Brevet FR2544496A1 — publié le 19841019

- Viscosimètre à tige vibrante L'invention concerne les viscosimètres à tige vibrante du type comportant une embase reliée à une région d'une tige métallique droite située entre les extrémités de la tige dont l'une, opposée à celle destinée à tremper dans le produit dont la viscosité est à mesurer, est munie de moyens de mise en vi- bration transversale de la tige et d'un capteur de mouvement. Elle trouve une application dans tous les domaines o il est nécessaire de mesurer en temps réel la viscosité d'un produit liquide ou pâteux, en circulation ou immobile, à une pression et/ou à une température pouvant varier dans de larges limites. Les viscosimètres connus de ce type, dont le 5 moyens de mise en vibration transversale de la tige sont alimentés par un générateur à fréquence sensiblement constante, ont une pré- cision insuffisante pour la plupart des besoins industriels; de plus, ils ne permettent des mesures que dans une plage de viscosité faible Pour cette raison, ils sont peu utilisés. L'invention vise à fournir un viscosimètre du type ci- dessus défini répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il présente une précision et un domaine de fonctionnement accrus et en ce qu'il est susceptible d'être équipé de moyens rendant la mesure pratiquement indépendante de la température dans une gamme de valeurs importante. Dans ce but, l'invention propose notamment un viscosi- mètre-dans lequel lesdits moyens comportent un élément ferro- magnétique, généralement un aimant permanent, fixé à la tige et placé dans l'entrefer d'un électro-aimant dont le bobinage est alimenté par un circuit à la fréquence propre de la tige, détectée par le capteur. Un tel viscosimètre permet d'effectuer des mesures dans un domaine très large de valeurs, typiquement de l à 3 000 000 cpo La durée de vie du dispositif d'excitation est beaucoup plus longue que celle d'un système classique à came tournante, présentant une usure rapide des paliers, axes et ressorts en fonctionnement continu La tige sera généralement constituée par une aiguille métallique droite de faible diamètre montée - 2coaxialement dans un tronçon de tube dont une extrémité est fixée à l'embase et dont l'autre extrémité est fixée à l'aiguille, le noeud de vibration transversale se plaçant entre les extrémités du tube La mesure peut être effectuée par plusieurs processus différents Dans une première va- riante, le circuit est asservi de façon à maintenir cons- tante l'amplitude du signal de sortie du capteur et le signal de mesure représentatif de la viscositéest la puissance fournie à l'électro-aimant Dans une autre variante, le cir- cuit fournit à l'électro-aimant une puissance constante et le signal de sortie du capteur constitue le signal de mesure. On peut utiliser différents types de capteurs, notam- ment des capteurs électro-magnétiques Toutefois, Nl sera en général avantageux d'utiliser une sonde de Hall, qui pré- sente une bonne linéarité et qui est disponible dans le commerce sous forme d'un circuit complet compensé en tempé- rature. Le signal de sortie de la sonde, comme la vibration de la tige, est très sensiblement sinusoïdal; mais il est avantageux d'exciter la bobine en signaux carrés, obtenus p.ar forte amplification et écrêtage du circuit fourni par la sonde Cette solution permet un démarrage extrêmement sûr du système, sans excitation extérieure, la moindre vibration, toujours présente dans la réalité, suffisant à déclencher le fonctionnement. L'invention sera mieux comprise à-la lecture de la description qui suit d'un viscosimètre qui en constitue-un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif La description se réfère au dessin qui l'accom- pagne, dans lequel: la Figure 1 est un schéma de la partie mécanique du viscosimètre, représentée en coupe suivant un plan passant par son axe; la Figure 2 est un synoptique du circuit de mesure et d'excitation du viscosimètre. La partie électromécanique du viscosimètre, montrée en Figure 1, comprend une embase 10, prévue pour être fixée sur le récipient ou la conduite dans lequel se trouve le -3- produit liquide ou pâteux dont la viscosité est à mesurer. A l'embase 10 est fixé, généralement par emmanchement et soudage, un tube élastique 12 en métal (acier inoxydable en général) Une aiguille cylindrique 14 disposée coaxialement au tube 12 fait saillie des deux côtés de ce dernier et elle lui est