Brevet FR2892508A1 — publié le 20070427

Jauge capacitive La présente invention concerne une jauge capacitive avec circuit électronique utilisant la méthode de transfert de charges, ainsi que son utilisation comme jauge de niveau dans un réservoir à carburant. De nombreux dispositifs ont été proposés à ce jour pour mesurer le niveau de liquide dans les réservoirs et en particulier, dans les réservoirs à carburant de véhicules automobiles. Ces dispositifs connus utilisent, d'une manière générale, des capteurs ou jauges de niveau délivrant un signal représentatif du niveau du carburant dans le réservoir. Certains de ces capteurs ou jauges de niveau comprennent un condensateur de mesure destiné à être placé sur toute la hauteur du réservoir et adapté pour que sa capacité varie de façon reproductible avec le niveau de liquide dans le réservoir, et un condensateur de référence destiné à être disposé au fond du réservoir de manière à être toujours immergé. Ainsi, la demande WO 01/02817 divulgue une telle jauge où les condensateurs de mesure et de référence sont alimentés par et raccordés à un circuit électronique d'interprétation comportant des commutateurs permettant de charger et de décharger les condensateurs à une certaine fréquence, ainsi qu'un intégrateur, un comparateur et un compteur. A chaque chargement, le condensateur (de mesure ou de référence) est porté à un potentiel donné (V), d'où il résulte une charge donnée (Q = V.Cmes où Cmes est la capacité du condensateur de mesure). Cette charge est transférée à l'intégrateur, dont une valeur de sortie est comparée à une valeur seuil prédéterminée. Tant que la valeur de sortie de l'intégrateur reste inférieure à la valeur seuil, l'intégrateur continue de recevoir, via le condensateur (de mesure ou de référence), une charge Q = V.C111es à chaque chargement. Dès que la valeur seuil est dépassée, l'intégrateur est déchargé dans un condensateur étalon, porté au même potentiel (V) et le cycle recommence. Un compteur compte le nombre de fois où le seuil est dépassé durant une période de mesure donnée, soit n. Ce nombre est proportionnel à la capacité que l'on mesure (capacité de mesure ou de référence). Or, cette capacité est elle-même soit proportionnelle au niveau de liquide dans le réservoir (capacité de mesure), soit dépend de la nature du liquide (capacité de référence), à la valeur de ladite capacité à vide prêt. On obtient finalement la relation suivante : h = [n réf_vide/(n réf ri réfvide)] . [(n mes-n mes,vide)/n mes,vide], où n sont les valeurs lues par le compteur respectivement pour la capacité du condensateur de référence à vide (n réf,vide), pour la capacité du condensateur de référence immergée dans le carburant (n réf), pour la capacité du condensateur de mesure à vide (n mes,vide) et pour la capacité.du condensateur de mesure (n mes), et ce pour une période de mesure donnée (pour plus de détails : voir le brevet en question, dont l'enseignement à ce propos est incorporé par référence dans la présente demande). L'inconvénient de cette jauge réside dans le fait que le temps de réponse est relativement long (typiquement supérieur à la seconde) car il faut un nombre de dépassements de seuil élevé (et donc, une période de mesure élevée) pour que la précision de la mesure soit bonne. Or, la valeur instantanée du niveau de liquide est utilisée dans certains systèmes pour fermer la vanne de remplissage du réservoir à partir d'un certain taux de remplissage. Dès lors, si le remplissage est trop rapide, ce taux risque d'être dépassé. Il peut également s'avérer intéressant de disposer d'une mesure dynamique de l'évolution du niveau de liquide dans un réservoir à des fins expérimentales (par exemple pour étudier l'efficacité de certaines géométries en termes de vitesse de remplissage). La présente demande vise à résoudre ce problème en fournissant une jauge capacitive à temps de réponse nettement plus court, qui permet de suivre l'évolution du niveau de liquide en période de changement rapide de ce dernier. A cet effet, la présente invention concerne une jauge capacitive comprenant un condensateur de mesure, un condensateur de référence et un condensateur