Brevet FR2005597A1 — publié le 19691212

La présente invention concerne un système de commande automatique destiné à la détection et à la commande du niveau de la surface de liquides, système utilisant une buse mobile verticalement qui émet un fluide sous la forme d'un jet dirigé verticalement contre la surface dont on veut détecter le niveau. Les variations de pression qui se produisent dans l'ajutage du fait des perturbations du courant de fluide lorsqu'il vient heurter la surface, sont détectées par une bascule de SCHMITT à fluide, qui, à son tour, commande le sens du déplacement de l'ajutage. La bascule commande lo polarité d'une source d'alimentation appliquée à un moteur réversible, qui déplace l'ajutage vers le bas lorsque la pression de fluide est plus faible que celle d'un niveau de référence prédéterminé, et qui l'élève lorsque celle-ci est supérieure à ce niveau de référence. La bascule commute pour faire monter l'ajutage à une distance minimum prédéterminée de la surface, cette distance étant fixe et fonction du niveau de la surface. Ce niveau peut être commandé en fonction du déplacement angulaire de l'arbre d'entratnement du moteur. I1 existe déjà plusieurs types de systèmes de détection de niveaux, tels que les systèmes à flotteurs, à contact électrique, à immersion ou bouillonneur, à détection de radiations, à détection sonique, à réactance électrique, etc... L'utilisation de chacun de ces types de systèmes dépend des propriétés physiques des matières liquides dont on veut détecter le niveau de la surface. Les propriétés physiques qui affectent les systèmes de détection qui sont employés englobent : la réactivité chimique, la viscosité, la volatilité, la conductivité électrique, la réactance électrique, etc... Par exemple, les systèmes de détection par flottage, sont généralement inutilisables pour des liquides à haute température, de même que ceux ayant une réactivité chimique importante. Ce dernier problème se rencontre à des degrés divers dans les systèmes à détection qui comportent un contact direct avec le liquide dont on commande le niveau. La précision des systèmes à contact électrique se trouve souvent affectée par le mouillage des contacts électriques par le liquide à détecter. Les variations de conductivité de la surface, l'ionisation, et les courants électriques parasites, contribuent aussi à ces imprécisions. Naturelle ment les systèmes du type à contact électrique sont limités aux liquides qui ont une conductivité électrique suffisante.Les systèmes du type à immersion sont connus comme étant susceptibles de variations dans leur précision, qui résultent de changements dans les caractéristiques physiques des liquides qui sont détectés, variations qui affectent la résistance physique au courant de fluide provenant du système vers le liquide. Les systèmes à détection sonique montrent aussi des variations dans la précision, dues à des variations de températures qui peuvent affecter la densité du milieu dans lequel les signaux soniques doivent se propager. Les systèmes à réactance électrique n'essaient pas seulement de détecter les variations de niveau des liquides, mais prennent aussi en compte les variations de facteurs extérieurs, tels que les constantes diélectriques du milieu surmontant le liquide, les facteurs d'ionisation et d'autres phénomènes complexes qui contribuent à rendre les mesures imprécises.Enfin, les systèmes du type à radiations sont souvent de nature complexe et nécessitent des équipements élaborés qui doivent être soigneusement calibrés avant leur utilisation. Cette complexité se reflète souvent dans le coat élevé de ces systèmes. I1 a été développé un système de détection du niveau d'un liquide extrêmement précis, qui n'exige pas un contact physique avec le liquide à détecter. En outre, ce système de détection peut être utilisé tout à fait indépendamment de la nature du liquide que l'on manipule. Par conséquent, les problèmes traditionnels soulevés par une viscosité élevée, une possibilité de corrosion, la réactivité chimique, la température, le manque de conductivité électrique, ou une éventuelle radioactivité, etc..., importent peu au regard des possibilités d'application du système, objet de l'invention. En outre, le système utilise des composants qui sont très faciles à se procurer et contribuent pour une grande partie au faible prix de fabrication. L'invention a donc pour objet un dispositif de détection qui ne nécessite pas le contact avec ou la pénétration de la surface à détecter et qui peut donc s'appliquer à un très grand nombre de liquides et de solides sans tenir compte de certaines propriétés physiques de ces derniers qui pourraient en limiter l'application. Elle consiste enun système d'ajutage qui délivre un fluide verticalement en direction de la surface du liquide à dé tecter. Une