Brevet FR2865802A1 — publié le 20050805

La présente invention a pour objet un capteur de niveau de liquide. De façon plus précise, la présente invention concerne un capteur qui permet de détecter le niveau d'un liquide et notamment mais non exclusivement le niveau libre de l'eau d'un cours d'eau, d'un lac, d'une retenue d'eau ou plus généralement de toute étendue d'eau naturelle. Certains services de l'Etat, comme le service de prévision des crues, ont pour mission de surveiller la situation hydrologique des bassins versants à partir d'informations hydrométéorologiques collectées par différents moyens. Ces services utilisent des technologies et des moyens de communication qui permettent des connexions rapides avec des échanges de données importantes. Si la quantité d'informations (hauteur d'eau, débit) a augmenté ces dernières années, sa qualité et sa fiabilité restent toujours fortement liées à l'environnement et au type de cours d'eau (dimension du lit, pente et fond variable). Tous ces facteurs perturbent les mesures, notamment en période de crue, et obligent les opérateurs à évaluer les informations parasitées dans l'environnement. Dans le cas des crues rapides ou lentes ou en période de veille, les opérateurs estiment et confirment l'information fournie par les capteurs conventionnels utilisés (capteurs à bulles, capteurs radars à ultrasons, flotteurs, etc.). Si des imprécisions subsistent à partir de ces données, l'opérateur doit envoyer sur le terrain un observateur pour contrôler et valider visuellement les informations reçues de la station de mesure. Il existe donc dans ce domaine un besoin réel de disposer de capteurs de niveau permettant de s'affranchir des perturbations diverses mentionnées ci-dessus. Il serait également intéressant pour mesurer le niveau d'un liquide dans un récipient, par exemple dans une citerne ou dans un bassin, de disposer de capteurs de niveau qui permettent également de s'affranchir des conditions environnementales. Un objet de la présente invention est de fournir un capteur de niveau de liquide sans contact direct avec le liquide dont on veut mesurer le niveau. 2865802 2 Pour atteindre ce but, selon l'invention, le dispositif de mesure du niveau d'un liquide se caractérise en ce qu'il comprend: - une échelle fixe verticale partiellement immergée dans le liquide, une partie spécifique de l'échelle produisant un faisceau optique présentant un type particulier par rapport à la lumière environnante, ladite partie spécifique de l'échelle définissant un niveau de référence; - des moyens de prise d'image pour prendre une image de ladite partie spécifique de l'échelle émergée; et - des moyens de traitement de l'image pour en extraire une 10 information représentative du niveau du liquide par rapport au niveau de référence. On comprend que, selon l'invention, la détermination du niveau du liquide est réalisée grâce au fait que l'échelle fixe comporte une partie spécifique qui produit un faisceau optique d'un type particulier par rapport à la lumière environnante. Ce faisceau optique produit est limité d'une part, par une référence de niveau fixe, et d'autre part, par le niveau du liquide qui recouvre une partie variable de la partie spécifique de l'échelle. A partir de l'image prise du faisceau optique émis par la partie spécifique, on peut en déduire le niveau du liquide à partir du niveau de référence et de la distance entre ce niveau de référence et la partie du faisceau correspondant au niveau du liquide. Selon un premier mode de mise en oeuvre, la partie spécifique de l'échelle est un émetteur lumineux, de préférence de forme allongée, dont de préférence la partie supérieure définit le niveau de référence et qui va émettre un faisceau lumineux reçu par les moyens de prise d'images limitées supérieurement par la référence de niveau et inférieurement par le niveau du liquide qui réfracte la lumière émise par la source lumineuse. Selon un deuxième mode de mise en oeuvre, le dispositif de mesure comporte en outre une source lumineuse extérieure à l'échelle et la partie spécifique de l'échelle est constituée par une surface rétroréfléchissante apte à réfléchir le faisceau lumineux incident sensiblement dans la direction de son incidence. Ainsi, l'image prise va consister dans la partie de la surface rétro-réfléchissante non immergée dans le liquide dont on veut déterminer le niveau, le faisceau réfléchi par la partie immergée étant réfracté par le liquide. 