Brevet FR2214113A1 — publié le 19740809

La présente invention concerne un appareil de mesure d'un niveau, qui s'applique notamment à la mesure précise du niveau de liquide dans un tube manométriaue. Le problème de la mesure précise des pressions ou plutat des différences de pression se pose lors de l'étude et des essais des installations de ventilation des galeries de grande longueur, et en particulier des tunnels. Pour dimensionner convenablement les appareils de ventilation, pour déterminer les coefficients dé perte de charge, il faut pouvoir mesurer les faibles différences de pression existant entre deux points éloignés d'une grande distance. Actuellement on emploie des diagrammes pour le calcul ou/et des tubes manométriques de très grande longueur pour les essais. Mais ces deux méthodes se révèlent peu précises, en raison des différences de températures et d'altitude pouvant exister entre les deux points considérés, des irrégularités des parois du tunnel, ou des défauts du dispositif de liaison des prises de pression des manomètres. La présente invention vise à remédier à ces inconvénienS, en fournissant un appareil du type de ceux qui, associés à un second appareil identique, permettent de mesurer de façon autonome la pression en l'un des deux points considérés, tandis que le second appareil mesure lui aussi de façon autonome la pression au second point, les deux mesures s'effectuant simultanément. La pression étant liée au niveau de liquide dans un tube manomètrique, cet appareil est en réalité un appareil de mesure d'un niveau. Selon l'invention, cet appareil de mesure d'un niveau comporte un chariot déplaçable verticalementtåce aux corps dont on désire mesurer le niveau et également face à une règle optique, et portant au moins une cellule photo-électrique pour la détection du niveau et une tête de lecture de la règle optique, des moyens étant prévus pour entrainer et guider ledit chariot suivant un mouvement d'aller-retour, tandis que d'autres moyens sont prévus pour la détermination et l'affichage de la graduation repérée sur la règle optique par la tête de lecture, à l'instant où la cellule photo-électrique détecte le niveau à mesurer. Dans une forme préférée d'exécution, les moyens prévus pour entraîner et guider le chariot comprennent un moteur électrique fixe, une transmission-de mouvement par un réducteur et un organe tel que chaîne, courroie ou ruban, au moins un rail de guidage du chariot et deux contacts de fin de course. Les moyens prévus pour la détermination de la graduation repérée par la tête de lecture comprennent un compteur de graduations associé à la tête de lecture et un dispositif apte à interrompre le cpmptage des graduations à l'instant où la cellule photoélectrique détecte le niveau à mesurer. L'étendue de mesure de la règle optique est par exemple de 520 mm, tandis que, compte tenu des sécurités mécaniques indispensables, l'étendue de mesure utile est d'environ 480 mm. La précision de détection est de quelques centièmes de mm. Avantageusement, l'appareil comporte un dispositif de commande automatique constitué par une horloge électronique reliée à un codeur de commandai des cycles de mesure assurant la mise en route du moteur à intervalles réguliers et l'affichage du résultat de chaque mesure, l'inversion du sens de rotation du moteur et son arrêt en fin de cycle étant commandés par les contacts de fin de course. Un cycle dure environ 30 secondes, le chariot ayant une vitesse ascensionnelle de 2 à 3 cm/s, tandis que la descente se fait plus rapidement. La fréquence des cycles de mesure est réglable, dans de larges proportions, selon la nature des essais effectués. Les niveaux mesurés sont affichés en chiffres lumineux, et peuvent également être imprimés Il en est de même pour l' indication de l'horloge électronique : l'instant de chaque mesure s'inscrit en chiffres lumineux, et peut être imprimé en même temps que le niveau correspondant, après mise en mémoire. Suivant l'application envisagée, l'appareil comporte encore d'autres accessoires. Le chariot peut ainsi porter une seconde cellule photoélectrique pour la détection d'un second niveau tel que de référence ou de controAle, uninverseur étant prévu pour la mise en service de l'une ou l'autre des deux cellules. Pour la mesure des pressions, l'appareil est associé à une enceinte fermée, à température