Brevet FR2439399A1 — publié le 19800516

L'invention concerne un densimètre à vibrations pour liquide du type dans lequel le liquide dont on veut mesurer la densité circule librement dans une cellule de mesure que l'on fait vibrer a sa fréquence de résonance, cette fréquence variant en fonction de la densité du liquide circulant dans la cellule de mesure. Dans les densimètres de ce type, la fréquence de vibration de la cellule de mesure est généralement detectée à l'aide d'un capteur, puis convertie soit en courant, soit en tension avant d'être dirigée vers un appareil indicateur ou enregistreur permettant de mesurer en continu la masse volumique du liquide circulant dans la cellule. On connait notamment deux densimètres a vibrations de ce type, dans lesquels la cellule de mesure est constituée respectivement, soit par deux tubes parallèles fixés à un support commun Far leurs extrémités, soit par un tube en U maintenu rigidement a ses deux extrémités. Dans les deux cas, le meme liquide circule dans deux tubes parallèles que l'on fait vibrer en opposition, ce qui permet notamment d'annuler les réactions mécaniques du système. Dans ces deux appareils connus, la masse de la cellule de mesure est relativement importante par rapport à la masse du liquide en circulation, ce qui implique que les variations de la fréquence de vibration de la cellule de mesure lorsqu'on y fait circuler des liquides de différentes densités sont relativement faibles par rapport a la fréquence de vibration de la cellule lorsque celle-ci vibre a sa fréquence propre. I1 en résulte que ces appareils présentent une précision de mesure relativement faible qui ne peut être compensez que par une électronique de traitement très complexe. L'invention vise principalement a améliorer la précision des densimètres a vibrations pour liquide sans qu'il soit nécessaire de recourir a une électronique de traitement trop coûteuse. Dans ce but, l'invention a pour objet un densimètre a vibrations pour liquide comprenant une cellule de mesure dans laquelle circule le liquide dont on veut mesurer la densité, un dispositif d'excitation susceptible de faire vibrer la cellule de mesure à sa fréquence de résonance, un dispositif de détec tion délivrant un signal proportionnel a la fréquence de vibration de la cellule et un dispositif indicateur sensible a ce signal pour afficher la densité du liquide, caractérisé en ce que la cellule de mesure comprend deux tubes concentriques définissant un tube interne et un tube externe par une première extrémité desquels arriveet repart le liquide, le tube externe étant fermé et évasé a sa seconde extrémité pour définir un reservoir dans lequel débouche le tube interne. Grâce au réservoir formé à la. base du tube externe, la cellule de mesure d'un densimètre réalisé conformément à la présente invention est susceptible de recevoir une quantité de liquide suffisamment. importante pour que le rapport entre la masse de la cellule de mesure et la masse du liquide en circulation dans cette dernière soit sensiblement réduit par rapport aux appareils connus. La sensibilité du densimètre s'en trouve améliorée, sans qu'il soit nécessaire de recourir å un circuit électronique de traitement complexe. En outre, la disposition des deux tubes constituant la cellule de-façon concentrique permet de réduire sensiblement lI encombrement de celle-ci bien que le tube externe soit évasé à sa base. Conformément a une caractéristique secondaire de l'invention, le dispositif d'excitation comprend un moteur électrodynamique sensible au signal sinusoïdal délivré par le dispositif de détection, de telle sorte que la vibration de la cellule est entretenue automatiquement. Cette caractéristique permet l'entretien d'une oscillation dont la fréquence est fonction du poids de la cellule et se cale automatiquement sur la fréquence de résonance de l'ensemble. On décrira maintenant à titre d'exemple non limitatif un mode de réalisation particulier de l'invention, en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue de face d'une cellule de mesure prévue pour être intégrée dans un densimètre a vibraticns réali sé conformément à l'invention - la figure 2 est une vue de côté, en coupe partielle, de la cellule de mesure représentée sur la figure 1, et - la figure 3 représente de façon schématique un densimètre incorporant la cellule de mesure représentée sur les figures 1 et 2. La cellule de mesure représentée sur les figures- 1 et 2 est portée par une ossature composée d'un support 10, de préférence vertical susceptible as entre fixé au moyen de supports élastiques (non représentés) sur une paroi verticale. Le support 10 peut être recouvert pa-r un capot- 12 qui assure a la fois une protection mécanique et magnétique de la cellule 14. La cellule 14 est de préférence réalisée en quartz afin d'éviter sa corrosion et elle comprend un tube interne 16 et un tube externe 18 disposé de façon concentrique par rapport au tube 16. Les tubes 16 et 18 sont sensiblement verticaux et rendus solidaires l'un de l'autre a leur extrémité supérieure. La cellule 14 ainsi constituee est fixée rigidement par sa partie supérieure au support vertical 10 au moyen de deux pieces 20 et 22 entre lesquelles la cellule se trouve serrée par deux boulons 24.Le liquide dont on veut mesurer la densité est introduit de préféren- ce par l'extrémité supérieure du tube interne 16 et ressort par l'autre extrémité de ce dernier, qui débouche l'intérieur d'un réservoir 26, sensiblement sphérique, défini par une partie évasée formée a la base du tube externe 18. Le liquide remonte ensuite dans l'espace annulaire défini entre le tube interne 16 et le tube externe 18 pour ressortir par un coude 28 formé à l'extrémité supérieure du tube externe. Bien que l'écoulement du liquide dont on veut mesurer la densité soit plus facile dans ce sens, on peut cependant envisager une variante dans laquelle cet écoulement s'ef fectuerait dans le sens inverse, ctestadire de l'extrémité supérieure du tube externe vers l'extrémité supérieure du tube interne Les sections relatives du tube interne 16 et de l'espace annulaire défini entre le tube interne 16 et le tube externe 18 sont sans incidence sur le fonctionnement de la cellule, mais seront choisies de préférence voisines de façon à ne pas entra ver l'écoulement du liquide. Le liquide est amené à l'extrémité supérieure du tube interne 16 par un tuyau souple 30 et il est évacue a l'extrémité supérieure du tube externe 18 par un tuyau scuple 32. Les tuyaux 30 et 32 sont réalisés, de préférence, en vinyle afin d'éviter la corrosion, et ils sont fixés de façon étanche à l'extrémité de chacun des tubes 16 et 18 par exemple a l'aide d'une gaine thermorétractable dans laquelle sont disposés un ou plusieurs joints toriques. Les tuyaux souples 30 et 32 sont recourbés à 1800 de façon à déboucher tous deux à la base du support vertical 10 comme l'illustrent les figures 1 et 2. Afin de faire vibrer la cellule de mesure 14 à sa fréquence de résonance, un dispositif d'excitation constitué par un moteur électrodynamique 34 est disposé à peu près a mi-chemin entre les pièces de fixation 20 et 22 et l'extrémité du réservoir 26 entre le support vertical 10 et la cellule de mesure 14. Le moteur électrodynamique 34 est composé d'un aimant annulaire avec culasse 36 et noyau 38 en acier doux fixé rigidement au support vertical 10 et d'un bobinage 40 fixé ri gidement à la cellule de mesure 14 de façon a se déplacer dans l'entrefer réduit défini entre la culasse 36 et le noyau 38 dans lequel il est soumis au champ magnétique constant créé par l'aimant. Le bobinage 40 est alimenté par un signal sinusoïdal provenant d'un circuit électronique qui sera décrit par la suite en se référant à la figure 3.La mise sous tension du moteur élec trodyramique 34 a donc pour conséquence de faire vibrer la cellule de mesure 14 comme representé schématiquement en traits mixtes sur la figure 2. La cellule de mesure 14 étant fixée a la paroi 10 par sa partie supérieure, l'amplitude des vibrations engendrée par la mise sous tension du moteur électrodynamique 34 est la plus grande à la base du réservoir 26, c'est pourquoi c'est à cet endroit que l'on a placé un dispositif de détection oonstitué par un capteur électromagnétique 42 solidaire du support 10 et par un aimant 44 solidaire du tube 18 a la base du réservoir 26 dans le prolongement du tube 16. Lorsque la cellule 14 vibre à sa fréquence de résonance, le capteur 42 délivre un signal électrique sinusoïdal dont la fréquence est inversement proportionnelle à la densité du liquide parcourant la cellule 14. Sur la figure 3, on a représenté schématiquement l'ensemble du densimètre à vibrations réalisé conformément à l'invention, et comprenant notamment la cellule de mesure 14, le moteur électrodynamique 34, le capteur électromagnétique 42 et son aimant 44, et erfin le circuit électronique de traitement du signal en provenance du capteur 42 et d'alimentation du moteur 34. Le signal sinusoïdal délivré par le capteur électromagnétique 42 est envoyé dans un amplificateur basse fréquence 46 au travers d'un potentiomètre 48 destiné à ajuster le niveau du signal d'entrée de