FR 2592713 A1 19870710 FR 8600196 A 19860103 JAUGE ELECTROSTATIQUE PERMETTANT, AU MOYEN D'UN CONDUCTEUR UNIQUE FIXE EXTERIEUREMENT SUR UN RESERVOIR NON-METALLIQUE, DE MESURER LE NIVEAU DU CONTENU Monsieur RoRer SCHEIBER Des systèmes de télémesure sont fréquemment utilisés pour contrôler, à distance, le contenu -des réservoirs. Ils sont généralement constitués de capteurs associés à des appareils de mesure, de signalisation ou d'asservissement. Les capteurs électriques sont les plus employés ; parmi ceux-ci, citons les jauges capacitives qui présentent l'avantage de pourvoir être disposées à l'extérieur des réservoirs lorsquefces derniers ne sont pas métalliques. Elles sont constituées d'une ou.plusieurs paires de lames à faces parallèles fixées sur le côté externe des parois du réservoir, formant9 ainsi, des armatures de condensateurs dont la capacité varie en fonction du niveau du produit contenu. I1 suffit, alors, de traduire ces variations en grandeurs électriques mesurables et aptes à commander un indicateur convenablement gradué, pour avoir, a distance, l'information de niveau désirée. Dans un tel concept, le système est binaire et la matérialisation du condensateur nécessite, au moins, une paire de lames conductrices sur les parois du réservoir et, par conséquent, au minimum deux conducteurs pour les relier au circuit de mesure. L'ordre de grandeur de la capacité de ce type de jauge est faible (quelques picofarads) et, pour que l'impédance qu'elles présentent reste dans les limites d'adaptation acceptables, il est nécessaire de les insérer dans un circuit parcouru par des courants de fréquences relativement élevées Les fils d connexion peuvent alors provoquer des perturbations incompatibles avec la législation relative aux rayonnements électromagnétiques parasitaires ; inversement, ces connexions peuvent être soumises à des champs électriques indésirables. > n doit, alors, utiliser des dispositifs de protection (filtres, câbles blindés ou coaxiaux etc...) qui, indépendamment de leur coût, on pour effet d'augmenter la .spatité résiduelle (celle qui correspond au réservoir vide) de la jauge. Le problème de l'obtention d'une capacité résiduelle minimale est connu pour les condensateurs varialbes ; il est le même pour les jauges capacitives, et le circuit de mesure dans lequel elles sont insérées sera d'autant plus simple que le rapport capacité résiduellelcapacité maximale (réservoir plein) sera faible. I1 apparait donc que la mise en oeuvre des jauges capacitives à plusieurs armatures présente des difficultés telles que leur installation est délicate, coûteuse, parfois même, impossible ; c'est par exemple le cas d'un reservoir dont l'enveloppe serait presque totalement encastrée dans une enceinte métallique. Ainsi, est-on-.amené à concevoir un nouveau dispositif qui, par lJadaptation judicieuse d'une jauge électrostatique à électrode unique à un circuit électrique approprié, permet de bénéficier de l'avantage que présente l'emploi des sondes capacitives situées à l'extérieur des réservoirs, tout en supprimant les inconvéniènts liés à l'utilisation des systèmes binaires à plusieurs armatures. La mise en oeuvre du dispositif décrit dans le mémoire qui suit s'appuie essentiellement sur les propriétés électrostatiques d'un conducteur disposé verticalement au-dessus du sol. Rappelons brièvement que, théoriquement, il n'existe pas de corps char gé isolé car les lignes de champ qui émanent d'un conducteur (ou y aboutissent) viennent d'un autre corps chargé ou y vont. Ainsi, un fil vertical d'une hauteur L au-dessus du sol présente une capacité (1) C 0.241 6 L 10 - 12 F log (2L/d) (voir fig. la) pour un conducteur de section cylindrique. Lorsque la section est rectagulaire (fig. Ib), la formule devient (2) C = 0.198 6 L 10 -12 F log 2L(l+e) Si L'on fixe extérieurement un tel conducteur sur une des parois (supposée verticale) d'un réservoir non-métallique reposant sur le sol, les conditions électrostatiques sont inchangées et la formule (2) applicable tant que le réservoir reste vide, c'est-à-dire que le pouvoir inducteur spécifique ( #o) du milieu qu'il contient est égal à l'unité (constante diélectrique de l'air). (fig. 1c). Lorsque l'on remplit le réservoir, l'air est remplacé par un élément de constante diélectrique (K) différente de l'unité (81 pour l'eau). D'autre part,. la hauteur L que l'on devra prendre en compte dans le calcul de la capacité ne sera plus la dimension réelle du conducteur mais celle qui sera fixée par l'intersection du plan vertical contenant