Brevet FR2866112A1 — publié le 20050812

SONDE DE JAUGEAGE DE LIQUIDE La présente invention concerne une sonde de jaugeage de liquide comprenant un puits de tranquillisation et au moins deux éléments transducteurs acoustiques montés vers une extrémité du puits de tranquillisation. 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. Etant donné que la sonde comporte seulement un transducteur, une défaillance ou une défaillance partielle du transducteur ou de ses électrodes associées ou du circuit électrique aboutit à une perte complète de l'information donnée par la sonde. Afin d'obtenir une fiabilité suffisante et de la redondance, par exemple dans les applications aériennes, il est courant d'utiliser des sondes additionnelles pour qu'assez d'informations puissent être fournies dans le cas d'une défaillance de la sonde. Ceci aboutit à un surplus de coût et de poids. Un des objets de la présente invention est d'offrir une variante de sonde de jaugeage de liquide. Selon la présente invention, il est fourni une sonde de jaugeage de liquide telle que définie en préambule, caractérisée en ce que les éléments transducteurs sont agencés pour être alimentés pour propager de l'énergie acoustique dans un liquide à l'intérieur du puits de tranquillisation et pour recevoir de l'énergie acoustique réfléchie par une interface liquide à l'intérieur du puits de tranquillisation. Chacun des éléments transducteurs peut être agencé pour propager de l'énergie et chacun des éléments transducteurs peut être agencé pour recevoir de l'énergie. En variante, la sonde peut être agencée pour être utilisable dans un premier mode où un élément propage de l'énergie dans le liquide et l'autre élément reçoit l'énergie réfléchie, la sonde pouvant être modifiée pour opérer dans un second mode où un élément à la fois propage et reçoit de l'énergie. La sonde peut être agencée pour être commutée du premier au second mode lorsqu'un défaut est détecté. De préférence, les éléments transducteurs sont ménagés sur un substrat commun. Ces éléments transducteurs peuvent comporter une électrode 25 commune à deux éléments. Les éléments transducteurs peuvent être chacun utilisables à la même fréquence ou à des fréquences différentes. Dans une forme de réalisation, les éléments transducteurs sont montés côte à côte. Dans une variante, les éléments peuvent être montés l'un au-dessus de l'autre et sont utilisables sélectivement à des fréquences différentes en utilisant différentes combinaisons de paires d'électrodes. Les éléments transducteurs sont de préférence réalisés en une céramique piézo-électrique. Différentes configurations de sonde selon l'invention vont maintenant être décrites, à titres d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés 10 dans lesquels: la figure 1 est une vue en élévation latérale en coupe simplifiée d'une première forme de réalisation de la sonde, - la figure 2 est une vue en élévation latérale en coupe simplifiée d'une deuxième forme de réalisation de la sonde, la figure 3 est une vue en élévation latérale en coupe simplifiée d'une troisième forme de réalisation de la sonde, - la figure 4 est une vue en élévation latérale en coupe simplifiée d'une quatrième forme de réalisation de la sonde, - la figure 5 est une vue en élévation latérale en coupe simplifiée d'une 25 cinquième forme de réalisation de la sonde, la figure 6 est une vue en élévation latérale en coupe simplifiée d'une sixième forme de réalisation de la sonde, - la figure 7 est un graphique illustrant la fonction de transfert du système de la sonde représentée par la figure 6, la figure 8 est une vue en élévation latérale en coupe simplifiée d'une septième forme de réalisation de la sonde, la figure 9 est une vue en élévation latérale en coupe simplifiée d'une huitième forme de réalisation de la sonde, la figure 10 est une vue en élévation latérale en coupe simplifiée d'une neuvième forme de réalisation de la sonde, - la figure 11 est une vue en élévation latérale en coupe simplifiée d'une dixième forme de réalisation de la sonde, et - la figure 12 est une vue en élévation latérale en coupe simplifiée d'une onzième forme de réalisation de la sonde. En référence à la figure 1, le système de jaugeage de carburant comprend 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. Un tampon de mousse (non représenté) ou similaire disposé sur la surface inférieure du transducteur forme un amortisseur. Le transducteur 11 comporte deux éléments piézo-électriques 12 et 13, qui peuvent être deux moitiés d'un disque circulaire coupé selon son diamètre. Des électrodes 14, 15 et 16, 17 reliées aux deux éléments 12 et 13 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 à 17 pour alimenter tous!es éléments afin qu'ils résonnent et produisent des salves d'énergie ultrasonique qui sont propagées vers le haut le long du puits de tranquillisation 10. L'unité de traitement 3 reçoit aussi des signaux électriques produits dans les deux éléments 12 et 13 par les salves d'énergie réfléchies à partir de la surface du carburant 4 et incidentes sur les éléments. L'unité de traitement 3 mesure le temps entre la transmission de l'énergie ultrasonique et la réception de la réflexion 