l'amplificateur 46. Conformément a une caractéristique secondaire de 1' in- vention, le signal de sortie de l'amplificateur 46 est tout d'abord utilisé pour alimenter le bobinage du moteur électrodynamique 34 au travers d'une lampe à filament 4q assurant l'amortissement des variations d'amplitude du signal tout en permettant un contrôle visuel automatique du gain de l'amplificateur 46. La cellule 14, le capteur 42, l'amplificateur 46 et le moteur 34 constituent ainsi une boucle fermée qui permet de réaliser un circuit oscillant dont la fréquence est fonction du poids de la cellule 14 et se cale automatiquement sur la fréquence de résonance de l'ensemble. Le signal sinusoïdal délivré par le capteur 42 et amplifie par l'amplificateur 46, dont la fréquence est représentative de la densité du liquide circulant dans la cellule de mesure 14, est également communiqué à l'entrée d'un convertisseur fréquence/ tension 50 qui délivre un signal de tension continu dont le niveau est proportionnel à la fréquence de vibration de la cellule de mesure 14. Le signal délivré par le convertisseur fréquence/ tension 50, qui est donc représentatif de la densité du liquide circulant dans cette dernière, alimente un amplificateur opérationnel 52 monté en seuil réglable et dont le gain est de pré réfence de -1 de façon à délivrer un signal de sortie qui soit directement proportionnel à la densité du liquide analysé. La seconde entrée de l'amplificateur opérationnel 52 est reliée à la masse par 1' intermédiaire d'un potentiomètre 54 grâce auquel la tension de sortie de l'amplificateur peut être ajustée de façon à obtenir une tension nulle lorsqu'on fait circuler de l'eau, de densité 1,000, dans la cellule de mesure 14, et une tension positive lorsque la densité du liquide est supérieure à 1. Da atténuateur avec réglage de gain 56 est hranché à la sortie de l'amplificateur opérationnel 52 de façon à obtenir une tension de sortie permettant l'affichage direct de la densité à mesurer sur un dispositif indicateur constitué par un volt- mètre numérique 58. L'atténuateur 56 est relié au point haut du voltmètre 58, tandis que le point bas de ce dernier reçoit une tension negative appliquée à l'aide d'un diviseur potentiométrique réglable 60 qui permet d'obtenir l'affichage du chiffre 1,009 sur le voltmètre numerique 58 lorsque la masse volumique du liquide qui circule dans la cellule de mesure 14 3 est de 1 g/cm3. Le fonctionnement du densimètre à vibrations pour liquide selon l'invention est le suivant La mise sous tension du moteur électrodynamique 34 a pour consequence le déplacement alternatif du bobinage 40 dans l'entrefer défini entre la culasse 36 et le noyau 38. Ce déplacement alternatif du bobinage 40, de gauche à droite en conside- rant la figure 2, est dA å l'alimentation du bobinage 40 par un signal électrique sinusoldal. Il en résulte une vibration de la cellule de mesure 14 représentée schématiquement en traits mixtes sur la figure 2 et dont l'amplitude la plus grande est située à la base du réservoir 26. L'aimant 44 se déplace donc alternativement dans le sens indiqué par les flèches sur la figure 2 par rapport au capteur électromagnétique 42, de telle sorte que ce dernier émet un signal sinusoïdal dont la fréquence correspond à la fréquence de vibration de la cellule de mesure 14. La fréquence du signal délivré par le capteur 42 est donc inversement proportionnelle à la densité du liquide circulant dans la cellule de mesure 14. Le signal en provenance du capteur 42 est amplifié par l'amplificateur basse-fréquence 46 dont le gain a été réglé auparavant au moyen du potentiomètre de niveau d'entrée 48, par exemple en faisant rougir le filament- de la lampe 49 lorsque de l'eau circule dans la cellule de mesure 14. Ce signal amplifié alimente le moteur électrodyramique 34 de façon à entretenir l'oscillation de la cellule de mesure 14 et à provoquer son calage automatique sur la fréquence de résonance de l'ensemble. Parallèle ment, le signal amplifié délivré par l'amplificateur 46 est transformé dans le convertisseur fréquence-tension 50 en un signal de tension continu dont ltamplitude est proportionnelle à la fréquence du signal d'entrée et donc inversement proportionnelle a la densité du liquide circulant dans la cellule 14.Ce signal de tension continu alimente I'amplificateur opérationnel 52, préalablement étalonné grâce au potentiomètre 54 de façon à obtenir une tension nulle a la sortie de l'amplificateur lorsqu'on fait circuler de l'eau dans la cellule de mesure 14. Le signal de sortie de l'amplificateur 52, inversé par rapport au signal d'entrée, représente alors la différence entre la densité du liquide que l'on fait circuler dans la cellule de mesure 14 et la densité de l'eau, c'est-à-dire 1,000. Ce signal de sortie alimente le voltmètre 58 au travers du potentiomètre de réglage de gain 56, ce dernier ayant été-pr8a- lablement réglé l'aide d'un liquide de densité connue supé- rieure à 1, par exemple de l'eau salée, de telle sorte que la valeur de la densité à mesurer s'affiche directement sur l'échelle graduée du voltmètre 58.