FR2836216A1

FR2836216A1 - Procede et dispositif pour determiner ou mesurer un niveau de remplissage

Info

Publication number: FR2836216A1
Application number: FR0302160A
Authority: FR
Inventors: Michael Arndt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-02-21
Filing date: 2003-02-21
Publication date: 2003-08-22
Anticipated expiration: 2023-02-21
Also published as: US6910378B2; FR2836216B1; DE10207278A1; US20030213299A1; JP2003254812A; DE10207278B4

Abstract

Procédé pour déterminer le niveau de remplissage d'un milieu (4) dans un réservoir (5). Selon le procédé, on génère un champ magnétique constant dans le réservoir (5), on excite un élément de capteur en une matière magnétostrictive, encastré par une extrémité dans le réservoir (5) pour y induire des vibrations longitudinales.On mesure la fréquence de résonance de l'élément de capteur ou la fréquence des vibrations longitudinales à l'aide de laquelle l'aimantation de l'élément de capteur varie de manière périodique avec un champ magnétique constant. Enfin, on détermine le niveau de remplissage à partir de la fréquence de résonance ou de l'amortissement des vibrations longitudinales.

Description

Domaine technique
La présente invention concerne un procédé pour déterminer le niveau de remplissage d'un milieu dans un réservoir.

L'invention concerne également un dispositif de mesure du niveau de remplissage mettant en oeuvre un tel procédé.

Les dispositifs de mesure de niveau de remplissage sont utilisés pour contrôler la hauteur de remplissage d'une charge ou matière de remplissage dans un réservoir. Ces dispositifs s'utilisent par exemple dans les véhicules automobiles ou dans les procédés chimiques. Ils servent par exemple à mesurer le niveau de remplissage du carburant dans un réservoir à carburant, celui du niveau d'un liquide de frein ou de refroidissement dans des véhicules automobiles.

Etat de la technique
Depuis de nombreuses années, on connaît des dispositifs de mesure de niveau de remplissage de réservoir dans lesquels l'organe d'entraînement est un flotteur monté à rotation qui flotte sur le niveau du liquide du réservoir. La position angulaire du flotteur qui dépend du niveau de remplissage est transmise par exemple à un aimant dont la position angulaire est alors une mesure du niveau de remplissage. De tels dispositifs de mesure de niveau de remplissage avec des leviers et flotteurs sont par exemple décrits dans les documents suivants : DE-A 28 30 518 ou DE-A 199 25 185.

D'autres capteurs de niveau de remplissage de l'état de la technique utilisent des plaques de détection, des variations de capacité ou de résistance, des mesures thermiques, radiométriques, optiques ou acoustiques, des mesures radar, des mesures de force ou de pression ou encore des mesures avec des capteurs piézo-électriques vibrants.

Un inconvénient des capteurs de l'état de la technique est de nécessiter entre un élément de capteur et l'électronique d'exploitation, au moins une liaison électrique mécanique ou optique. Cela nécessite la mise en oeuvre de moyens de construction importants, et la liaison peut être encrassée par la matière de remplissage et/ou perdre son étanchéité à la jonction avec le réservoir.

S'il ne faut qu'une liaison électrique mécanique ou optique, selon l'état de la technique, il faut alimenter au moins un élément de capteur à partir d'une source d'énergie (par exemple à la batterie) et après un certain temps il faut la remplacer. Cela est de nouveau un inconvé-

nient dans les applications dans lesquelles l'accès à l'élément de capteur est difficile.

Exposé de l'invention
La présente invention a pour but de développer un procédé et un dispositif en variante pour déterminer de manière continue le niveau de remplissage sans nécessiter de liaison électrique mécanique ou optique entre l'élément de capteur et l'électronique d'exploitation d'une source d'énergie directement pour l'élément de capteur. Cela permet de mesurer le niveau de remplissage d'un milieu (liquide) dans un réservoir ou réci- pient fermé. L'élément de capteur ne doit pas être accessible de l'extérieur du réservoir fermé. Le signal de niveau de remplissage est transmis par la paroi du réservoir et l'élément de capteur est alimenté en énergie pendant cette mesure à partir du réservoir.

