Brevet FR2495318A1 — publié le 19820604

La présente invention concerne les systèmes de mesure de pression des fluides et, plus particulièrement, un système de mesure du niveau d'un liquide par transmission hydrostatique, comportant des moyens de compenser les variations de pression d'une colonne liquide de référence en fonction de la température. Un exemple typique de l'art antérieur est un système de mesure d'un niveau liquide décrit dans le brevet des E.U.A. n0 3 853 006 délivré le 10 décembre 1974. Un tel système de mesure de niveau peut utiliser un manomètre différentiel d'un type décrit par les brevets des E.U.A. n0 2 632 474 et nO 2 664 749, délivrés respectivement les 24 mars 1953 et 5 janvier 1954. Les manomètres différentiels classiques peuvent comporter des entrées et sorties raccordées à des colonnes de liquide, mais aucune de ces colonnes n'est chargée par un ressort ou compensée en température ainsi que le prévoit la présente invention. Un système de compensation en température conforme à l'invention est caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens de faire varier la charge exercée sur une colonne liquide d'une quantité propre à compenser le changement de hauteur de la colonne et/ou de densité du liquide. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, faite à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures annexées qui représentent: - la figure 1, une vue schématique d'un système classique de mesure du niveau d'un liquide; - la figure 2, une vue schématique d'une réalisation du système précédent, conformément à l'invention; - la figure 3, des courbes représentatives des variations de la densité et du volume de l'eau en fonction de la température; - la figure 4, des courbes représentatives de quatre fonctions de la température utiles à la compréhension du système de compensation de l'invention; - la figure ô, une variante conforme à l'invention du système de la figure 2. Dans le système de la figure 1, un réservoir 10 contient de l'eau 11 et de la vapeur 12, en général à une pression supérieure à la pression atmosphérique. Un capteur 13 contient la quantité d'eau 14 qui remplit un tube capillaire 15. L'eau]l est transmise du réservoir 10 à un 2 2495318 dispositif de mesure de pression 17, ou manomètre différentiel MD, par un tube capillaire 16. le capteur 13 communique avec le manomètre MD par le tube capillaire 15 et avec la partie supérieure du réservoir, remplie de vapeur, par un tube capillaire 18a Un indicateur 19 est connecté au manomètre 17 pour indiquer la différence entre les pressions dans les tubes capillaires et 16. Ces deux appareils sont entièrement classiques. Le signal de sortie du manomètre peut aussi constituer une indication directe ou contrôler un processus. Le système de l'invention, représenté figure 2, est analogue au précédent, mais le récipient de condensat ou capteur 13 et les tubes capillaires 15 et 18 sont remplacés respectivement par le capteur 20 et les tubes 21 et 22. Dans l'enveloppe 23 du capteur 20, un soufflet 24 assez souple, donc de faible constante élastique, est soudé à la plaque de base 26 sur toute la périphérie de son extrémité ouverte 25, cette soudure devant être étanche. Le diamètre interne du tube capillaire 21 est plus petit que celui de l'ouverture 25 du soufflet. L'expansion de l'eau dans le tube 21 en raison d'un accroissement de la température ambiante fait ainsi monter l'extrémité supérieure du soufflet, mais son déplacement est plus faible que celui de l'eau dans le tube capillaire en direction de cette extrémité. Un ressort hélicoïdal 27. de constante élastique définie, résiste au mouvement vers le haut du soufflet 24. Comme on va l'expliquer dans ce qui suit, cette constante est choisie pour compenser efficacement le changement de masse volumique ou de densité de l'eau dans le tube capillaire 21. Les courbes D et E de la figure 3 représentent la variation de densité et l'expansion volumétrique de l'eau, respectivement, entre les deux températures extrêmes de 21 et 2160 C. La masse volumique de l'eau à 210 C