Brevet FR2535052A1 — publié le 19840427

i 2535-052 La présente invention concerne un procédé et un appareil de mesure des propriétés rhéologiques de corps semi- solides par cisaillement harmonique en rotation Ledit appa- reil peut être dénommé viscoélasticimètre o L'invention permet l'étude tant des propriétés rhé- ologiques simples (viscosité, élasticité) que celle des pro- priétés rhéologiques complexes (viscoélasticité, plasticité, viscoplasticité, etc) pour de nombreuses substances ou corps semi-solides, Les applications de la présente invention sont très nombreuses. Des exemples de produits semi=solides sont repré- sentés par des produits sous forme de gels et de crèmeso On mentionnera en particulier les gels de gélatine, d'amidon, de laite les crèmes glacées, la guimauve, la confiture, les crèmes chocolatées, le miel, la crème de lait et autres pro- duits alimentaires, ainsi que le sang coagulé et substances semi-solides analogues. La présente invention trouve également une appli- cation dans l'industrie des matières plastiques 9 du caout- chouc, des cires et des produits pétroliers. D'une façon générale l'invention s'applique à tous les corps semisolideso Toutefois elle trouve une application particulière dans l'industrie fromagère pour le choix du mo- ment du découpage du coagulum ou caillé de fromagerie O L'invention met en oeuvre un cisaillement harmoni- que de rotation et permet de quantifier avec précision les grandeurs physiques recherchées dans-les unités du système international. Du fait des faibles cisaillements provoqués dans le produit, on ne détruit pas la structure du produit et on peut suivre l'évolution de ses caractéristiques rhéologiques au cours du temps. L'appareil est entièrement automatique et il peut être utilisé aussi bien au laboratoire que dans les chaînes de contr 8 le et de fabrication industrielles. 2 2535052 On sait que la rhéologie est une partie de la technique concernant l'étude des relations entre les con- traintes et les déformations. L'objet de la présente invention est un procédé et un appareil de mesure d'une conception à la fois simple, efficace, fiable, permettant de créer une déformation dans un produit semi-solide par l'intermédiaire d'une tête de mesure oscillant autour de son axe vertical et animée d'un mouvement sinusoïdal ou pseudo sinusoïdal de rotation, d'- amplitude et de fréquence réglables, la mesure du couple créé dans le produit autour de la tête étant effectuée par un capteur de couple monté sur l'axe. Pour autant qu'on le sache, on ne connait pas à l'heure actuelle d'appareil de mesure des propriétés rhéo- logiques de corps semi-solides dans lequel l'axe portant la tète de mesure est animé d'un mouvement de rotation parfaitement sinusoïdal. Dans l'art antérieur on utilise un appareil spé- cifique pour le lait, connu sous le nom de Torsiometer, com- mercialisé par la Société Plirit and Partnersdans lequel l'amplitude et la fréquence d'oscillation du cylindre sont fixes Cet appareil est manuel et son système de mesure du couple ne peut pas donner des unités du système interna- tional. Un tel appareil ne peut travailler qu'en entrefer large (l'entrefer étant la distance entre la tête de mesure et la paroi de la cuve) et son mouvement n'est pas constant au cours de la gélification du lait. L'appareil selon l'invention est entièrement au- tomatique et peut travailler soit en entrefer étroit soit en entrefer large. Selon un premier objet, l'invention concerne un procédé de mesure des propriétés rhéologiques de corps semi- solides consistant à introduire dans le corps une tête de mesure mobile en rotation et à déterminer les conditions de mouvement de la tête, lesquelles servent de valeurs repré- 3 2535052 sentatives desdites propriétés rhéologiques en raison des contraintes exercées par la tête en mouvement-au sein du corps, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'on anime - la tête de mesure d'un mouvement sinusoïdal ou pseudo-sinu- soldal, d'amplitude et de fréquence réglables, et indépen- dant du corps à éprouver. Selon un autre objet, l'invention