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. Si un des éléments 12 ou 13 ou leurs circuits ou électrodes associés ne fonctionne pas totalement ou partiellement, l'unité de traitement 3 utilisera simplement le signal provenant de l'élément restant, fournissant de cette façon un degré de redondance contre une défaillance. Au lieu que les éléments transducteurs 12 et 13 fonctionnent collectivement de la manière décrite ci-dessus, un élément peut être utilisé dans un premier mode pour produire le signal transmis et l'autre élément peut être utilisé pour dériver le signal réfléchi. Dans une telle réalisation, s'il y avait une défaillance, l'unité de traitement 3 retournerait à un second mode où elle essaie d'utiliser un élément pour à la fois propager et recevoir l'énergie ultrasonique. Si cela échouait, elle essaierait d'utiliser l'autre élément. On notera que la sonde pourrait comporter des nombres différents d'éléments transducteurs, tels que trois, quatre ou plus et qu'ils pourraient être de diverses formes différentes. La figure 2 montre une réalisation dans laquelle les éléments transducteurs 212 et 213 sont physiquement espacés latéralement et complètement séparés l'un de l'autre. Ces éléments 212 et 213 peuvent être commandés complètement séparément l'un de l'autre et peuvent avoir des fréquences différentes. Lorsque les éléments transducteurs ont des caractéristiques appariées, telles qu'une fréquence optimale, ils peuvent être commandés ensemble avec un élément recevant les signaux réfléchis produits par l'autre élément. De nouveau, une sonde pourrait comporter un groupe de n'importe quel nombre de tels éléments transducteurs. Comme représenté par la figure 3, l'intervalle entre les éléments transducteurs séparés 312 et 313 peut être rempli par un matériau de remplissage 300 qui est électriquement non conducteur et acoustiquement transparent pour que l'alimentation d'un élément puisse alimenter l'autre ou les autres éléments. L'arrangement de la figure 4 montre comment multiple éléments transducteurs 412 et 413 peuvent être prévus sur un substrat en céramique piézo-électrique commun 400 en séparant physiquement les électrodes 414 à 417. Le nombre d'électrodes peut être réduit dans une sonde 510 du type représenté par la figure 5 où un transducteur 511 avec deux éléments 512 et 513 comporte trois électrodes, à savoir une électrode commune unique 514 s'étendant à travers toute la surface supérieure de tous les éléments et deux électrodes séparées 515 et 517 sur la surface inférieure disposés dans les régions des deux éléments. En général, pour une sonde comportant n éléments transducteurs, cet arrangement permet de réduire le nombre d'électrodes de 2n à n+1. Les différents éléments transducteurs n'ont pas besoin d'être appariés et fonctionnent à la même fréquence. La figure 6 montre une sonde 610 avec deux éléments 612 et 613 ayant des épaisseurs différentes et de ce fait des fréquences en mode de résonance dans le sens de l'épaisseur différentes. Les électrodes supérieures 614 et 616 et les électrodes inférieures 615 et 617 de ces deux éléments sont connectées entre elles en tant que deux lignes de sorties 618 et 619. La figure 7 illustre les fréquences de fonctionnement optimales différentes f2 et f3 respectivement des deux éléments 612 et 613. On notera que les fréquences de fonctionnement différentes des éléments permettent à l'unité de traitement de faire une différence entre les éléments différents pour que ceux qui sont séparés puissent être choisis par un choix approprié de fréquence. La figure 8 représente une sonde 810 comportant deux éléments transducteurs 812 et 813 d'épaisseurs et de fréquences de fonctionnement différentes formés sur un flan commun 800 de matériau piézo-électrique en usinant de manière approprié le flan avec deux régions 801 et 802 d'épaisseur différente. On remarquera que cet arrangement comporte une électrode commune 814 sur la surface supérieure et deux électrodes interconnectées 815 et 817 sur la surface inférieure. A la place d'avoir deux électrodes séparées sur la surface inférieure, il pourrait y avoir une électrode commune unique 915 telle que représentée par la figure 9. Les variantes décrites ci-dessus ont les éléments transducteurs disposés latéralement, mais ils pourraient cependant être empilés l'un au-dessus de l'autre comme représenté par la figure 10. Dans cette configuration, il y a deux éléments 1012 et 1013 montés l'un sur l'autre, chacun ayant deux électrodes séparées 1014 et 1015, et 1016 et 1017. Dans un tel arrangement, l'élément supérieur 1012 ou les éléments sont choisis pour être acoustiquement transparents aux fréquences de fonctionnement de l'élément 1013 ou des éléments en dessous. Le nombre d'électrodes dans un arrangement avec empilage peut être réduit de la façon représentée par la figure 11 où une électrode commune 1115 est utilisée à la fois pour la surface inférieure de l'élément piézoélectrique supérieur 1112 et la surface supérieure de l'élément piézoélectrique inférieur 1113. Pour un empilage de n éléments cela permet la réduction du nombre d'électrodes de 2n à n+1. Les éléments pourraient être actionnés ensemble, au lieu de fonctionner individuellement, en