Brevet FR2575552A1 — publié le 19860704

L'invention concerne un dispositif de détec- tion d'un matériau conducteur de l'électricité contenu dans une enveloppe, par couplage électromagnétique de deux bobines conductrices extérieures à cette envelop- pe. Il est connu par exemple de déterminer le niveau d'un métal liquide dans une enveloppe, par me- sure d'une grandeur électrique aux bornes d'un bobina- ge associé à un autre bobinage alimenté en courant électrique, le couplage des deux bobinages se faisant par l'intermédiaire du métal liquide. Pour celà, les deux bobinages doivent être plongés dans le volume intérieur de l'enveloppe, de telle sorte que le couplage des deux bobinages soit plus ou moins bon suivant le niveau de métal liquide dans l'enveloppe. Il en résulte que la grandeur élec- trique mesurée aux bornes du second bobinage dépend du niveau du métal liquide dans l'enveloppe, si le cou- rant d'alimentation du premier bobinage est constant. Dans la plupart des cas, les métaux liquides sont agressifs vis-à-vis des matériaux qui peuvent y être plongés et -les bobinages doivent être protégés d'un contact direct avec le métal liquide. On dispose donc ces bobinages dans une gaine en un matériau tel que l'acier inoxydable; on peut également les intro- duire dans un doigt de gant solidaire de l'enveloppe et faisant saillie dans son volume interne. La gaine ou le doigt de gant servant au lo- gement du dispositif de mesure de niveau doit avoir une longueur importante par rapport à son diamètre pour que les mesures puissent être effectuées dans de bonnes conditions à l'intérieur de tout le volume de l'enveloppe. Ces gaines ou doigts de gant sont donc fragiles et pertubent l'écoulement du métal liquide dans le cas ou l'enveloppe est une tuyauterie de circulation de ce métal. Les doigts de gant compli- quent la construction des enveloppes ou tuyauteries dans lesquelles ils permettent d'effectuer des mesu- res. En particulier, dans le cas de tuyauteries ou récipients destinés à contenir du sodium liquide utilisés dans un réacteur nucléaire, il est nécessaire de disposer d'appareillages simples de mesure de ni- veau ne comportant pas d'éléments en contact direct avec le sodium liquide. De façon plus générale, dans d'autres industries, il peut être nécessaire de déter- miner le niveau, le volume ou la présence d'un maté- riau conducteur dans une enveloppe. i5 Le but de l'invention est donc de proposer un dispositif de détection d'un matériau conducteur de l'électricité contenu dans une enveloppe par couplage électromagnétique de deux bobines conductrices, qui ne comportepas d'éléments en contact avec le matériau conducteur, qui soit d'une construction simple et qui ne perturbe pas l'écoulement du matériau, dans le cas o l'enveloppe est une tuyauterie de circulation de ce matériau. Dans ce but, les deux bobines sont enroulées sur la surface extérieure de l'enveloppe et sont cons- tituées par des spires entourant le matériau conduc- -teur contenu dans l'enveloppe, les spires d'une des - bobines étant imbriquées par rapport aux spires de l'autre bobine et sensiblement jointives avec celles- ci, et le dispositif comporte en outre un moyen d'alimen- tation d'une des bobines en courant alternatif à in- tensité constante et un moyen de mesure de la force électromotrice induite aux bornes de la seconde bobi- ne, créée par le courant alternatif dans la première bobine et dépendant de la présence.et du niveau du matériau conducteur dans l'enveloppe. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire,-à titre d'exemple non limita- tif, en se référant aux figures jointes en annexe, un mode de réalisation du dispositif de mesure suivant l'invention dans le cas d'une canalisation renfermant un métal liquide tel que le sodium et dans le cas d'un réservoir de stockage d'un produit liquide conducteur de l'électricité. Dans ces figures: - La Fig. 1 est une vue en coupe par un plan vertical du dispositif en position de mesure sur une canalisation de transport de sodium. - La Fig. 2a est une vue schématique mon- trant la répartition des lignes de force autour des bobinages dans