FR2625313A1 - Jaugeur de niveau de reservoir a palpeur asservi - Google Patents

Abstract

Ce jaugeur comprend : - un tambour 200 sur lequel est enroulé un filin à l'extrémité duquel est suspendu un palpeur qui, lors d'une mesure, doit venir au niveau à jauger, son poids y étant équilibré à la fois par la réaction du milieu dont on détecte le niveau et par une force de réaction imposée au filin via un couple de réaction appliqué au rotor du tambour, - un servomoteur réversible 160 d'entraînement de ce tambour, - des moyens détecteurs des variations de cette force de réaction, indiquant une variation de la position relative du palpeur par rapport au niveau à jauger, - des moyens de commande du servomoteur, fonctionnant en réponse aux moyens détecteurs de manière à actionner le servomoteur jusqu'à repositionnement du palpeur au niveau à jauger, - des moyens de mesure de la rotation du tambour, délivrant un signal fonction de la longueur de filin déroulée, représentatif du niveau à jauger, Selon l'invention : - le servomoteur est un servomoteur pas à pas 160, - les moyens détecteurs sont des moyens indiquant l'existence ou non d'une variation de la force de réaction et, en cas de variation, le sens de cette variation, - les moyens de commande sont des moyens pour provoquer, en cas de variation détectée, la rotation d'un pas du moteur dans le sens contraire du sens de la variation détectée, et - les moyens de mesure sont des moyens de comptage/ décomptage du nombre de pas de rotation du moteur.

Description

JAUGEUR DE NIVEAU DE RÉSERVOIR À PALPEUR ASSERVI
La présente invention concerne un jaugeur de niveau de réservoir à palpeur asservi.

Un jaugeur de ce type est par exemple décrit dans le FR-A-1 430 366,. du même inventeur ; cette appareil utilise un palpeur suspendu à un filin enroulé sur un tambour entraîné par un servomoteur asservi sur la réaction du tambour aux efforts exercés sur le filin. Lorsque le palpeur se trouve au niveau à mesurer, son poids propre est équilibré par les actions conjuguées de la réaction verticale du milieu dont on mesure le niveau (si ce milieu est un liquide, cette réaction verticale est constituée par la poussée d'Archimède) et d'une force de réaction, égale au poids apparent du palpeur partiellement immergé, imposée au filin via un couple de réaction correspondant appliqué au rotor du tambour.En cas de variation du niveau, le poids apparent du palpeur va varier et la variation corrélative de la force de réaction sera détectée et provoquera la mise en route du servomoteur réversible jusqu'au repositionnement du palpeur au
s niveau à jauger.

Ce type de jaugeur est employé avec succès depuis près de 25 ans ; il procure en effet une précision absolue de l'ordre de + 1 mm sur 25 mètres, précision qui ne peut être atteinte ou dépassée que par des dispositifs beaucoup plus complexes et moins robustes. En outre, le dispositif précité possède une structure qui le rend conforme aux normes très strictes de sécurité, compte tenu des risques de déflagration inhérents à de nombreux liquides dont on doit mesurer le niveau, tout particulièrement les hydrocarbures liquides.

L'un des buts de la présente invention est de proposer un tel jaugeur qui, sans compromis sur la précision de mesure, soit d'une conception plus rationnelle dans sa structure, afin d'en diminuer le coût de fabrication et d'en accroître la fiabilité.

Un autre but de la présente invention est de proposer un tel jaugeur qui soit adapté aux techniques modernes de transmission et de traitement numérique du signal, en fournissant directement un signal de mesure numérisé sans passer par un circuit convertisseur analogique/ numérique comme c'était le cas avec les jaugeurs classiques.

Un autre but de la présente invention est de proposer un jaugeur dont le réglage du zéro ("mise à l'heure") puisse être réalisé par télécommande.

Un autre but de la présente invention est de proposer un jaugeur qui permette de détecter automatiquement deux niveaux différents à l'intérieur d'un même réservoir (par exemple, outre l'interface liquide/gaz correspondant à la surface du liquide, le niveau d'une interface huile/eau au sein du liquide) de façon entièrement automatique et sans augmentation significative de la complexité d'ensemble du système.

Un autre but de la présente invention est de proposer un jaugeur qui puisse être rendu entièrement autonome, à la fois en ce qui concerne son alimentation et en ce qui concerne la transmission des données vers un centre de contrôle distant ; on évitera ainsi le recours à des câbles de liaison (d'alimentation et de transmission de données) qui peuvent être très longs (typiquement plusieurs kilomètres, dans le cas des raffineries par exemple, ou même plusieurs dizaines de kilomètres dans le cas des oléoducs et gazoducs).

Le coût de ces liaisons par câbles est en effet d'autant plus élevé que l'ensemble du système doit être réalisé, dans la plupart des cas, entièrement en sécurité intrinsèque (notion définie par la norme
CENELEC), ce qui impose un certain nombre de choix particuliers de conception du système de télémesure. Concernant ce dernier point, on se reportera notamment au FR-A-2 545-248, du même inventeur, qui propose un tel système de télémesure en sécurité intrinsèque).

A cet égard, l'appareil de la présente invention présente un certain nombre de caractéristiques de conception qui lui assurent une consommation d'énergie électrique très inférieure à celle des appareils classiques, permettant par là même d'envisager la possibilité de l'autour alimenter (par exemple à partir de cellules photovoltaïques), alors qu'une telle possibilité était incompatible avec le niveau de consommation des appareils actuels.