Ces avantages découlent selon l'invention d'un procédé pour déterminer le niveau de remplissage d'un milieu dans un réservoir.

Ce procédé est caractérisé par les étapes suivantes :
A) on génère un champ magnétique constant dans le réservoir,
B) on excite avec des excitations longitudinales, un élément de capteur comportant une matière magnétostrictive, cet élément de capteur étant fixé par une extrémité dans le réservoir, 1 C) on mesure la fréquence de résonance de l'élément de capteur ou l'amortissement des vibrations longitudinales à l'aide de l'aimantation variant de manière périodique de l'élément de capteur dans le champ magnétique constant, et
D) on détermine le niveau de remplissage à partir de la fréquence de ré- sonance ou à partir de l'amortissement des vibrations longitudinales.

La magnétostriction est une propriété que l'on rencontre dans les matières ferromagnétiques comme le fer, le nickel, le cobalt et les alliages de ces matières. Si l'on place des produits ferromagnétiques au niveau d'un champ magnétique, on rencontre une déformation microscopique de la structure moléculaire qui produit une variation de ses dimen- sions. Si par exemple, on place une tige de matière ferromagnétique dans un champ magnétique parallèle à la direction longitudinale de la tige, cette tige sera modifiée longitudinalement dans la direction mécanique. Les va- riations relatives de longueur AL/L produites par un effet magnétostrictif, l'effet Joule, se situent de manière générale dans un ordre de grandeur de 10-5. Toutefois dans les matières fortement magnétostrictives comme par exemple des alliages fer/terres rares, on peut toutefois atteindre des va-

leurs allant jusqu'à 10-3. La matière magnétostrictive est en outre magnéto-élastique. Comme effet magnéto-élastique, il y a l'effet Villary pour quelques procédés de mesure. Il s'agit de la variation des propriétés magnétiques longitudinales par exemple la perméabilité d'une tige ferromagnétique, produite par sa déformation mécanique dans la direction longitudinale.

Le procédé selon l'invention utilise dans l'étape C) l'effet magnéto-élastique, et le cas échéant dans l'étape B) l'effet magnétostrictif.

Cet effet permet de déterminer le niveau de remplissage d'un milieu contenu dans un réservoir. Le milieu peut être un liquide ou des produits en vrac, à granulométrie fine. En cas de passivation de l'élément de capteur (par exemple par revêtement) on a déterminé l'eau, les solutions aqueuses, l'huile, le carburant, les alcools, les solvants, les poussières, le sable par exemple pour le milieu dont le niveau de remplissage peut se déterminer à l'aide de la présente invention. Le réservoir est par exemple le réservoir d'un véhicule automobile ou celui d'un réacteur dans un procédé chimique. Selon le procédé de l'invention, un élément de capteur est fixé d'un côté dans le réservoir et comporte une matière magnétostrictive pour réaliser les vibrations longitudinales lorsqu'elle est excitée à sa fréquence de résonance (B). L'élément de capteur est par exemple une bande, ruban ou tige. Il possède une fréquence de résonance mécanique caractéristique dépendant de sa longueur, de la présence et de la position du point d'encastrement, des paramètres de la matière magnétostrictive et de l'intensité de la direction du champ magnétique environnant.

Les vibrations longitudinales de l'élément de capteur produisent une tension qui varie périodiquement et qui du fait de l'effet Villary, se traduit par une variation périodique des propriétés magnétiques longitudinales de l'élément de capteur. L'élément de capteur se trouve dans un champ magnétique HB de faible amplitude (de préférence < 1 kA/m) (étape A), pour permettre de détecter une variation d'aimantation de l'élément de capteur à une certaine distance. Si l'élément de capteur se trouve dans un milieu contenu dans le réservoir, perpendiculaire à la surface du milieu, la longueur de l'élément de capteur concernée par les vibrations dépend la position de la surface le long de l'élément de capteur. Cette position est fixée par le niveau de remplissage du réservoir. Cela permet d'influencer à la fois la fréquence de résonance et l'amortissement des vibrations de l'élément de capteur avec le niveau de remplissage. Dans l'étape C) du procédé de l'invention on mesure la fré-

quence de résonance et/ou l'amortissement des vibrations longitudinales à l'aide de l'aimantation de l'élément de capteur variant de manière périodique avec le champ magnétique constant. Les vibrations de l'élément de capteur engendrées par le champ magnétique qu'il crée se produisent à la fréquence de résonance de l'élément de capteur et ont le même amortissement. Les deux grandeurs peuvent ainsi se mesurer de l'extérieur du réservoir (étape C) et déterminer à partir de là son niveau de remplissage (étape D).

Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, l'excitation de l'élément de capteur pour avoir des vibrations longitudinales se fait à l'aide d'un champ alternatif magnétique (si possible Wobbulé en fréquence). Selon un autre mode de réalisation, l'excitation se fait par une impulsion magnétique. Les deux modes de réalisation utilisent l'effet magnétostrictif. Il est avantageux dans ces conditions que l'excitation de l'élément de capteur pour avoir des vibrations mécaniques longitudinales se fasse de l'extérieur du récipient fermé.

La présente invention a en outre pour but de développer un dispositif de mesure de niveau remplissage pour un réservoir recevant un milieu et comprenant un élément de capteur avec une matière magnétostrictive au moins un aimant pour générer un champ magnétique constant, au moins un aimant pour générer un champ magnétique variable et au moins un dispositif de mesure pour mesurer des grandeurs caractéristiques d'un champ magnétique variant de manière périodique.

Au moins un aimant générant un champ magnétique variable peut générer par exemple un champ magnétique alternatif ou une impulsion de champ magnétique de sorte que l'élément de capteur reste excité par ce champ magnétique variable pour vibrer à sa fréquence de résonance. Les grandeurs caractéristiques mesurées à l'aide du dispositif de mesure d'un champ magnétique variable périodique sont par exemple la fréquence ou l'amortissement qui correspondent à la fréquence de résonance et à l'amortissement des vibrations mécaniques de l'élément de capteur. L'élément de capteur se trouve alors dans le champ magnétique généré par au moins un aimant pour donner un champ magnétique constant. Le dispositif de mesure de niveau de remplissage selon l'invention permet de déterminer le niveau de remplissage d'un milieu dans un récipient selon le procédé de l'invention.

Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, la matière magnétostrictive de l'élément de capteur est un alliage amorphe

de fer, cobalt ou riche en nickel. Des matières préférentielles ayant de bonnes propriétés magnéto-élastiques sont par exemple le Vitrovac (marque déposée de la société Vacuumschmelze, Hanau, Allemagne) ou Met- glas@ (marque déposée de Honeywell Electronic Materials, Sunnyval,

Californie, USA). Le produit Metglas a par exemple la composition suivante : 82, 17 % Co, 8, 6 % Si, 4, 45 % Fe, 3, 15 % B et 1, 63 % Ni. Vitrovac a par exemple la composition suivante : Fe62NizoSizB16 comme matières pour la présente invention. D'autres métaux amorphes utilisables selon l'invention ont par exemple la composition suivante : T70-85M30-15, formule dans laquelle T correspond à un ou plusieurs des éléments Fe, Co, Ni, et M correspond à un ou plusieurs des éléments B, C, Si.

La présente invention concerne également l'utilisation d'un dispositif de mesure de niveau de remplissage pour déterminer le niveau de remplissage d'un liquide dans un réservoir d'un véhicule automobile. Il est avantageux dans les véhicules automobiles de connaître le niveau de remplissage de différents réservoirs par exemple le niveau de remplissage de carburant dans le réservoir à carburant ou le niveau de remplissage du réservoir à liquide de refroidissement ou liquide de frein. Le procédé et le dispositif de mesure de niveau de remplissage selon l'invention permettent de déterminer le niveau de remplissage de n'importe quel réservoir.

Dessins
La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre une bande encastrée par une extrémité et excitée pour des vibrations mécaniques, - la figure 2 montre un dispositif de mesure de niveau de remplissage selon l'invention,

- la figure 3 montre une bande cintrée, encastrée par une extrémité, - la figure 4 montre respectivement en vue de dessus et en coupe un dis- positif de mesure de niveau de remplissage selon l'invention, - la figure 5 est un graphique montrant le comportement en vibration d'une bande.

