Brevet FR3001041A1 — publié le 20140718

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un capteur à ultra- sons comprenant une cible positionnée à un certain niveau et un contrôleur ainsi qu'un transducteur relié électriquement au contrôleur et générant un signal d'ultrasons pour recevoir le signal d'ultrasons réflé- chi par au moins la cible et une surface d'un fluide et générer un signal fondé sur la réflexion. Etat de la technique Les transducteurs à ultrasons servent à mesurer la dis- tance d'une surface d'un liquide. Dans certains cas, le transducteur est placé dans la partie haute d'un réservoir. Dans de nombreux cas, le réservoir est un réservoir de liquide (par exemple un réservoir de carburant d'un véhicule automobile, d'un camion ou autre véhicule). Le transducteur génère un signal d'ultrasons ; le temps mis par le signal pour aller du transducteur situé dans la partie haute du réservoir jus- qu'à la surface du liquide, être réfléchi par la surface du liquide et revenir dans le transducteur est mesuré. Si l'on connaît les informations relatives au réservoir tel que le volume, et les dimensions, on peut utiliser la mesure du temps pour calculer le volume de liquide dans le ré- servoir. Exposé et avantages de l'invention La présente invention a pour objet un capteur à ultra- sons comprenant une cible positionnée à un certain niveau et un contrôleur ainsi qu'un transducteur reliés électriquement au contrôleur et générant un signal d'ultrasons, pour recevoir le signal à ultrasons réflé- chi par au moins la cible et la surface d'un liquide et générer un signal fondé sur la réflexion, ce capteur étant caractérisé en ce que le contrôleur reçoit le signal et détermine si le niveau de la surface de liquide est l'un des niveaux suivants : au-dessus du niveau de la cible, en dessous du niveau de la cible ou essentiellement au même niveau que la cible. Ainsi, l'invention a pour objet un capteur à ultrasons pour mesurer un niveau de liquide ou une concentration de liquide. Le capteur est situé dans la partie haute du réservoir. Le capteur à ultrason se compose d'une cible, d'un transducteur et d'un contrôleur tel qu'un microcontrôleur ou autres contrôleur avec un processeur. La cible est située à un niveau prédéterminé. Le transducteur est relié électriquement au contrôleur. Le contrôleur et le transducteur font, de manière générale, partie d'une unité bien que le contrôleur puisse être distinct du transducteur. Le transducteur génère un signal d'ultrasons et reçoit les échos du signal d'ultrasons renvoyés par la cible et la sur- face de liquide pour générer un signal fondé sur ces échos. Le contrôleur reçoit le signal du transducteur et détermine si le niveau de la surface de liquide est au-dessus du niveau de la cible, en-dessous de ce niveau ou pratiquement au même niveau que celui de la cible. Contrairement aux capteurs à ultrasons de l'état de la technique, le capteur à ultrasons selon l'invention utilise un unique transducteur au lieu de deux ou plusieurs transducteurs. Cet unique transducteur fournit moins d'informations que deux ou plusieurs transducteurs. Il est important lorsqu'on utilise un unique transduc- teur que l'on rencontre des cas dans lesquels il n'est pas possible d'effectuer certains calculs ou déterminer certaines conditions car l'unique transducteur ne donne pas une information suffisante. Le contrôleur relié à l'unique transducteur compense ces inconvénients du transducteur unique. Suivant une autre caractéristique le contrôleur génère un signal de niveau ou un signal de concentration ou un signal de niveau et un signal de concentration. Suivant une autre caractéristique le contrôleur fonc- tionne dans l'un des trois modes correspondant au niveau déterminé de la surface. Suivant une autre caractéristique le contrôleur détermine si le premier et le second écho sont reçus par le transducteur. Suivant une autre caractéristique le contrôleur détermine si l'un ou les deux (premier et second) échos sont reçus dans une fe- nêtre de temps de référence. Suivant une autre caractéristique si l'un ou les deux (premier et second) échos sont reçus dans la première fenêtre de temps de référence, le contrôleur génère un signal de sortie indiquant que le niveau de la surface est proche ou pratiquement identique au niveau de la cible, et si le premier