FR2695204A1 - Capteur de niveau de liquide à ultrasons. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un capteur de niveau de liquide à ultrasons qui est agencé de façon à limiter la réduction d'intensité du signal de retour en cas d'inclinaison du capteur. Le capteur (2) comporte un transducteur ultrasonique (16) à l'extrémité inférieure d'un tube (30) qui est rempli de liquide au même niveau qu'à l'extérieur du tube. Une barre axiale (35) est disposée longitudinalement à l'intérieur du tube (30) et porte plusieurs réflecteurs d'étalonnage (36). La présence de la barre (35) assure un niveau élevé du signal de retour, permettant d'utiliser le capteur avec de fortes inclinaisons par rapport à la verticale. Un tel capteur est utilisable notamment comme jauge de carburant ou d'huile, notamment dans les avions.

Description

CAPTEUR DE NIVEAU DE LIQUIDE A ULTRASONS

La présente invention concerne un capteur de niveau de liquide à ultrasons, comportant un transducteur ultrasonique monté à proximité de l'extrémité inférieure d'un tube dirigé vers le haut et agencé pour être rempli de liquide au même niveau que celui d'un liquide se

trouvant à l'extérieur du tube.

Les capteurs de niveau de liquide à ultrasons utilisent le fait que les vibrations ultrasoniques se transmettent librement dans un liquide mais sont rapidement atténuées dans l'air ou dans un autre gaz Si un transducteur ultrasonique est monté à la base d'un réservoir de liquide de façon à diriger de l'énergie vers le haut jusqu'à l'interface liquide/air, l'énergie est réfléchie par cette interface et atteint le transducteur En mesurant le temps écoulé entre l'émission et la réception d'une impulsion d'énergie, il est possible de mesurer la distance entre le transducteur et l'interface liquide/air et d'en

déduire la profondeur du liquide.

Il est courant de monter des transducteurs ultrasoniques de ce genre à l'extrémité inférieure d'un tube qui forme une zone calme s'étendant de la base au sommet d'un réservoir de liquide Le tube est ouvert à la base, de sorte que le liquide remplit le tube au même niveau que dans le réservoir à l'extérieur du tube Le tube remplit plusieurs fonctions Il contribue à isoler le transducteur d'autres capteurs ou sources d'interférences Il a aussi pour effet de confiner le faisceau d'ultrasons, dirigé ainsi uniquement sur la zone de la surface liquide qui se trouve directement au-dessus du transducteur En outre, le tube délimite une surface du liquide qui est pratiquement dépourvue

de vagues.

Le tube a en outre l'avantage de pouvoir donner facilement un niveau de référence, si l'on monte un quelconque réflecteur à un niveau connu à l'intérieur du tube De cette façon, le transducteur reçoit une réflexion provenant de la surface du liquide et une autre réflexion provenant du réflecteur de référence, laquelle permet d'étalonner la hauteur du liquide Ceci permet au dispositif de -jaugeage à ultrasons d' effectuer une compensation pour différents liquides ayant différentes propriétés de propagation acoustique et pour des variations de température susceptibles d'affecter la propagation des ultrasons Des exemples de sondes ultrasoniques comportant un tube de ce genre sont décrits par exemple dans les

demandes de brevet EP-0 106 677, GB-93 04579 et GB-93 04561.

Les capteurs existants de jaugeage de liquide à ultrasons posent divers problèmes L'un de ces problèmes est dû au fait que l'amplitude de l'énergie réfléchie vers le du bas du capteur varie considérablement avec l'angle entre la normale à la surface du liquide et l'axe du capteur, quand le capteur est sujet à des variations d'inclinaison Aux angles dépassant environ 20 par rapport à la verticale, le signal de retour provenant de la surface du liquide peut tomber au-dessous du rapport minimum signal/bruit qui est acceptable pour une mesure fiable du niveau du liquide En pratique, l'angle maximum d'inclinaison utilisable dans les capteurs actuels est d'environ 300 Même à certains angles nettement inférieurs à cette valeur, on peut rencontrer des cas o le signal de retour tombe à un

niveau très bas.

Un autre problème posé par les capteurs de niveau à ultrasons est qu'ils ne sont pas utilisables avec certains liquides tels que l'huile pour moteur, à cause de la forte atténuation des ultrasons dans ces liquides Bien qu'il soit possible de mesurer le niveau de tels liquides dans un réservoir stationnaire parfaitement horizontal, la moindre inclinaison ou perturbation de la surface du liquide augmente la

dispersion et l'absorption, de sorte que le signal de retour tombe au-

dessous d'un niveau exploitable.

La présente invention a pour but de créer un capteur de niveau de

liquide à ultrasons qui permet d'éviter le problème évoqué ci-dessus.

Selon l'invention, il est prévu un capteur de niveau de liquide à ultrasons du genre indiqué plus haut, caractérisé en ce qu'au moins une barre est disposée longitudinalement à l'intérieur du tube, cette barre ayant pour effet d' élargir la gamme des angles d'inclinaison du

tube pour lesquels le capteur est utilisable.

