Brevet FR3076611A1 — publié le 20190712

Description Titre de l'invention : « Dispositif de mesure pour surveiller le niveau de remplissage et effectuer les mesures différentielles de l'indice de réfraction optique » Domaine technique [0001] La présente invention a pour objet un dispositif de mesure pour surveiller le niveau de liquide dans un réservoir. Technique antérieure [0002] Selon l'état de la technique on connaît des dispositifs de mesure servant à mesurer le niveau de remplissage d'un réservoir, par exemple, dans les véhicules automobiles ; ces dispositifs sont connus selon de multiples formes de réalisation. Un principe usuel de mesure utilise, par exemple des capteurs à ultrasons émettant des impulsions optiques réfléchies à la surface du liquide. D'autres dispositifs de mesure utilisent des ondes lumineuses qui sont réfléchies de façon analogue à l'interface entre le liquide et l'air et sur les parois du réservoir permettant de déterminer le niveau de remplissage. [0003] Pour détecter un mauvais remplissage du réservoir, on connaît en outre des dis- positifs et des procédés de mesure qui font des mesures utilisant des propriétés déterminées telles que, par exemple, la vitesse du son dans le liquide, la conductivité thermique, la viscosité, la densité ou la perméabilité électrique. Si une telle propriété du liquide peut également se déterminer par l'extension de l'onde, on peut, le cas échéant, réaliser cette mesure en combinaison avec la mesure du niveau de remplissage à l'aide d'un unique dispositif. C'est ainsi, qu'à titre d'exemple, on peut déterminer l'indice de réfraction optique du liquide en fonction de la vitesse du signal optique par la mesure du temps de parcours si le signal parcourt un trajet de longueur connue. Mais pour cela il faut la longueur définie du trajet dans le réservoir. Par ailleurs une difficulté technique supplémentaire est la longueur de référence qui varie selon les variations de température de sorte que les mesures sont faussées. [0004] BUT DE L'INVENTION [0005] La présente invention a pour but de développer des moyens permettant de surveiller le niveau de remplissage d'un réservoir, combiné à la mesure précise de l'indice de réfraction du liquide. [0006] EXPOSE ET AVANTAGES DE L'INVENTION [0007] A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de mesure pour surveiller le niveau de liquide dans un réservoir comprenant un laser, une unité déflectrice rotative, une unité déflectrice fixe et un élément réflecteur situé complètement dans le liquide et comportant une première surface réfléchissante et une seconde surface réfléchissante, 2 le laser étant configuré pour mesurer la longueur du trajet optique d'un faisceau laser émis et au moins partiellement renvoyé, un ensemble de réglage de l'unité déflectrice rotative permettant d'avoir un ensemble de chemins optiques pour le faisceau laser émis et renvoyé au moins en partie, ce dispositif de mesure étant caractérisé en ce qu'au moins un premier chemin parmi un ensemble de chemins optiques passe sur l'unité déflectrice fixe et la première surface réfléchissante et au moins un second chemin parmi l'ensemble des chemins optiques passe sur l'unité déflectrice fixe et la seconde surface réfléchissante. [0008] La longueur d'un trajet optique selon la présente description est la longueur géo- métrique du trajet, multipliée par l'indice de réfraction du milieu. Cette longueur est proportionnelle au temps nécessaire à la lumière pour parcourir le trajet. [0009] Le dispositif de mesure selon l'invention a l'avantage, vis-à-vis de l'état de la technique, de fournir le trajet de référence nécessaire à la mesure de l'indice de réfraction par l'unité réfléchissante et d'être ainsi partie intégrante du dispositif de mesure. Le dispositif de mesure peut ainsi s'appliquer à un environnement de mesure quelconque sans être limité aux données géométriques du réservoir. De plus, à partir du comportement connu de l'unité réfléchissante en fonction de la température, on peut compenser au moins partiellement la variation liée à la température du trajet de référence en exploitant la longueur du trajet optique. [0010] Pour combiner la surveillance du niveau de remplissage à la mesure de l'indice de