concerne un ap- pareil de mesure des propriétés rhéologiques de corps se- mi-solides, comprenant essentiellement une cuve contenant le corps à éprouver, une tête de mesure plongée dans la cu- ve au sein du corps, des moyens pour-entrainer en rotation ladite tête par l'intermédiaire d'un axe, et des moyens pour déterminer le couple de rotation sur l'axe, ledit ap- pareil étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour animer l'axe d'un mouvement sinusoïdal ou pseudo-sinu- soidal de rotation, un capteur de couple et un capteur an- gulaire montés sur l'axe et reliés tous-deux à des moyens de traitement des informations, tels qu'un dispositif de conditionnement de signaux connecté à un microordinateur. Le procédé et l'appareil de mesure selon la pré- sente invention mettent en oeuvre un cisaillement harmoni- que de rotation au sein du corps semi-solide à mesurer La présente invention concerne également les ca- ractéristiques ci-après, considérées isolément ou selon tou- tes leurs combinaisons techniquement possibles: le mouvement alternatif de rotation sur l'axe de la tête est obtenu à partir d'un mouvement circulaire continu, qui est transformé en mouvements alternatifs rec- tilignes puis en un mouvement sinusoïdal ou pseudo-sinuso- idal de rotation; les moyens, pour animer l'axe, portant la tê- te de mesure plongeant dans les corps semi-solidesà éprou- ver, d'un mouvement sinusoïdal de rotation constituent une chaîne cinématique comprenant un disque entraîné par un mo- teur, un roulement fixé sur le disque et tournant autour d'un axe parallèle à l'axe de rotation du disque, une pla- tine sur laquelle s'appuie le roulement grâce à un ressort, un chariot supporté par ladite platine, une crémaillère 4 2535552 rectiligne solidaire du chariot et un secteur denté en pri- se avec ladite crémaillère, l'axe de ce secteur étant l'a- xe portant la tête de mesure, les moyens pour animer l'axe d'un mouvement sinu- soidal de rotation sont constitués par une autre chaîne ciné- matique comprenant une table à double mouvement rectiligne croisé comportant deux parties mobiles et une partie fixe, les moyens pour animer l'axe portant la tête de me- sure d'un mouvement pseudo-sinusoldal comprennent deux dis- ques, un premier disque entraîné en rotation continue par le moteur et muni d'un point de fixation d'un fil ou ruban qui est accroché en un point de fixation sur un deuxième disque lequel comporte un ressort de tension, lesdits moyens sont constitués par un moteur-cou- ple et une électronique de commande, lesdits moyens sont constitués par un dispositif à friction, le capteur de couple monté sur l'axe est une pièce métallique évidée pourvue d'une pluralité de perforations et comportant au moins deux branches ou toiles sur lesquelles sont collées des jauges de contrainte, ladite pièce métalli- que étant déformable au niveau des toiles, les jauges de contrainte sont des jauges de con- trainte résistives ou capacitives dont le branchementest ef- de fectué en pont, notamment en pont/%Vheatstone afin que cha- que branche de pont renferme la série des jauges correspon- dant au même endroit sur les branches du capteur, l'amplitude de la tête de mesure animée d'un mouve- ment sinusoïdal ou pseudo-sinusoldal de rotation se situe dans la gamme de O à + 900,notamment de O à + 200 et la gamme de fréquence est comprise entre 1 millihertz et 10 hertz notam- ment entre 1 m Hz et 1 Hz, la tête de mesure est sous la forme d'un cylindre, d'un c 6 ne ou d'une pièce plane. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention ressortiront également de la description détaillée ci-après faite en regard des dessins annexés sur lesquels Fig 1 est un schéma synoptique illustrant l'invention. 