et un dispositif acoustique comprenant un élément piézo-électrique agencé pour générer de l'énergie acoustique en résonnant à travers son épaisseur, caractérisée en ce que l'élément a une épaisseur différente en différents points de sa largeur. Selon encore un autre aspect de la présente invention, il est fourni un système de jaugeage d'une quantité de liquide comprenant une unité de commande et au moins un dispositif acoustique comprenant un élément piézoélectrique, l'unité de commande étant agencée pour commander l'élément piézo-électrique afin de générer une énergie acoustique en résonnant à travers son épaisseur, et le système étant agencé pour analyser des signaux reçus par le dispositif acoustique, caractérisé en ce que l'élément piézo-électrique a une épaisseur différente en différents points de sa largeur. Selon un quatrième aspect de l'invention, il est fourni un système de jaugeage d'une quantité de liquide comprenant une unité de commande et au moins une sonde de jaugeage de liquide comprenant un puits de tranquillisation et un élément piézo-électrique monté à une extrémité du puits de tranquillisation, l'unité de commande étant agencée pour commander l'élément piézo- électrique pour générer une énergie acoustique en résonnant à travers son épaisseur, et le système étant agencé pour analyser des signaux reçus par l'élément piézo-électrique, caractérisé en ce que l'élément piézo- électrique a une épaisseur différente en différents points de sa largeur. De préférence, le système de jaugeage d'un liquide est agencé pour traiter des informations venant de l'élément piézo-électrique en utilisant des techniques de domaine fréquentiel. Un système de jaugeage de carburant d'avion comprenant une sonde ayant un dispositif acoustique selon la présente invention va rnaintenant être décrit, à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente schématiquement un système de jaugeage de carburant conventionnel, la figure 2 est un graphique simplifié montrant la fonction de transfert du système de la réalisation de la figure 1, - la figure 3 représente un système comportant un transducteur piézo- électrique selon la présente invention, la figure 4 est un graphique simplifié montrant la fonction de transfert du système de la réalisation de la figure 3, la figure 5 représente un système comportant un transducteur modifié, la figure 6 est un graphique simplifié montrant la fonction de transfert du système de la réalisation de la figure 5, - la figure 7 représente un autre système comportant un transducteur 10 modifié, et - la figure 8 est un graphique simplifié montrant la fonction de transfert du système de la réalisation de la figure 7. Les figures 1 et 2 représentent un système de jaugeage de carburant conventionnel comportant une sonde 1 montée verticalement, ou sensiblement verticalement, vers le haut à partir du fond d'un réservoir de carburant (non représenté). La sonde 1 comporte un puits de tranquillisation tubulaire 10 et un dispositif acoustique sous la forme d'un transducteur piézo- électrique 11 monté à l'extrémité inférieure du puits de tranquillisation afin d'être immergé dans un carburant 2 quelconque qui est présent. Le transducteur est habituellement monté dans un boîtier qui est acoustiquement transparent à la fréquence de fonctionnement afin de protéger la céramique piézo-électrique d'un contact direct avec le carburant. lln tampon de mousse (non représenté) ou similaire disposé sur la surface inférieure du transducteur forme un amortisseur. Le transducteur 11 a une forme de disque circulaire dont les surface supérieure et inférieure 12 et 13 sont orthogonales à l'axe du puits de tranquillisation 10. Les surfaces supérieure et inférieure 12 et 13 sont plates et parallèles pour que le transducteur 11 ait une épaisseur constante t1 en tous points de sa largeur. Sur les surfaces supérieure et inférieure 12 et 13, des électrodes 14 et 15 sont connectées à une unité de commande et de traitement 3. L'unité 3 est agencée pour appliquer des salves de tension alternative aux électrodes 14 et 15 pour alimenter le transducteur 11 afin qu'il résonne et produise des salves d'énergie ultrasonique à partir de ses surfaces supérieure et inférieure 12 et 13. L'énergie à partir de la surface inférieure 13 est