FR2944868A1

FR2944868A1 - Product i.e. animal's food product, filling level measuring method for container i.e. cereal silo, involves utilizing sensor to calculate level of product in container when part of signal has echo with amplitude higher than threshold value

Info

Publication number: FR2944868A1
Application number: FR0901947A
Authority: FR
Inventors: Strat Olivier Le; Yoann Treguier; Gac Arnaud Le
Original assignee: Ijinus SAS
Current assignee: Ijinus SAS
Priority date: 2009-04-22
Filing date: 2009-04-22
Publication date: 2010-10-29
Anticipated expiration: 2029-04-22
Also published as: FR2944868B1

Abstract

The method involves controlling an ultrasonic sensor (10) to emit an ultrasonic wave (20) having a final frequency less than an initial frequency, when a part of a signal comprises an echo with an amplitude less than a determined threshold value. The part of the signal is analyzed and the sensor is controlled in a recurrent manner until obtaining an echo having an amplitude higher than the threshold value. The sensor is utilized to calculate a level of a product (14) in a container (12) when the part of the signal comprises the echo with the amplitude higher than the threshold value. An independent claim is also included for a sensor comprising a controller.

Description

Procédé de mesure et ça • teur de mesure • our la mise en oeuvre du • rocédé La présente invention concerne un procédé de mesure du niveau d'un produit dans un contenant, et un capteur pour la mise en oeuvre de ce procédé. Plus particulièrement elle porte sur un procédé de mesure du niveau d'un produit dans un contenant, le procédé comportant les étapes suivantes : positionnement d'un capteur ultrasonore dans la partie supérieure du contenant au-dessus du niveau maximum du produit, émission par le capteur d'une onde ultrasonore présentant une fréquence initiale déterminée, mise en mode réception du capteur, mode dans lequel le capteur est adapté à recevoir un signal, pendant une durée déterminée correspondant à une distance à mesurer. Il est connu dans l'art antérieur de mesurer le niveau d'un produit, tel qu'un liquide dans un réservoir, ou des céréales dans un silo, grâce à l'émission d'ondes ultrasonores au moyen d'un capteur ultrasonore disposé dans le contenant, en réalisant les étapes indiquées précédemment. The present invention relates to a method for measuring the level of a product in a container, and a sensor for carrying out this method. More particularly, it relates to a method for measuring the level of a product in a container, the method comprising the following steps: positioning an ultrasonic sensor in the upper part of the container above the maximum level of the product, emission by the sensor of an ultrasonic wave having a determined initial frequency, setting sensor reception mode, wherein the sensor is adapted to receive a signal, for a determined duration corresponding to a distance to be measured. It is known in the prior art to measure the level of a product, such as a liquid in a tank, or cereals in a silo, thanks to the emission of ultrasonic waves by means of an ultrasonic sensor arranged in the container, performing the steps indicated above.

Le capteur ultrasonore comporte une partie émettrice qui envoie un train d'ondes ultrasonore qui va se réfléchir sur l'objet à détecter, le signal réfléchi étant alors reçu par une partie réceptrice du capteur ultrasonore. Le temps que met le signal à revenir permet de calculer la distance entre le produit et le capteur ultrasonore. The ultrasonic sensor comprises a transmitting part which sends an ultrasonic wave train which will be reflected on the object to be detected, the reflected signal then being received by a receiving part of the ultrasonic sensor. The time taken by the signal to be returned makes it possible to calculate the distance between the product and the ultrasonic sensor.

Toutefois, les capteurs ultrasonores présentent une zone morte qui correspond à la distance seuil en dessous de laquelle le capteur ne peut recevoir le signal réfléchi. Cette zone morte est due à l'inertie oscillatoire de la tête acoustique du capteur ultrason. However, the ultrasonic sensors have a dead zone which corresponds to the threshold distance below which the sensor can not receive the reflected signal. This dead zone is due to the oscillatory inertia of the acoustic head of the ultrasonic sensor.

