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Dispositif indicateur de niveau dans un réservoir.. de gaz de pétrole liquéfié.
La présente invention a pour objet un dispositif indicateur de niveau dans un réservoir de gaz de pétrole liquéfié. Ce dispositif est particulièrement bien adapté à l'indication de niveau dans un réservoir équipant un véhicule automobile.
Il est important, dans un réservoir de gaz de pétrole liquéfié, de suivre de façon précise la variation du niveau. En effet, compte tenu des dilatations le réservoir ne doit pas être rempli à plus de 80 % de sa contenance totale, pour des raisons de sécurité. En outre, dans sa partie basse, un réservoir doit donner des informations pour permettre, par exemple, la commutation de l'alimentation du moteur avec de l'essence.
Les jauges connues à ce jour mettent en oeuvre un système mécanique à flotteurs qui engendre de nombreux inconvénients, notamment des imprécisions de mesures dues aux jeux mécaniques, des risques de mauvais fonctionnement des organes mécaniques, par grippage ou usure lors de leur vieillissement, des variations intempestives de mesures lors des mouvements du véhicule, un réservoir de gaz étant difficilement compartimentable pour limiter les mouvements de fluide comme dans les réservoirs à essence, un encombrement important à l'intérieur du réservoir, et une absence de sécurité.
Il est connu de réaliser des jauges utilisant des dispositifs de détection optique en utilisant un principe de détection par différence des indices de réfraction entre un liquide et un gaz. Le document US-4,286, 464 révèle un tel dispositif indicateur de niveau dans un réservoir, notamment un carter d'huile. On trouve dans ce document un dispositif indicateur de niveau comportant un ensemble de capteurs optiques qui sont décalés verticalement. Chaque capteur comporte une source lumineuse, par exemple une LED de type P-N au gallium et à l'arsenic, un récepteur, tel un phototransistor plan P-N-P au silicium et des moyens de transmission d'un rayon lumineux. Ces moyens transmettent le rayon de la source lumineuse vers le détecteur lorsque le capteur est hors du liquide et le rayon est réfracté lorsque le capteur est dans le liquide.
Des moyens électroniques permettent de transmettre les informations reçues des capteurs vers une jauge d'indication de niveau d'huile.
Le but de l'invention est de fournir un dispositif indicateur de niveau dans un réservoir de gaz de pétrole liquéfié, qui soit d'une structure compacte, qui ne comporte pas de pièces en mouvement, qui possède une
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grande fiabilité, et qui puisse être associé à des fonctions de sécurité complémentaires, telles qu'arrêt du remplissage lorsqu'un certain niveau est atteint, ou interdiction de remplissage si le moteur du véhicule fonctionne.
Elle propose d'utiliser des détecteurs optiques utilisant un principe de détection par différence des indices de réfraction entre un liquide et un gaz.
A cet effet, le dispositif qu'elle concerne comprend :
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- un ensemble de capteurs optiques montés sur un support, décalés verticalement les uns par rapport aux autres et disposés à l'intérieur du réservoir en étant répartis sur la hauteur de celui-ci, chaque capteur comprenant une source lumineuse et un récepteur, et - des moyens d'alimentation des sources lumineuses des différents capteurs, et de traitement des informations reçues par les différents récepteurs et de transmission à une jauge de visualisation du niveau de gaz liquéfié.
Selon l'invention, le support et les capteurs placés sur celui-ci sont noyés dans une résine synthétique sensiblement transparente aux faisceaux lumineux émis par les sources lumineuses et la surface de la résine, face aux capteurs, est telle qu'un faisceau émis par la source lumineuse correspondante est réfléchi vers le récepteur associé.
Cette forme de réalisation permet t'utilisation de capteurs optiques dans un réservoir de Gaz de Pétrole Liquéfié (GPL), dans lequel les conditions ambiantes sont particulièrement sévères. La résine permet de sceller l'ensemble de la sonde en une pièce rigide monobloc et d'obtenir une excellente isolation électrique entre les composants et le GPL.
