téléjaugeage d'une station service

TELE JAUGEAGE D’UNE STATION SERVICE MAHDI ALI

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Sommaire

Introduction générale............................................................................................................4

Chapitre I : Principe de la mesure de niveau

Introduction ……………………………………………………………………………………...5

1. La mesure de niveau des cuves et des citernes de carburant en Tunisie. …5

1.1. Généralités sur la mesure des niveaux……………………………………………5

1.2. Etat actuel en TUNISIE…………………………………………………………...5

1.3. Le système de télé jaugeage n’existe pas en TUNISIE..........................................6

2. Les différentes méthodes de mesure de niveau des cuves...........................….6

2.1. Généralités…………………………………………………………………………6

2.2. Mesure de niveau par mesure de pression hydrostatique....................................8

2.2.1. Cas d'un réservoir ouvert........................................................................8

2.2.2. Avantages et inconvénients de la mesure hydrostatique de niveaux...10

2.3. Mesure capacitive de niveau (condensateur)..........................................10

2.3.1. Réservoir métallique d’un liquide isolant...........................................11

2.3.2. Réservoir métallique d’un liquide conducteur...................................12

2.3.3. Avantages et inconvénients.................................................................13

2.4. Mesure de niveau sans contact……………………………………..……...14

2.4.1. Mesure de niveau par ondes acoustiques ou par ultrasons………..14

2.4.1.1. Principe de la mesure du niveau par ultrasons………………….15

2.4.1.2. Réalisation de la mesure du niveau par ultrasons………………16

2.4.2. Mesure de niveau par radar………………………………………….17

2.4.2.1. Les ondes électromagnétiques……………………………..……18

2.4.2.2. Principe de la mesure de niveau par radar……………………..19

2.4.2.3. Mesure par radar « tubo guidé »..................................................21

2.4.3. Avantages et inconvénients…………………………………………..22

3. Conclusion………………………………………………………………………………23 Chapitre II : Sonde pour citerne de carburant

Introduction …………………………………………………………………………………24

1. Principe de la sonde capacitive……………………………………………………24

1.1. Principe de la mesure capacitive du niveau d’un liquide isolant………………25


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2. Conception de la sonde : étude et réalisation…………………………………27

2.1. Principe de fonctionnement ……………………….……………………………27

2.2. Conception de la sonde…………………………………………………………..29

2.3. Essai et résultat ………………………………………………………………….29

2.3.1. Essai préliminaire d’un prototype……………………………………...29

3. Conception mécanique de la sonde ......................................................................31

4. Réalisation d’un banc d’essai pour la sonde………………………………….31

5. Le conditionneur ……………………………………………………………….……33

5.1. Introduction ……………………………………………………………………..33

5.2. Schéma de principe ……………………………………………………………..33

6. Solution pour améliorer le fonctionnement du conditionneur…………....34

6.1. Effet Miller……………………………………………………………………….34

6.2. Schéma final du conditionneur …………………………………………………36

6.3. Résultats obtenus avec le montage conditionneur.…………………………….37

7. Incertitude ……………………………………………………………………………37

8. Conclusion ……………………………………………………………………………39

Chapitre III : Exploitation de la mesure du niveau

Introduction ……………………………………………………………………………….40

1. Le traitement de signal ..............................................................................................41

1.1. Logique câblée ………………………………………………………………….41

1.2. Logique micro programmée……………………………………………………44

1.2.1. Principe………………………………………………………………44

1.2.2. Le Microcontrôleur …………………………………………………44

1.2.3. Les modules du Pic utilisés pour cette application…………….…..45

1.2.4. Les interruptions …………………………………………………....45

1.3. L’afficheur ...........................................................................................................45

1.4. Schéma de principe du système de télé jaugeage …………………………….46

1.5. Principe de fonctionnement..…………………………………………………...47

1.5.1. Mode automatique……………………………………….………….47

1.5.2. Mode manuel …………………………………………….………….47

1.5.3. Commutation mode manuel/mode automatique ……….…………48

1.5.4. Eclairage de l’afficheur ……………………………………….……48


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2. Programmation du Pic 18F452.............................................................................48

2.1. Organigramme du programme principal…………………………………….48

2.2. Programme d’affichage……………………………………………………….50

2.3. Calcul de la hauteur …………………………………………………………..51

2.4. Détermination du volume……………………………………………………..52

2.5. Détermination de la quantité reçue………………………………………......53

3. Conclusion ...................................................................................................................54 Conclusion générale...................................................................................................55

Les annexes :

Annexe 1 Dessin Technique de la sonde

Annexe 2 Documentations techniques de l’afficheur

Bibliographie


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INTRODUCTION GENERALE

Les contraintes économiques, techniques et environnementales obligent les distributeurs de

pétrole à mettre en place une méthode sûre pour le contrôle des stocks de leurs stations-service.

Un système de contrôle du stock liquide précis, automatique et à réponse rapide est absolument

indispensable pour réduire les coûts opérationnels, les risques et assurer la rentabilité.

Il s’agit de connaître en permanence les informations suivantes :

- Stock en litres,

- Niveau fond d’eau en unités métriques.

Toutes les stations service sont sujet en permanence à des différences de stocks qui sont

principalement dues à :

- Défaut d’étalonnage des distributeurs,

- Imprécision de l’approvisionnement,

- Fuites,

- Fraudes,

- Evaporation,

- Changement du volume du produit à cause de la température,

- Précision des tables de jaugeage dues à l’inclinaison du réservoir,

- Erreur de mesure du contenu du réservoir.

En automatisant l’opération de jaugeage, il est possible de détecter les erreurs ci- dessus indiquées.

Le but de ce projet est de réaliser un système permettant d’afficher en permanence les stocks de

carburant dans les citernes, de plus le système doit afficher tout changement de niveau en vue de

connaître les ajouts ou retraits des citernes. En outre, ce système doit indiquer la quantité d’eau

dans chacune des citernes.

Ce mémoire est organisé de la manière suivante :

Dans le chapitre I, nous présentons l’état actuel de la mesure des niveaux de carburant dans les

citernes en Tunisie .Nous passons en revue les différentes méthodes de mesure de niveau en

discutant leurs avantages et inconvénients.

Dans le chapitre II, nous traitons la conception et la réalisation d’une sonde permettant les

mesures de niveaux d’eau et de carburant .Nous présentons la méthode réalisant cette mesure.

Le troisième chapitre concerne l’exploitation des signaux reçus des sondes pour l’affichage du

volume contenu dans les citernes, la vérification du niveau du résidu au fond de la citerne

(principalement l’eau), le contrôle des quantités reçues lors des ravitaillements par les camions

citernes, et le déclenchement d’un signal d‘alarme si le niveau d’eau dépasse un certain seuil ou

pour signaler un risque de débordement.


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Introduction Nous présentons dans ce chapitre, l’état actuel de la mesure du niveau des citernes en Tunisie.

Nous présentons également une étude bibliographique concernant la mesure de niveau des cuves

et des citernes. Nous détaillons les différentes méthodes permettant la réalisation de ces mesures.

1. La mesure de niveau des cuves et des citernes de carburant en Tunisie

1-1 Généralités sur la mesure des niveaux

Il existe plusieurs moyens pour mesurer le niveau de carburant dans une citerne : - Moyens manuels : direct et indirect

- Moyens automatisés indirects : l’utilisation des sondes permet en plus du contrôle du

niveau, la détection d’un défaut tels que : résidus d’eau, débordement lors d’une

opération de dépotage à la détection d’un niveau minimum par le déclenchement d’une

commande.

1-2 Etat actuel en Tunisie

En Tunisie, il existe 465 stations service et près de 1600 clients ayant à leur disposition des

citernes de carburant.

Tous les clients et toutes les sociétés de distribution des hydrocarbures tunisiens ou étrangers

opérant en Tunisie disposent d’un moyen primitif de contrôle des volumes des citernes qui

consiste à plonger une réglette graduée en centimètres, de relever le niveau mouillé et de se

référer à un tableau de jaugeage de la citerne pour faire la correspondance hauteur – volume.

Cette méthode bien que simple est fastidieuse puisque pour accéder à l’orifice de la citerne il faut

déplacer un tampon de regard en fonte pesant 90Kg.

La lecture de la hauteur mouillée est presque invisible pour les livraisons qui s’effectuent tard

dans la journée.

La vérification de l’existence d’un agent polluant principalement l’eau reste une opération très

peu effectuée. Maints problèmes finissent devant un tribunal à cause de dommages causés aux

clients par l’existence de l’eau dans le carburant provenant du camion livreur ou l’infiltration des

eaux pluviales.

Finalement et en terme de protection de l’environnement, les fuites de carburant de citernes

trouées sont fréquentes. Le gérant ne se rend compte de la fuite qu’après une longue période.

1-3 Le système de télé jaugeage n’existe pas en Tunisie


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Le système de télé jaugeage est un appareillage qui permet l’affichage automatique à distance de la

quantité du carburant contenue dans une citerne.

Toutes les stations en Europe sont dotées du système de télé jaugeage depuis les années 80.

Des marques de renommée internationale proposent des moyens très sophistiqués pour différents

types d’utilisation telles que la marque ENRAAF, la marque VEGA …

En Tunisie, les dépôts de carburant disposant de grands bacs de stockage de capacité allant jusqu'à

300.000 m3 sont dotés de systèmes de télé jaugeage qui se basent sur le principe de palpeur ou

d’ultrason à cause de la précision requise, en effet la moindre erreur correspond à une grande

quantité de carburant.

Les stations et clients disposant de petites capacités allant jusqu ‘à 20m3 ne sont pas dotées de

système de télé jaugeage.

Les citernes sont dotées de tables de jaugeage faisant une correspondance hauteur-volume offrant

une précision de 1cm.

La sonde est pratique, elle permet la lecture instantanée de la hauteur; l’ensemble sonde et

système de traitement permet le contrôle et la gestion du stock automatiquement. Ce système est

très cher.

Il faut investir aux alentours de 20 mille Dinars pour installer un système de télé jaugeage par

station. Ce prix élevé est le principal handicap pour l’acquisition de ce système par les stations en

Tunisie.

2. Les différentes méthodes de mesure de niveau des cuves

2.1. Généralités

Un niveau est une hauteur de liquide mesurée par rapport au fond du réservoir, soit H.

L’évaluation du niveau est donc une mesure de longueur. Mais assez souvent, on s'intéresse

davantage aux variations de cette hauteur H, que nous noterons ∆H, plutôt qu'à la hauteur H

proprement dite. Il s'agit donc d'une mesure de déplacement.