étalon alimentés par et raccordés à un circuit électronique d'interprétation comportant des commutateurs pelmettant de charger et de décharger les condensateurs à une certaine fréquence ; un intégrateur auquel les charges du condensateur de mesure ou de référence peuvent être transmises et accumulées avant d'être déchargées dans la capacité étalon ; un comparateur pelinettant de comparer une valeur de sortie de l'intégrateur avec une valeur seuil ; un compteur ; et un processeur ou unité de calcul permettant de calculer le niveau de liquide dans un réservoir à selon la formule : h = [n réf,vide/(n réf`n réf,vide)] • [(n mes-n mes,vide)/n mes,vide], Où n sont les valeurs lues par le compteur respectivement pour la capacité du condensateur de référence à vide (n réfvide), pour la capacité du condensateur de référence immergé dans le carburant (n réf), pour la capacité du condensateur de mesure à vide (n mes,vide) et pour la capacité du condensateur de mesure au niveau de liquide à mesurer (n mes) ; le compteur étant un chronomètre permettant de mesurer le temps écoulé entre deux dépassements successifs de la valeur seuil. Cette jauge se distingue donc de celle de l'art antérieur précité par le fait que le compteur ne compte pas le nombre de dépassements de seuils sur une période donnée, mais seulement le temps écoulé entre 2 dépassements de seuils consécutifs. Le temps de mesure est donc le temps compris entre 2 dépassements de seuils, et non pas celui couvrant plusieurs dépassements de seuils ; il est donc nettement plus court. Cette jauge est de préférence conçue pour travailler comme suit : 1. au démarrage d'une mesure, le circuit électronique provoque le chargement du condensateur de mesure par une charge discrète donnée et ce moyennant une position correcte des commutateurs 2. la position des commutateurs est modifiée de manière à ce que la charge soit transmise à l'intégrateur, qui l'accumule 3. le comparateur compare une valeur de sortie de l'intégrateur (généralement sa tension) avec une valeur seuil (tension de référence) 4. les points 1 à 3 sont répétés de manière cyclique à une certaine fréquence vl (fréquence de charge) jusqu'à ce que la valeur de sortie de l'intégrateur soit supérieure à la valeur seuil 5. à ce moment là, le compteur est enclenché et l'intégrateur est déchargé à travers le condensateur étalon 6. les étapes 1 à 3 sont répétées de manière cyclique jusqu'à atteindre une deuxième fois la valeur seuil, moment où le compteur est arrêté 7. les étapes 1 à 6 sont répétées avec le condensateur de référence 8. l'unité de calcul détermine la valeur du niveau de liquide correspondant (h). 9. l'unité de calcul détermine le volume (V) de carburant dans le réservoir à l'aide d'une table de conversion volume/niveau, cette table étant adaptée à la forme du réservoir. Une telle table peut être établie par étalonnage de la jauge au moyen d'une série de mesures avec des quantités connues de liquide (carburant). Par jauge , on entend désigner un dispositif qui fournit un signal représentatif d'un niveau/volume de liquide dans un réservoir. Selon l'invention, ce dispositif est un dispositif électronique intégré, c'est-à-dire qu'il inclut un circuit électronique de traitement (ou d'interprétation) du signal émis par le dispositif de mesure, qui permet de déterminer le niveau du liquide dans le -4 réservoir. La jauge selon l'invention comprend un condensateur de mesure destiné à être placé sur toute la hauteur du réservoir et adapté pour que sa capacité varie de façon reproductible avec le niveau de liquide dans le réservoir ; un condensateur 5 de référence destiné à être disposé au fond du réservoir de manière à être toujours immergé ; et un condensateur étalon. Ces condensateurs peuvent être de toute type connu. Ils peuvent comprendre des armatures planes ou cylindriques dont la capacité est influencée par le milieu présent entre elles et ce par effet de surface. Alternativement et de 10 manière préférée, comprennent des électrodes interdigitées (imbriquées) qui interagissent par effet d'interférence, tel que décrit dans le brevet US 4,296,630. Ces électrodes sont apposées sur un support isolant et ont l'allure de circuits imprimés ; elles peuvent d'ailleurs être fabriquées par des procédés de fabrication similaires à ceux des circuits imprimés. 