Brevet FR3157737A1 — publié le 20250627

Un aspect de l’invention concerne un dispositif (20) de conversion numérique de données analogiques issues d’un capteur (C1,…,C3), le dispositif (20) étant destiné à être connecté audit capteur (C1,…,C3) situé dans un réservoir (10) de fluide de véhicule, comprenant : un module de connexion (21) à un unique bus de communication (40) adapté pour transmettre un signal de mesure du dispositif (20) à une électronique de mesure déportée (30) par un harnais électrique traversant une paroi du réservoir (10), un module d’alimentation (22) parasite générée à partir du signal transporté par le bus de communication (40), un module d’acquisition et de conversion (23) configuré pour : acquérir la donnée analogique à partir du capteur (C1,…,C3) et convertir la donnée analogique acquise en donnée numérique et la transmettre via le bus de communication (40) dans le signal de mesure. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 2 Dispositif de conversion analogique-numérique de données de capteur dans un réservoir d’aéronef DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION Le domaine technique de l’invention est celui de l’aéronautique. La présente invention concerne un dispositif de conversion analogique-numérique de données de capteur dans un réservoir de fluide d’un véhicule et en particulier, sans s’y limiter, de données de jaugeage de carburant dans un réservoir d’aéronef. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION Le contrôle de carburant contenu dans un réservoir d'un aéronef est d'une grande importance au cours d'un vol. Il est donc nécessaire de pouvoir suivre une mesure d’une quantité et d’une densité du carburant dans le réservoir en temps réel au cours du vol avec un haut degré de précision. Pour cela, il est connu d'installer des capteurs adaptés, de type jauge, densimètre et/ou thermomètre, dans les réservoirs de carburant. De tels capteurs sont reliés à une électronique de mesure, située hors du réservoir, via un harnais s’étendant à travers une paroi du réservoir. Cependant, un tel réservoir de carburant constitue un milieu particulièrement difficile, formant notamment une atmosphère explosive à cause des vapeurs de carburant, ce qui entraîne des contraintes importantes dans le choix du type de capteurs ainsi que leurs fonctionnalités et leurs pilotages. Notamment, les composants électroniques utilisés ne doivent pas, d’une part, s’échauffer ou générer de points chauds, notamment au-dessus de 200°C, et, d’autre part, stocker de l’énergie, notamment susceptible de générer une étincelle de plus de 200 μJ. Usuellement, ces capteurs sont de type analogique et passif, excités à de faibles puissances, pour ne pas risquer d'avoir un composant qui puisse s'échauffer ou, en cas de défaut, générer une étincelle. Mais, ils nécessitent l’usage d’un harnais très bien protégé par un blindage à la réalisation très pointue et un cheminement complexe pour ne pas mesurer de capacités parasitant l’acquisition principale. C’est historiquement le talon d’Achille de ce type de jaugeage. Cela nécessite également un nombre de fils assez important avec une excitation point à point des capteurs ainsi qu’une liaison blindée commune pour la mesure depuis le calculateur. De plus, il est souhaitable de limiter l'incertitude de mesure des capteurs liée aux variations de fabrication et ainsi améliorer la fiabilité de la mesure. En effet, les tolérances de fabrication des capteurs font que les mesures de volume et de densité du carburant peuvent présenter une dispersion d’un capteur à l’autre. Toutefois, de telles améliorations sont rendues complexes par le caractère purement analogique des capteurs. Il est en outre important de ne pas augmenter significativement la masse de l'aéronef par de telles améliorations, ni de mettre en œuvre des changements nécessitant des modifications substantielles du réservoir, ce qui s’avèrerait très coûteux. Le jaugeage numérique a l’avantage de conditionner directement les valeurs du capteur in situ, ce qui permet de supprimer les capacités parasites ou autres perturbations pour obtenir une précision accrue. Dans un mode de réalisation optique du jaugeage numérique, une liaison point à point de chaque capteur vers le calculateur est nécessaire. Le harnais fibre optique est fragile, coûteux, et difficilement réparable. Le coût des composants optiques en fait un système qui ne convient pas pour tous les projets. Dans un autre mode de réalisation du jaugeage numérique dans lequel la transmission est électrique, le