Brevet FR2517058A1 — publié le 19830527

La présente invention concerne un dispositif pour mesurer la concentration de particules véhiculées par un liquide dans une conduite, des sondes de mesure étant disposées dans la paroi de cette conduite, en contact avec le liquide. Dans la mesure de la concentration de particules dans un liquide pratiquement immobile, par exemple en relation avec l'épuration des eaux résiduaires urbaines et industrielles, il est connu d'utiliser des moyens photométriques, avec une lumière infrarouge pulsée (cf. brevet sue- dois NO 382 116). Ce procédé a ses limites et il est principalement applicable à des liquides immobiles, dont la température est sensiblement constante. Avec une température variable, il donnerait lieu à des erreurs de mesure importantes. Il présente en outre d'autres inconvénients, comme la nécessité de nettoyer les sondes de mesure après un temps d'utilisation relativement court, pour les débarrasser des partie cules qui s'y sont déposées, et celle d'apporter à l'appareillage utilisé pour sa mise en oeuvre des modifications et des additions considérables pour son adaptation à la mesure des concentrations de particules dans des liquides en mouvement, par exemple dans des transporteun de pâte dans l'industrie de la cellulose. L'invention a donc pour objet de remédier à ces inconvénients et d'obvier à ces difficultés. A cet effet, dans un dispositif pour mesurer la concentration de particules véhiculées par un liquide circulant dans un tube, comprenant des sondes de mesure et un appareil de référence avec, dans chaque d'eux, un émetteur et un détecteur, elle prévoit de disposer l'émetteur et le détecteur des sondes de mesure dans la paroi du tube, alignés axialement l'un sur l'autre, de chaque côté du liquide circulant dans le tube, et de placer l'émetteur et le détecteur de l'appareil de référence de chaque côté d'un parcours de référence exempt de liquide. En utilisant le dispositif selon l'inventian, on d. pu montrer qu'il est-parfaitement possible, avec les sondes en question, de mesurer les concentrations de particules dans un liquide en mouvement, alors que les spécialistes prétendaient jusqu'ici qu'on ne peut mesurer, par exemple, la concentration de fibres dans une patte à papier a 1' aide de sondes IR ou que cela nécessite tout au moins un nettoyage continuel de ces sondes, une opinion que l'in- vention a réduite à néant. On a constaté qu'en modifiant la section du tube ou de la conduite, les surfaces des sondes tournées vers le liquide restent automatiquement propres. Avec des sondes de mesure reliées à un circuit électronique qui est relié lui-même à un appareil de référence comprenant des moyens de mesure de référence en contact thermoconducteur avec le tube ou la conduite où circule le liquide, le dispositif selon l'invention supprime aussi les problèmes difficiles à résoudre posés jusqu'ici par l'ins stabilité des circuits de mesure utilisés pour les liquides de ce type. Cet appareil de référence a un fonctionnement lié à la configuration de la zone de mesure et il est enfermé dans un bottier qui entoure le tube où circule le liquide et les sondes de mesure. Le domaine d'application du dispositif de mesure selon l'invention embrasse aussi bien les industries de transformation que les installations de traitement des eaux potables et des eaux résiduaires. Il est destiné aux mesures précises de concentrations de particules, par exemple dans l'industrie du papier et de la cellulose, où la mesure peut être effectuée devant des classeurs à pression et des lessiveurs à tourbillon, sur la pte, avant le bac de tête de la machine de fabrication du papier, ainsi que dans 1' eau blanche, pour la dilution et la récupération des fibres. Dans le domaine du traitement des eaux potables et des eaux résiduaires, le dispositif selon l'invention peut être utilisé pour mesurer la teneur en boues et la turbidité, ainsi que pour mesurer la teneur de solides en suspension, par exemple dans les eaux rejetées par les efforeuses centrifuges ou autres machines mécaniques d'essorage. Le principe de la mesure est basé sur la capacité des particules å absorber et refléter la lumière. Pour obtenir le maximum de souplesse1 une partie du circuit électronique a été montée sur le transducteur0 La mesure est effectuée avec la lumière infrarouge sur une distance de 20 . La lumière infrarouge est pulsée, avec des impulsions très courtes, d'une très grande intensité lumineuse, ce qui est possible en pulsant avec des impul dons