EP3977065A1 - Dispositif de mesures capacitives d'une hauteur d'un fluide dans un reservoir - Google Patents

Dispositif de mesures capacitives d'une hauteur d'un fluide dans un reservoir

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Publication number
EP3977065A1
EP3977065A1 EP20740361.9A EP20740361A EP3977065A1 EP 3977065 A1 EP3977065 A1 EP 3977065A1 EP 20740361 A EP20740361 A EP 20740361A EP 3977065 A1 EP3977065 A1 EP 3977065A1
Authority
EP
European Patent Office
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longitudinal direction
capacitors
fluid
geometric patterns
along
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP20740361.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Pierre Thibault
Alexandre Delorme
Alix DUCLOS
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kapflex
Original Assignee
Kapflex
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Filing date
Publication date
Application filed by Kapflex filed Critical Kapflex
Publication of EP3977065A1 publication Critical patent/EP3977065A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/26—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields
    • G01F23/263—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields by measuring variations in capacitance of capacitors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
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    • G01F23/263—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields by measuring variations in capacitance of capacitors
    • G01F23/266—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields by measuring variations in capacitance of capacitors measuring circuits therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01F23/26—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields
    • G01F23/263—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields by measuring variations in capacitance of capacitors
    • G01F23/268—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields by measuring variations in capacitance of capacitors mounting arrangements of probes

Definitions

  • the invention relates to the technical field of devices for capacitive measurement of a height of fluid in a reservoir. More specifically, the invention relates to so-called compensation devices, making it possible to measure the height of the fluid without knowing precisely the dielectric permittivity of the fluid.
  • the invention finds its application in particular in the measurement of a height of fluid in a mobile tank belonging to a mobile transport device (e.g. automobile, aircraft, boat), or in a fixed tank used in an industrial process.
  • a mobile transport device e.g. automobile, aircraft, boat
  • Measuring the height of the fluid in a tank is an important issue in terms of safety and economically, for example to prevent breakdowns due to a lack of fuel supply or to anticipate the need to replenish the tank for commissioning. implementation of an industrial process.
  • a device known from the state of the art, in particular from document WO 99/10714 is a device for capacitive measurements of a height of a fluid in a reservoir, the fluid having a free surface, the device comprising a pair of capacitors extending in a longitudinal direction, intended to be parallel to the normal to the free surface of the fluid; the pair of capacitors comprising:
  • a first capacitor comprising a first pair of electrodes forming first geometric patterns defining a first linear electric capacitance varying in the longitudinal direction;
  • a second capacitor opposite the first capacitor, and comprising a second pair of electrodes forming second geometric patterns defining a second linear electric capacitance varying in the longitudinal direction.
  • the first and second geometric patterns are arranged so that the first and second linear electrical capacities, integrated along the longitudinal direction, have a ratio which depends on the position of the fluid in the longitudinal direction and which is independent of the dielectric constant of the fluid.
  • the invention aims to remedy all or part of the aforementioned drawbacks.
  • the invention relates to a device for capacitive measurements of a height of a fluid in a reservoir, the fluid having a free surface, the device comprising at least one pair of capacitors extending in a longitudinal direction. , intended to be parallel to the normal to the free surface of the fluid; the or each pair of capacitors comprising:
  • a first capacitor comprising a first pair of electrodes forming first geometric patterns defining a first linear electric capacitance varying in the longitudinal direction;
  • the device being remarkable in that the first and second geometric patterns are arranged so that:
  • the first and second linear electrical capacities, integrated along the longitudinal direction, have a sum which depends on the position of the fluid in the longitudinal direction;
  • the first and second linear electric capacitors, integrated along the longitudinal direction, have a difference which is a constant for reference positions of the fluid along the longitudinal direction.
  • such a device makes it possible, thanks to such an arrangement of the first and second geometric patterns, to improve the precision of the measurement of the height of the fluid when the reservoir is almost full or almost empty.
  • the combination of the information of the sum and of the difference of the first and second linear electrical capacities, integrated along the longitudinal direction gives better measurement accuracy over the spatial extent of the reservoir (along the longitudinal direction), by choosing suitable reference positions, while maintaining a compensation device that does not require precise knowledge of the dielectric permittivity of the fluid.
  • the sum and the difference of the first and second linear electric capacities, integrated along the longitudinal direction can be easily measured, for example via an electronic circuit comprising a two-channel measuring system, with a differential mode.
  • opposite is meant that the first and second capacitors face each other in a direction perpendicular to the longitudinal direction.
  • fluid reference position is meant a position of interest (which one wishes to identify) of the fluid in the reservoir in the longitudinal direction, corresponding to a position located on a pair of capacitors in the longitudinal direction.
  • a position of interest may correspond to a fluid level indicating that the reserve has started, a fluid level indicating that the reservoir is full or half full, etc.
  • a reference position of the fluid can be predetermined geometrically, by arranging the first and second geometric patterns of the pair of capacitors so that the first and second linear electric capacitances, integrated in the longitudinal direction, have a difference which is a constant (preferably zero) for a predetermined position in the longitudinal direction. Said predetermined position defines the reference position.
  • the term “constant” is understood to mean that the difference between the first and second linear electrical capacities, integrated in the longitudinal direction, is independent of the position of the fluid in the longitudinal direction. In other words, the difference between the first and second linear electrical capacities, integrated along the longitudinal direction, does not vary for the reference positions, whatever the position of the fluid in the reservoir, whether the fluid is present or absent. of the tank.
  • the first and second geometric patterns are advantageously arranged so that the first and second linear electric capacitors, integrated along the longitudinal direction, have a difference which is zero for the reference positions of the fluid, whatever the position of the fluid in the reservoir. , whether the fluid is present or absent from the reservoir. Thus, it is easier to design the first and second geometric patterns independently of the nature of the fluid.
  • the device according to the invention may include one or more of the following characteristics.
  • the or each pair of capacitors comprises a median axis extending in a direction perpendicular to the longitudinal direction.
  • the first geometric patterns are arranged on either side of the median axis so as to form an axial symmetry along the median axis; and the second geometric patterns are arranged on either side of the median axis so as to form an axial symmetry along the median axis.
  • a first reference position of the fluid corresponding to a median position in the longitudinal direction (ie position on the median axis if the fluid is in contact with the device or position parallel to the median axis if the fluid is at a distance from the device)
  • distal is understood to mean the longitudinal position furthest from the center of the pair of capacitors. In the presence of a single pair of capacitors, the upper distal position corresponds to a fully filled reservoir.
  • the first geometric patterns and the second geometric patterns are arranged above the median axis so as to form a central symmetry; the first geometric patterns and the second geometric patterns are arranged below the median axis so as to form a central symmetry.
  • first and second linear electrical capacities integrated along the longitudinal direction, have a sum which is proportional to the position of the fluid in the longitudinal direction on either side of the median axis.
  • the first geometric patterns and the second geometric patterns are arranged above the median axis so that the first and second linear electric capacitors, integrated above the median axis along the direction longitudinal, have a difference which is a constant preferably zero; the first geometric patterns and the second geometric patterns are arranged below the median axis so that the first and second linear electric capacitors, integrated below the median axis in the longitudinal direction, have a difference which is a constant of zero preference.
  • the first and second linear electrical capacities, integrated along the longitudinal direction have a difference which is constant (possibly zero) for:
  • a first reference position of the fluid corresponding to a median position in the longitudinal direction (ie position on the median axis if the fluid is in contact with the device or position parallel to the median axis if the fluid is at a distance from the device)
  • distal is understood to mean the longitudinal position furthest from the center of the pair of capacitors. In the presence of a single pair of capacitors, the upper distal position corresponds to a fully filled reservoir.
  • the first and second geometric patterns are arranged so that the first and second linear electric capacitors, integrated along the longitudinal direction, have a difference which changes sign on either side of the axis. median.
  • an advantage obtained is to overcome ambiguities about the longitudinal position of the fluid relative to the median axis.
  • the first and second geometric patterns are arranged so that the first and second linear electric capacitors, integrated in the longitudinal direction, have a zero difference for at least two reference positions of the fluid in the longitudinal direction. .
  • the first and second geometric patterns are arranged so that the first and second linear electrical capacitors, integrated along the longitudinal direction, have a sum proportional to the position of the fluid along the longitudinal direction.
  • proportional is meant that there is a linear relationship between the sum of the first and second linear electrical capacities, integrated along the longitudinal direction, and the position of the fluid along the longitudinal direction.
  • the first and second capacitors are capacitors with interdigitated electrodes.
