Brevet FR2116305A1 — publié le 19720713

La présente invention concerne les dispositifs pour la détermination,sans contact, du niveau et du profil de la surface d'objets à étudier avec utilisation de rayonnement électromagnétique dur; elle vise plus précisément les dispositifs 5 pour la détermination du niveau et du profil de la surface d'une substance, en particulier de la charge dans un haut fourneau. On connaît des dispositifs pour la détermination du niveau et du profil de la surface d'une substance, en particu-10 lier de la charge dans un haut fourneau, dans lesquels le flux de rayonnement électromagnétique dur provenant d'une source collimatée de rayonnement, déplacée à l'aide d'une commande, est réfléchi sur la zone irradiée de la surface contrôlée et est enregistré par un récepteur collimaté de rayonnement ré-15 fléchi ayant une zone de réception et dont le signal de sortie arrive au moyen prévu pour la détermination de l'orientation réciproque de la zone irradiée et de la zone de réception, ce moyen contrôlant le dispositif de déplacement du récepteur. Dans les installations précitées,on utilise un ré-20 cepteur de rayonnement réfléchi à deux voies et les signaux de sortie, arrivant parallèlement et simultanément de deux voies dans le moyen prévu pour la détermination de l'orientation réciproque de la zone irradiée et de la zone de réception, sont comparés l'un à l'autre, et d'après les résultats de la 25 comparaison on contrôle le dispositif de commandé du récepteur collimaté de rayonnement réfléchi en orientant ce récepteur sur le centre de la zone irradiée. L'utilisation,dans les installations mentionnées d'un récepteur de rayonnement réfléchi à deux voies ayant, 30 comme il est connu, des caractéristiques instables, fait apparaître une erreur instrumentale accidentelle provoquée par une dérive éventuelle de la sensibilité des deux voies. De plus, les signaux de sortie de chaque voie sont transmis au moyen prévu pour la "détermination de l'orientation 35 réciproque de la zone irradiée et de la zone de réception par deux chaînes parallèles separées dont les éléments (les amplificateurs, les conformateurs, les discriminateurs d'amplitude) se caractérisent par une instabilité déterminée des caractéristiques de transfert dans le temps, ce qui provoque 40 l'apparition d'une erreur instrumentale accidentelle complé- 70 43924 5 2116305 mentaire. Au cours de l'utilisation des dispositifs susmentionnés, il devient nécessaire de remplacer ou de réparer certains éléments du récepteur de rayonnement réfléchi ou des chaînes de 5 passage des signaux, de sortie ce qui provoque la non identité des caractéristiques des voies du récepteur de rayonnement réfléchi ou des chaines de passage des signaux de sortie. Vu que,dans la plupart des cas,la vérification ou l'étalonnage des dispositifs montés sur une installation technologique en 10 service (par exemple, lors du contrôle du niveau et du profil de la surface de la charge dans un haut fourneau) se révèle impossible,une erreur de mesure systématique prend naissance. Cette erreur, qui n'est pas prise en considération, peut atteindre des valeurs extrêmement grandes. 15 De plus, l'existence d'un récepteur de rayonnement réfléchi à deux voles, dans les dispositifs mentionnés, est la cause des grandes dimensions et de la construction complexe du récepteur de rayonnement réfléchi, ainsi que de l'impossibilité d'y utiliser des détecteurs de rayonnement réfléchi à 20 grande surface efficace. La nécessité d'utiliser deux sources séparées d'alimentation hautement stabilisées pour les deux voies du récepteur est un défaut important de ces dispositifs. Le but de la présente invention est l'élimination des 25 défauts en question. L'on se propose donc de créer un dispositif pour la détermination du niveau et du profil de la surface d'une substance, en particulier de la charge dans un haut fourneau, dont la construction permettrait d'utiliser un récepteur à une seule 30 voie, tout en assurant une haute précision de mesure. Le problème est résolu par le fait que, dans le dispositif pour la détermination du niveau et du profil de la surface d'une substance, en particulier de la charge dans un haut fourneau, dans lequel le flux de rayonnement électromagnétique 35 dur d'une source collimatée, déplacée à l'aide d'une commande, est réfléchi sur la zone irradiée de la surface contrôlée et est enregistré par un récepteur collimaté ayant une zone de réception et dont le