écho est inférieur à la première fenêtre de temps de référence, le contrôleur génère un signal de sortie indiquant que le niveau de la surface est en-dessous du niveau de la cible. Suivant une autre caractéristique le capteur à ultrasons comprenant : - une cible positionnée à un certain niveau, - un contrôleur et un unique transducteur reliés électriquement au contrôleur et générant un signal d'ultrasons, recevant le signal d'ultrasons réfléchi par au moins la cible et la surface du liquide et générant un signal fondé sur cette réflexion, - le contrôleur reçoit le signal et détermine si le niveau de la surface de liquide est l'un des niveaux suivants : au-dessus du niveau de la cible, en-dessous du niveau de la cible ou essentiellement au même niveau que la cible. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un capteur à ultrasons représenté dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est le schéma d'un capteur à ultrasons installé au fond d'un réservoir contenant un liquide, - la figure 2 est un schéma par blocs du capteur à ultrasons de la figure 1, - la figure 3 est un tableau représentant la vitesse en fonction de la température pour différentes concentrations de liquide, - la figure 4 est un ordinogramme du procédé appliqué par le contrô- leur du capteur à ultrasons. Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 montre un capteur à ultrasons 10 qui fournit des informations concernant le niveau, la concentration ou ces deux caractéristiques d'un liquide. Dans le mode de réalisation représenté, le capteur est installé au fond d'un réservoir 12 contenant un liquide 14 tel qu'un liquide de traitement des gaz d'échappement de moteur Diesel (encore appelé « liquide DEF »). Ce liquide est connu par exemple sous la marque "AdBlue". Le liquide 14 a une surface supérieure 15. Le ni- veau de la surface 15 varie en fonction du temps, suivant la consomma- tion de liquide par exemple dans le cas d'un liquide utilisé dans le système de traitement de gaz d'échappement. Le capteur de niveau et/ou de concentration 10 à ultrasons comporte un boîtier 16, un transducteur piézoélectrique 18 et un point de référence ou cible 20. La cible se situe à un niveau prédéterminé (portant la référence PL à la figure 1). Dans le mode de réalisation représenté, le capteur 10 comporte un circuit imprimé 22 avec une thermistance et autres composants d'un contrôleur. Ces composants seront détaillés ci-après. Le signal du contrôleur (qui peut être amplifié ou traité d'une autre manière par un circuit pilote) est fourni au transducteur 18. Le transducteur 18 génère une onde d'ultrasons qui se propage à travers le liquide 14. Une partie de l'onde sonore (représenté par un trait interrompu 23) traverse le liquide 14 pour atteindre la cible 20 alors qu'une autre partie de l'onde sonore (représentée par la ligne interrompue 24) se propage dans le li- guide 14 et arrive sur la surface 15. Au moins une partie de l'onde so- nore (représentée en traits interrompus 25) est réfléchie par la cible 20 pour revenir sur le transducteur 18 sous la forme d'un écho. Une autre partie de l'onde sonore (représentée par le trait interrompu 26) est réfléchie par la surface 15 vers le transducteur 18 sous la forme d'un écho. En réponse aux signaux réfléchis ou échos, le transducteur 18 génère un signal électrique qui est transmis au circuit 22. Le signal du transducteur 18 est traité dans le contrôleur qui génère par exemple un signal indiquant le niveau de liquide 14 dans le réservoir 12. La figure 2 montre certains composants électriques du capteur 10 y compris les composants installés sur le circuit imprimé 22. Dans le mode de réalisation représenté, le circuit 22 comporte une thermistance 30. Le circuit comporte également un pilote de tension 32, un circuit de conditionnement de signal 34, un contrôleur 36 (sous la forme par exemple d'un microcontrôleur), un pilote de sortie 38 et un circuit de régulation de puissance 40. Le contrôleur comporte ou est relié à une mémoire telle qu'une mémoire RAM ou ROM et applique le programme enregistré dans la mémoire RAM (pendant l'exécution) la mémoire ROM (de façon générale permanente) ou autres supports non volatiles, lisibles par un ordinateur tel qu'un autre type de mémoire ou indice. Si nécessaire, le contrôleur est relié de façon que la mémoire ou le