  • an advantage obtained is to be able to determine the dielectric permittivity of the fluid.
  • the device comprises a set of pairs of capacitors, each pair of capacitors having a length in the longitudinal direction; the set of pairs of capacitors being distributed along the longitudinal direction so that their length follows a geometric series.
  • the fact of distributing the set of pairs of capacitors along the longitudinal direction so that their length follows a geometric series makes it possible to spatially modulate the precision of the measurement of the height of the fluid in the longitudinal direction, at equal electrical capacity for each pair of capacitors.
  • the pairs of capacitors with the shortest lengths locally have better accuracy in measuring the height of the fluid than the pairs of capacitors with the longer lengths.
  • This type of configuration can be chosen, for example, if the targeted application seeks better precision when the tank is almost empty in order to predict the moment of replenishment.
  • the device comprises a set of pairs of capacitors distributed in the longitudinal direction periodically.
  • peripherally is meant that the first and second geometric patterns are repeated identically at a regular spatial interval in the longitudinal direction.
  • the device comprises a set of pairs of capacitors distributed in the longitudinal direction; the first and second geometric patterns of two adjacent pairs of capacitors are arranged so that: the sum of the first and second linear electrical capacities, integrated along the longitudinal direction, is a monotonic function along the longitudinal direction;
  • the difference of the first and second linear electrical capacities, integrated along the longitudinal direction, is constant in the longitudinal direction, preferably zero, for the reference positions of the fluid in the longitudinal direction.
  • the sensitivity of the pair of capacitors will be greater than the sum of the first and second linear electrical capacities, integrated in the longitudinal direction, is high.
  • This type of configuration can be chosen, for example, if the targeted application seeks better precision when the tank is almost empty in order to predict the moment of replenishment.
  • the device comprises a protective layer made of a dielectric material, preferably a plastic material, and arranged to cover the or each pair of capacitors.
  • an advantage obtained is to be able in particular to protect the electronic part of the device from the fluid.
  • the device comprises:
  • an advantage obtained is to easily produce the device on an industrial scale.
  • Another subject of the invention is a reservoir, comprising at least one device according to the invention, the or each pair of capacitors being arranged so as to generate an electric field inside the reservoir.
  • the reservoir contains a fluid, and comprises a side wall made of a dielectric material; the device is arranged inside the side wall, away from the fluid.
  • an advantage obtained is to do away with direct contact between the fluid and the device liable to cause damage.
  • the device according to the invention remains functional and reliable insofar as it does not require precise knowledge of the dielectric permittivity of the medium comprising the side wall and the fluid.
  • the device is mechanically protected from the outside environment thanks to the side wall.
  • the reservoir comprises a heating device, arranged in the reservoir for heating the fluid, the heating device comprising a metal part forming a mass; and the or each pair of capacitors is electrically connected to ground.
  • an advantage obtained is to simplify the earthing of the device.
  • the device is arranged at a distance from the fluid of between 0.05 mm and 25 mm, preferably between 4 mm and 6 mm.
  • Figure 1 is a partial schematic view, in exploded perspective, of a device according to the invention, illustrating a first embodiment of the device in a wall of a tank.
  • Figure 2 is a partial schematic view, in exploded perspective, of a device according to the invention, illustrating a second embodiment of the device in a wall of a tank.
  • Figure 3 is a schematic perspective view of a tank equipped with a device according to the invention.
  • Figure 4 is a schematic longitudinal sectional view of a first embodiment of a set of pairs of capacitors of a device according to the invention.
  • Figure 5 is a schematic longitudinal sectional view of a second embodiment of a set of pairs of capacitors of a device according to the invention.
  • Figure 6 is a schematic longitudinal sectional view, on an enlarged scale, of a pair of capacitors according to the first embodiment illustrated in Figure 4.
  • Figure 7 is a schematic view in longitudinal section, on an enlarged scale, of a pair of capacitors according to the second embodiment illustrated in Figure 5.
  • Figure 8 is a schematic view, in longitudinal section, of a set of pairs of capacitors distributed in the longitudinal direction periodically.
  • Figure 9 is a schematic view, in longitudinal section, of a set of pairs of capacitors distributed in the longitudinal direction so that their length follows a geometric series.
  • Figure 10 is a schematic view, in longitudinal section, of a set of pairs of capacitors of which the sum of the first and second linear electrical capacitances, integrated in the longitudinal direction, is a monotonic function in the longitudinal direction; the set of pairs of capacitors being arranged on either side of a separator.
  • Figure 11 is a view similar to Figure 10, in the absence of a separator.
  • Figure 12 is a partial schematic sectional view of a wall of a reservoir, illustrating a first embodiment of the device according to the invention.
  • Figure 13 is a partial schematic sectional view of a wall of a reservoir, illustrating a second embodiment of the device according to the invention.
  • Figure 14 is a graph representing on the abscissa the number of periods of a set of pairs of capacitors, and on the ordinate the electrical capacity (in pF) for the left capacitors (C L ) and for the right capacitors (C R ) .
  • Figure 15 is a graph showing on the x-axis the number of periods of a set of pairs of capacitors, and on the y-axis the difference in electrical capacity (in pF) between the left capacitors and the right capacitors.
  • An object of the invention is a device 1 for capacitive measurements of a height of a fluid in a reservoir 2, the fluid having a free surface, the device 1 comprising at least one pair of capacitors C i L , C i R extending in a longitudinal direction Z'- Z, intended to be parallel to the normal to the free surface of the fluid; the or each pair of capacitors C i L , C i R comprising: - a first capacitor C i L , (i corresponding to the i-th pair) comprising a first pair of electrodes forming first geometric patterns C i LB C i LT defining a first linear electric capacitance varying in the longitudinal direction Z'-Z ;
  • the first and second geometric patterns C i LB , C i LT ; C i RB , C i RT are arranged so that:
  • the first and second linear electrical capacities, integrated along the longitudinal direction Z'-Z, have a sum (denoted Si, i corresponding to the i-th pair) which depends on the position of the fluid in the longitudinal direction Z'-Z;
  • the first and second linear electric capacitors, integrated along the longitudinal direction Z'-Z have a difference (denoted D ;, i corresponding to the i-th couple) which is a constant (denoted K) for reference positions of the fluid along the longitudinal direction Z'-Z.
  • the or each pair of capacitors C i L , C i R advantageously comprises a median axis X'-X extending in a direction perpendicular to the longitudinal direction Z'-Z.
  • the first and second capacitors C i L , C i R are advantageously capacitors with interdigitated electrodes.
  • the device 1 advantageously comprises a set of pairs of capacitors G L , C i R , each pair of capacitors C i L , C i R having a length (denoted L) in the longitudinal direction Z'-Z.
  • the set of pairs of capacitors C i L , C i R is distributed along the longitudinal direction Z'-Z so that their length L; follows a geometric series:
  • the set of pairs of capacitors C i L , C i R is distributed in the longitudinal direction Z'-Z periodically.
  • the length L; of each pair of capacitors C i L , C i R is therefore constant in the longitudinal direction Z'-Z.
  • the device 1 advantageously comprises:
  • the printed circuit board 3 can be made from a material chosen from polyimide, FR-4 epoxy resin, cellulose paper.
  • the electrically conductive tracks can be made from a material chosen from Cu, Al, graphite, graphene.
  • the term “electrically conductive” is understood to mean that the tracks are made of a material having an electrical conductivity at 300 K greater than or equal to 1 S. cm 4 .
  • the device 1 advantageously comprises a protective layer 4 made of a dielectric material, preferably a plastic material, and arranged to cover the or each pair of capacitors C i L , C i R.
  • dielectric is meant that the material has an electrical conductivity at 300 K of less than or equal to 10 6 S. cm -1
  • the dielectric material in which the protective layer 4 is made can be an epoxy resin or a silicone paste.
  • the device 1 advantageously comprises a GND ground plane.
  • ground plane is understood to mean any means of obtaining a reference potential for the pair or pairs of capacitors C i L , C i R.
  • the device 1 advantageously comprises control electronics 10, configured to control the or each pair of capacitors C i L , C i R.
  • the control electronics 10 are electrically connected to the GND ground plane.
  • the control electronics 10 advantageously comprise a microcontroller.
  • the control electronics 10 advantageously comprises an electronic circuit configured to measure:
  • such measurements can be performed using the AD7746 component from the manufacturer "Analog Devices", which is a Sigma-Delta capacitive digital converter with a differential mode.
  • the device 1 advantageously comprises a connector 11, arranged to communicate the measurements carried out by the device 1.
  • the connector 11 may be a CAN (“Controller Area Network”) data bus.
