Brevet FR2349133A1 — publié le 19771118

La présente invention a pour objet un dispositif de mesure du niveau dfun liquide dans une enceinte. De façon plus précise, la présente invention concerne un dispositif qui permet de mesurer à chaque instant le niveau de l'interface d'un liquide quelconque contenu dans une enceinte avec un milieu ambiant le surmontant, ce niveau étant bien entendu sujet à des fluctuations. Le dispositif objet de l'invention permet de mesurer effectivement ce niveau de liquide quelles que soient les modifications de densité du liquide et du milieu ambiant surmontant le niveau dudit liquide sous l'action par exemple de variations de pression ou de température et quelles que soient, également, les variations de densité du milieu ambiant surmontant le niveau dudit liquide. En particulier, le dispositif doit remplir ces conditions si l'on veut mesurer le niveau de l'eau contenu à l'intérieur d'un récipient, cette eau étant soumise à des conditions de pression et de température susceptibles de varier et donc d'entraîner, en même temps, une variation de la densité de liteau sous forme liquide ainsi que de la densité de la vapeur d'eau surmontant cette eau liquide. Plus généralement, par milieu ambiant il faut entendre tout fluide ayant une densité inférieure à celle du liquide dont on veut mesurer le niveau. Il peut s'agir d'un gaz tel que la vapeur dudit liquide, un gaz de couverture ou l'air atmosphérique, ou d'un deuxième liquide non miscible avec le premier. L'appareil, objet de l'invention, permet en particulier dans le cas où le liquide est de l'eau de couvrir une plage de température de cette eau allant de quelques degrés à plus de 350du et des variations de pression de quelques millibars à plus de 150 bars, ce qui entraîne une variation de la densité de liteau de 7 à 0,6 et de celle de la vapeur qui-surmonte l'eau de 5 10 6 à 0,1. On connaît déjà un certain nombre d'appareils qui permet~ tent de mesurer le niveau d'un liquide contenu dans un récipient ferme et sous pression - on peut tout d'abord citer les appareils à flotteurs. Dans ce cas, on mesure les déplacements d'un flotteur qui suit la surface libre du liquide dans son évolution. Les indications données par ce type d'appareils dépendent bien entendu des variations de den sité du liquide. De plus, la réalisation d'un flotteur pour de l'eau en équilibre avec sa vapeur à 150 bars et 3400C est très délicate, sinon impossible. On connaît également les appareils utilisant la poussée d'Archimède. Un noyau cylindrique de densité supérieure à celle du liquide est en équilibre sous l'action d'un ressort auquel il est suspendu et de la poussée que ce liquide ainsi que le milieu ambiant exercent sur ce cylindre. On mesure les déplacements du noyau ; mais ce système ntest pas indépendant des variations de densité du liquide et du milieu ambiant. Il existe également des appareils qui travaillent par mesure de différence de pression. On mesure la différence de pression entre un point fixe du liquide et sa surface libre. Cette différence de pression est bien sûr fonction de la hauteur de la colonne liquide, mais ces appareils ne sont pas indépendants des variations de densité et sont insensibles à la dilatation du liquide. On peut encore citer les bougies réparties à différents niveaux et qui sont des interrupteurs ouverts dans le milieu ambiant et fermés dans le liquide. Toutefois, ces bougies n'ont pas un fonctionnement très sûr dans l'eau en équilibre avec sa vapeur et, de plus, elles ne donnent pas une mesure continue du niveau. Il existe également des systèmes de détection du niveau qui utilisent un faisceau émis par un radio-isotope qui est plus ou moins absorbé par les variations du niveau du liquide. Il existe également des systèmes utilisant un faisceau ultrasonore qui se réfléchit sur la surface libre. Le déphasage entre l'onde incidente et l'onde réfléchie est caractéristique du niveau. Ces