Description de modes de réalisation
La figure 1 montre une bande encastrée par exemple une bande formée d'une matière magnétostrictive que l'on peut exciter pour qu'elle vibre mécaniquement.

La bande magnétostrictive 1 est encastrée d'un côté 2 et son autre côté 3 ou extrémité peut osciller librement. Cette bande a une longueur L, un module d'élasticité mécanique EH (en fonction du champ magnétique environnant) et une densité p. La fréquence de résonnance fr d'une bande 1 encastrée par une extrémité est donnée par la formule suivante :

La bande métallique amorphe 1 peut être excitée par un champ magnétique alternatif ou une impulsion magnétique pour avoir des oscillations mécaniques longitudinales à la fréquence de résonnance caractéristique fr, grâce à ses propriétés magnéto-élastiques.

La figure 2 montre un dispositif de mesure de niveau de remplissage selon l'invention.

Ce dispositif sert à mesurer le niveau de remplissage d'un milieu 4 contenu dans un réservoir fermé 5. Pour cela, une bande magnétostrictive 1 est encastrée par une extrémité dans un encastrement 6 de manière à être perpendiculaire à la surface 7 du milieu 4. On a également des modes de réalisation de l'invention dans lesquels la bande magnétostrictive ou la tige est inclinée par rapport au milieu et dépasse ainsi suivant une direction inclinée la surface du milieu. A la figure 2, cette disposition est toutefois verticale et cette bande a une longueur totale L composée de deux parties de longueur LF et Les. La longueur LF est celle de la bande magnétostrictive 1 entourée par le milieu 4 et qui se trouve ainsi sous la surface 7 du milieu (hauteur du niveau de remplissage que l'on veut mesurer) ; la longueur Leff est celle de la bande 1 qui dépasse de la surface 7 (il s'agit de la longueur caractéristique pour la vibration). Dans le mode de réalisation de l'invention représenté à la figure 2, l'encastrement 6 est prévu à l'extrémité inférieure du réservoir 5. Mais elle peut également se situer à un autre endroit du réservoir par exemple à son extrémité supérieure si bien que la bande magnétostrictive 1 pénètre par le haut dans le milieu 4.

Trois bobines 8,9, 10 sont installées sur le côté extérieur du réservoir 5. Une bobine de polarisation 8 sert à créer un champ magnétique constant, faible. A l'aide de la bobine d'excitation 9 on génère un champ magnétique servant à exciter la bande magnétostrictive 1 dans la direction d'oscillation 11 représentée. La bobine de mesure 10 sert à détecter le signal à partir duquel on détermine la hauteur de remplissage LF.

Dans ce mode de réalisation préférentiel de l'invention, les aimants et le dispositif de mesure sont réalisés sous la forme de bobines 8,9, 10. Les bobines peuvent être des bobines de Helmholtz ou des bobines avec un anneau. Au moins un aimant pour générer un champ magnétique constant n'est pas nécessairement réalisé sous la forme de bobine ; il peut également s'agir d'un aimant permanent.

La fréquence de résonance de la bande magnétostrictive 1 et l'amortissement de ses oscillations correspondent à la fréquence et à l'amortissement du signal mesuré par la bobine de mesure 10. La fré-

quence de résonance de la bande magnétostrictive 1 dépend comme suit du niveau de remplissage du réservoir 5 :

1 1 1 r fr =-p p 4LeffP 4 (L-LF) p p r
Pour un certain niveau de remplissage, la fréquence de résonance fr. l est donnée par rapport à la fréquence de résonance en l'absence de milieu fr. o (Lf=0), par la formule suivante :

Cela permet de déterminer le niveau de remplissage actuel à partir de la fréquence de résonance actuelle :

Pour l'amortissement de la bande magnétostrictive 1, on peut faire un calcul analogue. Cet amortissement dépend d'une part de la viscosité du milieu et d'autre part il augmente avec la profondeur de pénétration de la bande dans le milieu.