  • the control electronics 10 include a wireless communication module, preferably chosen from Bluetooth, low-energy Bluetooth, RFID, Wifi, LoRa, SigFox technologies.
  • the electrodes of each pair of capacitors C i L , C i R may have a longitudinal section of rectangular shape or of chevron shape.
  • the first geometric patterns C i LB , C i LT are advantageously arranged on either side of the median axis X'-X so as to form an axial symmetry along the median axis X'-X.
  • the second geometric patterns C i RB , C i RT are advantageously arranged on either side of the median axis X'-X so as to form an axial symmetry along the median axis X'- X.
  • the first geometric patterns C i LT and the second geometric patterns C i RT are advantageously arranged above the median axis X'-X so as to form a central symmetry.
  • the first geometric patterns C i LB and the second geometric patterns C i RB are advantageously arranged below the median axis X'-X so as to form a central symmetry.
  • the first geometric patterns C i LT and the second geometric patterns C i RT are advantageously arranged above the median axis X'-X so that the first and second linear electric capacitors, integrated above the median axis X'-X along the longitudinal direction Z'-Z, have a difference which is a constant preferably zero.
  • the first geometric patterns C i LB and the second geometric patterns C i RB are advantageously arranged below the median axis X'-X so that the first and second linear electric capacitors, integrated below the median axis X'-X along the longitudinal direction Z'-Z, have a difference which is a constant preferably zero.
  • the first and second geometric patterns C i LB , C i LT ; C i RB , C i RT are advantageously arranged so that the first and second linear electrical capacitors, integrated along the longitudinal direction Z'-Z, have a difference which changes sign on either side of the median axis X '-X.
  • the set of pairs of capacitors C i L , C i R is distributed along the longitudinal direction Z'-Z periodically with a spatial period l, the measurement uncertainty on the height of the fluid is reduced to l / 2. It is possible to carry out an inventory of the quantity of fluid according to an accuracy of the total height of the
  • N is the number of pairs of capacitors C i L , C i R.
  • the first and second geometric patterns C i LB , C i LT ; C i RB , C i RT are advantageously arranged so that the first and second linear electrical capacitors, integrated along the longitudinal direction Z'-Z, have a zero difference for at least two reference positions of the fluid along the longitudinal direction Z ' -Z.
  • the first and second geometric patterns C i LB , C i LT ; C i RB , C i RT are advantageously arranged so that the first and second linear electrical capacitors, integrated along the longitudinal direction Z'-Z, have a sum proportional to the position of the fluid along the longitudinal direction Z'-Z.
  • the device 1 comprises a set of pairs of capacitors C i L , C i R distributed along the longitudinal direction Z'-Z; the first and second geometric patterns C i LB , C i LT ; C i RB , C i RT of two adjacent pairs of capacitors C i L , C i R are advantageously arranged so that:
  • the difference of the first and second linear electrical capacities, integrated along the longitudinal direction Z'-Z, is constant along the longitudinal direction Z'-Z, preferably zero, for the reference positions of the fluid along the longitudinal direction Z'- Z.
  • the monotonic function can be a linear function so that a first sub-sector can contain an electrical capacity, denoted C 0 , for a given spatial extension, then the second (higher) sub-sector can contain a higher electrical capacity (equal at b C 0 , b> 1) for the same given spatial extension.
  • One object of the invention is a reservoir 2 comprising at least one device 1 according to the invention, the or each pair of capacitors C i L , C i R being arranged so as to generate an electric field inside the reservoir 2.
  • the reservoir 2 can contain a fluid.
  • the reservoir 2 may include a side wall 20 made of a dielectric material.
  • the dielectric material is preferably a plastic material or a composite material.
  • the plastic material can be polyethylene.
  • the composite material can be a prepreg material comprising a matrix (or resin) impregnating a reinforcement.
  • the resin can be a thermosetting resin or a thermoplastic resin.
  • the device 1 is advantageously arranged inside the side wall 20, away from the fluid.
  • the side wall 20 separates the fluid from an external medium.
  • the side wall 20 is hollow and comprises two parts P1, P2 forming a closed cavity.
  • Such a hollow side wall 20 makes it possible to protect the device 1 from the external environment and from the fluid.
  • the device 1 advantageously comprises an energy recovery system, arranged inside the closed cavity, and configured to recover energy from an external source located in the external environment.
  • the energy recovery system is electrically connected to the microcontroller of the control electronics 10.
  • the energy is advantageously chosen from electromagnetic energy, mechanical energy and thermal energy.
  • the external source can be a generator induction, a thermoelectric generator, a piezoelectric system.
  • the external source may emit radio waves.
  • the external source is advantageously selected from:
  • NFC Near Field Communication
  • Bluetooth type signal BLE for “Bluetooth Low Energy” in English
  • Wifi signal at 2.4 GHz or 5 GHz.
  • the device 1 advantageously comprises storage means, arranged inside the closed cavity to store the energy recovered by the energy recovery system 4.
  • the storage means may include a battery or a supercapacitor (e.g. carbon-based).
  • the device 1 can be arranged outside the side wall 20.
  • the attachment of the device 1 to the outside of the side wall can be achieved by gluing or by thermoforming.
  • the reservoir 2 may include a heating device 5, arranged in the reservoir 2 to heat the fluid.
  • the heating device 5 may comprise a metallic part (for example made of stainless steel) forming a mass.
  • the or each torque condensadosC i L, i C R is preferably electrically grounded.
  • the setting to a common potential of the fluid and the control electronics 10 makes it possible to obtain measurements of the height of the fluid through a thick side wall 20, by measuring the electrical capacities by a three-wire method.
  • the capacitive measurement device 1 is advantageously arranged at a distance from the fluid of between 0.05 mm and 25 mm, preferably between 4 mm and 6 mm.
  • Such self-calibration will in particular be made possible insofar as the level of the fluid can vary, and that the various values associated with fixed points can be deduced and recorded.
  • Such values constitute calibration points for dynamically calibrating the device 1, for example using a Levenberg-Marcquardt type algorithm in order to model according to a simple law the relationship between the height of the fluid and the measured electrical capacity.
  • An artificial intelligence algorithm based on a learning system, could usefully complement this first approach.
  • the side wall 20 of the tank 2 can be formed by an extrusion blow molding process.
  • the device 1 is added to the mold (insert) before the blowing phase.
  • the addition of inserts to the blow mold can be done by robots at a rate that does not slow down the molding cycle of tank 2.
  • the side wall 20 of the reservoir 2 can be formed by an injection and blow molding process. It is possible to use a stake (the outer part P2 of the wall) to hold the device 1 in the blow mold.
  • the side wall 20 of the tank 2 can be formed by a rotational molding process where the device 1 is held in the mold using a support such as a canvas or a grid, the support being of preferably metallic.
  • FIGS. 14 and 15 An example of a measurement result is illustrated in FIGS. 14 and 15.
  • the device 1 is integrated inside a side wall 20 of the tank 2, with a thickness of the order of 5 mm.
  • the fluid is Adblue® liquid.
  • the electrical capacities of the first and second capacitors (left capacitance C L and right capacitance C R ) decrease with the height of the liquid, according to a total decrease of the order of 8 pF of dynamics over 29 pF, which is largely sufficient for an accurate measurement, while the magnitude of the difference
  • maximum is of the order of 0.45 pF, and may be adapted by the geometry of the electrodes.
  • FIG. 15 is indeed zero for the half-periods. The zeros of
  • D being multiple, it is advantageous to know at least approximately the dielectric properties of the fluid.
  • the device 1 if the height of the device 1 consists of N sub-periods of the same length, the device 1 will have around 2N + 1 zeros, and the dielectric properties will be advantageously known to typically better than

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Abstract

Dispositif de mesures capacitives d'une hauteur d'un fluide dans un réservoir, comportant au moins un couple de condensateurs (Ci L, Ci R), s'étendant suivant une direction longitudinale (Z'-Z), et comportant : - un premier condensateur (Ci L), formant des premiers motifs géométriques (Ci LB, Ci LT) définissant une première capacité électrique linéique; - un second condensateur (Ci R), opposé au premier condensateur (Ci L), et formant des seconds motifs géométriques (Ci RB, Ci RT) définissant une seconde capacité électrique linéique; les premiers et seconds motifs géométriques (Ci LB, Ci LT; Ci RB, Ci RT) étant agencés de sorte que : - les première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale (Z'-Z), possèdent une somme qui dépend de la position du fluide suivant la direction longitudinale (Z'-Z); - les première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale (Z'-Z), possèdent une différence qui est une constante pour des positions de référence du fluide suivant la direction longitudinale (Z'-Z).

