ULTRASONORE REFLECHIE SUR UNE SURFACE EXTERNE DU BOITIER

La présente invention concerne un procédé de détection de présence de fluides par ultrasons, ainsi qu'un dispositif mettant en œuvre un tel procédé.

De nombreuses applications nécessitent des détections ou des mesures de présence de fluides, qui peuvent être liquides ou gazeux, avec éventuellement la présence de plusieurs fluides mélangés ou stratifiés. On peut en particulier détecter la présence ou le niveau de liquides, ou des proportions de plusieurs types de liquides dans un mélange qui est homogène ou stratifié.

Cependant dans certaines applications le fluide peut être chargé de déchets solides qui perturbent le fonctionnement des dispositifs de détection.

En particulier le traitement des eaux en milieu urbain comporte un réseau d'assainissement récupérant les eaux usées des habitations pour les envoyer vers une station d'épuration, qui reçoit aussi dans certains cas les eaux de pluie.

Pour éviter dans le cas d'orages entraînant un débit d'eau important, un engorgement du réseau d'assainissement et une surcharge de la station d'épuration qui peut l'endommager, on utilise généralement dans des canalisations d'écoulement des eaux de pluie des déversoirs comprenant un passage disposé à un niveau défini, permettant au-dessus de ce niveau de rejeter directement l'eau dans la nature.

De cette manière on limite automatiquement le débit d'eau dirigé vers la station d'épuration.

La réglementation impose une surveillance des quantités d'eau rejetées dans la nature en cas de surverse, en particulier le nombre de surverses et leurs durées, avec des pénalités qui peuvent y être attachées. Il faut donc un moyen de mesure fiable pour réaliser cette détection de rejet d'eau.

Un type de moyen de détection connu, présenté notamment par les documents FR-A1 -2949571 et FR-A1 -2982362, utilise un capteur avec une technologie du type capacitive, qui mesure la variation de la permittivité du milieu avec lequel il est en contact formant le diélectrique. En effet la permittivité de l'eau étant très différente de celle de l'air, on peut facilement détecter la présence du liquide. On obtient un moyen de détection présentant un coût réduit et consommant peu d'énergie, ce qui peut le rendre autonome en énergie pour la mesure et la transmission des données, avec une batterie ou une pile intégrée.

Toutefois l'expérience sur le terrain montre que cette technologie pose des problèmes en cas d'encrassement du capteur, en particulier pour les eaux de pluie pouvant comporter des déchets, notamment des boues ou des feuilles mortes.

On constate avec une absence d'eau de surverse, qu'un déchet imprégné d'eau restant collé sur le capteur, comme une feuille de papier ou un déchet végétal, entraîne la détection de présence d'eau. On peut alors obtenir une détection de présence d'eau continue entre deux orages, ce qui fausse la quantité de surverses mesurée, ainsi que la durée de ces surverses. Les résultats peuvent alors être fortement modifiés.

Un autre type de moyen de détection connu utilise des capteurs mécaniques, comprenant notamment un flotteur remontant sur la surface du liquide avec une mesure de la hauteur de ce flotteur, ou un tube fermé contenant une colonne d'eau dont le dessous est plongé dans le liquide, avec une mesure de la pression dans ce tube.

Ce type de capteur est économique et présente une faible consommation d'énergie, cependant il est aussi sensible à la présence de déchets qui perturbent facilement son fonctionnement. De plus des problèmes hydrauliques peuvent se poser. Par exemple dans le cas d'un niveau de liquide proche du seuil de détection du flotteur, des variations légères de la surface provoquées par des remous ou des vagues peuvent entraîner de multiples détections.

Un autre type de moyen de détection connu utilise des capteurs résistifs comportant deux électrodes conductrices espacées, disposées dans le volume recevant l'eau de surverse. L'eau présentant une résistivité nettement plus faible que l'air, la mesure du courant circulant entre les électrodes indique la présence du liquide.

Toutefois ces capteurs présentant aussi un coût réduit et une faible consommation d'énergie, sont fortement sensibles à l'encrassement par le dépôt de déchets, qui conservant une humidité maintiennent une conductivité plus forte en l'absence d'eau de surverse.