2865802 3 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux figures annexées, sur lesquelles: - la figure 1A est une vue en perspective simplifiée d'un premier mode de mise en oeuvre de l'invention; - la figure 1B est une vue de dessus simplifiée de ce premier mode de réalisation de l'invention; - la figure 2 est une vue en perspective simplifiée d'un deuxième 10 mode de mise en oeuvre de l'invention; et - la figure 3 montre un exemple d'image prise par la caméra. En se référant tout d'abord aux figures 1A et 1B, on va décrire un premier mode de mise en oeuvre du dispositif de détection du niveau de liquide. On considèrera le cas particulier de la détection du niveau, par exemple de l'eau dans une rivière ou dans un lac, mais le même système pourrait être utilisé pour la détection du niveau d'un liquide dans une cuve ou dans toute autre enceinte. Sur la figure 1A, on a représenté une échelle de niveau 10 qui est fixée sur le bord par exemple d'un cours d'eau dont on veut mesurer le niveau 12. L'échelle 10 est fixe et peut comporter comme les échelles classiques des graduations habituelles de niveau 14. Selon ce mode de réalisation de l'invention, la face 10a de l'échelle 10 comporte une zone, par exemple rectangulaire 16, qui est recouverte d'un matériau rétro-réfléchissant. Ce matériau peut être, par exemple, une peinture chargée en micro-billes de verre. Cette zone 16 s'étend depuis une extrémité supérieure 18 qui définira un niveau de référence jusqu'à une extrémité inférieure 20 qui est déterminée de telle manière qu'elle soit en dessous des eaux les plus basses (pour cet exemple, la rivière). Par matériau rétro-réfléchissant, on entend un matériau qui a la propriété de réfléchir un rayon lumineux incident sensiblement selon la direction d'incidence de ce faisceau. De préférence, la surface rétro-réfléchissante 16 est entourée par un encadrement 22 d'un matériau absorbant la lumière. Le dispositif de mesure de niveau comporte également un ensemble optique 24 qui, dans ce premier mode de réalisation, est constitué par une caméra 26 ou plus généralement un dispositif de prise 2865802 4 d'images et une source lumineuse 28. La caméra 26 qui est par exemple une caméra CCD présente un axe optique XX' qui est bien sûr dirigé vers la zone 16 de l'échelle de mesure 10. La source lumineuse 28 a son axe YY' qui est sensiblement parallèle à l'axe XX' de la caméra et très proche de celuici. Le faisceau lumineux émis par la source 28 est donc également dirigé vers l'échelle de mesure 10. De préférence, la source lumineuse 28 émet dans une plage de longueurs d'ondes très réduite de telle manière que l'image qui sera prise par la caméra 26 soit aussi facile à exploiter que possible. De préférence, la source lumineuse 28 émet dans l'infrarouge. De toute manière, il faut que la source lumineuse 28 émette un rayonnement dont la longueur d'onde se distingue le plus possible des sources lumineuses environnantes. De préférence, la caméra 26 est appariée en longueurs d'ondes 15 avec le faisceau lumineux émis par la source 28. Pour cela, la caméra 26 peut être équipée d'un filtre. Le dispositif de mesure comprend également des circuits de mémorisation et de traitement 30 reliés à la caméra 26. Enfin, on peut prévoir un ensemble de commande 32 pour gérer la commande intermittente de la caméra 28 et le fonctionnement intermittent de la caméra 26. La partie du faisceau lumineux qui frappe la zone rétro-réfléchissante 16' en dessous du niveau 12 du liquide est réfractée et elle n'est donc pas réfléchie vers la caméra 26. Si l'on considère donc l'image I obtenue à l'aide de la caméra qui est par exemple représentée sur la figure 3, on aura sur cette image l'image de la zone rétro-réfléchissante 16, référencée 40 dont l'extrémité supérieure 42 est l'image de l'extrémité supérieure 18 de la zone 16 rétro-réfléchissante et dont l'extrémité inférieure 44 correspond donc au niveau du liquide. Pour améliorer le contraste entre l'image 40 de la zone rétro-réfléchissante et les autres parties de l'image prise par la caméra, on peut réaliser un traitement par seuil des différents pixels recueillis par la caméra 26. On comprend que, à partir du niveau de référence 42 dont on 35 connaît la cote et de la détermination de la longueur L entre les extrémités 2865802 5 supérieure 42 et inférieure 44 de l'image 40, on peut en déduire le niveau du liquide 12. Il faut bien sûr que, dans les circuits de traitement 30, on ait mémorisé des informations relatives à la distance entre la caméra 26 et l'échelle 10, aux caractéristiques optiques de cette caméra, et à des mesures de calibration initiales, pour pouvoir associer à la longueur L de l'image 40, la longueur correspondante réelle L' sur l'échelle et donc le niveau du liquide 12. Les mesures de calibration initiales peuvent par exemple être réalisées à l'aide d'un marquage de calibrage prévu sur l'échelle 10. En se référant maintenant à la figure 2, on va décrire un deuxième mode de réalisation du dispositif de mesure de niveau. Dans ce deuxième mode de réalisation, l'échelle qui porte la référence 10' est équipée d'une source lumineuse linéaire verticale 50 qui définit une extrémité supérieure 52 constituant un niveau de référence et une extrémité inférieure 54 disposée de telle manière qu'elle soit toujours en dessous du niveau 12 du liquide dont on veut déterminer le niveau. Cette source lumineuse linéaire 50 comporte des moyens d'alimentation et de commande qui sont de type classique et qui n'ont donc pas besoin d'être décrits ici. Le dispositif de mesure de niveau comporte également une caméra 26 qui peut être identique à celle qui est utilisée dans le premier mode de réalisation. Cette caméra a une plage de fréquences qui est appariée à la longueur d'onde émise par la source lumineuse 50 de l'échelle 10'. La caméra 26 prend une image sur laquelle apparaît l'image de la source lumineuse 50 ou plus précisément de la partie de la source lumineuse linéaire 50 disposée au-dessus du niveau du liquide 12. Le faisceau lumineux émis par la partie immergée 50' de la source lumineuse 50 étant réfracté dans le liquide. On obtient donc à l'aide de la caméra 26 une image numérique traitée par les circuits 30 d'une manière identique à ce qui a été décrit en liaison avec le premier mode de mise en oeuvre de l'invention. Bien entendu, la source linéaire 50 présente une plage de longueurs d'ondes réduite, de préférence dans l'infrarouge de telle manière que ce faisceau se distingue clairement de la lumière environnante. 