Description

DISPOSITIF DE MESURES CAPACITIVES D’UNE HAUTEUR D’UN FLUIDE
DANS UN RESERVOIR
Domaine technique
L’invention se rapporte au domaine technique des dispositifs de mesures capacitives d’une hauteur de fluide dans un réservoir. Plus précisément, l’invention concerne des dispositifs dits de compensation, permettant de mesurer la hauteur de fluide sans connaître précisément la permittivité diélectrique du fluide.
L’invention trouve notamment son application dans la mesure d’une hauteur de fluide dans un réservoir mobile appartenant à un appareil de transport mobile (e.g. automobile, aéronef, bateau), ou dans un réservoir fixe utilisé dans un procédé industriel.
La mesure d’une hauteur de fluide dans un réservoir est un enjeu important en termes de sécurité et sur le plan économique, par exemple pour prévenir des pannes par manque d’alimentation en carburant ou anticiper les besoins en réapprovisionnement du réservoir pour la mise en œuvre d’un procédé industriel.
État de l’art
Un dispositif connu de l’état de la technique, notamment du document WO 99/ 10714 (ci- après Dl), est un dispositif de mesures capacitives d’une hauteur d’un fluide dans un réservoir, le fluide possédant une surface libre, le dispositif comportant un couple de condensateurs s’étendant suivant une direction longitudinale, destinée à être parallèle à la normale à la surface libre du fluide ; le couple de condensateurs comportant :
- un premier condensateur, comprenant un premier couple d’électrodes formant des premiers motifs géométriques définissant une première capacité électrique linéique variant suivant la direction longitudinale ;
- un second condensateur, opposé au premier condensateur, et comprenant un second couple d’électrodes formant des seconds motifs géométriques définissant une seconde capacité électrique linéique variant suivant la direction longitudinale.
Dans D1 (p.14, 1.3 ; p.15, 1.16), les premiers et seconds motifs géométriques sont agencés de sorte que les première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale, possèdent un ratio qui dépend de la position du fluide suivant la direction longitudinale et qui est indépendant de la constante diélectrique du fluide.
Un tel dispositif de l’état de la technique n’est pas entièrement satisfaisant dans la mesure où il ne permet pas de mesurer précisément la hauteur de fluide lorsque le réservoir est quasiment plein ou quasiment vide. En effet, de telles configurations nécessitent une précision quasi infinie sur la mesure pour obtenir une compensation fiable de la mesure en présence de faibles variations de permittivité diélectrique du fluide.
Exposé de l’invention
L’invention vise à remédier en tout ou partie aux inconvénients précités. A cet effet, l’invention a pour objet un dispositif de mesures capacitives d’une hauteur d’un fluide dans un réservoir, le fluide possédant une surface libre, le dispositif comportant au moins un couple de condensateurs s’étendant suivant une direction longitudinale, destinée à être parallèle à la normale à la surface libre du fluide ; le ou chaque couple de condensateurs comportant :
- un premier condensateur, comprenant un premier couple d’électrodes formant des premiers motifs géométriques définissant une première capacité électrique linéique variant suivant la direction longitudinale ;
- un second condensateur, opposé au premier condensateur, et comprenant un second couple d’électrodes formant des seconds motifs géométriques définissant une seconde capacité électrique linéique variant suivant la direction longitudinale ;
le dispositif étant remarquable en ce que les premiers et seconds motifs géométriques sont agencés de sorte que :
- les première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale, possèdent une somme qui dépend de la position du fluide suivant la direction longitudinale ;
- les première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale, possèdent une différence qui est une constante pour des positions de référence du fluide suivant la direction longitudinale.
Ainsi, un tel dispositif selon l’invention permet, grâce à un tel agencement des premiers et seconds motifs géométriques, d’améliorer la précision de la mesure de la hauteur de fluide lorsque le réservoir est quasiment plein ou quasiment vide. En effet, la combinaison des informations de la somme et de la différence des première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale, confère une meilleure précision de mesure sur l’étendue spatiale du réservoir (selon la direction longitudinale), en choisissant des positions de référence adaptées, tout en conservant un dispositif de compensation ne nécessitant pas de connaître précisément la permittivité diélectrique du fluide. Par ailleurs, la somme et la différence des première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale, peut être mesurée aisément, par exemple via un circuit électronique comportant un système de mesure à deux voies, avec un mode différentiel.
Définitions
- Par « opposé », on entend que les premier et second condensateurs se font face suivant une direction perpendiculaire à la direction longitudinale.
- Par « position de référence du fluide », on entend une position d’intérêt (que l’on souhaite identifier) du fluide dans le réservoir suivant la direction longitudinale, correspondant à une position localisée sur un couple de condensateurs suivant la direction longitudinale. A titre d’exemples non limitatifs, une position d’intérêt peut correspondre à un niveau de fluide indiquant que la réserve est entamée, un niveau de fluide indiquant que le réservoir est plein ou à moitié plein etc. Une position de référence du fluide peut être prédéterminée géométriquement, par agencement des premiers et seconds motifs géométriques du couple de condensateurs de sorte que les première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale, possèdent une différence qui est une constante (de préférence nulle) pour une position prédéterminée suivant la direction longitudinale. Ladite position prédéterminée définit la position de référence.
- Par « constante », on entend que la différence entre les première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale, est indépendante de la position du fluide suivant la direction longitudinale. En d’autres termes, la différence entre les première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale, ne varie pas pour les positions de référence, quelle que soit la position du fluide dans le réservoir, que le fluide soit présent ou absent du réservoir. Les premiers et seconds motifs géométriques sont avantageusement agencés de sorte que les première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale, possèdent une différence qui est nulle pour les positions de référence du fluide, quelle que soit la position du fluide dans le réservoir, que le fluide soit présent ou absent du réservoir. Ainsi, il est plus aisé de concevoir les premiers et seconds motifs géométriques indépendamment de la nature du fluide.
Le dispositif selon l’invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes. Selon une caractéristique de l’invention, le ou chaque couple de condensateurs comporte un axe médian s’étendant suivant une direction perpendiculaire à la direction longitudinale.
Selon une caractéristique de l’invention, les premiers motifs géométriques sont agencés de part et d’autre de l’axe médian de manière à former une symétrie axiale selon l’axe médian ; et les seconds motifs géométriques sont agencés de part et d’autre de l’axe médian de manière à former une symétrie axiale selon l’axe médian.
Ainsi, un avantage procuré est que les première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale, possèdent une différence qui est nulle pour :
- une première position de référence du fluide correspondant à une position médiane suivant la direction longitudinale (i.e position sur l’axe médian si le fluide est au contact du dispositif ou position parallèle à l’axe médian si le fluide est à distance du dispositif),
- une deuxième position de référence du fluide correspondant à une position distale supérieure suivant la direction longitudinale. Par « distale », on entend la position longitudinale la plus éloignée du centre du couple de condensateurs. En présence d’un seul couple de condensateurs, la position distale supérieure correspond à un réservoir entièrement rempli.
Selon une caractéristique de l’invention, les premiers motifs géométriques et les seconds motifs géométriques sont agencés au-dessus de l’axe médian de manière à former une symétrie centrale ; les premiers motifs géométriques et les seconds motifs géométriques sont agencés au-dessous de l’axe médian de manière à former une symétrie centrale.
Ainsi, un avantage procuré est que les première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale, possèdent une somme qui est proportionnelle à la position du fluide suivant la direction longitudinale de part et d’autre de l’axe médian.
Selon une caractéristique de l’invention, les premiers motifs géométriques et les seconds motifs géométriques sont agencés au-dessus de l’axe médian de sorte que les première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées au-dessus de l’axe médian suivant la direction longitudinale, possèdent une différence qui est une constante de préférence nulle ; les premiers motifs géométriques et les seconds motifs géométriques sont agencés au-dessous de l’axe médian de sorte que les première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées au-dessous de l’axe médian suivant la direction longitudinale, possèdent une différence qui est une constante de préférence nulle. Ainsi, un avantage procuré est que les première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale, possèdent une différence qui est constante (éventuellement nulle) pour :
- une première position de référence du fluide correspondant à une position médiane suivant la direction longitudinale (i.e position sur l’axe médian si le fluide est au contact du dispositif ou position parallèle à l’axe médian si le fluide est à distance du dispositif),
- une deuxième position de référence du fluide correspondant à une position distale supérieure suivant la direction longitudinale. Par « distale », on entend la position longitudinale la plus éloignée du centre du couple de condensateurs. En présence d’un seul couple de condensateurs, la position distale supérieure correspond à un réservoir entièrement rempli.