Le niveau de gaz à l'intérieur du réservoir est obtenu en traitant les informations reçues par les différents récepteurs, étant rappelé que les récepteurs qui sont en phase gazeuse reçoivent chacun un faisceau émis par la source lumineuse correspondante, tandis que les autres récepteurs, c'est-à-dire ceux immergés dans le gaz liquide ne reçoivent pas cette information.
Suivant une forme d'exécution de ce dispositif, chaque source lumineuse est constituée par une diode qui émet un faisceau lumineux dans le visible ou l'infrarouge et chaque récepteur est constitué par une cellule photoélectrique ou un photothyristor.
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La résine utilisée est par exemple une résine époxy. Une telle résine possède alors un indice de réfraction proche de celui du GPL en phase liquide.
Si un capteur est en phase gazeuse, le faisceau émis est réfléchi vers le récepteur correspondant, car l'indice du gaz, proche de 1, est optiquement très inférieur à l'indice de la résine.
Si le capteur est en phase liquide, le faisceau émis par la source est essentiellement diffusé dans le liquide, car les indices de réfraction du liquide et de la résine sont proches, environ 1,3 à 1,4. Toutefois, une faible partie du faisceau peut être réfléchie vers le récepteur, mais la sensibilité de celui-ci ne lui permet pas d'être impressionné par ce faible faisceau.
La section de la couche de résine recouvrant les capteurs n'est pas imposée, l'essentiel étant que le trajet optique permette, par réflexion sur la paroi intérieure de la résine, le transfert du faisceau de la source lumineuse vers le capteur. Cependant, la source lumineuse et le récepteur d'un même capteur seront avantageusement très proches l'un de l'autre et la surface de la résine face au capteur intégrant cette source et ce capteur sera alors parallèle au capteur et à son support.
Dans une variante de réalisation, le support est monté dans un fourreau servant d'enveloppe extérieure à la résine et sensiblement transparent aux faisceaux lumineux émis par les sources lumineuses. Ce fourreau est par exemple réalisé en polycarbonate. L'indice de réfraction du matériau constituant le fourreau sera choisi le plus proche possible de l'indice de la résine et du GPL en phase liquide.
Le fourreau présente de préférence une section en U. Chaque branche du U présente alors par exemple sur sa face intérieure une rainure longitudinale, les deux rainures étant destinées à recevoir le support des capteurs de telle sorte que celui-ci soit parallèle à la base du fourreau. On positionne ainsi parfaitement le support des capteurs dans le fourreau et on arrive à réaliser un bon parallélisme entre la base du fourreau plane et le support plan des capteurs. Bien entendu, d'autres surfaces que des surfaces planes peuvent être envisagées pour la base et le support, mais la forme plane présente l'avantage d'être plus facilement réalisable.
Pour adapter la sonde sur le réservoir contenant le GPL, le support, la résine et éventuellement le fourreau sont montés en butée dans
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une tête de fixation destinée à être fixée sur le réservoir. La tête de fixation est par exemple une tête métallique munie d'un joint torique et fixée à l'aide de vis sur le réservoir. Ainsi, cette tête peut être montée dans l'emplacement habituel prévu pour une jauge mécanique à flotteur traditionnelle, par l'intermédiaire de quatre vis fixées au réservoir.
Pour assurer la liaison électrique entre les capteurs de la sonde et l'extérieur du réservoir, un passe-fils isolant est avantageusement assemblé dans la tête de fixation.
Suivant une forme avantageuse d'exécution de ce dispositif, le support sur lequel sont montés les capteurs est constitué par un circuit imprimé.
Suivant une forme d'exécution préférée de ce dispositif, les moyens d'alimentation des sources lumineuses et de traitement des informations comprennent un micro-processeur ou un micro-contrôleur.