harnais est en « daisy chain » avec un bus de données sur 2 ou 4 fils qui permet la collecte des valeurs numérisées ainsi que 2 fils pour l’alimentation électrique. Il faut donc compter au moins 4 fils, et un convertisseur ajoute une limitation en taille de jauges pour la mesure. Il existe donc un besoin de proposer un jaugeage numérique ne présentant pas les inconvénients de l’état de l’art. L’invention offre une solution aux problèmes évoqués précédemment, en permettant une conversion numérique peu onéreuse et ne nécessitant pas de fil d’alimentation spécifique. Un aspect de l’invention concerne un dispositif de conversion numérique de données analogiques issues d’un capteur, le dispositif étant destiné à être placé dans un réservoir de fluide de véhicule et pour être connecté à un capteur situé dans le réservoir de fluide de véhicule, le dispositif comprenant : un module de connexion à un unique bus de communication, le bus de communication étant adapté pour transmettre un signal de mesure du dispositif à une électronique de mesure déportée par un harnais électrique traversant une paroi du réservoir, un module d’alimentation, l’alimentation fournie étant une alimentation parasite générée à partir du signal transporté par le bus de communication, un module d’acquisition et de conversion alimenté par le module d’alimentation et configuré pour : acquérir la donnée analogique à partir du capteur et convertir la donnée analogique acquise en donnée numérique et la transmettre via le bus de communication dans le signal de mesure. Grâce à l’invention, des fils d’alimentation ne sont pas nécessaires, car le dispositif s’alimente grâce à une alimentation parasite créée à partir du signal transporté par le bus de communication. De plus, le dispositif est configuré pour se connecter à un capteur existant dans un réservoir, et le remplacement du capteur n’impose pas le remplacement du dispositif de conversion et inversement, le remplacement du dispositif de conversion n’impose pas le remplacement du capteur. En transformant la mesure analogique en mesure numérique dans le réservoir de l’aéronef, l’invention améliore la fiabilité de transmission vers l’électronique de mesure déportée. Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le dispositif selon un aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles. Dans un mode de réalisation, le module de connexion est adapté pour mettre en œuvre le protocole « OneWire », le bus de communication étant de type « OneWire », le module de connexion étant en outre adapté pour convertir un signal transportant la donnée numérique provenant du module d’acquisition et de conversion en le signal de mesure selon le protocole « OneWire » pour être transmis via le bus de communication lorsque le bus de communication est connecté au module de connexion. Dans un mode de réalisation, le signal de mesure a un niveau haut à 15 Volts. Dans un mode de réalisation, le module d’alimentation comprend au moins une diode et un condensateur. Dans un mode de réalisation, le module d’acquisition et de conversion est un microcontrôleur. Dans un mode de réalisation, le capteur est un capteur capacitif et le module d’acquisition et de conversion est un convertisseur capacité-numérique. Dans un mode de réalisation, le capteur est un densimètre et/ou un thermomètre. Un autre aspect de l’invention concerne un ensemble comprenant un réservoir et une électronique de mesure déportée comprenant au moins : Un capteur situé dans le réservoir, un dispositif selon l’invention connecté au capteur, un harnais électrique, s’étendant entre le dispositif et l’électronique de mesure déporté, notamment à travers une paroi du réservoir. Un autre aspect de l’invention concerne un aéronef comprenant l’ensemble selon l’invention, le réservoir étant un réservoir de carburant. L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention. La FIG. 1 montre une représentation schématique d’un système comprenant une pluralité de dispositifs selon l’invention, La FIG. 2 montre une première représentation schématique d’un dispositif selon l’invention, La FIG. 3 montre une représentation schématique d’un dispositif selon un premier mode de réalisation de l’invention, La FIG. 4 montre une deuxième représentation schématique d’un dispositif selon un deuxième mode de réalisation l’invention compatible avec le premier mode de réalisation, La FIG. 5 montre une troisième représentation schématique d’un dispositif selon un troisième mode de réalisation l’invention compatible avec le premier mode