extrêmement courtes, séparées par de longs interval- les.Une très grande intensité lumineuse offre l'avantage de permettre l'utilisation de différentes plages de mesure, par simple boucle de réactioed'un amplificateur incorporé au circuit électronique. Etant donné que la lumière fournie par une diode à rayons infrarouges dépend fortement de la température, cette dépendance est compensée au moyen d'un système de référence séparé dans le transducteur, Ceci compense aussi le glissement dans d'autres composants et les effets éventuels d'une lumière parasite incidente. Le signal de mesure envoyé par le transducteur comprend une impulsion dont l'amplitude est proportionnelle à la concentration. Cette impulsion peut être transformée en tension continue dans un circuit de discrimination et de maintien, relié au même moment au temps d'intégration. Ce temps d'intégration a une valeur fixe autour de sa valeur de mesure et une valeur réglable pour amortir les variations importantes qui peuvent survenir dans la concentration. Après le circuit de discrimination et de maintien, le signal peut être envoyé à des moyens pour fournir un réglage maximum et un réglage minimum, soit directement, soiJ par l'intermédiaire d'un amplificateur logarithmique. On peut modifier l'amplification de l'étage de sortie au moyen d'un sélecteur. Un indicateur de valeur de mesure numérique affiche O à 100% de la plage choisie, quel que soit le signal de sortie choisi. De toute façon, l'invention sera bien comprise à 1' aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé, représentant1 a' titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de ce dispositif: Fig. 1 est une vue de face d'un transducteur pour une forme d'esécution préférée du dispositif selon ltinven- tion, représenté vu du côté amont, par rapport à l'écoule- ment du liquide; Fig. 2 est une vue en coupe suivant II - Il de fiv. 1; Fig. 3 est un schéma-bloc des circuits électriques préférés reliant les émetteurs et les détecteurs du transducteur à une unité de mesure de la valeur de concentration;; Fig. 4 est un graphique montrant des plages de mesure différentiées qu'il est possible de choisir avec le s6- lecteur. Le dispositif de mesure selon l'intention comprend donc un transducteur 1, qui, dans la forme d'exécution préférée représentée aux figures 1 et 2, comporte un tube 2 pour faire circuler le liquide véhiculant les particules, sur lequel les mesures doivent être effectuées. Le tube 2 est muni de moyens de raccordement 2, 4, pour son branchement dans une conduite (non représentée). Dans la zone de mesure, le tube 2 présente une section de configuration différente, mais dont la surface est de préférence égale. En ltoccurrence, dans la forme d'exécution préférée, la section du tube 2 passe d'une forme circulaire normale au niveau des raccords 2 et 4 a une forme sensiblement rectangulaire 5, ce qui particulièrement visible à la figure 1. La transition entre la section circulaire et la section rectangulaire est continue et peut être réalisée de diverses façons, dont la plus simple consiste à comprimer un tube de section initialement circulaire. Des ouvertures sont ménagées dans des parois oppo sées 6, 7 du tube 2, dans la zone de section rectangulaire 5, pour le montage des sondes de mesure 8, 9. Ces sondes 8, 9 remplissent complètement les ouvertures précitées des parois 6, 7 et leurs faces actives respectives 10 et 11, tournées vers le liquide en mouvement se trouvent sensible ment dans un même plan que la face interne des parois 6 et 7. La zone de mesure, avec sa section rectangulaire 5 et ses sondes 8 et 9, est entourée par un boîtier 12. Ce boîtier 12 est de préférence tubulaire, avec un axe longiez tudinal qui s'étend perpendiculairement à celui du tube 2, ainsi qu'a celui formé par les sondes 8, 9. Des ouvertures sont ménagées dans le boitier 12 pour l'introduction et 1 inspection des sondes 8, o, lesquelles peuvent saillir à le extérieur du boitier 12, comme le montrent les figures 1 et 2. Le boîtier 12 contient en outre un appareil de référence 22, 14, qui comprend des moyens de mesure correspondant aux sondes 8, 9, mais ne mesurant. pas le liquide en mouvement, comme le font celles-ci, leur action s'exerçant au contraire sur un parcours libre d'obstacle à l'intérieur du boîtier. L'appareil de référence 13, 14 est en contact thermoconducteur avec le tube 2 et il peut être monte sous celui-ci (comme à la figure 2) ou de préférence sur lui. Le boiter 12 contient aussi au moins une partie des circuits