En effet, pendant la phase d'émission, la tête acoustique est soumise à un courant électrique qui la fait osciller : c'est la phase de transformation d'une force électrique, le courant, en une force mécanique, l'onde acoustique. A la fin de la phase d'émission le capteur ne fournit plus de courant électrique à la tête acoustique et passe en mode réception : c'est la phase de transformation d'une force mécanique en une force électrique. Mais la tête acoustique continue de vibrer sur son inertie pendant 0,2 à 2ms suivant sa fréquence d'excitation et sa masse. Indeed, during the emission phase, the acoustic head is subjected to an electric current which makes it oscillate: it is the phase of transformation of an electric force, the current, into a mechanical force, the acoustic wave. At the end of the emission phase, the sensor no longer supplies electrical power to the acoustic head and goes into reception mode: this is the phase of transformation of a mechanical force into an electrical force. But the acoustic head continues to vibrate on its inertia for 0.2 to 2ms according to its excitation frequency and its mass.

Ce temps représente le temps durant laquelle le capteur ne peut faire de mesure car il y a superposition entre l'onde émise et le signal reçu, et ce temps correspond à une distance appelée zone morte. Le signal réfléchi étant plus faible que celui de l'onde émise, il ne peut être mesuré. This time represents the time during which the sensor can not measure because there is superposition between the transmitted wave and the received signal, and this time corresponds to a distance called dead zone. Since the reflected signal is weaker than that of the transmitted wave, it can not be measured.