de réalisation. DESCRIPTION DETAILLEE Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique. La FIG. 1 montre une représentation schématique d’un système comprenant une pluralité de dispositifs selon l’invention. Le système 1 représenté à la FIG. 1 comprend un réservoir 10, une pluralité de capteurs C1 à C3, une pluralité de dispositifs 20 selon l’invention, une électronique de mesure déportée 30 et un harnais électrique 40, reliant l’électronique de mesure déportée 30 à chaque dispositif 20. Le réservoir 10 comprend des parois définissant un espace interne sensiblement fermé, contenant un carburant, en particulier sous forme monophasique ou biphasique. Le nombre de phases et la densité du carburant est susceptible de varier en fonction de l’altitude, de la température et/ou du taux de remplissage. En raison du caractère inflammable du carburant et d’une présence de vapeur de carburant dans l’espace interne, l’espace interne constitue un environnement à risque régi par les normes associées aux atmosphères explosives. L’électronique de mesure 30 est dite « déportée » car elle n’est pas présente à l’intérieur du réservoir. L’électronique de mesure déportée 30 est disposée en dehors du réservoir 10 et à l’écart du carburant. En effet, l’électronique de mesure 30 n’est pas adaptée pour fonctionner dans une atmosphère explosive, au contraire du dispositif 20. L’invention porte sur un dispositif 20 de conversion analogique/numérique de mesures capturées dans un réservoir 10 de véhicule. Préférentiellement, le véhicule est un aéronef. Préférentiellement encore, le réservoir 10 est un réservoir de carburant, par exemple de kérosène. Les mesures sont capturées par au moins un capteur, préférentiellement une pluralité de capteurs C1 à C3. Ces capteurs sont par exemple un ou plusieurs capteurs parmi : Un capteur capacitif C1 permettant de mesurer le niveau de carburant dans le réservoir 10, un densimètre C2 permettant de mesurer la densité de carburant dans le réservoir 10, un thermomètre C3 permettant de mesurer la température du carburant dans le réservoir 10. Le capteur capacitif C1 est susceptible d’être au moins partiellement disposée dans le carburant du réservoir 10. Le capteur capacitif C1 peut comprendre une première électrode et une deuxième électrode, respectivement cylindriques, concentriques, agencées verticalement. Notamment, la première électrode peut constituer une électrode externe et la deuxième électrode peut constituer une électrode interne. La première électrode et la deuxième électrode définissent entre elles un espace annulaire dans lequel le carburant monte lors du remplissage et descend lors de la consommation. Le niveau de carburant dans l’espace annulaire modifie ainsi la valeur de capacité du capteur C1. La capacité du capteur C1 varie notamment linéairement avec le niveau de carburant dans l'espace interne. En particulier, un signal électrique envoyé par l’électronique de mesure déportée 30 au capteur C1 via le harnais électrique 40 permet de déterminer une valeur de capacité du capteur C1 pour un niveau de carburant donné. Une telle valeur de capacité peut ensuite être utilisée par l’électronique de mesure déportée 30 pour déterminer le niveau de carburant et la quantité de carburant dans le réservoir 10. Selon un autre mode de réalisation, le capteur est un densimètre C2, avantageusement disposé entièrement immergé dans le carburant et propre à mesurer une densité du carburant dans le réservoir 10. Selon un autre mode de réalisation, le capteur est un thermomètre C3, avantageusement disposé entièrement immergé dans le carburant et propre à mesurer une température du carburant dans le réservoir 10. Enfin, selon un mode de réalisation préférentiel, le réservoir 10 comprend au moins deux capteurs parmi les capteurs C1 à C3, préférentiellement les trois capteurs C1 à C3. Les capteurs fournissent, à leurs bornes, c’est-à-dire à leurs électrodes, une mesure analogique d’une grandeur physique. Le dispositif 20 selon l’invention est adapté pour se connecter aux bornes d’un capteur, préférentiellement de manière réversible, c’est-à-dire avec un moyen de connexion amovible. Par exemple, comme représenté à la FIG. 4 , le dispositif 20 comprend deux moyens de connexion respectivement 25a et 25b, chaque moyen de connexion étant adapté pour se connecter à une des deux électrodes du capteur. Les moyens de connexion amovibles 25a et 25b sont par exemple, comme représenté à la FIG. 4 , des vis. Les moyens de connexion amovibles sont reliés à un boîtier 27 comprenant une