est prise pour référence de sorte que la densité D à 21 C est égale à 1 et la densité Dt à 2160 C est égale à 0,85. En pourcentage, l'expansion E est définie comme E = 100 CL - 1) La rourbe t) est également représentée figure 4, au-dessus de trnis autres fonctions de la température, mais à une échelle différente. Dans la figure 1, une colonne d'eau de référence applique une pression hydrostatique au manomètre différentiel 17. Si la température ambiante s'accroit, la densité de l'eau est réduite et le changement de pression hydrostatique de référence entraîne une lecture trop "forte" de l'indicateur 19. Si b = 0, D = 0,85, le décalage de.zéro Zd est de + 15%. Le manomètre 17' et l'indicateur 19' de la figure 2 peuvent être du type décrit par l'un des brevets des E.U.A. précités, ou bien le système différentiel scellé "Modèle 354" de la Société ITT Barton. Le ressort 27 est un ressort-calibré qui s'appuie sur le soufflet 24 et développe une "contre-pression" sur le manomètre 17'. Quand l'eau se dilate dans le tube capillaire 21 en raison d'un accroissement de la température, le soufflet 24 s'étend vers le haut contre l'action du ressort et produit ainsi un décalage du zéro "négatif" au manomètre 17'. Le décalage du zéro pour les systèmes des figures 1 et 2 peut être calculé de la façon suivante: à 21 C, la pression hydrostatique de la colonne de référence est P = (a+b)D en mètres d'eau à 2160 C, elle devient Pt = PoDt d'o Pt = (a+b)DoDt (2) En pourcentage, le décalage du zéro Z au manomètre 17 est Z = (Pn-Pt) 100 (3) a soit Z l0ODo(l-D) (a+b) (4) a Si le changement de longueur du soufflet est dL (rapport du changement de volume d'eau dV à la surface efficace A du soufflet 24), de l'expression: d VE dr'= _1 a-O VE (5) il ressort que dL - 100A (5) ou encore dL = (1 1 (6) t d'après l'équation (1). Pour exprimer la constante élastique K du ressort 27 en unités de force (newton) par unité de longueur (mètre), la pression P = Po - Pt = (a+b) (1-Dt)D0 exprimée en mètres d'eau doit être multipliée par un facteur K égal au poids volumique de l'eau à 21 C (N.m) pour obtenir la pression en pascals (N.m -2). Donc: K = Ko A Do(a+b) (1-Dt) (7) dL 4 2495318 et la valeur de dL étant donnée par l'expression (6) K Ko A2Do(a+b) (l-Dt) (8) K;: - l) Dt Si, par exemple, la surface efficace du soufflet est de 48,5 cm2, a = 2,03 m, b = 0,38 m, V = 245 cm, et Do = Dt =0,85 comme indiqué figure 3, on obtient: K 0,23 x 2,41 x 0,15 = 1920 N.m -1 245.10-6 x 0,176 du ait. qe 10 =023 du fait que Ko = A2 pour la surface indiquée. (A2. 2352,25.10-8 m4 et Ko = 998 x 9,807 = 9788 N.m 3, d'ob KoA2 = 0,23). Le décalage du zéro d'un système non compensé placé dans le cas précédent est donné par l'expression (4): x 2,41 x 0,15 17,8 (9) 2,03 = Dans le système compensé par le ressort, l'augmentation de -6 3 volume dV 245.10 x 0,176 = 43,24 cm entraîne la compensation du ressort sur la longueur dL = d 4324.10-6 8,g9 mmn. Le ressort est es s r gu-A 48,5.10-4 donc comprimé par la force F = K dL = 1920 x 8,9.10-3 = 17,1 N. D'o 17,1 la pression: P = 171 = 3525 Pa. 4B,5.10-4 Le décalage "négatif" du zéro dû à cette pression sur le soufflet est donc P 3525 = 0,178 -o a -9788 x 2,03:0,178 ou Z' = -17,8% (10) ce qui compense le décalage Z donné en (9). On notera les points suivants: a) Les valeurs de la masse volumique de l'eau en fonction -3 de la température, notamment 998 kg.m-3 à 21 C, sont fondées sur des conditions de saturation. b) La pression hydrostatique due à la dilatation du soufflet n'est pas prise en compte. c) L'augmentation du diamètre interne des tubes est négligée. d) La modification du module d'élasticité des métaux est également négligée. e) La caractéristique du ressort peut être choisie non 2 495 3 18 linéaire pour obtenir une compensation complète. f) L'essai du système peut s'effectuer à froid en injectant une quantité d'eau supplémentaire de volume dV, ou à chaud, au moyen d'éléments calorifiques tels qu'une gaine chauffante. Le système de la figure 5 peuit être identique à celui de la figure 2, excepté le fait que la partie verticale