ré- fraction, on utilise, selon l'invention un faisceau laser dirigé par une unité déflectrice rotative sur différents chemins optiques par différents angles de rotation. Une partie de ces chemins qui traversent l'intérieur du réservoir est, le cas échéant, réfractée et réfléchie plusieurs fois. La longueur du trajet optique est déterminée par le tracé géométrique du chemin lumineux et par l'indice de réfraction du milieu respectivement traversé. [0011] Selon une forme de réalisation simple, le faisceau laser est uniquement réfléchi à la surface du liquide de sorte que, connaissant l'indice de réfraction du liquide, on peut déterminer la distance entre le dispositif de mesure et la surface du liquide. [0012] Selon un autre mode de réalisation, on compare la longueur de trajet optique, mesurée, par exemple à un modèle de calcul qui met en relation l'angle de l'unité de déflection rotative avec la longueur de trajet optique. Un tel modèle peut, par exemple, comporter le niveau du liquide comme paramètre libre et partant de l'angle de l'unité déflectrice rotative, déterminer le tracé d'un faisceau réfracté à la surface du liquide et réfléchi par la paroi du réservoir ; connaissant l'indice de réfraction du liquide, on peut déterminer ainsi la longueur du trajet optique correspondant. Par l'adaptation de la courbe de ce modèle à la relation mesurée entre l'angle et la longueur du trajet, on détermine ainsi le niveau du liquide. On peut également envisager un autre modèle de 3 calcul tenant compte de chemins optiques plus complexes. [0013] La condition pour exécuter un tel procédé est la connaissance de l'indice de ré- fraction. Cet indice se détermine selon l'invention, avec une autre partie du chemin optique passant sur l'unité de déflection, rotative et ensuite sur l'unité de déflection fixe pour arriver sur les deux surfaces réfléchissantes de l'élément réflecteur. L'élément réflecteur est immergé dans le liquide et comme au moins l'un des chemins dirigés vers l'élément réflecteur est renvoyé vers la première surface réfléchissante et qu'au moins un autre chemin est renvoyé par la seconde surface réfléchissante, on pourra, par exemple, mettre en relation la distance (connue) entre les deux surfaces réfléchissantes et la différence des longueurs de trajet des deux chemins pour déterminer ainsi l'indice de réfraction du liquide. [0014] De façon avantageuse, on réalise de cette manière un chemin de référence défini comme partie du dispositif de mesure. Si, de plus, on connait la relation entre la température et le trajet de référence, on pourra tenir compte de l'effet de la température pour l'exploitation des données de longueur de trajet et les compenser ainsi au moins partiellement. [0015] Pour s'assurer que le faisceau émis est au moins partiellement réfléchi en retour vers le laser, les chemins optiques sont, de préférence, conçus pour que la réflexion du faisceau laser se traduit par un développement diffus du faisceau pour que le faisceau soit déployé dans différentes directions. Ainsi, au moins une partie de la lumière réfléchie sera renvoyée dans la direction incidente de sorte que le chemin lumineux sera parcouru dans la direction opposée après réflexion et revient au laser. [0016] Le laser est de préférence conçu pour permettre de mesurer la longueur des trajets optiques par automélange du faisceau laser émis par le laser et ce faisceau laser réfléchi par les surfaces réfléchissantes du réservoir ou de l'élément réflecteur (interférences par automélange, encore appelée interférences SMI). Le faisceau laser réfléchi revient ainsi dans le résonateur du laser et interfère avec les modes laser de sorte que les propriétés optiques et électriques du laser changent et permettent ainsi de mesurer de cette manière l'influence du faisceau laser réfléchi. Pour mesurer la distance absolue de l'objet, il est avantageux de modifier en continu la longueur d'onde d'émission du laser en même temps que la puissance d'émission. Le laser est de préférence un laser semi-conducteur, notamment un laser à cavité verticale émettant par la surface (encore appelé laser VCSEL). Le laser à semi-conducteur comporte de préférence, une photodiode intégrée qui permet de mesurer la grandeur optique