La figure 3 montre une bande cintrée encastrée par une extrémité.

La bande magnétostrictive 1 de longueur L, le module d'élasticité EH et de densité p est cintrée dans la direction transversale. La flèche du cintrage h est de préférence de l'ordre de 0,1 mm à 5 mm. Selon un autre mode de réalisation non représenté de la présente invention, la bande est cintrée pour former un tube. Le rôle du cintrage est d'augmenter la stabilité mécanique de la bande magnétostrictive 1 qui doit

en particulier résister au déversement du milieu lorsqu'on remplit le réservoir.

La figure 4 est une vue de dessus et en coupe d'un dispositif de mesure de niveau de remplissage selon l'invention avec une bande magnétostrictive cintrée.

Dans la partie supérieure de la figure 4 on a représenté une coupe du dispositif de mesure de niveau de remplissage selon l'invention ; cette coupe est faite selon la ligne de coupe A-B représentée dans la partie inférieure de la figure 4. La construction du dispositif de mesure de niveau de remplissage correspond pour l'essentiel à ce qui est représenté à la figure 2. La figure 4 montre un réservoir rectangulaire 4 avec un encastrement 6 au milieu pour une bande magnétostrictive 1 ; extérieurement on a trois bobines 8,9, 10. Dans le réservoir on a en outre un tube protecteur 12 qui entoure la bande magnétostrictive 1. Le tube protecteur 12 évite le pliage de la bande magnétostrictive 1 sous l'effet de la circulation du fluide 4 dans le réservoir 5 (non représenté à la figure 4). La bande 1 sera en outre renforcée par son cintrage qui apparaît dans la vue de dessus représentée à la figure 4. Pour s'assurer que le niveau de remplissage du milieu 4 dans le tube protecteur 12 correspond au niveau de remplissage dans l'ensemble du réservoir 5, le tube protecteur 12 comporte à son extrémité inférieure des ouvertures 13 qui facilitent la pénétration et la sortie du milieu dans le tube protecteur 12. Cela permet un équilibrage permanent du niveau de remplissage entre le tube protecteur 12 et le réservoir 5 qui l'entoure.

On génère un champ magnétique constant dans le mode de réalisation préférentiel représenté à la figure 4 de l'invention à l'aide d'une bobine de polarisation 8. En variante on peut avoir au moins un aimant pour générer un champ magnétique constant, sous la forme d'une bande à aimantation permanente fixée sur le tube protecteur 12.

La figure 5 est un graphique du comportement en vibration d'une bande magnétostrictive.

Suivant l'axe Y on a représenté l'amplitude de la bande vibrante et suivant l'axe X on a représenté la fréquence du champ magnétique d'excitation. Les deux courbes de résonance 14,15 montrent le comportement en oscillation de la bande magnétostrictive sous l'effet d'une excitation continue avec un champ magnétique wobbulé en fréquence pour deux niveaux de remplissage différents dans un réservoir. L'amplitude devient maximale si le champ magnétique d'excitation atteint

la fréquence de résonance de la bande. La première courbe de résonance 14 présente une amplitude maximale Ao pour la fréquence de résonance fr. o. Elle a été enregistrée dans un réservoir ne contenant pas de milieu (liquide) (niveau de remplissage = 0). La seconde courbe de résonance 15 a été mesurée dans le cas d'un réservoir contenant un milieu (niveau de remplissage = LF # 0). La courbe présente une Ai à la fréquence de résonance fr, l. La fréquence de résonance fr, l avec un niveau de remplissage se distingue clairement de la fréquence de résonance fr, o. Pour déterminer le niveau de remplissage, il faut connaître la fréquence de résonance fr, o sans milieu de remplissage de sorte que pour une fréquence de résonance fr. l mesurée de manière quelconque (comme indiqué ci-dessus) on peut faire un calcul de proportion. De même le niveau de remplissage actuel peut se calculer à partir du rapport des amplitudes Ao et Ai.