signal de sortie arrive au moyen prévu pour la détermination de l'orientation réciproque de la zone irra-40 diée et de la zone de réception contrôlant le dispositif com 70 43924 ' 2116305 mandant le déplacement du récepteur, selon l'invention, la source collimatée de rayonnement est dotée d'un moyen propre à assurer la variation périodique de la position du flux de rayonnement électromagnétique dur par rapport à l'axe de collima-5 tion, tandis que le moyen prévu pour la détermination de l'orientation réciproque de la zone irradiée et de la zone de réception comporte un détecteur de phase lié électriquement au moyen pour assurer la variation périodique de la position du flux de rayonnement et commutant le signal venant du récepteur 10 collimaté de rayonnement réfléchi, en conformité avec la phase du signal de commande venant du moyen pour la variation périodique de la position du flux de rayonnement, ainsi qu'au moins deux dispositifs d'emmagasinage liés électriquement au détecteur de phase et recevant chacun un signal provenant du 15 détecteur de phase en conformité avec la phase du signal de contrôle et d'après le signal différentiel desquels le récepteur est orienté. Pour augmenter la rapidité de fonctionnement et la fiabilité du dispositif, il convient de réaliser le moyen pour 20 la variation périodique de la position du flux de rayonnement électromagnétique dur sous forme d'un obturateur rotatif comportant un nombre impair d'échancrures, et la source collimatée de rayonnement doit comporter au moins une paire de radiateurs disposés de façon que, lors de la rotation de l'obtu-25 rateur, à chaque instant l'un des radiateurs soit fermé et l'autre se trouve devant l'une des échancrures. Grâce à une telle construction, le dispositif proposé assure une haute précision de mesure du niveau et du profil une de la substance, et une grande fiabilité pour/faible valeur 30 de l'activité des radiateurs. Il est en outre simple et économique . En ce qui suit l'invention est expliquée par la description d'un exemple concret de sa réalisation et les dessins annexés sur lesquels : 35 la fig. l représente le schéma de principe du dispo sitif breveté; la fig. 2 la vue d'ensemble du moyen pour lavariation périodique de la position du flux de rayonnement électromagnétique dur du même dispositif. (Vue d'ensemble avec arra-40 chement partiel); 70 43924 t 2116305 la fig. 3 a, t>, o, l'orientation réciproque de la zone irradiée et de la zone de réception de la surface contrôlée déterminée à l'aide du dispositif proposé. Le dispositif pour la détermination du niveau et du 5 profil de la surface d'une substance, selon l'invention, sera décrit relativement à la détermination du niveau et du profil de la charge dans un haut fourneau. Le dispositif breveté comporte une source de rayonnement collimatée 1 (fig. l) comportant une servo-commande 2 pour 10 son déplacement avec un bloc de programmation 3 et créant une zone irradiée 4 de la surface contrôlée de la charge dans le haut fourneau (non représenté sur le dessin). Comme rayonnement, on a utilisé le rayonnement électromagnétique dur, en l'occurrence le rayonnement gamma d'un isotope radio-actif. 15 Le dispositif comporte également un récepteur colli maté de rayonnement réfléchi 5 ayant une zone de réception 6 et doté d'une servo-commande 7 pour son déplacement avec le bloc de commande 8, ainsi que le moyen 9 pour la détermination de l'orientation réciproque de la zone irradiée 4 et de la zone 20 de réception 6. Dans le corps de la source de rayonnement 1 se trouve une paire de radiateurs 10 et 11 réalisés sous forme d'ampoules avec isotopes radioactifs mentionnés plus haut, un collimateur 12 ayant un axe de collimation 13 et comportant deux 25 canaux 14 et 15 formant des demi-zones 16 et 17 de la zone irradiée 4, ainsi qu'un moyen pour la variation périodique de la position du flux électromagnétique dur lb par rapport à l'axe de collimation 13. Le moyen mentionné est réalisé sous forme d'un obtura-30 teur rotatif 19 (fig.2) ayant un nombre impair d'échancrures 20 et disposé entre le collimateur 12 et les radiateurs 10 et il situés de façon diamétralement opposée par rapport à l'axe de rotation 21 de l'obturateur 19. Ce dernier est actionné à l'aide d'un moteur 22 (fig.l) à réducteur 23 et est méca-35 niquement réuni au générateur synchrone 24 fournissant une tension alternative. La servo-commande 2 pour le déplacement de la source de rayonnement 1 comporte un moteur 25 et un réducteur 2b. Dans le corps du récepteur de rayonnement réfléchi 5 40 se trouvent un collimateur à canaux multiples 27 ayant un 70 43924 5 2116305 axe de collimation 28, un compteur à scintillation 29 du flux de rayonnement réfléchi 30 comportant un détecteur 31* une cellule photo-électrique multiplicatrice 2 et un préamplificateur d'impulsions 33. 