Brevet FR2246850A1 — publié le 19750502

La présente invention se rapporte à la mesure du niveau de liquides paramagnétiques, en particulier de métaux alcalins liquides utilisés dans les cuves de- réacteurs nucléaires, à l'aide d'une sonde formée de deux enroulements, l'enroulement primaire etant alimenté par une source de tension alternative et l'enroulement secondaire relié à un voltmètre. La sonde est plongée verticalement dans un récipient contenant le liquide dont on veut mesurer le niveau. Pour la mesure de niveau de liquide, on connais plusieurs procédés qui sont fondés sur divers principes physiques. Le procédé habituel à flotteurs ne convient pas dans le cas particulier de mesure de niveau de métaux fondus en raison du danger de dépôt sur le flotteur d'oxyde métallique, ce qui fausse la mesure. En outre, du fait de la présence d'une transmission mécanique du déplacement du flotteur sortant du récipient de mesure, on doit renoncer à une fermeture hermetique du récipient grâce à laquelle on peut éviter des phénomènes d'oxydation du métal et de contamination de l'atmosphère. L'utilisation d'une source de rayons y deplacée à l'intérieur du récipient, rayons y à l'aide desquels on mesure le taux d'absorption du contenu du récipient et par conséquent le niveau du liquide à l'intérieur, nécessite un appareillage motteux nécessaire à la mesure du rayonnement. On doit en outre utiliser dans ce cas des mesures de protection contre les rayons qui empêchent l'utilisation universelle de ce procédé. On a proposé aussi l'utilisation d'ultrasons. Cependant, dans ce cas également, un appareillage compliqué est nécessaire à l'évaluation des niveaux à mesurer. Le principe d'une sonde de niveau à inductances mutuelles est connu et a déjà été proposé pour la mesure des niveaux, et cependant il n'a pas été envisagé d'utiliser une sonde unique comportant deux enroulements autour d'un même support. D'autre part, les instruments de mesure de niveau antérieurs par inductance n indiquaient le niveau que pour une température donnée; ceci est un inconvénient majeur lorsque la température n'est pas connue avec précision et n'est pas uniforme le long de la sonde. Pour toutes ces raisons, il est avantageux de pouvoir utiliser un appareil de détection de niveau, robuste et d'utilisation aisée, pouvant par exemple être inséré dans un logement prévu dans la cuve d'un réacteur nucléaire, réacteur dans lequel on veut mesurer le niveau de sodium liquide par exemple; d'autre part, on veut que les bobinages constituant la sonde soient d'un accès facile pour réparation et vérification. La présente invention a pour objet un tel dispositif, c 'est-à-dire une sonde de mesure de niveau, d'un emploi facile, d'une excellente fidélité, et dont l'indication de niveau est indépendante de la températuredu liquide dans laquelle elle est plongée. La présente invention a pour objet une sonde de niveau formée de deux inductances couplées, dans laquelle la tension développée au secondaire du transformateur formé par les deux enroulements constituant les deux inductances, tension dépendant du niveau du liquide (notamment du sodium liquide) à l'extérieur du cylindre formé par les deux inductances, est indépendante des températures de la sonde et du liquide. Plus précisément, l'invention a pour objet une sonde de mesure de niveau à inductance mutuelle à réponse linéaire et indépendante de la température, caractérisée en ce qu'elle comprend - un support rigide S1, - deux câbles isolés et imbriqués, enroulés autour dudit support rigide S1, - des moyens pour alimenter un des câbles C1 en courant alternatif d'amplitude et de fréquence constante, - un doigt de gant entourant les câbles enroulés sur leur support rigide S1, - des moyens pour mesurer la tension entre les deux extrémités du second câble C2, - une résistance R placée entre les deux extrémités du câble C2. La sonde se compose de deux enroulements imbriqués. L'un des enroulements, le primaire, est alimenté par un courant dont la fréquence et l'amplitude sont maintenues constantes; le courant dans le primaire crée un champ alternatif d'amplitude maximum constante; l'autre enroulement, le secondaire, délivre une tension qui