On a constaté qu'en utilisant de cette manière une barre à l'intérieur du tube, on augmente fortement le domaine des angles d'inclinaison pour lesquels le capteur est utilisable Cela peut aussi permettre d'utiliser le capteur avec certains liquides, tels que l'huile pour moteur, avec lesquels l'utilisation des capteurs à ultrasons selon l'art

antérieur n'était pas possible.

La barre peut porter une série de réflecteurs d'étalonnage La ou chaque barre peut être pleine et être métallique On peut prévoir une seule barre disposée suivant l'axe du tube Dans une autre exécution, le capteur peut comporter plusieurs barres réparties à des intervalles égaux le long du pourtour intérieur du tube La ou chaque barre peut avoir une extrémité inférieure profilée pour réduire des réflexions sur la barre à l'extrémité inférieure du capteur La ou chaque barre peut avoir une section transversale circulaire. On décrira ci-dessous, à titre d'exemple, un capteur à ultrasons selon la présente invention pour un système de jauge de carburant dans un aéronef, en référence au dessin annexé, dans lequel: la figure 1 est une vue en élévation du capteur dans un réservoir de carburant, et

la figure 2 est une vue agrandie en coupe verticale du capteur.

En référence à la figure 1, le capteur 2 est monté verticalement dans un réservoir 4 d'un aéronef, ce réservoir contenant du carburant liquide 6 Le capteur est supporté par deux brides 8 et 10 fixées respectivement à l'extrémité supérieure et à l'extrémité inférieure du capteur et à la paroi du réservoir 4 Le signal d'excitation du capteur et son signal électrique de sortie sont transmis par un câble 12 entre l'extrémité inférieure du capteur et une unité de commande 13 comprenant un calculateur de jaugeage qui calcule le volume de carburant sur la base de l'indication de hauteur fournie par le capteur et en connaissant la forme du réservoir Le signal de sortie de l'unité de commande 13 est délivré à un affichage 14 ou à d'autres organes utilisateurs; il peut représenter soit -un volume, soit une masse si l'on dispose d'une indication de la densité. En se référant aussi à la figure 2, on voit que le capteur 2 comporte un organe tubulaire 15 et un transducteur 16 monté à l'extrémité

inférieure de cet organe tubulaire.

L'organe tubulaire 15 peut avoir jusqu'à environ 3 m de longueur et un diamètre extérieur d' environ 25 mm Cet organe comporte un tube cylindrique 30 en métal, par exemple en aluminium, ayant une épaisseur de paroi d'environ 0,5 mm et dont la face intérieure est revêtue d'une couche 32 faite d'une matière synthétique acoustiquement absorbante, telle qu'un polysulfure à deux composants ou une matière synthétique similaire L'épaisseur de ce revêtement n'est pas critique et le revêtement peut être réalisé par toute technique usuelle, notamment en faisant couler la matière de revêtement sous une forme liquide dans le tube Dans une autre exécution, le tube peut être fait d'un matériau différent, par exemple à base de fibres de verre, ou être revêtu d'un revêtement différent, par exemple en PTFE A son extrémité supérieure, l'organe tubulaire est fermé par un capuchon 33 fixé au tube 30 A son extrémité inférieure, il est ouvert vis-à-vis du carburant contenu dans le réservoir, grâce à quatre encoches 34 régulièrement espacées autour

de l'extrémité inférieure du tube 30.

Une barre ou baguette métallique pleine 35, qui peut être en aluminium, s'étend sur la majeure partie de la longueur de l'organe tubulaire 15 Dans un exemple typique, le diamètre de la barre est d'environ 5 mm, mais ce diamètre n'est pas critique pour le fonctionnement du capteur La barre 35 s'étend axialement le long de l'organe tubulaire 15 et son extrémité inférieure se trouve environ 10 mm au-dessus du transducteur 16 A son extrémité inférieure, la barre 35 est fixée au capuchon 33 La barre 35 supporte un certain nombre de réflecteurs d'étalonnage 36 formés par des colliers annulaires répartis à des intervalles égaux le long de la barre Ces i-éf Iècteurs servent à réfléchir les ultrasons à des points connus servant de références de comparaison pour la réflexion provenant de la surface du liquide Dans une autre exécution, les réflecteurs d' étalonnage pourraient être montés comme d'habitude sur la face

intérieure de l'organe tubulaire.

Le transducteur 16 est de préférence du modèle MH 100 commercialisé par Seacoustics Ltd, mais on pourrait utiliser d'autres types de

transducteurs ultrasoniques.

Durant le fonctionnement, l'unité de commande 13 excite le transducteur 16 par des impulsions électriques, de sorte que le transducteur émet des impulsions d'énergie ultrasonique à environ 1 M Hz, avec une fréquence de répétition des impulsions d'environ 1 seconde L'énergie ultrasonique est dirigée vers le haut, donc

normalement verticalement, le long de l'axe de l'organe tubulaire 15.

Le faisceau d'énergie a une forme polaire, avec une largeur maximale

approximativement égale au diamètre intérieur de l'organe tubulaire.