Un autre type de moyen de détection connu utilise des capteurs à ultrasons qui mesurent le temps de déplacement, appelé aussi temps de vol, mis par une onde ultrasonore émise par ce capteur pour atteindre la surface du liquide et revenir jusqu'à lui. En envoyant des séries de courtes impulsions ultrasonores qui se propagent à la vitesse du son dans l'air, on obtient la distance parcourue qui est proportionnelle au temps de vol mesuré.

Ces capteurs restant en dehors du liquide sont peu sensibles à l'encrassement par des déchets. Par contre n'étant pas immergés, ils présentent des contraintes d'installation qui rendent difficiles leur utilisation dans un certain nombre d'ouvrages. De plus ils consomment beaucoup d'énergie, ce qui impose aussi des contraintes de surveillance et de remplacement des moyens d'alimentation.

Par ailleurs la mesure du niveau du liquide est perturbée par la présence de mousse ou de remous à la surface. Les réseaux d'assainissement comportant fréquemment une écume de surface, cette écume a pour effet d'absorber le signal émis par le capteur, empêchant une détection du niveau.

D'une manière générale les différentes défaillances causées par l'encrassement des capteurs ont une conséquence directe sur le respect de la législation, ainsi que sur le dimensionnement et le coût des installations de traitement de l'eau.

La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure.

Elle propose à cet effet un procédé de détection de fluides par ultrasons, utilisant des cellules émettant et recevant des ondes ultrasonores au travers d'une face avant présentant une surface externe en contact avec le fluide à détecter dans le milieu extérieur, remarquable en ce qu'il émet des ondes ultrasonores, puis mesure l'amplitude des ondes reçues en retour venant de la réflexion sur la surface externe de la face avant, et la compare à celle des ondes émises.

Un avantage de ce procédé de détection de présence de fluides est que l'onde ultrasonore se transmettant avec différentes amplitudes par rapport à son émission, dans la face avant du boîtier et dans les matières du milieu extérieur de cette face avant, à cause des différentes impédances acoustiques de ces matériaux, en mesurant l'amplitude des ondes reçues réfléchies sur la surface externe de la face avant qui constitue une paroi maîtrisée et stable dans le temps formant une référence, on peut en déduire en prenant le rapport de l'amplitude reçue sur celle émise, la part de l'onde qui a été transmise dans le milieu extérieur et donc la nature des matières de ce milieu. On peut alors connaître la présence de différentes matières, par exemple la présence d'eau, ou d'une couche d'encrassement humide sur le boîtier, ou l'empilement de plusieurs fluides. Le procédé donne en particulier une information fiable sur la présence d'eau, quel que soit l'encrassement du boîtier de détection.

Le procédé de détection de présence de fluides selon l'invention peut comporter de plus une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles.

Le procédé de détection peut avantageusement ajuster automatiquement la mesure de l'amplitude des ondes reçues en retour en fonction de la température mesurée au niveau de la face avant. Ceci permet ainsi de compenser la variation de cette amplitude due à la modification de l'impédance acoustique du matériau constitutif de la face avant en fonction de la température. On obtient alors une détection de qualité constante pour une large plage de température.

Le procédé de détection peut avantageusement mesurer le temps mis pour le retour sur les cellules d'ondes réfléchies dans le milieu extérieur, pour en déduire des distances de différentes surfaces séparant des fluides de ce milieu. On obtient ainsi avec le même système des indications supplémentaires sur des niveaux de fluide.

Avantageusement le procédé calcule l'épaisseur d'une couche d'encrassement déposée sur la face avant, en mesurant le temps mis pour le retour sur les cellules d'ondes réfléchies sur la surface de cette couche. On peut réaliser facilement à distance un suivi de l'encrassement du dispositif pour prévoir une maintenance.

De plus le procédé peut mesurer l'amplitude des ondes reçues en retour venant de la réflexion sur des surfaces du milieu extérieur, et la comparer à celle des ondes émises.