est fonction du couplage 'entre les deux bobinages Cette tension est mesurée à l'aide d'un voltmètre. Dans le cas où la sonde est utilisée pour la mesure d'un niveau de sodium, il est avantageux de la placer dans un doigt de gant qui, d'une part, influe sur le couplage primaire secondaire mais qui, d'autre part, la protège du sodium; c'est ce doigt de gant qui entre en contact avec le sodium; la sonde est par conséquent constamment accessible. Outre le doigt de gant, le niveau de sodium et la température influent sur le couplage entre le primaire et le secondaire. On peut démontrer que la tension délivrée par le secondaire est une fonction linéaire du niveau du-sodium entourant le doigt de gant pour une température déterminée. Lorsque le niveau du sodium s 'élève autour du doigt de gant, le flux de fuite entre primaire et secondaire augmente ce qui fait que la tension induite aux bornes du secondaire diminue; Cette propriété est valable pour tout liquide paramagnétique situé à l'extérieur du doigt de gant constituant la sonde. Cette disposition des deux enroulements à l'interieur du doigt de gant a l'avantage que les fils électriques peuvent être aisément retirés sans démontage du doigt de gant, c'est-adire avec le minimum de difficulté technique; d'autre part, les enroulements ne sont jamais en contact avec le sodium liquide. Pour augmenter la robustesse de la sonde, les enroulements primaires et secondaires sont bobinés sur un support en acier inoxydable par exemple. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, la sonde de mesure de niveau est caractérisée en ce que le support rigide S1 a la forme d'un profilé en croix. Pour éliminer au maximum l'action des courants de Foucault qui se développent dans le support, on a donné à celui-ci selon l'invention, la forme d'un profilé en croix De façon générale, il faut que la surface du support soit la plus petite possible par rapport à la surface d'enroulement cylindrique. Le profilé en croix a le double avantage, d'avoir une faible surface, et de donner une grande robustesse au dispositif D'autres formes peuvent également être utilisées telles que par exemple un support cylindrique comportant des fentes longitudinales. Selon un mode de réalisation de l'invention, la sonde de mesure est constituée de câbles thermocoaxes faits d'une âme en cuivre zirconié plaqué d'acier inoxydable; les points de Curie des métaux et alliages constituant la sonde se situent à une température inférieure à 1000C. De cette façon, le détecteur de niveau fonctionne dans le sodium liquide à une température supérieure au point de Curie des éléments qui le constituent; les matériaux constituant les enroulements sont paramagnétiques alors qu'ils étaient ferromagnétiques en dessous de point de Curie. Ceci offre l'avantage que la variation de la perméabilité magnétique en fonction de la température est plus faible au-dessus du point ae Curie qu'en-dessous. Dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention, le doigt de gant entourant les câbles enroulés sur les deux bobines est en acier inoxydable. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention la sonde de mesure de niveau est caractérisée en ce que l'enroulement du câble C2 autour du support rigide S1 comporte au moins deux fois plus de tours que l'enroulement du câble C1. On augmente la sensibilité de la sonde en augmentant le nombre de spires du bobinage secondaire par rapport au nombre de spires de l'enroulement primaire. Pour avoir une bonne sensibilité, il est nécessaire, pour un même diamètre de câble formant le primaire et le secondaire, que le secondaire comporte deux à trois fois plus de tours que l'enroulement du câble primaire. Selon l'invention, on choisit la résistance R, de façon à ce que, pour un même niveau de liquide à l'extérieur de la sonde on annule les variations en fonction de la température de la tension aux bornes du secondaire. La température influe sur le couplage primaire-secondaire en ce sens que la résistivité des matériaux en présence (y compris celle du sodium a l'extérieur du doigt de gant) augmente avec la température. Ceci a pour effet de diminuer l'intensité des courants de Foucault qui s'opposent