5 La servo-commande 7 pour le déplacement du récepteur de rayonnement réfléchi 5 se compose d'un moteur 34 et d'un réducteur 35• Au préamplificateur d'impulsions 33» par l'étage amplificateur 36* l'étage discriminateur 3Y et l'étage formateur 10 38» est réuni électriquement le moyen 9 pour la détermination de l'orientation réciproque de la zone irradiée 4 et de la zone de réception 6, comportant un détecteur de phase 39 lié électriquement au générateur de tension alternative 24 et utilisant les résistances 40-43 et les transistors 44 et 45, 15 ainsi que deux dispositifs d'emmagasinage 46 et 47 réunis électriquement au détecteur de phase 39 et qui forment des circuits intégrateurs utilisant respectivement les condensateurs 48 et 49 et les résistances 50 et 51. Entre les sorties du détecteur de phases 39 et les entrées du dispositif d'em-20 magasinage 46 et 47 sont branchées respectivement les diodes à semi-conducteur 52 et 53. Aux sorties des dispositifs d'emmagasinage 46 et 47 est connecté l'étage de comparaison 54 réalisé sous forme d'un amplificateur différentiel. Aux sorties du moyen 9 pour la détermination de l'o-25 rientation réciproque de la. zone irradiée 4 et de la zone réceptrice 6 est connecté le bloc de contrôle 8 de la servocommande 7, comportant un amplificateur magnétique 55, les diodes à semi-conducteur 56 et 57 et un transformateur 58. L'amplificateur magnétique 55 comporte deux enroulements de 30 contrôle 59 et 60 et deux enroulements principaux 61 et 62. Le principe de fonctionnement du dispositif proposé est le suivant: Le flux 18 de rayonnement électromagnétique dur (fig. 1) dirigé sur la surface contrôlée de la charge dans le haut 35 fourneau par les radiateurs 10 et il, passe par les échancrures 20 de l'obturateur 19» est collimaté par le collimateur 12 et irradie sur la surface contrôlée de la charge les demi-zones 16 et 17 de la zone irradiée 4. L'obturateur 19 est actionné par le moteur 22 par l'intermédiaire du réduc-40 teur 23. L'obturateur 19 arrête périodiquement le flux de 70 43924 6 2116305 rayonnement électromagnétique dur l8, ce qui fait que les demi-zones l6 et 17 sont irradiées à tour de rôle avec une certaine fréquence. Le moteur 22 actionne, en plus de l'obturateur 19* 5 par l'intermédiaire du réducteur 23, le génératuer synchrone 29 fournissant une tensio n alternative. Pour cette raison le signal de courant alternatif fourni par ce générateur est en synchronisme et en phase avec le phénomène d'irradiation des demi-zones 16 et 17, c'est-à-dire que les demi-périodes de même 10 polarité coïncident dans le temps avec l'irradiation d'une demi-zone et les demi-périodes de polarité opposée avec l'irradiation de l'autre demi-zone. Le récepteur 5, par le collimateur à canaux multiples 27, enregistre le rayonnement réfléchi provenant seulement de 15 la zone de réception 6. Le détecteur 31* la cellule photoélectrique multipli-catrice 32 et le préamplificateur d'impulsions 33 transforment le flux de rayonnement réfléchi 30 ayant traversé le collimateur 27 en signal impulsionnel électrique transmis au moyen 20 9 pour la détermination de l'orientation réciproque de la zone irradiée 4 et de la zone de réception 6. Le signal, par l'intermédiaire de l'étage amplificateur 36, arrive d'abord dans l'étage discriminateur 37 où de ce signal sont éliminées les impulsions provoquées par le bruit 25 de la cellule photoélectrique multiplicatrice 32 et une partie d'impulsions dues au fond de radiation. Les impulsions ayant traversé l'étage discriminateur 37 sont formées par l'étage conformateur 38 et arrivent à l'entrée du détecteur de phase 39- Les résistances 40 et 43 transforment, le signal de 30 contrôle du générateur synchrone 24 de tension alternative, en deux signaux dont la différence de phase est de 18O0. Ces signaux, en agissant sur les bases des transistors 44 et 45* les bloquent à tour de rèle et débloquent ainsi à tour de rôle les sorties du détecteur de phase 39 depuis lesquelles les im-35 pulsions formées du signal arrivent par les diodes à semiconducteur 52 et 53 aux entrées des dispositifs d'emmagasinage 