Selon un mode de réalisation, le procédé mesure le nombre ou la durée d'écoulements d'eaux dans un déversoir d'un conduit d'écoulement d'eaux pluviales. On obtient une mesure fiable dans le temps permettant de suivre l'évolution des déversements par rapport aux exigences de la réglementation.

L'invention a aussi pour objet un dispositif de détection de présence de fluides dans un milieu extérieur, comportant des moyens mettant en œuvre un procédé de détection comprenant l'une quelconque des caractéristiques précédentes.

Avantageusement, le dispositif comporte un boîtier étanche contenant les cellules. Le dispositif peut alors être disposé sans dommage à un emplacement immergeable.

Avantageusement, les cellules sont appliquées sur la surface intérieure de la face avant transmettant les ondes ultrasonores.

En particulier le dispositif peut comporter deux cellules indépendantes réalisant l'une l'émission et l'autre la réception des ondes ultrasonores.

Avantageusement, la face avant est formée dans une matière plastique du type polychlorure de vinyle « PVC ». Ce matériau économique, qui peut être moulé facilement, comporte une impédance acoustique très différente de l'air qui facilite la mesure de l'amplitude de l'onde réfléchie sur la surface extérieure de la face avant.

Avantageusement le dispositif comporte dans un même boîtier contenant les cellules, des moyens de mesure de l'amplitude des ondes réfléchies, et des moyens de transmission des résultats de la mesure vers l'extérieur. On obtient ainsi un ensemble compact et économique, contenant de manière intégrée les différentes fonctions pouvant lui assurer un fonctionnement autonome.

Avantageusement, le dispositif comprend des moyens de mesure et d'ajustement permettant d'ajuster l'amplitude des ondes reçues en retour en fonction de la température mesurée au niveau de la face avant. Ceci permet de compenser la variation de l'amplitude résultant de la modification de l'impédance acoustique du matériau constitutif de la face avant en fonction de la température.

L'invention a de plus pour objet un déversoir d'eaux pluviales recevant les eaux de surverse venant d'un conduit d'écoulement des eaux de pluie, comportant un dispositif de détection des eaux de surverse comprenant l'une quelconque des caractéristiques précédentes.

L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- les figures 1 et 2 sont des vues respectivement de face et en coupe suivant le plan de coupe ll-ll, d'un boîtier d'un dispositif de détection selon l'invention comprenant une cellule unique réalisant l'émission et la réception des ondes ultrasonores ;

- la figure 3 est une vue en coupe transversale d'un déversoir d'un réseau pluviale, présentant un dispositif de détection selon l'invention ;

- la figure 4 est un schéma d'un dispositif de détection selon l'invention, comprenant deux cellules réalisant l'une l'émission et l'autre la réception des ondes ultrasonores ;

- les figures 5 et 6 sont des diagrammes présentant pour un boîtier sans encrassement, l'amplitude des ondes émises et reçues respectivement dans l'air et dans le liquide ; et

- les figures 7 et 8 sont des diagrammes présentant pour un boîtier avec encrassement, l'amplitude des ondes émises et reçues respectivement dans l'air et dans le liquide.

Les figures 1 et 2 présentent un capteur à ultrasons 2 comportant un boîtier étanche comprenant du côté avant indiqué par la flèche « AV », une face avant 8 transmettant des ondes ultrasonores, présentant une surface externe 12 destinée à venir en contact avec un fluide. La face arrière du boîtier 2 comporte deux oreilles latérales 4 présentant chacune un perçage 6, permettant sa fixation à plat sur un support.

Le boîtier comporte à l'intérieur une cellule piézo-électrique 10 collée sur la surface intérieure de la face avant 8, qui émet des ondes ultrasonores 14 au travers de cette face avant vers le fluide, et qui reçoit les ondes réfléchies en retour. En particulier on peut utiliser pour la cellule 10 un quartz, une céramique synthétique « PZT », ou un polymère de synthèse comme le polyvinylidine difluoride « PVDF ».