En outre, comme on le verra par la suite, l'appareil de la présente invention permet d'assurer une fonction subsidiaire de concentrateur des signaux recueillis par les différents capteurs d'un même réservoir (niveaux, pressions, températures, etc.), ces informations étant éventuellement directement traitées in situ par l'appareil (par exemple, pour calculer le volume et/ou la masse du liquide subsistant dans le réservoir), les informations, brutes ou traitées, ainsi collectées étant ensuite transmises en bloc par des moyens de transmission sans fil à un poste de contrôle distant.

Un autre but de la présente invention est de pouvoir augmenter de façon significative la hauteur de mesure, tout en conservant la même précision.

En effet, les dispositifs classiques tels que ceux décrits dans le FR-A1 430 366 précité, sont limités à une hauteur de réservoir maximale de 25 mètres, correspondant par exemple aux sphères de stockage de gaz de pétrole liquéfié. On verra en effet que l'invention, du fait de son système de mesure particulier, permet de porter cette hauteur maximale sans difficulté à 50 mètres environ, toujours avec une précision de + 1 mm, ce qui a l'avantage de permettre l'utilisation de ce jaugeur avec les réservoirs de gaz naturel liquéfié, dont la-hauteur est généralement de 45 mètres.

A cet effet, la présente invention propose un jaugeur du type à palpeur asservi, c'est à dire comprenant (comme dans le FR-A-I 430 366):
- un tambour sur lequel est enroulé un filin à l'extrémité duquel est
suspendu un palpeur qui, lors d'une mesure, doit venir au niveau à
jauger, son poids y étant équilibré à la fois par la réaction du milieu
dont on détecte le niveau et par une force de réaction imposée au
filin via un couple de réaction appliqué au rotor du tambour,
- un servomoteur réversible d'entraînement de ce tambour,
- des moyens détecteurs des variations de cette force de réaction,
indiquant une variation de la position relative du palpeur par
rapport au niveau à jauger,
- des moyens de commande du servomoteur, fonctionnant en réponse
aux moyens détecteurs de manière à actionner le servomoteur
jusqu'à repositionnement du palpeur au niveau à jauger,
- des moyens de mesure de la rotation du tambour, délivrant un
signal fonction de la longueur de filin déroulée, représentatif du
niveau à jauger,
De façon caractéristique de la présente invention, ce jaugeur présente la combinaison de caractéristiques suivante::
- le servomoteur est un servomoteur pas à pas,
- les moyens détecteurs sont des moyens indiquant l'existence ou non
d'une variation de la force de réaction et, en cas de variation, le sens
de cette variation,
- les moyens de commande sont des moyens pour provoquer, en cas de
variation détectée, la rotation d'un pas du moteur dans le sens
contraire du sens de la variation détectée, et
- les moyens de mesure sont des moyens de comptage/décomptage du
nombre de pas de rotation du moteur.

Selon un certain nombre d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention
- le nombre de pas par tour du moteur et le diamètre du tambour sont
choisis de manière que, pour chaque pas de rotation du moteur, le
tambour tourne à sa périphérie d'une longueur d'arc égale à une
unité de mesure du niveau, de sorte que le comptage/décomptage du
nombre de pas de rotation du moteur délivre directement une valeur
numérique représentative du niveau mesuré dans le réservoir; ;
- les moyens de détection comprennent une première couronne
magnétique solidaire en rotation du rotor de tambour et pourvue
d'une pluralité d'aimants permanents, une seconde couronne
magnétique solidaire en rotation du rotor du servomoteur et pourvue
d'une pluralité d'aimants permanents, de sorte que le couple de
réaction appliqué au rotor de tambour résulte de la composante
tangentielle des forces magnétiques dues au décalage angulaire o
entre les deux couronnes magnétiques, et des moyens détecteurs des
variations AO du décalage angulaire e entre les deux couronnes, ces
variations du décalage correspondant à des variations de la force de
réaction et donc à des variations de la position relative du palpeur
par rapport au niveau à jauger;;
- les moyens détecteurs des variations de décalage angulaire sont des
moyens photoélectriques comprenant un ensemble photoémetteur/
photorécepteur monté sur un support solidaire en rotation de l'une
des couronnes, coopérant avec un disque codeur angulaire solidaire
en rotation de l'autre couronne
- il est prévu des moyens détecteurs des variations d'une seconde
valeur de décalage angulaire, permettant de détecter un second
niveau à l'intérieur du réservoir, notamment le niveau d'une
interface huile/eau
- il est prévu des moyens détecteurs des variations d'une troisième
valeur de décalage angulaire correspondant à une force de réaction
supérieure au poids propre du palpeur, de manière à provoquer une
remontée et une venue en butée de celui-ci contre une surface de
référence et à délivrer une impulsion de remise à zéro des moyens
de comptage/décomptage lorsque la force de tension du filin franchit
la valeur de force de réaction correspondante;
- il est prévu des moyens d'ajustement de la position angulaire du
support de l'ensemble photoémetteur/photorécepteur, de manière à
ajuster le décalage angulaire entre ce support et la position de
référence du disque codeur angulaire sur la position correspondant,
pour un milieu de densité donnée, à la position exacte du palpeur au
niveau à jauger, ces moyens d'ajustement comprenant
avantageusement, entraîné par une une tige radiale, un
excentrique mobile dans un plan tangentiel coopérant avec une
lumière du support de l'ensemble photoémetteur/photorécepteur
- le disque codeur angulaire est rendu solidaire en rotation du rotor
de tambour par l'intermédiaire d'un accouplement magnétique dont
les éléments homologues sont situés de part et d'autre d'une paroi
amagnétique séparant également les deux couronnes magnétiques
- il est prévu des moyens autonomes d'alimentation et des moyens de
télétransmission des informations délivrées par les moyens de
mesure.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront la lecture de la description détaillée ci-dessous d'un mode de réalisation, en référence aux dessins annexés sur lesquels
- la figure 1 est une vue en coupe, en élévation, du jaugeur de la
présente invention,
- la figure 2 est une coupe transversale, selon la ligne II-II de la
figure 1, montrant les deux couronnes magnétiques en vis-à-vis,
- la figure 3 est une vue détaillée du disque codeur angulaire et des
lecteurs optiques avec lesquels il coopère,
- les figures 4 et 5 sont des vues de détail de la platine support de l'un
de ces lecteurs optiques, permettant d'illustrer la manière dont on
ajuste leur réglage de consigne, cette platine étant vue
respectivement selon la ligne IV-IV de la figure 3 et selon la ligne
V-V de la figure 4,,
- les figures 6 et 7 représentent la position des différents éléments
photoélectriques du lecteur optique par rapport aux secteurs du
disque codeur, respectivement dans le cas de la détection du niveau
et dans celui de la remise à zéro du compteur,
- la figure 8 est un schéma électrique montrant la configuration des
différents circuits de mesure,
- la figure 9 est un détail montrant la forme des balais du collecteur,
et
- la figure 10 est une vue d'ensemble montrant Ie jaugeur placé au
sommet d'un réservoir et équipé de son alimentation photovoltaïque
et de ses moyens de transmission hertzienne des données.

