Brevet FR3031176A1 — publié le 20160701

Dispositif de mesure optique d'un niveau de liquide L'invention concerne un dispositif de mesure absolue de niveau de liquide, et plus particulièrement un dispositif de mesure optique absolue d'un niveau de liquide destiné à être utilisé dans un conteneur. Le niveau de liquide dans un conteneur, un réservoir, ou une citerne, est généralement mesuré pour déterminer la quantité de liquide contenu dans un tel contenant. Différents dispositifs sont connus pour réaliser de telles mesures. Un procédé de mesure connu consiste à mesurer de manière analogique la distance relative entre un flotteur positionné à la surface d'un liquide et un point fixe du conteneur. Cette mesure de distance relative exploite des phénomènes physiques tels que le temps de propagation d'une onde acoustique, électromagnétique ou autre. L'inconvénient de tels procédés connus est que cette vitesse de propagation dépend à son tour des conditions physiques du milieu, comme la température ou la densité du milieu, qui influent sur la vitesse de propagation de l'onde. Il en résulte un premier niveau d'incertitudes de mesure difficiles à maîtriser. De plus, de tels procédés mettent en oeuvre de manière native des mesures analogiques, toujours entachées intrinsèquement de bruit de mesure, augmentant au final les incertitudes sur la mesure. Il est également connu du document EP 0 303 221 un dispositif de mesure optique d'un niveau liquide dans un conteneur comprenant un laser, un flotteur sur lequel sont montés des moyens réfléchissants et un capteur photosensible apte à mesurer le temps de trajet du faisceau laser émis, le niveau de liquide étant déterminé à partir de la durée du trajet du faisceau laser émis. Il est aussi connu du document WO 82/04316 un dispositif de mesure optique d'un niveau de liquide comprenant un laser et un interféromètre apte à recevoir le faisceau laser réfléchi par des moyens réfléchissants montés sur un flotteur agencé dans un tube de guidage, qu'on nomme tube « tranquilisateur ». Le dispositif réalise ici la 3031176 2 mesure du niveau à partir des interférences entre le faisceau émis et le faisceau reçu. Il est aussi connu un procédé de mesure du niveau utilisant une mesure de variation de capacité. La mesure de variation de capacité 5 exploite le rôle de condensateur joué par le liquide lui-même. Les procédés de mesure décrits ci-dessus sont basés sur des phénomènes physiques analogiques qui sont toujours entachés de bruit de mesure augmentant l'imprécision des valeurs absolues. De tels dispositifs utilisant les procédés mentionnés ci-dessus ne permettent 10 pas d'obtenir une mesure absolue du niveau, mais seulement une mesure relative du niveau. L'invention a pour objectif de pallier ces inconvénients en proposant un dispositif de mesure numérique et absolue, indépendant des conditions physiques du milieu. 15 Selon un aspect de l'invention, il est proposé un dispositif de mesure optique absolue d'un niveau de liquide dans un conteneur, comprenant un support, un axe de guidage vertical transparent, un flotteur mobile apte à coulisser le long de l'axe de guidage selon le niveau du liquide, une source lumineuse et un capteur photosensible, 20 et des moyens de traitement aptes à commander la source lumineuse et à déterminer le niveau de liquide dans le conteneur à partir du faisceau reçu par le capteur photosensible. Selon une caractéristique générale de l'invention, la source lumineuse et le capteur photosensible sont montés sur le flotteur de 25 part et d'autre de l'axe de guidage et l'axe de guidage comprend une mire disposée sur le trajet du faisceau lumineux entre la source lumineuse et le capteur photosensible La mire graduée supportée par l'axe de guidage permet de fournir une mesure absolue. La mesure est absolue en ce que le niveau 30 du liquide est directement lu sur la mire, et ne dépend pas du milieu environnant. En effet, la mesure ne dépend pas d'un calcul de temps de trajet du faisceau lumineux ou de la réfraction du faisceau par le milieu liquide. 