Une carte électronique 16 reliée à la cellule piézo-électrique 10, génère le signal électrique d'activation de cette cellule qui émet l'onde ultrasonore, et reçoit en retour le signal électrique produit par cette cellule avec le retour des réflexions de cette onde. La carte électronique 16 comporte aussi des moyens de traitement du signal reçu pour effectuer un traitement, et des moyens de communication vers l'extérieur qui peuvent utiliser un câble de liaison 18, ou des moyens sans liaison matérielle comme des ondes radiofréquence. De plus, un capteur de température 17 est connecté à la carte électronique 16 pour mesurer la température du matériau de la face avant 8, ladite carte électronique 16 comprenant des moyens d'ajustement permettant d'ajuster l'amplitude (A) des ondes réfléchies en fonction de la température mesurée au niveau de la face avant 8.

Le boîtier comporte à l'intérieur une sonde de température 20 reliée à la carte électronique 16, qui permet de mesurer la température ambiante.

Le boîtier est réalisé dans un matériau solide et résistant aux éléments extérieurs, assurant l'étanchéité. La face avant du boîtier 8 est réalisée dans un matériau transmettant les ondes ultrasonores, comme une matière plastique, un matériau polymère complexe ou un matériau métallique.

De préférence on utilise pour la face avant 8 un matériau présentant une épaisseur qui peut être de l'ordre de quelques millimètres, comportant une impédance acoustique proche de celle du liquide à mesurer dans le cas d'une détection de liquide, et éloignée de celle de l'air ou du gaz présent, pour faciliter la détection de ce liquide.

Le boîtier peut être réalisé notamment par un moulage d'une matière plastique comme un polychlorure de vinyle « PVC », un silicone, un acrylonitrile butadiène styrène « ABS » ou un polyétheréthercétone « PEEK », ce qui permet en un seul moulage de réaliser de manière économique les différentes formes de ce boîtier.

Le principe utilisé par le capteur à ultrasons 2 comporte l'émission d'une onde ultrasonore 40 par la cellule 10, qui est en partie transmise à l'extérieur vers le milieu contenant les fluides, et en partie réfléchie 42 sur la surface externe du boîtier 12.

Si l'impédance acoustique du milieu extérieur est forte, en particulier en présence d'air, l'amplitude de l'onde 14 transmise dans ce milieu est très réduite, et l'amplitude de l'onde réfléchie 42 est alors proche de celle de l'onde émise 40. A l'inverse si l'impédance acoustique du milieu acoustique est faible, en particulier en présence d'eau, alors l'amplitude de l'onde transmise 14 est importante, et l'amplitude de l'onde réfléchie 42 est alors très réduite par rapport à l'onde émise 40.

On peut aussi déceler la présence d'une variété de fluides, comprenant différents liquides ou gaz, à partir des mesures donnant une indication sur l'impédance acoustique des différentes matières rencontrées.

On notera que la surface externe du boîtier 12 constitue une surface de référence qui ne change pas dans le temps, quels que soient les fluides se trouvant à l'extérieur, et l'encrassement déposé sur cette surface. En particulier on peut réaliser la face avant 8 en PVC qui a pour avantage de donner un rapport des impédances acoustiques de l'eau par rapport à ce matériau qui est de 2,1 , alors que le rapport de l'air par rapport à ce matériau est de 7600. La grande différence entre ces rapports permet d'obtenir des amplitudes d'ondes réfléchies très éloignées.

La figure 3 présente un déversoir d'orage sur un conduit d'écoulement d'eau de pluie 22 recevant l'eau en amont 24 pour l'évacuer dans le sens aval 26 vers une station d'épuration. Tant que le débit d'eau n'est pas trop important, avec des pluies normales, le conduit d'écoulement 22 suffit à évacuer ce débit avec un niveau n'atteignant pas le sommet d'une cloison de séparation 28.

Quand le débit d'eau devient important, en cas d'orage prononcé, le niveau atteint le sommet de la cloison de séparation 28, l'eau en surplus se déversant dans un canal parallèle 30 qui l'évacué dans la nature.

Un capteur de surverse à ultrasons 2 est fixé dans le canal parallèle 30 sur la cloison de séparation 28, un peu en dessous du sommet de cette cloison, de manière à se trouver en face de la paroi opposée de ce canal. En cas d'orage suffisamment fort, le débordement de l'eau en dehors du conduit d'écoulement 22 remplissant le canal parallèle 30 est détecté par le capteur de surverse 2.