15 Par électrodes interdigitées , on entend désigner des électrodes ayant la forme de labyrinthes avec des boucles en forme de doigts imbriqués les uns dans les autres, et ce tel que décrit dans le brevet US susmentionné. Selon une variante particulièrement avantageuse, la jauge selon l'invention comprend une paire d'électrodes de mesure interdigitées, et une paire 20 d'électrodes de référence également interdigitées, constituant respectivement le condensateur de mesure et le condensateur de référence. La paire d'électrodes de ce dernier est de préférence située à une extrémité du support (celle qui sera déposée/fixée sur le fond du réservoir) de manière à assurer sa constante immersion dans le liquide présent dans le réservoir. La hauteur relative qu'elle 25 occupe dans le réservoir est de préférence faible par rapport à celle occupée par la paire d'électrodes de mesure, de manière à ce que celle-ci puisse être présente sur substantiellement toute la hauteur de liquide. De manière tout particulièrement préférée, les doigts des électrodes du condensateur de mesure s'étendent verticalement lorsque la jauge est placée dans 30 le réservoir de manière à obtenir un signal substantiellement linéaire en fonction du niveau de liquide à mesurer. De préférence, à la fois les boucles de l'électrode de mesure et de l'électrode de référence sont verticales lorsque la jauge est placée dans le réservoir. En outre, elles ont de manière avantageuse au moins une électrode en partie en commun. 35 Quant aux capacités étalon, ce sont des composants qui se trouvent sur circuit imprimé où figurent la capacité de mesure et la capacité de référence. -5 Selon une variante avantageuse de l'invention, la fréquence de comptage vZ est supérieure à la fréquence de charge vl et ce en vue d'augmenter la résolution de la jauge. Typiquement, vl est de l'ordre des centaines de kHz tandis que vz est de l'ordre des dizaines de MHz. A titre d'exemple, avec le système décrit dans la demande PCT susmentionnée, la période de mesure est typiquement de l'ordre de 600 ms, période au cours de laquelle le compteur a compté environ 2500 dépassements de seuils et au cours de laquelle l'intégrateur a reçu 600 ms/100 kHz = 0.6 x 105 = 60000 charges. Il en résulte une durée entre 2 dépassements de seuils de 600/2500 = 240 s, durée au cours de laquelle l'intégrateur a reçu 60000/2500 = 24 charges. Si, selon l'invention, on utilise le même système de charge mais on enclenche, après le ter dépassement de seuil, un compteur (chronomètre) qui travaille à une fréquence de l'ordre de 10 MHz (soit 0.1 s entre deux tops ), on obtient sur la période entre deux dépassements de seuil (qui reste de 240 s), 240/0.1 = 2400 coups au compteur. On obtient donc bien une résolution voisine (2400 par rapport à 2500 coups au compteur), puisque les divers incréments de charge à l'intégrateur ne sont pas vraiment discontinus et qu'ils sont nombreux (l'évolution de la valeur de sortie à l'intégrateur en fonction du temps étant une fonction ayant la forme d'un escalier avec 24 petites marches obliques, tendant donc en réalité vers une droite. Par contre, la période de mesure est nettement plus courte (de l'ordre des s au lieu des ms), d'où un temps de réponse de la jauge nettement amélioré. La jauge selon l'invention est de préférence reliée à un dispositif d'affichage de la valeur de niveau calculée par l'unité de calcul. De manière préférée, la jauge selon l'invention est conçue de manière à pouvoir fonctionner en permanence lorsqu' elle est alimentée en courant électrique. A cet effet, les étapes 1 à 9 sont répétées continuellement et de manière cyclique. Après chaque mesure, la valeur calculée par l'unité de calcul est transmise au dispositif d'affichage, qui la tient en mémoire et l'affiche jusqu'à la mesure suivante. Enfin.. l'invention concerne également l'utilisation d'une jauge telle que décrite précédemment comme jauge de niveau dans un réservoir à carburant, de préférence pour véhicule. Il s'agit de