Brevet FR2219401A1 — publié le 19761203

L'inv@ntion concorne un dispositif de mesure du riveau de liquides ou de s@lutions de composition et de concentration différentes et/ou variables, placés dans un récipient ouvert, fermé OU ou pression, par mesure d'une grandeur électrique représentative du niveau atteint par le liquide. La mesure du niveau de liquides est un préalable important à l'exploitation de nombreux types d'installations techniques et donc est utilisée dans tous les domaines technologiques. Les différences des caractéristiques chimiques et physiques, souvent aussi variables, du produit sur lequel la mesure porte et la diversité dos conditions de service imposent des critères très serrés aux dispositifs nécessaires de mesure, en particulier lorsqu'il s'agit de liquides ou de solutions corrosifs et lorsque la mesure doit être effectuée dans des récipients difficilement accessibles ou fermés ou encore souspression. Différents dispositifs connus de mesure du niveau de liquides mettent en oeuvre des procédés mécaniques, pneumatiques, hydrauliques, acoustiques, électriques ou encore reposant sur un rayon- nement radioactif. Différents inconvénients limitent leur aptitude à etre utilisés de manière générale, en particulier dans les conditions mentionnées de service. Par exemple, les dispositifs mécaniques à flotteur guidés par leviers ou polygones funiculaires ne fonctionnent pas sans inertie. ns ne peuvent pas par tailleurs être montés dans les récipients sous pression et ne permettent pas la transmission et l'affichage des mesures à grande distance du lieu auquel ces dernières sont effectuées. Les mesures des dispositifs pneumatiques ou hy- drauliques montés dans des récipients sous pression sont faussées par cette pression interne. La composition chimique et la concentration du produit sur lequel la mesure porte modifient notablement les mesures de niveau par procédés électriques, par exemple par capacité, induction ou conductivité, de sorte que ces procédés ne sont utilisables que pour des liquides ou solutions de composition et de concentration constantes. Les dispositifs acoustiques, par exemple a' sondage par ultrasons et ceux qui fonctionnent au moyen de rayons radioactifs, par exemple d'exploration de niveau par barrières dc rayons gamma sont techniquement très compliqués et, de plus, dans ce dernier cas, exigent des mesures de protection de la sa.lté du personnel. Presque tous les dispositifs m@ntionnés ec:i;cnt le remplissage du récipient par le produit sur lequel la mesure porte pour le tarage à plein et à vide ou pour l'étalonnage de l'appareillage dc mesure. Le type de réalisation t/ou les caracteristiques des maté rivaux utilisés à leur construction interdisent à certains des dispositifs mentionnés d'être utilisés pour des mesures en liquides ou solutions corrosifs. Ces dispositifs connus ne sont donc pas utilisables universellement, mais uniquement sous certaines conditions parmi lesquelles la composition du produit sur lequel la mesure porte et la disposition et/ou le mode de fonctionnement du récipient dans lequel la mesure doit être effectuée. L'invention a donc pour objet un dispositif de mesure simple, d'application la plus universelle possible, ne nécessitant aucun entretien, de for.ctionnement stable, évitant les illconvénients mentionnés des dispositifs de l'art antérieur, pratiquement insensible aux caractéristiques de la matière du produit sur lequel la mesure porte, ne nécessitant pas le remplissage du récipient pour le tarage à plein et à vide et permettant l'affichage analogique du niveau du liquide même à grande distance du lieu de mesure Selon une particularité essentielle de l'invention, un montage potentiométrique équivalent disposé en longueur dans une sonde tubulaire hermétique et étanche et se branchant sur un circuit comprend de multiples résistances individuelles et de multiples éléments de commutation qui commandent le branchement de ces résistances individuelles dans ledit circuit et un organe de commande disposé à l'extérieur de la sonde tubulaire et dont la position varie en fonction-du niveau du liquide est destiné à manoeuvrer lesdits éléments de commutatien. Ce dispositif convient à la mesure de niveau aussi bien en eau très pure, par exemple en eau totalement déminéralisée ou distillée, et dans les liquides non conducteurs, que dans des eaux ou eaux-vannes à teneurs différentcs et/ou variables en électrolyte et en solutions chimiques de types, concentration, densité et viscosité différentes et/ou variables, dans une plage de température comprise entre quelques degrés Celsius au-dessus de point de solidification du liquide correspondant et environ + 90 C.Cette aptitude de l'instrument à être utilisé universellement, de même que son absence d'entretien, sa fiabilité et sa simplicité sont une conséquence de ses caractéris tiques, à s voir que les éléments émetteurs d signal sont dans une sonde tubulaire étanche et que l'organe de commande qui déclenche le signal ost à l'e@térieur de cette sonde: et ne comporte aucun lien mécanique ou électrique avec les éléments émetteurs de signal. Selon une particularité très avantageuse de l'invention qui contribuo dc manière déterminante à la simplicité et à la fiabilité du dispositif de mesure, les éléments de commutation sont des contacts à lame