3031176 3 La mire graduée supporte l'information de mesure du niveau du flotteur. La précision de la mesure dépend alors principalement de la finesse du marquage de la mire optique et du bon maintien du flotteur sur le guide vertical. 5 Le maintien du flotteur sur le guide vertical est obtenu en minimisant le jeu mécanique assurant la perpendicularité du flotteur par rapport au guide vertical. De préférence, le flotteur comprend un orifice apte à recevoir l'axe de guidage vertical de manière à laisser coulisser le flotteur le 10 long de l'axe de guidage. Le flotteur est ainsi maintenu dans la direction verticale de l'axe de guidage. L'orifice peut comprendre des dimensions permettant de minimiser le jeu entre le flotteur et l'axe de guidage de sorte que les frottements sont suffisamment minimes pour permettre le 15 coulissement du flotteur le long de l'axe de guidage, et de sorte que l'angle de déviation permis du flotteur par rapport au plan orthogonal à l'axe de guidage soit le plus petit possible, par exemple inférieur à 0,10. Dans un mode de réalisation, le flotteur peut comprendre des 20 dispositifs de roulements disposés sur une portion du flotteur en regard de l'axe de guidage, c'est-à-dire sur la surface interne du flotteur définissant l'orifice au travers duquel l'axe de guidage coulisse. Le dispositif peut comprendre en outre un tube 25 « tranquilisateur » à l'intérieur duquel sont disposés le flotteur et l'axe de guidage, le tube « tranquilisateur » étant configuré pour permettre au liquide d'entrer et de sortir du tube. Le tube « tranquilisateur » permet de réduire l'impact direct sur le flotteur des perturbations à la surface du liquide. 30 Le dispositif de mesure absolue peut avantageusement comprendre un raccord mécanique apte à solidariser une extrémité inférieure de l'axe de guidage avec le fond du conteneur et à maintenir l'axe de guidage selon une direction verticale, le support étant fixé à une extrémité supérieure de l'axe de guidage. 3031176 4 Le raccord mécanique permet ainsi de s'affranchir d'erreurs de mesure générées par une déviation de l'axe de guidage par rapport à la direction verticale. Le dispositif est préférentiellement monté à une position qui 5 comprend le centre de gravité du conteneur afin que la mesure soit indépendante de l'inclinaison du conteneur. La mire comprend de préférence une graduation codée numériquement de manière à permettre une lecture numérique absolue à partir du signal lumineux reçu résultant de l'interaction du faisceau 10 lumineux avec la mire optique graduée. Le signal lumineux reçu comprend des signaux lumineux représentant des bits de données. Dans un mode de réalisation, la mire comprend des échelons de niveau comportant chacun un code horizontal binaire distinct, tel qu'un code de Gray, composé de n bits, que le faisceau lumineux de la 15 source lumineuse balaye horizontalement. Pour balayer horizontalement le code horizontal binaire, la source lumineuse peut avantageusement comprendre une série de dispositifs émetteurs de lumière, notamment des diodes électroluminescentes, régulièrement espacés disposés horizontalement, 20 c'est-à-dire selon une direction parallèle à une surface du flotteur sur laquelle est montée la source lumineuse, le nombre de dispositifs émetteurs de lumière correspondant au nombre de bits du code horizontal binaire d'un échelon de niveau de la mire. Les diodes de la source lumineuse sont successivement 25 allumées et éteintes de manière à produire un faisceau lumineux balayant horizontalement toute la largeur de la mire et ainsi lire au moins une fois tout le code horizontal binaire de la graduation correspondante au niveau auquel le flotteur se situe. Le balayage lumineux de la mire étant réalisé à partir d'un 30 chenillard de diodes électroluminescentes disposées côte à côte et orientées chacune vers la mire, et notamment vers un bit d'un échelon de niveau de la mire, aucun dispositif optique de convergence du faisceau transmis par la mire n'est nécessaire pour que le capteur photovoltaïque capture le faisceau lumineux. 