Selon une caractéristique de l’invention, les premiers et seconds motifs géométriques sont agencés de sorte que les première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale, possèdent une différence qui change de signe de part et d’autre de l’axe médian.
Ainsi, un avantage procuré est de s’affranchir des ambiguïtés sur la position longitudinale du fluide par rapport à l’axe médian.
Selon une caractéristique de l’invention, les premiers et seconds motifs géométriques sont agencés de sorte que les première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale, possèdent une différence nulle pour au moins deux positions de référence du fluide suivant la direction longitudinale.
Selon une caractéristique de l’invention, les premiers et seconds motifs géométriques sont agencés de sorte que les première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale, possèdent une somme proportionnelle à la position du fluide suivant la direction longitudinale.
Par « proportionnelle », on entend qu’il existe une relation linéaire entre la somme des première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale, et la position du fluide suivant la direction longitudinale.
Ainsi, un avantage procuré est de simplifier l’obtention de la mesure de la hauteur de fluide. Selon une caractéristique de l’invention, les premier et second condensateurs sont des condensateurs à électrodes interdigitées.
Ainsi, un avantage procuré est de pouvoir déterminer la permittivité diélectrique du fluide.
Selon une caractéristique de l’invention, le dispositif comporte un ensemble de couples de condensateurs, chaque couple de condensateurs possédant une longueur suivant la direction longitudinale ; l’ensemble de couples de condensateurs étant réparti suivant la direction longitudinale de sorte que leur longueur suit une série géométrique.
Ainsi, un avantage procuré est de cumuler :
- des mesures continues pour chaque couple de condensateurs donné ;
- des mesures discrètes entre chaque couple de condensateurs.
Le fait de répartir l’ensemble de couples de condensateurs suivant la direction longitudinale de sorte que leur longueur suit une série géométrique permet de moduler spatialement la précision de mesure de la hauteur de fluide selon la direction longitudinale, à capacité électrique égale pour chaque couple de condensateurs. Les couples de condensateurs avec les longueurs les plus faibles possèdent localement une meilleure précision de la mesure de la hauteur de fluide que les couples de condensateurs avec les longueurs les plus importantes. Ce type de configuration pourra être choisi par exemple si l’application visée recherche une meilleure précision lorsque le réservoir est quasi vide afin de prédire le moment de réapprovisionnement.
Selon une caractéristique de l’invention, le dispositif comporte un ensemble de couples de condensateurs réparti suivant la direction longitudinale de manière périodique.
Par « de manière périodique », on entend que les premiers et seconds motifs géométriques se répètent à l’identique selon un intervalle spatial régulier suivant la direction longitudinale.
Ainsi, un avantage procuré est de cumuler :
- des mesures continues pour chaque couple de condensateurs donné ;
- des mesures discrètes entre chaque couple de condensateurs.
En outre, une telle répartition périodique permet de faciliter la production industrielle du dispositif, et de pouvoir s’adapter aisément à des tailles différentes de réservoir.
Selon une caractéristique de l’invention, le dispositif comporte un ensemble de couples de condensateurs réparti suivant la direction longitudinale ; les premiers et seconds motifs géométriques de deux couples adjacents de condensateurs sont agencés de sorte que : - la somme des première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale, est une fonction monotone selon la direction longitudinale ;
- la différence des première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale, est constante selon la direction longitudinale, de préférence nulle, pour les positions de référence du fluide suivant la direction longitudinale.
Ainsi, un avantage procuré est de cumuler :
- des mesures continues pour chaque couple de condensateurs donné ;
- des mesures discrètes entre chaque couple de condensateurs.
En outre, il est rendu possible de moduler spatialement la précision de mesure de la hauteur de fluide selon la direction longitudinale. La sensibilité du couple de condensateurs sera d’autant plus grande que la somme des première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale, est élevée. Ce type de configuration pourra être choisi par exemple si l’application visée recherche une meilleure précision lorsque le réservoir est quasi vide afin de prédire le moment de réapprovisionnement.
Selon une caractéristique de l’invention, le dispositif comporte une couche de protection réalisée dans un matériau diélectrique, de préférence un matériau plastique, et agencée pour recouvrir le ou chaque couple de condensateurs.
Ainsi, un avantage procuré est de pouvoir notamment protéger du fluide la partie électronique du dispositif.
Selon une caractéristique de l’invention, le dispositif comporte :
- une carte de circuit imprimé,
- des pistes électriquement conductrices, agencées sur la carte de circuit imprimé, et formant le ou chaque couple de condensateurs.
Ainsi, un avantage procuré est de produire aisément le dispositif à l’échelle industrielle.
L’invention a également pour objet un réservoir, comportant au moins un dispositif conforme à l’invention, le ou chaque couple de condensateurs étant agencé de manière à générer un champ électrique à l’intérieur du réservoir.
Selon une caractéristique de l’invention, le réservoir renferme un fluide, et comporte une paroi latérale réalisée dans un matériau diélectrique ; le dispositif est agencé à l’intérieur de la paroi latérale, à distance du fluide. Ainsi, un avantage procuré est de s’affranchir d’un contact direct entre le fluide et le dispositif susceptible d’occasionner des dégradations. Le dispositif selon l’invention demeure fonctionnel et fiable dans la mesure où il ne nécessite pas de connaître précisément la permittivité diélectrique du milieu comportant la paroi latérale et le fluide. En outre, le dispositif se retrouve protégé mécaniquement du milieu extérieur grâce à la paroi latérale.
Selon une caractéristique de l’invention, le réservoir comporte un dispositif de chauffage, agencé dans le réservoir pour chauffer le fluide, le dispositif de chauffage comprenant une partie métallique formant une masse ; et le ou chaque couple de condensateurs est relié électriquement à la masse.
Ainsi, un avantage procuré est de simplifier la mise à la masse du dispositif.
Selon une caractéristique de l’invention, le dispositif est agencé à une distance du fluide comprise entre 0,05 mm et 25 mm, de préférence comprise entre 4 mm et 6 mm.
Ainsi, un avantage procuré est de conserver une précision satisfaisante de la mesure de hauteur de fluide.
Brève description des dessins
D’autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans l’exposé détaillé de différents modes de réalisation de l’invention, l’exposé étant assorti d’exemples et de références aux dessins joints.
Figure 1 est une vue schématique partielle, en perspective éclatée, d’un dispositif selon l’invention, illustrant un premier mode d’intégration du dispositif à une paroi d’un réservoir.
Figure 2 est une vue schématique partielle, en perspective éclatée, d’un dispositif selon l’invention, illustrant un deuxième mode d’intégration du dispositif à une paroi d’un réservoir.
Figure 3 est une vue schématique en perspective d’un réservoir équipé d’un dispositif selon l’invention.
Figure 4 est une vue schématique en coupe longitudinale d’un premier mode de réalisation d’un ensemble de couples de condensateurs d’un dispositif selon l’invention.
Figure 5 est une vue schématique en coupe longitudinale d’un deuxième mode de réalisation d’un ensemble de couples de condensateurs d’un dispositif selon l’invention.
Figure 6 est une vue schématique en coupe longitudinale, à l’échelle agrandie, d’un couple de condensateurs selon le premier mode de réalisation illustré à la figure 4. Figure 7 est une vue schématique en coupe longitudinale, à l’échelle agrandie, d’un couple de condensateurs selon le deuxième mode de réalisation illustré à la figure 5.
Figure 8 est une vue schématique, en coupe longitudinale, d’un ensemble de couples de condensateurs réparti suivant la direction longitudinale de manière périodique.
Figure 9 est une vue schématique, en coupe longitudinale, d’un ensemble de couples de condensateurs réparti suivant la direction longitudinale de sorte que leur longueur suit une série géométrique.
Figure 10 est une vue schématique, en coupe longitudinale, d’un ensemble de couples de condensateurs dont la somme des première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale, est une fonction monotone selon la direction longitudinale ; l’ensemble de couples de condensateurs étant agencé de part et d’autre d’une séparatrice.
Figure 11 est une vue analogue à la figure 10, en l’absence de séparatrice.
Figure 12 est une vue schématique partielle en coupe d’une paroi d’un réservoir, illustrant un premier mode d’intégration du dispositif selon l’invention.
Figure 13 est une vue schématique partielle en coupe d’une paroi d’un réservoir, illustrant un deuxième mode d’intégration du dispositif selon l’invention.
Figure 14 est un graphique représentant en abscisses le nombre de périodes d’un ensemble de couples de condensateurs, et en ordonnées la capacité électrique (en pF) pour les condensateurs de gauche (CL) et pour les condensateurs de droite (CR).
