Brevet FR2040382A1 — publié le 19710122

i 2040382 La présente invention se rapporte à un appareil de mesure de la viscosité de fluides ou de suspensions pouvant être dangereux, et ceci dans un milieu pouvant lui-même être dangereux. _ Le viscosimètre de L.J. WITTENBERG, L.V. JONES et B. OFTE 5 . présenté à la seconde conférence sur le plutonium (Grenoble, 19-20 avril i960, exposé intitulé : "Froperties 03? plutonium-based fuels") est celui- qui pourrait le plus appî-ocher des conditions requises pour satisfaire aux exigences inhérentes aux conditions de mesure ci-dessus définies. C'est un viscosimètre à 10 récipient oscillant rotatif, dans lequel le récipient cylindrique contenant le liquide dont il faut mesurer la viscosité est suspendu à un fil de torsion. Etant donné le freinage du liquide contenu, l'amortissement des oscillations, normales du pendule de torsion ainsi réalisé est 15 une fonction de la vis.cosité de ce liquide. Cet amortissement fournit par conséquent une mesure de la viscosité. Le récipient peut être placé dans un four, de manière à permettre la mesure de la viscosité de liquides à haute température. Le viscosimètre mentionné ci-dessus permet effectivement 20 de mesurer la viscosité de liquides pouvant être dangereux, tels que l'alliage euteètique plutonium-fer, mais il présente de nom- I breux inconvénients. Parmi ceux-ci, il convient de signaler que le système oscillatoire doit travailler de préférence dans-le vide, et de toute manière dans un milieu extérieur ne perturbant pas les 25 mouvements oscillatoires du récipient. De plus, il ne convient pas pour être employé en milieuc dangereux ou particuliers, tels que le coeur d'un réacteur nucléaire ou des enceintes dont l'intérieur est soumis à des conditions physiques et/ou chimiques très sévères. 30 II ne convient pas non plus pour mesurer la viscosité de suspensions,, étant donné l'impossibilité d'y inclure un dispositif d'agitation du fluide enfermé dans le récipient et remplissant celui-ci complètement. L'utilisation de la variation de l'amortissement des oscil-j55 lations en fonction de la viscosité du fluide contenu ne pëut être mise en oeuvre avec toutes les garanties de sensibilité voulues, étant donné que la courbe exprimant cette variation n'est 70 15538 s 2040382 pas très sensible aux: effets de l'amortissement, même dans sa partie la plus inclinée. De plus, l'importance du domaine de mesures relativement- précises est difficile à déterminer. Le principe même de ce viscoskmètre le rend en outre peu 5 pratique car le moment d'inertie du Àuide dépend de la fréquence du récipient et de la viscosité du fluide lui-même. Il est par conséquent nécessaire de mesureraussi bien l'amortissement que la fréquence, ee qui risque d'introduire des erreurs supplémentaires. De plis, les auteurs expliquent -eux-mêmes (voir page 679 10 du compte rendu en langue anglaise de la conférence de Grenoble déjà mentionnée) qu'il est impossible d'obtenir des valeurs satisfaisantes de la viscosité au voisinage du maximum de la courbe représentant l'amortissement delta des oscillations du récipient en'N£anction de^ représentant la viscosité. 15 Enfin, cet appareil doit obligatoirement être placé en position exactement verticale, ét à l'abri des vibrations de manière à éviter entre autres que la capsule ne touche les parois du four. Le viscosimètre. selon l'invention pallie ces inconvénients. 20 II comporte une gaine cylindrique immobile,, étanche, et à axe sensiblement vertical, à 1 intérieur de laquelle est disposée axialement une capsule cylindrique étanche suspendue élastique-ment à elle de manière à pouvoir être soumise à des oscillations dans le sens axial, ladite capsule étant remplie du fluide dont 25 il faut mesurer la viscosité et au sein duquel est disposé un flotteur cylindrique coaxial à ladite capsule, suspendu élastique nùsnt à elle de manière à pouvoir osciller par rapport à la capsule dans le sens axial à l'intérieur de celle-ci, par des moyens permettant de provoquer les oscillations verticales de ladite capsule 30 et par des moyens permettant de mesurer l'amortissement de ces oscillations en dehors des périodes d'excitation, l'espace compris entre la gaine et la capsule étant mis sous vide ou rempli d'un fluide dont la friction est Inférieure à celle du fluide dont on veut mesurer la viscosité. 