Brevet FR2345720A1 — publié le 19771021

La présente invention concerne les humidimètres, c'est i-dire des appareils destinés à mesurer le degré d'humidité de certains produits et,plus particulièrementta trait à un appareil destiné à des produits pulvérulents ou granulaires. L'invention a été mise au point,dans le cadre de la déshy dratssion de la luzerne,avec la participation de la Coopérative de déshydratation dtARCIS sur AUBE,par M. André LEBRUN et M. Francis WATTRELOT du Laboratoire de Mesures Automatiques de l'Université des Sciences et Techniques de LILLE. Le but de l'invention, dans son application aux farines de luzerne , est de réaliser un appareil permettant de mesurer en continu les humidités des feuilles et des tiges de luzerne déshydra- tées & la sortie du séchoir, et de préférence en aval du broyage de la luzerne déshydratée. Il est en effet particulièrement important de connattre avec une relative précision le taux d 'humidité des farines de luzerne déshydratée au stade final du conditionnecent. Cette connaissance, en effet, est un des éléments permettant de mieux maîtriser les caractéristiques du produit fini déshydraté et d'envisager une conduite optiaalisée du processus de séchage susceptible d'améliorer sensiblement les rendements quali statif, quantitatif, énergétique et économique des installations de déshydratation industrielle des fourrages notamment. On connaît déjà des humidimètres basés sur l'utilisation d'une cellule coaxiale parcourue par une farine du produit à mesurer et présentant,en fonction des caractéristiques diélectriques du produit, des variations de capacité et de conductance. Ces variations sont traduites en variations de fréquences, traduisant elles-mEmes, après diverses transpositions, les variations du pourcentage d'humidité dudit produit. Cependant, ces appareils ont une précision aléatoire pouvant varier de 0 à 5%, car, d'une part, ils ne comportent pas de correction en fonction de la température et, d'autre part, ils ne sont pas pourvus de moyens permettant d'éliminer l'une des deux variables (conductance) des signaux de sortie délivrés par les cellulesssce qui introduit des perturbations. Le but de l'invention est de réaliser un humidimètre ne présentant pas ces inconvénients, assurant une mesure précise (de 1 tordre de + 0,20 simple, sûre, reproductible, permettant un éta lonnage et un réglage faciles et tenant compte des éventuelles variations de températures dans le séchoir. A cet effet, l'invention a pour objet un humidimètre du type à capteur constitué d'un tronçon de conduite métallique formant électrode extérieure et d'un conducteur métallique maintenu au centre de la conduite, caractérisé en ce qu'il comporte, connecté audit capteur, un circuit électrique constitué, d'une part, d'un circuit LC parallèle et, d'autre part/fun auto-oscillateur à résistance négative asservie, la sortie dudit circuit électrique étant reliée à un dispositif d'affichage,d'enregistrement et/ou de calcul. Un tel appareil n'est sensible qu'aux variations de la capacité du capteur, les variations de conductance étant automatiquement compensées, ce qui améliore sensiblement la précision de l'appareil. Suivant un mode de mise en oeuvre particulièrement intéressant de l'humidimètre, le capteur est disposé dans une conduite montée en dérivation sur une conduite principale de transport du produit à mesurer et il est prévu une première trappe dite d'alimentation montée en amont du capteur entre la dérivation et la conduite principale, une seconde trappe dite d'évacuation montée dans la dérivation en aval du capteur et des moyens de commande desdites trappes. On peut opérer ainsi très facilement et à tout moment une mesure de l'humidité du produit, assortie dventuellement d'un prélèvement de l'échantillon du produit que l'on vient d'analyser. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre d'un mode de réalisation du dispositif de l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement et en regard des dessins annexés sur lesquels Fig. 1 représente un schéma de l'implantation et de la structure générale du dispositif de l'invention. Fig. 2 représente une vue en élévation en coupe partielle du capteur du dispositif de l'invention. Fig. 3 représente une vue en coupe suivant la ligne III- III du capteur de la figure 2. Fig. 4 représente le schéma électrique du capteur de la figure 1, et Fig. 5 est un diagramme des courbes de fréquences en fonction du pourcentage d'humidité et de la température obtenues à partir du dispositif de l'invention. L'installation représentée sur la figure I comprend un capteur 1 disposé dans une