Figure 15 est un graphique représentant en abscisses le nombre de périodes d’un ensemble de couples de condensateurs, et en ordonnées la différence de capacité électrique (en pF) entre les condensateurs de gauche et les condensateurs de droite.
Exposé détaillé des modes de réalisation
Les éléments identiques ou assurant la même fonction porteront les mêmes références pour les différents modes de réalisation, par souci de simplification.
Un objet de l’invention est un dispositif 1 de mesures capacitives d’une hauteur d’un fluide dans un réservoir 2, le fluide possédant une surface libre, le dispositif 1 comportant au moins un couple de condensateurs Ci L,Ci R s’étendant suivant une direction longitudinale Z’- Z, destinée à être parallèle à la normale à la surface libre du fluide ; le ou chaque couple de condensateurs Ci L, Ci R comportant : - un premier condensateur Ci L, (i correspondant au i-ème couple) comprenant un premier couple d’électrodes formant des premiers motifs géométriques Ci LB Ci LT définissant une première capacité électrique linéique variant suivant la direction longitudinale Z’-Z ;
- un second condensateur Ci R, (i correspondant au i-ème couple), opposé au premier condensateur Ci L, et comprenant un second couple d’électrodes formant des seconds motifs géométriques Ci RB, Ci RT définissant une seconde capacité électrique linéique variant suivant la direction longitudinale Z’-Z.
Les premiers et seconds motifs géométriques Ci LB, Ci LT ; Ci RB, Ci RT sont agencés de sorte que :
- les première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale Z’-Z, possèdent une somme (notée Si, i correspondant au i-ème couple) qui dépend de la position du fluide suivant la direction longitudinale Z’-Z ;
- les première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale Z’-Z, possèdent une différence (notée D;, i correspondant au i-ème couple) qui est une constante (notée K) pour des positions de référence du fluide suivant la direction longitudinale Z’-Z.
Si l’on note z la position du fluide suivant la direction longitudinale Z’-Z et zref les positions de référence, on a :
Si(Z) = Ci LB (z ) + Ci LT (z ) + Ci RB (z) + Ci RT (z)
D(Z) = Ci LB (z ) + Ci LT (z ) + Ci RB (z) + Ci RT (z)
Di (Zref ) = K
Couple(s) de condensateurs
Le ou chaque couple de condensateurs Ci L, Ci R comporte avantageusement un axe médian X’-X s’étendant suivant une direction perpendiculaire à la direction longitudinale Z’-Z.
Les premier et second condensateurs Ci L, Ci R sont avantageusement des condensateurs à électrodes interdigitées.
Le dispositif 1 comporte avantageusement un ensemble de couples de condensateurs GL,Ci R, chaque couple de condensateurs Ci L, Ci R possédant une longueur (notée L) suivant la direction longitudinale Z’-Z.
Selon un premier mode de réalisation (illustré à la figure 9), l’ensemble de couples de condensateurs Ci L, Ci R est réparti suivant la direction longitudinale Z’-Z de sorte que leur longueur L; suit une série géométrique :
Li a i-1 * d ; a > 1 ; i Î [1; N] où a est la raison de la suite géométrique, d est la longueur du premier couple de condensateurs C1 L, C1 R, N est le nombre de couples de condensateurs Ci L, Ci R, i est le i-ème couple de condensateurs Ci L, Ci R. Les couples de condensateurs avec les longueurs les plus faibles (niveaux inférieurs) possèdent localement une meilleure précision de la mesure de la hauteur de fluide que les couples de condensateurs avec les longueurs les plus importantes (niveaux supérieurs). Cette modulation spatiale de la précision de mesure est utile pour à la fois :
- estimer avec précision le niveau restant dans un réservoir 2 et,
- prédire avec une bonne précision la date nécessaire à un réapprovisionnement, sous l’hypothèse d’une consommation de fluide constante ou prévisible avec le temps.
Ceci présente un avantage économique grâce à une meilleure gestion des réapprovisionnements, puisque, par extrapolation de la quantité ( hi+1 - hi)/ ( ti+1- ti)ou hi+1 (respectivement hi), sont les hauteurs restantes de fluide aux temps ti+1 (respectivement ti), il est possible - avec une incertitude moindre qu’une méthode basée sur l’expérience humaine seule - de connaître la date d’épuisement du fluide dans le réservoir 2. D’un point de vue mathématique, de tels points de mesure permettent à l’homme du métier de qualifier des modèles qu’il aura pu développer, et de réactualiser ses prévisions.
Selon un deuxième mode de réalisation (notamment illustré aux figures 4, 5 et 8), l’ensemble de couples de condensateurs Ci L, Ci R est réparti suivant la direction longitudinale Z’-Z de manière périodique. La longueur L; de chaque couple de condensateurs Ci L, Ci R est donc constante suivant la direction longitudinale Z’-Z.
Li = l;i Î [1; N]
où l est la période spatiale des couples de condensateurs Ci L, Ci R.
Le dispositif 1 comporte avantageusement :
- une carte 3 de circuit imprimé,
- des pistes électriquement conductrices, agencées sur la carte de circuit imprimé, et formant le ou chaque couple de condensateurs Ci L, Ci R.
La carte 3 de circuit imprimé peut être réalisée dans un matériau choisi parmi le polyimide, la résine époxy FR-4, un papier cellulosique. Les pistes électriquement conductrices peuvent être réalisées dans un matériau choisi parmi Cu, Al, le graphite, le graphène. Par « électriquement conductrices », on entend que les pistes sont réalisées dans un matériau présentant une conductivité électrique à 300 K supérieure ou égale à 1 S. cm4.
Le dispositif 1 comporte avantageusement une couche de protection 4 réalisée dans un matériau diélectrique, de préférence un matériau plastique, et agencée pour recouvrir le ou chaque couple de condensateurs Ci L, Ci R. Par « diélectrique », on entend que le matériau présente une conductivité électrique à 300 K inférieure ou égale à 106 S. cm-1 A titre d’exemples non limitatifs, le matériau diélectrique dans lequel est réalisée la couche de protection 4 peut être une résine époxy ou une pâte silicone.
Le dispositif 1 comporte avantageusement un plan de masse GND. Par « plan de masse », on entend tout moyen d’obtenir un potentiel de référence pour le ou les couples de condensateurs Ci L, Ci R.
Le dispositif 1 comporte avantageusement une électronique 10 de commande, configurée pour commander le ou chaque couple de condensateurs Ci L, Ci R. L’électronique 10 de commande est reliée électriquement au plan de masse GND. L’électronique 10 de commande comporte avantageusement un microcontrôleur. L’électronique 10 de commande comporte avantageusement un circuit électronique configuré pour mesurer :
A titre d’exemple non limitatif, de telles mesures peuvent être effectuées à l’aide du composant AD7746 du fabricant « Analog Devices », qui est un convertisseur capacitif numérique Sigma-Delta avec un mode différentiel.
Le dispositif 1 comporte avantageusement un connecteur 11, agencé pour communiquer les mesures effectuées par le dispositif 1. Le connecteur 11 peut être un bus de données CAN (« Controller Area Network » en langue anglaise). Selon une alternative, l’électronique 10 de commande comporte un module de communication sans-fil, de préférence choisi parmi les technologies Bluetooth, Bluetooth à basse énergie, RFID, Wifi, LoRa, SigFox.
Premiers et seconds motifs géométriques
A titre d’exemples non limitatifs, les électrodes de chaque couple de condensateurs Ci L,Ci R peuvent présenter une section longitudinale de forme rectangulaire ou en forme de chevron.
Les premiers motifs géométriques Ci LB, Ci LT sont avantageusement agencés de part et d’autre de l’axe médian X’-X de manière à former une symétrie axiale selon l’axe médian X’- X. Les seconds motifs géométriques Ci RB, Ci RT sont avantageusement agencés de part et d’autre de l’axe médian X’-X de manière à former une symétrie axiale selon l’axe médian X’- X. Les premiers motifs géométriques Ci LT et les seconds motifs géométriques Ci RT sont avantageusement agencés au-dessus de l’axe médian X’-X de manière à former une symétrie centrale. Les premiers motifs géométriques Ci LB et les seconds motifs géométriques Ci RB sont avantageusement agencés au-dessous de l’axe médian X’-X de manière à former une symétrie centrale.