le cas o la canalisation est vide. - La Fig. 2b est une vue schématique des lignes de forces dans le cas o la canalisation est pleine de métal liquide. - La Fig. 2c est une vue schématique des lignes de forces dans le cas o la canalisation est remplie partiellement de métal liquide. - La Fig. 3 est une vue en coupe verticale d'un réservoir de stockage équipé d'un dispositif de détection suivant l'invention. Sur la Fig. 1. on voit une canalisation 1 en acier inoxydable à l'intérieur de laquelle circule du sodium liquide 2 remplissant la canalisation 1 jus- qu'au niveau 3. Le dispositif de mesure de niveau est cons- titué par un premier bobinage 5 enroulé sur la surface extérieure de la canalisation 1, en une seule couche, une seconde bobine 6 également enroulée sur la surface extérieure de la canalisation 1, un moyen 7 d'alimen- tation en courant alternatif du premier bobinage 5 et un voltmètre 8 placé aux bornes du second bobinage 6. L'axe XX' de la canalisation est sensible- ment horizontal si bien que les spires des bobinages 5 et 6 sont dans des plans sensiblement verticaux. Ces spires entourent le sodium liquide 2 contenu dans la canalisation 1. Les spires des bobinages 5 et 6 sont imbri- quées et placées sensiblement jointives les unes par rapport aux autres. Les extrémités du fil conducteur constituant -.J le bobinage 5 sont reliées à un dispositif 7 d'alimen- tation en courant alternatif avec une intensité cons- tante et sous une fréquence de 1000 Hertz. Le champ magnétique créé par le bobinage 5 alimenté en courant alternatif induit une force élec- tromotrice dans le bobinage 6, par couplage électro- magnétique. Sur les Fig. 2a, 2b et 2c, on a représenté les lignes de flux 10 autour des bobinages 5 et 6 dans le cas o la canalisation 1 est vide de métal liquide, dans le cas o le métal liquide remplit complètement la canalisation 1 et dans le cas o le métal liquide ne remplit que partiellement la canalisation 1, res- pectivement. Comme représenté sur la Fig. 2a, dans le cas o la canalisation 1 est vide, les lignes de flux sont largement ouvertes à l'intérieur et à l'extérieur du tube et le couplage entre les bobinages 5 et 6 est faible. Dans le cas de la Fig. 2b,. les lignes de flux 10 sont fortement resserrées à-l'intérieur de la canalisation remplie de métal liquide 2, ce qui pro- duit un bon couplage entre les bobinages 5 et 6. Enfin dans le cas de la Fig. 2c, on observe une dissymétrie très accentuée des lignes de flux, entre la partie remplie de métal liquide 2 de la cana- lisation et la partie vide de métal liquide. Le-cou- plage est alors intermédiaire entre le cas de Fig. 2a et le cas de la Fig. 2b. Corrélativement, la force électromotrice me- surée aux bornes du bobinage 6 est forte lorsque la canalisation est vide de métal liquide, faible lorsque la canalisation est pleine de métal liquide et présen- te une valeur intermédiaire lorsque la canalisation --J est partiellement remplie de métal liquide. On a utilisé un dispositif selon l'invention pour mesurer un niveau de sodium liquide dans une tuyauterie en acier inoxydable d'un circuit expérimen- tal d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides. Cette tuyauterie a un diamètre extérieur de 0,273 mètre, une épaisseur de 0,00419 mètre et les bobines du disposi- tif de mesure de niveau ont chacune dix spires en fil conducteur électrique de 2,5 x 106 m de section. Le premier bobinage est relié à une source d'alimentation en courant alternatif ayant une inten- sité constante et une fréquence de 1000 Hertz. Aux bornes du second bobinage dont les spi- res sont imbriquées par rapport aux spires du premier bobinage, on place un voltmètre qui permet de mesurer la tension induite dans le second bobinage 6. On a mesuré la tension aux bornes du bobina- ge 6 en utilisant le voltmètre 8, dans les cas sui- vants: a - Canalisation 1 vide de métal, tension mesurée 353 mV. b - Canalisation 1 remplie jusqu'au quart de son diamètre vertical, tension mesurée 266 mV. c - Canalisation 1 à moitié remplie de so- dium liquide, tension mesurée 226 mV. d - Canalisation 1 entièrement remplie de sodium