absorbée dans le montage du transducteur 11 alors que l'énergie propagée à partir de la surface supérieure 12 est dirigée vers le haut à travers le carburant 2 à l'intérieur du puits de tranquillisation 10 pour des mesures, comme représenté par la flèche marquée Tx. Lorsque l'énergie ultrasonique rencontre la surface du carburant 4, où il y a une interface carburant/air, la majeure partie de l'énergie est réfléchie en retour vers le bas du puits de tranquillisation 10, comme indiqué par la flèche marquée Rx. L'énergie acoustique réfléchie est incidente sur la surface supérieure 12 du transducteur 11 qui convertit l'énergie acoustique en retour en énergie électrique sous la forme d'une salve de tension alternative. Cette salve de tension alternative est fournie à l'unité de traitement 3 qui mesure le temps entre la transmission et la réception de l'énergie ultrasonique et calcule la hauteur h du carburant à l'intérieur du puits de tranquillisation 10 de manière usuelle à partir de la connaissance de la vitesse de transmission de l'énergie acoustique. On notera que dans la plupart des systèmes il y a plusieurs sondes réparties autour du réservoir de façon à mesurer la hauteur en différents points. Le transducteur 11 est entraîné dans le rnode de résonance dans le sens de l'épaisseur, donc sa fréquence de résonance est en grande partie dépendante de l'épaisseur TI du transducteur. Le rendement auquel l'énergie électrique est convertie en énergie acoustique est très proche de la fréquence de résonance f, où il y a une crête unique P nettement définie. L'énergie chute rapidement à partir de celle-ci, comme représenté par la figure 2, où l'on peut voir que la largeur de bande est relativement étroite. Comme décrit ci-dessus, le système et le transducteur sont conventionnels. Les figures 3 et 4 illustrent un exemple d'un système selon la présente invention. Les composants de ce système similaires à ceux de la figure 1 portent les mêmes numéros de référence en ajoutant 100. Le système comporte une sonde 101 avec un puits de tranquillisation 110 et un transducteur piézo-électrique 111 monté à son extrémité inférieure et relié à une unité de traitement 103. Le transducteur 111 se présente sous la forme d'un élément piézo-électrique en forme d'un disque circulaire qui pourrait également avoir différentes autres sections non circulaires. Le transducteur 111 diffère des transducteurs conventionnels en ce que son épaisseur est différente en différents points de la largeur de sa surface. En particulier, la surface supérieure 112 du transducteur 111 est plate alors que sa surface inférieure 113 comporte une cavité centrale 116 pour que l'épaisseur t2 du transducteur dans la région centrale soit inférieure à l'épaisseur t1 de sa périphérie. Cette différence d'épaisseur a pour effet que le transducteur 111 a deux fréquences de résonance fi et f2 dictées par les épaisseurs t1 et t2. La fonction de transfert du système pour ce transducteur 111 est représentée par la figure 4 et l'on peut voir qu'il y a deux crêtes PI et P2 définissant une largeur de bande sensiblement plus large. Ceci est un avantage car cela permet à l'unité de traitement 103 d'être plus fiable pour manipuler l'information extraite du transducteur 111 en utilisant les techniques de domaine fréquentiel. Les figures 5 et 6 représentent un système comportant une autre forme de transducteur modifié dans lequel les éléments similaires portent les mêmes numéros de référence que ceux de la figure 1 mais en ajoutant 200. Le transducteur 211 varie aussi en épaisseur à travers sa surface et comporte une surface supérieure plate 212 et une cavité à étages 216 sur sa surface inférieure 213 définissant une partie centrale 217 de plus petite épaisseur t3, un rebord annulaire 218 entourant la partie centrale et ayant une épaisseur t2 plus grande, et un bord périphérique 219 d'une plus grande épaisseur t1. Ces trois épaisseurs différentes donnent au transducteur 211 trois fréquences de résonance comme représenté par les trois crêtes PI, P2 et P3 sur le graphique de la figure 6. On peut voir que ces trois fréquences conduisent à un élargissement de la largeur de bande encore plus grand qu'avec le transducteur de la figure 3. La figure 7 représente une autre forme de réalisation du