pilote de disque puissent lire le programme. On peut également utiliser un microprocesseur ou autres dispositifs programmables avec une mémoire appropriée et un dispositif entrée/sortie. L'information de température de la thermistance 30 (ou autres capteurs de température) est fournie au contrôleur 36 qui l'utilise pour compenser les variations de la vitesse du son liées aux variations de température. De façon normale ou programmé d'une autre manière, le contrôleur génère un signal de commande de transducteur fourni au pilote de tension 32. Le pilote de tension 32 amplifie ou condi- tionne le signal de commande reçu du contrôleur 36 et fournit le signal amplifié au transducteur 18. Lorsque le transducteur 18 reçoit le signal amplifié, et génère une onde sonore de sortie et plus particulièrement une onde d'ultrasons. En plus de générer des ondes sonores, le transducteur 18 répond aux ondes sonores (tels que les signaux réfléchis ou échos) en convertissant ces ondes sonores reçues en des signaux élec- triques (appelés « signaux de réflexion »). De tels signaux sont conditionnés par le circuit de conditionnement de signal 34 pour être fourni au contrôleur 36. En réponse au signal réfléchi, le contrôleur 36 génère un signal de sortie indiquant le temps écoulé entre le moment où le transducteur 18 émet son signal d'ultrasons (en fonction du signal de commande du transducteur) et le moment où le transducteur 18 reçoit le signal d'ultrasons réfléchi (se traduisant par la génération d'un signal de réflexion). La réflexion produit le mouvement du transducteur (qui est un élément piézoélectrique) et ce mouvement est transformé en un signal électrique. Le « temps de vol » c'est-à-dire le temps entre l'émission de l'onde ultrasonore et la réception de l'onde réfléchie ou écho) ainsi que la vitesse du son dans le liquide 14 du réservoir servent à déterminer la distance entre le capteur 10 et la surface supérieure 15. En d'autres termes, on détermine la hauteur ou le niveau du liquide 14 dans le réservoir. Le temps entre l'émission de l'impulsion ultrasonore et la réception de l'écho est proportionnel à la distance de cheminement de l'onde sonore à travers le liquide selon l'équation suivante : distance = (vitesse du son) x (temps de vol)/2. En utilisant d'autres informations disponibles et pro- grammées dans le contrôleur 36, et la mesure de distance ou détermine le volume de liquide 14 dans le réservoir 12. Dans certains cas, le contrôleur 36 module le niveau de puissance de l'onde sonore de sortie émise par le transducteur 18 pour minimiser le niveau de puissance pour recevoir l'écho. En modulant le niveau de puissance, on obtient des échos multiples qui ne sont pas influencés par le temps de vol. La vitesse du son dans le liquide 14 se détermine en utilisant la réflexion de l'onde sonore par le point de référence ou cible 20. La vitesse du son dans le liquide 14 est proportionnelle à la distance parcourue par l'onde sonore et le temps de vol. Comme la cible 20 est à une distance connue du transducteur 18, on connaît la distance par- courue par l'onde sonore. Le temps de vol du signal réfléchi se détermine comme indiqué ci-dessus. C'est pourquoi la vitesse du son dans le liquide 14 s'obtient par l'équation suivante : vitesse du son = 2 x (distance(/(temps de vol). Le contrôleur 36 détermine la concentration de liquide 14 en utilisant la vitesse calculée du son et la température du liquide 14. La température du liquide 14 s'obtient à partir d'informations fournies par la thermistance 30. Le contrôleur 36 applique la vitesse calculée du son et la température prédéterminée à un tableau ou un diagramme comme celui présenté à la figure 3. Le capteur 10 fonctionne selon trois modes indépendants suivant le niveau de liquide 14 dans le réservoir 12 en liaison avec le niveau de la cible 20. En particulier, selon la configuration du capteur 10, la surface supérieure 15 du liquide 14 peut se situer dans l'une des trois positions générales suivantes (ou niveaux) dans le réservoir 12. - En premier lieu, le niveau de la surface supérieure 15 du liquide 14 est au-dessus de la cible 20. - En second lieu le niveau de la surface supérieure 15 du liquide 14 est proche ou pratiquement identique au niveau de la cible 20. - En troisième lieu, le niveau de la surface supérieure 15 du liquide 14 