constante, équipée d'un régulateur électronique de température et isolée dans une enveloppes le niveau détecté étant celui du liquide dans un tube manométrique dont une branche communique avec l'enceinte régulée précitée, et dont l'autre branche communique avec l'atmosphère extérieure. La pression à l'intérieur de l'enceinte. constitue une pression de référence Le nivellement de l'appareil peut être effectuée au moyen d'un second tube à deux branches, rempli d'un liquide et communiquant avec l'atmosphère extérieure. La seconde cellule photo-electrique-détecte le niveau de liquide dans une branche de ce tube. Quand on effectue les mesures simultanément en deux points, au moyen de deux appareils identiques, la différence de pression aéraulique cnerchée se déduit des indications des deux appareils, de la connaissance des aititudes des points de mesure, ainsi que de la valeur de la masse volumique de l'air. De toute façon, l'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de cet appareil de mesure d'un-niveau, et illustrant une application-de cet appareil. Figure 1 est un schéma de principe de l'appareil Figure 2 en est une vue de face, partiellement en coupe Figure 3 est une vue en coupe suivant 3-3 de figure 2 Figure 4 est une vue en coupe suivant 4-4 de figure 3 Figures 5 et 6 sont deux schémas de principe de la régulation de température de l'appareil Figure 7 illustre, de façon très simplifiée, le-principe de la mesure de différences de pression entre deux points d'un tunnel, au moyen de deux appareils identiques. l'appareil représenté aux figures 1 à 4 mesure la différence de pression tS qui existe entre une enceinte fermée 2 où règne la pression de référence PO, et l'atmosphère extérieure ou règne la pression P. La mesure s'effectue par l'intermédiaire d'un tube manométrique 3 dont une branche 3a communique avec 1' enceinte 2, et dont l'autre branche 3t communique avec l'atmosphè re extérieure. l'appareil comporte un dispositif qui détecte le niveau de liquide dans la branche 3b du tube manométrique 2, niveau qui correspond à la différence de pression AP = PO Ce dispositif de détection comporte un chariot 4 qui peut être déplacé verticalement, face à la branche 3b du tube manométrique 3 et face à une règle optique 5 aux graduations très précises et très rapprochées.Le chariot 4 porte une cellule photo-électrique 6 pour la détection du niveau de liquide, et une tête de lecture 7 de la règle optique 5. Des moyens sont prévus pour entraîner et guider le chariot 4, suivant un cycle déterminé ; d'autres moyens sont prévus pour la détermination et l'affichage de la graduation repérée sur la règle optique 5 par la tëte de lecture 7, à l'instant où la cellule photo-électrique o détecte le niveau à mesurer. Les organes de commande, les aispositifs de réglage et d'affichage des mesures sont rassemblés dans une console 8. Tous les éléments de l'appareil sont logés dans une armoire 9. Les moyens prévus pour entraîner le chariot 4 comprennent un moteur électrique 10 fixe, placé au-dessus du- niveau le plus haut atteint par le chariot. Le mouvement est transmis du moteur 10 au chariot 4 par un réducteur, et un organe 11 tel que chaine, courroie ou rubans Le chariot se déplace le long d'un rail de guidage 12, solidaire d'un banc vertical 13 qui supporte la règle optique 5. En outre, il est prévu un contact de fin de course haut 14 et un contact de fin de course bas 15. Sur la console 8 sont placés deux compteurs à chiffres lumineux 16 et 17. L'un d'eux 16 indique le niveau en millimètres et en centièmes de millimètre ; le second compteur 21, en relation avec une horloge électronique 18, donne une indication de temps en heures, minutes et secondes. Une imprimante 19 assure, après mise en mémoire, l'impression de chaque mesure effectuée et l'instant de cette mesure surie bande de papier 20. Cette imprimante peut être associée à une perforatrice ou à un enregistreur magnétique, pour le traitement des résultats par ordinateur. L'horloge 18 est reliée à un codeur de commande des cycles de mesure -22, qui émet à intervalles-réguliers des signaux en direction du moteur i0. La fréquence des cycles de mesure est réglable, un sélecteur permettant de choisir le nombre de secondes, de minutes ou d'heures séparant chaque ordre de départ du moteur, par exemple entre les valeurs O et 99. Le fonctionnement