Il peut être plus facile de mesurer la "hauteur du creux" Hc plutôt que la "hauteur du plein" H. On

déduit alors H de la hauteur Hc à condition de connaître la hauteur du réservoir Hr. On a alors :

H = Hr - Hc. (figure1.1)


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Figure 1-1 Mesure de hauteurs

Quelques dispositifs simples permettent de mesurer directement le niveau ou ses variations en

donnant une indication locale le plus souvent. Ils effectuent une mesure directe de hauteur ou de

déplacement. L'exemple classique de ce type de mesure est l'indicateur de niveau visuel dont le

schéma de principe est donné à la figure 1.2 c’est le cas des citernes aériennes installées dans

les ports de pêche.

Figure 1-2 Mesure directe de niveau (vases communicants)

D'après le principe des vases communicants, le niveau du liquide dans le tube transparent de

droite (en verre ou plastique) est le même que celui du liquide dans le réservoir. On lit donc ce

niveau sur la règle graduée le long du tube transparent. Deux robinets d'isolement et un robinet

de purge en point bas permettent d'effectuer une intervention sur cet appareil.

Mesure directe du niveau par pige : (méthode utilisée actuellement par toutes les stations

services en Tunisie)

- La mesure de niveau manuelle par pige : C'est une tige qu'on plonge depuis le haut du

réservoir dans le liquide. L'exemple courant est la jauge à huile du moteur d'une voiture

c’est le cas de toutes les citernes enterrées.

Mesure indirecte du niveau par pression (principe qui va être utilisé pour la conception de

notre sonde) :

De très nombreux dispositifs, en fait, ne mesurent pas le niveau mais une grandeur

intermédiaire qu'ils traduisent ensuite en une indication locale du niveau ou en un signal image.


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L'exemple le plus classique est la pression hydrostatique P = ρ.g.H mesurée en bas du réservoir

par un indicateur local (manomètre) ou un capteur de pression faisant office de capteur de

niveau. Dans ce cas, la mesure est indirecte. (Figure 1.3)

Figure 1-3 Mesure indirecte pression hydrostatique

Cette grandeur intermédiaire peut aussi être, par exemple :

- Le poids apparent d'un objet plus ou moins immergé dans le liquide,

- la masse du réservoir et de son contenu (mesure par pesage),

- le temps de propagation d'une onde ultrasonore ou électromagnétique,

- la capacité électrique d'un condensateur dont le diélectrique est le liquide dont on mesure le

niveau.

2.2. Mesure de niveau par mesure de pression hydrostatique

C'est le principe de mesure de niveau le plus utilisé lorsqu'on veut transmettre à distance un

signal représentatif de cette grandeur physique.

Il s'agit d'une mesure indirecte : on ne mesure pas la hauteur H ou un déplacement mais la

pression hydrostatique exercée par la colonne du liquide contenu dans le réservoir.

2.2.1. Cas d'un réservoir ouvert

Un simple manomètre mesurant la pression statique du liquide en bas du réservoir peut être

utilisé comme indicateur du niveau H.

Figure 1-4 Mesure par un manomètre


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En effet, la masse M du liquide contenu dans le réservoir exerce une force égale à son poids

Po = M.g sur la surface S du fond.

Or cette masse s’exprime par M = S.H.ρ (réservoir supposé cylindrique d'axe vertical).

H : hauteur de liquide

ρ : masse volumique du liquide

La pression exercée par le liquide sur le fond du réservoir est égale au rapport entre la force Po

et la surface S sur laquelle elle s'applique elle s’exprime par :

P = Po / S = M.g / S = S.H.ρ .g / S soit P = ρ.g.H.

Le liquide transmet intégralement cette pression P dans toutes les directions donc sur le

manomètre (ou le capteur de pression) situé en bas du réservoir.

Cet appareil "pèse" donc le liquide contenu dans le réservoir car la pression P varie comme la

masse M du liquide, g et S étant des constantes.

Si on considère que la masse volumique du liquide ρ soit constante, la pression P mesurée est

proportionnelle au niveau de liquide H.

Le niveau H est mesuré à partir de la prise de pression du manomètre (ou du capteur de pression)

et non pas à partir du fond du réservoir. Cette prise de pression est souvent située un peu au

dessus du fond du réservoir pour éviter les dépôts de particules solides.

Le schéma de montage du transmetteur est représenté sur la figure 1.5

Figure 1-5 Schéma de montage du transmetteur

Transmetteur de niveau à membrane arasante

Lorsque le liquide présente beaucoup de dépôts solides en fond de réservoir, qu'il cristallise, ou

qu'il est très visqueux, le risque de bouchage de la prise de pression du capteur pose des

problèmes.

Solution envisageable: un capteur hydrostatique de niveau spécial avec une membrane de grand

diamètre (figure 1.6).


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L'appareil est monté directement sur une bride en bas du réservoir. Il n'y a donc pas de prise de

pression ni de robinet d'isolement, ce qui évite le risque de bouchage à ce niveau. Il faut

simplement nettoyer périodiquement la membrane sur place (sans démonter le capteur, avec un

jet d'eau par exemple) lorsque le réservoir est vide.

Figure 1-6 Capteur hydrostatique avec membrane à grand diamètre

2.2.2. Avantages et inconvénients de la mesure hydrostatique de niveau

Avantages :

- Loi linéaire et bonne précision (pouvant être meilleure que 0,5 %) si la (les) masse(s)

volumique(s) ne varie(nt) pas.

- Coût raisonnable (transmetteur + prise(s) de pression + accessoires éventuels)

- Mesure n’est pas (ou peu) influencée par l'ébullition, les mousses ou les vagues à la

surface du liquide

- Etendue de mesure: de quelques centimètres à plusieurs dizaines de mètres.

Inconvénients :

- Contact entre appareil de mesure et liquide (sauf liquide tampon ou insufflation)

- Influence de la masse volumique sur la mesure du niveau et du volume de liquide

- N’est pas compatible avec les produits pulvérulents, granuleux ou colmatant

- Dispositif de mesure nécessitant une ouverture dans le réservoir en bas ou en haut.

2.3. Mesure capacitive de niveau

La mesure de niveau capacitive n'est pas aussi utilisée que la mesure de pression

hydrostatique mais peut l'être dans une grande variété d'applications : liquides

conducteurs ou non, solides en vrac, vides ou hautes pressions, basses ou hautes

températures, zones explosives. Cette mesure est indirecte, elle nécessite quelques

notions de base en électricité sur le condensateur


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2.3.1. Réservoir métallique liquide isolant (jouant le rôle d’armature du condensateur)

La figure 1- 7 montre le schéma d’un réservoir jouant le rôle d’armature du condensateur. La

figure 1- 8 représente les sondes capacitives utilisées couramment.

Figure 1-7 Mesure capacitive avec réservoir métallique (cas d’un liquide non conducteur)

Figure 1-8 Sondes capacitives existant sur le marché mondial

La sonde A sonde à câble pour les hauteurs > 4m,

La sonde B à tige pour les hauteurs < 4m,

La tige est isolée du réservoir par du P.T.F.E. (téflon) qui assure aussi l’étanchéité.

La hauteur de cette tige ne dépasse pas 4m. Au-delà, on installe un câble métallique terminé par un

contrepoids.


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Un câble coaxial est nécessaire pour protéger la mesure des parasites électriques sur la distance

entre la sonde et le circuit réalisant le traitement électronique. On peut s’en passer en plaçant

dans la tête de sonde le circuit de mesure et de traduction en signal standard.

2.3.2. Réservoir métallique liquide conducteur (ex : eau du robinet, acide)

La mesure capacitive est encore utilisable dans le cas d’un liquide conducteur comme l’eau ou

l’acide (figure 1-9).

Figure 1-9 Mesure capacitive (cas d’un liquide conducteur).

Le condensateur est alors constitué par une tige métallique obligatoirement entourée entièrement

d’une gaine assez mince en matière plastique isolante (ex : P.T.F.E.) et le liquide. La tige est la

première armature du condensateur, le diélectrique n’est constitué que de la gaine isolante, et le

liquide conducteur qui l’entoure est la seconde armature. Ce liquide est en contact avec le métal

du réservoir (ou avec une autre électrode métallique si le réservoir est en plastique) qui assure la

liaison de masse. Lorsque la sonde n’est pas immergée dans le liquide, le condensateur est

constitué par la tige et le réservoir, le diélectrique étant principalement la phase gazeuse qui les

sépare d’où une faible capacité C0.

Lorsque le niveau atteint la sonde et monte, la capacité C0 du condensateur précédent diminue

mais s’y additionne la capacité C1 du condensateur qui ont constitué par la tige, la gaine et le

liquide. C1 est prépondérante car la distance entre les armatures est faible et égale à l’épaisseur

de la gaine isolante.


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Cette gaine isolante ayant une épaisseur et une permittivité relative constante, C1 varie

proportionnellement au niveau H d’immersion de la sonde dans le liquide. Donc, la capacité

totale mesurée C est là aussi liée à H par la relation C=a.H+b. De plus, gros avantage : elle n’est

pas influencée par les caractéristiques électriques du liquide qui doit toutefois posséder une

conductivité faible.

2.3.3. Avantages et inconvénients de la mesure capacitive

Avantages :

- Utilisable dans un grand nombre d’applications (liquide conducteur ou non conducteur

électrique, solide isolant, pulvérulent, granuleux, en vrac, liquide agité ou moussant,

basses ou hautes pressions, basses ou hautes températures, zone explosive, …)

- Bonne robustesse.

- Mesure indépendante de la masse volumique du liquide, et dans de nombreux cas, mesure

indépendante de la pression et de la température

- Avec un liquide conducteur, seule la gaine plastique isolante de la sonde est en contact avec le

produit, donc le fluide peut aussi être corrosif

- Mesure linéaire et d’assez bonne précision si les constantes diélectriques du produit

isolant (εL) et du gaz (εG) ne varient pas ou avec un liquide conducteur. L’incertitude

globale peut être inférieure à ±1%. Remarque : Une compensation des variations de la

valeur de εL est possible avec un condensateur de référence constamment immergé dans

le produit.

Inconvénients :

- Sonde en contact avec le produit (risque de corrosion avec une sonde métallique non

gainée, de dépôts, de colmatage, …)

- Mesure dépendant de la valeur de la constante diélectrique du produit lorsqu’il est isolant

et de la phase gazeuse. Par exemple, les variations de la température peuvent avoir une

influence.