ou électrique. En outre, l'unité de déflection rotative peut être réalisée par un miroir rotatif qui est, de préférence, réalisé sous la forme de système micro-électromécanique (encore appelé composant MEMS). L'unité de déflection rotative permet de dévier le faisceau laser de façon qu'il décrive une ligne sur les surfaces réfléchissantes du 4 réservoir, la surface du liquide ou l'élément réflecteur. En option, le faisceau laser peut être dévié par l'unité de déflection dans deux dimensions, par exemple, de façon que le faisceau laser décrive sur la surface réfléchissante, une surface ou deux lignes croisées ou encore une courbe de Lissajous. [0017] En variante une réalisation préférentielle du laser prévoit d'émettre une impulsion laser pour mesurer le temps de parcours de l'impulsion réfléchie (procédé de mesure de temps de vol). Le laser peut également émettre un faisceau laser et comporter un détecteur pour détecter le faisceau laser réfléchi ainsi qu'un circuit d'exploitation pour déterminer le temps de parcours du faisceau laser. [0018] Selon une autre variante de développement du laser, une variation continue de la longueur du trajet optique du faisceau émis et du faisceau réfléchi en retour entre une interférence destructive et une interférence constructive dans le résonateur laser donne un signal de sortie oscillant du composant SMI et permet de mesurer la variation de la longueur du trajet optique par le nombre d'oscillations. Cela permet, par une détection régulière d'une surface réfléchissante, de mesurer de manière précise la variation correspondante de la longueur du trajet optique et de saisir ainsi la forme géométrique de la surface réfléchissante. [0019] Selon un développement préférentiel de l'invention, l'élément réflecteur est en une seule pièce, c'est-à-dire que les deux surfaces réfléchissantes font partie d'une unique pièce, par exemple, d'une pièce métallique de forme appropriée. Ainsi, la distance des deux surfaces réfléchissantes se détermine par la longueur de la pièce de l'élément réflecteur qui les relie. Cela permet avantageusement de déterminer très simplement la fonction de température de la distance à partir du coefficient de dilatation thermique de la matière avec laquelle est fabriqué l'élément réflecteur. En variante, on peut choisir une matière ayant un faible coefficient de dilatation de sorte que la distance ne change pas de manière importante sous l'effet des variations de température. En outre, la réalisation en une seule pièce réduit le coût de fabrication de l'élément réflecteur. [0020] Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, le dispositif de mesure est installé dans le liquide, par exemple, au niveau d'une paroi du réservoir. Contrairement à d'autres formes de réalisation connues selon l'état de la technique, dans lesquelles la lumière arrive dans le réservoir à travers une fenêtre, l'invention évite non seulement la fenêtre, mais également le trajet supplémentaire lié à celle-ci et que le faisceau laser émis par le laser doit parcourir. En particulier, on évite des réfractions et des réflexions supplémentaires au niveau de la fenêtre. [0021] Selon une forme de réalisation de l'invention, le laser, l'unité de déflection rotative et l'unité de déflection fixe sont logés dans un boîtier. Il sépare ainsi avantageusement ces composants et le liquide et les protège contre les influences du liquide et leur salissement. Il faut que le boîtier soit transparent ou qu'il présente des zones trans- parentes pour le passage du faisceau laser. [0022] Selon un autre développement de l'invention, le laser, l'unité de déflection rotative et l'unité de déflection fixe sont intégrés dans une matière solide photoconductrice. Il en résulte les mêmes avantages que dans le mode de réalisation précédent utilisant un boîtier. En plus, l'intégration garantit que la distance et la disposition géométrique des différents composants sont bloquées par l'intégration. En plus, lors de la sortie du faisceau laser arrivant dans le liquide, il n'y a qu'une interaction avec le dioptre alors qu'à la traversée d'une couche transparente il y a, à la fois réfraction et réflexion sur les deux côtés de la couche. Pour ce mode de réalisation, il faut