ledit conducteur avec celui du niveau du produit contenu (Le). (fig. 1d). Et la formule devient (3) Cy = K 0.085 6 L e 10 - 12 F log 2Le(l+e) Pour plus de clarté, appelons h la hauteur du niveau mesurée dans le même système d'unité (4) Cy = K 0.085 6 h 10 - 12 F log2h/(l+e) et, comme pour un produit contenu déterminé, K est constant et que, d'autre part (l+e) l'est également, la seule variable reste h, et l'on aura une fonction définie (s) Cy = f (h) n d'autres termes, la mesure de la capacité (Cy) donnera une informa tion précise de 'a hauteur du niveau donc du volume contenu dans le réservoir. Dans cette application, la capacité est représentée par un condensateur tloiit i 'une des armatures est un conducteur de section rectangulaire tel qu'il a ctt mentionné au début du mémoire descriptif, la deuxième armature est telle matérialisée par- le sol sur lequel repose le réservoir ; elle est donc portée Itl potenteil jel de la terre (ou de la masse) ; c'est par celle-ci que s'écoule le courant circulant dans le condensateur. i ( rcui t t'J ectr iqu dans lequel il est inséra est conçu de manière à éliminer tout risque de rayonnement électro-magnétique parasite. I1 comprend essentiellement Un générateur de tension alternative - deux condensateurs - une diode - une résistance Son fonctionnement est le suivant (fig. 2 a) Le générateur G produit une onde de tension rigoureusement sinusoidale de fréquence et d'amplitude choisies pour que l'énergie emmagasinée à chaque demi-alternance dans les condensateurs Cs et Cy soit limitée à celle nécessaire à la commande du circuit de contrôle. La valeur minimale de Cy (2) est celle de la capacité résiduelle lorsque le réservoir est vide (Cyo). Sa valeur maximale est celle qu'elle prend lorsque le réservoir est plein. Dans ce cas, Le = L et cette valeur (Cy,') est déterminée par l'équation (3). Entre ces -limites, la valeur moyenne est (6) Cy" = Cyo + Cy' 2 C'est celle qui correspond au réservoir à moitié plein et qui fixe le choix de la valeur de Cs : (7) Cs = Cy" = Cyo + Cy' 2 Cs et Cy en série forment un dipole (fig. 2b). (8) d'impédance : Z = - j1/v ( Cs Cy I i et de module ( 1 + 1 ) Cs Cy ( = pulsation du générateur : 2 q F) C'est sur cette impédance sue débite le générateur (fig. 2b). Ies val ( o Elles forment un diviseur capacitif dans lequel circule un courant : (10) I eff. - E eff. i 1 1 1 ( 1 + 1 Cs Cy D'autre part, la tension E eff. développée par le générateur est divisée dans le rapport des impédances (Z1) et, comme Z2 est constante, le potentiel développé entre le point nodal (A) e{21a masse est une fonction du ler degré de la valeur de la capacité de la jauge (Cy). - (II) li eff. = Z1 ( E (E eff. eff. z Il suffit alors de "clamer" cette tension au moyen d'une diode pour que sa valeur moyenne ne soit plus nulle, mais : - (12) U s = U eff.\fT- Vd (fig. 2c) avec Vd = chute de tension dans la diode. Cette tension est filtrée par le réseau R.C f, et appliquée à rentrée du cirduit de contrôle. Dans le schéma utilisé, tous les circuits et plus particulièrement, celui de la jauge, se referment à la terre (à la masse), ce qui élimine pratiquement tout risque de rayonnement parasite. Ajoutons que la méthode d'extraction de la composante continue aux bornes de la jauge présente l'avantage d'éviter le redressement de la tension et permet de conserver ainsi une forme d'onde exempte In résumé L'utilisation particulière des propriétés électrostatiques présentées loar un conducteur disposé verticalement au-dessus du sol permet la réalisation d'tl" nouveau dispositif de mesure de niveaux (donc de volumes) sur des réservoirs non-métalliques au moyen d'un conducteur unique fixé extérieurement. Les avantages liés -ou concept du système décrit sont remarquables tant sur le plllI de la simplicité que sur celui des rayonnements radioélectriques parasites. REVENDICATION Des jauges électrostatiques fonctionnant par variations de capacité sont couramment utilisées pour la mesure des niveaux dans les réservoirs. Lorsque ceux-ci ne sont pas métalliques, il est possible de disposer les jauges à l'extérieur des contenants et la technique généralement utilisée consiste à fixer sur la face externe des parois du réservoir des lames à faces parallèles, lesquelles constituent des armatures de condensateurs plans dont la capacité4varie en fonction de la surface effective desdites armatures soumises au champ du diélectrique hétérogène défini par les pouvoirs inducteurs spécifi ques respectifs de la matièrQ constituant les parois du réservoir et de celui du