- Inutilisable avec les produits colmatants s’accrochant à la sonde ou aux parois du

réservoir et faussant la mesure, mais une mesure de la résistance électrique du produit en

plus de la capacité (sonde par admittance) peut parfois résoudre le problème.

- Du fait de la faible valeur de la capacité mesurée, la mesure est délicate, sensible aux

parasites électriques (orages, ondes électromagnétiques, …) et à la présence de masses

métalliques (par exemple, un camion stationné près du réservoir) qui changent la valeur

de cette capacité.


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- Contraintes mécaniques du produit sur la sonde possibles (ex : produit en vrac,

agitation) ;

- Dispositif de mesure nécessitant une ouverture en haut du réservoir ou deux « piquages »

sur le côté du réservoir pour une mesure en dérivation

- Nécessite un étalonnage sur site avec vidange de la cuve

2.4. Mesure de niveau sans contact

2.4.1. Mesure de niveau par ondes acoustiques ou par ultrasons

Sons et ultrasons

L’onde sonore ou ultrasonore est une onde mécanique due à une vibration des molécules de la

matière. Elle se propage dans toutes les directions, donc de manière sphérique, grâce à un support

matériel (figure1.10). Ce support peut être solide comme une structure métallique qui vibre,

liquide, ou gazeux (ex : air atmosphérique, vapeur). Cette onde ne peut donc pas se propager

dans le vide, contrairement à une onde électromagnétique. De plus, il faut la guider pour qu’elle

se propage dans une direction donnée. C’est ce que fait le cône d’un porte-voix ou d’un haut

parleur.

Figure 1-10 Propagation de l’onde sonore.

L’oreille perçoit les vibrations des molécules de l’air atmosphérique qui produisent des variations

périodiques de sa pression. En dessous de 16000 Hertz (Hz), ces ondes sont dites sonores, audibles au

dessus de quelques dizaines d’Hertz. Au dessus de 16000 à 20000 Hz (20 kHz), se situe le domaine des

ultrasons, inaudibles par l’homme mais audibles par certains animaux (ex : chiens, chauve-souris).

Le son se propage à une vitesse de plusieurs km/s dans un solide (ex : 5 km/s dans l’acier), de l’ordre du

km/s dans un liquide (ex : 1435 m/s dans l’eau à 8°C) et de quelques centaines de m/s dans les gaz (ex :

331 m/s dans l’air à 0°C).


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Mais dans un gaz, cette vitesse dépend fortement du milieu (composition, pression, température ; par

exemple une élévation de température de 1°C augmente la vitesse de propagation du son dans l’air de 0,6

m/s).

L’onde sonore ou ultrasonore est réfléchie, comme un rayon lumineux, par les surfaces solides,

mais aussi par les surfaces liquides. Dans le cas d’un liquide, celui-ci absorbe une partie de

l’onde et réfléchit l’autre partie : c’est l’écho.

Nombreuses applications civiles ou militaires, par exemple :

- Le sonar. C’est un appareil de détection sous-marine, utilisant les ondes sonores, et

permettant le repérage, la localisation et l’identification du fond de la mer ou des objets

immergés tels que les sous-marins.

- L’échographie : cette technique, qui ne présente aucun danger, permet par exemple d’examiner le foetus de l’extérieur du ventre de la mère.

2.4.1.1. Principe de la mesure du niveau par ultrasons

La figure 1-11 montre le principe de mesure par ultrasons. La tête d’émission/réception émet une

onde ultrasonore de manière discontinue, sous forme de brèves impulsions ultrasonores à

intervalles de temps constants (ex : 25 fois par seconde). Cette onde est dirigée verticalement

sous forme d’un faisceau conique en direction de la surface du liquide dont on mesure le niveau.

Le liquide absorbe une partie de cette onde, l’autre partie (l’écho) étant réfléchie en sens inverse

vers la tête d’émission/réception dans laquelle se trouve un récepteur détectant le retour de

l’écho. La mesure précise du temps t qu’a mis l’onde pour aller jusqu’à la surface du liquide et

revenir sous forme d’un écho permet d’en déduire la hauteur de creux Hc = Hmax-H, donc le

niveau H.

Figure 1-11 Mesure par ultrasons.

Appelons V la vitesse de propagation de l’onde ultrasonique dans la phase gazeuse ou vapeur

située au-dessus du liquide dans le réservoir.

Le temps que met l’onde pour aller de l’émetteur jusqu’au liquide et revenir sous forme d’un

écho jusqu’au récepteur est :

t = 2.(Hmax – H) / V d’où H = Hmax – (V.t / 2)


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On a donc une relation linéaire entre H et t. Pour une vitesse V donnée, le niveau H est

proportionnel au temps t mesuré par le chronomètre électronique.

L’appareil fait le filtrage nécessaire (élimination des échos parasites), traduit le temps t mesuré

en un signal de mesure standard (ex : 4..20 mA) en effectuant d’éventuelles corrections (ex : pour

tenir compte de l’influence de la température de la phase gazeuse).

On peut par exemple facilement vérifier que pour V = 330 m/s et une distance de creux (Hmax-

H) égale à 1 mètre, le temps t mesuré est t=2.(Hmax-H)/V = 2/330 = 0,006s soit 6 millisecondes .

L’onde utilisée est le plus souvent ultrasonore donc silencieuse pour l’homme, d’une fréquence

de vibration constante pouvant aller de 10 kHz à 100 kHz, par exemple 40 kHz. Les ultrasons

permettent d’obtenir une meilleure précision. Les ondes audibles, de moins en moins utilisées,

permettent de mesurer des grandes distances de creux car elles sont moins atténuées par la

propagation.

2.4.1.2. Réalisation de la mesure du niveau par ultrasons

Deux réalisations existent comme le montre Figure 1-12.

- Le montage (a), montre que de l’émetteur et le récepteur sont séparés ce qui nécessite deux

ouvertures dans la partie supérieure du réservoir mais ne présente pas de plage morte (zone située

juste en dessous de l’émetteur et du récepteur en haut du réservoir, nécessaire pour mesurer un

temps minimal non nul).

- Le montage (b), plus courant, le montage combiné émetteur + récepteur ne nécessite qu’une

seule ouverture mais présente une plage morte (ex : 0,25 m pour une plage de 4m).

Exemple d’émetteur récepteur ultrason

a Figure 1-12 Réalisation de mesure par ultrason b

Pour produire une onde sonore, l’émetteur est un haut parleur (membrane vibrante solidaire

d’une bobine excitée par un courant alternatif de fréquence égale à celle de l’onde. Cette

membrane reste mobile dans un champ magnétique fixe créé par un aimant), prolongé par un

cône directeur pour guider l’onde.


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Pour les ondes sonores, le récepteur est un microphone (membrane mise en vibration par l’onde

sonore et déplaçant une bobine dans un champ magnétique créé par un aimant) générant ou

modulant un signal électrique alternatif de même fréquence.

Pour les ultrasons, il s’agit de l’élément piézo-céramique vibrant sous l’effet de l’onde et

générant ou modulant un courant électrique alternatif de même fréquence. Dans le montage

combiné, c’est donc le même dispositif que pour l’émission, mais utilisé en sens inverse

(réversibilité) lors de chaque mesure du temps t. La « tête » d’émission est donc aussi celle de

réception (un seul boîtier monté en haut du réservoir). La sonde de température permet de

corriger les variations de la vitesse de propagation dues aux variations de la température de la

phase gazeuse. La membrane peut être réalisée en matériau résistant à la corrosion ou revêtue de

cette matière (ex : P.T.F.E, P.V.D.F).

L’image de la Figure 1-13 représente différents types d’appareils réalisés par un même

constructeur : en haut à droite un boîtier transmetteur à associer avec une des trois têtes

émettrices/réceptrices en bas, en haut à gauche deux transmetteurs compacts dans lesquels

l’électronique de traitement est située dans le boîtier transmetteur/récepteur.

Figure 1-13 Différents types d’appareils

2.4.2. Mesure de niveau par radar

Cette mesure de niveau, apparue depuis quelques années seulement, est en forte progression. Elle

est basée sur le même principe que la précédente, la différence se situant au niveau du type

d’onde émise et détectée en écho. Au lieu d’une onde sonore ou ultrasonore, le radar utilise une

onde électromagnétique haute fréquence (micro-onde).


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2.4.2.1. Les ondes électromagnétiques

Comme l’onde sonore ou ultrasonore, l’onde électromagnétique Figure 1-14 est aussi une

vibration, mais ce ne sont plus des molécules qui vibrent mais un champ magnétique. Ce champ

magnétique varie de manière sinusoïdale, comme le fait la pression acoustique pour les ondes

sonores et ultrasonores.

Figure 1-14 Onde électromagnétique

L’onde électromagnétique est donc immatérielle, et ne nécessite pas de support solide, liquide,

ou gazeux pour se propager. Elle se propage dans le vide comme dans un gaz, de manière

sphérique. Sa propagation est très peu influencée par la composition et les caractéristiques

physiques de la phase gazeuse au dessus du liquide dont on mesure le niveau. Seules, de grandes

variations de pression de cette phase gazeuse ont une influence significative.

Sa vitesse de propagation est celle de la lumière, soit 300 000 km/s, la lumière étant elle aussi

une onde électromagnétique. La lumière est une onde électromagnétique de très grande fréquence

(de l’ordre de 1015 Hz) donc de très petite longueur d’onde (L=C/f = 300 000.103/1015 = 3.10-7 m,

c’est-à-dire de l’ordre du micromètre ou micron), ce qui permet au soleil de nous éclairer à

travers l’espace intersidéral.

Les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques de grande fréquence (de l’ordre de 1010 Hz,

soit une longueur d’onde L de l’ordre du millimètre).

De même en ce qui concerne les ondes hertziennes (radio, télévision, communications sans fil),

dont la fréquence va de 105 Hz à 109 Hz (soit une longueur d’onde L de l’ordre du mètre à

plusieurs milliers de mètres).

Le radar utilise des micro-ondes d’une fréquence de l’ordre de 108 à 1010 Hz, donc du gigahertz

(GHz). Leur longueur d’onde L est de l’ordre du millimètre jusqu’au mètre.

Le radar a de nombreuses applications, telles que le repérage, le suivi et le guidage des avions ou

des bateaux, ou la mesure de vitesse des véhicules sur les routes, pour ne parler que des plus

connues.


