2.2.3.3 Régulation de hauteur

L'huile est très volatile et nous voulons travailler avec une hauteur constante au cours du temps. Fermer la cellule par un hublot en verre est une première réponse au problème, hélas insuffisante à cause du mouillage par capillarité. Ce dernier autorise en effet l'huile à quitter la zone utile de la cellule pour monter le long des parois verticales et, au gré des variations de température et de pression, faire fluctuer la hauteur de fluide dans la cellule. Nous avons donc mis au point un dispositif de mesure relative et de régulation du niveau d'huile dans la cellule.

Figure: Schéma de principe de la mesure de hauteur. Lorsque la hauteur de fluide est égale à la valeur de consigne $h_0$, le rayon frappe équitablement les deux cadrans A et B de la photodiode. Lorsque la hauteur est trop faible, $\delta h <0$, le point d'impact du rayon de sortie est décalé de $\delta \xi$ et le cadran B est plus éclairé. La différence des tensions $V_{\text A}-V_{\text B}$ des deux cadrans est alors négative. L'inverse est vrai quand $\delta h>0$. Les deux rayons (réfléchis par la surface et le miroir) sont en pratique confondus en un seul du fait de la largeur du faisceau.

La méthode de mesure est optique et ne perturbe ni l'écoulement, ni l'ombroscopie. Une diode laser émet un rayon lumineux incident sur la couche de fluide avec un angle de 45$^o$. Ce rayon est en partie réfléchi par la surface et en partie réfracté dans le fluide, où il rencontre le miroir et est totalement réfléchi. Une variation de la hauteur induit un décalage des deux rayons réfléchis. Le faisceau émis par la diode laser a une section elliptique ; nous l'orientons de sorte que le petit axe de l'ellipse soit dans le plan vertical du rayon incident. Néanmoins, les deux faisceaux réfléchis sont quasiment confondus en un seul, légèrement plus large. Une photodiode à 4 cadrans, placée en retrait de la cellule, récupère les rayons réfléchis. Chacun des cadrans délivre une tension proportionelle à l'intensité lumineuse reçue. Deux cadrans suffisent pour l'information sur la hauteur. En notant $V_A$ et $V_B$ les tensions électriques délivrées par les cadrans A et B, nous pouvons nous arranger pour que la tension $V_A-V_B$ varie dans le même sens que la hauteur $h$ dont elle constitue alors une mesure relative. L'épaisseur du faisceau n'est pas gênante et seul le décalage de l'ensemble importe et est mesuré. Comme on le voit sur la figure , le signe de cette tension suffit à nous informer d'un manque ou d'un excès de fluide.

Un réservoir d'huile en communication avec la cellule est monté sur une vis sans fin verticale mue par un moteur à courant continu. La montée ou la descente du réservoir permet d'injecter ou de retirer du fluide de la cellule. Le signal électrique $V_A-V_B$ recueilli par la photodiode est alors filtré passe-haut pour éliminer les oscillations rapides, amplifié, et envoyé aux bornes du moteur. Le tuyau qui relie le réservoir à la cellule est assez fin (diamètre intérieur 5mm) et le temps de relaxation pour atteindre l'équilibre des hauteurs est de l'ordre de quelques secondes, ce qui constitue un filtre passe-haut mécanique, mais celui-ci n'est pas suffisant.