électronique embarquée de conversion analogique/numérique et de communication via des moyens de liaison 26a et 26b, par exemple des câbles électriques gainés. Dans le mode de réalisation de la FIG. 4 , le boitier 27 comprend un connecteur 28. Le connecteur 28 permet de connecter le harnais 40 et donc l’électronique de mesure déportée 30 au boitier 27 et donc à l’électronique de conversion analogique/numérique et de communication que le boitier 27 embarque. Un tel connecteur 28 permet notamment de faciliter la maintenance ou l’échange standard du dispositif 20. Cet avantage est encore amélioré en combinaison avec les vis 25a et 25b, qui permettent une fixation amovible du dispositif 20 au capteur dont il convertit la mesure en numérique. Dans le mode de réalisation de la FIG. 5 , le boitier 27 ne comprend pas de connecteur 28. Le harnais 40 formé par deux câbles est alors directement connecté à l’électronique embarquée par le boitier 27. Le boitier 27 du dispositif 20 est représenté plus en détail à la FIG. 2 , qui montre une représentation schématique du dispositif 20 connecté à un capteur C. Le capteur C est préférentiellement l’un des capteurs C1 à C3. Le dispositif 20 comprend un module de connexion 21, un module d’alimentation parasite 22 et un module d’acquisition et de conversion 23. Ces trois modules 21 à 23 sont des modules électroniques. Le module de connexion 21 est configuré pour envoyer et recevoir des données entre le dispositif 20 et l’électronique de mesure déportée 30, via un bus de communication. Pour cela, le module de connexion 21 est configuré pour recevoir les deux câbles 401 et 402 du harnais 40, formant un bus de communication entre le dispositif 20 et l’électronique de mesure déportée 30. Le bus de communication est adapté pour transporter un signal, préférentiellement un signal de mesure provenant du dispositif 20 et à destination de l’électronique de mesure déportée 30. Dans un mode de réalisation préférentiel, le harnais 40 est de type « OneWire », c’est-à-dire que le bus de communication qu’il forme suit le protocole « OneWire ». Dans ce mode de réalisation, le module de connexion 21 est donc adapté pour mettre en œuvre le protocole « OneWire », c’est-à-dire pour transformer les données à transmettre, depuis le dispositif 20 vers l’électronique de mesure déportée 30 via le bus de communication formé par le harnais 40, en données selon le protocole « OneWire ». Un tel mode de réalisation est représenté à la FIG. 3 . Dans le mode de réalisation de la FIG. 3 , le module de connexion 21 comprend un module de communication OneWire 211. Le module de communication 211 permet de transformer le signal de mesure numérique provenant du module d’acquisition et de conversion 23 en signal de mesure numérique OneWire, et est par exemple un pont de communication DS28E18 de Maxim Integrated®. Dans un tel cas, une diode de protection 212 est présente. Le module d’alimentation 22 est adapté pour fournir une alimentation au dispositif 20, et en particulier pour fournir une alimentation au module d’acquisition et de conversion 23. Une particularité de l’invention est que l’alimentation fournie est une alimentation parasite générée à partir du signal transporté par le bus de communication. Dans le mode de réalisation de la FIG. 3 , le module d’alimentation parasite 22 est par exemple relié au premier câble 401 du harnais 40 formant le bus de communication. Le module d’alimentation parasite de la FIG. 3 comprend alors une diode 221 et un condensateur 222 relié à la masse. Ce montage permet de restituer au module d’acquisition et de conversion 23 une partie de la tension du bus de communication. Préférentiellement, le bus de communication suit une adaptation du protocole « OneWire ». En effet, le protocole « OneWire » est défini comme comprenant une valeur haute à 5 Volts, et le protocole « OneWire » adapté préférentiel de la présente invention voit sa valeur haute portée à 15 Volts. Avec un condensateur 222 ayant une capacitance de 170nF, cela permet un stockage de plus d’énergie qu’avec le protocole « OneWire » standard à 5 volts. Mais cette énergie stockée doit ensuite être transmise au module d’acquisition et de conversion 23, qui lui fonctionne le plus souvent en 5 Volts. C’est pourquoi le mode de réalisation de la FIG. 3 comprend un module intermédiaire 24. Le module intermédiaire 24 comprend un sous-module 243 de conversion de la tension 15 Volts en tension 5 Volts. Le module d’acquisition et de conversion 23 est alimenté par le module d’alimentation 22. Le module