- 19 -

2.4.2.2. Principe de la mesure de niveau par radar

Le principe de mesure utilisé le plus fréquemment est exactement le même que celui d’une

mesure par ondes sonores ou ultrasonores (Figure1.15). Le dispositif mesure le temps t que met

l’onde pour aller jusqu’au liquide et revenir après réflexion par la surface du liquide sous forme

d’écho.

Figure 1-15 Mesure de niveau par radar

Mais ce temps t est ici très différent. Il passe en effet de l’ordre de la milliseconde (ms) à celui de

la nanoseconde, la vitesse de propagation passant de quelques centaines de mètres par seconde à

300 000 km/s. D’autre part, le liquide absorbe la puissance rayonnée par l’onde

électromagnétique d’autant plus que sa constante diélectrique relative εR est faible. L’écho

obtenu avec un solvant, un hydrocarbure ou certains solides (εR de l’ordre de 1 à 3) est donc

beaucoup plus faible que celui obtenu avec un liquide conducteur comme l’eau (εR=80), ce qui

peut poser problème car l’écho reçu doit être correctement détecté.

Comme pour une mesure par onde sonore ou ultrasonore, le dispositif n’émet pas l’onde

électromagnétique en continu, mais de manière discontinue Figure 1-16, à intervalles de temps

constants (ex : 0,3 ms) et d’une durée brève (ex : 0,8 ns). C’est une onde pulsée (train d’onde).

Cela permet de mesurer le temps t (de propagation + réflexion de la brève impulsion d’onde) et

économise l’énergie électrique nécessaire.

Figure 1-16 Train d’onde ultrasonore


- 20 -

Ce temps t mesuré est donc lié au niveau H par la même relation que dans le cas de l’onde sonore

ou ultrasonore.

Appelons C la vitesse de propagation de l’onde électromagnétique dans la phase gazeuse ou

vapeur située au-dessus du liquide dans le réservoir. C=3.108m/s.

Le temps que met l’onde pour aller de l’émetteur jusqu’au liquide et revenir sous forme d’un

écho jusqu’au récepteur est : t = 2.(Hmax – H) / C d’où H = Hmax – (C.t / 2)

Une astuce (échantillonnage du signal à une fréquence légèrement supérieure) permet en fait de

mesurer un temps de l’ordre de la milliseconde, donc avec une bonne précision, ce qui était

impossible pour un temps de l’ordre de la nanoseconde.

L’appareil fait le filtrage nécessaire (élimination des échos parasites), et traduit le temps t mesuré

en un signal de mesure standard (ex : 4..20 mA).

La figure 1.17 montre les deux principes de mesure par ondes électrons.

Figure 1-17 Réalisation de la mesure de niveau par radar

La combinaison émetteur + récepteur dans le même appareil est plus utilisée que le montage

séparé, bien que puisse alors se produire un phénomène de résonance d’antenne. La vue ci-dessus

à droite montre des exemples de montages combinés. L’appareil est monté sur une bride en haut

du réservoir.

L’antenne la plus utilisée est l’antenne cône (Figure 1.18). On peut voir le trajet des ondes en

rouge. Elles sont émises par une tête émettrice conique (pointue) et canalisées par l’intérieur d’un

guide d’onde conique. Elles se propagent selon un lobe d’autant plus mince que la fréquence de

l’onde est élevée.

A droite, on voit les détails de construction de l’antenne. La tête émettrice conique est en

P.T.F.E. (téflon), le cône guide onde étant métallique (ex : inox).

Pour les hautes températures, la tête émettrice peut être construite en céramique (oxyde

d’aluminium).


- 21 -

Figure 1-18 Emission antenne conique

Lorsque, par exemple, on ne dispose pas d’une bride mais d’une ouverture de petit diamètre dans le

réservoir pour passer l’antenne, on peut utiliser l’antenne tige (Figure1.20). Mais celle-ci ne doit pas être

atteinte par le produit dont on mesure le niveau.

Figure 1-19 Emission par antenne tige

2.4.2.3. Mesure par radar « turbo guidé » (pour les liquides)

Lorsque la constante diélectrique du liquide est faible, pour concentrer le rayonnement de l’onde

et récupérer un écho suffisant sans échos parasites (si ce n’est celui du fond du réservoir), on peut

utiliser un tube guide onde. Ce tube doit être percé de petits trous pour que le liquide à l’intérieur

soit homogène avec le liquide autour du tube.

Ce tube peut aussi être en dérivation sur le réservoir, ce qui facilite une intervention sur le

dispositif de mesure. Un robinet d’isolement peut aussi être placé à l’extérieur en haut du tube

(Figure1.20).

Ce dispositif est aussi adapté lorsque la surface du liquide est couverte de mousse ou que le

liquide est agité. Mais ce n’est plus une mesure sans contact avec le produit.


- 22 -

Figure 1-20 Mesure par radar turbo guidé.

2.4.3. Avantages et inconvénients de la mesure sans contact

Avantages :

- Mesure sans contact, utilisable avec des produits très corrosifs, visqueux, et même parfois

solides en vrac, pulvérulents, granuleux, ou colmatants (si la granulométrie du produit ou le

« talus » formé ne posent pas de problème au niveau de l’écho renvoyé vers la sonde).

- Mesure insensible aux changements de caractéristiques du produit dont on mesure le niveau

(densité, conductivité, constante diélectrique, …).

- Montage facile, en haut de réservoir sans perçage du fond ou de sa paroi latérale.

- Prix intéressant

- Pratiquement aucune maintenance nécessaire.

- Grande gamme d’étendues de mesure (variations de niveau de quelques dizaines de

centimètres à plus de 60m).

- Élimination d’échos parasites à caractère systématique (ex : passage des pales d’un agitateur,

obstacle fixe) et calcul du volume en fonction d’une géométrie particulière du réservoir (ex :

fond conique) par un microprocesseur analysant et traitant le signal temps reçu.

Inconvénients :

- Mesure faussée par les modifications de la phase gazeuse changeant la vitesse de propagation

de l’onde ultrasonique. La composition de la phase gazeuse peut varier (par exemple présence

de vapeur, de gouttelettes d’eau ou de poussière en suspension), de même que sa masse

volumique, sa pression (peu influente) , sa température (forte influence, pouvant être corrigée

par une sonde, mais celle-ci doit être située dans la phase gazeuse et la température doit y être

homogène)


- 23 -

- Mesure faussée par une surface du liquide agité (vagues) ou recouverte de mousse épaisse, ce

qui modifie l’absorption ou la réflexion de l’onde ultrasonore.

- Mesure inutilisable lorsque le réservoir est sous pression élevée (> 10 bars) ou sous vide

(propagation impossible), ou lorsque la sonde est à une température supérieure à 100°C

- Pour un montage combiné, plage morte c’est-à-dire distance minimale nécessaire entre la tête

d’émission/réception et la surface du produit.

- Précautions nécessaires pour éviter les échos parasites sur les obstacles autres que la surface

du liquide et qui ne peuvent être éliminés par l’électronique. Exemple : le déversement de

liquide dans le réservoir. Les chocs intempestifs ou les vibrations des parois du réservoir

peuvent aussi générer des ondes t ultrasonores parasites.

- Impossible de mesurer l’eau au fond du réservoir

3. Conclusion

Compte tenu de ce qui précède et conformément au cahier des charges (ci-joint en annexe 3) que

nous nous sommes fixés au début, il s’agit de :

- Mesure de niveau avec une précision de plus ou moins 5mm.

- Le produit n’est pas colmatant.

- Le produit peut ne pas être homogène (eau et carburant).

- Les citernes peuvent être enterrées ou aériennes (la solution de la lecture directe est à écarter)

- Le coût doit être le plus bas possible.

Il faut trouver un moyen pour concevoir une sonde modulaire adaptable à tous les types de

citernes aussi bien aériennes qu’enterrées et capable de mesurer la hauteur du liquide et le niveau

d’eau s’il existe tout en conservant un coût optimal.

Notre choix s’est porté sur le principe de la sonde capacitive conçue d’une manière spéciale pour

pouvoir différencier le carburant de l’eau. Les autres moyens sont incapables de jouer ce rôle.

Compte tenu de la simplicité de la sonde capacitive et sa précision, nous l’avons retenu pour ce

projet. Cette sonde présente un faible coût et elle ne nécessite aucun entretien.


- 24 -

Introduction

Nous présentons dans ce chapitre la conception et les essais d’une sonde pour la mesure de

niveau sur un banc d’essai spécialement conçu à cet effet, inspiré du chapitre précédent, qui a

détaillé les différents types de capteur de niveau la sonde capacitive est la plus adapté à notre

cahier des charges et elle répond aux critères prédéfinis à savoir :

- Mesure en continue du niveau de carburant

- Mesure du niveau d’eau.

- Suivi du stock.

1. Principe de la sonde capacitive

Le condensateur est formé par deux armatures métalliques séparées par un isolant électrique

appelé diélectrique (figure2.1).

Figure 2-1 condensateur

Le condensateur est caractérisé électriquement par sa capacité C dont la relation la liant à ses

caractéristiques géométriques est donnée ci-dessous. Le diélectrique peut être le vide, l’air sec,

un solide isolant, un liquide isolant tel que l’essence ou tout autre hydrocarbure, ou même de l’eau

parfaitement pure.

C = ε. S / e

C : capacité du condensateur en Farads (F)

S : surface des armatures (en m2) ci-dessus S = L x l

e : distance entre armatures (en m)

ε : constante du diélectrique, avec ε = ε0. εr

ε0 est la permittivité du vide (ε0 = Cte = 8,85.10-12 F/m)

εr est la permittivité relative du diélectrique par rapport au vide. Εr =1 pour le vide ou l’air et εr

>1 pour les liquides isolants. On remarque que cette capacité C est proportionnelle à la surface S

des armatures (donc à la hauteur l pour une longueur L donnée) et inversement proportionnelle à

la distance e entre ces armatures.


- 25 -

La figure 2.2 montre un condensateur cylindrique.

Diélectrique Anode Cathode

Figure 2-2 Condensateur cylindrique

Dans ce cas, la capacité du condensateur est donnée par la relation (2.1)

C = ε.2π.l / ln(r1/r2) (2.1)

I est la hauteur du condensateur (en m), ln est le logarithme népérien, r1 est le rayon intérieur de

l’armature extérieure (tube métallique), r2 est le rayon de l’armature intérieure (tige cylindrique

métallique pleine), ε = ε0 εr est la constante du diélectrique définie précédemment.

La capacité C est ici aussi proportionnelle à la hauteur ( l ) du condensateur.

La mesure de cette capacité est délicate du fait de la faiblesse des valeurs mesurées, l’influence

des parasites étant très grande.