électroniques utilisés pour le traitement des signaux tirés des sondes 8, 9 et de l'appareil de référence 13, 14. Ces sondes, tout comme l'appareil de référence, sont avantageusement du type à radiation infrarouge, bien que d' autres types, comme ceux fonctionnant à la lumière visible ou aux fréquences supersoniques, puissent aussi être utilisés dans le dispositif selon l'invention. Une forme d'exécution préférée du circuit électroni- que est maintenant décriteen référence à la figure 3: Le schéma-bloc de la figure 3 montre que les sondes de mesure 8, 9 et l'appareil de référence 13, 14 comprennent des moyens à rayons infrarouges, plus particulièrement des diodes à infrarouges, dont l'utilisation est avantageuse. L'émetteur des sondes est en outre représenté comme tant un moyen commun avec l'émetteur 13 de l'appareil de référence. En conséquence, une diode à infrarouge 8, 13 peut être utilisée comme émetteur commun sur la distance de mesure M ainsi que sur la distance de référence R, les différents parcours de la lumière M et R sortant de fibres optiques reliées aux diodes 8, 13, par exemple.Une autre solution réalisable consiste à relier en série deux diodes IR 8 et 13 exactement semblables, celles-ci constituant ainsi l'émetteur pour la distance de mesure M et celui pour la distance de référence R. Le détecteur 9 des sondes de mesure est, comme le détecteur 14 de l'appareil de référence, une photodiode séparée. Les deux photodiodes sont du même type et elles sont reliées l'une à l'autre par un circuit compensateur de tem pérature respectif 15 à 18 et 19 à 23, avec exactement les mêmes composants. Ainsi, la sortie de chaque photodlode 9 14 est reliée à un amplificateur respectif 15, 19, qui alimente un intégrateur 17, 21 par l'intermédiaire d'un circuit de maintien 16, 20. Le signal intégré est réinfecté à l'entrée de l'amplificateur 15, 19 a travers une résistance respective 18, 22.On sait qu'une diode est relativement dépendante de la température, mais les circuits compensa tueurs 15 à t8 et 19 à 22 remplissent une fonction stabili- satrice, de sorte que le niveau du signal de sortie de 1' amplificateur respectif 15, 19 reste constant, quelles que soient les variations de la température ambiante au niveau des détecteurs 9, 14, par exemple dans le liquide où la concentration de particules doit être mesurée, dans l'air où s'étend le parcours de référence libre d'obstacle et dans le tube en contact thermoconducteur avec l'appareil de référence. Ces circuits compensateurs 15 à 18 et 19 à 22 remplissent aussi une fonction stabilisatrice en ce qui concerne la lumière parasite qui vient éventuellement frapper les détecteurs 9, 14.Ainsi, chaque changement de signal de sortie plus long au niveau des détecteurs 9, 14 est filtré, de sorte qu'un niveau de référence stable est obtenu à la sortie des amplificateurs 15, 19. Le ou chaque émetteur de signaux 8, 13 pour la mesure ou la référence est alimenté par un oscillateur 23. Cet oscillateur émet un signal S formé d'impulsions de très courte durée, séparées par des intervalles relativewent longs. Ceci permet d'obtenir une lumière d'une grande intensité sans que les diodes å infrarouges 8, 13 se déterio- rent en chauffant. Le ou chaque émetteur , l3 etant-aussi constitué par une diode, il est également sensible aux variations de température.Ces variations sont compen- sées par un circuit 24 à 26, qui comprend un cosparateur 24 suivi d'un intégrateur 25 et d'un étage d'amplification de puissance 26. Le comparateur 24 reçoit les impulsions du signal S émis par l'oscillateur 23 et le signal SR produit à la sortie de l'amplificateur 15 de l'appareil de reféren= ce. Ce signal 5R est lui aussi forme d'impulsions et il varie en fonction directe de la grandeur des impulsions de lumière envoyées par l'émetteur 8, 13 sur la distance de référence R.La grandeur des impulsions lumineuses e mises ainsi est régulée par le comparateur 24 et l'étage d?ampli- fication de puissance 26, de sorte que les signaux S et 5R sont de même grandeur. On obtient ainsi des impulsions de lumière d'une valeur constante indépendante des variations de la température dans le ou chaque émetteur 8, 13.Même si l'émetteur est formé de deux diodes individuelles 8 et comme il a été indiqué plus haut, on obtient à partir de chacune de ces diodes des impulsions de lumière ayant une valeur constante, étant donné que les deux diodes 8 et sont reliées électriquement en série et reliée mécaniquement à la même base, c'est-à-dire soumises aux mêmes varia- tions