préférence d'une jauge avec unité de calcul telle que décrite ci-dessus. Elle fonctionne de préférence en continu tant qu'elle est alimentée en courant électrique, c'est-à-dire de préférence, tant que le moteur du véhicule tourne. REVENDICATIONS 1 - Jauge capacitive comprenant un condensateur de mesure, un condensateur de référence et un condensateur étalon alimentés par et raccordés à un circuit électronique d'interprétation comportant des commutateurs permettant de charger et de décharger les condensateurs à une certaine fréquence ; un intégrateur auquel les charges du condensateur de mesure ou de référence peuvent être transmises et accumulées avant d'être déchargées dans la capacité étalon ; un comparateur permettant de comparer une valeur de sortie de l'intégrateur avec une valeur seuil ; un compteur ; et un processeur ou unité de calcul permettant de calculer le niveau de liquide dans un réservoir à selon la formule : h = [n réfvide/(n réf -n réfvide)] • [(n mes-n mes,vide)/n mes,vide], où n sont les valeurs lues par le compteur respectivement pour la capacité du condensateur de référence à vide (n réfvide), pour la capacité du condensateur de référence immergé dans le carburant (n réf), pour la capacité du condensateur de mesure à vide (n mes,vide) et pour la capacité du condensateur de mesure au niveau de liquide à mesurer (n mes) ; caractérisé en ce que le compteur est un chronomètre permettant de mesurer le temps écoulé entre deux dépassements successifs de la valeur seuil. 2 - Jauge selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'elle est conçue pour travailler comme suit : 1. au démarrage d'une mesure, le circuit électronique provoque le chargement du condensateur de mesure par une charge discrète donnée et ce moyennant une position correcte des commutateurs 2. la position des commutateurs est modifiée de manière à ce que la charge soit transmise à l'intégrateur, qui l'accumule 3. le comparateur compare une valeur de sortie de l'intégrateur (généralement sa tension) avec une valeur seuil (tension de référence) 4. les points 1 à 3 sont répétés de manière cyclique à une certaine fréquence vl (fréquence de charge) jusqu'à ce que la valeur de sortie de l'intégrateur soit supérieure à la valeur seuil 5. à ce moment là, le compteur est enclenché et l'intégrateur est déchargé à travers le condensateur étalon 6. les étapes 1 à 3 sont répétées de manière cyclique jusqu'à atteindre une-7 deuxième fois la valeur seuil, moment où le compteur est arrêté 7. les étapes 1 à 6 sont répétées avec le condensateur de référence 8. l'unité de calcul détermine la valeur du niveau de liquide correspondant (h). 9. l'unité de calcul détermine le volume (V) de carburant dans le réservoir à l'aide d'une table de conversion volume/niveau, cette table étant adaptée à la forme du réservoir. 3 - Jauge selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les condensateurs comprennent des électrodes interdigitées (imbriquées) qui interagissent par effet d'interférence. 4 - Jauge selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les électrodes ont la forme de labyrinthes avec des boucles en forme de doigts imbriqués les uns dans les autres, et en ce que les doigts des électrodes du condensateur de mesure s'étendent verticalement lorsque la jauge est placée dans le réservoir. 5 - Jauge selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le chronomètre fonctionne à une fréquence v2 supérieure à la fréquence de charge vl. 6 - Jauge selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que : • elle est reliée à un dispositif d'affichage de la valeur du volume (V) de carburant calculée ; • elle est conçue de manière à travailler en continu lorsqu'elle est alimentée en courant électrique ; et après chaque mesure, la valeur (V) calculée est transmise au dispositif d'affichage qui la tient en mémoire et l'affiche jusqu'à la mesure suivante. 7 - Utilisation d'une jauge selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comme jauge de niveau dans un réservoir à carburant. 8 - Véhicule automobile comprenant un réservoir à carburant et une jauge selon la revendication 6 comme jauge de niveau de ce réservoir.