Il en résulte que :
Les premiers motifs géométriques Ci LT et les seconds motifs géométriques Ci RT sont avantageusement agencés au-dessus de l’axe médian X’-X de sorte que les première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées au-dessus de l’axe médian X’-X suivant la direction longitudinale Z’-Z, possèdent une différence qui est une constante de préférence nulle. Les premiers motifs géométriques Ci LB et les seconds motifs géométriques Ci RB sont avantageusement agencés au-dessous de l’axe médian X’-X de sorte que les première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées au-dessous de l’axe médian X’-X suivant la direction longitudinale Z’-Z, possèdent une différence qui est une constante de préférence nulle.
Les premiers et seconds motifs géométriques Ci LB, Ci LT ; Ci RB, Ci RT sont avantageusement agencés de sorte que les première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale Z’-Z, possèdent une différence qui change de signe de part et d’autre de l’axe médian X’-X. Dans le cas où l’ensemble de couples de condensateurs Ci L, Ci R est réparti suivant la direction longitudinale Z’-Z de manière périodique avec une période spatiale l, l’incertitude de mesure sur la hauteur de fluide est réduite à l/2. Il est possible de réaliser un inventaire de la quantité de fluide selon une précision de de la hauteur totale du
dispositif 1, où N est le nombre de couples de condensateurs Ci L, Ci R.
Les premiers et seconds motifs géométriques Ci LB, Ci LT ; Ci RB, Ci RT sont avantageusement agencés de sorte que les première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale Z’-Z, possèdent une différence nulle pour au moins deux positions de référence du fluide suivant la direction longitudinale Z’-Z.
Les premiers et seconds motifs géométriques Ci LB, Ci LT ; Ci RB, Ci RT sont avantageusement agencés de sorte que les première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale Z’-Z, possèdent une somme proportionnelle à la position du fluide suivant la direction longitudinale Z’-Z.
Selon un mode de réalisation (illustré aux figures 10 et 11), le dispositif 1 comporte un ensemble de couples de condensateurs Ci L, Ci R réparti suivant la direction longitudinale Z’-Z ; les premiers et seconds motifs géométriques Ci LB, Ci LT ; Ci RB, Ci RT de deux couples adjacents de condensateurs Ci L, Ci R sont avantageusement agencés de sorte que :
- la somme des première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale Z’-Z, est une fonction monotone selon la direction longitudinale Z’-
Z ;
- la différence des première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale Z’-Z, est constante selon la direction longitudinale Z’-Z, de préférence nulle, pour les positions de référence du fluide suivant la direction longitudinale Z’-Z.
Ainsi, il est possible de réaliser un codage de l’information d’un sous-secteur (i.e. correspondant à l’étendue spatiale d’un couple de condensateurs Ci L, Ci R) par rapport à un sous-secteur adjacent, différencié. La fonctionne monotone peut être une fonction linéaire de sorte qu’un premier sous-secteur pourra contenir une capacité électrique, notée C0, pour une extension spatiale donnée, puis le deuxième sous-secteur (supérieur) pourra contenir une capacité électrique supérieure (égale à b C0, b>1) pour la même extension spatiale donnée.
Réservoir
Un objet de l’invention est un réservoir 2 comportant au moins un dispositif 1 conforme à l’invention, le ou chaque couple de condensateurs Ci L, Ci R étant agencé de manière à générer un champ électrique à l’intérieur du réservoir 2.
Le réservoir 2 peut renfermer un fluide. Le réservoir 2 peut comporter une paroi latérale 20 réalisée dans un matériau diélectrique. Le matériau diélectrique est de préférence un matériau plastique ou un matériau composite. Le matériau plastique peut être le polyéthylène. Le matériau composite peut être un matériau pré-imprégné, comprenant une matrice (ou résine) imprégnant un renfort. La résine peut être une résine thermodurcissable ou une résine thermoplastique.
Le dispositif 1 est avantageusement agencé à l’intérieur de la paroi latérale 20, à distance du fluide. La paroi latérale 20 sépare le fluide d’un milieu extérieur. Le cas échéant, la paroi latérale 20 est creuse et comporte deux parties P1, P2 formant une cavité fermée. Une telle paroi latérale 20 creuse permet de protéger le dispositif 1 du milieu extérieur et du fluide. Le dispositif 1 comporte avantageusement un système de récupération d’énergie, agencé à l’intérieur de la cavité fermée, et configurée pour récupérer une énergie provenant d’une source externe située dans le milieu extérieur. Le système de récupération d’énergie est relié électriquement au microcontrôleur de l’électronique 10 de commande. L’énergie est avantageusement choisie parmi une énergie électromagnétique, une énergie mécanique, une énergie thermique. A titre d’exemples non limitatifs, la source externe peut être un générateur à induction, un générateur thermoélectrique, un système piézoélectrique. La source externe peut émettre des ondes radioélectriques. Le cas échéant, la source externe est avantageusement sélectionnée parmi :
- un ordiphone muni d’un module de communication en champ proche (NFC pour « Near Field Communication » en langue anglaise),
- une antenne émettant un signal de type Bluetooth à basse énergie (BLE pour « B luetooth Low Energy » en langue anglaise), ou un signal Wifi à 2,4 GHz ou à 5 GHz.
Le dispositif 1 comporte avantageusement des moyens de stockage, agencés à l’intérieur de la cavité fermée pour stocker l’énergie récupérée par le système 4 de récupération d’énergie. A titre d’exemples non limitatifs, les moyens de stockage peuvent comporter une batterie ou un supercondensateur (e.g. à base de carbone).
Selon une alternative illustrée à la figure 12, le dispositif 1 peut être agencé à l’extérieur de la paroi latérale 20. La fixation du dispositif 1 à l’extérieur de la paroi latérale peut être réalisée par collage ou par thermoformage.
Le réservoir 2 peut comporter un dispositif de chauffage 5, agencé dans le réservoir 2 pour chauffer le fluide. Le dispositif de chauffage 5 peut comprendre une partie métallique (par exemple en acier inoxydable) formant une masse. Le ou chaque couple de condensateursCi L, Ci R est avantageusement relié électriquement à la masse. La mise à un potentiel commun du fluide et de l’électronique 10 de commande permet d’obtenir des mesures de hauteur de fluide à travers une paroi latérale 20 épaisse, en mesurant les capacités électriques par une méthode de type trois fils.
Le dispositif 1 de mesures capacitives est avantageusement agencé à une distance du fluide comprise entre 0,05 mm et 25 mm, de préférence comprise entre 4 mm et 6 mm.
Il est possible, à partir des mesures de S et D par le circuit électronique de l’électronique 10 de commande, de calculer une constante diélectrique effective incluant la paroi latérale 20 et le fluide en regard du sous-secteur correspondant (i.e. l’étendue spatiale du couple de condensateurs Ci L, Ci R en regard du fluide), de sorte que chaque sous-secteur possède sa propre loi d’étalonnage. Ainsi, il est possible de :
- corriger les variations d’épaisseur de la paroi 20 du réservoir 2 pour un fluide donné,
- d’adapter la sensibilité de chaque sous-secteur aux variations des propriétés du fluide.
Une telle auto-calibration sera en particulier rendue possible dans la mesure où le niveau du fluide pourra varier, et que pourront être déduites et enregistrées les différentes valeurs associées à des points fixes. De telles valeurs constituent des points d’étalonnage pour calibrer dynamiquement le dispositif 1, par exemple à l’aide d’un algorithme de type Levenberg- Marcquardt afin de modéliser selon une loi simple la relation entre la hauteur du fluide et la capacité électrique mesurée. Un algorithme d’intelligence artificielle, basé sur un système d’apprentissage, pourra utilement compléter cette première approche.
Procédé de fabrication
Lorsque le matériau diélectrique de la paroi latérale 20 du réservoir 2 est un matériau plastique de type thermoplastique, la paroi latérale 20 peut être formée par un procédé de moulage par extrusion-soufflage. Le dispositif 1 est ajouté dans le moule (insert) avant la phase de soufflage. L’ajout d’inserts dans le moule de soufflage peut s’effectuer par des robots à une cadence qui ne ralentit pas le cycle de moulage du réservoir 2.
Selon une alternative, la paroi latérale 20 du réservoir 2 peut être formée par un procédé de moulage par injection et soufflage. Il est possible d’utiliser un tuteur (la partie P2 externe de la paroi) afin de maintenir le dispositif 1 dans le moule de soufflage.
Selon une autre alternative, la paroi latérale 20 du réservoir 2 peut être formée par un procédé de rotomoulage où le dispositif 1 est maintenu dans le moule à l’aide d’un support tel qu’une toile ou une grille, le support étant de préférence métallique.