source de fluide, à pression sensiblement constante, délivre le fluide dans des conduits qui à leur tour alimentent l'ajutage sous une certaine pression. Des moyens sont prévus pour détecter toute variation de pression du fluide dans l'ajutage, moyens qui sont solidaires d'un dispositif susceptible de déplacer verticalement l'ajutage en fonction de la pression de fluide. Les caractéristiques ci-dessus, ainsi que d'autres caractéristiques secondaires et les avantages qui en résultent, apparateront de façon plus détaillée dans la description ci-après de formes particulières de réalisation, données à titre indicatif et non limitatif en référence au dessin en annexe sur lequel - la fig. I représente, de façon schématique, une forme de réalisation de l'invention - la fig. 2 représente, de façon schématique, un dispositif correcteur ajouté au système de détection selon l'invention, pour réduire les erreurs qui résultent des variations de pression au niveau de l'ajutage du fait des variations de température Si llon se reporte à la fig.I, on voit un réservoir 10 contenant un liquide I2 dont le niveau de la surface, en fonction dlun niveau de référence déterminé, doit être détecté par le dispositif objet de l'invention. Le liquide est déversé dans le réservoir 10 de façon classique, par un tuyau d'admission I4 sous la commande d'un robinet, et il est extrait par un tuyau de soutirage I6 sous la commande d'un autre robinet. Un élément de détection du niveau du liquide I8, sous la forme d'un tube cylindrique ou tout moyen équivalent, est suspendu du au-dessus de la surface du liquide I2, de façon à délivrer un fluide sous pression à travers un orifice d'évacuation 20 dirigé vers le bas au-dessus de la surface du liquide I2, de préférence sous forme d'un jet à écoulement laminaire. L'élément I8, dans le présent exemple, est suspendu à son extrémité d'admission du fluide par un conduit flexible 22, qui délivre le fluide sous pression en provenance d'une source de fluide 24, dont la pression est régulée. A une hauteur convenable au-dessus des parois du réservoir, le conduit 22 est fixé par tout moyen convenable à une potence 26, mobile dans le sens vertical. I1 est prévu une longueur en excès pour le conduit flexible 22, qui pend de la potence 26 pour former une boucle 28, de façon à éviter une tension du conduit 22 lorsque l'élément a se trouve descendu à son niveau le plus bas dans le réservoir IO. On comprendra aisément que la partie du conduit 22, qui pend de la potence 26 et qui est soli arisée à l'élément I8 peut être rigide, si on le désire. Le système de détection, selon la présente invention, utilise la variation de pression qui se produit dans élément I8 et qui est retransmise à travers le conduit 22 vers la source 24 lorsque l'orifice 20 s'approche suffisamment près de la surface du liquide 12 pour provoquer des perturbations dans le profil d'écoulement du fluide. Ces variations de pression du fluide qui se produisent dans le conduit 22 sont transmises par la ligne 30 à une première entrée de commande 32 d'une bascule SCHMITT 34 à fluide, de type classique. On peut trouver une description de ce type de bascule dans le brevet français NO I.532.I3I, au nom de la Demanderesse. Deux jets de puissance sont délivrés aux entrées de puissance A et B de la bascule 34.Un signal de polarisation, à pression constante, est délivré à une seconde entrée de commande 36 de la bascule 34, en provenance de la source de fluide 24, à une pression convenable déterminée par le réglage d'un robinet 38 de commande de polarisation. Ce robinet est réglé de façon telle que le signal de polarisation au niveau de l'entrée de commande 36 détermine l'état de sortie du signal de fluide de la bascule 34 lorsqu'il n'y a qu'une pression en retour de valeur insignifiante dans l'élément I8 et le conduit 22, c'est-à-dire lorsque l'orifice 20 est éloigné, par rapport à la source du liquide I2, de façon telle que le jet de liquide émis ne se trouve pratiquement pas perturbé. Dans ces eondtionsa lorsqutil ne se produit pas de pression en retour dans l'élément I8, le signal de polarisation de l'en- trée de commande 36 produit un signal de sortie de fluide par un orifice 40 de la bascule 34. Par tout moyen connu de transmission de fluide, tel qu'un tuyau non représenté, le signal de fluide à l'orifice de sortie 40 est dirigé vers un diaphragme 42, sensible à la pression d'un commutateur électrique 44 à pression, qui s'abaisse pour mettre en contact une paire de contacts électriques 46 normalement ouverts, qui à leur tour provoquent ltexcita- tion de la bobine 50 dlun relais bipolaire 52, par l'intermédiai- re d'une source de courant électrique 48.Par conséquent, le commutateur 44 se comporte comme un transducteur du signal de pression de fluide en un signal électrique. Le relais 52 met