vibrante sous atmosphère contrôlée. Les éléments de commutation, c'est-à-dire les contacts à lame vibrante sont de préférence en même nombre que les résistances individuelles. Les éléments de commutation et les résistances individuelles sont de préférence fixés sur une plaquette à circuit imprimé placée dans la sonde tubulaire. Selon une antre particularité importante de l'invention, l'organe de commande est un élément magnétique disposé dans un flotteur hermétique et étanche. Les mouvements de montée et de descente de ce flotteur dûs à l'élévation et a' I l'abaissement du niveau du liquide et l'élément magnétique se trouvant dans ce flotteur provoquent la fermeture des contacts à lamelle situés à hauteur du niveau du liquide et on conséquence la position du curseur du montage potentiométrique équivalent varie en provoquant une variation du courant circulant dans ce montage potentiométrique en fonction du niveau du liquide. Il faut qu'au moins un contact à lamelle se ferme à toute position en hauteur que l'élément magnétique porté par le flotteur peut occuper et il faut de plus qu'au maximum deux contacts à lamelle puissent se fermer simultanément pour que l'intensité du courant varie de manière sensiblement proportionnelle à la variation du niveau du liquide.Selon une particularité avantageuse de l'invention permettant de satisfaire a ce critère, les seuils de réponse des tous les contacts à lamelle et la zone neutre de l'élément magnétique consistant de préférence on un aimant permanent annulaire sont ajustés de manière que chaque contact ait le meme seuil de réponse et, par ailleurs, tous ces contacts sont disposés sur la plaquette à circuit imprimé de manière que leurs centres de connexion soient à même distance et qu'ils inscrivent le morne angle avec l'axe de symétrie longitudinal de cette plaquette. La distance entre centres de connexion est avantageusement de 10 à 15 mm, de préférence de 17 mm et ledit angle est compris de préférence entre 10 et 300 et peut avantageusement être dc 180. Le dispositif de mesure de l'invention a l'avantage de délivrer une grandeur électrique pouvant être envoyée à un amplificateur délivrant un courant continu imposé de commande d'un appareil d'affichage et/ou d'enregistrement et de plus ayant de préférence une sortie en tension capable de commander un régulateur à deux paliers ne comportant aucun mécanisme de mesure. L'appareil d'affichage et/ou d'enregistrement indique la hauteur atteinte par le liquide dans les limites comprises entre 0 et 100 12 du niveau maximal. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel la figure unique représente schématiquement le dispositif de mesure -en coupe axiale. Une sonde tubulaire hermétique et étanche 1 plongeant verticalement dans un liquide 7 dont le niveau 8 doit être mesuré renferme une plaquette 2 à circuit imprimé sur laquelle sont fixés d'une part les résistances individuelles R1 à Rn d'une chaîne ainsi que des contacts à lamell.e vibrante en atmosphère protégée S1 à Sn, chaclul de ces contacts étant affecté à l'une desdites résistances. Les centres de connexion des contacts à lamelle S1 à Sn sont à m & e distance et ces contacts inscrivent le meme angle avec l'axe de symétrie longitudinal de la plaquette 2 à circuit imprime. Un contact déterminé à lamelle S1 à Sn est donc affecté à chaque résistance indivi@uelle R1 à Rn, c'est-à-dire que ces interrupteurs S1 à Sn peuvent mettre en circuit de manière quelconque, individuellement ou en groupes, ces résistances R1 à Rn montées en série. la chaste de résistances ayant pratiquement la m & e longueur que la sonde tubulaire i, il est donc possible de mettre en circuit le groupe des résistances individuelles se trouvant au-dessus du niveau 8 du liquide par manoeuvre convenable des contacts à lamelle. La sonde tubulaire 1 guide un flotteur hermétique et étanche 3 qui est librement mobile verticalement et qui renferme un aimant permanent annulaire 4, une butée inférieure 5 et une butée supérieure 6 limitant le mouvement vertical du flotteur 3. Comme représentés l'aimant annulaire 3 ferme les contacts à lamelle situés au même niveau- dans le cas particulier les contacts S5 et/ou S6- et donc le courant circule dans la branche mise en circuit de la chaise comprenant les résistances individuelles Rn à R5 et/ou R6 et par les contacts S5 ou 56. Ce courant passe dans un amplificateur 9, puis est diri@é sur @n appareil 10 d'affichage. Lor@que le niveau 8 du liquide iientc et donc, avec lui, le flotteur 3 renformant l'aimant annulaire 4, les contacts S5 et S6 s'ouvr@nt et le contact suivant S7 se ferme, de sorte que le courant n@ passe plus que par les résistances Rn à R7 et que l'in tensité croit avec l'élévation du niveau 8 dc liquide. Il a été men tisonné précédemment que l'intensité varie de manière certaine propor tionnellement avec le niveau, car les seuils de réponse de tous les contacts à lamelle et la zone neutre dc l'aimant permanent annulaire sont ajustés de manière que chaque contact ait le meme seuil de réponse. Il est mportant que les centres de connexion soient à même distance et que les contacts inscrivent le même angle sur l'axe longitudinal de la plaquette à circuit imprimé. Il est à noter, en ce qui concerne la distance des centres de connexion, que l'ouverture et la fermeture des contacts à