au champcréé par le bobinage primaire (ces courants se développent en effet dans l'acier du doigt de gant et dans le sodium). En conséquence, l'augmentation de la température se traduit par une augmentation de la tension délivrée par le secondaire (lorsque cette augmentation de température s'effectue à niveau constant) puisque le flux de fuite diminue quand la température augmente. Pour utiliser la compensation en température, il est intéressant d'obtenir avant cette correction de température un -réseau de droites parallèles représentant la différence de potentiel aux bornes de lrenroulement C2 en fonction du niveau du liquide à 1 'extérieur du doigt de gant. Ce parallélisme de toutes les droites obtenues à différentes températures ne peut être obtenu que pour certaines valeurs de la fréquence et de l'intensité du courant primaire r et pour des matériaux consti tuant la sonde de formes et de structures appropriées. C'est la raison- pour laquelle on a choisi, selon l'invention, la forme du support en croix et utilisé des câbles dont le point de Curie se situe à une température inférieure à 100 C. Pour un niveau donné, le secondaire constitué par l'enroulement du câble C2 se comporte comme un générateur dont la force électromotrice augmente avec la température; On note également que sa résistance interne (autrement dit la résistance de la bobine constituée par le câble C2) augmente aussi avec la température; c'est ce phénomène que l'on utilise pour réaliser la compensation de température; en branchant une résistance R, on établit un débit de courant tel que l'augmentation de tension induite dans le secondaire est compensée par la chute de tension dans la résistance interne de la sonde. Une application particulièrement importante de l'invention est son utilisation pour mesurer le niveau de sodium liquide remplissant partiellement la cuve d'un réacteur nucléaire. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaftront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées sur lesquelles on a représenté: - sur la figure 1, le schéma de la sonde - sur la figure 2, les courbes donnant la différence de potentiel aux bornes du secondaire de la bobine en fonction du niveau de sodium liquide pour différentes températures, - sur la figure 3, le schéma électrique constitué par le secondaire de la bobine et ses diverses résistances, - sur la figure 4, la courbe de la différence de potentiel aux bornes du secondaire en fonction du niveau de sodium ; cette courbe est obtenue après introduction de la résistance R. Comme on l'a dé7à indiqué, l'invention a pour objet une sonde de mesure du niveau d'un corps paramagnétique (du sodium liquide par exemple), , robuste et d'encombrement minimum, dont les indications, servant de mesure du niveau du liquide à l'extérieur d'un doigt de gant entourant la sonde, sont indépendantes de la température de l'environnement. Sur la figure 1, on a représenté la sonde de mesure; le support S1 autour duquel s'enroulent les câbles C1 et C2, a la forme d'un profilé en croix. La bobine de la sonde est constituée par deux enroulements, enroulement primaire C1 et enroulement secondaire C2; dans cet exemple de réalisation l'enroulement secondaire constitué par les câbles C2 comporte trois fois plus de tours que l'enroulement primaire. -Le support Sî entouré des câbles est inséré à l'intérieur d'un doigt de gant 4 imperméable au sodium 6 entourant le doigt de gant 4. Sur la figure 2, on a représenté les courbes indiquant en ordonnées la différence de potentiel Us sur le secondaire de la bobine constitué par le câble C2 en fonction du niveau N du sodium liquide à l'extérieur du doigt de gant. La courbe 8 est tracée pour une température du sodium liquide de 5500C, la courbe 10 pour une température de 400"C, la courbe 12 pour une température de 3000C et la courbe 14 pour une température de 1500C. On remarque que ces courbes sont parallèles pour des niveaux de sodium variant dans l'exemple choisi entre 0 et 1500 mm. La fréquence d'alimentation de l'enroulement C1 est dans cet exemple 3500 Hz et le courant primaire 100 mA. Sur la figure 3, on a représenté un schéma électrique simplifié constitué par le secondaire du