- Le réglage du zéro du voltmètre 58, qui est également effectué avant toute mesure, est réalisé à l'aide du potentiomètre 60 que l'on règle de façon a afficher la valeur 1, 000 lorsque de l'eau circule dans la cellule de mesure 14. I1 ressort de ce qui précède que l'invention permet de réaliser un densimètre à vibrations pour liquide de précision relativement bonne sans nécessiter un système électronique de mesure trop complexe. Ce résultat est obtenu principalement grace a la structure particulière de la cellule de mesure 14 dont le réservoir 26 permet de réduire sensiblement le rapport entre la masse de la cellule de mesure et la masse du liquide en circulation dans celle-ci par rapport aux densimètres à vibrations connus antérieurement.Ainsi, une précision de + 1% peut être obtenue dans la gamme de densité comprise entre l.g/cm3 et 3 1,2 g/cm , pour des températures variant entre 10 C et 60 C, à l'aide d'un circuit électronique particulièremer.t simple. Dans les cas où une précision plus grande doit entre obtenue ou si la cellule de mesure 14 est réalisée en un matériau autre que du quartz, il peut s' avérer utile de prévoir un dispositif de correction automatique de température, d'un type connu en soi, que l'on dispose alors entre le point bas du voltmètre numérique 58 et le potentiomètre 60. Cependant, un tel dispositif n'est pas nécessaire lorsque la cellule de mesure est réalisée en quartz et lorsque la précision désirée ne dépasse pas + 1% dans la gamme de températures allant de 100C à 600C. REVENDICATIONS 1. Densimètre à vibrations pour liquide, comprenant une cellule de mesure dans laquelle circule le liquide dont on veut mesurer la densité, un dispositif d'excitation susceptible de faire vibrer la cellule de mesure à sa fréquence de résonance, un dispositif de détection délivrant un signal proportionnel à la fréquence de vibration de la cellule et un dispositif indicateur sensible à ce signal pour afficher la densité du liquide, caractérisé en ce que la cellule de mesure comprend deux tubes concentriques définissant un tube interne et un tube externe par une première extrémité desquels arrive et repart le liquide, le tube externe étant fermé et évasé à sa seconde extrémité pour définir un réservoir dans lequel débouche le tube interne. 2. Densimètre à vibrations selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux tubes sont rendus solidaires l'un de l'autre au voisinage de leur première extrémité. 3. Densimètre à vibrations selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les deux tubes sont sensiblement verticaux, le réservoir dans lequel plonge le tube interne étant formé à la base du tube externe. 4. Densimètre à vibrations selon liune quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liquide dont on veut mesurer la densité pénètre par la première extrémité du tube interne et sort par la première extrémité du tube externe. 5. Densimètre à vibrations selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cellule de mesure est fixée rigidement à un support au niveau de la première extrémité des tubes qui la constituent et en ce que le dispositif de detection comprend un capteur sensible aux vibrations engen drées par le dispositif d'excitation au niveau du réservoir formé à la seconde extrémité du tube externe. 6. Densimètre à vibrations selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif de détection comprend un aimant solidaire du réservoir formé à la seconde extrémité du tube externe et en ce que le capteur, de type électromagnétique, est fixé de façon rigide audit support. 7. Densimètre à vibrations selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que le dispositif d'excitation est disposé sensiblement à mi-chemin entre le capteur et la première extrémité des tubes fixée rigidement au support. 8. Densimètre à vibrations selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif d'excitation comprend un moteur électrodynamique sensible au signal sinusoïdal délivré par le dispositif de détection, de telle sorte que la vibration de la cellule est entretenue automatiquement.