Brevet FR2515817A1 — publié le 19830506

Indicateur de valeur à limite d'état de remplis- sage à ultrasons. L'invention concerne un indicateur à limite de remplissage avec une installation p 1,ézo- électrique d'émission et de réception et une paroi séparatrice disposée entre cette installation et l'enceinte recevant la matière de remplissage. Dans un dispositif indicateur de limite d'état de remplissage connu de ce type (DE AS 25 12 060), un élément piézo-électrique est fixé sur la paroi séparatrice Selon que la paroi sé- paratrice est plongée dans l'air ou dans la matière de remplissage, l'impédance de résonnance de l'élément piézo varie La variation d'impédance sert de signal d'état de remplissage Cependant, la variation d'im- pédance, lorsque la fréquence de résonnance n'est pas. précise, est tellement faible que ne peut pas être assuré un signal d'état de remplissage exempt de para- sites, indubitable En raison de la dispersion des paramètres du piézo-élément, il est extrêmement diffi- cile de trouver une fréquence de résonance exacte. La limite de mise en oeuvre de piézo- éléments se situe actuellement à environ 1500 C Pour des températrues de matières de remplissages supérieures, un tel indicateur de valeur limite ne peut trouver aucun emploi. La présente invention a pour but de réaliser un indicateur de valeur limite d'état de rem- plissage du type ci-dessus, qui soit utilisable même pour de hautes températures et qui délivre un grand écart de signal entre l'état émergé et l'état immergée. Dans ce but, l'invention a pour objet un indicateur de valeur limite d'état de remplis- sage, avec une installation d'émetteur et de récepteur piézo-électriques, et une paroi séparatrice disposée entre celle-ci et l'enceinte recevant la matière de remplis- sages indicateur caractérisé en ce que l'installation d'émission et de réception comprend au moins un piezo- élément émetteur et au moins un élément récepteur, une tige vibrante étant prévue, reliée à la paroi séparatrice et consistant en trois portions, le piezo-élément récep- teur étant coincé, par ses faces frontales, entre la portion reliée à la paroi séparatrice et la seconde por- tion de la tige vibrante qui s'y raccorde, le piézo- élément émetteur étant coincé axialement entre la seconde et la troisième portion de la tige, et les longueurs des portions de tige étant déterminées de telle sorte que le piézo-élément émetteurainsi que le piézo-élément récep- teur se trouvent placés en des emplacements de noeuds de la vibration de résonnance de la tige vibrante non assor- tie par la matière de remplissage. Grâce à la précision de la tige oscil- lante, lés piézo-éléments ne sont pas exposés directement à l'effet de la température de la matière de remplissage. Par suite de la chute de température naturelle dans la tige vibrante, la température régnante sur le piézo- élément récepteur, en prévoyant une dimension en longeur appropriée de la première portion de la tige, est nette- ment inférieure à la température de la matière de remplis- sage Cette dernière peut ainsi dépasser la température limite de mise en oeuvre du piézo-élément. A l'état non plongé dans la matière, la tige peut vibrer librement avec sa fréquence propre, avec excitation de résonance par le piézo-élément émetteur. Etant donné que, dans le cas de la sonde proposée, il s'agit physiquement d'un oscillateur accouplé dans lequel les piezo-éléments sont seulement les excitateurs de vibrations, le dimensionnement de la tige détermine cependant la fréquence de résonnance et celle-ci est indépendante des paramètres de dispersion des piézo-éléments En outre, par le choix des matériaux de la tige, par exemple de l'acier forgé adouci par recuit, on obtient un agrandissement de la largeur de bande de la courbe de résonnance, de sorte que des écarts de la résonnance de consigne n'ont pas d'influence notable sur les valeurs d'amplitude et de position de phase de la tension du récepteur. Btant donné que l'émetteur et le récepteur se trouvent tous les deux dans des noeuds de vibration, le piézo-élément récepteur fournit dans un angle de phase prédéterminé par rapport à la tension d'émetteur, une tension de signal correspondant à celle-ci hors d'une plongéedans la matière de remplissage, les propriétés vibratoires