trarrsformateur, comportant une source de potentiel délivrant de par l'inductance mutuelle du primaire et du secondaire une tension e, la résistance du secondaire constituée par le câble C2 étant désignée par Ri, et la résistance R étant branchée entre les deux bornes du secondaire constitué par le câble C2 de la bobine. Dans le circuit circule le courant i2, et la tension U est mesurée s aux bornes du secondaire. Le calcul qui suit fixe la valeur de la résistance R en fonction des caractéristiques du circuit du secondaire. Si on écrit l'équation du circuit de la figure 4 pour un niveau fixé de sodium on a Us = Ri2 R e R + Ri lorsque la température varie, la tension aux bornes de la résistance R du secondaire varie de la valeur dU s dUs = de - e R 2 dRi R + Ri (R + Ri) on annule cette variation de tension, c'est-à-dire que l'on fait dUs = O.Pour cela, il suffit que l'on ait : (R + Ri) de - edRi = O on choisit ainsi la valeur de R R = e dRi - Ri de i il est alors possible après une mesure préalable des variations concomittantes dR. et de pour une même valeur de la variation I - de la température de fixer la valeur R suivant la formule précédente La valeur de la tension U est alors indépendante s de la température dans le domaine d'utilisation. Ce procédé a été utilisé avec succès sur une sonde qui possède une droite d'étalonnage unique Us en fonction du niveau, pour des températures comprises entre 1500 et 5500C comme cela est indiqué sur la courbe 16 de la figure 4. Cette droite représente les variations de la tension Us aux bornes de la résitance R en fonction du niveau du sodium pour des températures comprises entre 150 et 5500C. La tension U est indiquée en mVolts, le niveau N en s millimètres En conclusion, on dispose ainsi selon l'invention d'une sonde de mesure de niveau, très simple et très robuste, dont la compensation de température est particulièrement aisée. Ces qualités conduisent à un appareil peu couteux et fiable. REVENDICATIONS i . Sonde de mesure de niveau à réponse linéaire et indépendante de la température,comprenant - un support rigide Si, - deux câbles isolés et imbriqués, enroulés autour dudit support rigide S1, - des moyens pour alimenter un des câbles C1 en courant alternatif d'amplitude et de fréquence constante, - des moyens pour mesurer la tension entre les deux extrémités du second cible C2, caractérisée en ce que l'on choisit pour constituer 1'même des câbles un métal ou alliage dont le point de Curie soit situé en-dessous de l'intervalle de température envisagé pour la mesure et en ce qu'une résistance H est placée entre les extrémités du cable C2, la valeur de cette résistance étant détermlnée de façon à ce que, pour un même niveau de liquide à l'extérieur de la sonde, on annule les variations en fonction de la température de la tension mesurée entre les extrémités du cable C2. 2. Sonde de mesure de niveau selon la revendication 1, caractérisée en ce que les points de Curie des métaux et alliages constituant la sonde se situent à des températures infXrieures~ à 100 C. 3. Sonde de mesure de niveau selon la revendication 2, caractérisée en ce que les cables constituant les enroulements sont réalisés en-cables thermocoaxes faits d'une ame en cuivre zirconié plaqué d'acier inoxydable. 4. Sonde de mesure de niveau selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la surface du support rigide S1 est la plus petite possible par rapport à la surfaced'enroulement cylindrique des cables. 5. Sonde de mesure de niveau selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le support rigide S1 a la forme d'un profilé en croix. 6. Sonde de mesure de niveau selon l'une quelconque des revendications i à 5, caractérisée en ce qu'un doigt de gant entoure les cables enroulés sur leur support rigide S1 7. Sonde de mesure de niveau selon l'ne quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l'enroulement du câble C2 autour du support rigide S1 comporte au moins deux fois plus de tours que ltenroulement du cible C1. 8. Application de la Eonde de mesure de niveau selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle est utilisée pour mesurer le niveau de sodium liquide dans la cuve d'un réacteur nucléaire.