NOMENCLATURE 1 Bande magnétostrictive 2 Côté encastré 3 Côté libre en oscillation 4 Milieu/liquide 5 Réservoir 6 Encastrement 7 Surface supérieure du milieu 8 Bobine de polarisation 9 Bobine d'excitation 10 Bobine de mesure 11 Direction d'oscillation 12 Tube protecteur 13 Ouvertures 14 Première courbe de résonance 15 Seconde courbe de résonance L Longueur EH Module d'élasticité p Densité LF Hauteur de remplissage Leff Longueur concernée par les vibrations Ao Amplitude sans remplissage Ai Amplitude avec remplissage fr, o Fréquence de résonance sans remplissage fr, l Fréquence de résonance avec remplissage A Amplitude d'une bande oscillante f Fréquence d'un champ magnétique d'excitation, Wobbulé h Flèche du cintrage.

Claims

REVENDICATIONS 1 ) Procédé pour déterminer le niveau de remplissage d'un milieu (4) dans un réservoir (5), caractérisé par les étapes suivantes : E) on génère un champ magnétique constant dans le réservoir (5), F) on excite avec des excitations longitudinales, un élément de capteur comportant une matière magnétostrictive, cet élément de capteur étant fixé par une extrémité dans le réservoir (5), G) on mesure la fréquence de résonance de l'élément de capteur ou l'amortissement des vibrations longitudinales à l'aide de l'aimantation variant de manière périodique de l'élément de capteur dans le champ magnétique constant, et H) on détermine le niveau de remplissage à partir de la fréquence de ré- sonance ou à partir de l'amortissement des vibrations longitudinales. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'excitation de l'élément de capteur pour les vibrations longitudinales est assurée par un champ magnétique alternatif. 3 ) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu' on assure la wobbulation en fréquence du champ alternatif magnétique. 4 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'excitation de l'élément de capteur pour des vibrations longitudinales se fait par une impulsion de champ magnétique. 5 ) Dispositif de mesure de niveau de remplissage pour un réservoir (5) susceptible d'être rempli d'un milieu (4) comprenant un élément de capteur avec une matière magnétostrictive, au moins un aimant (8) pour générer un champ magnétique constant, un aimant (9) pour générer un champ magnétique variable et au moins un dispositif de mesure (10) pour mesurer les grandeurs caractéristiques d'un champ magnétique variant de manière périodique. 6 ) Dispositif de mesure de niveau de remplissage selon la revendication 5, <Desc/Clms Page number 12> caractérisé en ce que la matière magnétostrictive est un alliage amorphe fer, cobalt, nickel. 7 ) Dispositif de mesure de niveau de remplissage selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément de capteur est fixé d'un côté dans le réservoir (5). 8 ) Dispositif de mesure de niveau de remplissage selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément de capteur est installé dans le réservoir (5) perpendiculairement à la surface (7) milieu (4). 9 ) Dispositif de mesure de niveau de remplissage selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément de capteur est une bande (11) cintrée dans la direction transversale.

100) Dispositif de mesure de niveau de remplissage selon la revendication 5, caractérisé en ce que les aimants et le dispositif de mesure sont des bobines (8, 9, 10).

11 ) Dispositif de mesure de niveau de remplissage selon la revendication 10, caractérisé en ce que les bobines (8, 9, 10) sont des bobines Helmholtz ou des bobines séparées.

12 ) Dispositif de mesure de niveau de remplissage selon la revendication 5, caractérisé en ce qu' au moins un aimant générant un champ magnétique constant est un aimant permanent.

13 ) Dispositif de mesure de niveau de remplissage selon la revendication 5, caractérisé en ce que les aimants et le dispositif de mesure sont installés à l'extérieur du réservoir (5).

14 ) Dispositif de mesure de niveau de remplissage selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément de capteur se trouve dans un réservoir (5) avec un tube protecteur (12) et des orifices (13).

15 ) Dispositif de mesure de niveau de remplissage selon la revendication 14, caractérisé en ce qu' au moins un élément générant un champ magnétique constant est une bande à aimantation permanente fixée sur le tube protecteur (12).

16 ) Application d'un dispositif de mesure de niveau selon l'une quelconque des revendications 5 à 15, pour déterminer le niveau de remplissage d'un liquide dans un réservoir (5) d'un véhicule automobile.