283545 E Fig 2 illustre un exemple concret de certains éléments de la figure 1. Fig 3 est une vue en perspective des moyens pour obtenir un mouvement sinusoïdal de rotation. Fig 4 est une variante de la figure 3. Fig O 5 illustre un exemple très simple de transformation d'un mouvement alternatif rectiligne en mouvement sinuso- idal de rotation à l'aide de deux secteurs dentés superpo- ses attaquant une crémaillère rectiligne et reliés entre eux par le ressort figuré schématiquement. Fig 6 représente une version simplifiée avec laquelle le mouvement obtenu est un mouvement pseudo-sinusoldal. Fig 7 représente un capteur de couple. Fig 8 est une vue agrandie d'une branche ou toile sur la- quelle sont collées des jauges de contrainte. Fig 9 montre la déformée en S obtenue au niveau d'une toi- le. Fig 10 montre trois types différents de tête de mesure. Aux dessins annexés o les mêmes symboles de réfé= ronce désignent des parties analogues, la figure I est un schéma synoptique qui illustre la présente invention. A partir d'un moteur 6 commandé par une électro- nique 29,on transforme un mouvement circulaire continu en un mouvement alternatif rectiligne puis en un mouvement sinusoidal de rotation d'un axe 29 par des moyens 1 dé- crits de façon plus détaillée ci-après, L'axe 2 qui est a- nimé d'un tel mouvement selon la flèche F 1 sur la figu- re 1 porte en bout une tête de mesure 3 plongeant dans le produit semi solide 5 à éprouver disposé dans une cuve 4. L'axe 2 porte également un capteur de couple 7 et sa mon- ture de fi-xation 30 ainsi qu'un capteur angulaire 8, tous deux reliés à un dispositif de conditionnement de signaux 99 connecté à un microordinateur 10 Le moteur 6 pourrait d'ailleurs être commandé directement par le dispositif 9. Le dispositif 9 permet l'alimentation électri- que des différents éléments, le conditionnement des si- 6 2535 È 52 gnaux et leur affichage, le réglage en fréquence de l'ap- pareil, le renvoi des signaux soit sous forme analogi- que soit sous forme numérique On peut donc effectuer à partir du dispositif 9 le pilotage de la vitesse de ro- tation du moteur 6 par l'intermédiaire d'une tension stabilisée réglable ( moteur asservi) ou d'une base de fréquence stabilisée réglable (moteur pas à pas). La figure 2 montre un exemple de mise en oeuvre. L'appareil de l'invention est disposé sur une table 33. Un piétement 35 réglable pour l'horizontalité prend ap- pui sur la table 33 et peut être réglé par des vis 34. Une colonne verticale 36 porte un moteur 31 de montée et de descente d'une platine 32 supportant les moyens 1 de transformation du mouvement circulaire continu im- primé par le moteur 6 Le capteur de couple 7 et le cap- teur angulaire 8 sont montés sur l'axe 2 en bout duquel la tête de mesure 3 plonge dans la cuve 4 remplie de produit semi-solide 5 à éprouver La cuve 4 est une cuve thermostatée par circulation d'un liquide dans une double enveloppe On a illustré schématiquement par 37 et 37 A la circulation du liquide La cuve 4 repose sur le piéte- ment réglable 35 au moyen de pieds 40 Une conduite de vidange 38 de la cuve 5 comporte une vanne d'arrêt 39. La figure 3 illustre un mode de réalisation pour obtenir un mouvement sinusoïdal de rotation. Dans l'exemple considéré, le moteur 6 imprime par l'intermédiaire de l'axe 15 un mouvement circulai- re continu à un disque 13 Ce mouvement circulaire continu est d'abord transformé sur le chariot 12, qui est un élé- ment de la chaîne cinématique 11 en un mouvement sinuso- Idal rectiligne Cette transformation est effectuée par l'intermédiaire d'un roulement 14 fixé à une distance réglable de l'axe de rotation 15 du moteur 6 et qui 2535 052 prend appui sur une platine 16 à débatteme'nt rectiligne. La platine 16 supporte le chariot 12 L' appui nécessaire du roulement 14 sur la platine 16 est assuré par un ressort 17 Dans ce mode de réalisation le roulement 14 doit tou- jours prendre appui sur la platine 16 Le chariot 12 sur le- quel est créé un mouvement sinusoldal rectiligne porte une crémaillère 18 laquelle est en prise avec un secteur denté ou pignon 19 à auto-rattrapage de jeux L'ensemble crémaillè- re 18 -pignon 19 transforme le mouvement rectiligne sinusol- dal en un mouvement sinusoïdal de rotation,lequel mouvement est imprimé sur l'axe 2 sur lequel sont disposés tant le capteur angulaire 8 que le capteur de couple 7 non représenté sur la figure 3. La figure 4 montre un autre exemple de réalisation