conduite 2 montée en dérivation sur une conduite 3 d'amenée de farine de luzerne en provenance des broyeurs. La conduite 2 peut astre mise en communication à volonté avec la conduite 3 par l'Intermédiaire d'une trappe d'alimentation 4 commandée par un vérin hydraulique à double effet symbolisé en 5. En aval du capteur 1 la conduite 2 peut être obturée par une trappe de retenue 6 actionnée par un vérin hydraulique à dou ble effet symbolisé en 7. En aval de cette trappes la conduite 2 rejoint la conduite 3 qui amène la farine au poste de conditionnement, stockage ou livraison. Les circuits électriques du capteur 1 sont groupés dans un bottier 8 connecté à un bottier-relais 9 regroupant les différents circuits électriques et fluidiques. Le boStier-relais 9 est relié à une gaine 10 d'alimentation et de liaison elle-même reliée à un poste Il de visualisation de la mesure et de commande situé à distance Le bottier relais 9 est également susceptible d'alimenter en air comprimé un certain nombre de soufflettes ou buses d' injection d'air. Dans l'exemple choisi à titre illustratif, on a représenté deux soufflettes 12 destinées à débarrasser éventuellement les alentours du capteur 1 de toute farine qui pourrait s'y accumuler. Des soufflettes pourraient également être prévues au voisinage des trappes. L'une des soufflettes 12 est disposée immédiatement en amont du capteur 1 dans la conduite 2 et l'autre imnEdiatement en aval. Enfin,une sonde 13 de mesure de impérature est disposée dans la conduite 2 en aval du capteur 1 et est reliée au poste ll par l'intermédiaire du boitier-relais 9. Le capteur 1 (figures 2 et 3) est constitué d'une cellule de mesure du type coaxial Cette cellule comporte un conducteur métallique cylindrique A de longueur L et de diamètre d maintenu au centre d'une canalisation métallique B (constituant un tronçon de la conduite 2)de diamètre intérieur D,par une entretoise isolante C.Une conductance métallique E relie électriquement le conducteur central A à une prise de raccordement électrique F extérieure/conduite. On a représenté schématiquement à la figure 4 les circuits électriques auxquels est reliée la prise F. Ces circuits comprennent un circuit résonnant parallèle L, Ca disposé à l'entrée d'un auto-oscillateur à résistance négative asservie comprenant un amplificateur 20 et des résistances Ro R1, R2 déterminant le gain et la conductance négative du circuit, un circuit de détection 21 relié à la sortie de l'amplificateur 20, un circuit d1asservissement d'amplitude 22 et un circuit de commande de l'asservissement constitué par un transistor F.E.T. 23 relié à l'entrée de l'amplificateur 20.Le circuit 22 comprend un amplificateur 24 dont la sortie est reliée à l'électrode de commande du transistor 2), dont une première entrée est reliée au circuit de détection 21 et dont l'autre entrée est connectée à une tension de référence Pifer réglable. Enfinunamplificateur d'adaptation de sortie 25, de gain égal à l'unité, est relié à la sortie de l'auto-oscillateur, le signal de sortie du capteur étant disponible en 26. Le fonctionnement du dispositif de la figure 1 est le suivant On sait qu'une cellule de mesure coaxiale constituée par un tronçon de conduite et un conducteur maintenu au centre de la conduite présente,en fonction des caractéristiques diélectriques du produit qui la traverse, des variations de capacité et de conductance. La cellule formée par le tronçon B et le conducteur A, parcourue par une farine. de luzerne, présentera donc des variations de capacité et de conductance que l'on peut relier aux variations de l'humidité de la farine. En effet, comme cela est bien connu,le capteur 1 se comporte comme une capacité de valeur sensiblement égale à C est exprimée en Fars où 36 Tr 109 Para * tre et est la constante diélectrique complexe du diélectri- que (produit remplissant la cellule); dans le cas de l'air : r = La présence d'un matériau (farine de luzerne) dans la cel lule est caractérisée par la nouvelle valeur de est alors de la forme ## = ## - ##,où #' : pouvoir inducteur spécifique par rapport à l'air pro- r voquera une modification de la capacité du capteur. #' : représentatif des pertes diélectriques du matériau, r qui se traduiront par l'apparition d'une conductance : a C C avec W = F, F est la fréquence de mesure. Il en résulte une modification appréciable de la capacité et de la conductance de la cellule de mesure. La valeur de r sera d'autant plus importante que le matériau (farine de luzerne) sera hydraté. On peut relier les variations de capacité et de conductance de la cellule de mesure à la teneur en eau de la farine. La