transducteur 311. La surface inférieure 313 du transducteur 311, à la place d'avoir un profil à étages comme dans les réalisations représentées par les figures 3 et 5, comporte un profil incurvé s'étendant à travers toute la surface 313 et formant une cavité concave 316 avec une épaisseur variant continuellement en travers de son diamètre, à partir d'une épaisseur minimum to au centre jusqu'à une épaisseur t1 au bord. Cela donne une fonction de transfert du système du type tel que représenté par la figure 8 et comportant une crête plate et une largeur de bande relativement grande. On notera que les transducteurs peuvent avoir des profils différents. Bien que les formes décrites ci-dessus soient toutes très minces au centre, la forme du transducteur peut être différente de cela, notamment en ayant la région la plus mince vers le bord. De préférence, comme décrit ci-dessus la surface supérieure du transducteur est plate et le profil est ménagé sur sa surface inférieure. Cependant il serait également possible d'avoir un profil non plat sur la surface supérieure ou sur les deux surfaces supérieure et inférieure. L'invention n'est pas limitée au jaugeage de la quantité de carburant mais peut être utilisée dans d'autres applications nécessitant des dispositifs acoustiques. Revendications 1. Dispositif acoustique comprenant un élément piézo-électrique (111, 211, 311) agencé pour générer de l'énergie acoustique en résonnant à travers son épaisseur, caractérisé en ce que! ledit élément (111, 211, 311) a une épaisseur différente en différents points de sa largeur. 2. Dispositif acoustique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément piézo-électrique (111, 211, 311) comporte une surface (112, 212, 312) qui est plate et une surface opposée (113, 213, 313) qui est profilée. 3. Dispositif acoustique selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément piézo-électrique (111, 211, 311) est agencé pour propager l'énergie pour des mesures à partir de la surface plate (112, 212, 312). 4. Dispositif acoustique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur de l'élément piézoélectrique (111, 211) varie de façon étagée en travers de sa largeur. 5. Dispositif acoustique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'épaisseur de ('élément piézo-électrique (311) varie graduellement en travers de sa largeur. 6. Sonde de jaugeage de liquide (101, 201, 301) comportant un puits de tranquillisation (110, 210, 310) et un dispositif acoustique comprenant un élément piézo-électrique (111, 211, 311) agencé pour générer de l'énergie acoustique en résonnant à travers son épaisseur, caractérisée en ce que l'élément (111, 211, 311) a une épaisseur différente en différents points de sa largeur. 7. Système de jaugeage d'une quantité de liquide comprenant une unité de commande (103, 203, 303) et au moins un dispositif acoustique comprenant un élément piézo-électrique (111, 211, 311), l'unité de commande (103, 203, 303) étant agencée pour commander l'élément piézo-électrique (111, 211, 311) afin de générer une énergie acoustique en résonnant à travers son épaisseur, et le système étant agencé pour analyser des signaux reçus par le dispositif acoustique, caractérisé en ce que l'élément piézoélectrique (111, 211, 311) a une épaisseur différente en différents points de sa largeur. 8. Système de jaugeage d'une quantité de liquide comprenant une unité de commande (103, 203, 303) et au moins une sonde de jaugeage de liquide (101, 201, 301) comprenant un puits de tranquillisation (110, 210, 310) et un élément piézo-électrique (111, 211, 311) monté à une extrémité du puits de tranquillisation, l'unité de commande (103, 203, 303) étant agencée pour commander l'élément piézo-électrique pour générer une énergie acoustique en résonnant à travers son épaisseur, et le système étant agencé pour analyser des signaux reçus par l'élément piézo- électrique, caractérisé en ce que l'élément piézo-électrique (111, 211, 311) a une épaisseur différente en différents points de sa largeur. 9. Système de jaugeage d'un liquide selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que ledit système est agencé pour traiter des informations venant de l'élément piézo-électrique (111, 211, 311) en utilisant des techniques de domaine fréquentiel.