Sur la figure 1, la référence 100 désigne de façon générale le carter du jaugeur, par exemple réalisé en aluminium, ce carter comprenant essentiellement un élément central 101 divisant entièrement, et de façon étanche, le jaugeur en deux parties : la partie I, à gauche de la ligne brisée médiane, rassemble les organes purement mécaniques et, après fermeture par un capot 102, formera une enceinte étanche en communication avec le ciel du réservoir ; du fait que cette partie I ne contient que des organes mécaniques, il n'est pas nécessaire de prendre de précautions particulières en ce qui concerne la sécurité, si ce n'est pour assurer une tenue suffisante à la pression régnant dans le réservoir (typiquement de l'ordre de 25 à 50 bars dans le cas de gaz liquéfiés).

En revanche, la seconde partie II, à droite de la ligne brisée médiane, renferme I'ensemble des organes électromécaniques (notamment le servomoteur 150) et électroniques, qui se trouveront isolés d'une part du volume intérieur de la partie I du fait du bloc central 101 qui ne présente aucune ouverture, et d'autre part de l'atmosphère ambiante par un capot de fermeture 103 formant une enceinte antidéflagrante ; ce capot 103 peut éventuellement comporter une fenêtre 104 en partie arrière permettant la lecture par un opérateur d'indications présentées par un dispositif d'affichage (par exemple un afficheur à cristaux liquides) placé à l'intérieur du boîtier antidéflagrant.

Enfin, il est prévu un conduit 105 pour le passage des câbles d'alimentation et d'antenne, comme cela sera expliqué plus en détail à propos de la figure 10 ; ce passage sera bien entendu entièrement obturé par un presse-étoupe de manière à conserver l'étanchéité et le caractère antidéflagrant de l'enceinte.

La partie mécanique I est de construction classique, comparable à celle des jaugeurs actuels.

Elle comprend essentiellement un tambour 200 sur lequel est enroulé un filin (non visible sur la coupe de la figure 1) au bout duquel est suspendu un palpeur (généralement plus dense que le milieu à jauger) venant partiellement s'immerger à la surface du milieu à jauger.

Typiquement, le filin est constitué d'un fil métallique à très faible coefficient de température de 6/10e de mm de diamètre, le palpeur étant par exemple un disque métallique en aluminium de 150 mm de diamètre et de masse 150 g.

Le carter est prolongé en partie basse par un pied 106 qui viendra se fixer au sommet du réservoir à jauger (figure 10), ce pied étant pourvu en partie centrale d'un orifice 107 de guidage du filin de palpeur.

Ce filin vient s'enrouler sur le tambour 200 dont la surface périphérique extérieure 201 est usinée avec une très grande précision dimensionnelle, de sorte que l'angle de rotation mesuré du tambour corresponde le plus exactement possible à la longueur de filin enroulée ou déroulée par cette rotation.

Le tambour 200 est pourvu d'un moyeu central 202 solidaire en rotation mais non en translation - d'un arbre d'entraînement central 210 (nota : les éléments solidaires en rotation du tambour seront tous désignés par une référence de la forme 2xx). L'entraînement en rotation du moyeu 202, et donc du tambour 200, est assuré par une clavette 203 coulissant axialement dans une gorge homologue de l'arbre d'entraînement 210.

L'arbre d'entraînement 210 est supporté à l'une de ses extrémités par un palier 211 monté sur une chaise 110 assurant le support de l'ensemble arbre-tambour en laissant pendre librement le filin enroulé sur ce dernier; à son autre extrémité, l'arbre 210 est supporté par un palier 212 monté sur la pièce centrale 101 du carter.

La chaise 110 est montée rigidement sur la pièce centrale 101 du carter au moyen de vis de fixation 111.

A l'opposé de l'arbre d'entraînement, le moyeu 202 est fermé par une pièce d'extrémité comportant un orifice taraudé 204 engagé sur une vis sans fin creuse 120 montée sur la chaise 110 (nota : les éléments fixes, c'est à dire solidaires du carter 100, seront tous désignés par une référence de la forme 1xx). La vis sans fin creuse est traversée par l'arbre 210 pour permettre l'appui de celui-ci sur le palier 211 formant roulement d'extrémité ; on obtient ainsi un couple de frottement en rotation minimal, assurant typiquement une sensibilité de détection de variation de la force de réaction exercée sur le palpeur de l'ordre de 0,03 N (3 gf).