2865802 6 On comprend que dans les deux cas, c'est-à-dire dans les deux modes de mise en oeuvre, l'échelle de mesure 10 ou 10' présente une zone capable d'émettre un faisceau lumineux présentant un type particulier par rapport à la lumière environnante. Ce faisceau optique de type particulier présente dans les modes de réalisation préférés une extrémité supérieure 18 ou 52 constituant le niveau de référence et une extrémité inférieure correspondant au niveau du liquide. Dans le deuxième mode de réalisation, la zone spécifique de l'échelle qui produit un faisceau optique d'un type particulier est directement une source lumineuse. En revanche, dans le premier mode de réalisation, la partie spécifique de l'échelle produisant un faisceau optique d'un type particulier est constituée par la combinaison de la source lumineuse 24 et de la zone 16 revêtue d'un matériau rétro-réfléchissant. On comprend qu'un avantage du dispositif de mesure selon l'invention est qu'il peut être entièrement automatisé. En effet, on peut programmer à l'avance la périodicité des prises d'images par la caméra 26 et de l'alimentation de la source lumineuse qu'il s'agisse de la source 28 du premier mode de réalisation ou de la source 50 du deuxième mode de réalisation. Les mesures de niveau qui résultent de ces prises d'images successives peuvent être transmises à distance par tout moyen convenable. Un autre avantage de l'invention est que le dispositif de mesure est sans contact avec la surface du liquide dont on veut mesurer le niveau et elle s'affranchit donc des perturbations qui peuvent entourer la zone où est installée l'échelle de mesure de niveau. 7 REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure du niveau d'un liquide, caractérisé en ce qu'il comprend: - une échelle fixe verticale partiellement immergée dans le liquide, une partie spécifique de l'échelle produisant un faisceau optique présentant un type particulier par rapport à la lumière environnante, ladite partie spécifique de l'échelle définissant un niveau de référence; - des moyens de prise d'image pour prendre une image de ladite partie spécifique de l'échelle émergée; et - des moyens de traitement de l'image pour en extraire une information représentative du niveau du liquide par rapport au niveau de référence. 2. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite partie spécifique de l'échelle est constituée par un émetteur lumineux. 3. Dispositif de mesure selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit émetteur lumineux émet dans une longueur d'onde spécifique et en ce que les moyens de prise d'image sont sensibles à cette longueur d'onde spécifique. 4. Dispositif de mesure selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit émetteur lumineux émet dans l'infrarouge. 5. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une source lumineuse extérieure à l'échelle et 25 en ce que: ladite partie spécifique de l'échelle est constituée par une surface rétro-réfléchissante apte à réfléchir un faisceau lumineux incident sensiblement dans la direction de son incidence; et l'axe des moyens de prise d'image est sensiblement confondu 30 avec l'axe de ladite source lumineuse. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite source lumineuse émet dans une plage de longueurs d'ondes réduite. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite source lumineuse émet dans l'infrarouge. 2865802 8 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de prise d'images comprennent une caméra équipée d'un filtre en relation avec la plagè de longueurs d'ondes du faisceau émis par ladite source. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que ledit niveau de référence est constitué par le bord supérieur de la surface rétro-réfléchissante de l'échelle. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que ladite échelle comprend en outre un marquage de calibrage. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 10, caractérisé en ce que les bords latéraux et supérieur de la surface rétroréfléchissante sont entourés par une zone absorbante de la lumière émise. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que lesdits moyens de traitement de l'image comprennent des moyens pour calculer la distance entre ledit niveau de référence et l'extrémité inférieure de l'image de la partie spécifique de l'échelle correspondant au niveau du liquide.