Résultats
Un exemple de résultat de mesure est illustré aux figures 14 et 15. Le dispositif 1 est intégré à l’intérieur d’une paroi latérale 20 du réservoir 2, d’une épaisseur de l’ordre de 5 mm. Le fluide est du liquide Adblue®. On constate que les capacités électriques des premiers et seconds condensateurs (capacité gauche CL et capacité droite CR) diminuent avec la hauteur de liquide, selon une décroissance totale de l’ordre de 8 pF de dynamique sur 29 pF, ce qui est largement suffisant pour une mesure précise, alors que l’amplitude de la différence | CL-CR | maximale est de l’ordre de 0,45 pF, et peut-être adapté par géométrie des électrodes. On constate à la figure 15 que est bien nul pour les demi-périodes. Les zéros de
D étant multiples, il est avantageux de connaître au moins approximativement les propriétés diélectriques du fluide. A titre indicatif, si la hauteur du dispositif 1 est constituée de N sous- périodes de même longueur, le dispositif 1 possédera de l’ordre de 2N+1 zéros, et les propriétés diélectriques seront avantageusement connues à typiquement mieux que
pour lever toute indétermination sur chaque niveau discret.
L’invention ne se limite pas aux modes de réalisation exposés. L’homme du métier est mis à même de considérer leurs combinaisons techniquement opérantes, et de leur substituer des équivalents.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (1) de mesures capacitives d’une hauteur d’un fluide dans un réservoir (2), le fluide possédant une surface libre, le dispositif (1) comportant au moins un couple de condensateurs (Ci L, Ci R) s’étendant suivant une direction longitudinale (Z’-Z), destinée à être parallèle à la normale à la surface libre du fluide ; le ou chaque couple de condensateurs (Ci L, GR) comportant :
- un premier condensateur (Ci L), comprenant un premier couple d’électrodes formant des premiers motifs géométriques ( Ci LB, Ci LT) définissant une première capacité électrique linéique variant suivant la direction longitudinale (Z’-Z) ;
- un second condensateur (Ci R), opposé au premier condensateur (Ci L), et comprenant un second couple d’électrodes formant des seconds motifs géométriques ( Ci RB, Ci RT ) définissant une seconde capacité électrique linéique variant suivant la direction longitudinale (Z’-Z) ; le dispositif étant caractérisé en ce que les premiers et seconds motifs géométriques ( Ci LB, Ci LT ; Ci RB, Ci RT ) sont agencés de sorte que :
- les première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale (Z’-Z), possèdent une somme qui dépend de la position du fluide suivant la direction longitudinale (Z’-Z) ;
- les première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale (Z’-Z), possèdent une différence qui est une constante pour des positions de référence du fluide suivant la direction longitudinale (Z’-Z).
2. Dispositif (1) selon la revendication 1, dans lequel le ou chaque couple de condensateurs (Ci L, Ci R) comporte un axe médian (X’-X) s’étendant suivant une direction perpendiculaire à la direction longitudinale (Z’-Z).
3. Dispositif (1) selon la revendication 2, dans lequel les premiers motifs géométriques ( Ci LB, Ci LT) sont agencés de part et d’autre de l’axe médian (X’-X) de manière à former une symétrie axiale selon l’axe médian (X’-X) ; et les seconds motifs géométriques ( Ci RB, Ci RT ) sont agencés de part et d’autre de l’axe médian (X’-X) de manière à former une symétrie axiale selon l’axe médian (X’-X).
4. Dispositif (1) selon la revendication 2 ou 3, dans lequel les premiers motifs géométriques ( Ci LT) et les seconds motifs géométriques ( Ci RT) sont agencés au-dessus de l’axe médian (X’-X) de manière à former une symétrie centrale ; les premiers motifs géométriques ( Ci LB) et les seconds motifs géométriques ( Ci RB) sont agencés au-dessous de l’axe médian (X’- X) de manière à former une symétrie centrale.
5. Dispositif (1) selon l’une des revendications 2 à 4, dans lequel les premiers motifs géométriques ( Ci LT) et les seconds motifs géométriques ( Ci RT) sont agencés au-dessus de l’axe médian (X’-X) de sorte que les première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées au-dessus de l’axe médian (X’-X) suivant la direction longitudinale (Z’-Z), possèdent une différence qui est une constante de préférence nulle ; les premiers motifs géométriques ( Ci LB) et les seconds motifs géométriques ( Ci RB) sont agencés au-dessous de l’axe médian (X’-X) de sorte que les première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées au-dessous de l’axe médian (X’-X) suivant la direction longitudinale, (Z’-Z) possèdent une différence qui est une constante de préférence nulle.
6. Dispositif (1) selon l’une des revendications 2 à 5, dans lequel les premiers et seconds motifs géométriques ( Ci LB, Ci LT ; Ci RB, Ci RT ) sont agencés de sorte que les première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale (Z’-Z), possèdent une différence qui change de signe de part et d’autre de l’axe médian (X’-X).
7. Dispositif (1) selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel les premiers et seconds motifs géométriques ( Ci LB, Ci LT ; Ci RB, Ci RT ) sont agencés de sorte que les première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale (Z’-Z), possèdent une différence nulle pour au moins deux positions de référence du fluide suivant la direction longitudinale (Z’-Z).
8. Dispositif (1) selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel les premiers et seconds motifs géométriques ( Ci LB, Ci LT ; Ci RB, Ci RT ) sont agencés de sorte que les première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale (Z’-Z), possèdent une somme proportionnelle à la position du fluide suivant la direction longitudinale (Z’-Z).
9. Dispositif (1) selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel les premier et second condensateurs (Ci L, Ci R) sont des condensateurs à électrodes interdigitées.
10. Dispositif (1) selon l’une des revendications 1 à 9, comportant un ensemble de couples de condensateurs (Ci L, Ci R), chaque couple de condensateurs (Ci L, Ci R) possédant une longueur (Li) suivant la direction longitudinale (Z’-Z) ; l’ensemble de couples de condensateurs (Ci L, Ci R) étant réparti suivant la direction longitudinale (Z’-Z) de sorte que leur longueur (D) suit une série géométrique.
11. Dispositif (1) selon l’une des revendications 1 à 9, comportant un ensemble de couples de condensateurs (Ci L, Ci R) réparti suivant la direction longitudinale (Z’-Z) de manière périodique.
12. Dispositif (1) selon l’une des revendications 1 à 9, comportant un ensemble de couples de condensateurs (Ci L, Ci R) réparti suivant la direction longitudinale (Z’-Z) ; les premiers et seconds motifs géométriques ( Ci LB, Ci LT ; Ci RB, Ci RT ) de deux couples adjacents de condensateurs (Ci L, Ci R) sont agencés de sorte que :
- la somme des première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale (Z’-Z), est une fonction monotone selon la direction longitudinale (Z’-
Z) ;
- la différence des première et seconde capacités électriques linéiques, intégrées suivant la direction longitudinale (Z’-Z), est constante selon la direction longitudinale (Z’-Z), de préférence nulle, pour les positions de référence du fluide suivant la direction longitudinale (Z’-Z).
13. Dispositif (1) selon l’une des revendications 1 à 12, comportant une couche de protection (4) réalisée dans un matériau diélectrique, de préférence un matériau plastique, et agencée pour recouvrir le ou chaque couple de condensateurs (Ci L, Ci R).
14. Dispositif (1) selon l’une des revendications 1 à 13, comportant :
- une carte (3) de circuit imprimé,
- des pistes électriquement conductrices, agencées sur la carte (3) de circuit imprimé, et formant le ou chaque couple de condensateurs (Ci L, Ci R).
15. Réservoir (2), comportant au moins un dispositif (1) selon l’une des revendications 1 à 14, le ou chaque couple de condensateurs (Ci L, Ci R) étant agencé de manière à générer un champ électrique à l’intérieur du réservoir (2).
16. Réservoir (2) selon la revendication 15, renfermant un fluide, et comportant une paroi latérale (20) réalisée dans un matériau diélectrique ; le dispositif (1) est agencé à l’intérieur de la paroi latérale (20), à distance du fluide.
17. Réservoir (2) selon la revendication 16, comportant un dispositif de chauffage (5), agencé dans le réservoir (2) pour chauffer le fluide, le dispositif de chauffage (5) comprenant une partie métallique formant une masse ; et le ou chaque couple de condensateurs (Ci L, Ci R) est relié électriquement à la masse.
18. Réservoir (2) selon la revendication 16 ou 17, dans lequel le dispositif (1) est agencé à une distance du fluide comprise entre 0,05 mm et 25 mm, de préférence comprise entre 4 mm et 6 mm.
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