de la tige se modifient, de sorte que les noeuds de vibration sur elles se déplacent Il en résulte, par rapport à l'état émergé de la tige, un décalage de phase important et également un changement d'amplitude entre la tension alternative d'émetteur et la tension de récepteur, qui peut être utilisée pour la délivrance d'un signal indubitable. L'invention prévoit divers modes avan- tageux de réalisation décrits dans 1 a suite. C'est ainsi que conformément à l'in- vention, la longueur de la troisième portion de la tige est de l'ordre de grandeur d'un quart de lalongueur trique, de telle sorte qu'une isolation électrique des portions de tige entre elles est superflue Une telle identité de potentiel peut être obtenue en prévoyant que deux piézoéléments émetteurs superposés sont connectés en parallèle ainsi que deux piézo-éléments récepteurs. Les dessins annexés représentent un exemple de réalisation de l'indicateur d'état de remplissage conforme à l'invention, dans lesquels la figure 1 est une vue partielle en coupe de l'indicateur; la figure 2 est un diagramme d'oscil- lation de l'indicateur de valeur limite à l'état non plongé dans qa matière de remplissage. L'indicateur de valeur limite possède une bride de maintien 1 pour son raccordement à une paxéoi latérale 2 d'un récipient représenté seulement en partie, par exemple une chaudière à vapeur dans laquelle l'état de remplissage de l'eau d'alimentation doit être surveillé. Le flasque de maintien l forme en son centre une paroi séparatrice 3 étanche à la pression qui porte une première section de tige vibrante 4 qui s'avance avec une de ses parties 5, par exemple horizon- talement, au niveau de consigne de l'eau d'alimentation dans le récipient et qui présente à cet endroit, sur son extré:nité libre, une plaque d'accouplement circulaire transversale 6 Un appui 7 prévu sur la bride de maintien 1 entoure dans le récipient, la portion de tige 5 et la plaque d'accouplement 6. En face de l'extrémité côté extérieur de la portion de tige vibrante 4, se trouve une seconde portion de tige 8 Entre ces deux surfaces frontales d'extrémité sont placés et bloquée des piézo-élements récepteurs 9 et 10 connectés électriquement en parallèle. d'onde de la fréquence de résonnance D'autre part, cette longueur peut être prévue de l'ordre de grandeur d'une demi-longueur d'onde de la fréquence de résonance. Conformément à l'invention, la première position de la tige vibrante pénètre, avec sa partie éloignée du piézo-élément récepteur, dans l'enceinte de remplissage et la paroi séparatrice est placée en un noeud de vibration de cette première por- tion de la tige D'autre part la longueur de la partie s'avançant dans l'enceinte de remplissage est de l'ordre de grandeur d'un quart de la longueur d'onde de la fréquence de rés 3 nance. Un amortissement renforcé de la-tige vibrante lors de l'immersion dans la machine de remplis- sage est obtenu en prévoyant que la première portion de la tige du côté de la matière porte une plaque d'accou- plement transversale qui est disposée dans une chambre de mesure fermée latéralementreliée à l'enceinte de matière de remplissage. En outre, l'autre portion de la tige possède une longueur telle qu'elle corresponde à la longueur d'onde dans l'eau de remplissage et le diamètre de la plaque d'accouplement est égal au double de cette largeur d'onde Entre la paroi de la chambre de mesure et la plaque d'accouplement est prévue une fente annulaire latérale dont la largeur est inférieure à la longueur d'ondes sonores de l'eau de remplissage On obtient ainsi un prélèvement d'énergie important, c'est-à-dire un changement de fréquence important du fait que la chambre de mesure entre la paroi séparatrice et la plaque d'accou- plement agit comme un résonateur de Helmholtz. La liaison entre les trois portions de de tige peut avoir lieu, de manière simple au moyen d'un ancrage de traction central Avantageusement, les trois portions de tige sont placées au même potentiel élec- Enfin, il est prévu encore une portion de tige vibrante 11 comportant également entre elle et la seconde posi- tion de tige 8, des piézo-éléments émetteurs connectés électriquement en parallèle 12 et 13 Le blocage en place des piézo-éléments 9, 10, 12, 13 peut, par exemple être réalisé au