liquide, tension mesurée 157 mV. On voit donc que la mesure de tension est très sensible au niveau de remplissage de la canalisa- tion et que la valeur de cette tension mesurée décroît avec le remplissage de la canalisation. Avec le voltmètre utilisé (amplitude totale de la graduation 500 mV), il est possible d'apprécier des variations de niveau de l'ordre de 5 mm dans la canalisation, ce qui représente une très bonne sensi- bilité. Dans le cas o la mesure de niveau doit être faite sur une canalisation ou un récipient renfermant du métal liquide très chaud (par exemple du sodium li- quide surchauffé à 600"C), on réalise les bobines à partir d'un conducteur coaxial à isolant minéral du type commercialisé sous la dénomination PYROTENAX. La fréquence du courant utilisé pour alimen- ter la bobine 5 dépend des dimensions de l'enveloppe 1 et des conditions de mise en oeuvre de la détection (niveau du matériau à détecter). Pour un diamètre de 0,273 m et une épaisseur de 4.10.3 m, la fréquence la plus adaptée pour une étendue de mesure de 0 à 100 Z est voisine de 1000 Hertz. Cette fréquence est inver- sement proportionnelle au rapport de similitude des dimensions (diamètre et épaisseur) de l'enveloppe cy- lindrique 1. En effet, les dimensions des enveloppes cylindriques telles que les canalisations des réac- teurs nucléaires varient de façon généralement propor- tionnelle. Ainsi pour une tuyauterie de 0,546 m, soit un rapport de similitude de 2, la fréquence ne sera que de 500 Hertz, l'épaisseur 'de la tuyauterie étant également dans ce rapport de'similitude c'est-à-dire égale à 8.103 m. Si l'on souhaite une sensibilité ma- ximale pour de faible remplissage jusqu'à 25 Z environ ou de fort remplissage à partir de 75 Z la fréquence la plus adaptée sera d'environ 1600 Hertz pour une tuyauterie de 0,273 m, la même règle de similitude s'appliquant pour d'autres dimensions. Sur la Fig. 3, on voit un réservoir cylin- drique 11 à axe vertical utilisé pour le stockage d'un matériau liquide 2 conducteur de l'électricité. Le ré- servoir -11 à grand diamètre comporte un conduit de me- sure--13 à -a-e vertical dans3 lequel le niveau du maté- riau liquide 12 s'établit dans le même plan horizontal que le niveau dans le réservoir 11. Des bobines 15 et 16 enroulées sur la surface extérieure du conduit de mesure 13 entourent la zone du niveau 12a à mesurer. Comme dans le mode de réalisation des Fig. 1 et 2. les spires des bobines -sont imbriquées et jointives. La bobine 15 *est reliée à ses bornes, à une source de courant alternatif 17 à intensité constante. La bobine 16 est reliée à un voltmètre 18. La mesure de la ten- sion induite par la bobine 15, dans la bobine 16 per- met de déterminer le niveau 12a du liquide dans le conduit de mesure 13 et donc dans le réservoir 12. Les mesures de tension du voltmètre 18 sont transformées en valeurs de niveau, grâce à un étalonnage préalable. La longueur des bobines 15 et 16 peut être réduite si le niveau ne varie que dans une plage de faible éten- due. Les principaux avantages du dispositif sui- vant l'invention sont les suivants: le dispositif est d'une très grande simplicité et peut être monté sur des tuyauteries de grand diamètre., par exemple d'un diamètre de l'ordre d'un mètre ou sur des réservoirs de grandes dimensions, par exemple de forme cylindri- que et d'un diamètre supérieur à un mètre; le dispo- -sitif peut être facilement utilisé pour des essais. car son montage et son démontage peuvent être très facile- ment réalisés en n'importe quel point d'un circuit de métal liquide ou d'un autre liquide conducteur élec- trique; le dispositif ne comporte pas de circuit ma- gnétique et ne nécessite pas d'introduction d'éléments de mesure à l'intérieur de la tuyauterie ou du réser- voir. En outre, la mesure n'est pas perturbée par les dispositifs de préchauffage ou de maintien en tempéra- ture du type électrique, àa effet Joule, par exemple, et les variations de température du produit ne se tra- duisent que par de faibles variations dans la mesure qui ne nécessitent pas de correction si la précision exigée n'est pas trop grande. L'invention:ne