de la température. Les impulsions lumineuses de valeur constante envoyé ées par le ou chaque émetteur 8, 13 sont aussi reçues par le détecteur 9 après avoir parcouru la distance de mesure M, c'est-à-dire après avoir traversé le liquide véhiculant les particules. Etant donné que la concentration de particules est variable, les impulsions lumineuses recueillies par le détecteur 9 varient aussi par suite de la propriété qu'ont les particules d'absorber la lumière. Il en résulte que le signal SM formé à la sortie de l'amplificateur 19 associé à l'émetteur 9 varie en fonction de la concentration des particules véhiculées dans le liquide. Pour que les circuits compensateurs de température 15 à 18 et 19 à 22 des détecteurs 9, 14 ne soient pas affectés par les signaux utiles SR et SM, il est prévus un circuit de maintien 16, 20 monte entre l'amplificateur respectif 15, 19 et l'intégrateur associé 17, 21 dans chaque circuit compensateur 15 à 18, 19 à 22. Ce circuit de maintien 16, 20 est commandé par le signal de sortie S de l'oscillateur 23, de sorte que les signaux utiles SR et SM sont mis à la terre lorsqu'ils se produisent au circuit de maintien.Une raison qui s'ajoute à celles.pour lesquelles les signaux utiles SR et SM ne sont pas réinjectés aux entrées des amplificateurs 15, 19 est que. les circuits-com pensateùrs de température 15 à 18 et 19 à 22 ont un fonc- tionnement lent. Le signal utile SM qui est prélevé à la sortie de l'amplificateur 19 associé au détecteur de mesure 9 constitue donc une mesure exacte de la concentration de particules dans le liquide qui circule dans le tube 2 (cf. figure 2). Ce signal 5M est en conséquence utilisable à différentes fins, dans des processus de types différents. A des fins de mesure, mais aussi pour d'autrea applications, il peut être désirable d'obtenir un signal de sortie étalé à la place du signal de sortie 5M formé d'im- pulsions. En eavoyant ce signal de sortie SM a un circuit de discrimination et de maintien 27 commandé par les si gnaux Slin de l'oscillateur 23, on obtient un signal slog, qui varie de façon logarithmique.Si l'on désire obtenir un signal Slin variant de façon linéaire, il faut envoyer le signal S obtenu au moyen du circuit de discrimination log et de maintien 27 à un amplificateur logarithmique 28.En utilisant un commutateur 29, on peut envoyer à un appareil de mesure 30, soit le signal smog' soit le signal Slin. Le circuit de discrimination et de maintien 27 peut être un transistor à effet de champ et l'appareil de mesure 30 peut être un indicateur numérique. Le signal sortant de l'amplificateur 19 associé au détecteur de mesure 9 peut être facultativement réinjecté à l'entrée de ce même amplificateur à travers différentes résistances 31, de fa çon à obtenir plusieurs plages de mesure différentes I à IV. On peut, par exemple, prévoir quatre plages de mesure La figure 4 montre à l'aide de graphiques comment la plage de mesure peut être déplacée à la fois pour le signal logarithmique Slog et pour le signal linéaire Slin.La plage I représente ici une valeur de ré Si stance maximale montée dans la boucle de réaction de l'amplificateur 19, tandis que la plage IV correspond à une réinjection directe du signal de sortie SM à l'entrée de l'amplificateur l90 Comme il ressort de la description qui précède, celui le-ci ne concerne qu'une forme d'exécution préférée, qui peut être modifiée de diverses manières sans sortir du ca- dre de l'invention. Par exemple, la section du tube 2 peut être modifiée pour prendre une configuration autre que rec- tangulaire, ou sa surface peut être supérieure à celle de la section de la conduite.On peut aussi modifier la section en disposant un insert dans une partie élargie du tu- be ou en donnant à la paroi de celui-ci une configuration qui influe sur l'écoulement du liquide. En ce qui concerne les sondes de mesure et l'appareil de référence, il a dé été précisé qu'ils ne sont pas limités à l'emploi de la lumière infrarouge. Le circuit électronique pour les composants à rayonnement infrarouge peut aussi être modifié de différentes façons sans sortir du cadre de l'invention. I1 peut être formé, par exemple, de moyens de commutation pour étudier seulement une partie de chaque graphique, de 60 à 70% par exemple de la plage totale de mesure On peut en outre incorporer des moyens de commande pour régler le temps d'intégration de façon à obtenir une indication permanente sur l'appareil 30. En bref, l'invention ne se limite pas à la forme d'exécution qui vient d'être décrite à titre d'exemple seulement; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation. -- REVENDICATIONS 1.