1.1. Principe de la mesure capacitive du niveau d’un liquide isolant

L’installation avec le dispositif de mesure présenté dans la figure 2-3 est constituée des éléments

suivants :

- Un réservoir métallique fermé sous pression de gaz ou de vapeur, de forme cylindrique,

d’axe vertical. C’est l’armature extérieure du condensateur de mesure.

- Une tige métallique de forme cylindrique pleine, d’axe vertical, située au centre du

réservoir et isolée électriquement de celui-ci. C’est l’armature intérieure du condensateur.

- La phase gazeuse (en blanc) ou liquide (en vert) située entre le réservoir et la tige, C’est

le diélectrique du condensateur. La permittivité relative du gaz est εr=1 et nous prendrons

pour le liquide la valeur εr=2.


- 26 -

- Un appareil de mesure de la capacité de ce condensateur, appelé capacimètre, relié par

deux fils à l’extrémité supérieure de la tige et à la partie supérieure du réservoir (bride

métallique).

Figure 2-3 Mesure capacitive d’un liquide isolant

On peut dégager les remarques suivantes :

- Quand le niveau du liquide est très bas, la tige n’étant pas immergée dans le liquide, on

mesure la capacité C d’un condensateur dont le diélectrique est le gaz (ou la vapeur).

- Quand le niveau du liquide est à son maximum, la tige étant complètement immergée

dans le liquide, on mesure la capacité C d’un condensateur dont le diélectrique est le

liquide.

- Quand le niveau a une valeur intermédiaire, la tige étant partiellement immergée dans le

liquide, on mesure une capacité C de valeur intermédiaire égale à la somme des capacités

C1 et C2 de deux condensateurs reliés en parallèle dont le diélectrique est le gaz (vapeur)

pour C1 et le liquide pour C2.

- H est le niveau de liquide mesuré par rapport à l’extrémité inférieure de la tige et non pas

par rapport au fond du réservoir. C’est donc la hauteur d’immersion de la tige dans le

liquide.

- l est la hauteur maximale d’immersion de la tige dans le liquide

- εrL et εrG sont les permittivités relatives du liquide et du gaz (ou de la vapeur).

- r1 est le rayon intérieur du réservoir et r2 le rayon de la tige. Le rapport de ces deux rayons

est donc égal au rapport des deux diamètres correspondants.

C2=εrL.ε0.2π.H / ln(r1/r2)

C1=εrG.ε0.2π.(l-H) / ln(r1/r2)

C=C1+C2 soit C=ε0.2π .[(εrL-εrG).H+εrG.l] / ln(r1/r2)

Donc, si εrL et εrG sont constantes, C=a.H+b


- 27 -

Un circuit électronique doit ensuite traduire cette capacité en un signal standard

(analogique 4 à 20 mA par exemple).

- Remarques :

En réalité, le fond et le haut du réservoir modifient la valeur de la capacité mesurée. Un

réglage du zéro sur le site permet de ne pas s’en soucier.

- Si la permittivité relative εrL du liquide n’est pas constante, par exemple du fait d’une

composition variable, il est possible de faire une compensation automatique en mesurant

en permanence la capacité d’un condensateur de référence toujours entièrement immergé

dans ce même liquide.

2. Conception de la sonde : étude et réalisation

2.1. Principe de fonctionnement

La sonde que nous avons conçue va permettre de mesurer la pression au fond de la citerne

(pression hydrostatique) par une colonne d’eau.

La pression peut être mesurée par plusieurs moyens, l’absence d’ouverture au fond de la citerne il

ne permet pas l’utilisation des capteurs conventionnels.

Le principe que nous avons adopté est la mesure de la pression par une colonne d’eau dont le

principe est illustré par la figure 2-4

Pour une pression de 1 bar on obtient une dénivellation de 10m.

Figure 2-4 manomètre (principe colonne d’eau)

Ce même principe va être utilisé pour notre application. Cependant, l’ordre des grandeurs n’est

pas le bar mais millibar.

La pression que nous allons mesurer est une pression hydrostatique. Considérons un vase

contenant un liquide de densité d, la pression exercée par le liquide sur une ouverture

quelconque placée au fond est donné par la relation : P = ρ//g // h avec h c’est la distance

séparant le fond du vase à la surface libre du liquide, ρ étant la masse volumique du produit.


- 28 -

Si on plonge le tube comme dans la figure 2-5 au fond du vase, il est possible de mesurer cette

pression.

Figure 2-5 manomètre (principe colonne d’eau pression fond citerne)

La variation de h entraîne une variation de la dénivellation. Si on place une tige dans le tube, on

forme un condensateur ayant pour armature, la tige et la paroi cylindrique du tube , le

diélectrique étant l’eau. Puisque l’eau est un liquide conducteur, nous veillerons à isoler

correctement l’une des deux armatures par rapport à l’eau. La variation de la dénivellation

entraîne la variation de la capacité, comme le montre figure 2-6. Les calculs de cette capacité

sont développés dans le paragraphe 1-1 de ce chapitre.

Figure 2-6 Sonde capacitive mesurant la pression hydrostatique au fond de la cuve


- 29 -

2.2. Conception de la sonde

La sonde est conçue en deux parties. La première est conçue avec le principe cité en amont, c’est

la sonde carburant. Même si le produit n’est pas homogène, cette sonde ne pourra que mesurer la

hauteur en introduisant une petite incertitude. La non homogénéité du produit provient du résidu

au fond de la citerne qui ne représente qu’une petite quantité du volume de la citerne. La hauteur

maximale de ce résidu ne devra pas dépasser les 4cm.

La deuxième partie c’est la sonde eau, elle est conçue comme une sonde capacitive

conventionnelle : c’est une mesure directe. La variation de la hauteur du liquide dans la capacité

entraîne une variation notable de la capacité (ε = 80). Néanmoins, pour amorcer le

fonctionnement condensateur, il est nécessaire d’avoir une capacité résiduelle Co.

Le principe est illustré dans la figure 2-7

Figure 2-7 Sonde capacitive à eau

2.3. Essai et résultat

Un prototype de dimension réduite a été réalisé pour effectuer les premières mesures (Figure 2.6)

dans une petite citerne de même hauteur que la sonde contenant du GASOIL. En faisant varier la

hauteur de carburant, des mesures de la capacité ont été effectuées à l’aide d’un capacimètre

électronique.

2.3.1. Essai préliminaire d’un prototype

Les résultats d’essais sont fournis au tableau 2.1.

Interprétations :

Une variation de 35 cm a entraîné une variation de 41pF ; ce qui correspond à 1.17 pF pour une

variation de 1cm de produit, cette variation est notable, elle permettra une bonne précision de la

mesure du niveau.


- 30 -

H (cm) C (pF) H (cm) C(pF)

36 238 18 214

35 236 17 213

34 234 16 212

33 233 15 211

32 232 14 210

31 231 13 209

30 230 12 208

29 229 11 207

28 228 10 206

27 227 9 205

26 226 8 204

25 224 7 202

23 223 6 201

22 220 5 200

21 218 4 199

20 216 3 198

19 215 2 197

Tableau 2 .1 Mesure de la capacité pour différentes longueurs du carburant

Remarques importantes :

La variation de la capacité ne commence pas à partir du ‘’0’’ une capacité morte Co de l’ordre

de 195 pF est nécessaire pour amorcer le fonctionnement condensateur.

Pour pouvoir mesurer le niveau à partir de ‘’0’’ la tige doit plonger environ 10cm dans le liquide

pour garantir Co.

Pour empêcher la mise en parallèle de capacité parasite, il est nécessaire d’isoler le cylindre sur

la face extérieure par rapport au produit (diélectrique).

La courbe de la figure 2.8 montre la variation de la capacité en fonction de la hauteur. La

variation est linéaire l’erreur provient du manque de précision de détermination de la hauteur, et

la lecture de la capacité.


- 31 -

C=f(h)

180

190

200

210

220

230

240

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27

Hauteur (cm)

Cap

acité

(pF)

Série2

Figure 2- 8 Capacité en fonction de la hauteur

3. Conception mécanique de la sonde

La sonde est conçue uniquement en acier inoxydable capable de résister aux attaques de l’eau et

des hydrocarbures.

Les pièces usinées isolantes sont fabriquées en téflon.

Le détail des dessins de pièces et dessin d’ensemble sont donnés en annexe 1.

4. Réalisation d’un banc d’essai pour la sonde

Pour pouvoir effectuer les différents essais de la sonde, il est nécessaire de disposer d’une citerne

et de pouvoir effectuer le vidange et le remplissage correspondant relatif à un retrait au rajout de

produit.

Une citerne normalisée dispose d’un plateau de trou d’homme comportant des piquages et

ouvertures destinés à recevoir des accessoires filetés et des appareils bridés figure 2- 9.

Plateau de trou d’homme orifice de jaugeage

Tube plongé de jaujeage

Figure 2- 9 Représente une citerne de carburant


- 32 -

La sonde n’est pas affectée par et ce fait l’extérieur du tube, toute la citerne pourra être remplacée

par le tube de mesure qui sera bouché à son extrémité. La variation du niveau dans le tube n’est

qu’une image de la variation du volume du carburant contenu dans la citerne.

Pour ne pas manipuler de grandes quantités de carburant, permettant d’observer le phénomène de

livraison et de dépotage, nous allons considérer seulement la partie représentée par le tube de

mesure qui sera, soit rempli, soit vidé pour simuler les deux phénomènes : le produit provient

d’une citerne de petite capacité 150 litres équipée d’une pompe qui assurera le pompage du

produit dans les deux sens en manipulant un jeu de vannes comme illustré dans la figure 2- 10.

La figure 2-11 montre une image représentant notre banc d’essais.

C I T E R N E

T U B E D EM E S U R E

S O N D E

N I V E A U D E C A R B U R A N TD A N S L E T U B E

Figure 2- 10 Le banc d’essai

Figure 2-11 images représentant le banc d’essai


- 33 -

5. Le conditionneur

5.1. Introduction

La sonde est équivalente à un condensateur. La variation du niveau de carburant dans la citerne

entraîne une variation linéaire de la valeur de la capacité comme le montre la Figure 2-12.

Il faut donc trouver un moyen pour mesurer cette capacité.

Les principes de mesure de la capacité sont tous dérivés de trois méthodes faisant appel aux

caractéristiques des condensateurs:

- Méthode de la résonance.

- Méthode du pont de Sauty.

- La méthode du temps de décharge

La méthode la plus pratique est celle du temps de décharge.