alimentant des électrodes non adjacentes, Dans la réalisation de la figure 11 par exemple, l'électrode du milieu 1115 pourrait être tenue à une haute impédance et les deux éléments 1112 et 1113 pourraient être commandés ensemble en alimentant les électrodes du haut et du bas 1114 et 1117. La fréquence optimale de fonctionnement est dépendante de l'épaisseur combinée des deux éléments 1112 et 1113. De ce fait, avec un empilage de deux éléments, les éléments individuels peuvent être actionnés chacun séparément à une fréquence et les éléments combinés peuvent être actionnés ensemble à une fréquence plus basse différente. L'augmentation du nombre d'éléments dans la pile donne plusieurs modes de fonctionnement différents. La figure 12 représente une pile de trois éléments transducteurs 1212, 1213 et 1214 avec quatre électrodes 1215 à 1218. Ceci permet à chacun des éléments 1212 à 1214 d'être utilisé individuellement, ou les deux paires différentes d'éléments adjacents 1212 et 1213, et 1213 et 1214 peuvent être actionnés ensemble, ou les trois éléments 1212, 1213 et 1214 peuvent être actionnés ensemble. Les électrodes non utilisées peuvent être placées dans une condition de haute impédance. La présente invention n'est pas limitée aux formes de réalisation préférées décrites, mais peut subir différentes modifications ou variantes évidentes pour l'homme du métier. Notamment, on notera qu'il y a plusieurs arrangements différents dans lesquels une sonde peut être prévue avec plus qu'un élément transducteur. En outre, à la place d'utiliser des céramiques piézo-électriques il pourrait être possible d'utiliser d'autres matériaux générant de l'acoustique. Revendications 1. Sonde de jaugeage de liquide (1) comprenant un puits de tranquillisation (10, 210, 310, 410, 510, 610, 810, 910, 1010, 1110, 1210) et au moins deux éléments transducteurs acoustiques (12, 13; 212, 213; 412, 413; 512, 513; 612, 613; 812, 813; 912, 913; 1012, 1013; 1112, 1113; 1212, 1213, 1214) montés vers une extrémité du puits de tranquillisation, caractérisée en ce que les éléments transducteurs (12, 13; 212, 213; 412, 413; 512, 513; 612, 613; 812, 813; 912, 913; 1012, 1013; 1112, 1113; 1212, 1213, 1214) sont agencés pour être alimentés pour propager de l'énergie acoustique dans un liquide à l'intérieur du puits de tranquillisation et pour recevoir de l'énergie acoustique réfléchie par une interface liquide (4) à l'intérieur du puits de tranquillisation. 2. Sonde de jaugeage de liquide selon la revendication 1, caractérisée en ce que chacun des éléments transducteurs (12, 13; 212, 213; 412, 413; 512, 513; 612, 613; 812, 813; 912, 913; 1012, 1013; 1112, 1113; 1212, 1213, 1214) est alimenté pour propager de l'énergie et chacun des éléments transducteurs est agencé pour recevoir de l'énergie. 3. Sonde de jaugeage de liquide selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite sonde (1) est agencée pour être utilisable dans un premier mode où un élément propage de l'énergie dans le liquide et l'autre élément reçoit l'énergie réfléchie, et en ce que la sonde est agencée pour être modifiée pour opérer dans un second mode où un élément à la fois propage et reçoit de l'énergie. 4. Sonde de jaugeage de liquide selon la revendication 3, caractérisée en ce que ladite sonde (1) est agencée pour être commutée du premier au second mode lorsqu'un défaut est détecté. 5. Sonde de jaugeage de liquide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les éléments transducteurs (12, 13; 412, 413; 512, 513; 812, 813; 912, 913) sont ménagés sur un substrat commun. 6. Sonde de jaugeage de liquide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les éléments transducteurs (512, 513; 812, 813; 912, 913; 1112, 1113; 1212, 1213, 1214) comportent une électrode (514, 814, 915, 1115, 1216, 1217) commune à deux éléments. 7. Sonde de jaugeage de liquide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les éléments transducteurs (12, 13; 212, 213; 412, 413; 512, 513; 612, 613; 1012, 1013; 1112, 1113; 1212, 1213, 1214) sont chacun utilisables à la même fréquence. 8. Sonde de jaugeage de liquide selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que au moins deux des éléments transducteurs (812, 813; 912, 913) sont utilisables à des fréquences différentes. 9. Sonde de jaugeage de liquide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les éléments transducteurs (12, 13; 212, 213; 412, 413; 512, 513; 612, 613; 812, 813; 912, 913) sont montés côte à côte. 10. Sonde de jaugeage de liquide selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les éléments transducteurs (1012, 1013; 1112, 1113; 1212, 1213, 1214) sont montés l'un au-dessus de l'autre. 11. Sonde de jaugeage de liquide selon la revendication 10, caractérisée en ce que les éléments transducteurs (1012, 1013; 1112, 1113; 1212, 1213, 1214) sont utilisables sélectivement à des fréquences différentes en utilisant différentes combinaisons de paires d'électrodes. 12. Sonde de jaugeage de liquide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les éléments transducteurs (12, 13; 212, 213; 412, 413; 512, 513; 612, 613; 812, 813; 912, 913; 1012, 1013; 1112, 1113; 1212, 1213, 1214) sont réalisés en une céramique piézoélectrique.