est ainsi rendu automatique, et 1' appareil peut effectuer des mesures pendant une longue durée sans surveillance particulière. Un cycle de mesure commence auand l'horloge 18 provoque, par l'intermédiaire du codeur 22, la mise en route du moteur fa, le chariot 4 se.trouvant alors en position basse. le chariot 4 est entraîné vers le haut, avec sa cellule photo-électrique a et sa tête de lecture 7. Sa vitesse ascensionnelle ests de l'ordre de 2 à 3 cm/s. Après un centimètre demontée, par exemple, le compteur de graduations associé à la tête ae lecture 7 de la règle optique 5 commence à compter, et afficher en 16 les millimètres et centièmes de millimètre. A l'instant où la cellule photo-électrique 6 détecte le ménisque liquide correspondant au niveau à mesurer, un dispositif automatique interrompt le comptage des graduations; il fige l'indication du compteur 16 et la met en mémoire dans l'imprimante 19. Moins d'une seconde plus tard, a lieu l'idpression sur la bande de papier 20 du niveau manométrique et de l'instant de la mesure. Après la mesure, le chariot 4 continue son ascension jusqu'au contact de fin de course haut 14, lequel provoque l'inversion du sens de rotation du moteur 10. La descente est plus rapide que la montée. En fin de descente, le contact de fin de course bas 15 commande l'arrêt du moteur Quel que soit le réglage, il ne peut y avoir qu'une impression par cycle, car l'ordre d'impression, donné par la cellule 5, ne peut être exécuté qu'une seule fois après chaque ordre de départ. En cycle, c'est-à-dire un aller-retour du chariot, dure environ 30 secondes. L'étendue de mesure de la règle optique 5 est par exemple de 520 mm, tandis que l'étendue de mesure manométrique est d'environ 480 mm d'eau, ce qui équivaut approximatisemeLt à 4 800 pascals. La résolution de détection est le centieme de millimètre. En tenant compte de ia dérive du manomètre, due principalement aux petites variations de la température de l'air dans l'appareil, la précision finale du manomètre est de cuel- ques dixièmes de pascal. Outre ses organes essentiels décrits précédemment, 1'appareil comporte encore d'autres dispositifs indispensables en vue de son application à la mesure de faibles différences de pression dans les tunnels, entre points éloignés. Le chariot 4 porte tine seconde cellule photo-électuque É3, qui est prévue pour détecter un second niveau, tel que de référence ou de contrôle. Bans l'exemple représenté, ce second niveau est celui du liquide dans un second tube à deux branches 24, communiquant avec l'atmosphère extérieure. Un inverseur est prévu pour la mise en service de l'une ou l'autre des cellules 6 et 23. L'enceinte 2 est une enceinte à température constante, et réglable contenant un gaz comme montré à la figure 5, elle est constituée d'un réservoir à double enveloppe en verre, l'espace entre les deux enveloppes servant de réservoir à un thermomètre à mercure. La hauteur de mercure dans le tube 26 du thermomètre est detectée par une cellule opto-électronique 27, qui peut détecter une variation de température d'un millième dedewé. La double enveloppe de l'enceinte 2 est enrobée d'une gaine 28 en ciment spécial, ayant une grande conductibilité thermique, et une résistivité qui en fait une bonne résistance électrique de chauffage. Un régulateur électronique 29 de la température de 1' enceinte 2 agit sur l'alimentation stabilisé | de l'élément chauffant 28 de façon à maintenir une température rigoureusement constante, par exemple de 450C, dans l'enceinte 2. Ce régulateur 29, du type proportionnel, comporte notamment un amplificateur opérationnel qui fournit une tension de sortie proportionnelle à la différence entre une tension de référence et une tension qui est le signal délivré par la cellule opto-electronique 27. L'enceinte 2 est placée à l'intérieur d'une enveloppe cylindrique 32, réalisée en bois et avec une grande épaisseur, de façon à posséder une inertie thermique nettement plus grande que celle de l'enceinte 2. De plus, la cavité 25 est remplie d'une matière isolante 33, telle que polystyrène ou vermiculite. L'appareil comporte encore un second dispositif de régulation de température, qui maintient la température saune valeur constante comprise entre celle de l'atmosphère extérieure et celle de enceinte 2, dans le compartiment de l'armoire 9 qui contient itenceinte 2 et le