La figure 4 présente en variante un capteur comportant une face avant 8 présentant la surface externe 12 tournée vers le milieu extérieur 44 comprenant dans cet exemple un gaz, et une surface intérieure formée par deux facettes inclinées disposées symétriquement par rapport à une perpendiculaire à cette surface externe.

On dispose sur une première facette une cellule d'émission 10a envoyant l'onde émise 40 sur la surface externe 12, et sur la deuxième facette une cellule de réception 10b recevant l'onde réfléchie 42 sur cette surface extérieure. Les deux cellules d'émission 10a et de réception 1 0b sont reliées à la carte électronique 16. Le principe de fonctionnement de ce capteur comprenant deux cellules séparées reste identique.

Les figures 5 à 8 présentent sur l'axe horizontal le déplacement D de l'onde ultrasonore venant de la cellule 10, qui traverse d'abord la face avant du boîtier 8 formant un solide, puis sort de ce boîtier vers le milieu extérieur 44 perpendiculairement à la surface externe 12. L'amplitude des ondes est indiquée par la hauteur de l'onde dessinée rapportée sur l'axe vertical A. Le procédé de détection de présence de fluides est le suivant. La cellule 10 émet une onde 40 comportant une amplitude de 100%.

Sur la figure 5 le milieu extérieur 44 est composé de l'air ambiant présentant une très forte impédance acoustique, l'amplitude de l'onde transmise dans ce milieu 14 est très faible. Par contre l'amplitude de l'onde réfléchie 42 revenant sur la cellule 10 est importante.

Le procédé effectue ensuite une mesure du rapport de l'amplitude de l'onde réfléchie 42 sur celle de l'onde émise 40, pour obtenir le pourcentage représenté par cette onde réfléchie. On en déduit pour un pourcentage très élevé que le milieu extérieur 44 est l'air ambiant. Ce pourcentage est alors adapté automatiquement par les moyens d'ajustement de la carte électronique 16 en fonction de la température mesurée par le capteur 17.

Sur la figure 6 le milieu extérieur 44 est composé d'eau venant directement au contact de la surface externe 12 qui est propre. L'amplitude de l'onde transmise dans l'eau 14 est forte, égale à environ les deux tiers de celle de l'onde émise 40. L'amplitude de l'onde réfléchie 42 est égale alors sensiblement au tiers de celle de l'onde émise 40.

Le procédé effectuant ensuite la mesure du rapport de l'onde réfléchie 42 sur l'onde émise 40, obtient un rapport d'environ 33%. On en déduit que le milieu extérieur 44 est de l'eau.

On notera que l'onde transmise 14 dans le milieu extérieur 44 peut ensuite se réfléchir sur une surface opposée à la surface externe 12, se trouvant à une distance variable, notamment dans le cas du canal parallèle 30, et revenir vers la cellule 10.

Toutefois le procédé connaissant l'épaisseur de la face avant du boîtier 8 et la vitesse de propagation de l'onde dans cette face avant, ne prend en compte que l'onde réfléchie 42 sur la surface externe 12 qui revient sur la cellule 10 avec un temps prédéterminé qui ne change pas. Il ne prend pas en compte une éventuelle réflexion sur une surface du milieu extérieur 44 revenant plus tard.

La surface externe 12 constitue une référence formant pour l'onde émise 40 une géométrie invariable, indépendante du milieu extérieur qui peut être composite en comprenant plusieurs liquides ou gaz, et présenter des formes ajustables avec par exemple un niveau d'eau variable.

On peut de plus à partir du dispositif de détection de présence de fluides réaliser des calculs complémentaires de distance de surfaces dans le milieu extérieur 44, en particulier des calculs d'un niveau d'eau, en utilisant la technologie connue de mesure du temps de réponse de retour du signal se réfléchissant sur ces surfaces.

Pour cela on enregistre le retour des signaux réfléchis sur ces surfaces, venant après l'onde réfléchie 42 sur la surface externe 12 qui est la plus proche, et on calcule les distances en connaissant la vitesse de propagation de l'onde dans les matériaux traversés.