Le Timer 555 est le circuit le plus utilisé il est monté comme illustré dans la figure 2.12.

L’expression de la période est donnée par :

T = C [ (RA +2RB) Log2]

Le conditionneur sera réalisé par un multivibrateur astable, la variation de la valeur de la

capacité entraîne une variation de la période du signal de sortie. La figure 2.12 montre le schéma

multivibrateur astable à base de 555. La capacité est celle de notre sonde.

5.2. Schéma de principe : Vcc

RL

RA 4 8

7

555 3 VS

RB

6

C 2 1

Figure 2 .12 Multivibrateur astable

Lorsque la hauteur du liquide augmente,la capacité augmente et par conséquent la période du

signal carré augmente la figure 2-13 montre le résultat de simulation de l’astable.


- 34 -

Figure 2.13 Oscilloscope (signal de sortie et signal aux bornes du condensateur)

Les mesures de la période sur une plaque d’essai en utilisant la sonde ont présentées des

problèmes parce que le condensateur n’est pas parfait. En effet, la sonde est réellement une

capacité en parallèle avec une résistance de l’ordre de 360 KΩ. La période générée par le

montage est de 20µs. La variation de la capacité (22pF pour 10 Cm) est pratiquement sans effet

sur la période.

6. Solution pour améliorer le fonctionnement du conditionneur

La période obtenue n’est pas exploitable, il faut amplifier l’effet capacitif.

L’effet Miller à l’origine n’est pas utilisé pour cela mais astucieusement pour ce cas précis il

donne d’excellents résultats.

6.1. Effet Miller

Considérons un amplificateur de gain en tension A, supposé parfait, et d’admittance d’entrée notée YE. On rajoute une admittance Y entre son entrée et sa sortie Figure 2-14. i A VE VS Figure 2-14: Effet Miller On peut voir que i =Y( VE − VS) ou encore i =Y VE (1 −A) soit i = Y (1 −A). VE

On peut ainsi établir un schéma équivalent où l’admittance Y est ramenée en entrée sous la forme d’une admittance :

Y Miller =Y (1−A).

Y


- 35 -

Ce phénomène est dénommé effet Miller. A VE VS Y Miller

Figure 2-15 : Effet Miller (impédance Y ramenée à l’entrée)

On a alors Y ETotale =YMiller + YE . Effet d’une capacité ( figure 2-16) . C Rg i A VE VS Figure 2-16 : Effet Miller sur une capacité Considérons que l’admittance Y correspond à une capacité jωC qui relie l’entrée et la sortie de

l’amplificateur.. L’admittance qui sera ramenée en entrée par effet Miller vaudra :

YM =jωC(1 −A). Dans ce cas précis, on peut considérer que l’on ramène une capacité de valeur

CM =C(1 −A). Si le gain est très fort, la capacité ramenée peut alors être très importante.La

figure 2-17 montre le schéma équivalent du montage de la figure 2-16.

. Rg A VE VS CM

Figure 2-17 : Schéma équivalent aprés application Miller Associée à l’impédance d’entrée et l’impédance de sortie de l’étage précédent, lacapacité de

Miller agit comme un filtre passe bas qui peut être très restrictif si le gain est fort.


- 36 -

6.2. Schéma final du conditionneur

Le multivirateur astable voit en entrée la capacité équivalente de MILLER égale à

CM =C(1 −A) C: étant la capacité de notre sonde

+12v

RL

RA 4 8

7

555 3 VS

RA

6

2 1

C +5v A VE - 5v VS Figure 2-18 : Multivibrateur astable et Effet Miller sur une capacité


- 37 -

6.3. Résultats obtenu avec le montage conditionneur

Tableau 2.2 : Tableau de mesure en utilisant l’effet Miller

Hauteur en Cm Capacité en pF Période du signal (µs)

10 584 602

20 607 624

30 629 647

40 653 696

50 676 719

60 700 741

70 723 763

80 746 784

90 769 807

100 793 829

110 815 852

120 838 874

130 862 897

140 885 920

Ces mesures ont été effectuées sur le banc d’essai à l’aide d’un oscilloscope et un capacimètre

numérique de précision.

La variation de la capacité en fonction de la hauteur est quasi-linéaire.

7. Incertitude

Le calcul d’incertitude introduite dans la mesure finale du volume est très délicat.

La citerne étant cylindrique installée horizontalement une erreur ∆H sur la détermination de

la hauteur entraîne une erreur très importante ∆V sur le calcul du volume lorsque la citerne

est pleine à moitié et une faible erreur lorsqu’elle est pleine ou vide.

Les sources d’erreurs sont principalement : la mesure de la capacité, non homogénéité du

liquide, la température, la détermination de la densité exacte du produit.

La mesure de la capacité, a été définie dans le paragraphe 1 de ce chapitre. Le calcul de la

capacité dépend de la partie immergée dans le liquide Ce et de la partie ayant pour

diélectrique l’air Co la capacité totale C = Ce + Co.

Il est possible de mesurer C, Co étant l’erreur qui s’ajoute à la capacité exacte du produit.


- 38 -

Connaissant la hauteur, il est possible de déterminer la valeur de Co qui sera par la suite

retranchée. Si on trace la courbe de la variation de Co en fonction de la hauteur du liquide

dans la citerne, on obtient une droite montrée dans la figure 2-20

he

ho

Figure 2-19 Décomposition de la capacité totale en Ce et Co

Ce = εe . 2π.he / ln(r1/r2) εe = 1 * 8,85 10−12

Co = εo . 2π.ho / ln(r1/r2) εo = 80 * 8,85 10−12

r1 est le rayon intérieur du cylindre

r2 le rayon de la tige.

Pour une citerne vide Ce = 1 * 8,85 10−12. 2π.0,45 / ln(22/1) Ce = 8 pF

Pour une citerne pleine Ce = 1 * 8,85 10−12. 2π.0,05 / ln(22/1) Ce = 1 pF

La variation de Ce en fonction de la hauteur est linéaire on obtient :

Ce(pF)

8

4

1 H (Cm)

75 150

Figure 2-20 Capacité d’erreur en fonction de la hauteur

Sachant qu’une variation 1 cm de produit entraîne une variation de 2 ,3 pF, il n’est pas

possible de négliger Ce.

Pour effectuer la correction nécessaire on doit d’abord déterminer approximativement H

déterminer Ce avec la courbe de figure 2-20. Par la suite on retranche Ce de C, pour évaluer

la vraie hauteur Hvrais pour calculer le volume.

Les autres facteurs d’erreur ont très peut d’influence si on considère que les citernes sont

enterrées et que la variation de la densité du produit est négligeable.


- 39 -

8. Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons présenté la conception et la réalisation de notre sonde permettant la

mesure du volume de carburant dans une citerne.

Les essais réalisés sont concluants et présente une bonne précision. Toutefois l’étalonnage est

nécessaire.

L’utilisation de l’eau comme un liquide tampon permet l’amplification de la valeur de la

capacité puisque l’eau présente une permittivité ε = 80 tandis que les produits hydrocarbure

ε = 2.

Cette capacité est introduite dans un montage astable dont la période est proportionnelle à la

capacité. Pour augmenter l’effet capacitif, nous avons utilisé l’effet Miller.

Un calcul d’incertitude pour une éventuelle correction sera effectué ultérieurement en disposant

d’un moyen qui aura une meilleure précision que les outils déjà utilisés.


- 40 -

Introduction

Dans ce chapitre nous allons présenter le traitement du signal permettant d’afficher le volume du

liquide. Nous présentant une méthode pour la collecte et l’exploitation de ces mesures. La

figure 3-1 montre un schéma synoptique du que nous proposons.

Figure 3-1 Synoptique du système proposé

Ce système est composé de 5 sondes carburants et 5 sondes eau.

Ces sondes sont insérées dans des multivibrateurs astables fournissant une période

proportionnelle à la capacité (c'est-à-dire le volume).

Les sorties des astables attaquent la carte de traitement de signal qui se charge des calculs et de

l’affichage des résultats.

Sonde carburant 1 Astable

Sonde carburant 2

Sonde carburant 5

Sonde carburant 3

Sonde carburant 4

Astable

Astable

Astable

Astable

MULTIPLEXEUR

CARTE DE TRAITEMENT DU

SIGNAL AFFICHAGE

Sonde eau 1 Astable

Sonde eau 2

Sonde eau 5

Sonde eau3

Sonde eau 4

Astable

Astable

Astable

Astable

MULTIPLEXEUR


- 41 -

1. Le traitement de signal

La sonde étant équivalente à une capacité, elle est introduite dans un circuit fournissant un signal

de période proportionnelle à cette capacité. Le but du traitement effectué ici est la mesure de la

période de ce signal.

1.1. Logique câblée

La première réalisation a été effectuée en ayant recours à la logique câblée qui convertit la

période du signal en entrée à un chiffre binaire sur 8 bits.

A partir du signal reçu, on génère une impulsion de mémorisation et une impulsion de remise à

zéro.

On applique à un compteur, la sortie d’une porte logique ‘ET’ auquel est branché en entrée le

signal provenant de la sonde et une horloge. Le résultat est la filtration des impulsions de

l’horloge pendant Toff.

Le schéma de la Figure 3.2 montre le principe d’une carte utilisant la logique câblée pour le

traitement de signal.

Figure 3-2 Carte en logique câblée

Comme l’illustre la figure 3 – 3 montrant la plaque d’essai réalisée et simulée sur

WORKBENCH 5.2,on remarque l’utilisation plusieurs circuits pour effectuer une fonction.

1 2 3 4 5

MUX 1 SONDES CARBURANT

2 3 4 5

MUX 2 SONDES A EAU

CIRCUIT DE COMMANDE COMPTEUR

5 SONDES CABURAN

5 SONDES NIVEAU D‘EAU

GÉNÉRATION D‘UN SIGNAL DE MEMORISATION

COMPTEUR DECIMAL 8 BITS

REGISTRE 8 BITS

FILTRATON DES SIGNAUX DE L’HOLOGE PENDANT TON

AD AD AD AD ADADADAD 0 1 2 3 4 5 6 7

TRANSFORMATION DU SIGNAL EN UNE ADRESSE SUR 8 BITS

GÉNÉRATION D‘UN SIGNAL DE REMISE A ZERO

1

Comptage signaux

R.A.Z

Mémo


- 42 -

Figure 3 – 3 Carte de traitement du signal par la logique câblée

Il faut d’abord permettre le passage de signaux d’horloge seulement pendant TOff en appliquant

le signal provenant de la sonde et d’une horloge de 2MHz sur une porte logique ET (figure 3-4).