principale du tube capillaire 21' a un diamètre interne assez grand comparé à celui des extrémités du tube. En outre, la distance C est assez grande et un capteur 28 est connecté entre le réservoir 29 et le manomètre différentiel 30 au moyen des tubes capillaires 31 et 32. Le capteur 28 peut être identique au capteur 33 ou 20, avec le même ressort 27' ou 27. L'indicateur 34 peut aussi être analogue à l'indicateur 19'. Le plus grand diamètre de la partie principale du tube 21' entraîne un taux de dilatation de l'eau plus important que dans les autres parties sur la distance C. La partie principale verticale "inonde" donc les petits tubes capillaires et fournit avec précision la pression correcte. Dans le système de la figure 5, le ressort 28 compense toute erreur due à la température pour les tubes capillaires 31, 32 entre le réservoir 29 et le manomètre 30. La partie élargie au raccordement du tube dans le soufflet réduit la quantité d'eau nécessaire à la dilatation du soufflet. Le raccord est amovible pour permettre l'accès à l'intérieur du capteur. La compression initiale du ressort peut être réglée par un système visécrou qui maintient le ressort à la partie supérieure de l'enveloppe du capteur. Il est également utile de noter qu'un piston muni d'un segment d'étanchéité peut être substitué à l'un ou l'autre des soufflets représentés. L'expression générale "dispositif à extension et contraction" ou toute autre expression analogue peut donc s'appliquer à un soufflet, un piston ou un dispositif similaire. le ressort hélicoïdal représenté dans les figures 2 et 5 peut aussi être un autre type de ressort, par exemple un ressort à lames. SS Un capteur muni d'un soufflet à ressort peut être connecté à l'entrée haute pression ou basse pression du manomètre différentiel, ou à chacune de ces entrées. Dans la figure 1, par exemple, les extrémités inférieures des tubes capillaires 15 et 16 sont respective- ment les entrées basse et haute pression. 6 2495318 REVENDICATIONS 1. Système hydrostatique compensé en température, comprenant une enveloppe étanche dont l'intérieur constitue une chambre, dont un orifice d'entrée permet l'admission d'un fluide sous pression dans ladite chambre et dont une paroi est percée d'une autre ouverture, et un conduit rempli d'un liquide incompressible dont la dilatation est une fonction déterminée de la température, la première extrémité de ce conduit étant scellée de manière étanche dans ladite ouverture et sa deuxième extrémité étant fermée de manière également étanche par un dispositif de mesure de pression, caractérisé par le fait que ladite chambre contient un soufflet (24) dont la paroi longitudinale extensible est fermée à une extrémité libre et scellée à l'autre extrémité (25) sur toute sa périphérie, autour et à une certaine distance de ladite ouverture, sur la surface interne de ladite paroi (26) de l'enveloppe étanche (23), ledit liquide incompressible pénétrant à l'intérieur dudit soufflet, et un ressort (27) monté de manière à exercer sur ladite extrémité libre du soufflet une force proportionnelle à l'extension et à la contraction dudit soufflet par rapport à ladite ouverture, la constante élastique dudit ressort étant telle que la pression dans ledit conduit (21) à l'entrée dudit dispositif de mesure de pression (17') est maintenue constante, non seulement quand la pression à l'intérieur de la chambre et à l'extérieur du soufflet est constante, mais aussi quand la température dudit liquide varie d'une quantité déterminée, dans une gamme définie, à un endroit quelconque du système. 