3031176 5 La réalisation d'une pluralité de lectures successives à partir de plusieurs balayages horizontaux successifs permet de s'affranchir des oscillations du flotteur provoquées par les ondulations à la surface du liquide, le balayage permettant par exemple de réaliser une moyenne 5 du niveau lu. Avantageusement, le dispositif peut comprendre une fente horizontale s'étendant dans un plan parallèle au plan comprenant la surface du flotteur sur laquelle est disposée la source lumineuse, la fente étant montée entre la source lumineuse et la mire. 10 La fente horizontale possède de préférence une hauteur correspondant à un échelon de niveau de la mire. L'ajout d'une fente horizontale entre la source lumineuse et la mire permet d'augmenter la précision de la mesure et de s'affranchir d'une part de la hauteur du faisceau lumineux et d'autre part des 15 variations d'inclinaison du flotteur générées par les ondulations à la surface du liquide. Chaque bit de la mire est préférentiellement codé par une zone absorbant la lumière ou une zone transparente laissant passer la lumière. 20 La mire comporte donc des bits codés par des zones absorbant la lumière (par exemple valeur "1") ou des zones transparentes laissant passer la lumière (par exemple valeur "0"). Avantageusement, le support peut comprendre un bloc d'alimentation électrique, l'axe de guidage comprend des rails 25 conducteurs couplés au bloc d'alimentation et s'étendant le long de l'axe de guidage, et le flotteur comprend des éléments de contact électrique montés en regard des rails conducteurs de l'axe de guidage, les éléments de contact électrique étant configurés pour être en contact avec les rails conducteurs et étant couplés à la source lumineuse, au 30 capteur photovoltaïque et aux moyens de traitement disposés sur le flotteur. Les rails conducteurs et les éléments de contact électrique permettent ainsi d'acheminer l'énergie électrique du bloc d'alimentation couplé à un réseau d'alimentation externe jusqu'aux 3031176 6 dispositifs électroniques montés sur le flotteur et ainsi permettre leur fonctionnement pour réaliser une mesure. Le contact électrique entre les éléments de contact électrique et les rails conducteurs peuvent être réalisés par frottement ou par 5 roulement. Les éléments de contact électrique peuvent être par exemple des balais conducteurs aptes à réaliser un contact électrique par frottement sur les rails conducteurs ou bien des poulies roulant le long de tiges conductrices réalisant la fonction de rail conducteur. Le dispositif peut également comprendre un module de 10 communication couplé au support et configuré pour être couplé à un appareil externe, les éléments de contact électrique et les rails conducteurs étant configurés pour transmettre les données captées par le capteur photovoltaïque au module de communication. Les rails conducteurs peuvent ainsi être utilisés également 15 comme transmetteur de données. Il peut y avoir un groupe d'au moins un rail dédié à l'alimentation électrique des dispositifs électroniques et un groupe d'au moins un rail dédié à la transmission des données relatives aux mesures. En variante, chaque rail peut à la fois transporter de l'énergie 20 électrique d'alimentation et des données relatives aux mesures, comme pour du courant porteur. Avantageusement, les moyens de traitement peuvent comprendre un module de correction apte à appliquer un facteur de correction à la mesure réalisée en fonction de la densité du liquide 25 dans le conteneur de manière à compenser le décalage d'altitude constant selon la masse volumique du liquide selon la loi d'Archimède. Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un conteneur comprenant un dispositif de mesure optique absolue tel que 30 défini ci-dessus. Selon encore un autre aspect de l'invention, il est proposé un véhicule citerne comprenant au moins un conteneur tel que défini ci-dessus. 