chariot 4. La temperature extérieure étant variable entre -10 G et +300C, cette seconde régulation permet de maintenir l'enceinte et les éléments sen sibles du manomètre à une température de- 380 C, avec une précision du dixième de degré. Ce dispositif de régulation, représenté à la figure 6, utilise un ventilateur 34 entraîne 1 air suivant un circuit indiqué par des flèches sur le dessin. L'air est chauffé par des résistances électriques 35 ; sur son circuit il vient lécher l'enveloppe 32 de l'enceinte 2, et le banc 13 supportant le chariot 4. Une enveloppe intermédiaire 36 isole les éléments les plus sensibles, de sorte que les variations de température se produisent presque entièrement sur l'air extérieur à cette enveloppe intermédiaire 36. Le régulateur proprement dit comporte am circuit électroniqle de commande 37, un thermomètre à contact 38 et un contact de sécurité 39- La régulation s'effectue suivant le principe du "tout ou peu" : le chauffage est maximal pour une température inférieure à 380C, et réduit par-une température égale ou supérieure à 380C. Outre le compartiment principal contenant l'enceinte 2 et le chariot 4, l'armoire 9 comporte deux autres compàrtiments 40 et 41. Le compartiment 40 renferme l'alimentation électrique de l'appareil et lé moteur 10, tandis que le compartiment 41 est occupé par la console 8. L'électronique de régulation est rassemblée en 42. L'appareil fonctionne avec une alimentation électrique en courant monophasé. Il consomme environ 500 Watts et pèse environ 300 kg. il est transporté sur un support spécial non représenté, et il peut être maintenu sous tension pendant son transport grâce à un groupe électrogène. La figure 7 illustre le principe de la mesure des différences dé pression entre deux points éloignés 43 et 44 d'un tunnel 45, équipé d'une ventilation axiale dans le sens indiqué par une flèche 46. Deux appareils identiques À et B sont placés, l'un au point 43, l'autre au point 44, par exemple dans des niches ménagées dans la parqi du tunnel 45. En admettant que la pression de référence PO soit la même dans les deux enceintes 2, si LI et P2 sont les pressions respectives aux points 43 et 44, les indications des appareils sont A 21 = P O - PI pour 11 appareil A P2 A P2 = P O - P2 pour l'appareil 3 La différence de pression aéraulique cherchée se déduit de SP2 - PI = PI + P2 et de a connaissance des altitudes des points de mesure, ainsi que de la valeur de la masse volumique de l'air. Le second tube 24 permet le nivellement de l'appareil, opération indispensable pour conserver une exceliente précision. Au départ, les deux appareils sont placés en un mme point, et on réalise l'égalité des pressions dans les deux enceintes, au moyen.d'un tube de mise à l'atmosphère 47. Even-- tuellement, cette égalité des pressions peut être remplacée par un écart constant et connu. L'appareil permet des mesures pendant que la ventilation est en service ou en essais, pour déterminer les pertes de charge à différents régimes ; il peut aussi être utilisé en l'absence de ventilation, pour l'étude des différences motrices de pression, dûes aux différences climatiques aux deux extrémités d'un tunnel. Bien entendu-, l'invention ne se limite pas à la seule forme d'exécution-de cet appareil de mesure d'un niveau et à sa seule application décrites ci-dessus à titre d'exemples non limitatifs ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation et d'application où intervient la mesure d'un niveau. REVENDIClkTI ONS I. - appareil de mesure d'un niveau, caractérisé en ce qu'il comporte un chariot déplaçable verticalement face aux corps dont on désire mesurer le niveau et également face à une règle optique, et portant au moins une cellule photoélectrique pour la détection du niveau et une tête de lecture de la règle optique, des moyens étantprévus pour entraîner et guider ledit chariot suivant un mouvement d'aller-tetour, tandis que d'autres moyens sont prévus pour la détermination et l'affichage de la graduation repérée uur la règle optique par la tête de lecture, à l'instant où la cellule photo -électrique détecte le niveau à mesurer. 2. - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens prévus pour entraîner et guider le chariot comprennent un moteur électrique fixe, une transmission de mouvement par un réducteur et un organe tel qué chaîne, courroie ou ruban, au moins un rail de guidage du chariot et deux contacts de fin de course. 3. - Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, -caractérisé en ce que les moyens prévus pour la détermination de la graduation repérée par la tête de lecture comprennent un compteur de graduations associé à la tête de lecture, et un dispositif apte à interrompre le comptage des graduations à l'instant où la cellule photo-électrioue- détecte le niveau à mesurer. 4. - Appareil selon l'ensemble des revendica-tions 2 et 3, caractérisé en ce ou'il comporte un dispositif de commande automatique constitué par une horloge électronique, reliée à un codeur de commande des cycles de mesure assurant la mise en route du moteur à intervalles réguliers et l'affichage du résultat de chaque mesure, l'inversion du sens de rotation du moteur et son arrêt en fin de cycle étant commandés par les contacts de fin de course. 5. - Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de réglage de la fréquence des cycles de mesures. 6. - appareil selon l'une quelconque des revendications I à 5, caractérisé en ce que les moyens prévus pour l'affichage de la graduation repérez par la tête de lecture comprennent un compteur à chiffres lumineux et/ou une imprimante. - ~ Appareil selon l'ensemble des revendications 4 et 6, caractérisé en ce qu'il est prévu des moyens pour la détermination et l'a affichage en chiffres-lumineux et/ou l'impression par l'imprimante de l'instant de la mesure. 8. - Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le chariot porte deux cellules photo-électriques, dont l'une sert à la détection d'un second niveau tel que de référence ou de contrôle, un inverseur étant prévu-pour la mise en service de l'une ou l'autre des deux cellules précitées 9. - Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il est associé à une enceinte fermée, à température constante, équipée d'un régulateur éléc- tronique de température ét isolée dans une enveloppe, le niveau détecté étant celui du liquide dans un tube manométrique dont une branche communique avec l'enceinte régulée précitée, et dont l'autre branche communique avec l'atmosphère extérieure, de sorte que la mesure effectuée par l'appareil correspond à une différence de pressions. 10. - Appareil selon l'ensemble des revendications 8 et 9, caractérisé en ce qu'il comporte un second tube à deux branches rempli d'un liquide et communiauSnt avec- l'atmosphère extérieure, le second niveau détecté étant celui du liquide dans une branche de ce tube, ce qui permet le nivellement de l'appareil. Ilo - appareil selon l'une quelconque des revendications 9 et 10, caractérisé en ce qu'il se compose d'une armoire divisée en trois compartiments contenant l'un l'alimentation électrique et le moteur, le second les moyens pour la détermination et 1' affichage des mesures, le dernier compartiment, qui contient notamment l'enceinte à température constante, le chariot et le ou les tubes manométriques, comportant des moyens de régulation de sa temnérature aptes à maintenir cette température à une valéur constante comprise par exemple entre celle de l'at oosphère extérieure et celle de l'enceinte. 12 - -Appareil selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens de régulation de la température du compartiment contenant l'enceinte elle chariot comprennent un circuit d' air,-entraRné par au moins-un ventflateur, chauffé par des résistances électriques, et léchant l'enveloppe isolant l'enceinte, la température étant maintenue à sa valeur par un régulateur électronique commandé par un thermomètre à contact. 13. - Appareil selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que 1 enceinte à température constante comporte une double enveloppe, l'espace entre les deux enveloppes servant de réservoir à un thermomètre dont la hauteur de mercure est détectée par une cellule opto-électronique en relation avec le régulateur électronique de température, lequel agit sur des moyens de chauffage de l'enceinte constitués par une gaine en ciment conducteur de la chaleur et de 1' électricité. 14. - appareil selon l'une quelconque des revendications 9 à 13, caractérisé par son application, en association avec un second appareil identique, à la mesure de faibles différences de pression-entre deux points qui peuvent être éloignés d'une grande distanc-e, et où sont placés les deux appareils.