35 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif en référence au dessin annexé, dans lequel 1 70 15538 3 2040382 - la figure 1 est une vue en coupe, dans un viscosimètre selon, l'invention, par un plan passant par l'axe de celui-ci, et - la figure .2 représente un exemple d'une courbe de calibrage du viscosimètre. selon l'invention à échelle logarithmique 5 double. ;• . ' Les éléments identiques stir les deux figures sont repré.-j sentés par des numéros de référence identiques. En se référant à la figure 1, il est possible de voir une gaine extérieure étanche 1, cylindrique et fixée à n'importe 10 quel support non représenté, de manière à se présenter avec un axe. A l'intérieur de la gaîne 1 se'trouve suspendue ëoaxialement et élastiquement une capsule cylindrique étanche 2. La suspension est réalisée de toute manière possible permettant à la capsule 2 d'osciller verticalement et Sans torsion à l'intérieur de la 15 gaine 1 sous l'effet d'un système de commande quelconque. Une réalisation possible de cette suspension est représentée sur la figure 1 : la capsule est fixée à des' rebords Internes 3 et 4 de la gaine 1, disposés de part et d'autre de la capsule, au moyen de ressort hélicoïdaux 5 fixés aux bases de la capsule, et répar-20 tis régulièrement- sur-.leur pourtour.. Dans une réalisation avantageuse, la capsule est encore prolongée par une tige axiale 6 qui la traverse de part en part. Cette tige est encore fixée au centre de ressorts plats 7 dont le pourtour est fixé aux rebords .4. Ces ressorts plats; outre leur rôle dans la suspension élastique de 25 la capsule, servent encore à garder un bon centrage à celle-ci dans la kàine, et à.empêcher la rotation de ladite capsule. '* Une des extrémités de la tige axiale, l'extrémité supérieure dans le cas de la figure 1, est realisée en un matériau ^îtiagnétisable et pénètre au centre d'une bobine 8 d'excitation 30 des oscillations verticales de la capsule. Ces oscillations et leur amortissement sont mesurés par exemple au moyen d'un condensateur dont unedes armatures 9 est fixéeisur un des rebords 3 et l'autre armature 10, parallèle^à.l'armature/".' 9 sur la tige 6. A l'intérieur de la capsule se trouve une cavité 11, des-35 tinœ à être, remplie du fluide dont on-veut mesurer la viscosité. Au sein de ce fluide se trouve un flotteur 12 cylindrique et coa-xial à la capsule et à la gaine. Dans le cas du dispositif représenté à la figure 1, le cylindre constituant lé flotteur est 70 15538 4 2040382 creux, et entoure la tige axiale 6. Le flotteur 12 est suspendu élastiquement à la capsule 2 de manière à pouvoir osciller axia-lement à l'intérieur de celle-ci. Un exemple d'une telle suspension est visible sur la figure 1, réalisée au moyen de ressorts 5 plats 13 situés à chacune des extrémités du flotteur.. Le flotteur a des dimensions telles que sa paroi latérale soit suffisamment proche de celle de la capsule pour provoquer un bôii freinage de ses oscillations à;l'intérieur de celle-ci, sous 1 effet des forces de friction dues au fluide dont on veut mesurer lia 10 viscosité. ' - Dans la capsule, une cavité d'expansion 15 communiquant avec la cavité 11 de la capsule par un passage étroit 16, peut encore être prévue. Elle peut être utile dans le cas »ù le fluide remplissant la cavité 11 est sujet à des dilatations ou à des 15 radiolyses. Une sécurités supplémentaire peut encore être ajoutée: un conduit non représenté creusé axialement dans la tige 6 jusqu'à, son extrémité ne plongeant pas daps la bobine d'excitation 8 et communiquant avec la cavité 15. A l'extrémité de la tige 6, il est possible de fixer un récipient non représenté, raccordé à la 20 cavité 15 par le conduit qui vient d'être mentionné et obturé par une membrane de sécurité destinée à céder lorsque la pression devient trop forte. Il convient encore de mentionner que l'espace compris entre la: gaine 1 oefct la capsule 2 est, ou bien mis sous vide, ou 25 bien rempli d'un fluide dont la friction est inférieure à celle du fluide dont on veut mesurer la viscosité. Dans le viscosimètre qui vient d'être décrit,.lorsque la bobine d'excitation 8 impose à la oapsule 2 des mouvements alternatifs de haut en bas, le flotteur lui-même va également 30 subir de tels mouvements à l'intérieur de la capsule. Les mouvements de la capsule et du flotteur ne sont évidemment pas indépendants : Ils sont couplés par les forces élastiques des ressorts 13 et les forces de friction dues à la viscosité du fluide conteôu dansula-capsule, 35 Pour certaines fréquences d'oscillation faciles à repérer, et dites fréquences de résonance, les oscillations de la capsule deviennent importantes (de l'ordre de 1 mm) et il est alors facile .70 15S3B 5 2Q40382 10 15 de les mesurer grâce .au condensateur 9-10» En dehors des moments ou périodes où il y a une excitation* ces oscillations s'amortissent. Leur amortissement £ donne une mesure de la .viscosité du fluide, par l'intermédiaire de la formule : (A) (K^C'g+K'gC^ + apKK'-jC'g + K'2C'± + 2^) = K'-jK'^p - 2S.