cellule de mesure coaxiale constitue un capteur d'humidité, sensible d'une manière générale à l'humidité de toutes substances pulvérulentes ou granuleuses, délivrant une double information par sa variation de capacité et de conductance. Cependant l'information délivrée par le capteur 1 est fonction de la température du produit; en effet est fonction de celle-ci. On a donc placé à la base de la cellule de mesure la sonde 13 de mesure de température, celle-cfl permettant d'effectuer une correction sur la mesure d'humidité et améliorant la précision. Les circuits électriques associés au capteur comprennent un auto-oscillateur (figure 4) à résistance négative asservie présentant la particularité de délivrer la fréquence exacte de résonance d'un circuit (L, Ca) parallèle connecté à son entrée et de la rendre insensible aux variations de la conductance. On sépare ainsi les informations délivrées par le capteur I. La fréquence et l'amplitude du signal d'oscillation sont indépendantes du coefficient de qualité du circuit résonnant dans une très large gamme de fréquence. Le circuit résonnant parallèle (L, Ca) constitué d'une bobine étalon dont la valeur de self induction est fixe, et dont la capacité est formée en partie de celle présentée par le capteur 1, aura une fréquence d'oscillation fonction des caractéristiques du matériau remplissant le capteur et en conséquence de son humidité. L'amplificateur 25 permet de délivrer le signal dtoscilla- tion avec un niveau suffisant sur une basse impédance, ce qui permet d'effectuer une liaison à longue distance. La fréquence, délivrée par le capteur 1 et son électronique, est visualisée au poste 11 sous forme numérique, par exemple par un fréquencemètre digital, avec une excellente précision. L information est complétée par l'affichage de la température par exemple par un thermomètre numérique possédant une bonne résolution. Ces deux appareils possèdent des sorties digitales permettant l'attaque d'un dispositif enregistreur (imprimante, perforateur de bande) ou d'un dispositif d'exploitation et de régulation (ordinateur, calculateur), ces dispositifs n'étant pas représentés. La fréquence de mesure a été choisie aussi élevée que possible, afin d'éliminer les effets Maxwell Wagner et de rendre négligeables les phénomènes de polarisation aux électrodes, propres aux basses fréquences; de plus, la mesure est alors réellement caractéristique de I'humidité du produit. La fréquence permettant les conditions de mesure les plus favorables pour le type de capteur choisi et pour relectronique associée, se situe entre 5 et 10 MHz. La connaissance des deux informations : fréquence et températureJpermet, après report sur un abaque d'étalonnage, propre au produit sur lequel s'effectue la mesure, de déterminer avec précision l'humidité du produit, cet abaque pouvant être remplacé par une table. L'obtention d'une mesure précise nécessite une excellente reproductibilité du remplissage de la cellules en particulier dans le cas d'une farine, le tassement a un rôle important. Cette condition est satisfaite en utilisant le dispositif de commande de remplissage et d'évacuation de la cellule selon l'invention. Ce dispositif est constitué d'un jeu de trappes, l'une (4) assurant le remplissage de la cellule, l'autre (6) la retenue et l'évacuation du produit de la cellule. La mesure s'effectue alors selon le cycle suivant - Premier temps la trappe de remplissage 4 est vermée, la trappe d'évacuation 6 est ouverte, la cellule est vide. Le contrôle de la fréquen- ce délivrée permet de s'assurer de la propreté de la cellule de mesure (vérification du tarage par ajustage de la capacité Ca);éven- tuellement,une commande d'air comprimé permet le nettoyage de celleci par l'intermédiaire des soufflettes 12. - Deuxième teins : la trappe d'alimentation 4 est ouverte, la trappe d'aval cuation 6 est fermée, la cellule commence à se remplir. La fréquence délivrée diminue proportionnellement au remplissage pour se stabiliser lorsque la cellule est pleine. La lecture de l'information est alors possible. Après acquisition de celle-ci, on retourne au premier temps de la mesure. L'intervalle de temps entre deux mesures est fonction de la cantfté de produit alimentant la cellule. Le produit à mesurer remplit l'espace inter-électrode du ' D-d ' capteur (dimension E = 2 ). Cette dimension E doit être suffi- sante pour un remplissage et une évacuation du produit exempt du bourrage ou de cavitation. Cette dimension est imposée par la nature du produit et par sa fluidité. D'autre part, pour une longueur "1" n donnée de l'electrode centrale Atla sensibilité du capteur 1 