que l'unité de déflection rotative soit dans une cavité de la matière photoconductrice pour permettre sa mobilité. [0023] Selon une forme de réalisation de l'invention, l'élément réflecteur a une transition ré- fléchissante continue entre la première et la seconde surface réfléchissante. Ainsi, les chemins lumineux passant par l'unité de déflection fixe peuvent être conçus pour que le point de réflexion sur l'élément réflecteur se déplace sur une ligne ou une courbe continues entre la première et la seconde surfaces réfléchissantes. Ainsi, la longueur d'onde optique varie avantageusement de façon continue de sorte qu'avec le changement décrit ci-dessus entre l'interférence destructive et l'interférence constructive dans le composant SMI, on pourra déterminer de manière précise la variation de la longueur du trajet optique. [0024] Selon un autre développement préférentiel de l'invention, l'élément réflecteur a un passage avec un gradin entre la première et la seconde surface réfléchissante. Ainsi, la détection de l'arête du gradin correspond avantageusement à une variation brusque de la longueur du trajet optique de sorte que la position de l'arête du gradin est une signature clairement identifiable dans le signal de mesure. [0025] PRESENTATION DU DESSIN [0026] La présente invention sera décrite ci-après, de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de dispositif de mesure pour surveiller le niveau de liquide dans un réservoir représenté dans le dessin annexé dans lequel : [0027] montre un exemple de réalisation d'un dispositif de mesure selon l'invention, re- présenté schématiquement. [0028] DESCRIPTION DU MODE DE REALISATION [0029] [La figure unique] montre un dispositif de mesure 1 avec plusieurs chemins de lumière possibles pour le faisceau laser servant à déterminer de façon combinée le niveau de remplissage d'un réservoir de liquide et l'indice de réfraction du liquide. Le laser 2 assure en même temps les fonctions d'émission d'un faisceau laser, de réception du faisceau laser réfléchi au moins en partie et de mesure, par un système interférométrique auto-mélangeur, de la longueur du trajet optique du chemin lumineux 6 parcouru. Le tracé du chemin optique va du laser 2 vers l'unité déflectrice rotative 3 qui, selon le réglage de cette unité déflectrice rotative 3, dirige le faisceau selon différents chemins optiques. Une partie des chemins sert à déterminer le niveau de liquide dans le réservoir. Cela est esquissé uniquement dans le dessin par la réflexion sur la limite supérieure disponible pour le tracé du chemin optique et qui comporte à la fois la réfraction ou la réflexion à la surface du liquide et aussi la réflexion sur la paroi du réservoir. Pour déterminer la longueur du trajet optique de ce chemin en fonction des conditions géométriques dans le réservoir, il est nécessaire de connaître l'indice de réfraction du liquide. Pour cela, par certains réglages de l'unité déflectrice rotative 3, on dirige le faisceau laser sur l'unité déflectrice fixe 4 et de là sur l'élément réflecteur 5. Un premier chemin 8 de la lumière passe sur la première surface réflectrice 6 de l'élément réflecteur 5 qui en assure la réflexion diffuse si bien qu'au moins une partie de la lumière est renvoyée vers le faisceau incident et parcourt le chemin en sens inverse. Un second chemin 9 généré par un autre réglage de l'unité déflectrice rotative 3 arrive sur la seconde surface réflectrice 7 qui renvoie le faisceau. La longueur des trajets optiques du premier chemin 8 et du second chemin 9 diffère d'une différence donnée par le double de la distance entre la première et la seconde surface réflectrice 6, 7. Connaissant cette distance, on peut déterminer l'indice de réfraction à partir de la différence de longueur des chemins optiques. [0030] NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX 1. Dispositif de mesure 2. Laser 3. Unité déflectrice rotative 4. Unité déflectrice fixe 5. Elément réflecteur 6. Première surface réfléchissante 7. Seconde surface réfléchissante 8. Premier chemin de la lumière 9. Second chemin de la lumière 7 [Revendication 11 [Revendication 21 [Revendication 31 [Revendication 41 [Revendication 51 [Revendication 61 [Revendication 71 [Revendication 81