-J2 dans laquelle : P = C'-j^ + C'2m -2a^ a » 2a1 - K\ - K'2m - C'jC'g m2 C m = 1 + a, = o of m Kl KP K'n = —^ K'p = — mx m2 • Ci c,i-i7 c,2 = ;r "A-i> 1 mg f = fréquence de résonance à laquelle la mesure est faite A « constante dépendant de la distance entre les parois latérales •20 de la capsule et du flotteur et la hauteur et le diamètre du flotteur S = l'amortissement des oscillations = constante de la suspension de la capsule en dyne/cm Kg = constante de la suspension du flotteur en dyne/cm 25 0^ » force de friction due au fluide entourant la capsule (g/s) Cg = force de friction due au fluide dont il faut pesurer la viscosité m^ = masse de la capsule, plus celle du fluide dont il faut mesurer la viscosité 350 nig = masse du flotteur multipliée par ùn facteur de correction dû à l'accélération du liquide. L'emploi de la formule A mentionnée précédemment ne pose pas de problèmes particuliers. Cependant, il est beaucoup plus aisé et rapide d'utiliser une courbe de calibrage du dispositif 35 sel»n l'invention. Cellè-ci se présente toujours sous la forme représenté figure 2, où le logarithme de la viscosité est porté en abscisses et le logarithme de l'amortissement £ en ordonnées. 70 15538 6 2040382 Dans le cas où le fluide dont il faut mesurer la viscosité doit être mélangé (par exemple lorsqu'il s'agit d'une suspension de particules solides dans un liquide), le viscosimètre qui vient d'être décrit convient encore parfaitement. En effet, il est 5 possible d'exciter la bobine 8 à une autre fréquence de résonance, pour laquelle l'amplitude des oscillations de la capsule n'est plus maximale, mais bien l'amplitude"des oscillations du flotteur à l'intérieur de la capsule. Dans le cas où il faut mélanger le fluide contenu dans la capsule, il y a avantage à ce que l'espa-10 cernent compris entre les extrémités du flotteur et 3es parois de fond supérieure et inférieure ne soit pas trop grand, de façon que le flotteur vienne buter contre elles, et à empêcher ainsi que les ressorts 13 ne supportent des déformations trop importantes qui pourraient les briser. 15 Les opérations à effectuer pour la mesure de la viscosité de fluides qui doivent être mélangés consistent donc à : l) exciter la bobine à la fréquence de résonance pour laquelle l'amplitude des oscillations du .flotteur à l'intérieur de la cavité 11 est maximale; 20 2) exciter la bobine à la fréquence de résonance pour la quelle les oscillations de la capsule 2 à l'intérieur de la gaineI sont importantes; 3) en l'absence de toute excitation, mesura1 l'amortissement S à partir duquel il est facile de déduire la viscosité au 25 moyen d'une des deu* méthodes exposées précédemment. L'appareil qui vient d'êi>re décrit possède un certain nombre d'avantages. Ainsi, il n'est pas indispensable de le placer exactement avec son axe suivant la verticale. Quelques degrés de déviation ne donnent une erreur dans le résultat de la mesure 30 que de quelques pourcent'-. Ensuite, le profil d'écoulement du liquide est toujours le même pour différentes viscosités, il n'y a donc pas de difficultés à calculer les parties rectilignes de la courbe selon la figure 2. Il est possible, ;â.insl qu'il a déjà été mentionné, de 35 mélanger le liquide avant les mesures âans manipulations ou appareillages supplémentaires. \8fnènc "70 15538" 7 2040382 •:bov-- .-".y :;:r • nolta&ciï-.UK -r II faut encore mentionner qu^ durant la mesure, le logarithme naturel de l'amplitude est enregistré en fonction du temps Dans le cas où le fluide dont il faut mesurer la viscosité est • newtonien, cette courbe d'enregistrement se-présente sous la 5 :■ ?forme d'une droite. Toute déviation ïrdLquemdonc déjà sans . •••' -effort supplémentaire, que le fluide n'est pas newtonien. • Le viscosimètre objet de l'invention peut être utilisé . • 5 : dans deg conditions expérimentales très sévères, comme par exemple dans un canal de réacteur nucléaire ou dans n'importe 10, quel milieu agressif ou ixfeccessible à l'opérateur. Il est de ■ _r plus; relativement insensibleaux vibrations parasites. Le fluide : , dont il faut mesurer la viscosité peut être dangereux et se présenter dans une large gamme de températures. ; ?r • ; - II- est bien'évident que l'invention ne se limite pas à 15 l'exemple décrit, mais, emcomprend au contraire toutes les varian -, tes,,-. Ainsi, le mode de suspension-de la capsule et du flotteur se présenter sous les formes les plus diverses, du moment qu'il est possible d'exciter leurs oscillations longitudinales, ?r .qu'elles restent centrées de la mêmemanière l'une par"rapport à 20-. l'autre, et qu'on évite les vibrations en torsion. Le mode d'excitation des oscillations, ainsi que leur mesure, peuvent également être réalisés d'une manière différente de celle qui a fiété.décrite, citée à titre d'exemple non limitatif. 