Cette configuration permet, lorsque le tambour est entraîné en rotation, déroulant ou enroulant une certaine longueur de filin, de lui faire subir
simultanément une translation axiale (flèche 205) permettant de maintenir le filin toujours à l'aplomb de l'orifice 107, malgré l'enroulement ou le déroulement d'une certaine longueur de celui-ci à la périphérie du tambour.

Du côté de la partie centrale 101 du carter, l'arbre 210 porte une couronne 220 (visible également figure 2) comportant une pluralité d'aimants périphériques 221 en nombre pair (huit sur l'exemple représenté), dont l'axe nord-sud est orienté radialement et dont la magnétisation est inversée d'un aimant au voisin, l'ensemble des pôles tournés vers l'intérieur de ces aimants étant réunis par une culasse annulaire 222 en acier doux.

Comme on le décrira par la suite, cette configuration permet de réaliser, au travers de la paroi continue 108 (en matériau amagnétique, par exemple en aluminium) de la pièce centrale 101 du carter, un accouplement magnétique glissant avec une couronne d'aimants homologue 320 comparable, solidaire du rotor du servomoteur.

En ce qui concerne la réalisation de cette couronne (de même que celle des couronnes 320, 230 et 240, que l'on décrira par la suite), les aimants peuvent être vissés ou collés à la culasse (les aimants doivent en effet résister aux forces d'attraction exercées par les aimants homologues situés en vis-à-vis) et noyés ou insérés dans un habillage protecteur (résine ou nylon par exemple).

L'arbre 210 porte également une seconde couronne 230 d'aimants 231, par exemple au nombre de quatre (figure 2), de forme cylindrique avec leur axe magnétique principal orienté axialement, ces aimants étant pourvus à leur extrémité libre d'une pièce polaire 231 leur permettant de se conformer à l'inclinaison de la paroi 108 de la pièce centrale 105 du carter qui se trouve en vis à vis, et sont réunis à leur autre extrémité par une culase 232 en acier doux en forme de couronne plate.

Cette seconde série d'aimants 230 coopère, comme on l'indiquera par la suite, avec une couronne homologue 240 d'aimants 241 placés en vis-à-vis, de l'autre côté de la paroi 109, afin d'entraîner en rotation un disque codeur angulaire 246.

Ayant décrit la partie purement mécanique I (à gauche sur la figure 1), on va maintenant décrire la partie électromécanique et électronique II (à droite sur la figure 1); comme on l'a déjà mentionné plus haut, ces deux parties sont physiquement séparées par la pièce centrale 101 du carter 100 qui assure une étanchéité totale entre ses deux faces, le couplage étant uniquement assuré par effet magnétique au travers des parois étanches et continues 108, 109.

La pièce essentielle située dans cette partie II est un équipage mobile 300 entraîné par l'arbre 311 du servomoteur 160 dont le stator monté sur une platine fixe 130 solidaire du carter 100 (nota : de la même manière que précédemment, tous les organes solidaires en rotation de cet équipage mobile porteront une référence de la forme 3xx).

Tout d'abord, l'équipage mobile porte une couronne 320 d'aimants 321 (visible également figure 2), homologue de la couronne 220 d'aimants 221 solidaire de l'arbre d'entraînement du tambour. Ces aimants sont en nombre égal à celui des aimants de la couronne 220, avec un sens de magnétisation inverse de manière à réaliser un effet d'attraction entre les aimants en vis-à-vis ; l'ensemble des pôles tournés vers l'extérieur des aimants 321 sont réunis par une culasse 322 en acier doux.

Comme on peut le voir sur la figure 2, il existe entre les couronnes d'aimants 321 et 221 un décalage angulaire e dû à la force de réaction compensant le poids apparent F du palpeur partiellement immergé. Cet angle de glissement e est ainsi caractéristique du niveau d'immersion du palpeur, pour un poids de palpeur donné et pour un milieu de densité donnée. Toute variation AO en plus ou en moins de cet angle de glissement e indiquera que le poids apparent du palpeur a varié, soit dans un sens soit dans l'autre, donc que le palpeur n'est plus exactement au niveau à jauger et qu'il y aura alors lieu d'actionner le servomoteur réversible 160 en sens inverse jusqu'à rétablissement du niveau d'immersion initial.

La détection de cette condition, c'est à dire la détection des variations te de l'angle de glissement e autour d'une valeur prédéterminée, est réalisée par des moyens photoélectriques comprenant essentiellement un ensemble photoémetteur/photorécepteur 330 (par exemple, une diode électroluminescente (LED) placée en vis-à-vis d'une photodiode), que l'on appellera par la suite "lecteur optique". Ce lecteur optique est de type conventionnel, et l'on peut par exemple utiliser un modèle tel que le
KLH 212 commercialisé par MCB, ou tout lecteur comparable.

Ce lecteur optique est solidaire de l'équipage 300 (tournant donc identiquement à la couronne 320), et coopère avec un disque codeur angulaire (c'est à dire un disque comportant des pistes concentriques présentant alternativement des secteurs alternativement opaques et transparents s'interposant entre la LED et la photodiode du lecteur optique), ce disque tournant identiquement à la couronne 220, c'est à dire identiquement au tambour.

Plus précisément, le disque 246 est monté coaxialement sur un équipage recevant une couronne 240 d'aimants 241 réunis par une pièce polaire 242, en nombre égal aux aimants 231 situés en vis-à-vis sur l'arbre 210, de l'autre côté de la paroi amagnétique 109. Comme les aimants 231, ces aimants 241 ont leur axe magnétique orienté axialement et sont pourvus d'une pièce polaire 243 se conformant à la paroi 109.