est en-dessous du niveau de la cible 20. Le contrôleur 36 fonctionne selon les trois modes correspondant aux trois cas décrits ci-dessus. Si le capteur 10 reçoit deux échos distincts, on suppose que le niveau du liquide 14 est au-dessus du niveau PL de la cible 20. L'écho reçu par le transducteur 18 se détermine en utilisant la vitesse du son calculée (à partir de l'écho renvoyé par la cible 20) avec le temps de vol de l'écho provenant de la surface supérieure 15. Le niveau se détermine en utilisant l'équation décrite ci-dessus : distance = (vitesse du son) x (temps de vol)/2. Si le capteur 10 reçoit un ou deux échos dans la première fenêtre de temps de référence, le niveau de la surface supérieure 15 est voisin ou pratiquement le même que le niveau PL de la cible 20. C'est pourquoi le niveau de la surface supérieure 15 est considéré alors comme étant égal à la distance entre la cible 20 et le capteur 10. Si le premier écho reçu est à l'extérieur de la première fenêtre de temps de référence ou plus particulièrement s'il est reçu à un instant qui est en de ça de la limite basse de la première fenêtre de temps de référence, le niveau de la surface supérieure 15 est situé en- dessous de celui de celui de la cible 20. Une façon simple d'indiquer que l'écho est reçu à un instant en-dessous de la limite inférieure de la fenêtre de temps de référence consiste à dire que « l'écho est en dessous de la fenêtre ». Le niveau de la surface supérieure 15 se détermine alors en utilisant la vitesse sonore supposée, plutôt que la vitesse sonore cal- culée. Si le premier écho est reçu dans un intervalle de temps écoulé inférieur à la limite inférieure de la première fenêtre de temps de référence, on ne peut déterminer la concentration de liquide 14. La figure 4 est un ordinogramme montrant le fonction- nement du programme exécuté par le contrôleur 36. Le procédé 100 commence par le transducteur 18 qui émet un signal d'ultrasons sous la forme d'une onde sonore (étape 105). Le transducteur 18 reçoit ensuite un ou deux échos de l'onde sonore (étape 110). Le contrôleur 36 détermine si le transducteur 28 (étape 115) a reçu deux échos distincts. S'il n'y a pas eu réception de deux échos distincts par le transducteur 28, le contrôleur 36 détermine si l'écho reçu se situe dans la première fenêtre de temps de référence (étape 120). Si l'écho reçu n'est pas dans la première fenêtre de temps de référence, le contrôleur 36 détermine le niveau de la surface supérieure 15 en se fondant sur la vitesse supposée du son (étape 125). Si l'écho reçu est dans la première fenêtre de temps de référence, le contrôleur 36 détermine que le niveau de la surface supérieure 15 est égal à la distance à la cible 20 (étape 130). Si le contrôleur 36 détermine que le transducteur 28 a reçu deux échos distincts, alors le contrôleur détermine si le premier écho reçu se situe dans la première fenêtre de référence (étape 135). Si le premier écho reçu est à l'extérieur de la première fenêtre de référence, le contrôleur 36 enregistre un défaut (étape 140). Si le premier écho reçu est dans la première fenêtre de référence, le contrôleur 36 détermine si le second écho reçu est dans la seconde fenêtre de référence (étape 145). Si le second écho reçu est à l'extérieur de la seconde fenêtre de référence, le contrôleur 36 enregistre un défaut (étape 150). Si le second écho reçu est dans la seconde fenêtre de référence, le contrôleur 35 détermine la vitesse du son dans le liquide 14 en utilisant le temps de vol du premier écho (étape 155). Le contrôleur 35 détermine ensuite le ni- veau de la surface 15 en utilisant la vitesse calculée du son dans le li- quide 14 et le temps de vol du second écho (étape 160). Le contrôleur 35 génère un signal de sortie qui peut être sous forme numérique ou analogique. Le signal de sortie est une représentation de la concentration (on peut également l'appeler « signal de concentration »), une température (on peut également l'appeler « signal de température ») ou un niveau (on peut ainsi appeler celui-ci « signal de niveau ») du liquide 14. Le signal de sortie peut être représentatif de l'information concernant la combinaison de la concentration de la température et/ou du niveau. Par exemple la concentration est dans un premier groupe de bits ou un mot et le niveau est dans un second groupe de bits