fixée en une zone intermédiaire, par exemple par bra- sage à l'argent ou soudage par-faisceau d'électrons Des moyens pour faire osciller transversalement en flexion la tige 16 constituée par l'assemblage de l'aiguille 14 (géné- ralement en acier dur ou en acier inoxydable) et du tube 12, comprennent un aimant permanent 18 à fort champ coercitif fixé à l'extrémité de l'aiguille qui est éloignée de celle qui plonge dans le produit L'aimant 18 est placé dans l'entrefer d'un électro-aimant 20 muni d'une bobine d'excitation 22 et porté par une potence 24 solidaire de l'embase 10 La potence 24 porte également un capteur de déplacement 26, qu'on suppo- sera par la suite être une sonde de Halla, coopérant avec un aimant 28 porté par l'aiguille 14. L'ensemble ainsi constitué est placé dans une cloche de protection 30 fixée à l'embase 10 et percée d'un trou 32 de sortie des conducteurs électriques de jonction du capteur 26 et de la bobine 22 avec les circuits extérieurs, Un manchon à ailettes 34 peut être prévu autour de la cloche 30 pour évacuer la chaleur. Cette disposition permet de réaliser la tige 16 à l'aide d'un montage mécanique simple A titre d'exemple, on peut indiquer qu'on obtient des résultats satisfaisants avec un tube 12 en acier inoxydable de 50 mm de long, de 4 mm de diamètre interne et de 0,25 mm d'épaisseur, et une aiguille de 150 mm de long et de 3 mm de diamètre On choisira une longueurou un diamètre d'aiguille plus élevé lorsque la viscosité à mesurer est plus faible. Les circuits associés à la partie électro-mécanique peuvent avoir la constitution montrée en Figure 2, prévue pour mesurer le freinage de l'oscillation, donc la viscosité, par détermination de l'amplitude de l'oscillation à puissance d'excitation constante Ce circuit fournit les signaux d'excitation sous forme de signaux carrés de tension constante, du moins à température constante Chaque fois que la plage de température de fonctionnement est importante, ce circuit est complété par des moyens de compensation de la variation de résistance de la bobine 22 en fonction de la température. Le capteur 26, constitué par une sonde de Hall dispo- nible dans le commerce sous forme de plaquette munie d'un circuit de compensation propre en température (sonde 92 S 512-2 de HONEYWELL par exemple) fournit un signal sinusoïdal de sortie d'amplitude proportionnelle à celle de l'oscillation dans un large domaine La sortie de ce capteur attaque une branche de mesure et une branche d'excitation de l'électro- aimant 22. La branche d'excitation de l'électro-aimant 'comporte un amplificateur opérationnel 36 monté en boucle ouverte de façon à avoir un gain très élevé Deux diodes Zener 38 montées tête-bêche entre la sortie de l'amplificateur 36 et la masse écrêtent le signal et le transforment en créneaux carrés On peut notamment utiliser des diodes Zener ayant une tension d'amorçage de 5,1 V type BZX 46 C dont les caracté- ristiques varient peu avec la température-. Le signal carré ainsi obtenu est appliqué à un second amplificateur opérationnel 40 monté en suiveur qui, dans le mode de réalisation illustré, attaque un amplificateur 42 monté en sommateur et dont le rôle apparaîtra plus loin Le signal de sortie de ce dernier est appliqué à la bobine 22 par l'intermédiaire d'un amplificateur opérationnel 44 de réglage de gain. Le circuit représenté en Figure 2 comporte des moyens de compensation de température destinés à fournir des signaux carrés A la fréquence de sortie du capteur 26, d'amplitude déterminée en fonction des variations de température de la - bobine Ce circuit de compensation ne sera pas décrit en détail, sa constitution générale pouvant être classique et à base d'amoli-ficatt-urs oàrationnels Ce circuit de comoen- sation 43 reçoit un sionai Ére Levz à la sortie de l'amolificateur 40 et un signal de température fourni par une sonde 48 placée à proximité de la bobine 22 La sonde de température 48 peut notamment être constituée par une sonde à résistance de platine de 1 On à O O C du type K 201 S (IEU 4-EST). -5- La sommation du signal de sortie provenant de l'ampli- ficateur 40 et du signal de compensation de température s'effectue par un réseau de résistances 50, 52 reliées à l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel 42 de façon que celui-ci effectue une sommation. La branche de mesure du circuit de la Figure 2 com- porte un amplificateur opérationnel 54 suivi d'une diode