Cet équipage est supporté par deux paliers 244 (monté sur la partie centrale 101 du carter) et 245 (monté sur l'équipage mobile 300), et il est monté fou de sorte que, fonctionnellement, on peut le considérer comme solidaire en rotation de l'arbre 210 (c'est pour cette raison que tous ses éléments sont référencés sous la forme 2xx), en faisant abstraction du système à accouplement magnétique constitué par les aimants 231, 241 qui ne présente aucun glissement (à la différence de l'accouplement constitué par les aimants 221, 321).

Enfin, les liaisons électriques entre l'équipage mobile 300 (qui porte le lecteur optique 330) et le reste des circuits montés fixes sur Ie carter sont assurées par un joint tournant formé d'une série de pistes annulaires 340 disposées sur une platine 312 (ces pistes sont représentées de façon schématique sur la figure 8) et coopérant avec une série de balais 140 fixés sur la platine 130 supportant déjà le servomoteur 160.

De préférence, comme illustré plus en détail sur la figure 9, les balais 140, qui sont constitués de lames élastiques coudées classiques, sont disposés alternés d'une piste à l'autre et sont en nombre pair, de manière que les efforts de frottement de ces balais 140 sur les pistes 340 ne produisent pas de couple de frottement différent d'un sens de rotation à l'autre, afin de ne pas fausser les mesures.

La platine 312 supporte également une série de cartes électroniques représentées schématiquement en 400, disposées en carré autour du servomoteur 160.

Par ailleurs, et de façon caractéristique de l'invention, on choisit une circonférence de tambour 200 qui, mesurée en millimètres, soit un multiple du nombre de pas par tour de rotation du servomoteur ; ceci permet de disposer directement d'une indication de la longueur de filin déroulée ou enroulée en comptant ou décomptant le nombre de pas de rotation du moteur (c'est à dire le nombre d'impulsions de commande qui lui ont été envoyées) : la valeur cumulée de ce comptage donne directement la valeur absolue de la longueur de filin déroulée et donc le niveau dans le réservoir.

On évite ainsi de passer par un codeur angulaire (en effet, le codeur angulaire 140, 246 ne sert qu'à détecter la présence ou l'absence d'une variation as par rapport à la valeur de consigne e et n'effectue aucune mesure de cette variation as ni de l'angle o) ou un capteur analogique (comme dans le FR-A-1 430 366) suivi d'un convertisseur analogique/ numérique, puisque le servomoteur assure lui-même la double fonction d'entraînement d'une part et de mesure d'autre part, cette mesure étant par nature même numérique puisqu'il s'agit d'un moteur pas-à-pas.

Par exemple, on prévoit un tambour dont la circonférence est de 480 mm, avec un servomoteur 160 dont l'arbre de sortie tourne d'un tour pour 480 pas (on utilise par exemple un moteur à 48 pas/tour avec en sortie un train d'engrenages de rapport 10 : 1): ainsi, pour chaque pas de rotation du moteur, on aura déroulé ou enroulé exactement 1 mm de filin, et il suffira de compter ou décompter le nombre de pas, sans aucune conversion, pour obtenir directement la longueur du filin en unité métrique (pour d'autres unités de mesure, il suffit de choisir un tambour ayant une circonférence de valeur différente).

La figure 3 décrit plus en détail la structure du dispositif de détection de
l'écart relatif entre l'équipage 300 et le tambour 200, comprenant le disque
codeur 246 solidaire en rotation du tambour sur lequel est enroulé le filin
(on fait abstration de l'accouplement magnétique 231,241, qui ne joue
aucun rôle fonctionnel), et le lecteur optique 330 solidaire en rotation de
l'équipage mobile 300 entraîné par le servomoteur.

Cet ensemble est destiné, comme indiqué plus haut, à détecter l'apparition d'une variation e du décalage angulaire e, en indiquant
également le sens de cette variation (augmentation ou diminution de e).

A cet effet, le lecteur optique 330 comporte deux couples LED/photodiode 335A et 335B légèrement décalés de part et d'autre d'un rayon médian. Le disque codeur 246 porte les secteurs illustrés sur la figure 6 tels que, en l'absence de variation, les photodiodes 335A et 335B sont toutes deux occultées.

Si, par exemple, le niveau dans le réservoir vient à baisser, le poids apparent du palpeur va augmenter du fait de son immersion moindre et provoquer ainsi un déséquilibre augmentant l'angle o: du fait de cette variation, l'une des photodiodes, par exemple la photodiode 335A, va se trouver désoccultée par la piste transparente correspondante du disque 246, devenant ainsi illuminée par la LED se trouvant en vis à vis. En revanche, la photodiode 335B ne changera pas d'état, puisqu'elle se trouvera toujours en face d'une fenêtre opaque du disque 246.

Cette information sera transmise à des moyens d'asservissement (décrits plus en détail par la suite en référence à la figure 8) qui provoqueront l'envoi d'une impulsion au servomoteur pas-à-pas dans le sens tendant à rétablir le niveau d'immersion initial, c'est à dire dans le sens permettant de dérouler une longueur supplémentaire de filin afin de faire redescendre le palpeur jusqu'au nouveau niveau à jauger.

Inversement, en cas de remontée du liquide, c'est la photodiode 335B qui se trouvera désoccultée, provoquant une rotation du servomoteur dans le sens opposé afin de faire remonter le palpeur jusqu'à ce qu'il retrouve son niveau d'immersion initial, correspondant au nouveau niveau à jauger.

Avantageusement, il est prévu un second lecteur optique 330', identique au lecteur optique 330, et coopérant avec des pistes du même disque 246 disposées de façon identique. La seule différence par rapport au lecteur optique 330 tient au fait que ce lecteur optique 330' est réglé sur un angle de glissement o' différent de l'angle e correspondant au niveau de l'interface liquide/gaz.