lamelle est produite par des noyaux de fer doux aimantés par le champ créé par l'aimant permanent annulaire. Les processus d'inversion d'aimantation ont pour effet que les contact s'ouvrent et se ferment avec un certain retard dans les deux sens de déplacement dé l'aimant annulaire. Le critère selon lequel tous les contacts à lamelle S1 à Sn doivent avoir le même seuil de réponse signifie donc aussi que tous ces contacts doivent avoir la mcme hystérésis. Donc, dans ces conditions, il peut être posé que la distance des centres de connexion coïncide avec les distances géométriques des ases B des différents contacts pour lesquels l'induction magnétique par rapport à la valeur nulle de l'induction magnétique B a la même valeur. Il faut entendre par zone neutre de l'aimant permanent annulaire k région du minimum d'intensité du champ et il faut tenir compte du fait que la largeur de la zone neutre ainsi que l'in~ tensité du champ décroissent avec la diminution de la longueur axiale de l'aimant. L'ajustement des seuils de réponse des contacts à lamelle et de la zone neutre de l'aimant permanent ont pour but une optimisation tendant à une intensité de champ aussi grande que possible pour une zone neutre aussi petite que possible. L'expérience permet d'obtenir cet ajustement. Un autre avantage digne d'être mentionné est que le dispositif de l'invention, destiné à la mesure d'un niveau de liquide, peut @tre taré aussi bien lorsqu'il est monté que lorsqu'il est démonté, car l'unique condition pour un tarage correct est le main- tien du flotteur contre la blitée supérieure 6. N*ne lorsque l'affichage du niveau maximal d'un récipient doit être modifié ultériourement, il suffit de mettre cette butée supérieure 6 à une position correspondant a ce niveau maximal, d'amener le flotteur 3 contrc cet-tc butée et do mettre l'appareil 10 l'affichago à la valeur "100 %". Un potentiomètre convenable permet d'effectuer ce réglage. Il va de soi que le dispositif décrit et représenté peut subir diverses modifications sans sortir du cadre do l'in- vention. REVE@DICATIONS 1. Disp@sitif an mesure du niveau de liquides ou solutions ayant des compositions et concentrations différentes et/ou variables et placés dans des récipients ouverts, fermés ou sous pression, par mesure d'une grandour électrique représentative du niveau de liquide devant être mesuré, caractérisé @n ce qu'un circuit potentiométrique équivalent disposé en longueur dans une sonde tubulaire hermétique étanche et se branchant sur un circuit comprend de multiples résistances individuelles et de multiples éléments de commutation qui commandent le branchement de ces résistances individuelles dans ledit circuit et un organe de ccrmande placé à l'extérieur de la sonde tubulaire et dont la position varie en fonction du niveau de liquide est destine à commander lesdits éléments de commutation. 2. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments de commutation sont des contacts à lamelle sous atmosphère protectrice. 3. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le nombre des éléments de commutation est le meme que celui des résistances individuelles. 4. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit potentiométrique équivalent est caleulé de manière que les variations d'in- tensité produites par branchement des résistances individuelles soient sens@blement proportionnelles aux variations du niveau atteint par le liquide. 5. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérise en ce que les éléments de commutation et les résistances individuelles sont fixés sur une plaquette à circuit imprime montée dans la sonde tubulaire. 6. Dispositif selon les revendications 1 et 2 prises ensemble, caractérisé en ce que l'organe de commande consiste en un élément magnétique disposé dans un flotteur étanche et hermé- tique. 7. Dispositif de mesure selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'élément magnétique est un aimant permanent. 8. Dispositif selon les revendications 6 et 7 prises ensemble, caractérisé en ce que le flotteur est annulaire et librement mobile en étant guidé par la sonde tubulaire, l'aimant permanent étant donc aussi avantageusement annulaire 9. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la distance sépia rant les centres de connexion dc tous les contacts à lamelle fixés sur la plaquette à circuit imprimé est la même. 10. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en cc quo tous les contacts à lamelle inscrivent le même angle avec l'axe longitudinal de la plaquette à circuit imprimé, cet angle étant avantageusement compris entre 10 et 300 et étant en particulier de préférence de 180. 11. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les contacts à lamelle sont disposés les uns par rapport aux autres de manière que l'aimant ermanent annulaire ne puisse jamais en fermer moins d'un et ne puisse jamais enfermer simultanément plus de deux. 12. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sonde tubulaire comporte une butée supérieure et une butée inférieure de limitation de la course du flotteur. 13. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le signal de mesure variant proportionnellement avec le niveau du liquide sur lequel la mesure porte est injecté dans un amplificateur dont la sortie est connectée à un appareil d'affichage.