Brevet FR2892509A1 — publié le 20070427

Jauge capacitive pour réservoir à carburant La présente invention concerne une jauge capacitive pour réservoir à carburant ayant un circuit électronique et 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.C,,,eS où C111es 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.C117eS 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 rét-n réf,vide)] . [(n mes-n mes,v,ide)/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). On a observé que la précision d'une telle jauge est d'autant meilleure que la capacité du condensateur étalon est proche de celle du condensateur cible (condensateur de mesure ou condensateur de référence). Or, les carburants utilisés à l'heure actuelle ont des teneurs en méthanol variables de moins de 3% (pour les carburants de type "super" utilisés en Europe) à 100% (pour le méthanol pur utilisé au Brésil notamment). Etant donné que l'eau est soluble dans le méthanol, ces carburants peuvent aussi contenir une certaine quantité d'eau. Sachant que la constante diélectrique du carburant est de 1.6 au minimum, que celle du méthanol est voisine de 33 et que celle de l'eau est de 80, la capacité de mesure des jauges de l'art antérieur peut varier sur une gamme allant de 50 pF à 2500 pF environ. L'inconvénient de la jauge selon l'art antérieur précité réside dès lors dans le fait que la précision de mesure n'est bonne que pour une gamme restreinte de carburants. La présente demande vise à résoudre ce problème en fournissant une jauge capacitive universelle , qui permet de mesurer avec précision le niveau de carburant dans un réservoir quel que soit le type de carburant contenu dans ledit réservoir. A cet effet, la présente invention concerne une jauge capacitive pour réservoir à carburant comprenant un condensateur de mesure, un condensateur de référence et au moins un dispositif capacitif étalon, alimentés par et raccordés à un circuit électronique d'interprétation comportant des commutateurs permettant de charger et de décharger les condensateurs et le dispositif capacitif 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 le dispositif capacitif 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 ù [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 réf,vide), 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 dispositif capacitif étalon comprenant au moins deux condensateurs étalons avec des connexions électriques vers le condensateur de mesure. De préférence, ces condensateurs étalons ont une capacité couvrant une gamme de 500 pF à 25000 pF. Cette jauge se distingue donc de celle de l'art antérieur précité par le fait de disposer d'au moins deux condensateurs étalons pour la décharge du condensateur de mesure, ces capacités étant choisies de manière à fournir une mesure plus précise du niveau de carburant pour divers types de carburant. Dans le cadre de l'invention, par jauge , on entend désigner un dispositif qui fournit un signal représentatif d'un niveau de liquide dans un réservoir à carburant. 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 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 de référence destiné à être disposé au fond du réservoir de manière à être toujours immergé ; et un dispositif capacitif étalon comprenant au moins deux condensateurs étalons avec des connexions électriques vers le condensateur de mesure. Les condensateurs de référence et de mesure 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 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. 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 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 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 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. Les connexions électriques entre les électrodes des condensateurs selon cette variante de l'invention et le circuit électronique d'interprétation sont de préférence enrobées par le support isolant de manière à ne pas perturber la mesure. 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. Selon l'invention, les capacités étalons peuvent être spécifiques soit au condensateur de mesure, soit au condensateur de référence. Alternativement, les condensateurs de mesure et de référence peuvent avoir au moins une capacité étalon en commun, c'est-à-dire ; avoir des connexions électriques à la fois vers le condensateur de mesure et vers le condensateurs de référence. Selon la lere variante, le dispositif comprend avantageusement au moins 2 35 paires (4 condensateurs au total) de condensateurs étalons : 2 pour la décharge du condensateur de mesure (et donc, avec des connexions électriques vers celui-ci), -5 et 2 pour la décharge du condensateur de référence. De préférence, la jauge selon l'invention comprend au moins 6 condensateurs étalons : 3 reliés au condensateur de référence et 3 reliés au condensateur de mesure respectivement, et ce afin d'assurer une bonne précision de mesure sur toute la gamme de carburants. Selon la 2de variante, le dispositif capacitif peut comprendre au moins 2 condensateurs étalons reliés uniquement au condensateur de mesure, au moins 2 condensateurs étalon reliés uniquement au condensateur de référence et au moins 1 condensateur qui peut être relié tant au condensateur de mesure qu'au condensateur de référence. En pratique, un dispositif capacitif comprenant au moins 4 condensateurs étalons pouvant être connectés indifféremment au condensateur de mesure ou au condensateur étalon, convient bien. En particulier, un tel dispositif avec au moins 6 tels condensateurs étalons convient bien. La jauge selon l'invention comprend ou est reliée à un dispositif permettant au circuit électronique d'interprétation, de raccorder le condensateur de mesure - et le condensateur de référence le cas échéant -au condensateur étalon optimal (celui qui permet d'optimiser la précision de la mesure). Ce dispositif peut être actionné manuellement (à l'aide d'un bouton poussoir; d'une entrée manuelle sur un clavier ou un écran...) par une personne appropriée (constructeur automobile ; pompiste ; utilisateur du véhicule...). Alternativement et de manière préférée, ce dispositif fait partie intégrante du circuit électronique d'interprétation. A cet effet, celui-ci peut être conçu pour réaliser une première mesure du condensateur de référence en choisissant un condensateur étalon prédéterminé, de manière à évaluer grossièrement la constante diélectrique du carburant et pouvoir choisir le ou les condensateur(s) étalon(s) approprié(s) pour optimiser, lors d'une seconde mesure à la fois de ce condensateur étalon et du condensateur de mesure, la précision. Cette seconde mesure (précise) est de préférence réalisée 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 5 travers le condensateur étalon choisi 6. les étapes 1 à 3 sont répétées de manière cyclique à la fréquence vl 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 et son étalon propre, le cas échéant 10 8. l'unité de calcul détermine la valeur du niveau de liquide correspondant (h). Quant à la 1 ère mesure, nécessaire au choix du condensateur étalon approprié, celle-ci est de préférence réalisée en utilisant les étapes 1 à 6 décrites ci-dessus, et une étape 7'au cours de laquelle l'unité de calcul détermine le condensateur étalon approprié pour mesurer la capacité de mesure et 15 éventuellement également, celui le plus approprié pour la condensateur de référence. Selon cette variante de l'invention, le compteur est donc un chronomètre permettant de mesurer le temps écoulé entre deux dépassements successifs de la valeur seuil. Ce compteur travaille à une fréquence de comptage v2 qui n'est pas 20 forcément égale à la fréquence de charge vi. Selon une variante particulièrement avantageuse, la fréquence de comptage v2 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 v2 est de l'ordre des dizaines de MHz. En effet, avec le système décrit dans la demande PCT susmentionnée, la 25 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 cette 30 variante de 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 35 (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 5 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 10 électrique. A cet effet, les étapes 1 à 8 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 15 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. Dans le cas des réservoirs de véhicules automobiles, qui 20 peuvent présenter des formes diverses, souvent compliquées pour s'adapter à l'espace disponible sous le capot) de manière particulièrement avantageuse, l'unité de calcul applique une correction de la valeur calculée comme décrit précédemment, pour tenir compte de la forme du réservoir. Une telle correction peut être obtenue à l'aide d'une table établie par étalonnage de la jauge au moyen 25 d'une série de mesures avec des quantités connues de carburant. REVENDICATIONS 1 - Jauge capacitive pour réservoir à carburant comprenant un condensateur de mesure, un condensateur de référence et au moins un dispositif capacitif étalon, alimentés par et raccordés à un circuit électronique d'interprétation comportant des commutateurs permettant de charger et de décharger les condensateurs et le dispositif capacitif 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 le dispositif capacitif 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 ù [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 réf,vide), 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) ; caractérisée en ce que le dispositif capacitif étalon comprend au moins deux 20 condensateurs étalons avec des connexions électriques vers le condensateur de mesure. 2 - Jauge selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les condensateurs étalons couvrent une gamme de 500 à 25000 pF. 3 - Jauge selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comprend 25 au moins 3 condensateurs étalons avec des connexions électriques uniquement vers le condensateur étalon et au moins 3 condensateurs étalons avec des connexions électriques uniquement vers le condensateur de mesure. 4 - Jauge selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins 4 condensateurs étalons ayant des connexions électriques à la fois vers 30 le condensateur de mesure et vers le condensateur de référence.-9 - Jauge selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le dispositif capacitif comprend au moins 6 condensateurs étalons ayant des connexions électriques à la fois vers le condensateur de mesure et vers le condensateur de référence. 5 6 - Jauge selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend ou est reliée à un dispositif de raccordement permettant au circuit électronique d'interprétation, de raccorder le condensateur de mesure au condensateur étalon optimal. 7 - Jauge selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le 10 dispositif de raccordement est actionnable manuellement. 8 - Jauge selon la revendication 6, caractérisée en ce que le dispositif de raccordement est un dispositif électronique intégré au circuit électronique d'interprétation. 9 - Jauge selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'elle est 15 conçue pour fonctionner 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 20 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 25 supérieure à la valeur seuil 5. à ce moment là, le compteur est enclenché et l'intégrateur est déchargé à travers le condensateur étalon choisi 6. les étapes 1 à 3 sont répétées de manière cyclique à la fréquence vl jusqu'à atteindre une deuxième fois la valeur seuil, moment où le compteur est arrêté 30 7. les étapes 1 à 6 sont répétées avec le condensateur de référence et son étalon propre, le cas échéant 8. l'unité de calcul détermine la valeur du niveau de liquide correspondant (h). - Jauge selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'elle est- 10- conçue pour effectuer avant les étapes 1 à 8, une mesure du condensateur de référence en choisissant un condensateur étalon prédéterminé, de manière à évaluer grossièrement la constante diélectrique du carburant et choisir le ou les condensateur(s) étalon(s) approprié(s).