3031176 7 D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention nullement limitatif, et des dessins annexés, sur lesquels : 5 - la figure 1 représente, de manière schématique, un dispositif de mesure optique absolue à balayage selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 représente une vue de dessus d'un flotteur et d'un axe de guidage du dispositif illustré sur la figure 1 ; 10 - la figure 3 illustre schématiquement un exemple de réalisation d'une source lumineuse du dispositif de la figure 1. Sur la figure 1 est représenté de manière schématique, un dispositif 1 de mesure optique absolue d'un niveau de liquide L dans un conteneur C selon un mode de réalisation. 15 Une paroi supérieure Cs et une paroi inférieure C/ du conteneur C sont représentées sur la figure 1. Le dispositif 1 de mesure optique absolue comprend un support 2 apte à être fixé sur la paroi supérieure Cs d'un conteneur C. Le support 2 peut être fixé de manière réversible pour pouvoir retirer le dispositif 1 en cas de maintenance. 20 Le dispositif 1 comprend un axe de guidage 3 vertical dont une extrémité supérieure 3s est raccordée mécaniquement au support 2. L'axe de guidage 3 possède une hauteur inférieure à la distance séparant la paroi supérieure Cs de la paroi inférieure C/. Le support 2 comprend un bloc d'alimentation 4 couplé à un 25 réseau d'alimentation extérieur via un câble électrique 15. Le bloc d'alimentation 4 est configuré pour délivrer un courant d'alimentation électrique au dispositif 1. Le dispositif 1 comprend en outre un raccord 5 mécanique rigide fixé d'une part à la paroi inférieure Ci du conteneur C et, 30 d'autre part, à une extrémité inférieure 3i de l'axe de guidage. Le raccord mécanique 5 est configuré pour maintenir l'axe de guidage 3 dans un axe vertical. Le dispositif 1 comprend également une source lumineuse 6 et un capteur photosensible 7 couplés à des moyens de traitement 8. Les 3031176 8 moyens de traitement 8 sont électriquement raccordés à la source lumineuse 6 et au capteur photosensible 7 pour piloter l'émission d'un faisceau lumineux et recevoir le signal correspondant via le capteur photosensible 7. Les moyens de traitement 8 sont configurés pour 5 traiter les signaux ainsi reçus. Comme illustré sur la figure 2 qui présente une vue de dessus du dispositif 1 de la figure 1, le dispositif 1 de mesure optique comprend aussi un flotteur 9 comportant un orifice 10 central. L'orifice 10 est apte à recevoir l'axe de guidage 3 de manière à 10 permettre le coulissement du flotteur 9 le long de l'axe de guidage 3 en fonction du niveau de la surface du liquide L dans le conteneur C. La source lumineuse 6, le capteur photovoltaïque 7 et les moyens de traitement 8 sont montés sur une surface 9s du flotteur 9 en regard du support 2, c'est-à-dire la surface 9s supérieure du flotteur 9 15 en regard de la paroi supérieure du conteneur Cs. L'axe de guidage 3 comprend en outre une mire optique 11 graduée ainsi qu'une fente 12 horizontale, c'est-à-dire s'étendant dans un plan parallèle au plan de la surface 9s du flotteur 9 sur laquelle sont montés la source lumineuse 6 et le capteur photovoltaïque 7. La 20 fente horizontale 12 est montée sur le trajet du faisceau lumineux émis par la source lumineuse 6 vers le capteur photovoltaïque, entre la source lumineuse 6 et la mire 11. La mire optique graduée 11 peut être réalisée sur une plaque apposée sur l'axe de guidage 3. La mire 11 comprend des niveaux 25 comportant chacun un code horizontal binaire distinct. Chaque code horizontal binaire comporte un même nombre de bits horizontaux définissant l'altitude absolue d'une extrémité du niveau correspondant. Comme cela est illustré sur la figure 3, la source lumineuse 6 comprend une pluralité de diodes électroluminescentes 60. Les diodes 30 électroluminescentes 60 sont alignées les unes à côtés des autres de manière à former chenillard lumineux. Pour lire un échelon de niveau de la mire, les moyens de traitement 8 commandent l'allumage