dispositifs sont assez complexes et font appel à un système de mesure électronique relativement délicat et de prix élevé.Dans le cas d'un liquide radio-actif, la mesure du niveau par rayonnement est difficile. La mesure par ultra-sons n'est pas bien adaptée à une mesure en continu dans un environnement industriel. La présente invention a précisément pour objet un dis pos i- tif de mesure du niveau libre d'un liquide contenu dans un récipient fermé qui pallie les inconvénients cités ci-dessus en permettant d'une part, une mesure en continu des variations du niveau-libre, et, d'autre part, en assurant une détection effec tive de ce niveau quelles que soient les variations de densité du liquide et du milieu ambiant surmontant ce liquide dans le récipient. En outre, ce dispositif ne nécessite que des circuits de traitement de l'information électrique très simples et donc peu onéreux. Le dispositif se caractérise en ce qu'il comprend un organe mécanique, deux noyaux cylindriques partiellement immergés dans ledit liquide et dont la densité est supérieure à celle dudit liquide, les mouvements verticaux desdits noyaux, causés par les mouvements de la surface libre/de l'interface, entraînant des déplacements verticaux dudit organe mécanique et les mouvements étant de sens opposés par faction dudit organe, ledit organe mécanique étant en équilibre sous l'action desdits noyaux et d'organes de sustentation solidaires de la partie supérieure de ladite enceinte, ledit organe mécanique et lesdits noyaux ayant la même densité globale, et ayant des caractéristiques physiques telles que l'ensemble soit en équilibre indifférent lorsque ledit organe mécanique et lesdits noyaux se trouvent entièrement dans ledit liquide ou dans ledit milieu ambiant, ou dans tout autre milieu tel que l'air atmosphérique, et des moyens pour détecter la position d'un desdits noyaux ou de organe mécanique. Selon un mode préféré de réalisation, l'organe mécanique est constitué par trois ensembles de poulies à axes horizontaux concentriques, lesdites poulies étant liées les unes.aux autres, les poulies d'un meme ensemble ayant toutes le même diamètre, le premier ensemble de poulies coopérant avec les moyens de sustentation, le deuxième ensemble comportant une seule poulie sur laquelle peut s'enrouler un premier câble dont une extrémité est fixée à ladite poulie et dont l'autre extrémité est fixée au premier noyau, le troisième ensemble de poulies comportant une seule poulie sur laquelle peut s'enrouler un deuxième cable dont une extrémité est fixée sur ladite poulie et dont l'autre extrémité est fixée sur le deuxième noyau, la projection sur le plan des poulies des moyens de sustentation étant située entre les projections des premier et deuxième câbles. Selon une autre caractéristique, le premier ensemble de poulies comprend deux poulies et les moyens de sustentation sont constitués par deux cables identiques aptes à s'enrouler sur les poulies du premier ensemble, une extrémité desdits cables étant fixée sur lesdites poulies, l'autre extrémité desdits câbles étant fixée à l'extrémité supérieure de ladite enceinte. De préférence, les moyens pour détecter la position d'un desdits noyaux sont constitués par une tige verticale dont l'ex- trémité inférieure est fixée sur l'un desdits noyaux et dont l'autre extrémité constituée par un matériau magnétique peut se déplacer à l'intérieur de deux bobinages fixes d'un transformateur différentiel. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles on a représenté - sur la figure 1, un schéma simplifié d'un premier mode de réalisation de l'invention, - sur les figures 2,- des dessins montrant les différentes positions d'équilibre que peuvent prendre les noyaux, - sur la figure 3, une vue en coupe verticale d'un mode particulier de réalisation, et - sur la figure 4, une vue en coupe horizontale selon le plan IV-IV de la figure 3 du mens mode de réalisation. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement llen- semble du dispositif. Il est constitué essentiellement par trois poulies concentriques respectivement appelées P1, P2 et P3 ayant un mens axe et solidaires entre elles. Sur la poulie P1, peut s'enrouler un cable C1 fixé à l'une de ses extrémités sur la poulie P1 et à son autre extrémité sur un premier noyau D1 ayant la forme d'un cylindre, à génératrices verticales de masse m et de section droite s . De mens, sur la poulie P2, peut s'enrouler en sens inverse un câble C2 dont l'une des extrémités est fixée sur la poulie P2 et dont l'autre extrémité est fixée sur un deuxième noyau D2 de masse M et de sections droite S.Sur la troisième poulie P3, peut s'enrouler un troisième câble C3 dont l'une des extrémités est fixée sur la poulie P3 et dont l'autre extrémité est fixée à un point A fixe qui peut être par exemple le couvercle de l'enceinte. Les poulies P1, P2 et P3 ont respectivement comme rayon r, R et y . On repère la position des différents organes par rapport à l'axe vertical OZ dont l'origine 0 coincide avec le niveau de référence B fixe qui peut par exemple être le fond du récipient.On a représenté par la ligne N le niveau du liquide dont la cote est appelée x. De meme, on appelle y la cote de l'axe commun aux trois poulies, d la cote de l'extrémité inférieure du cylindre Dî et D la cote inférieure du cylindre D2. Par ailleurs, on appellera pl et Pv les densités respectives du liquide et de l'ambiance surmontant le liquide à l'intérieur de l'enceinte. Enfin, on appellere respectivement V1, V3 et V2 les volumes du cylindre DI de Ensemble des poulies P1, P2 et P3 et du cylindre D2. Les noyaux Df et D2 ont bien sûr une densité supérieure à celle du liquide. On comprend bien que sous l'action des variations du niveau x du liquide, les cylindres D1 et D3 vont se déplacer, ce qui entraîne une rotation des poulies P1 et P2. Cette rotation entraîne bien entendu une rotation de la poulie P3 qui entraîne elle-même donc une variation de la cote de l'axe commun aux poulies y. En réalité, cesmouvements se produisent simultanément et l'on observe seulement leur résultante. On a constaté que Si les dimensions des poulies et les caractéristiques physiques des cylindres et de ces poulies répon- daient à certaines conditions, les déplacements verticaux des cylindres et des poulies étaient proportionnels aux déplacement du niveau x du liquide et ceci quelles que soient les densités p et Pl, Si bien entendu les deux cylindres étaient partiellement immergés dans le liquide. Comme on l'a déjà exposé succinctement les conditions que doit remplir le dispositif sont les suivantes Les poulies et leurs équipages associés ainsi que les deux cylindres D1 et D2 doivent avoir la même densité globale, en d'autres termes, les rapports de leur masse sur leur volume doivent être égaux. Cela n'implique nullement que les cylindres D1 et D2 soient homogènes. L'autre condition est que le dispositif soit en équilibre indifférent lorsque les deux cylindres se trouvent soit totalement dans l'ambiance, soit totalement dans le liquide, soit totalement dans un milieu quelconque tel que l'air atmosphérique. Cela signifie, en d'autres termes, que dans cette hypothèse toutes les positions doivent être des positions d'équilibre. Si le dispositif vérifie ces deux conditions on obtient effectivement une relation linéaire entre la position des cylindres et le niveau x du liquide et ceci quelles que soient les densités du liquide et- du milieu ambiant, et plus précisément, quelles que soient leurs variations. On va maintenant justifier à l'aide de calculs simplifiés la réalisation du dispositif : L'équilibre des deux cylindres D1 et D2 et de l'ensemble des poulies se traduit par la relation suivante (m - p s(x-d) - #v (V1 - s(x-d)))(y - r) + ( -# vV3)Y P S(x-D) - #v(V2 - S(x-D)) (R-y soit (1) (S(R-r)-s(&gamma;-r))#-S(R-&gamma; )D+s(&gamma; -r)d = =M(R-&gamma;)-m(&gamma;-r)- &gamma;-#v(V2(R-&gamma;) -V1(&gamma;-r) -V3&gamma; Pl - Pv Les quantités Y, r, et R sont des valeurs algébriques repérées par rapport à l'axe X de la figure 1. On réalise la première condition précédemment indiquée, on-obtient la relation suivante : m ~ M = /V = # V1 - V2 - V3 Le deuxième membre E de l'équation (1) s'écrit (2) (M(R- &gamma; )-m(&gamma; -r)- &gamma;) # -# v =E #(#1- #v) La condition d'équilibre indifférent dans une seule phase quelconque (air atmosphérique de masse spécifique p par exemple) a se traduit par la relation (M-#aV2) (R-y ) - (m-#aV1) (y - r) - (p a V3)&gamma; = O soit puisque m/V1 = M/V2 = V3 = @ (M(R-y ) - m(&gamma; -r) - &gamma; ) (1 - Pq ) = O or # = # # donc 1 - #a/# 0 par suite l'équilibre indifférent se traduit par la relation M(R-y ) - m (y -r) - &gamma; = O on voit donc que dans ce cas E = O quelles que soient P1 et Cette condition entraIns que l'expression entre crochets doit autre nulle. Dans ce cas on a la relation (S(R-y) - s (y- r)) x-S(R- y)D+s(y -r)d = O On constate que cette relation est valable quelles que soient les valeurs de #v et de #l. Lorsque le niveau du liquide se déplace d'une quantité #x on a la relation (S(R- &gamma; )-s( y-r)) #X - S(R- y)ED + s (y -r)#d = O dans laquelle #D, #d représentent les déplacements correspondants des noyaux D1 et D2.Si la poulie a tourné d'un angle ## # , on a les relations # D = R-&gamma; (R-&gamma;)# # = #D d'où #d &gamma;-r - (&gamma;-r) ## = #d La quantité ## devant être négative, cela impose que y. doit être compris entre R et r, c'est-à-dire que le rayon algébrique de la poulie P3 doit être compris entre les rayons des poulies P1 et P2. En d'autres termes, la projection du câble C3 sur le plan des poulies doit être comprise entre les projections des câbles C1 et C2 sur ce même plan. On déduit les relations suivantes &gamma; - r 1 + S/S # #2 #x = 1 - S/S # # R - &gamma; et R - &gamma; 1 + S/S # # 2 &gamma; - r 1 - S # R - &gamma; # s Y-r De même, on a la relation : -y ## = #y dans laquelle #y représente les déplacements verticaux de l'ensemble des poulies. On déduit 1+ 5 (R - Y S &gamma; - r #x = (1 - r/&gamma;) #y 1 - S/S &gamma; - r il ressort des relations précédentes qu'on a bien linéarité entre le déplacement par exemple du cylindre D1 et les variations du niveau x du liquide. Il en est de même pour le cylindre D2 et l'ensemble des poulies P1, P2 et P3. On voit que cette relation ne dépend que des rayons des différentes poulies et des sections des cylindres D1 et D2, ce qui prouve bien qu'on a une relation linéaire entre les deux déplacements. Le calcul montre bien que las valeurs de #1 et #v importent peu et en particulier #vpeut être la masse spécifique dun liquide non miscible au liquide de masse spécifique P1 et dans ce cas on mesure les variations de niveau de l'interface. Un cas particulier intéressant parmi toutes les combinaisons possibles correspond au cas où le rayon de la poulie P3 est nul et où les valeurs absolues des rayons des poulies P1 et P2 sont égales(r = -R). Ce système se réduit alors à une balance à bras égaux pivotant autour de l'axe commun aux deux poulies. Il faut bien entendu que les sections S et s des deux cylindres soient différentes. On a représenté sur les schémas 2a, 2b, 2c, 2d,2e et 2f des différentes positions d'équilibre du système correspondant à différents niveaux du liquide. La figure 2a correspond à un niveau bas du liquide. Dans ce cas, les deux cylindres D1 et D2 s-e trouvent à l'extérieur du liquide et compte tenu de la deuxième condition on a un équilibre indifférent. La figure 2b correspond au cas d'un équilibre instable dans lequel l'extrémité inférieure du cylindre D1 affleure la surface du liquide. Sur la figure 2c, le niveau du liquide est plus élevé et les extrémités inférieures des cylindres D1 et D2 affleurent la surface libre du liquide, on a alors la position limite inférieure d'équilibre stable. La figure 