La sonde de température 20 disposée dans le boîtier permet de corriger la vitesse de propagation de l'onde dans les matériaux en fonction de leur température, afin d'améliorer la précision des mesures de distance.

Sur la figure 7 la surface externe 12 reçoit d'abord une couche d'encrassement 52 présentant une surface 50 qui est en contact avec le milieu extérieur 44 constitué par de l'air.

La couche d'encrassement 52 peut en particulier comporter des feuilles mortes ou des déchets végétaux charriés par l'eau pluviale, se déposant progressivement sur la surface externe du boîtier 12, qui peut conserver une humidité intérieure un certain temps après l'arrêt de l'écoulement de l'eau dans le milieu extérieur 44.

On obtient une amplitude de l'onde 54 transmise dans la couche d'encrassement 52 qui est forte à cause de la faible impédance acoustique de l'humidité imprégnant ce milieu, puis une amplitude de l'onde 14 transmise dans l'air du milieu extérieur 44 qui est très faible.

On a alors en retour sur la cellule 10 une première onde réfléchie 42 sur la surface externe du boîtier 12 qui a une amplitude relativement faible, égale sensiblement au tiers de l'onde émise 40, avec une légère atténuation par rapport au même dispositif sans encrassement.

On a ensuite peu après une deuxième onde réfléchie sur la surface de la couche d'encrassement 50, qui a une amplitude forte à cause de la faible amplitude de l'onde 14 transmise dans l'air du milieu extérieur 44. On déduit de la mesure de ces amplitudes par rapport à celle de l'onde émise 40, la présence d'une couche d'encrassement humide 52, puis l'absence d'eau dans le milieu extérieur 44.

De plus en mesurant le temps supplémentaire mis pour le retour de la deuxième onde ultrasonore réfléchie sur la surface de la couche d'encrassement 50, par rapport à la première onde 42, et connaissant la vitesse de propagation de l'onde dans cette couche d'encrassement 52, on peut déterminer l'épaisseur de cette couche ce qui donne des indications intéressantes pour faciliter l'entretien du matériel.

On peut aussi de la même manière déterminer un niveau de liquide dans le milieu extérieur 44 par la mesure du temps de retour de l'onde réfléchie sur la surface de ce liquide.

Sur la figure 8 la surface externe 12 comporte une couche d'encrassement 52 présentant une surface 50 en contact avec le milieu extérieur 44 constitué par de l'eau.

On obtient une amplitude de l'onde 54 transmise dans la couche d'encrassement 52 qui est forte, puis une amplitude de l'onde 14 transmise dans le milieu extérieur 44 qui est aussi forte.

On a alors en retour sur la cellule 10 une première onde réfléchie 42 sur la surface externe du boîtier 12 qui présente une amplitude relativement faible, égale sensiblement au tiers de l'onde émise 40.

On a ensuite peu après une deuxième onde réfléchie sur la surface de la couche d'encrassement 50, qui a une amplitude faible à cause de la forte amplitude de l'onde 14 transmise dans l'eau du milieu extérieur 44. On déduit de la mesure de ces amplitudes par rapport à celle de l'onde émise 40, la présence d'une couche d'encrassement humide 52, puis de l'eau dans le milieu extérieur 44.

D'une manière générale on obtient un procédé de détection très fiable, indépendant de l'encrassement du capteur ce qui facilite son implantation et son entretien, ainsi que le niveau de qualité des informations données. On peut en particulier l'utiliser pour un déversoir d'eau de pluie, en évitant des erreurs de mesure et les coûts qu'elles peuvent engendrer.

On peut aussi l'utiliser dans de nombreuses applications pour détecter la présence et l'épaisseur de fluides liquides ou gazeux variés, en détectant et en mesurant des interfaces entre ces différents fluides présentant des impédances acoustiques différentes.

On notera que le boîtier qui est avantageusement étanche, ne comporte aucun élément fragile en contact avec le milieu extérieur, ni aucun élément mécanique en mouvement, ce qui en fait un ensemble robuste. On peut en particulier réaliser un boîtier étanche permettant une homologation pour un fonctionnement en atmosphère explosive.