La présente invention vise à pallier ces inconvénients, et propose un procédé permettant d'obtenir une plus grande portée de mesure et de réduire la zone morte du capteur. Ces résultats sont obtenus par le procédé tel que décrit précédemment, caractérisé en ce que la mise en mode réception est réalisée immédiatement après l'émission d'une onde ultrasonore, le signal reçu se décomposant en au moins deux parties de signal, une première partie dans laquelle le signal est totalement saturé et une deuxième partie, et en ce que (a) la deuxième partie du signal est analysée et (b) si la deuxième partie du signal est nulle alors le capteur est commandé pour émettre une onde ultrasonore présentant une fréquence ultérieure supérieure à la fréquence initiale, les étapes (a) et (b) étant réalisées de manière récurrente jusqu'à l'obtention, dans la deuxième partie du signal, d'un écho non nul, à partir duquel le capteur calcule le niveau du produit dans le contenant, (c) si la deuxième partie du signal présente un écho d'amplitude inférieure à une valeur seuil déterminée, alors le capteur est commandé pour émettre une onde ultrasonore présentant une fréquence ultérieure inférieure à la fréquence initiale, les étapes (a) et (c) étant réalisées de manière récurrente jusqu'à l'obtention d'un écho dont l'amplitude est supérieure à la valeur seuil, écho à partir duquel le capteur calcule le niveau de produit dans le contenant, (d) si la deuxième partie du signal présente un écho d'amplitude supérieure à la valeur seuil, alors le capteur calcule le niveau du produit dans le contenant. Grâce à ces dispositions le procédé selon l'invention permet de mesurer le niveau d'un produit sur une plus grande plage de distance et de réduire la zone morte du capteur, notamment lorsque le produit présente un niveau élevé proche du capteur. Selon d'autres caractéristiques : - la fréquence initiale est déterminée par l'utilisateur ; - la valeur seuil de l'amplitude de l'écho est égale à 20% de l'amplitude du signal saturé ; - les fréquences ultérieures sont des multiples de la fréquence initiale, la fréquence initiale étant comprise entre 20 KHz et 200 KHz ; - le capteur est en mode réception pendant une durée comprise entre 0 et 10 200 ms. L'invention concerne aussi un capteur pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre un calculateur présentant des moyens d'analyse du signal reçu par le capteur en mode réception, et des moyens de commande adaptés à commander le 15 capteur pour émettre une onde ultrasonore d'une fréquence déterminée. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente une vue schématique d'un capteur selon 20 l'invention disposé dans un silo à céréales, la figure 2 représente un diagramme d'évolution de la zone morte en fonction de la fréquence des ondes émises par le capteur ; les figures 3 et 4 représentent chacune la courbe d'un signal mesuré grâce au procédé selon l'invention. 25 Le capteur de mesure 10 illustré sur la figure 1 est disposé dans un silo 12 contenant un produit 12 alimentaire pour animaux. Le capteur 10 pourrait aussi s'appliquer à la mesure d'un liquide, tel que du fuel, dans un réservoir. Le capteur 10 permet de mesurer le niveau de remplissage du produit 14 dans le contenant 12, c'est-à-dire la hauteur entre le niveau 30 supérieur du produit 14 et son niveau inférieur correspondant au fond du contenant 12. Le capteur ultrasonore 10 présente une partie d'émission d'onde ultrasonore et une partie de réception adaptée à recevoir le signal réfléchi. The present invention aims to overcome these disadvantages, and proposes a method for obtaining a larger measurement range and reduce the dead zone of the sensor. These results are obtained by the method as described above, characterized in that the reception mode setting is carried out immediately after the emission of an ultrasonic wave, the received signal decomposing into at least two signal parts, a first part in which the signal is fully saturated and a second part, and in that (a) the second part of the signal is analyzed and (b) if the second part of the signal is zero then the sensor is controlled to emit an ultrasonic wave presenting a subsequent frequency higher than the initial frequency, the steps (a) and (b) being performed recurrently until the obtaining, in the second part of the signal, of a non-zero echo, from which the sensor calculates the product level in the container, (c) if the second part of the signal has an echo amplitude lower than a determined threshold value, then the sensor is controlled to emit a ultrasonic wave having a lower frequency lower than the initial frequency, the steps (a) and (c) being performed recurrently until an echo whose amplitude is greater than the threshold value, echo from the sensor calculates the product level in the container, (d) if the second part of the signal has an echo with an amplitude greater than the threshold value, then the sensor calculates the level of the product in the container. Thanks to these provisions, the method according to the invention makes it possible to measure the level of a product over a greater range of distance and to reduce the dead zone of the sensor, especially when the product has a high level close to the sensor. According to other characteristics: the initial frequency is determined by the user; the threshold value of the amplitude of the echo is equal to 20% of the amplitude of the saturated signal; the subsequent frequencies are multiples of the initial frequency, the initial frequency being between 20 KHz and 200 KHz; the sensor is in reception mode for a duration of between 0 and 10 200 ms. The invention also relates to a sensor for implementing the method according to one of the preceding claims, further comprising a computer having means for analyzing the signal received by the sensor in reception mode, and control means adapted to control the sensor to emit an ultrasonic wave of a determined frequency. The present invention will be better understood on reading the following detailed description given with reference to the appended drawings in which: FIG. 1 represents a schematic view of a sensor according to the invention arranged in a cereal silo, FIG. 2 represents a diagram of evolution of the dead zone as a function of the frequency of the waves emitted by the sensor; Figures 3 and 4 each show the curve of a signal measured by the method according to the invention. The measurement sensor 10 illustrated in FIG. 1 is disposed in a silo 12 containing an animal food product. The sensor 10 could also be applied to the measurement of a liquid, such as fuel, in a tank. The sensor 10 makes it possible to measure the level of filling of the product 14 in the container 12, that is to say the height between the upper level of the product 14 and its lower level corresponding to the bottom of the container 12. The ultrasonic sensor 10 has an ultrasonic wave transmitting portion and a receiving portion adapted to receive the reflected signal.