Sachant que le dispositif de mesure de niveau ne délivre que des mesures discrètes, c'est-à-dire non continues, il est préférable d'éviter que l'aiguille de la jauge ne descende par palier à chaque changement d'état d'un capteur. A cet effet, les moyens de traitement des informations effectuent un lissage de la valeur du déplacement de la jauge entre les mesures correspondant à deux capteurs adjacents, en simulant des mesures intermédiaires entre deux points de mesure réels, par interpolation d'une consommation moyenne de gaz pendant une durée moyenne.
Afin d'éviter de prendre en compte tous les changements d'état parasites des capteurs, qui ne représentent pas le niveau réel du liquide, en raison de l'aspersion de gouttelettes, de vaguelettes dues aux mouvements du véhicule, ou de l'inclinaison du véhicule, les moyens de traitement des informations comprennent un filtrage des changements d'état des capteurs en intégrant une notion de durée pendant laquelle la détection ne doit pas varier pour être validée. Cette durée peut être d'un temps relativement court d'une durée de l'ordre de quelques secondes selon le niveau de sensibilité recherché.
Suivant une caractéristique avantageuse de l'invention, dans le cas de l'équipement d'un réservoir pour véhicule automobile, les moyens de traitement des informations sont reliés d'une part au boîtier de contact de l'alimentation électrique du moteur du véhicule et d'autre part à une électrovanne disposée sur le dispositif de remplissage du réservoir, pour ne
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permettre l'ouverture de l'électrovanne que si le moteur est arrêté et si le niveau est inférieur à un niveau déterminé, de l'ordre de 80 % du remplissage maximal du réservoir, correspondant à la position du capteur le plus haut.
Le dispositif selon l'invention intègre donc des fonctions de sécurité essentielles. Il faut remarquer que, dans les équipements existant actuellement, l'arrêt du remplissage est réalisé de façon mécanique par l'intermédiaire d'un flotteur, avec les mêmes inconvénients que ceux qui ont été présentés précédemment dans le cas de la jauge.
Afin d'assurer une excellente sécurité au dispositif les moyens de traitement des informations possèdent par exemple une fonction de test de tous les capteurs optiques ainsi que des différents composants électroniques sensibles à d'éventuelles perturbations.
Pour des raisons de sécurité, en cas de défaut du capteur de remplissage maximal, ses fonctions sont transférées automatiquement au capteur situé immédiatement en dessous, ou bien l'électrovanne de remplissage est maintenue en position fermée.
Les moyens de traitement des informations comprenant un microcontroleur ou un microprocesseur peuvent également être mis en oeuvre pour limiter les énergies électriques mises en jeu pendant les durées de non-utilisation, c'est-à-dire lorsque le véhicule est arrêté, ou pour le maintien de la commande de l'électrovanne en position de remplissage. Il est possible de réaliser un interfaçage de ces moyens de traitement des informations avec le système d'injection électronique du carburant en vue d'améliorer les performances et la sécurité du véhicule.
De toute façon l'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemples non limitatifs, plusieurs formes d'exécution de ce dispositif.
Figure 1 est une vue d'un réservoir de gaz de pétrole liquéfié d'un véhicule, équipé d'un dispositif selon l'invention ainsi que ses liaisons à différents organes du véhicule ;
Figures 2 et 3 sont deux vues en coupe transversale d'un capteur optique respectivement en dehors et à l'intérieur de gaz de pétrole liquéfié, selon les lignes 11-il et ttt-ttt de figure 1 ;
Figures 4 et 5 sont deux vues respectivement en position
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éclatée et en position montée d'un dispositif indicateur de niveau selon l'invention ;
Figure 6 est une vue en perspective éclatée d'un dispositif selon l'invention et d'une tête de fixation correspondante ;
Figure 7 est une vue en coupe transversale passant par un capteur ;
et
Figure 8 en est une vue en perspective éclatée à échelle agrandie de l'extrémité libre du dispositif de la figure 6.