Cette seconde valeur de consigne peut notamment correspondre à une interface liquide/liquide telle qu'une interface huile/eau. Si l'on utilise le lecteur optique 330' en lieu et place du lecteur optique 330, on asservira ainsi la position du palpeur non plus sur le niveau proprement dit du liquide dans le réservoir, mais sur un poids apparent plus faible correspondant à une interface liquide/liquide (par exemple 1,4 N (140 gf) au lieu de 1,85 N (185 gf), pour un palpeur de masse 250 g et un liquide de densité 8 = 1,6) : l'asservissement fonctionne alors en "suiveur d'interface" au lieu de fonctionner en "suiveur de niveau".

Il est également prévu, toujours coopérant avec le même disque codeur 246, un troisième lecteur optique 330", de structure comparable aux lecteurs optiques 330 et 330', mais comportant (figure 7) un troisième couple LED/photodiode 335C aligné sur le rayon médian et coopérant avec une troisième piste du disque codeur ne comprenant qu'une étroite fenêtre, sensiblement de la largeur de la photodiode 335C. Les photodiodes 335A et 335B asservissent le servomoteur exactement de la même manière que dans le cas des lecteurs optiques 330 et 330', mais avec un réglage de la position de consigne sur un angle de glissement e" correspondant à un poids apparent supérieur au poids propre du palpeur dans l'air (par exemple un réglage à 4N (400 gf) pour un palpeur ayant une masse de 250 g).

On conçoit que, de la sorte, l'asservissement va provoquer une remontée du palpeur sur toute la hauteur du réservoir sans trouver de position d'équilibre, puisque le poids du palpeur sera toujours inférieur à la valeur de consigne permettant d'arrêter l'asservissement. Cette remontée va se produire jusqu'à ce que le palpeur vienne en butée contre la face inférieure 150 (figure 1) du support du jaugeur. A cet instant, le palpeur étant immobilisé, la rotation prolongée du servomoteur va mettre sous tension la portion de filin comprise entre le tambour et le palpeur, et cet effort de tension va très rapidement atteindre la force de consigne de l'asservissement (4 N (400gf) dans l'exemple donné), stabilisant le servomoteur sur cette valeur.A l'instant précis où la valeur de consigne va se trouver atteinte, la fenêtre de la piste intérieure du disque 246 va désocculter pendant un court instant la photodiode 335C, produisant en sortie de celle-ci une brève impulsion électrique.

Cette brève impulsion électrique sera utilisée comme impulsion de remise à zéro du compteur de pas du servomoteur de sorte que, après que l'on se soit reconnecté sur l'un des lecteurs optiques 330 ou 330' pour procéder à une mesure de niveau, la valeur cumulée du nombre des pas de commande du servomoteur donnera la valeur absolue de la longueur de filin déroulée à partir de la position de venue en butée, c'est à dire la valeur absolue du niveau comptée à partir de la surface de référence 150.

On obtient ainsi une remise à zéro du système ("mise à l'heure") très simple et entièrement automatique, puisqu'elle obtenue simplement par adjonction d'un troisième lecteur optique 330" sur le disque codeur 246, et puisque la remise à l'heure se fait par simple commutation des lecteurs optiques.Cette commutation peut de ce fait être par exemple télécommandée, ou déclenché automatiquement à intervalles périodiques, sans intervention d'un opérateur et a fortiori sans que celui-ci n'ait besoin d'accéder physiquement aux organes du jaugeur; ce dernier point est particulièrement intéressant lorsque l'on se souvient que ces jaugeurs sont souvent disposés au sommet de réservoirs de plusieurs dizaines de mètres de haut (dans les raffineries de pétrole, par exemple), sont peu accessibles, et peuvent être en outre très éloignés (de plusieurs kilomètres ou dizaines de kilomètres) de la salle de contrôle.

On va maintenant décrire le montage mécanique des lecteurs optiques 330, 330' et 330" (identique pour chacun de ces trois lecteurs), montage dont la conception permet de simplifier au maximum l'ajustement des positions de consigne (c'est à dire des angles 0, e' et o") correspondant à chacun des trois lecteurs optiques.

A cet effet, chaque lecteur optique, par exemple le lecteur optique 330, est fixé sur une platine 331 (vue isolément de dessus figure 4 et de face figure 5 isolément) comportant deux lumières oblongues 332 venant s'engager sur des pions homologues 351 solidaires du corps de l'équipage 300 (figure 1): on assure ainsi au lecteur optique 330 un degré de liberté rotation autour de l'axe central du jaugeur (c'est à dire l'axe du codeur angulaire 246).

Le réglage fin de la position desirée est réalisé par des moyens 350 comportant un excentrique 353 mobile à l'intérieur d'une lumière homologue 333 de la platine 331. Cet excentrique, qui se déplace en restant dans un plan tangentiel, est entraîné par une tige radiale 352 débouchant dans un orifice radial 355 aisément accessible depuis l'extérieur du corps de l'équipage 300. Un ressort 354 permet d'immobiliser la tige 352 dans la position voulue.

Outre leur structure particulièrement simples, ces moyens de réglage 350 sont extrêmement aisés à manipuler par l'opérateur, auquel il suffit de retirer le capot 103 (figure 1) pour accéder directement aux trois orifices 355, 355' et 355" permettant le règlage respectif des positions de consigne de chacun des trois lecteurs optiques, ce réglage étant par exemple effectué au moyen d'un simple tournevis.

On va maintenant décrire de façon schématique les circuits électriques et électroniques du jaugeur de l'invention, en référence aux figures 8 et 10.