2. Système de mesure du niveau d'un liquide comprenant une première enveloppe étanche dont l'intérieur constitue une chambre, un réservoir contenant le liquide et raccordé à un orifice d'entrée de la première enveloppe par laquelle le liquide ou la vapeur de liquide sous pression est admise à l'intérieur de ladite chambre, une paroi Sf de l'enveloppe étanche étant percée d'une autre ouverture, et un conduit rempli d'un liquide incompressible dont la dilatation est une fonction déterminée de la température, la première extrémité de ce conduit étant scellée de manière étanche dans ladite ouverture et sa deuxième extrémité étant fermée de manière également étanche par un dispositif de mesure de pression, caractérise par le fait que ladite chambre contient un soUtfflet (24) dont la paroi longitudinale extensible est fermée à une extrémité libre et scellée à l'autre extrémité sur toute sa périphérie, autour et à une certaine distance de ladite ouverture, sur la surface 2 495318 interne de ladite paroi (26) de l'enveloppe étanche (23), ledit liquide incompressible pénétrant à l'intérieur dudit soufflet, et un ressort (27) monté de manière à exercer sur ladite extrémité libre du soufflet une force proportionnelle à l'extension et à la contraction dudit soufflet par rapport à ladite ouverture, la constante élastique dudit ressort étant telle que la pression dans ledit conduit (21) à l'entrée dudit dispositif de mesure de pression (17') est maintenue constante, non seulement quand la pression à l'intérieur de la chambre et à l'extérieur du soufflet est constante, mais aussi quand la température dudit liquide varie d'une quantité déterminée, dans une gamme définie, b un endroit quelconque du système, ledit dispositif de mesure de pression comportant un manomètre différentiel (17'), un conduit (16') raccordant ledit réservoir (10') à ce manomètre en un point inférieur à l'orifice d'entrée de ladite première enveloppe étanche et un dispositif d'utilisation (19') connecté audit manomètre. 3. Système conforme à la revendication 2, caractérisé par le fait que le dispositif d'utilisation comprend un moyen d'indication (19') de l'excès de pression dans ledit conduit (21) communiquant avec le soufflet à ressort de ladite chambre, par rapport à la pression dans ledit conduit intérieur (16') entre le réservoir et le manomètre différentiel. 4. Système conforme à la revendication 3, caractérisé par le fait que le ressort a une constante élastique K exprimée par K = Ko A2 Do(a+b) (l Dt) V(lD i) Dt o K0, A, a, b et V sont des constantes, Do est la densité du liquide incompressible à une température inférieure donnée et Dt sa densité à une température supérieure déterminée. 5. Système conforme à la revendication 4, caractérisé par le fait que D0 et Dt étant sans dimension, K. est un facteur de conversion de k en unités de fbrce par unité de longueur d'extension ou de contraction du soufflet, a et b sont des mesures de longueur, V est le volume de liquide soumis à la température ambiante et A est la surface efficace du soufflet (24). 6. Système conforme à la revendication 4, caractérisé par le fait que 100 a est un niveau de liquide en pourcentage de la hauteur a+b totale du système et V est le volume de liquide soumis à la température ambiante. 7. Système conforme à la revendication 6, caractérisé par le fait que K0 est le poids volumique du liquide en newton par mètre cube à ladite température inférieure et A la surface efficace du soufflet (24) en mètre carré, de sorte que la constante élastique newton par mètre. 8. Système conforme à la revendication 6, caractérisé par le fait que la densité Do est prise comme unité et que la densité Dt est exprimée comme une fraction de Do à une température supérieure à 1500 C. 9. Système conforme à la revendication 8, caractérisé par le fait que Dt est la densité du liquide à 2160 C et D sa densité à 210 C. 10. Système conforme à la revendication 2, caractérisé par le fait que le conduit de raccordement du réservoir au manomètre différentiel comprend une deuxième enveloppe étanche (28) essentiellement identique à ladite première enveloppe (23,33) et dont la structure interne est également de même type. il. Système conforme à la revendication 10, caractérisé par le fait que le conduit (21') raccordé à la première enveloppe étanche (33) a un diamètre plus grand dans une partie voisine de cette enveloppe que dans les autres parties. 12. Système conforme à la revendication 11, caractérisé par le fait que le dispositif d'utilisation comprend un indicateur de pression différentielle (34).