moyen d'un ancrage central, non repré- senté, reliant entre eux, mécaniquement et électriquement les trois portions de tige 4, 8 et 11. Les piézo-éléments émetteurs 12 13 forment avec les portions de tige 8 et 11 un premier oscillateur, et les piézo-éléments récepteurs 9, 10 forment avec les portions de tige 4 et 8, un second oscillateur relié rigidement au premier Pour cela, la troisième portion de tige 11 possède, en ce qui concerne le piézo-élément 12, une longueur /4 o La valeur p re- présente la longueur d'onde de la fréquence de résonance prévue de la tige 4, 8, 11 o D'autre part, la seconde portion de tige 8, avec les deux piézo-éléments 9, 13 présente une longueur totale de a/2 tandis que la première portion 4 avec le piézo-élément 10 possède une longueur égale à n A + 2 /4 Le facteur N est alors choisi de telle sorte que, sur les piézo-éléments 9 et 10, la température, par rapport à la température de l'eau de remplissage, en raison de la chute de température natu- relle produite dans le portion de tige 4, soit abaissée suffisamment pour qu'elle se situe au-dessous de la tem- pérature de service admise pour les piézo-éléments 9, 10. Le diagramme de la figure 2 montre l'allure de la vibration dans la tige 4, 8, 11 lorsque celle-ci est excitée en résonance par des piézo-éléments émetteurs 12, 13 et que la plaque d'accouplement 6 est entourée d'air ou de vapeuro La plaque d'accouplement 6 se trouve alors dans le domaine de l'amplitude maximale de vibration A, tandis que les piézo-éléments émetteurs ainsi que les piézo-éléments récepteurs 9, 10, 12 13 se trouvent à l'emplacement de deux noeuds de vibration. La tension de signal qui est mesurable sur les piézo- éléments 9, 10 est alors décalée en phase de 180 degrés par rapport à la tension d'alimentation pour les piézo- éléments émetteurs 12 13. La paroi séparatrice 3 se trouve également à unnoeud de vibration On peut donc ainsi renoncer à une configuration très élastique à la flexion de la paroi séparatrice et donner à celle-ci une résis- tance à la pression élevée En outre, par le maintien de la portion de tige vibrante 4 sur la paroi séparatrice 3 les influences parasites possibles sont éliminées. Si l'état de remplissage s'élève suf- fisamment pour que la chambre de mesure 16 formée dans l'appui 7 se trouve remplie de liquide, la masse de liqui- de accouplée à la plaque 6 modifie les propriétés de vibration de la tige vibrante 4, 8, 11 Grâce au changement qui en résulte de la fréquence de résonance, les noeuds de vibration dans la tige 4, 8, 11 se trouvent décalés, de sorte que le décalage de phase entre la tension d'ali- mentation des piézo-éléments émetteurs 12 13 et la tension de signal des piézo-éléments récepteurs 9, 10 est modifié En outre, il se produit un prélèvement d'énergie par le rayonnement ultra-sonore dans le liquide, grâce auquel l'amplitude de la tension de signal est, en outre, amortie lorsque la tension d'alimentation reste cons- tante. Ces changements peuvent être utilisés pour la production des signaux "immergé" et "émergéV Il est, par exemple, possible pour cela, lors d'une fréquence d'émetteur imposée, de détecter, par des moyens connus, le changement de décalage de phase entre tension d'alimentation et tension de signal Alter- nativement, ou en supplément, l'amortissement de l'ampli- tude de tension de signal peut être mesuré. Une autre possibilité consiste en ce que, avec les piézo-éléments émetteurs 12, 13, on cons- titue un système auto-vibrant, l'excitation des vibra- tions ayant lieu par le couplage de rétro-action, au moyen de la tension de signal des piézo-éléments récepteurs 9, 10 Le degré de couplage de rétro-action est choisi de telle sorte que, lors de l'immersion de la plaque d'accouplement 6 dans l'eau d'alimentation; la vibration est cessée en raison de l'amortissement ou du décalage de phase. Grâce à la constitution spéciale de la portion de tige 5 plongeant dans la matière de remplissage, lorsque cette matière est de l'eau, il se produit un effet d'amortissement supplémentaire et ainsi une augmentation de la différence de siganl dans les piézo-éléments récepteurs 9, 10. La vitesse de diffusion du bruit dans l'eau s'élève à environ un quart de celle dans le fer. Grâce à la constitution de la par- tie immergée 5 