alors en oeuvre une source de courant 54 pour commander le lancement d'un moteur électrique réversible 56, la borne positive 54 de la source étant reliée à une ligne 58 du moteur. Dans ces conditions, le moteur 56 entratne un arbre 59 qui, à son tour, agit sur un engrenage à crémaillère 60, de façon à abaisser l'élément I8 vers la surface du liquide I2.Ce mouvement descendant de élément I8 se poursuit jusqu'à ce que l'élément 20 s'approche suffisamment près du liquide I2 pour provoquer une pression en retour dans l'é- lément I8 et le conduit 22, d'une valeur suffisante pour faire commuter la bascule 34 et provoquer la délivrance d'un signal de fluide au niveau de l'orifice de sortie 62. La bascule 34 commute le signal de sortie de l'orifice 40 vers l'orifice 62, lorsque la pression du fluide dans le conduit 22 est suffisante pour contrebalancer la pression de polarisation au niveau de l'orifice de commande 36.La pression de polarisation est par conséquent une valeur de référence que l'on peut régler à volonté pour produire les caractéristiques de commutation désirées pour la bascule 34. Dès que la pression de polarisation est dépassée, la pression du fluide sur le diaphragme 42 ne s'exerce pratiquement plus, provoquant ainsi l'ouverture des contacts 46, ce qui par conséquent désexcite le relais 52. De ce fait, la polarité de la source 54 se trouve inversée afin de mettre la borne positive de celle-ci sur la borne 64 du moteur, pour inverser le sens de rotation de celui-ci, ainsi que celui de l'engrenage à crémaillère 60. L'élé- ment I8 est alors éloigné de la surface du liquide I2 jusqu'à ce que la pression dans le conduit 22 tombe au-dessous du niveau de la pression de polarisation. A ce moment la bascule 34 commute vers la position commandant la descente et un cycle complet de fonctionnement du système est ainsi achevé. Le dispositif décrit à titre d'exemple tend donc à osciller autour d'un point qui est fixé à une distance minimum au-dessus du liquide 12, point pour lequel la pression en retour dans l'élément I8 provoque la commutation de la bascule 34. I1 faut noter qu'un vérin de type connu peut être utilisé à la place du moteur 56 et de l'engrenage à crémaillère 60 pour régler le niveau de l'élément I8.Dans ce cas, la bascule 34 peut astre éliminée, car la pression dans le conduit 22 peut être étalonnée par tout moyen connu et le fluide être utilisé pour actionner un robinet de commande d'alimentation en air, pour déplacer le piston du vérin de façon à élever directement l'élément 18. De façon analogue, la pression de polarisation peut servir à déplacer le piston vers le bas, pour abaisser l'élément I8, quand la pression du fluide dans cet élément est inférieure à la pression de polarisation de référence prédéterminée. Par conséquent, tous les équivalents mécaniques connus peuvent être employés pour réaliser les déplacements. Une information mesurable correspondant au niveau de ltori- fice 20 s'obtient, dans exemple présent, au moyen d'un potentiomètre 66 comportant un contact mobile 68 qui est couplé à l'arbre du moteur 59 par l'intermédiaire d'engrenages coniques 70. Une source d'alimentation convenable 72 est appliquée au potentiomètre, pour obtenir une tension de sortie variable réf é- rencée E0 sur la fig. I,qui correspond en amplitude au déplacement total ou à la valeur angulaire de la rotation de l'arbre moteur 59.La tension de sortie E0 est calibrée de façon bien connue en mesurant le déplacement de l'orifice 20 au-dessus ou au-dessous d'un niveau de référence fixé dans le réservoir IO, pour deux valeurs de la tension de sortie Eo. La tension E0 peut être dirigée vers un dispositif à enregistrement graphique, un oscilloscope, un voltmètre, ou tout autre dispositif électrique analogue qui permette à un observateur de lire le niveau du liquide I2. Outre son utilisation comme système de commande du niveau d'un liquide I2, la tension E0 fournit un signal capable de commander la quantité de liquide 12 dans le réservoir IO, afin de maintenir le niveau de surrace h la valeur fixe désire. La tension E0 peut être utilisée de façon connue pour commander la rotation du robinet au niveau du tuyau d'entrée I4, ou du tuyau de-soutirage I6 ou à la fois commander l'alimentation et l'extraction du liquide à volonté. I1 est préférable de fournir le fluide de déplacement à l'é- lément I8 sous un débit faible ou modéré, afin de ne pas provoquer d'êclaboussement du liquide I2 ou de dépression à la surface de celui-ci au niveau où le jet vient la frapper. On conçoit aisément que le débit minimum de fluide à fournir à lément I8 est t celui qui est suffisant pour produire une pression en retour détectable, susceptible de faire basculer l'amplificateur 54, et qu'il dépend des caractéristiques dynamiques de l'élément I8. Des débits de fluide inférieurs