successif des diodes électroluminescentes 60 de la source lumineuse 6. La source lumineuse 6 délivre ainsi un faisceau lumineux en direction 3031176 9 du capteur photovoltaïque 7 passant par la fente 12 puis la mire graduée 11, le faisceau lumineux se déplaçant latéralement de manière à parcourir tous les bits du code d'un échelon de niveau de la mire optique graduée 11. Le faisceau lumineux se déplace dans un plan 5 parallèle à la surface 9s du flotteur 9 sur laquelle la source lumineuse 6 et le capteur photovoltaïque 7 sont montés et dans une direction parallèle à la direction principale dans laquelle s'étend la fente 12 et à la direction dans laquelle le code d'un échelon de niveau de la mire 11 s'étend. 10 Le faisceau mobile latéralement traverse la fente 12 avant de traverser éventuellement, selon la valeur du bit, la mire optique graduée 11 en direction du capteur photovoltaïque 7. Le déplacement latéral du faisceau lumineux généré par l'allumage et l'extinction successifs des diodes électroluminescentes 60 permet d'émettre le 15 faisceau lumineux vers chacun des bits du code d'un échelon de niveau de la mire optique. Selon que le faisceau a rencontré une zone transparente laissant passer la lumière ou une zone absorbant la lumière de la mire 11, le faisceau est ou non transmis par la mire 11. Le capteur photosensible 7 reçoit alors une séquence lumineuse sous la 20 forme de faisceau lumineux ou d'absence de faisceau formant des bits de données. La mesure permet de déterminer la position absolue du faisceau lumineux à l'altitude de la fente 12 de mesure et donc l'altitude absolue du flotteur 9. 25 Comme cela est illustré sur les figures 1 et 2, l'axe de guidage 3 comprend des rails conducteurs 13. Dans ce mode de réalisation, les rails 13 sont réalisés sous la forme de gorges s'étendant verticalement sur toute la hauteur de l'axe de guidage 3. Les rails 13 comprennent une surface conductrice d'électricité. 30 Les rails 13 sont couplés via le support 2 au bloc d'alimentation 4. Les rails 13 conducteurs acheminent ainsi le courant électrique fourni par le bloc d'alimentation 4 jusqu'aux dispositifs électroniques montés sur le flotteur 9. 3031176 10 Les dispositifs électroniques sur le flotteur 9 sont électriquement raccordés aux rails conducteurs 13 grâce à des balais conducteurs 14. Les balais 14 sont constamment en contact par frottement avec la surface conductrice des rails conducteurs 13. Les 5 balais 14 sont électriquement raccordés aux moyens de traitement 8 pour alimenter la source lumineuse 6 et le capteur photovoltaïque 7. Au moins un des rails 13 est utilisé, éventuellement via courant porteur, pour transporter les données relatives aux mesures de niveaux capturées par le capteur photovoltaïque 7 et traitées par les moyens de 10 traitement 8 vers un module de communication, non représenté, monté dans le support 2 et apte à communiquer avec des moyens externes pour délivrer la mesure du niveau de liquide L. Le module de communication peut être couplé à un dispositif électronique externe apte à recevoir les données via le câble électrique 15 utilisé également 15 pour l'alimentation électrique du bloc d'alimentation 4 par un réseau d' alimentation. Les moyens de traitement 8 permettent, d'une part, de commander les diodes électroluminescentes 60 de la source lumineuse 6 pour réaliser un balayage de la mire 11 par le faisceau lumineux, et 20 d'autre part, de réaliser un traitement des données reçues par le capteur photovoltaïque 7 en fonction de la diode électroluminescente 60 allumée pour déterminer le code de l'échelon de niveau lu et ainsi mesurer le niveau de liquide L afin de le transmettre au module de communication via un balai 14 et un rail 13 en contact avec le balai 14 25 correspondant. Dans une variante, les rails et les balais conducteurs peuvent être remplacés respectivement par des tiges ou des cannelures en saillie sur l'axe de guidage et des poulies roulant le long des tiges ou cannelures. 