La figure 1 représente un réservoir 2 de gaz de pétrole liquéfié destiné à équiper un véhicule automobile. Le gaz liquide contenu dans le réservoir est désigné par la référence 3, et est surmonté par un volume gazeux 4. Ce réservoir est équipé d'un dispositif de remplissage 5, connu en soi, sur lequel est disposée une électrovanne 6 actionnant un clapet 7 permettant ou non le remplissage du réservoir, en fonction de sa position.
Le dispositif indicateur de niveau comprend une barrette 8 qui, dans la forme d'exécution représentée au dessin, est disposée verticalement à l'intérieur du réservoir. Cette barrette est équipée d'un ensemble de capteurs 9, dont chacun comprend une source lumineuse 10 constituée par exemple une diode émettant un faisceau lumineux dans le visible ou l'infrarouge, et un récepteur 12 constitué par une cellule photoélectrique ou un photothyristor. La barrette 8 est constituée par exemple par un circuit imprimé. Les différents capteurs 9 sont fixés sur la barrette 8 qui sert de support et noyés dans une résine 13 synthétique, possédant un indice de réfraction proche de l'indice de réfraction du gaz liquide. Dans la forme d'exécution représentée aux figures 2 et 3, les axes optiques de la source lumineuse 10 et du récepteur correspondant 12 sont parallèles.
La source 10 et le récepteur sont très proches l'un de l'autre et la surface de la résine 13 face au capteur 9 est parallèle au support 8 formé par le circuit imprimé plan. Ainsi, par réflexion, le faisceau lumineux de la source 10 est transmis au récepteur 12. Lorsqu'un capteur se trouve dans la phase gazeuse 4, il se produit, comme montré à la figure 2, une réflexion quasi totale du faisceau lumineux 10 vers le récepteur 12, dans la mesure où l'indice de réfraction du gaz 4 est très inférieur à l'indice de la résine.
Au contraire, si l'on considère un capteur représenté à la figure 3 et correspondant à la ligne de coupe ttt-ttt de la figure 1, qui est immergé dans du gaz liquide, la majeure partie du faisceau lumineux émis par la source 12
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est difracté à l'intérieur du gaz liquide 3, dans la mesure où les indices de réfraction du liquide et de la résine 13 sont très proches.
L'analyse des signaux émis par les différents récepteurs 12 des capteurs 9 permet par détermination des capteurs immergés et de ceux qui ne le sont pas, de mesurer le niveau de liquide.
Comme montré aux figures 4 à 8, une solution pour réaliser un dispositif indicateur de niveau consiste à introduire une barrette 8 équipée des capteurs 9 à l'intérieur d'un fourreau 16 formant gouttière en U. Ce fourreau 16 est ensuite rempli d'une matière synthétique transparente au faisceau lumineux, ce qui permet de parfaitement isoler les capteurs 9 ainsi que leurs moyens d'alimentation et de prise d'informations vis-à-vis des fluides liquides et gazeux contenus dans le réservoir 2. Cette matière synthétique est par exemple une résine époxy.
Le fourreau 16 est une pièce profilée présentant une section en U. Ce fourreau présente donc deux branches 23 et une base 24. A l'intérieur de chaque branche 23, est réalisée une rainure 25 s'étendant longitudinalement sur toute la longueur du fourreau 16. Les deux rainures 25 sont telles qu'elles permettent le coulissement et le guidage du circuit imprimé support 8 et permettent un positionnement de ce circuit imprimé plan parallèlement à la base 24 du fourreau. Ce dernier est par exemple réalisé en polycarbonate. Le circuit imprimé 8 est glissé dans le fourreau 16 de telle sorte que les capteurs 9 se trouvent face à la base du fourreau et soient parfaitement parallèles à celle-ci.
Ce montage étant réalisé, le fourreau est introduit en butée dans une texte de fixation 26. Il s'agit d'une tête de fixation métallique qui s'intègre avec un joint torique non représenté dans l'emplacement habituellement prévu pour recevoir une jauge mécanique à flotteur traditionnelle, par l'intermédiaire de quatre vis fixées au réservoir. Cette tête métallique 26 supporte les efforts de poussée dus à la pression du GPL dans le réservoir 2. Une cavité 27 reprenant la forme du fourreau est prévue dans la tête de fixation 26 de telle sorte que le fourreau soit arrêté en translation lors de la poussée de la pression gazeuse. Un trou d'accroche 32 est prévu pour la fixation du fourreau 16 sur la tête de fixation 26.