70 15538 8 2040382 REVENDICATIONS 1. Viscosimètre caractérisé par line gaine cylindrique immobile, étanche et à axe sensiblement vertical, à l'intérieur 5 de laquelle est disposée coaxlalement une capsule cylindrique étanche -suspendue élastiquement à elle de manière à pouvoir être soumise à des oscillations dans le sens axial, ladite capsule étant remplie du fluide dont il faut mesurer la viscosité et au sein duquel est encore disposé un flotteur cylin-10 drique coaxial à ladite capsule, suspendu élastiquement à elle, ; de manière à pouvoir osciller par rapport à la capsule dans le sens axial à l'intérieur de celle-ci, par des moyens permettant d'exciter les oscillations verticales de ladite capsule et par des moyens permettant de mesurer l'amortissement de ces 15 oscillations en dehors des phases d'excitation, l'espace compris entre ladite gaine et ladite capsule étant mis sous vide ou rempli d'un fluide dont la friction est inférieure à celle du fluide dont on veut mesurer la viscosité. 2. Viscosimètre selon là revendication 1, caractérisé 20 par-le fait que les parois latérales du flotteur sont situées vis-à-vis des parois internes de la capsule à une distance suffisamment faible pour que lés forces de friction dues au fluidé .dont--on veut - mesurer la visloosité permettent un amortissement sensible des oscillations. 25 3. Viscosimètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la capsule est suspendue et maintenue en place à l'intérieur de la g^ine, au moyen de ressorts hélicoïdaux à axe vertical, régulièrement répartis et fixés d'un côté aux bases horizontales de la capsule, de 30 l'autre à des retords internes de ladite gaine, un dispositif étant prévu pour conserver le centrage de la capsule à l'intérieur de la gaine. 4, Viscosimètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la capsule se prolonge 35 de part et d'autre de ses faces planes, par une tige axiale la traversant de part en part, et par le fait que le flotteur se présente sous la forme d'un manchon eyelindrique entourant la tige axiale. 70 15 538 9 2040382 5. Viscosimètre selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que ladite capsule entoure le flotteur à une distance suffisamment faible, pour'que les forces de friction dues au fluide dont on veut mesurer 5 la viscosité permettent unamortissement sensible des oscillations. 6. Viscosimètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les ressorts plans sont fixés par leur pourtour aux dits rebords internes' de la gaine, et par leur centre à la tige axiale. 10 7. Viscosimètre selon l'une quelconque des revendica tions précédentes, caractérisé par le fait que le flotteur est suspendu à la tige axiale au moyen de deux ressorts plans dont le pourtour extérieur est fixé:au flotteur et le centre à la tige. 8. Viscosimètre selon l'une'quelconque des revendications 15 précédentes, caractérisé par le fait qu'une bobine d'excitation des oscillations est prévue à l'intérieur de la gâilne, une extrémité de la tige axiale réalisée en matériau magnétisable pénétrant au centre de eette bobine. 9. Viscosimètre selon l'une quelconque des revendica-20 tions précédentes, caractérisé par le fait qu'une armature de condensateur est fixée sur l'un de3 rebords internes de la gaine et perpendiculairement à la tige axiale, l'autre étant fixée à la tige axiale. 10. Viscosimètre selon l'une quelconque des revendl-25 cations précédentes, caractérisé par le fait qu'une chambre d'expansion est prévue dans le flotteur au-dessus dui volume • occupé par le fluide dont on veut mesurer la viscosité. 11. Viscosimètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fiait que la ohambre 30 d'expansion communique, par l'intermédiaire d'un trou creusé dans la tige centrale- jusqu'à l'une' de ses extrémités, avec une chambre située à cette extrémité de la tige dans l'espace compris entre la capsule et la gaine, et obturée par une membrane de sécurité-.