Le capteur 10 comporte en outre un calculateur adapté à calculer à partir du signal réfléchi le niveau du produit dans le contenant et comportant des moyens d'analyse adaptés à analyser le signal réfléchi, et des moyens de commande permettant de générer une onde ultrasonore à une fréquence déterminée. Le calculateur est directement intégré au capteur 10. La partie d'émission permet d'émettre des ondes ultrasonores 20 selon une direction perpendiculaire à la surface de la tête ultrason. A cet effet, de manière connue, le capteur ultrasonore 10 comporte un élément piézocéramique qui lorsqu'il est traversé par une tension, se déforme et crée des vibrations mécaniques. La fréquence de la tension est choisie de manière à correspondre à la fréquence de résonance de l'élément piézo-céramique, afin que le capteur 10 émette des ondes ultrasonores 20 intenses. Le capteur ultrasonore 10 comprend plusieurs fréquences de résonance pouvant être des multiples de la fréquence de résonance initial du capteur. Par exemple, si le capteur ultrasonore 10 présente une fréquence de résonance à 40kHz, il peut présenter aussi d'autres fréquences de résonance de l'ordre de 80kHz, 120kHz, 240kH par exemple. Les fréquences de résonance du capteur sont liées à sa masse et ses dimensions. Lorsque le capteur 10 émet une onde ultrasonore 20 à une fréquence de 40 kHz, il existe un délai minimum d'amortissement de l'onde 20. Ce délai minimum correspond à la distance minimum en dessous de laquelle le capteur 10 ne peut recevoir l'écho de l'onde émise et est appelée zone morte. Plus la fréquence de l'onde émise est basse, plus le temps d'amortissement sera long. The sensor 10 further comprises a computer adapted to calculate from the signal reflected the level of the product in the container and having analysis means adapted to analyze the reflected signal, and control means for generating an ultrasonic wave at a determined frequency. The computer is directly integrated with the sensor 10. The emission part makes it possible to emit ultrasonic waves 20 in a direction perpendicular to the surface of the ultrasound head. For this purpose, in a known manner, the ultrasonic sensor 10 comprises a piezoceramic element which, when traversed by a voltage, deforms and creates mechanical vibrations. The frequency of the voltage is chosen to correspond to the resonance frequency of the piezo-ceramic element, so that the sensor 10 emits intense ultrasonic waves. The ultrasonic sensor 10 comprises a plurality of resonant frequencies that may be multiples of the initial resonant frequency of the sensor. For example, if the ultrasonic sensor 10 has a resonant frequency at 40 kHz, it can also have other resonance frequencies of the order of 80 kHz, 120 kHz, 240 kH for example. The resonance frequencies of the sensor are related to its mass and dimensions. When the sensor 10 emits an ultrasonic wave 20 at a frequency of 40 kHz, there is a minimum damping delay of the wave 20. This minimum delay corresponds to the minimum distance below which the sensor 10 can receive the echo of the emitted wave and is called dead zone. The lower the frequency of the transmitted wave, the longer the damping time will be.

Le calculateur va commander le fonctionnement du capteur 10 de manière à mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. Dans un premier temps le calculateur active la génération d'une tension pour que le capteur ultrasonore 10 émette une onde ultrasonore 20 à une fréquence initiale déterminée, par exemple 40kHz. The computer will control the operation of the sensor 10 so as to implement the method according to the invention. In a first step, the computer activates the generation of a voltage for the ultrasonic sensor 10 to emit an ultrasonic wave 20 at a determined initial frequency, for example 40 kHz.

Immédiatement après émission de l'onde ultrasonore, le capteur se met en mode réception pendant une durée déterminée comprise entre 0 et 200 ms. Les cycles temporels d'émission et de réception sont déterminés à l'avance, en fonction du milieu dans lequel se propage l'onde. Immediately after transmission of the ultrasonic wave, the sensor goes into reception mode for a specified period of time between 0 and 200 ms. The time cycles of transmission and reception are determined in advance, depending on the medium in which the wave propagates.