30 L'invention permet ainsi de réaliser simplement à n'importe quel moment une mesure optique absolue du niveau de liquide dans un conteneur, notamment un conteneur maintenu fermé. REVENDICATIONS1. Dispositif (1) de mesure optique d'un niveau de liquide (L) dans un conteneur (C), comprenant un support (2), un axe de guidage (3) vertical transparent, un flotteur (9) mobile apte à coulisser le long de l'axe de guidage (3) selon le niveau du liquide (L), une source lumineuse (6) et un capteur photosensible (7), et des moyens de traitement (8) aptes à commander la source lumineuse (6) et à déterminer le niveau de liquide (L) dans le conteneur (C) à partir du faisceau reçu par le capteur photosensible (7), caractérisé en ce que la source lumineuse (6) et le capteur photosensible (7) sont montés sur le flotteur (9) de part et d'autre de l'axe de guidage (3) et l'axe de guidage (3) comprend une mire (11) disposée sur le trajet du faisceau lumineux entre la source lumineuse (6) et le capteur photosensible (7). 2. Dispositif (1) selon la revendication 1, dans lequel le flotteur (9) comprend un orifice (10) apte à recevoir l'axe de guidage (3) vertical de manière à laisser coulisser le flotteur (9) le long de l'axe de guidage (3). 3. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, comprenant un raccord (5) mécanique apte à solidariser une extrémité inférieur (3i) de l'axe de guidage (3) avec le fond du conteneur (C) et à maintenir l'axe de guidage (3) selon une direction verticale, le support (2) étant solidarisé à une extrémité supérieure (3s) de l'axe de guidage (3). 4. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la mire (11) comprend des échelons de niveau comportant chacun un code horizontal binaire distinct. 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel la source lumineuse (6) comprend une série horizontale de diodes électroluminescentes régulièrement espacées disposées selon une direction parallèle à une surface (9s) du flotteur (9) sur laquelle est montée la source lumineuse (6), le nombre de diodes électroluminescentes correspondant au nombre de bits du code horizontal binaire d'un échelon de niveau de la mire (11). 3031176 12 6. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant une fente (12) horizontale s'étendant dans un plan parallèle au plan comprenant la surface (9s) du flotteur (9) sur laquelle est disposée la source lumineuse (6), la fente (12) étant montée entre 5 la source lumineuse (6) et la mire (11). 7. Dispositif (1) selon l'une des revendications 4 à 6, dans lequel chaque bit de la mire (11) est codé par une zone absorbant la lumière ou une zone transparente laissant passer la lumière. 8. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 7, dans 10 lequel le support (2) comprend un bloc d'alimentation électrique (4), l'axe de guidage (3) comprend des rails conducteurs (13) couplés au bloc d'alimentation (4) et s'étendant le long de l'axe de guidage (3), et le flotteur (9) comprend des éléments de contact électrique (14) montés en regard des rails conducteurs (13) de l'axe de guidage, les 15 éléments de contact électrique (14) étant configurés pour être en contact avec les rails conducteurs (13) et étant couplés à la source lumineuse (6), au capteur photovoltaïque (7) et aux moyens de traitement (8) disposés sur le flotteur (9). 9. Dispositif (1) selon la revendication 8, comprenant un 20 module de communication couplé au support (2) et configuré pour être couplé à un appareil externe, les éléments de contact électrique (14) et les rails conducteurs (13) étant configurés pour transmettre les données captées par le capteur photovoltaïque (7) au module de communication. 25 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel les moyens de traitement (8) comprennent un module de correction apte à appliquer un facteur de correction à la mesure réalisée en fonction de la densité du liquide (L) dans le conteneur (C). 11. Conteneur (C) comprenant un dispositif (1) de mesure 30 optique absolue selon l'une des revendications 1 à 10.