produit qu'il continent. La mise en oeuvre d'un tel procédé présente d'assez nombreux inconvé nients liés à la parité des éléments constitutifs et à ses conséquences sur le rayonnement électromagnétique, la complexité du câblage et surtout, sur les ca pacités résiduelles dont l'importance peut, dans certains cas, devenir telle que l'exploitation du procédé s'avère impossible. Afin d'éliminer une grande partie des inconvénients cités, on est ame né à concevoir un nouveau dispositif dont la particularité essentielle est l'utilisation des propriétés électrostatiques d'un conducteur disposé verticale ment au-dessus du sol. Lorsqu'un tel conducteur se trouve dans un milieu homogène isolant de permittivité voisine. de celle du vide, sa capacité est fonction de sa hauteur au-dessus du sol. Si un tel conducteur est juxtaposé à un bloc de diélectrique de pouvoir inducteur spécifique, forcément différent de l'unité, la capacité dudit con inducteur va croître proportionnellement à sa surface effective directement en contact avec le diélectrique. Ainsi, si l'on fixe verticalement un conducteur unique sur une des pa rois d'un réservoir non-métallique reposant sur le sol (ou sur une surface con ductrice quelconque), la capacité répartie de ce conducteur variera en fonction de la hauteur du niveau du produit contenu.Si le coefficient diélectrique de ce dernier est élevé, ce qui est, en général, le cas (par exemple 81 pour l'eau)* ta variation de capacité sera importante car la capacité résiduelle (celle qui correspond au réservoir vide) d'un conducteur vertical unique est très faible de telle sorte que le rapport des capacités correspondant aux deux états plein ou vide du réservoir est élevé. On réalise ainsi une jauge électrostatique de grande sensibilité dont l'utilisation pour la mesure des niveaux dans les réservoirs non-métalliques présente, comparée aux dispositifs à plusieurs conducteurs, des avantages considérables liés aux facilités de mise en oeuvre, à la réduction du rayonnement électromagnétique et aux possibilités de montage sur des réservoirs partiellement encastrés dans des enceintes mëtalliques. Ces particularités sont mises en évidence sur les figures 3a et 3b. Sur la première (fig. 3a), on a schématisé les deux conducteurs verti- caux constituant des armatures de condensateurs plans. On remarque qu'il faut nécessairement deux connexions longues pour relier ces armatures à l'unité de mesure dont l'une des fonctions est de produire une tension alternative de fré quence relativement élevée. Dans cette configuration, les deux armatures et leurs connexions associées engendrent un champ électromagnétique qui peut être générateur de perturbations incompatibles avec la législation relative aux rayonnements radioélectriques parasitaires. Afin de réduire l'ampleur de ces rayonnements, il est nécessaire d'utiliser des cables blindés pour les connexions, ce qui a pour effet d'augmenter considérablement la capacité résiduelle de la jauge et nécessite l'incorporation d'un amplificateur à gain élevé dans l'unité de mesure si l'on veut conserver une précision suffisante. Dans le nouveau dispositif présenté (fig. 3b), la jauge est,constituée d'un conducteur vertical unique qui représente une des armatures d'un condensateur dont l'autre est matérialisée par le sol sur lequel repose le réservoir. On supprime ainsi un élément rayonnant (ainsi qu'il-est schématisé sur la fig. 3a, il y en a deux dans le cas d'un condensateur plan). D'autre part, l'unité de mesure peut être disposée très près de la partie inférieure de la jauge de telle sorte que la connexion reliant cex deux éléments peut être extrêmement courte ce qui offre le double avantage de réduire son rayonnement intrinsèque ainsi que sa capacité résiduelle. (ette dernière particularité présente un grand intérêt car la concep tion de l'unité de mesure est d'autant plus simple (donc moins coûteuse) que le rapport des capacités résiduelles (réservoir vide) / capacité maximale (réservoir plein) est faible. Enfin, remarquons que le procédé est applicable sur des réservoirs partiellement encastrés dans des parois métalliques alors que, dans ce cas, les systèmes de jauge à deux armatures sont inutilisables. Ainsi, l'objet de la présente revendication s'appuie essentiellement sur le caractère fondamental de nouveauté que présente l'utilisation des propriétés électrostatiques d'un conducteur unique disposé verticalement au-dessus du sol pour la réalisation de jauges capacitives fixées extérieurement sur des réservoirs non-métalliques.