d’acquisition et de conversion 23 est configuré pour : acquérir une donnée analogique à partir du capteur C et convertir la donnée analogique acquise en donnée numérique et la transmettre via le bus de communication dans le signal de mesure. Pour cela, le module d’acquisition et de conversion 23 est formé d’un sous-module 231 relié aux deux électrodes du capteur C via des moyens de liaison 26a et 26b. Le sous-module 231 est par exemple un « CDC », de l’anglais « Capacitance-to-Digital-Converter », c’est-à-dire un module électronique dédié à la conversion capacitance vers numérique, par exemple un capteur capacitif AS8579 de ams-OSRAM®. Alternativement, le sous-module 231 est un microcontrôleur, spécifiquement programmé pour réaliser la conversion capacitif vers numérique, ou toute autre donnée analogique vers numérique. Alternativement encore, le sous-module 231 est tout type de module électronique permettant l’acquisition et la conversion d’une donnée analogique en numérique à partir d’un capteur analogique existant. Lorsque le sous-module 231 est un CDC, comme représenté à la FIG. 3 , le CDC 231 est alimenté via un port vdd, est relié à une horloge 242 via un port clk, et comprend un port de sortie de la donnée numérique spi, au format SPI. La donnée ainsi acquise est convertie au format numérique par le module 23, et transmise sur le bus de communication « OneWire » après avoir été transformée au format OneWire par le module de connexion 21. Lorsque le module 23 est mis en œuvre par un microcontrôleur, le contrôleur peut fournir, en sortie, une donnée numérique directement au format OneWire, le module 23 formant ainsi aussi le module de connexion 21. Dispositif (20) de conversion numérique de données analogiques issues d’un capteur (C1,…,C3), le dispositif (20) étant destiné à être placé dans un réservoir (10) de fluide de véhicule et à être connecté audit capteur (C1,…,C3) situé dans le réservoir (10) de fluide de véhicule, le dispositif (20) comprenant : - un module de connexion (21) à un unique bus de communication (40), le bus de communication (40) étant adapté pour transmettre un signal de mesure du dispositif (20) à une électronique de mesure déportée (30) par un harnais électrique traversant une paroi du réservoir (10), - un module d’alimentation (22), l’alimentation fournie étant une alimentation parasite générée à partir du signal transporté par le bus de communication (40), - un module d’acquisition et de conversion (23) alimenté par le module d’alimentation (22) et configuré pour : - acquérir la donnée analogique à partir du capteur (C1,…,C3) et - convertir la donnée analogique acquise en donnée numérique et la transmettre via le bus de communication (40) dans le signal de mesure. Dispositif (20) selon la revendication 1 selon lequel le module de connexion (21) est adapté pour mettre en œuvre le protocole « OneWire », le bus de communication (40) étant de type « OneWire », le module de connexion (21) étant en outre adapté pour convertir un signal transportant la donnée numérique provenant du module d’acquisition et de conversion (23) en le signal de mesure selon le protocole « OneWire » pour être transmis via le bus de communication (40) lorsque le bus de communication (40) est connecté au module de connexion (21). Dispositif (20) selon la revendication 2 dans lequel le signal de mesure a un niveau haut à 15 Volts. Dispositif (20) selon l’une des revendications précédentes dans lequel le module d’alimentation (22) comprend au moins une diode et un condensateur. Dispositif (20) selon l’une des revendications précédentes selon lequel le module d’acquisition et de conversion (23) est un microcontrôleur. Dispositif (20) selon l’une des revendications précédentes selon lequel le capteur (C1,…,C3) est un capteur capacitif et le module d’acquisition et de conversion (23) est un convertisseur capacité-numérique. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 5 selon lequel le capteur (C1,…,C3) est un densimètre et/ou un thermomètre. Ensemble comprenant un réservoir (10) et une électronique de mesure déportée (30), l’ensemble comprenant au moins : - un capteur (C1,…,C3) situé dans le réservoir (10), - un dispositif (20) selon l’une quelconque des revendications précédentes connecté au capteur (C1,…,C3), - un harnais électrique (40), s’étendant entre le dispositif (20) et l’électronique de mesure déportée (30), notamment à travers une paroi du réservoir (10). Aéronef comprenant l’ensemble selon la revendication 8, le réservoir (10) étant un réservoir de carburant.