à 0,056m3/h sont préférables, mais on peut eneore utiliser des débits supérieurs.Dans un exemple particulier, on a utilisé dans l'élément I8 un fluide sous un débit d'environ 0,0467m3/h, permettant de faire osciller la bascule de SCHMITT 34 pour un réglage donné du robinet de commande de polarisation 38, l'orifice 20 de l'élément I8 étant à une distance d'environ 0,30mm au-dessus d'un liquide à 250C. En modifiant le réglage du robinet de commande de polarisation 38, on peut aussi réaliser la commutation à la même distance au-dessus d'un verre fondu dans un four de fusion à une température de 8IOOC. Si l'on se reporte à la fig. 2, on voit sur une seconde forme de réalisation, un four de fusion 80 contenant une certaine quantité de matière à l'étant fondu 82, telle que du verre à une température dépassant 8000C. Un dispositif de détection de niveau 84, de la forme précédemment décrite, est suspendu au-dessus de la surface de la matière 82 afin de diriger un jet de fluide par un orifice de sortie 86, verticalement en direction de la surface libre de la matière 82.Un élément compensateur des erreurs de température 83, de forme sensiblement identique à celle de l1élé- ment 84, est suspendu dans le four 80, de préférence très près de élément 82 afin de se trouver placé dans les mêmes conditions de température. L'élément 84 est suspendu à une potence 90, mobile dans le sens vertical, par un conduit de fluide 92 flexible. Le fluide est délivré à l'élément 84 à partir d'une source 94 à pression constante. L'élément 88 est, de la même façon, suspendu à l1élé- ment 90 et reçoit le fluide à travers un conduit flexible 96 raccordé à la ligne de polarisation 97 de la bascule de SCHMITT 98. L'orifice de sortie I00 de l'élément 88, dirige le fluide verticalement vers la matière 82, à partir d'un niveau supérieur à celui de l'orifice 86. I1 suffit simplement qu'il y ait une pression en retour dans l'élément 88 lorsque se produit une pression en retour dans l'élément 84. Une différence entre les niveaux des orifices 86 et I00, de l'ordre de 6mm à 25mm est suffisante, bien que des valeurs supérieures ou inférieures conviennent dans de nombreuses circonstances.Du fait de ces différences entre les niveaux des orifices 86 et 100, la pression en retour développée dans l'élément 84 et le conduit 92 est toujours supérieure à la pression en retour développée dans l'élément 88, dans une mesure telle que la différence est suffisante pour faire basculer l'am- plificateur 98 lorsque l'orifice 86 est suffisamment près de la surface de la matière 82. Les autres éléments du système de commande de l'exemple ci-dessus, non reprdsentés, sont les mêmes que ceux précédemment décrits dans le premier exemple. La variation de température qui se produit dans le four 80 peut être suffisante pour provoquer un allongement ou une contraction de l'élément 84. De telles variations dimensionnelles peuvent se traduire par une variation des caractéristiques de réponse de la pression en retour dans élément 84. Si ceci se produisait, les caractéristiques de commutation du système de commande dans leur ensemble pourraient s'en trouver altérées, ce qui ne se produit pas du fait de la présence de l'élément 88 qui se trouve dans les memes conditions de températures que l'élément 84. Dans le présent exemple, les éléments 84 et 88 fournissent des variations de pression en retour analogues du fait des variations de température du milieu ambiant commun ; ces variations de pression sont très fortement diminuées par la fonction d'oscillation de la bascule 98. Par conséquent, ce sont seulement les variations de la pression différentielle entre les éléments 84 et 88 qui sont attribuables à une variation du niveau de l'orifice 86 au-dessus de la matière 82 et qui provoquent la commutation de la bascule 98. Bien que la présente description ait été faite à partir de modes particuliers de realisation, il est bien évident que l'on peut y apporter de nombreuses mc-cations dans les détails sans sortir pour autant du cadre de l'inseltion. - REVENDICATIONS - I1 est revendiqué comme étant l'objet de l'invention IO) Système de détection du niveau d'une surface, caractérisé par le fait qu'il comporte les moyens suivants a) Un ajutage délivrant un jet de fluide verticalement en direction de la surface d'un liquide b) Des moyens pour acheminer ledit fluide, sous pression jus qu'à l'ajutage ; c) Des moyens pour alimenter en fluide lesdits moyens d'acheminement, sous une pression sensiblement constante ; d) Des moyens pour détecter la pression du fluide dans l'aju- tage ;; e) Des moyens pour déplacer verticalement ledit ajutage, solidaires des moyens de détection et intervenant sous leur commande, pour assurer le maintien d'une distance minimum prédéterminée entre l'ajutage et la surface du liquide, le niveau de ajutage pour cette distance étant fonction du niveau de la surface. 