Chaque impulsion d'énergie ultrasonique monte axialement dans le carburant 6 contenu dans l'organe tubulaire 15 Une fraction de 1 ' énergie se reflète sur la face intérieure de l'organe tubulaire 15 et sur la surface de la barre 35 L'énergie monte dans l'organe 15 jusqu'à ce qu'elle rencontre l'interface entre le carburant 6 et l'air ou le gaz se trouvant plus haut dans le réservoir 4 A cet endroit, l'impulsion d'énergie est réfléchie vers le bas vers le transducteur 16 Le transducteur 16 reçoit aussi des impulsions d'écho provenant des réflexions sur les réflecteurs 36 Ces échos constituent des impulsions d'étalonnage permettant d'étalonner l'écho en provenance de la surface du liquide Le revêtement 32 à l'intérieur de l'organe réduit la quantité d' énergie transmise du carburant situé dans l'organe tubulaire à la paroi de cet organe et la quantité d' énergie

transmise de la paroi au carburant.

De manière surprenante, on a observé que la barre 35 procure une augmentation considérable de la quantité d'énergie reçue par le transducteur 16 par réflexion à partir de la surface du liquide Cela peut aller jusqu'à décupler l'énergie reçue On pense que ce phénomène est dû à la fois au ménisque supplémentaire produit autour de la barre 35 et aux réflexions internes supplémentaires produites par la barre On a constaté que lorsque le capteur 2 est incliné par rapport à la verticale, il y a très peu de réduction de l'énergie reçue par le transducteur 16 Ceci permet d'utiliser le capteur de manière fiable à des angles d'inclinaison allant jusqu'à environ 85 par rapport à la verticale, c'est-à-dire beaucoup plus qu'avec les capteurs de niveau selon l'art antérieur Ceci assure une grande fiabilité du dispositif de jauge de carburant, par le fait que les variations d'assiette de l'avion n'ont pas d'influence néfaste sur la précision du dispositif Cela donne aussi plus de liberté au fabricant de l' avion pour placer les capteurs de niveau de liquide puisque si l'on veut, on peut les installer dans des orientations différentes de la verticale. L'utilisation d'une barre interne de la manière décrite ci-dessus permet aussi d'utiliser le capteur pour mesurer le niveau de liquides tels que l'huile pour moteurs qui, auparavant, ne se prêtaient pas à une mesure de niveau par ultrasons Le signal de retour considérablement accru qui est dû à l'utilisation de la barre compense

la forte atténuation de l'énergie ultrasonique dans certains liquides.

D'autres variantes du capteur sont possibles Par exemple, il peut être souhaitable de donner à la barre une forme effilée ou un profil similaire à son extrémité inférieure, de façon à réduire la quantité

d'énergie réfléchie par la barre à l'extrémité inférieure du capteur.

Le diamètre de la barre pourrait varier d'environ 2 mm à environ 20 mm avec l'organe tubulaire décrit ci-dessus, avec très peu d'effet sur les performances du capteur La barre n'a pas besoin d'être de section circulaire, mais pourrait par exemple avoir une section ovale, carrée ou hexagonale La barre pourrait être creuse et pourrait être faite de différents matériaux, par exemple des matières synthétiques ayant différentes propriétés de transmission des ultrasons Il est possible d'utiliser plusieurs barres, montées par exemple le long de la paroi interne de l'organe tubulaire De préférence, ces barres seront également espacées le long du pourtour de la sinn l'amplitude du signal de retour pourrait varier l'orientation de l'inclinaison du capteur Si l'on barres, celles-ci seront de préférence réparties sur rlorgane tubulaire avec des intervalles de 90 . paroi du tube, en fonction de emploie quatre le pourtour de La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation et d'application décrits ci- dessus, mais elle s' étend à toute modification

ou variante évidente pour un homme du métier.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1 Capteur de niveau de liquide à ultrasons, comportant un transducteur ultrasonique ( 16) monté à proximité de l'extrémité inférieure d'un tube ( 30) dirigé vers le haut et agencé pour être rempli de liquide au même niveau que celui d'un liquide se trouvant à l'extérieur du tube, caractérisé en ce qu'au moins une barre ( 35) est disposée longitudinalement à l'intérieur du tube ( 30), cette barre ( 35) ayant pour effet d'élargir la gamme des angles d'inclinaison du

tube pour lesquels le capteur ( 2) est utilisable.

2 Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la barre

( 35) porte une série de réflecteurs d'étalonnage ( 36).

3 Capteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la ou

chaque barre ( 35) est pleine.

4 Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en

ce que la ou chaque barre ( 35) est en métal.

Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en

ce qu'il comporte une seule barre ( 35) disposée suivant l'axe du tube

( 30).

6 Capteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce

qu'il comporte plusieurs barres réparties à des intervalles égaux le

long du pourtour intérieur du tube ( 30).

7 Capteur selon lune des revendications précédentes, caractérisé en

ce que la ou chaque barre a une extrémité inférieure profilée pour réduire des réflexions sur la barre à l'extrémité inférieure du capteur.

8 Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en

ce que la ou chaque barre ( 35) a une section transversale circulaire.