de la chalne cinématique 11. Dans cette variante on prévoit pour la transformation du mouvement imprimé par le moteur 6 une table ou platine à double mouvement rectiligne croisé comportant deux parties mobiles 20 a et 20 b et une partie fixe 20 e La partie mobile 20 b porte la crémaillère 18 et le mouvement est trans- formé à l'aide du secteur denté 19 sur l'axe 2 comme indiqué schématiquement sur la figure 5. Ce mode de mise en oeuvre avec la table 20 à double mouvement rectiligne croisé ne nécessite pas l'emploi du ressort 17 utilisé dans le mode de réalisation selon la figure 3 En effet dans cette réalisation il n'y a pas de platine 16 à solidariser avec le roulement 14 La transfor- mation du mouvement s'effectue par la table ou platine 20. Dans cette réalisation on utilise le système de transforma- tion du mouvement représenté sur la figure 5 Sur cette figu- re on conçoit qu'on peut voir qu'un seul des deux secteurs dentés superposés,toutefois on peut utiliser un système analogue constitué par deux crémaillères liées entre elles par un ressort 17 A et attaquant un seul secteur denté 19. La figure 6 se rapporte à une réalisation très simpli- fiée et d'un prix de revient avantageux. 8 253505 t A partir du moteur 6 présentant les mêmes caractéristi- ques que celles mentionnées ci-dessus,on crée un mouvement pseudosinusoldal de rotation Cette transformation est obtenue au moyen de deux disques ou roues 21 et 22 reliés par un fil ou ruban 24 Le fil ou ruban 24 est accroché en un point de fixation 23 sur le disque 21 qui est animé d'un mouvement circulaire continu selon le sens de la flèche à l'aide du moteur 6. Le mouvement est transformé par le fil ou ruban 24 accroché sur le disque ou roue 22 au point 25 lequel disque comporte un ressort de tension 17 B. On comprend aisément que si la longueur du fil ou ruban 24 était infinie, on obtiendrait un mouvement sinusoïdal de rotation sur l'axe 2. Toutefois dans la réalité,le fil ou ruban 24 n'est pas infini et on obtient donc dans ce cas un mouvement pseudo- sinusoldal de rotation Néanmoins pour certaines détermina- tions, du fait de la simplicité de la réalisation,ce mode de réalisation est très avantageux. Comme on l'a mentionné plus haut les moyens 1 de trans- formation de mouvement peuvent être de type mécanique c'est le cas des deux chaînes cinématiques 11 et du mode simplifié selon la figure 6 ou de type électronique avec un moteur- couple et une électronique de commande. L a figure 7 montre le capteur de couple disposé sur l'axe 2 La bride de fixation ou monture 30 illustrée schémati- quement sur la figure 1 assure le montage dudit capteur de couple 7. Le capteur de couple 7 se présente sous la forme d'une pièce de métal,de préférence de forme circulaire,pourvue d'une pluralité de perforations 26 de manière à former des branches ou toiles 27 amincies par exemple jusqu'à une dimen- sion de 0,1 mm Les branches ou toiles 27 vont servir à effectuer les déterminations désirées Le capteur de couple 7 comporte au moins deux branches ou toiles 27 Les toiles 27 résultent de l'implantation géométrique des perforations 26. Il est bien évident que l'on pourrait procèder en rapportant les toiles 27 à la fois sur une pièce interne et une pièce externe de capteur Le capteur de couple est très sensibile- en mesure de couple et est raide dans les autres directions, autrement dit en poussée ou en traction Sur la figure 7 on a représenté trois branchesil est bien entendu qugil s'agit d'un exemple et que le nombre supérieur à deux branches n'est pas limitatifo 41 désigne des trous au moyen desquels le capteur de couple 7 est assujettipar exemple, à l'aide de vis) à la monture de fixation ou bride 30 Le capteur de couple 7 est réalisé en alliage de bonne qualité métrologiquee plus particulièrement en ce qui concerne sa linéarité élastique, son hystérésis et son retour à zéroo Sur chaque branche ou toile 27 on colle des jauges de contrainte 28 qui peuvent etre de type capacitif, resistif ou autreso Dans l'exemple représenté sur la figure 8,on a collé quatre jauges 28 sur une branche 27 