Un passe-fils isolant 28 dans lequel sont insérées des broches métalliques 29 est assemblé dans la tête de fixation 26 qui offre un
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passage débouchant aux broches. Ainsi, des broches mâles dépassent de la tête 26 à !'extérieur du réservoir. Elles sont accouplées à un boîtier électronique 17 qui sera décrit plus loin. Ce couplage au boîtier électronique 17 est réalisé par exemple à l'aide d'une broche femelle non représentée ou à des fils soudés sur les broches mâles puis imprégnés de résine époxy pour sceller l'ensemble.
Après assemblage de tous les éléments, la sonde est placée horizontalement pour être imprégnée de résine époxy par simple coulée par gravitation. Cette résine est judicieusement choisie pour être transparente au faisceau émis et être compatible avec le GPL, tout en gardant de bonnes caractéristiques mécaniques de dureté, d'isolation électrique et de tenue thermique après polymérisation. Comme représenté sur la figure 8, pour permettre la coulée de la résine, on vient placer à l'extrémité du fourreau 16 opposée à la tête de fixation 26 un couvercle 30 qui ferme l'extrémité du fourreau de manière étanche. Un jeu subsiste entre le support 8 et le couvercle 30 pour permettre un passage de la résine époxy de part et d'autre du support 8.
La goulotte ainsi formée est totalement imprégnée à l'horizontale. Après polymérisation, la résine scelle l'ensemble en une pièce rigide monobloc et permet d'isoler électriquement les courants électriques du GPL. En outre, la résine assure une étanchéité parfaite du fourreau et du passe-fils sur la tête de la sonde.
Ce procédé de coulée à l'horizontale permet de limiter fortement l'apparition de micro-bulles au sein de la résine, ces bulles pouvant perturber le chamin optique d'un faisceau lumineux émis par une source lumineuse 10 d'un capteur 9.
Les sources lumineuses 10 étant très proches des récepteurs 12, la base 24 du fourreau 16 doit être plane. La distance entre les capteurs 9 et la base 24 du fourreau, c'est-à-dire l'épaisseur de la couche de résine 13 recouvrant les capteurs 9, doit être minimisée afin de dévier le moins possible le chemin optique jusqu'à la surface plane.
Pour perturber le moins possible la transmission du faisceau optique, il est pensable de retirer le fourreau pour n'avoir alors plus qu'un bloc de résine 13 entourant le support 8 et les capteurs 9. En effet, la présence du fourreau, même si l'indice de réfraction de la résine et de la matière constituant le fourreau sont très proches (environ de 1,5 à 1,6), la
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présence d'un dioptre entre la résine et le fourreau dévie le faisceau lumineux. Il est donc préférable de supprimer ce dioptre. On retrouve alors une forme de réalisation telle que représentée sur la figure 7 qui montre en coupe transversale une sonde sans fourreau. On retrouve donc comme montré sur les figures 2 et 3 un support 8 portant des capteurs 9 noyés dans un bloc de résine 13.
Comme montré à la figure 1, la barrette 8 est associée au boîtier électronique 17. Ce boîtier est relié notamment à la batterie 18 du véhicule, au boîtier de contact 19 permettant l'alimentation électrique du moteur, à la jauge 20 de niveau de carburant intégrée au tableau de bord du véhicule, ainsi qu'au système électronique d'injection du moteur 22. Le boîtier électronique qui peut comprendre un micro-processeur ou un microcontrôleur assure l'alimentation des diodes 10 formant sources de lumière, à partir de la batterie 10. Le boîtier 17 assure différentes fonctions de traitement des informations dans un sens de lecture du niveau de gaz liquide à l'intérieur du réservoir et dans un sens de sécurité de l'installation.