Les signaux de commande des circuits électroniques (figure 8) sont ceux délivrés par les trois lecteurs optiques 330, 330' et 330" que l'on vient de décrire. Les trois photodiodes 335A (figure 6 et 7) sont couplées en parallèle sur l'un des circuits du joint tournant 140, 340, le signal correspondant étant amené à une unité de commande 410 (par exemple, à microcalculateur) sur une entrée S+ de celle-ci. De la même façon, les trois photodiodes 335B sont montées en parallèle et reliées à l'entrée S- de cette même unité de commande 410. Quant à la photodiode 335C du lecteur optique 335", son signal est appliqué à une entrée RZ de remise à zéro, tandis que le point commun de toutes les photodiodes est relié à la masse commune.

La commutation sur l'un des trois lecteurs optiques 330, 330' ou 330" se fait au moyen d'un commutateur 420 qui alimente sélectivement une seule des trois entrées E, E' et E" d'alimentation des LED des lecteurs optiques.

Sur la position A, c'est le lecteur optique 330 qui sera commuté, asservissant le système sur un point de consigne correspondant au niveau du liquide à jauger ; sur la position A', c'est le lecteur optique 330' qui sera commuté, asservissant le système sur une interface huile/eau, tandis que pour la position A", le palpeur sera remonté jusqu'à venue en butée avec le plan de référence, cette venue en butée produisant, comme indiqué plus haut, une brève impulsion que l'on retrouvera sur l'entrée de remise à zéro RZ de l'unité de commande 410.

La commande du commutateur 420 peut être effectuée manuellement, automatiquement par l'unité de commande 410 (qui déclenche par exemple à intervalles périodiques une "remise à l'heure" du système), ou encore par télécommande depuis un poste de contrôle distant.

Lorsque l'unité de commande 410 détecte l'apparition d'une variation par rapport au point de consigne, elle envoie à une unité 430 de pilotage du servomoteur 160 une impulsion provoquant une rotation de celui-ci dans le sens tendant à créer une variation antagoniste, et simultanément incrémente ou décrémente (selon le sens de rotation) d'une unité un compteur interne.

La valeur cumulée de ce compteur est indiqué sur un afficheur 440, par exemple visible au travers de la fenêtre 104 (figure 1), cet afficheur donnant directement, comme indiqué plus haut, la longueur de filin déroulée, et donc le niveau du réservoir, sans autre forme de conversion.

Très avantageusement, les informations élaborées par l'unité de commande 410 sont transmises à distance sur un bus 411, par exemple au standard RS-232, ce bus pouvant également transmettre, outre l'information de niveau élaborée par le jaugeur de l'invention, des informations de pression, température, etc. délivrées par des capteurs 460, 470.

Eventuellement, on transmet non seulement les informations brutes de niveau, pression et température, mais également des informations dérivées, calculées in situ par l'unité de commande 410, par exemple la densité du liquide, le volume de celui-ci dans le réservoir, sa masse, etc.

A cet égard, on pourra se référer au FR-A-2 545 248 précité, qui indique la manière d'élaborer et de multiplexer ces informations sur une ligne de transmission commune.

Très avantageusement, pour rendre le système autonome, on prévoit la transmission de ces données par voie hertzienne au moyen d'un circuit émetteur haute fréquence 450 délivrant des signaux à une antenne 451 qui peut être placée (figure 10) au dessus du jaugeur et supportée par celui-ci; comme le jaugeur se trouve en général au sommet d'un réservoir de grande dimension, il est intéressant de pouvoir placer une antenne en ce point élevé.

Le circuit haute fréquence 450 peut également comprendre des circuits récepteurs recevant des ordres émis depuis une salle de contrôle distante et transmettant ceux-ci vers l'unité de commande via le bus 411, qui est alors bidirectionnel. On peut par exemple télécommander le passage de la mesure de niveau à celle de l'interface huile/eau, la remise à l'heure du système, etc.

Pour rendre le système entièrement autonome, on lui adjoint avantageusement une alimentation 480 comprenant un panneau de cellules photovoltaïques 481 alimentant un régulateur 482 permettant de charger une série de batteries 483 (par exemple de batteries Cd-Ni) assurant l'alimentation des divers circuits électriques et électroniques.

Il est important de noter que, du fait de leur conception, les organes électromécaniques du jaugeur de la présente invention sont tous des organes à faible consommation, condition nécessaire pour pouvoir les alimenter par l'énergie solaire (le rendement des cellules photovoltaïques est en effet généralement très faible et ne permet de disposer que d'une basse tension).

En effet, l'utilisation d'un servomoteur pas à pas fait en sorte que la consommation de célui-ci est pratiquement nulle lorsque le système est en position d'équilibre, puis aucune impulsion ne lui est envoyée tant que cet équilibre subsiste. De plus, l'utilisation d'accouplements purement magnétiques (à aimants permanents) fait en sorte que ces accouplements ne consomment aucune énergie pour maintenir la position d'équilibre. Il en est de même pour la détection des variations par rapport à la position de consigne, auparavant réalisée par un transformateur différentiel comportant deux séries de bobinages mobiles les uns par rapport aux autres.

Par ailleurs, l'ensemble des circuits est compatible avec la faible tension disponible en sortie d'un panneau de cellules photovoltaïques, typiquement une tension de 12 V, ce qui permet d'utiliser directement la tension aux bornes de la batterie 483 sans avoir besoin d'un convertisseur continu/continu (pour élever éventuellement la tension jusqu'à 24 ou 48 V), ni surtout d'un convertisseur continu/alternatif, qui serait indispensable pour alimenter les organes électromagnétiques utilisés dans les jaugeurs actuels utilisant des transformateurs différentiels et des transmissions à selsyns.