de redressement 56 et d'un condensateur de stockage 58 de façon à fonctionner en redresseur-intégrateur Le signal continu aux bornes du condensateur 58 a t t a q u e u n amplificateur 60 monté en suiveur d'adaptation d'impédance et il est fourni à un enregistreur 62 qui peut être de n'importe quel type approprié. On voit que le viscosimètre qui vient d'être décrit garanti t l'excitation de la tige à sa fréquence propre de résonance, quel que soit le produit à mesurer; permet de mesurer l'amplitude d'oscillation sans contact mécanique évite toute usure du mécanisme d'excitation; et, enfin, de par sa conception même, est insensible aux perturbations du réseau électrique en tension et en fréquence, étant alimenté en courant continu Au surplus, il est capable de fonctionner dans n'importe quelle orientation et présente un encombrement réduit. Le fonctionnement du viscosimètre résultant de la description qui précède et de sa constitution, il suffira ici de l'envisager sommairement Le viscosimètre est monté de façon que l'ensemble du tronçon de tube 12 et de la portion de tige 14 qui en déborde baigne dans le produit Le cir- cuit de mesure et d'excitation est mis en tension et le fonctionnement intervient immédiatement, sans aucune excita- tion extérieure L'électronique peut être placée à distance importante de la partie électro-mécanique sans inconvénient. Lorsque l'étanchéité est requise, un passe-fil peut être monté sur la cloche 30 pour livrer passage aux différents conducteurs nécessaires, habituellement deux pour la bobine 22, trois pour la sonde de Hall 26 et trois pour le capteur de température de compensation. 6 2544496 REVENDICATIONS 1 Viscosimètre à tige vibrante, comportant une embase ( 10) reliée à une région d'une tige ( 16) métallique droite située entre les extrémités de la tige dont l'une, opposée à celle destinée à tremper dans le produit dont la viscosité est à mesurer, est munie de moyens de mise en vibration transversale de la tige et d'un capteur de mouve- ment, caractérisé en ce que lesdits moyens comportent un élément ferromagnétique ( 18), généralement un aimant perma- nent, fixé à la tige ( 16) et placé dans l'entrefer d'un électro-aimant dont le bobinage est alimenté par un circuit à la fréquence propre de la tige, détectée par le capteur. 2 Viscosimètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit est asservi de façon à maintenir cons- tante l'amplitude du signal de sortie du capteur ( 26) et en ce que le signal de mesure représentatif de la viscosité est la puissance fournie à l'électro-aimant ( 20,22). 3 Viscosimètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit fournit à l'électro-aimant une puissance constante et le signal de sortie du capteur constitue le signal de mesure. 4 Viscosimètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit comporte une branche de mesure de l'am- plitude du signal de sortie du capteur ( 26) et une branche d'excitation de l'électro-aimant qui comprend un amplifica- teur à grand gain suivi d'un écrêteur fournissant un signal carré d'amplitude constante, à la fréquence du signal de sortie du capteur, et des moyens d'adaptation d'impédance et d'amplification placés entre l'écrêteur et une bobine ( 22) de l'électro-aimant. Viscosimètre selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens d'adaptation d'impédance et d'amplifi- cation comprennent un amplificateur monté en sommateur rece- vant, d'une part, le signal carré écrêté, d'autre part, un signal carré de compensation des variations de résistance de la bobine ( 22) en fonction de la température, à la fréquence du signal de sortie du capteur. 6 Viscosimètre selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que la branche de mesure comporte un inté- -7- grateur fournissant un signal continu d'amplitude propor- tionnelle à l'amplitude du signal sinusoïdal de sortie du capteur. 7 Viscosimètre selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que le capteur est constitué par une sonde de Hall compensée en température. 8 Viscosimètre selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que la tige ( 16) est constituée par un tronçon de tube fixé à l'embase et une aiguille ( 14) placée coaxialement au tube, présentant une extrémité faisant saillie hors du tube pour plonger dans le produit dont la viscosité est à mesurer et une autre extré- mité munie de l'élément ferro-magnétique et coopérant avec le capteur -