Figure 3-4 Filtration des signaux de l’horloge pendant T off

En appliquant le signal carré provenant de la sonde à un circuit RC, on génère une impulsion

qui permet la mémorisation du contenu d’un compteur auquel on lui a attribue la fonction de

compter les impulsions générées précédemment figure 3-5.


- 43 -

Figure 3-5 Signal de mémorisaton du contenu du compteur

Aprés la mémorisation du contenu du compteur il faut le remettre à zéro avant le prochain front

montant du signal figure 3-6.

Figure 3-6 Signal de remise à zéro du compteur

Puisque l’utilisation de a logique cablée est limitée, couteuse et encembrante, nous avons opté à

la logique microprogrammée.


- 44 -

1.2. Logique Micro programmée

1.2.1. Principe

Le principe de traitement et d’exploitation est illustré par les étapes suivantes :

Fonction suivi stock :

Le programme sélectionne automatiquement au démarrage le mode stock ainsi qu’après

chaque demande manuelle effectuée par l’opérateur.

Le microcontrôleur Pic détermine tous les volumes contenus dans les citernes les affiche

sur l’afficheur LCD et envoie les mêmes informations sur la ligne RS232.

Fonction dernières livraisons :

Si l’opérateur veut voir les dernières livraisons, par simple action sur un bouton poussoir, le

Pic affiche les variables LIVRAISON (n) une a une en faisant incrémentés le compteur.

Fonction vérification niveau d’eau :

Si l’opérateur veut vérifier le niveau d’eau dans les citernes par action sur un bouton

poussoir, le microcontrôleur sélectionne les sondes eau l’une après l’autre.

Le microcontrôleur affiche les hauteurs d’eau dans les citernes.

1.2.2. Le Microcontrôleur

Nos premiers essais ont été effectués sur une carte microcontrôleur pilotée par un Pic

16F877.Mais celui-ci n’a pas supporté le nombre de variables utilisées.

En effet, les fonctions mathématiques permettant le calcul du volume de carburant nécessitent un

espace mémoire important, chose qui nous a orienté vers le Pic 18F452 cadencé à20MHz.

Les caractéristiques du 18F452 sont les suivantes :


- 45 -

1.2.3. Les modules du Pic utilisé pour cette application

- Le TIMER1 : C’est un compteur sur 16 bits qui peut être configuré par soft pour compter

des impulsions d’horloge interne avec un pré diviseur

- Le module CCP1 (compare, capture, PWM)

C’est un module qui peut être configuré également par soft pour capturer le front montant d’un

signal appliqué sur la patte 17(RC7) du PIC. Chaque fois où il détecte un front montant il

enregistre le contenu du TIMER 1dans un registre spécifique à cette utilisation.

1.2.4. Les interruptions

Les interruptions utilisées sont les suivantes :

- Débordement du TIMER1

- Interruption CCP1

1.3. L’afficheur

Pour notre application, nous allons utilliser un afficheur LCD 24 caractères deux lignes dont la

documentation complète est donnée en annexe 2.

Les afficheurs à cristaux liquides, autrement appelés afficheurs LCD (Liquid Crystal Display), sont

des modules compacts intelligents et nécessitent peu de composants externes pour un bon

fonctionnement. Ils consomment relativement peu (de 1 à 5 mA),ils sont relativement bon marché

et s'utilisent avec beaucoup de facilité.

Plusieurs afficheurs sont disponibles sur le marché et diffèrent les uns des autres, non seulement

par leurs dimensions (de 1 à 4 lignes de 6 à 80 caractères) mais aussi par leurs caractéristiques

techniques et leur tension de service. Certains sont dotés d'un rétro éclairage de l'affichage. Cette

fonction fait appel à des LED montées derrière l'écran du module. Cependant, cet éclairage est

gourmand en intensité (de 80 à 250mA).

Figure 3-7 Afficheur LCD

Ils sont très utilisés dans les montages à microcontrôleur, et permettent une grande convivialité. Ils

peuvent aussi être utilisés lors de la phase de développement d'un programme, car on peut

facilement y afficher les valeurs de différentes variables.


- 46 -

Principe des cristaux liquides

L'afficheur est constitué de deux lames de verre, distantes de 20 µm environ, sur lesquelles sont

dessinées les mantisses formant les caractères. L'espace entre elles est rempli de cristal liquide

normalement réfléchissant (pour les modèles réflectifs). L'application entre les deux faces d'une

tension alternative basse fréquence de quelques volts (3 à 5 V) le rend absorbant. Les caractères

apparaissent sombres sur fond clair. N'émettant pas de lumière, un afficheur à cristaux liquides

réflectif ne peut être utilisé qu'avec un bon éclairage ambiant. Sa lisibilité augmente avec

l'éclairage.

Les modèles transmissifs fonctionnent différemment: normalement opaque au repos, le cristal

liquide devient transparent lorsqu'il est excité; pour rendre un tel afficheur lisible, il est nécessaire

de l'éclairer par l'arrière, comme c'est le cas pour les modèles rétro éclairés.

1.4. Schéma de principe du système de télé jaugeage

Le système est composé de cinq sondes carburant et de cinq sondes eau au nombre de

citernes disponibles dans la station. La tension de sortie de chaque astable est transmise

vers le microcontrôleur à travers des multiplexeurs (figure 3-8) .Le microcontrôleur

effectue les calculs et affiche les résultats sur un afficheur LCD.

Figure 3.8 Carte a base de Pic pour l’exploitation des signaux reçus des sondes

1 2 3 4 5

MUX 1 SONDES CARBURANT

5 SONDES CABURANT

5 SONDES NIVEAU D‘EAU

SORTIE

SORTIE

PIC 18F452

AFFICHEUR LCD 2 LIGNES

PC

RX / TX

CCP1 SELECT1

SELECT2

SELECTION 1 PARMI 8

1 2 3 4 5

MUX 2 SONDES EAU


- 47 -

1.5. Principe de fonctionnement

Le schéma Figure 3-8 comporte principalement le PIC18F452, 2 multiplexeurs des sondes et

l’afficheur.

On peut prévoir deux modes de fonctionnement.

1.5.1. Mode automatique

En mode automatique, on a les étapes suivantes :

- Le microcontrôleur sélectionne le multiplexeur carburant.

- Le microcontrôleur signale par des LED le mode de fonctionnement.

- Le microcontrôleur sélectionne les entrées l’une après l’autre .Un signal carré de période

proportionnelle à la hauteur du liquide dans la citerne sélectionnée parvient au module

CCP1 le microcontrôleur, exécute le programme de détermination de la hauteur.

- Le microcontrôleur calcule le volume correspondant aux caractéristiques de la citerne

sélectionnée.

- Le microcontrôleur affiche le message correspondant (STOCK/PRODUIT/N°CITERNE)

et le volume déjà calculé.

- Le microcontrôleur envoie sur le port série les mêmes informations.

- Le microcontrôleur mémorise le volume dans la mémoire non volatile.

- Le microcontrôleur exécute le programme de détection d’un dépotage.

1.5.2. Mode manuel

L’utilisateur a sélectionné le contrôle du résidu d’eau :

- Le microcontrôleur sélectionne le multiplexeur eau.

- Le microcontrôleur signale par des LED le mode de fonctionnement.

- Le microcontrôleur sélectionne les entrées l’une après l’autre. Un signal carré de période

proportionnelle à la hauteur du liquide dans la citerne sélectionnée parvient au module

CCP1.

- Le microcontrôleur exécute le programme de détermination de la hauteur.

- Le microcontrôleur envoie sur le port série les mêmes informations.

- Le microcontrôleur affiche le message correspondant (VERIFICATION EXISTENCE

D’EAU /PRODUIT / N°CITERNE) et le niveau d’eau déjà calculé.

- Le microcontrôleur déclenche une alarme si la hauteur dépasse un certain seuil.

L’utilisateur a sélectionné LIVRAISONS

- Le microcontrôleur exécute le même programme que celui du mode automatique sauf pour

l’affichage.


- 48 -

- Le microcontrôleur accède à la mémoire et affiche le message (LA DERNIERE

LIVRAISON/PRODUIT/N° DE LA CITERNE).

- Il envoie sur le port série les mêmes informations.

L’utilisateur a sélectionné INITIALISATION

Le PIC arrête immédiatement l’exécution de la demande précédente et se remet en mode

automatique.

L’utilisateur a sélectionné INITIALISATION MEMOIRE

Cette demande est exécutée à la mise en marche la première fois.

- Il signale par des LED le mode de fonctionnement.

1.5.3. Commutation mode manuel / mode automatique

Le programme est effectué pour éviter que l’utilisateur laisse le programme en mode manuel après

un nombre de passages définis, le programme se déclenche automatiquement en mode AUTO.

1.5.4. Eclairage de l’afficheur

Pour préserver le tube d’éclairage de l’afficheur LCD, il ne s’allume que sur demande de

l’utilisateur avec une temporisation ou une fois le système mis en fonctionnement manuel.

2. Programmation du Pic 18F452

La programmation du Pic a été effectuée en C avec le logiciel PCWH Compiler, il comporte,

après compilation à l’assembleur, 1837 lignes.

Le chargement de ce programme est effectué par le Tiny Bootlooder chargé au début de sa

mémoire qui permet une grande rapidité du chargement du programme dans le Pic.

Les différents modules sont exposés ci-après.

2.1 Organigramme du programme principal

Le programme principal est une succession de branchement à des sous programmes qui

seront détaillés dans ce chapitre. Les deux interruptions autorisées CCP1 et débordement

du compteur TMR1 peuvent intervenir à n’importe quel moment il sont traités

indépendamment.

L’exécution des options d’affichages sont accessibles par des tests de validation des

boutons correspondant.

L’organigramme du programme principal représenté à la figure3-9 comporte les étapes

suivantes :

Programme d’affichage : Selon le désir de l’utilisateur, il est possible d’afficher le stock, le

niveau d’eau ou les quantités reçues dans chaque citerne.


- 49 -

Calcul de hauteur : sous programme déclenché par interruption.

Détermination du volume : sous programme appeler par un branchement.

n : Variable de comptage.

N : Nombre de citernes.