Enfin, la figure 10 montre l'implantation générale des divers éléments de l'alimentation 480, qui peuvent être notamment placés dans un coffret parallélépipédique de faible épaisseur surplombant le jaugeur, mais de longueur et largeur suffisamment importantes pour pouvoir recevoir un nombre substantiel de cellules photovoltaïques 481 et, en outre, assurer une fonction de pare-soleil et/ou de protection contre les intempéries du jaugeur situé en dessous.

On voit en outre que cette configuration n'empêche pas un accès aisé aux divers organes du jaugeur, accès qui sera obtenu simplement en retirant les carters de protection 102 et 103, le coffret d'alimentation restant monté sur la partie centrale 101 du carter du jaugeur, elle-même montée sur le pied 106 fixé au réservoir.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Un jaugeur de niveau de réservoir du type à palpeur asservi, comprenant

- un tambour (200) sur lequel est enroulé un filin à l'extrémité duquel

est suspendu un palpeur qui, lors d'une mesure, doit venir au

niveau à jauger, son poids y étant équilibré à la fois par la réaction

du milieu dont on détecte le niveau et par une force de réaction

imposée au filin via un couple de réaction appliqué au rotor du

tambour,

- un servomoteur réversible (160) d'entraînement de ce tambour,

- des moyens détecteurs des variations de cette force de réaction,

indiquant une variation de la position relative du palpeur par

rapport au niveau à jauger,

- des moyens'de commande du servomoteur, fonctionnant en réponse

aux moyens détecteurs de manière à actionner le servomoteur

jusqu'à repositionnement du palpeur au niveau à jauger,

- des moyens de mesure de la rotation du tambour, délivrant un

signal fonction de la longueur de filin déroulée, représentatif du

niveau à jauger,

caractérisé en ce que

- le servomoteur est un servomoteur pas à pas (160),

- les moyens détecteurs sont des moyens indiquant l'existence ou non

d'une variation de la force de réaction et, en cas de variation, le sens

de cette variation,

- les moyens de commande sont des moyens pour provoquer, en cas de

variation détectée, la rotation d'un pas du moteur dans le sens

contraire du sens de la variation détectée, et

- les moyens de mesure sont des moyens de comptage/décomptage du

nombre de pas de rotation du moteur.

2. Le jaugeur de la revendication 1, dans lequel le nombre de pas par tour du moteur et le diamètre du tambour sont choisis de manière que, pour chaque pas de rotation du moteur, le tambour tourne à sa périphérie d'une longueur d'arc égale à une unité de mesure du niveau,

de sorte que le comptage/décomptage du nombre de pas de rotation du moteur délivre directement une valeur numérique représentative du niveau mesuré dans le réservoir.

3. Le jaugeur de l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel les moyens de détection comprennent

- une première couronne magnétique (220) solidaire en rotation du

rotor de tambour et pourvue d'une pluralité d'aimants permanents

(221),

- une seconde couronne magnétique (320) solidaire en rotation du

rotor du servomoteur et pourvue d'une pluralité d'aimants

permanents (321),

de sorte que le couple de réaction appliqué au rotor de tambour résulte de la composante tangentielle des forces magnétiques dues au décalage angulaire o entre les deux couronnes magnétiques, et

- des moyens détecteurs (246, 330) des variations A0 du décalage

angulaire O entre les deux couronnes, ces variations du décalage

correspondant à des variations de la force de réaction et donc à des

variations de la position relative du palpeur par rapport au niveau à

jauger.

4. Le jaugeur de la revendication 3, dans lequel les moyens détecteurs des variations de décalage angulaire sont des moyens photo électriques comprenant un ensemble photoémetteur/photorécepteur (330) monté sur un support (300) solidaire en rotation de l'une des couronnes (320), coopérant avec un disque codeur angulaire (246) solidaire en rotation de l'autre couronne (220).

5. Le jaugeur de l'une des revendications 3 ou 4, dans lequel il est en outre prévu des moyens détecteurs (246, 330') des variations d'une seconde valeur de décalage angulaire, permettant de détecter un second niveau à l'intérieur du réservoir, notamment le niveau d'une interface huile/eau.

6. Le jaugeur de l'une des revendications 3 à 5, dans lequel il est en outre prévu des moyens détecteurs (246, 330") des variations d'une troisième valeur de décalage angulaire correspondant à une force de réaction supérieure au poids propre du palpeur, de manière à provoquer une remontée et une venue en butée de celui-ci contre une surface de référence (150) et à délivrer une impulsion de remise à zéro des moyens de comptage/décomptage lorsque la force de tension du filin franchit la valeur de force de réaction correspondante.

7. Le jaugeur de l'une des revendications 4 à 6, dans lequel il est prévu des moyens (350) d'ajustement de la position angulaire du support (331) de l'ensemble photoémetteur/photorécepteur, de manière à ajuster le décalage angulaire entre ce support et la position de référence du disque codeur angulaire sur la position correspondant, pour un milieu de densité donnée, à la position exacte du palpeur au niveau à jauger.

8. Le jaugeur de la revendication 7, dans lequel les moyens d'ajustement (350) comprennent, entraîné par une tige radiale (352), un excentrique (353) mobile dans un plan tangentiel coopérant avec une lumière (332) du support (331) de l'ensemble photoémetteur/photorécepteur.

9. Le jaugeur de l'une des revendications 4 à 8, dans lequel le disque codeur angulaire (246) est rendu solidaire en rotation du rotor de tambour par l'intermédiaire d'un accouplement magnétique dont les éléments homologues (231, 241) sont situés de part et d'autre d'une paroi amagnétique (109) séparant également les deux couronnes magnétiques (220, 320).

10. Le jaugeur de l'une des revendications 1 à 9, comprenant en outre des moyens autonomes (481, 482) d'alimentation et des moyens (450, 451) de télétransmission des informations délivrées par les moyens de mesure.