C'est ainsi que la sonde ne délivre que des mesures discontinues. Afin d'éviter que l'aiguille de la jauge 20 ne descende par palier à chaque changement d'état d'un capteur, il est procédé à un lissage permettant une descente continue de l'aiguille en simulant des mesures intermédiaires entre deux points de mesure réelle, avec interpolation d'une consommation moyenne de gaz pendant une durée moyenne. Le lissage est réajusté lors du changement d'état de chaque capteur.
Le boîtier 17 assure également le filtrage de changements d'état instantanés des capteurs, en intégrant une notion de durée pendant laquelle la détection ne doit pas varier pour être validée.
Le capteur situé le plus bas, lorsqu'il est découvert par le liquide, fournit au boîtier électronique 17 une information permettant à celui-ci, par exemple de commander le basculement automatique de l'alimentation du moteur par de l'essence.
Pour des raisons de sécurité et notamment pour permettre une augmentation de pression de la phase gazeuse lors d'une élévation de température, le remplissage du réservoir ne doit pas dépasser 80 % de la contenance totale de celui-ci. Il est donc possible de disposer d'un capteur de niveau maximal qui, lorsqu'il est activé par la présence d'un niveau liquide, fournit au boîtier électronique une information permettant à celui-ci
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de commander l'électrovanne 6 pour assurer la fermeture du dispositif de remplissage. Le boîtier électronique 17 est également relié au boîtier de contact 19 afin d'éviter que le remplissage du réservoir puisse être réalisé si le moteur du véhicule est en fonctionnement.
Les capteurs 9 sont implantés à des intervalles judicieusement choisis selon la forme du réservoir. Ils sont ainsi plus rapprochés dans le fond du réservoir pour augmenter la précision des mesures lorsque le niveau de liquide approche de la "réserve". De plus, cette implantation non régulière des capteurs permet de conserver à l'identique la partie électronique de traitement du signal quel que soit le type de réservoir. La sonde optique proprement dite (les capteurs 9 imprégnés de résine) est spécifique à chaque type de réservoir, alors que le module de traitement du signal (interprétation des mesures, lissage, commande des actionneurs, renvoi au tableau de bord...) reste commun à tous les modèles, ce qui en réduit considérablement les coûts de fabrication.
Le boîtier électronique 17 assure enfin un auto contrôle des capteurs, avec fourniture d'un signal si l'un des capteurs est défaillant. Si le capteur de remplissage maximal est défaillant, ses fonctions sont immédiatement transférées sur le capteur disposé immédiatement en dessous. Selon une autre possibilité, le microcontroleur ou le microprocesseur peut interdire tout nouveau remplissage tant que ce capteur est défaillant, par maintien en position fermée de l'électrovanne.
L'arrêt du moteur provoque l'ouverture de l'électrovanne associée au dispositif de remplissage pendant un temps t. Si le capteur de remplissage maximal à 80 % ou le démarreur du moteur ne sont pas sollicités pendant cette durée t, un dispositif de temporisation entraîne la fermeture de l'électrovanne.
Comme il ressort de ce qui précède, l'invention apporte une grande amélioration à la technique existante, en fournissant un dispositif indicateur de niveau dans un réservoir de gaz de pétrole liquéfié, de structure compacte, ne possédant pas de pièce en mouvement, qui n'est pas influencé par les variations normales de pression ou de température, de 0 à 30 bars et de moins 20 C à plus 65 C, tout en possédant une excellente précision et une excellente fiabilité.
Comme il va de soi l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de ce dispositif décrites ci-dessus à titre d'exemple, elle
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en embrasse au contraire toutes les variantes. C'est ainsi notamment que le nombre de capteurs pourrait être différent, que leur positionnement à l'intérieur du réservoir pourrait être différent, ou encore que la forme du fourreau associé aux capteurs pourrait être différente, sans que l'on sorte pour autant du cadre de l'invention.