Mémorisation volume : Mémorisation dans deux registres la valeur actuelle et précédente du

volume contenue dans chaque citerne

Détermination quantité livrée : Mémorisation dans des registres les dernières réceptions

Figure 3-9 organigramme du programme principal

DDEEBBUUTT

Oui

Non

CCaallccuull ddee hhaauutteeuurr

SSttoocckk MM éémmoorr iissaatt iioonn hhaauutteeuurr dd’’ eeaauu ((nn))

nn ==NN

Oui

Non

DDéétteerr mmiinnaatt iioonn dduu VVoolluummee

VVoolluummee aauuggmmeennttee

MM éémmoorr iissaatt iioonn vvoolluummee

nn ==NN

DDéétteerr mmiinnaatt iioonn qquuaanntt ii ttéé ll iivvrr ééee

nn ==NN

Fin

Fin

Oui

Non

Oui

Oui Oui

Non Non

PPrr ooggrr aammmmee dd’’ aaff ff iicchhaaggee

II nnccrr éémmeennttaatt iioonn

II nnccrr éémmeennttaatt iioonn

II nnii tt iiaall iissaatt iioonn


- 50 -

2.2 Programme d’affichage

L’organigramme du programme d’affichage est représenté à la figure 3-10

Le programme par défaut valide le bouton stock, le microcontrôleur affichage l’identité et le

stock dans la citerne sur un afficheur LCD. Les mêmes informations sont envoyées sur le port

série pour affichage et exploitation sur PC.

Si l’opérateur valide le bouton eau, le Pic affiche sur l’afficheur LCD et envoie l’identité et la

hauteur d’eau dans la citerne en cours de consultation.

Si l’opérateur valide le bouton livraison, le microcontrôleur affiche et envoie les dernières

livraisons reçues dans les citernes en accédant aux registres dans lesquels sont mémorisés

les informations demandées.

Figure 3-10 Organigramme du Programme d’affichage

DDEEBBUUTT

AAff ff iicchhaaggee ssttoocckk ccii tteerr nnee eenn ccoouurr ss

Fin

AAff ff iicchhaaggee hhaauutteeuurr eeaauu ccii tteerr nnee eenn ccoouurr ss

AAtttteennttee vvaall iiddaatt iioonn bboouuttoonn ssttoocckk AAtttteennttee vvaall iiddaatt iioonn bboouuttoonn eeaauu

EEnnvvooii ssuurr RRSS223322 iinnffoorr mmaatt iioonn ssttoocckk EEnnvvooii ssuurr RRSS223322 iinnffoorr mmaatt iioonn eeaauu

AAff ff iicchhaaggee ll iivvrr aaiissoonn ccii tteerr nnee eenn ccoouurr ss

AAtttteennttee vvaall iiddaatt iioonn bboouuttoonn ll iivvrr aaiissoonn

EEnnvvooii ssuurr RRSS223322 iinnffoorr mmaatt iioonn ll iivvrr aaiissoonn

VVaall iiddaatt iioonn VVaall iiddaatt iioonn

VVaall iiddaatt iioonn

Oui

Non

Non Non

Oui Oui


- 51 -

2.3 Calcul de la hauteur (Fonctionnement du module CCP1)

Ce module est déclenché comme une interruption du programme principal pour déterminer la

période du signal entrant. A la détection d’un front montant, le module CCP1 mémorise le

contenu du compteur TMR1 qui est un compteur sur 16 Bits.

En attendant le prochain front montant, le nombre de débordements du compteur est compté.

A la détection du prochain front montant, la nouvelle valeur contenue de TMR1 est mémorisée.

A ce stade il est possible de déterminer le nombre de cycles effectué par l’horloge entre ces deux

fronts.

Le nombre d’impulsions ainsi déterminées est converti en hauteur en tenant compte de la valeur

initiale, de la densité du produit et de la conversion de la hauteur en mètre(figure 3-11 et 3-12).

Figure 3-11 Organigramme de détermination nombre d’impulsion

Signal provenant de la sonde

nnoommbbrree dd’’ iimmppuullssiioonnss

Figure 3-12 Calcul de la hauteur (a) Org. (b) Signaux)

DDéébbuutt

DDéétteecctt iioonn dd’’ uunn 11EERR ff rr oonntt mmoonnttaanntt

Fin

MM éémmoorr iissaatt iioonn dduu ccoonntteennuu dduu ccoommpptteeuurr TTII MM EERR 11

CCoommppttaaggee dduu nnoommbbrr ee ddee ddéébboorr ddeemmeenntt ddee TTMM RR11

DDéétteecctt iioonn dd’’ uunn 22EEMM EE ff rr oonntt mmoonnttaanntt

CCaallccuull dduu nnoommbbrr ee dd’’ iimmppuullssiioonnss

MM éémmoorr iissaatt iioonn dduu ccoonntteennuu dduu ccoommpptteeuurr TTII MM EERR 11


- 52 -

2.4 Détermination du volume

Les citernes de carburant des stations service sont constituées d’une partie cylindrique

disposée horizontalement et se termine vers les extrémités en partie ellipsoïdales

(figure 3-13).

Une fois la hauteur du carburant dans la citerne est déterminée, le programme accède en

mémoire pour relever les caractéristiques de la citerne en cours de vérification (longueur

totale, diamètre et longueur de la partie en ellipsoïde).

Le programme effectue le calcul du volume de la partie cylindrique en effectuant une

intégrale, puis le volume des parties en ellipsoïde en faisant appel à plusieurs fonctions

trigonométriques et par intégration.

Le résultat est donné en litre avec une très bonne précision, cette précision est

malheureusement affecté d’erreurs car les modèles de citerne ne sont pas fabriquées de la

même manière. La différence des dimensions affectera le résultat.

Pour résoudre ce problème, il faut ajuster les dimensions par étalonnage en les comparant

avec les tableaux de jaugeage fournis par le fournisseur.

Ce sous programme est très important et constitue une pièce maîtresse du programme

puisqu’il permet de déterminer la valeur du volume avec précision.

L : la longueur de la partie cylindrique de la citerne

l : longueur de la partie ellipsoïde

D : diamètre de la citerne

H : la hauteur du liquide dont on voudra déterminé le volume

∆H = H - D/2; Figure 3-13 Citerne de carburant

temp1 = (∆H)3 – 3.D2. ∆H /4 - (D)3) /4;

Volume de ellipsoïde = -π.l.temp1/(3.D);

temp2 = sqrt((D2)/4- ∆H 2);

temp3 = π/2 + 4.l.temp2/(D2)+ arc sin(2 l/D);

Volume du tube = L.D2 .temp3/4;

Volume = (Volume du tube + 2. volume des ellipsoïdes);

H D

L l


- 53 -

2.5 Détermination de la quantité reçue

Le système contrôle continue le stock actuel et le stock précédent. Si le stock actuel est supérieur

au stock précédent, le PIC calcule la différence et la mémorise (figure 3-14)

Figure 3-14 organigramme de détection d’un dépotage

Volume : Quantité de carburant calculée par le sous programme Détermination du Volume

Stock[n] (t): Registres aux nombre de citernes dans lesquels sont mémorisés les valeurs

actuelles du volume de carburant.

Stock[n] (t-1) ): Registres aux nombre de citernes dans lesquels sont mémorisés les valeurs

précédente mesure du volume.

Livraison[n]: Registres aux nombre de citernes dans lesquels sont mémorisés les quantitées

livrées par le camion citerne.

DDéébbuutt

II nntteerr ddii rr ee lleess iinntteerr rr uupptt iioonnss

SSttoocckk[[nn]] ((tt--11)) == SSttoocckk[[nn]] ((tt))

SSttoocckk((tt)) == VVoolluummee

VVoolluummee ––SSttoocckk((tt))

<<00

LL iivvrr aaiissoonn == SSttoocckk[[nn]] ((tt)) -- SSttoocckk[[nn]] ((tt--11))

SSttoocckk[[nn]] ((tt)) == VVoolluummee

AAuuttoorr iissee lleess iinntteerr rr uupptt iioonnss

NON

OUI

Fin


- 54 -

3. Conclusion

La carte microcontrôleur réalisée à base d’un microcontrôleur Pic puissant, le 18F452, peut

donner une haute précision puisqu’il peut travailler avec une horloge de 40 MHz au lieu de

10MHz.

Dans le cas où la sonde devrait être agrée par les services de métrologie légale pour des mesures

de quantité de produit soumis à des taxes, la précision pourra être améliorée sans aucun

problème.

Les informations fournies par la sonde sont capables d’être interprétées pour former une base

de données. Connaissant les prévisions de vente, il serait facile de gérer le stock .

La carte microcontrôleur associée à d’autres modules peut piloter par l’arrêt d’une pompe dont

la citerne présentant un défaut quelconque ou par le déclenchement d’une alarme pour prévenir

un risque de débordement,ce qui est important pour l’écologie et la préservation du produit sans

citer les dangers courus par cette opération.


- 55 -

CONCLUSION GENERALE

Le résultat de ce projet était l’automatisation de l’opération de jaugeage permettant la mesure

de quantités de carburant et de l’eau dans des citernes. Pour aboutir à cet objectif, nous avons

conçu et réalisé une sonde capacitive et un système de calcul et d’affichage à base de

microcontrôleur.

La sonde et le système d’exploitation des mesures réalisés et testés ont été à la hauteur des

attentes, puisqu’ils offrent les mêmes données fournies par les systèmes les plus sophistiqués.

Le but principal de cette étude est atteint, principalement le coût.

Les essais réalisés en laboratoire sur banc d’essai pour cet effet sont concluants. D’autres

essais sur site doivent être réalisés, mais auparavant la sonde doit être soumise à l’expertise

pour obtenir une homologation pour la sécurité puisqu’elle travaille dans une zone classée

dangereuse.

La sonde a été conçue en respectant la norme SENELEC EEx ia IIBT4. Toutes les précautions

d’étanchéité d’isolement et limitation de tension et courant ont été pris en considération.

Les perspectives futures de ce système sont bien entendu l’industrialisation.

Grâce à son prix réduit et son efficacité, ce système a des atouts pour concurrencer les produits

étrangers qui ne sont pas disponibles actuellement sur notre marché.

Le marché Tunisien peut être conquis par ce système qui offrira au gérant le confort et la

sécurité. Pour les sociétés de distribution il est possible de faire le suivi des ventes de leurs

stations une fois qu’ils sont connectées sur le réseau.

SSPP VVEERRII FF.. EEAAUU SSPP

LL II VVRRAAII SSOONNSS

II nnii tt iiaall iissaatt iioonn ii==00 DDEETTEECCTTII

OONN DD’’UUNN

FFRROONNTT MMOONNTTAANN

TT

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EENNTTAATTIIOO

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téléjaugeage d'une station service