20) Système de détection selon la revendication I, dans lequel l'ajutage émet le jet de fluide sous la forme d'un écoulement laminaire, quand celui-ci n'est pas perturbé par la surface. 30) Système de détection selon la revendication I, dans lequel les moyens pour acheminer le fluide consistent en une conduite dont au moins une partie est flexible. 40) Système de détection selon la revendication I > dans lequel les moyens pour détecter la pression de fluide comprennent une bascule de SCHMITT à fluide, solidaire des moyens pour acheminer le fluide et émettant un signal parut premier orifice de sortie lorsque la pression du fluide dans la conduite est supérieure à une pression de référence prédéterminée et par un second orifice de sortie lorsque la pression dudit fluide est inférieure à cette pression de référence. 50) Système de détection selon la revendication I, comprenant en outre des moyens sous la dépendance de ceux prévus pour déplacer l'ajutage, indiquant le niveau de la surface. 60) Système de détection selon la revendication I, dans lequel lès moyens prévus pour déplacer l'ajutage comprennent a) Un moteur réversible, fonctionnant sous la commande des moyens de détection, ledit moteur pouvant tourner dans un premier sens lorsque la pression est inférieure à une valeur prédéterminée et dans un second sens, opposé au premier, lorsque la pression est supérieure à la valeur prédéterminée, et b) des moyens pour faire monter ou descendre l'ajutage, fonctionnant sous la commande dudit moteur pour abaisser l'ajuta- ge, quand le moteur tourne dans le premier sens, et pour élever l'ajutage, quand le moteur tourne en sens contraire. 70) Système de détection selon la revendication I, dans lequel les moyens pour déplacer l'ajutage consistent en un système b vérin fonctionnant sous la commande des moyens de détection, pour abaisser l'ajutage quand la pression dans celui-ci est inférieure à une valeur prédéterminée et pour l'élever quand la pression qui y règne est supérieure à la valeur prédéterminée. 80) Système de détection selon les revendications I et 4, comprenant en outre a) Un commutateur pneumatique fonctionnant sous la commande de la bascule, ledit commutateur pouvant prendre une première position lorsque la bascule émet un signal par son premier orifice de sortie et une seconde position lorsque la bascule émet un signal par son second orifice de sortie, et b) des moyens pour entraîner le-dispositiS de déplacement, sous la commande dudit commutateur, pour élever l'ajutage quand le commutateur est dans sa première position et pour abaisser ajutage quand le commutateur est dans sa seconde position. 90) Système de détection selon la revendication 5, dans lequel les moyens pour indiquer le niveau de la surface comprennent un potentiomètre électrique dont le contact mobile se déplace sous la commande des moyens prévus pour déplacer l'ajutage, la tension appliquée audit potentiomètre correspondant à un niveau de référence prédéterminé pour l'ajutage, la tension appliquée entrele contact mobile et l'une des extrémités du potentiomètre étant donc fonction du niveau de l'ajutage par rapport au niveau de référence. IO") Une variante au système de détection du niveau d'une surface selon la revendication I, caractérisée par le fait qu'il comporte les moyens suivants a) Un premier ajutage délivrant un premier jet de fluide verticalement vers la surface d'un liquide b) Des moyens pour conduire ce premier fluide sous pression jusqu'audit premier ajutage ; c) Des moyens pour alimenter les moyens précedents en ce premier fluide, sous une pression sensiblement constante d) Un second ajutage délivrant un second jet de fluide verticalement vers la surface du liquide, ce dernier ajutage étant plus éloigné de la surface que le précédent, et ces deux ajutages étant placés de façon à se trouver dans les mêmes conditions de température, le second ajutage ayant sensiblement la même pression en retour, pour une variation de température, que le premier ajutage ; ; e) Des moyens pour conduire ce second fluide sous pression jusqu'audit second ajutage ; f) Des moyens pour alimenter les moyens précédents en ce second fluide, sous une pression sensiblement constante ; g) Des moyens pour détecter la différence de pression entre le premier fluide et le second fluide au niveau des deux ajuta ges h) Des moyens pour déplacer verticalement les deux ajutages, fonctionnant sous ltaction desdits moyens de détection, permettant d'obtenir d'une part une première distance minimum, d'autre part une seconde distance minimum prédéterminée entre le second ajutage et la surface., le niveau du premier ajutage à cette première distance étant fonction du niveau de la surface. 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