- Dispositif pour mesurer la concentration de particules véhiculées par un liquide circulant dans un tube (2), comportant des sondes de mesure (8,9) et un appareil de référence (13,14) comprenent, les premières comme le dernier, un émetteur (8,13) et un détecteur (9,14), ca ractérisé en ce que l'émetteur (8) et le détecteur (9) des sondes sont disposés~dans la paroi du tube (2), alignée axialement l'un sur l'autre, de chaque côté du liquide circulant dans le tube, et en ce que l'émetteur (13) et le dE- tecteur (14) de l'appareil de référence sont disposés de chaque côté d'un parcours de référence (R) exempt de liquide. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les émetteurs (8,13) et les détecteurs (9,14) sont du type à rayonnement infrarouge, les émetteurs étant alimentés par une source commune (23) qui leur envoie une énergie pulsée comprenant de brèves impulsions d'énergie séparées par des intervalles de temps relativement longs, et en ce que l'appareil de référence (13,14) est incorporé à nn circuit électronique à compensation de température. 3.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section du tube (2) est, à l'endroit des sondes (8w9), différente en configuration et/ou en surface de ce qu'elle est en amont et en aval des sondes. 4.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la section du tube (2) est, à l'endroit des sondes (fil,9), sensiblement rectangulaire, tandis qu'en amont et en aval des sondes, elle est circulaire, tout en fournissant à l'écoulement un passage libre d'une surface constante, le tube et les sondes étant entourés d'un boîtier (12), dans lequel sont enfermés les sondes (8,9) et l'appareil de référence (13,14), de sorte que l'émetteur de référence (13) et le détecteur de référence (14) sont alignés axialement l'un sur l'autre- et en contact thermoconducteur avec le tube (2). 5.- Dispositif selon l'une quelconque des revendi cations précédentes, caractérisé en ce que l'émetteur (8) des sondes et celui (13) de l'appareil de référence sont un moyen commun apte à exciter le détecteur (9) des sondes à travers le liquide véhiculant les particules et le détecteur (14) de l'appareil de référence sur le parcours exempt de liquide (R). 6.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque détecteur respectif (9,14) est relié à un circuit compensateur de température (15 à 18, 19 à 22) en forme d'étage amplifica- teur-intégrateur couplé, à faction, muni d'un étage de maintien (16,20), qui est alimenté par la source d'énergie pulsée (23) pour supprimer les impulsions de mesure envoy ées par le détecteur. 7.- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la source (23) est apte à alimenter les émetteurs (8,13) à travers un circuit amplificateur de puissance (24 à 26) comprenant un comparateur (24) adapté pour comparer l'énergie pulsée provenant de la source à l'énergie pulsée produite par le détecteur (14) de l'appareil de référence et amplifiée dans le circuit compensateur de température respectif ( 15 à 18), le signal de sortie du comparateur (24) étant envoyé aux émetteurs (8,13) après amplification (26) et intégration (25) et un signal de mesure indiquant la concentration étant prélevé A la sortie de 1' amplificateur (19) relié au détecteur (9) des sondes de mesure. 8.- Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le signal de mesure de l'amplificateur (19), dans son circuit compensateur de température (19 à 22) relié au détecteur (9) des sondes de mesure, estadapté pour être envoyé à un circuit de discrimination et de maintien (27) ayant une entrée de commande reliée à la source (23) d'énergie pulsée, les valeurs de mesure obtenues à la sortie de ce circuit variant logarithmiquement avec la concentration de particules. 9.- Dispositif selon la revendication 8, caractéri sé par un circuit amplificateur logarithmique (8), qui peut être relié au circuit de discrimination et de maintien (27) pour obtenir une valeur de mesure variant de façon linéaire en fonction de la concentration de particules. 10.- Dispositif selon l'une quelconque des revenditions 6 à 9, caractérisé en ce que l'amplificateur (19) du circuit compensateur de température (19 à 22) associé au détecteur (9) des sondes de mesure comporte plusieurs boucles de réaction différentes, qui peuvent être mises sélectivement en circuit pour subdiviser la plage de mesure pour différentes concentrations de particules.