est déterminée par le rapport D/d. Cette sensibilité du capteur sera déterminée par la gamme de mesure d'humidité envisagée. Plus l'humidité à mesurer sera importante, plus le rapport D/d sera grand. En disposant d'un jeu d'électrode centrale de diamètre diffurent, il est très facile d'adapter le capteur à la gamme dthumi- dité à mesurer. L'étalonnage de l'humidimètre est obtenu par comparaison avec des humidités obtenues par la méthode de l'étuve. On obtient ainsi un certain nombre de couples de mesures fréquence-températu- re et leurs correspondances en humidité du produit. I1 est alors possible de tracer un abaque donnant H 2 f (F) avec T (température) en paramètre (figure 5) et de calculer tous les points de manière à créer une table de lecture. Cet étalonnage est valable pour un produit donné. On pourra ainsi étalonner la farine de luzerne sans et avec blutage farine de feuilles, cossettes, etc. ... Par ailleurs, la précision de l'humidimètreselon l'lnven- tion est de l'ordre de + 0,2%, ce qui est très intéressant en comparaison de celle des humidimètres connus qui tourne autour de quelques % (jusqu'à 5%). Un cycle de mesure de l'humidité du produit à étudier peut être réalisé manuellementRmais on peut également prévoir un fonctionnement automatique. C'est ainsi queRdans le cas de la farine de luzerneEon peut opérer automatiquement une mesure toutes les 30 secondes, ce qui est largement suffisant pour pouvoir envisager la régulation dl séchoir à partir de l'humidimètre, la constante de temps de l'ensemble étant nettement supérieure (quelques minutes). La séquencedb fonctionnement automatique est gérée par un calculateur qui contre le tarage, donc l'absence de farine de luzerne dans la cellule, commande les soufflettes de nettoyage si nécessai re, commande le départ du remplissage de la cellule, contrôle la fin de celui-ci et mémorise la mesure et ventuellement la convertit en humidité vraie. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation représenté et décrit ci-dessus mais couvre également toutes les variantes. C'est ainsi,que avantageusement,la trappe de retenue 6 peut être montée dans un caisson pourvu d'une trappe d'accès permettant l'extraction de l'échantillon de farine qui vient d'etre soumis à une mesure, à des fins de coxtrole par exemple Enfin, d'une manière générale, la mesure d'humidité sera possible sur tous produits se présentant sous forme de farine, granulés, sphérules. REVENDICATIONS 1. Humidimètre du type à capteur constitué d'un tronçon de conduite métallique formant électrode extérieure et d'un oon- ducteur métallique maintenu au centre la la conduiteJcaractdrisé en ce qutil comporte, connecté audit capteur, un circuit électrique constitué, dtune part, d'un circuit LC parallèle et, d'autre part,dMn auto-oscillateur à résistance négative asservie, la sortie dudit circuit électrique étant reliée à un dispositif d'affi chage,d'enregistrement et/ou de calcul. 2. Humidimètre suivant la revendication l,caractérisé en ce que l'auto-oscillateur à résistance négative asservie comprend un amplificateur avec ses résistances de détermination du gain et de la conductance négative, et une boucle de commande reliant la sortie dudit amplificateur à son entrée et constituée d'un circuit de détection, d'un circuit d'asservissement d'amplitude et d'un circuit de commande de l'asservissement, ledit circuit d'asservissement d'amplitude comportant un amplificateur dont une entrée est reliée au circuit de détection et dont une autre entrée est reliée à une tension de référence réglable. 3. Humidimètre suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le capteur est disposé dans une conduite montée en dérivation sur une conduite de transport du produit à mesurer, et en ce qu'il est prévu une première trappe dite d'alimentation montée en amont du capteur entre la dérivation et la conduite principale, une seconde trappe dite d'évacuation montée dans la dérivation en aval du capteur et des moyens de commande desdites trappes. 4. Humidimètre suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte, dans la conduite de dérivation, des dispositifs d'injection d'air comprimé pour la purge du capteur et éventuellement des trappes. 5. Humidimètre suivant la revendicaton 3 ou 4, caractérisé en ce qu'en aval du capteur, dans la conduite de dérivation, est disposée une sonde de mesure de température reliée au dispositif d'affichage ,d'enregistrement et/ou de calcul. 6. Humidimètre suivant l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la conduite de dérivation comporte des moyens de prélèvement de ltéchantillon de produit soumis à mesure.