46 et 47. vu que le signal de contrôle du générateur de tension alternative 24 est en synchronisme et en phase avec le .phéno-40 mène d'irradiation des demi-zones 16 et 17* dans le dispositif 70 43924 V 2116305 d'emmagasinage 46 arrivent des impulsions provoquées par les quanta dispersés lors de l'irradiation de la demi-zone 16, tandis que dans le dispositif d'emmagasinage 4y arrivent des impulsions provoquées par les quanta dispersés lors de 11ir-5 radiation de la demi-zone 17. L'intensité du signal qui arrive dans chaque dispositif d'emmagasinage 46 et 47 dépend alors de la partie de l'aire de la demi-zone correspondante 16 et 17 se trouvant à l'intérieur de la zone de réception 6. Dans chaque dispositif d'emmagasinage 46 et 47 le 10 signal impulsionnel est transformé en un signal de courant continu dont la composante continue est proportionnelle à l'intensité du signal impulsionnel. Les signaux de sortie des dispositifs d'emmagasinage 46 et 4',' arrivent dans l'étage de comparaison 54 qui retran-15 che ces signaux et délivre aux sorties un signal différentiel amplifié. Le signal de sortie de l'étage de comparaison 54, en fonction de sa polarité, arrivé soit par l'intermédiaire de la diode à semi-conducteurs 56 dans l'enroulement de contrôle de 20 l'amplificateur magnétique 55* soit par la diode à demi-conducteur 57 dans l'enroulement de contrôle 60 du même amplificateur magnétique. La résistance des enroulements principaux 6l et 62 de l'amplificateur magnétique 55 varient alors respectivement, de sorte que,par l'enroulement de contro-25 le du moteur 34 passe un courant provenant tantôt de la moitié gauche, tantôt de la moitié droite de l'enroulement secondaire du transformateur 5b. Examinons le fonctionnement du dispositif proposé lors de la mesure du profil de la surface de la charge dans un 30 haut fourneau. Admettons qu'en certain instant, sur l'ordre du bloc à programmation 3, le moteur 25 déplace la source de rayonnement l en faisant varier suivant un programme fixé d'avance la position de l'axe de collimation 13 dans l'espace. La 35 zone irradiée 4 commence alors à se déplacer sur la surface contrôlée (dans le cas considéré de gauche à droite). Admettons que le centre 63 (fig. 3a) de la zone irradiée 4 à un certain instant coïncide avec le centre 64 de la zone de réception 6. A l'intérieur de la zone de réception 6 40 se trouvent les parties des demi-zones ib et 17 de la zone 70 43924 ts 2116305 irradiée 4 ayant les mêmes aires, ce qui fait que dans les dispositifs d'emmagasinage 46 et ^7 arrivent des signaux impulsionnels de même intensité. Le signal de sortie de l'étage de comparaison 54 est nul, le courant dans les enroulements 5 de contrôle 59 et 60 est nul, la résistance des deux enroulements principaux 61 et 62 est grande, la tension n'est pas appliquée à l'enroulement de contrôle du moteur 34, le moteur ne tourne pas et le récepteur de rayonnement réfléchi 5, et par conséquent, la zone de réception 6, ne se déplace cas sur 10 la surface contrôlée. Admettons que le centre 63 (fig. 3b) de la zone irrs diée 4 se trouve à droite du centre 64 de la zone de récentïor 6. Dans ce cas une partie de la demi-zone 16 qui se trouve ?t l'intérieur de la zone réceptrice 6 est plus grande que la 15 partie de la demi-zone. 17 qui se trouve dans la zone de réce: tion 6. Pour cette raison l'intensité du signal impulsi-onnei arrivé dans le dispositif d'emmagasinage 46 est plus grande que l'intensité du signal impulsionnel arrivant dans le disrv-sitif d'emmagasinage 47. A la sortie de l'étage de compara: 20 son 5^ apparaît un signal à polarité telle qu'il crée un • rant seulement dans l'enroulement de contrôle 60 de l'ampl. cateur magnétique 55- La résistance de l'enroulement principal 6l de l'amplificateur magnétique 55 diminue, à l'enroulement de contrôle du moteur 34 arrive une tension provenant d'-25 la moitié droite de l'enroulement secondaire du transformat.tv.