Le signal reçu est une courbe, telle que visible sur la figure 3 ou 4 dont l'abscisse représente la distance, en mètre, du capteur à l'obstacle, et l'ordonnée représente l'amplitude sur 8 bits (résolution de 255 points). Tel que visible sur les figures 3 et 4, le signal reçu comporte deux parties. Une première partie 22 dans laquelle il est complètement saturé, et une deuxième partie 24. La première partie dans laquelle le signal est totalement saturé correspond à la propre résonance du capteur, c'est-à-dire les vibrations de l'élément piézo-céramique qui ne sont pas encore amorties. Plus la fréquence est élevée plus le temps, et par conséquence la distance, de saturation diminue. Ainsi en augmentant la fréquence du capteur, il est possible de diminuer la plage de saturation du signal. La deuxième partie peut être nulle ou présenter un écho. Le procédé selon l'invention va prendre en compte la deuxième partie du signal afin 15 d'obtenir une mesure fiable sur une plus grande étendue. A cet effet le procédé fonctionne de la manière suivante : Le capteur émet une onde ultrasonore présentant une fréquence initiale. Puis immédiatement après émission de l'onde, le capteur est mis en mode réception. On entend par immédiatement l'instant où le capteur finit 20 d'émettre une onde, c'est-à-dire sans délai d'attente. En mode réception, le capteur est adapté à recevoir un signal. Le capteur est mis en mode réception pendant une durée comprise entre 0 et 200 ms, qui sera déterminée par rapport au volume du contenant. Le signal reçu est analysé par des moyens d'analyse du calculateur 25 compris dans le capteur. Dans le cas où la deuxième partie du signal est nulle, cela indique que le niveau du produit est trop proche pour que celui-ci puisse le mesurer. En effet le niveau supérieur du produit est dans la zone morte du capteur. Il est alors nécessaire que le capteur soit commandé pour émettre une onde 30 ultrasonore 20 présentant une fréquence ultérieure supérieure à la fréquence initiale, par exemple 80 KHz, de sorte à diminuer la zone morte de celui-ci. Le signal reçu en retour est analysé. Si la deuxième partie du signal est toujours nulle alors le capteur émet une onde ultrasonore d'une fréquence supérieure à la fréquence de l'onde précédente, jusqu'à l'obtention, dans la deuxième partie du signal, d'un écho non nul, tel que représenté à la figure 3, à partir duquel le capteur calcule le niveau du produit dans le contenant. Comme l'indique la courbe de la figure 2, plus la fréquence de l'onde émise par le capteur 10 est élevée, plus la zone morte diminue. Grâce au procédé selon l'invention, la zone morte est réduite facilement, ce qui permet d'obtenir une mesure plus précise que celles obtenues avec les procédés de l'art antérieur. Sinon, dans le cas où la deuxième partie du signal présente un écho, non nul, de faible amplitude, par exemple inférieur à une valeur seuil représentant 20% de l'amplitude du signal saturé, cela indique que la portée de la plage de mesure du capteur n'est pas suffisante pour obtenir un écho exploitable. Le capteur est commandé pour émettre une onde ultrasonore présentant une fréquence ultérieure inférieure à la fréquence initiale. En effet plus la fréquence diminue, plus la plage de mesure du capteur augmente. Par exemple la fréquence ultérieure est de 20 KHz. Ces étapes sont réalisées de manière récurrente, jusqu'à l'obtention d'un écho dont l'amplitude est supérieure à la valeur seuil, écho à partir duquel le capteur calcule le niveau de produit dans le contenant. The received signal is a curve, as can be seen in FIG. 3 or 4, whose abscissa represents the distance, in meters, from the sensor to the obstacle, and the ordinate represents the amplitude on 8 bits (resolution of 255 points ). As seen in Figures 3 and 4, the received signal has two parts. A first part 22 in which it is completely saturated, and a second part 24. The first part in which the signal is totally saturated corresponds to the sensor's own resonance, that is to say the vibrations of the piezoelectric element. ceramic that are not yet damped. The higher the frequency, the more the time, and consequently the distance, of saturation decreases. Thus by increasing the frequency of the sensor, it is possible to decrease the saturation range of the signal. The second part may be null or echo. The method according to the invention will take into account the second part of the signal in order to obtain a reliable measurement over a larger area. For this purpose the method operates as follows: The sensor emits an ultrasonic wave having an initial frequency. Then immediately after transmission of the wave, the sensor is put into reception mode. By immediately means the moment when the sensor finishes emitting a wave, that is to say without waiting time. In receive mode, the sensor is adapted to receive a signal. The sensor is placed in reception mode for a period between 0 and 200 ms, which will be determined in relation to the volume of the container. The received signal is analyzed by analysis means of the computer 25 included in the sensor. In the case where the second part of the signal is zero, this indicates that the level of the product is too close for it to be able to measure it. Indeed, the upper level of the product is in the dead zone of the sensor. It is then necessary for the sensor to be controlled to emit an ultrasonic wave 20 having a higher frequency than the initial frequency, for example 80 kHz, so as to decrease the dead zone thereof. The received signal is analyzed. If the second part of the signal is always zero then the sensor emits an ultrasonic wave of a frequency higher than the frequency of the preceding wave, until a non-zero echo is obtained in the second part of the signal. , as shown in Figure 3, from which the sensor calculates the level of the product in the container. As indicated by the curve of FIG. 2, the higher the frequency of the wave emitted by the sensor 10, the more the dead zone decreases. Thanks to the method according to the invention, the dead zone is reduced easily, which makes it possible to obtain a more precise measurement than those obtained with the methods of the prior art. Otherwise, in the case where the second part of the signal has a non-zero echo, of low amplitude, for example less than a threshold value representing 20% of the amplitude of the saturated signal, this indicates that the range of the measurement range sensor is not sufficient to obtain a usable echo. The sensor is controlled to emit an ultrasonic wave having a lower frequency than the initial frequency. In fact, the lower the frequency, the more the measuring range of the sensor increases. For example, the subsequent frequency is 20 KHz. These steps are performed recurrently, until an echo whose amplitude is greater than the threshold value, echo from which the sensor calculates the level of product in the container.