ou mot. Comme indiqué ci-dessus, la concentration se détermine en utilisant un tableau enregistré dans une mémoire en se fondant sur une information comme par exemple représentée à la figure 3. La température, comme cela est expliqué ci-dessus, se détermine à partir de l'information fournie par la thermistance. Le niveau du liquide 14 se détermine également comme indiqué ci-dessus. Le contrôleur peut être configuré par exemple par un programme pour fournir une ou trois concentration de fluide, de température et de niveau dans le signal de sortie. Le signal de sortie est fourni au pilote de sortie 38 qui trans- fère les mesures vers un contrôleur externe gérant et contrôlant le fonc- tionnement du système de nettoyage du gaz d'échappement du moteur du véhicule. Le pilote de sortie 38 peut se présenter sous la forme d'un pilote numérique qui fournit en sortie un signal compatible par exemple selon la norme J1939 ou pour le bus CAN. Ainsi configuré, le pilote de sortie 38 communique directement avec le bus de données du véhicule. Le pilote de sortie 38 peut également générer un autre signal analogique ou numérique approprié selon les besoins des applications spécifiques. Ainsi, l'invention a pour objet un capteur pour mesurer une température, un niveau ou une concentration de liquide tel que du liquide de traitement des gaz d'échappement d'un moteur Diesel.15 NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX 10 Capteur à ultrasons 12 Réservoir 13 Vitesse du son (m/s) 14 Liquide 15 Surface supérieure du liquide 16 Boîtier 18 Transducteur piézoélectrique 20 Point de référence/Cible 22 Circuit imprimé 23, 24, 25 ,26 Chemins de l'onde sonore 30 Thermistance 32 Pilote de tension 34 Circuit de conditionnement 34 Conditionnement du signal 36 Contrôleur 38 Pilote de sortie 40 Circuit de régulation de puissance 100 Ordinogramme d'un procédé 105 Trait d'union 160 Etape du procédé25 REVENDICATIONS1°) Capteur à ultrasons comprenant une cible positionnée à un certain niveau et un contrôleur ainsi qu'un transducteur relié électriquement au contrôleur et générant un signal d'ultrasons pour recevoir le signal d'ultrasons réfléchi par au moins la cible (20) et la surface (15) d'un li- quide pour générer un signal fondé sur la réflexion, capteur caractérisé en ce que le contrôleur (36) reçoit le signal et détermine si le niveau de la surface de liquide (15) est l'un des niveaux suivants : au-dessus du niveau de la cible (20), en dessous du niveau de la cible (20) ou essentiellement au même niveau que la cible (20). 2°) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le contrôleur (36) génère un signal de niveau ou un signal de concentra- tion ou un signal de niveau et un signal de concentration. 3°) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le contrôleur (36) fonctionne dans l'un des trois modes correspondant au niveau déterminé de la surface. 4°) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le contrôleur (36) détermine si le premier et le second écho sont reçus par le transducteur. 5°) Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le contrôleur détermine si l'un ou les deux (premier et second) échos sont reçus dans une fenêtre de temps de référence. 6°) Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce quesi l'un ou les deux (premier et second) échos sont reçus dans la première fenêtre de temps de référence, le contrôleur (36) génère un signal de sortie indiquant que le niveau de la surface est proche ou pratiquement identique au niveau de la cible (20), et si le premier écho est inférieur à la première fenêtre de temps de réfé- rence, le contrôleur (36) génère un signal de sortie indiquant que le niveau de la surface est en-dessous du niveau de la cible (20). 7°) Capteur à ultrasons comprenant : - une cible (20) positionnée à un certain niveau, - un contrôleur (36) et un unique transducteur reliés électriquement au contrôleur et générant un signal d'ultrasons, recevant le signal d'ultrasons réfléchi par au moins la cible (20) et la surface (15) du liquide et générant un signal fondé sur cette réflexion, - le contrôleur reçoit le signal et détermine si le niveau de la surface de liquide est l'un des niveaux suivants : au-dessus du niveau de la cible (20), en-dessous du niveau de la cible (20) ou essentiellement au même niveau que la cible (20).20