2d correspond à une position quelconque d'équilibre stable ctest-à-dire que les cylindres D1 et D2 sont partiellement immergés dans le liquide. Sur laSfigure 2e, les deux cylindres D1 et D2 affleurent par leur extrémité supérieure le niveau libre du liquide, on a alors la position limite supérieure d'équilibre stable. Enfin, sur la figure 2f, les deux cylindres sont totalement immergés dans le liquide et l'on a une position d'équilibre indifférente dans la phase liquide. Il va de soi que le dispositif ne peut fonctionner que pour des niveaux de liquide compris entre le niveau limite cqrrespondant à la figure 2c et le niveau limite correspondant à la figure 2e. Sur cette figure on a repéré par la distance ExM la variation maximale de niveau. Bien entendu, l'un des cylindres D1 ou D2 est muni d'un dispositif de repérage de position de type classique. Comme on le voit d'après les équations, il existe beaucoup de solutions possibles et donc de modes de réalisation de ltappareil, la balance à bras égaux ne constituant qu'un cas très particulier. Sur les figures 3 et 4, on a représenté un mode de réalisation particulier du dispositif de mesure, correspondant au cas où les sections s et S des cylindres sont égales, et où les rayons r et detsens opposés, cssest-a-dire que les câbles C1 et C2 s'enroulent sur les poulies P1 et P2 dans des sens opposés. La référence 2 représente l'enceinte contenant le liquide dont on veut mesurer le niveau x, ce liquide étant en équilibre avec sa vapeur. L'enceinte 2 est fermée à sa partie supérieure par un couvercle 4 au moyen d'organes de verrouillage 6. L'enceinte ne fait pas bien entendu partie de l'invention. Le dispositif de mesure de niveau proprement dit comprend un organe mécanique portant la référence générale 8. Cet organe mécanique est- constitué par quatre poulies concentriques placées côte à côte et solidaires les unes des autres. OR trouve les deux poulies extrêmes 12 et 14 qui sont identiques et entre elles deux les poulies 16 et 18. Les poulies à gorge 12 et 14 jouent le rôle de la poulie P3 de la figure 1. Le dédoublement de cette poulie a simplement pour but d'accroître la stabilité de l'organe mécanique 8. Sur chacune de ces poulies est fixée l'une des extrémités des cibles 20 et 22. La deuxième extrémité de ces câbles est fixée sur l'extrémité des tues 24 boulonnées sur la plaque support 26. Celleci est elle-même rendue solidaire du couvercle 4 par une troisième tige 28. Les câbles 20 et 22 jouent le même rôle que le cable C3 de la figure 1. Le dispositif comprend également les deux cylindres creux 30 et 32 qui jouent le même rôle que les noyaux D1 et D2. Les deux cylindres ont sensiblement la même densité apparente. Ils comportent chacun des masses d'équilibrage 34 et 36 qui permettent de régler l'équilibre indifférent. Les noyaux 34 et 36 sont fixés à l'extré- mité des câbles 38 et 40 respectivement par les pièces 42 et 44. Le cible 38 correspondant au "gros'l noyau 30 est fixé à son autre extrémité sur la poulie 16, alors que le cible 40 est fixé à son autre extrémité sur la poulie 18. Afin de guider et limiter les noyaux dans leurs déplacements relatifs, la pièce de fixation 42 est munie d'un étrier 46 qui entoure une tige verticale 48 fixée à ses deux extrémités sur la pièce de fixation 44 du noyau 32. Pour détecter la position du noyau 30 et donc le niveau du liquide dans l'enceinte 2, la pièce de fixation 42 est munie d'une tige verticale 50 dont l'extrémité supérieure 52 constitue la partie mobile d'un capteur de déplacement. Ce capteur est par exemple un transformateur différentiel dont les bobinages 54 et 56 sont enfilés autour d'un tube vertical 58 situé à l'extérieur de l'enceinte 2 et dans lequel se déplace l'extrémité 52 de la tige 50. On associe bien sOr au capteur de position un circuit de traitement de type connu qu'on n'a pas représenté sur les figures. De préférence, les câbles sont constitués par des rubans en acier spécial de 5/100 de millimètres. Dans ce mode de réalisation, le petit noyau a une longueur de 80 mm et le grand a une longueur de 250 mm. La poulie 16 a un diamètre de gorge de 38 mm, la poulie 18 a un diamètre de 28 mm, et les poulies 12 et 14 un diamètre de 24 mm. Ce dispositif permet de détecter des variations de niveau du liquide de I à 2mm, et le niveau pouvant varier de 160 mm. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure du niveau de l'interface entre un liquide contenu dans une enceinte, ledit niveau étant susceptible de varier, et un milieu ambiant surmontant ledit liquide, caractérisé en ce qu'il comprend un organe mécanique, deux noyaux cylindriques partiellement immergés dans ledit liquide et dont la densité est supérieure à celle dudit liquide, les mouvements verticaux desdits noyaux, causés par les mouvements de l'interface, entraînant des déplacements verticaux dudit organe mécanique, les mouvements verticaux desdits noyaux étant dans des sens opposés, ledit organe mécanique étant en équilibre sous l'action desdits noyaux et dtorganes de sustentation solidaire de la partie supérieure de ladite enceinte, ledit organe mécanique et lesdits noyaux ayant la même densité globale, et ayant des caractéristiques physiques telles que l'ensemble soit en équilibre indifférent lorsque ledit organe mécanique et lesdits noyaux se trouvent entièrement dans ledit liquide ou dans ledit milieu ambiant, et des moyens pour détecter la position d'un desdits noyaux. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit organe mécanique-est constitué par trois ensembles de poulies à axe horizontal, lesdites poulies étant liées les unes aux autres, les poulies d'un même ensemble ayant toutes le même diamètre, le premier ensemble de poulies coopérant avec les moyens de sustentation, le deuxième ensemble comportant une seule poulie sur laquelle peut s'enrouler un premier câble dont une extrémité est fixée à ladite poulie et dont l'autre extrémité est fixée au premier noyau, le troisième ensemble de poulies comportant une seule poulie sur laquelle peut s'enrouler un deuxième câble dont une extrémité est fixée sur ladite poulie et dont l'autre extrémité est fixée sur le deuxième noyau, la projection sur le plan des poulies des moyens de sustentation étant située entre les projections des premier et deuxième câbles. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier ensemble de poulies comprend deux poulies et en ce que les moyens de sustentation sont constitués par deux câbles identiques aptes à s'enrouler sur les poulies du premier ensemble, une extrémité desdits câbles étant fixée sur lesdites poulies1 l'autre extrémité desdits câbles étant fixée à l'extrémité supérieure de ladite enceinte. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les poulies du premier ensemble sont disposées de part et d'autre des poulies du deuxième et du troisième ensembles. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le premier et le deuxième câbles s'enroulent sur les poulies correspondantes dans le même sens. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les premier et deuxième câbles s'enroulent sur les poulies correspondantes dans des sens opposés. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les poulies du premier ensemble ont un diamètre sensiblement nul et en ce que la poulie des deuxième et troisième ensembles ont le même diamètre et en ce que lesdits noyaux ont des sections droites différentes. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens pour détecter la position d'un desdits noyaux sont constitués par une tige verticale dont l'extrémité inférieure est fixée sur ledit noyau et dont l'autre extrémité constituée par un matériau magnétique peut se déplacer à l'intérieur de deux bobinages fixes d'un transformateur différentiel. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour détecter la position dudit organe mécanique.