égale au quart de la longueur d'onde dans le fer de la tige vibrante, le volume d'eau qui, à l'état immergé, est enfoncé entre la plaque d'accouplement 6 et la paroi séparatrice 3, est exicté pour une fibration complète Le diamètre de la plaque d'accouplement 6 s'élève alors à un quart de la lon- gueur d'onde dans le fer de la tige vibrante La chambre de mesure 14 agit comme un résonateur de hermholtz qui a pour rôle un prélèvement d'énergie particulièrement fort et accroît ainsi la différence de signal par rapport à l'état émergé du dispositif. REVENDICATIONS ) Indicateur de valeur limite d'état de remplissage, avec une installation d'émet- teur et de récepteur piézo-électriques, et une paroi séparatrice disposée entre celle-ci et l'enceinte recevant la matière de remplissage, indicateur carac- térisé en ce que l'installation d'émission et de ré- ception comprend au moins un piézo-élément émetteur ( 12, 13) et au moins un élément récepteur ( 5, 10), une tige vibrante étant prévue, reliée à la paroi séparatrice ( 3) et consistant en trois portions ( 4, 8,11), le piézo élément récepteur ( 9,10) étant coincé, par ses faces frontales, entre la position ( 4) reliée à la paroi séparatrice ( 3) et la seconde position ( 8) de la tige vibrante qui s'y raccorde, le piézo-élément émetteur ( 12, 13) étant coinué axiale- ment entre la seconde ( 8) et la troisième portion ( 11) de la tige, et les longeurs des portions de tige ( 4, 8 11) étant déterminées de telle sorte que le piézo- élément émetteur ( 12, 13) ainsi que le piézo-élément récepteur ( 9, 10) se trouvant placés en des emplace- ments de noeuds de la vibration de résonance de la tige vibrante ( 4, 8, 11) non amortie par la matière de remplissage. 2 ) Indicateur suivant la revendica- tion 1 caractérisé en ce que la longueur de la troisi- ème portion ( 11) de la tige est de l'ordre de grandeur d'un quart de la longueur d'onde de la fréquence de résonance. 3 ) Indicateur suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la longueur de la seconde portion ( 8) de la tige est de l'ordre de grandeur de la moitié de la longueur d'onde de la fré- quence de résonance. 4 ) Indicateur suivant l'une quelcon- que des revendications i à 3, caractérisé en ce que la longueur de la première portion ( 4) de la tige est un multiple de la longueur d'onde de la fréquence de résonance plus un quart de longueur d'onde. 5 0) Indicateur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la première portion ( 4) de la tige vibrante pénètre avec sa partie ( 5) éloignée du pièzo-élément récepteur ( 9, 10) dans l'enceinte de remplissage ( 14) et la paroi séparatrice ( 3) est placée en un noeud de vibration de cette première portion ( 4) de la tige. 6 0) Indicateur suivant la revendication , caractérisé en ce que la longueur de la partie ( 5) s'avançant dans l'enceinte de remplissage ( 14) est de l'ordre de grandeur d'un quart de longueur d'onde de la fréquence de résonance. 7 0) Indicateur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la première portion ( 4) de la tige vibrante porte, du côté matière de remplissage une plaque d'acqouplement transversale ( 6). 8 ) Indicateur suivant la revendication 7, caractérisé en ce que la plaque d'accouplement { 6) est disposée dans une chambre de mesure ( 14) fermée latéra- lement, reliée à l'enceinte de remplissage. 9 ) Indicateur suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la portion ( 5) d'engagement présente une longueur telle qu'elle corresponde à la longueur d'onde dans l'eau de remplissage, et le diamètre de la plaque d'accouplement ( 6) est égal au double de cette longueur d onde. ) Indicateur suivant la revendication 9, caractérisé en ce que, entre la paroi ( 7) de la chambre de mesure ( 14) et la plaque d'accouplement ( 6) est prévue une fente annulaire latérale dont la largeur est inférieure à la longueur d'onde sonore de l'eau de r emplissage. 11 ) Indicateur suivant l'une quel- conque des revendications 1 à 10, caractérisé par deux piézo-élémentsémetteurs superposés ( 12, 13) connectés électriquement entre eux en parallèle. 12 ) Indicateur suivant l'une quel- conque des revendications 1 à 11, caractérisé par deux piézo-éléments récepteurs superposés ( 9, 10) qui sont connectés électriquement entre eux en parallèle.