-58 et le moteur 34 déplace le récepteur 5 de rayonnement réfléchi jusqu'à la coincidence du centre 64 de la zone dt; • ception 6 avec le centre 63 de la zone irradiée 4. Admettons maintenant que le centre 64 (fig. 3c's n 30 zone de réception 6 se trouve à droite du centre 6^ de l'irradiée 4. Dans ce cas une partie de la demi-zone 1 trouve dans la zone de réception 6 est inférieure à la oar' de la demi-zone il se trouvant dans la zone de récention Pour cette raison l'intensité du signal impulsionnel qui a: ■ 35 rive dans le dispositif d'emmagasinage 46 est inférieur h : tensité du signal impulsionnel arrivant dans le disposât; d'emmagasinage 47. Le signal à la sortie de l'étage de c raison 54 engendre un courant dans l'enroulement de eontr" de l'amplificateur magnétique 55, la résistance de son enr 40 lement principal 62 diminue et à l'enroulement de contrcie ,î-: BAD ORIGINAL 70 43924 9 2116305 moteur 34 arrive une tension provenant de la moitié gauche de l'enroulement secondaire du transformateur 58. Le moteur 34 déplace le récepteur 5 de rayonnement réfléchi jusqu'à la coïncidence du centre 64 de la zone de réception 6 avec le centre 5 63 de la zone irradiée 4. De cette façon le dispositif décrit assure le déplace ment continu de la zone irradiée 4 et de la zone de réception 6 à l'état réciproquement orienté suivant toute la surface contrôlée de la charge, en assurant une mesure continue des 10 coordonnées angulaires d'orientation de l'axe de collimation 13 de la source de rayonnement 1 et de l'axe 28 de collimation du récepteur 5 de rayonnement réfléchi, c'est-à-dire en recevant des données pour le calcul des ordonnées du relief de la surfa ce contrôlée de la charge. 15 Le dispositif proposé assure une haute précision de mesure des coordonnées de relief de la surface contrôle de la substance grâce à la diminution de l'erreur accidentelle de l'appareillage, car dans ce dispositif on utilise seulement un compteur à scintillation de rayonnement réfléchi, ce qui ex 20 clut l'influence d'une variation accidentelle dans le temps de sa caractéristique et élimine la nécessité d'assurer un contrôle constant et de régler la sensibilité. L'avantage mentionné du dispositif breveté assure la mesure de relief avec une faible erreur d'appareillage, de l'ordre de 1 à De 25 plus, le dispositif pendant toute la durée de service ne doit pas être vérifié. Cela est particulièrement important lors de la mesure du relief d'une substance dans des volumes fermés, par exemple, de la charge dans un haut fourneau où la vérification d'un tel dispositif est en principe impossible; d'après 30 les données obtenues du dispositif mentionné on peut prendre des décisions importantes en vue d'intervention rapide dans le processus technologique. 70 43924 10 2116305 REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la détermination du niveau et du profil de la surface d'une substance, en particulier de la charge dans un haut fourneau, dans lequel le flux de rayonnement électromagnétique dur fourni par une source collimatée de rayon- 5 nement déplacée à l'aide d'une commande est réfléchi sur la zone irradiée de la surface contrôlée et est enregistré par un récepteur collimaté de rayonnement réfléchi comportant une zone de réception et dont le signal de sortie arrive dans un moyen prévu pour la détermination de l'orientation réciproque de la 10 zone irradiée et de la zone de réception, contrôlant le dispositif commandant le.déplacement du récepteur, caractérisé parce que la source collimatée (l) de rayonnement est dotée d'un moyen propre à assurer la variation périodique de la position du flux de rayonnement électromagnétique dur (18) par 15 rapport à l'axe de collimation (13) et que le moyen (9) pour la détermination de l'orientation réciproque de la zone irradiée (4) et de la zone de réception (6) comporte un détecteur de phase (39) lié électriquement au moyen pour la variation périodique de la position du flux de rayonnement l8, commu-20 tant le signal provenant de la source collimatée (5) de rayonnement réfléchi en conformité avec la phase du signal de contrôle provenant du moyen pour la variation périodique du flux de rayonnement 18, ainsi qu'au moins deux dispositifs d'emmagasinage (46 et 47) liés électriquement au dé-25 tecteur de phase (39)* recevant chacun un signal provenant du détecteur de phase (39) en conformité avec la phase du signal de contrôle et d'après le signal différentiel desquels on oriente le récepteur (5). 2. Dispositif selon la revendication l, carac- 30 térisé parce que le moyen pour la variation périodique de la position du rayonnement électromagnétique dur l8 est réalisé sous forme d'un obturateur fcotatif (19) ayant un nombre impair d'échancrures (20) et que la source collimatée (l) de rayonnément comporte/moins une paire de radiateurs (10 et 35 11) situés de façon que lors de la rotation de l'obturateur (19) à chaque instant un radiateur (10) est bloqué et l'autre (il) ou 10 se trouve devant l'une des échancrures (20).