Sinon, dans le cas où la deuxième partie du signal présente un écho d'amplitude supérieure à la valeur seuil, tel que visible sur la figure 4, alors la capteur calcule directement le niveau du produit dans le contenant. La présente invention permet d'améliorer la portée de la mesure d'un capteur ultrasonore, de manière simple et rapide.25 Otherwise, in the case where the second part of the signal has an echo amplitude greater than the threshold value, as visible in Figure 4, then the sensor directly calculates the level of the product in the container. The present invention makes it possible to improve the range of measurement of an ultrasonic sensor in a simple and rapid manner.

Claims

Revendications1. A method of measuring the level of a product (14) in a container (12), the method comprising the steps of: - positioning an ultrasonic sensor (10) in the upper portion of the container (12) above the level maximum of the product (14), - emission by the sensor (10) of an ultrasonic wave (20) having a predetermined initial frequency, - setting in reception mode of the sensor (10), mode in which the sensor is adapted to receive a signal, during a determined period corresponding to a distance to be measured, characterized in that the reception mode setting is performed immediately after the emission of an ultrasonic wave (20), the received signal decomposing into at least two signal parts , a first portion (22) in which the signal is fully saturated and a second portion (24), and in that (a) the second portion (24) of the signal is analyzed and (b) if the second portion (24) of the signal is zero then the sensor is controlled p for emitting an ultrasonic wave (20) having a higher frequency than the initial frequency, the steps (a) and (b) being performed recurrently until an echo is obtained in the second part of the signal non-zero, from which the sensor calculates the level of the product in the container, (c) if the second part of the signal has an echo amplitude smaller than a determined threshold value, then the sensor is controlled to emit an ultrasonic wave having a lower frequency than the initial frequency, steps (a) and (c) being performed recurrently until an echo whose amplitude is greater than the threshold value, echo from which the sensor calculates the product level in the container, (d) if the second part of the signal has an echo with amplitudes higher than the threshold value, then the sensor calculates the level of the product in the container.

2. The method of claim 1 wherein the initial frequency is determined by the user.

3. Method according to one of the preceding claims, wherein the threshold value of the amplitude of the echo is equal to 20% of the amplitude of the saturated signal.

4. Method according to one of the preceding claims, wherein the subsequent frequencies are multiples of the initial frequency, the initial frequency being between 20 KHz and 200 KHz. 15

5. Method according to one of the preceding claims, wherein the sensor is in receiving mode for a period of between 0 and 200 ms.

6. Sensor for implementing the method according to one of the preceding claims, further comprising a computer having means for analyzing the signal received by the sensor (10) in reception mode, and control means adapted to controlling the sensor (10) to emit an ultrasonic wave of a determined frequency. 10