De préférence le branchement-des jauges 28 est effectué en pontnotamment en pont de Wheatstone, de façon à ce que chaque branche de pont contienne la série des jauges correspondant au même endroit sur les branches du capteuro De cette façon on élimine les variabilités d'épaisseur des branches du capteur. La figure 9 montre en 42 la déformée en S obtenue lors d'une mesure. Le conditionnement du pont de jauges 28 est réalisé par le dispositif 9 qui assure une alimentation stabilisée régla- ble. A titre d'exemple on peut prévoir une alimentation jusqu'à 6 volts par branche 27 de capteur 7 pour des jauges résistives de 350 ohms. Le capteur angulaire 8 est un capteur classiquepen con- séquence il ne sera pas décrit davantage car l'homme de l'art connait bien un tel dispositif. Le dispositif 9 outre les fonctions décrites ci-dessus permet l'équilibrage du pont de jauges 28,1 'amplification du signal et le filtrage. Il permet également l'alimentation stabilisée du cap- teur angulaire 8,1 'affichage de toutes les tensions mesurées et l'affichage des contraintes. l O 2 $ 535052 Il comporte des sorties analogiques correspondant aux tensions mesurées Il peut recevoir une interface numérique assurant le pilotage et la récupération des données à partir d'un calculateur. Les têtes de mesure 3 peuvent présenter différentes formesil peut s'agir par exemple d'un cylindre 43, d'un c 8 ne 44 ou d'une pièce plane 45 you toute autre forme à symétrie de révolution. L'appareil selon la présente invention permet d'effectuer des essais non destructifs Il permet en outre de connaître 1 ' évolution des propriétés rhéologiques au cours du temps. Une application particulièrement utile de cet appareil concerne l'industrie du fromage. Dans l'industrie fromagère le choix du découpage du coa- gulum ou caillé de fromagerie est une phase cruciale dans la fabrication des fromages. Jusqu'à présent on a utilisé des méthodes empiriques comme le toucher ou l'application de facteurs multiplicateurs *du temps de prise. Les méthodes instrumentales semi-empiriques utilisent des appareils comme des pénétromères ou des dispositifs de mesure de la rigidité Aucun de ces appareils n'est vraiment satisfaisant. L'appareil selon l'invention présente un caractère universelselon le choix de la largeur de l'entrefer, il permet de réaliser des mesures de viscosité pure,d'élasticité pure Dans l'application fromagère, à partir de l'évolution des paramètres rhéologiques mesurés,l'ordinateur 10 choisira le moment optimal pour le découpage,la conduite optimale du découpagedu décaillage et du travail mécanique (brassage) du caillé en cuve. Il est clair que l'appareil de l'invention est utile dans de nombreuses autres applications par exemple pour le contr 8 le en ligne de produits pour déterminer les cinétiques de gélification de différents produits. L'appareil selon l'invention qui est d'une réalisation simple du fait de sa structure procure des résultats qui n'ont jamais pu être obtenus jusqu'à ce jour. 11 2535052 REVENDICATIONS Àl.Procédé de mesure des propriétés rhéologiques de corps semi-solides consistant à introduire dans le corps à éprouver ( 5) une tête de mesure ( 3) mobile en rotation et à déterminer les conditions de mouvement de la tête ( 3),les- quelles servent de valeurs représentatives desdites proprié- tés rhéologiques en raison des contraintes exercées par la tête ( 3) en mouvement au sein du corps ( 5)>ledit procédé étant caractérisé en ce qu'on anime la tête de mesure ( 3) d'un mouvement sinusoidal ou pseudosinuso Idal de rotation,d'amplitu- de et de fréquence réglables, et indépendant du corps à éprouver. * 2. Procédé de mesure selon la revendication l,caractérisé en ce que le mouvement alternatif de rotation sur l'axe ( 2) de la tête de mesure ( 3) est obtenu à partir d'un mouvement circulaire continu qui est transformé en mouvement alternatif rectiligne puis en mouvement sinusoidal ou pseudosinusoldal de rotation. A 3 Appareil de mesure des propriétés rhéologiques de corps semi-solides comprenant essentiellement une cuve ( 4) contenant le corps à éprouver ( 5),une tête de mesure ( 3) plongée dans la cuve ( 4) au sein du corps,des moyens pour entraîner en rotation ladite tête ( 3) par l'intermédiaire d'un axe ( 2),ledit appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens ( 1) pour animer l'axe ( 2) d'un mouvement sinusoidal ou pseudosinusoidal de rotationun capteur de couple ( 7)et un capteur angulaire ( 8)montés sur l'axe ( 2)- et reliés tous deux à des moyens de traitement des informa- tions,tels qu'un dispositif de conditionnement de signaux ( 9) connecté à un micro-ordinateur ( 10)o 4 Appareil selon la revendication 3,caractérisé en ce que les moyens ( 1) pour animer l'axe ( 2) d'un mouvement sinu- soidal de rotation constituent une chaîne cinématique ( 11) comprenant un disque ( 13)entralné par un moteur ( 6)9 un roule- ment ( 14) fixé sur le disque ( 13) et tournant autour d'un axe parallèle à l'axe de rotation ( 15) du disque ( 13),une pla- tine ( 16) sur laquelle s'appuie le roulement ( 14)grâce au ressort ( 17 un chariot ( 12)supporté par ladite platine( 16),une $ 35052 crémaillère rectiligne ( 18)solidaire du chariot ( 12)et un secteur denté ( 19)en prise avec ladite crémaillère ( 18), l'axe de ce secteur ( 19) étant l'axe ( 2)portant la tête de mesure ( 3). ' 5 Appareil selon la revendication 3,caractérisé en ce que les moyens ( 1) pour animer l'axe ( 2) d'un mouvement sinusoidal de rotation sont constitués par une chaîne cinéma- tique ( 11) comprenant une table ( 20)à double mouvement recti- ligne croisé comportant deux parties mobiles ( 20 a) et ( 20 b) et une partie fixe ( 20 c). * 6 Appareil selon la revendication 3,caractérisé en ce que les moyens ( 1) pour animer l'axe ( 2) portant la tête de mesure ( 3) d'un mouvement pseudo-sinusoidal de rotation comprennent deux disques ( 21,22),le premier disque ( 21) étant entratné en rotation continue par le moteur ( 6) et étant muni d'un point de fixation ( 23) d'un fil ou ruban ( 24) qui est accroché en un point de fixation ( 25)sur le deuxième disque ( 22),lequel comporte un ressort ( 17 B)destiné à mainte- nir tendu le fil ou ruban ( 24). * 7 Appareil selon la revendication 3,caractérisé en ce que les moyens ( 1) pour animer l'axe ( 2) portant la tete de mesure ( 3) d'un mouvement sinusoidal de rotation sont constitués par un moteur-couple et une électronique de comman- de. * 8 Appareil selon la revendication 3,caractérisé en ce que les moyens ( 1) pour animer l'axe ( 2) portant la tête de mesure ( 3)d'un mouvement sinusoidal de rotation sont constitués par un dispositif à friction. o 9 Appareil selon l'une quelconque des revendications 3 à 8,caractérisé en ce que le capteur de couple ( 7) fixé sur l'axe ( 2)est une pièce métallique évidée pourvue d'une plurali- té de perforations ( 26)et comportant au moins deux branches ou toiles ( 27)sur lesquelles sont collées des jauges de contrainte ( 28),ladite pièce métallique étant déformable au niveau des toiles ( 27). tl O Appareil selon l'une quelconque des revendications 3 à 9,caractérisé en ce que les jauges de contrainte( 28)sont des jauges de contrainte résistives ou capacitives dont le branchement est effectué en pont notamment en pont de Wheatstone afin que chaque branche de pont renferme la série des jauges correspondant au même endroit sur les branches ( 27) du capteur ( 7). dbll Appareil selon l'une quelconque des revendications 3 à 109 caractérisé en ce que l'amplitude de la tête de mesure ( 3)animée d'un mouvement sinusoidal ou pseudo-sinuso Idal de rotation se situe dans la gamme de O à + 900,notamment de O à + 20/ et en ce que la gamme de fréquence est comprise entre 1 millihertz et 10 hertz notamiment entre 1 m Hz et 1 Hz. l 12 o Appareil selon 1 'une quelconque des revendications 3 à 11 caractérisé en ce que la tête de mesure ( 3) est sous forme d'une pièce présentant une symétrie de révolution comme par exemple un cylindrequn c 8 ne ou une pièce plane. e 13 Application du procédé et de l'appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 dans l'industrie fromagère pour le choix du moment du découpage du coagulum ou caillé de fromagerie.