se limite pas au mode de réalisation qui a été décrit. C'est ainsi qu'on peut utiliser des bobina- ges dont le nombre de spires est différent de dix. Le voltmètre utilisé sera choisi, bien sur. en fonction de la sensibilité recherchée. La section du fil conducteur constituant les bobines pourra être différente de la valeur qui a été donnée. Le dispositif de mesure suivant l'invention peut être utilisé dans le cas de toute canalisation ou réservoir de forme cylindrique. Le dispositif de mesu- re peut également être appliqué dans le cas de réser- voirs de forme non cylindrique, par exemple de forme sphérique ou plus complexe. Les réservoirs ou canalisations peuvent être en un matériau ou alliage métallique quelconque, l'u- tilisation de l'acier inoxydable étant cependant la plus fréquente dans le cas de métal liquide tel que le sodium. Le dispositif de mesure suivant l'invention peut être utilisé non seulement pour la mesure de ni- veau mais encore pour la mesure du volume de substan- ces conductrices contenues dans une enceinte; dans ce cas, un simple programme de calcul ou un dispositif électronique approprié permet de convertir la mesure de niveau en mesure de volume, en prenant en compte la géométrie de l'enveloppe. Le dispositif peut également être utilisé pour la détection de la présence d'une substance conductrice dans un réservoir ou une canalisation; dans ce cas, on peut par exemple concevoir un disposi- tif électronique provoquant l'émission d'un signal, lorsque la tension mesurée en continu aux bornes de l'enroulement du détecteur franchit un certain seuil. Le matériau conducteur peut être un métal liquide quelconque, une poudre métallique ou tout autre substance non métallique conductrice de l'élec- tricité, telle qu'un électrolyte. L'invention peut donc s'appliquer dans le domaine de la métallurgie. de la production d'énergie et de l'industrie chimique. REVENDICATIONS 1.- Dispositif de détection d'un matériau conducteur de l'électricité contenu dans une enveloppe (1) par couplage électromagnétique de deux bobines conductrices (5, 6), caractérisé par le fait que les deux bobines sont enroulées en une seule couche sur la surface extérieure de l'enveloppe (1) et sont consti- tuées par des spires entourant le matériau conducteur contenu dans l'enveloppe, les spires d'une des bobines (5) étant imbriquées par rapport aux spires de l'autre bobine (6) et sensiblement jointives avec celles-ci, et par le fait que le dispositif comporte en outre un moyen d'alimentation (7) d'une des bobines (5) en cou- rant alternatif à intensité constante et un moyen de mesure (8) de la force électromotrice induite aux bor- nes de la seconde bobine (6), créée par le courant al- ternatif dans la première bobine (5) et dépendant de la présence et du niveau du matériau conducteur (3) dans l'enveloppe (1). 2.- Dispositif de détection suivant la re- vendication 1, caractérisé par le fait que l'enveloppe (1) est de forme cylindrique à axe non vertical. 3.- Dispositif de détection suivant la re- vendication-2, caractérisé par le fait que l'enveloppe (1) est une canalisation (1) dans laquelle circule un matériau (2) conducteur. 4.- Dispositif de détection suivant l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé par le fait que le moyen d'alimentation( 7) en courant al- ternatif de la bobine (5) est prévu pour fournir un courant à une fréquence définie en fonction des dimen- sions (diamètre et épaisseur) de l'enveloppe (1) dans sa partie recevant les spires des bobines (5, 6) et inversement proportionnelle à ces dimensions. 5.- Dispositif de détection suivant la re- vendication 4, dans le cas o on effectue la détection du matériau conducteur pour des taux de remplissage de l'enveloppe cylindrique allant de 0 à 100 Z. caracté- risé par le fait que le moyen d'alimentation (7) est prévu pour fournir un courant à une fréquence voisine de- 1000 Hertz, lorsque l'enveloppe a un diamètre voi- sin de 0,270 m et une épaisseur voisine de 4.10 3 m. 8.- Dispositif de détection suivant la re- vendication 4, dans le cas o on effectue la détection du matériau conducteur pour des taux de remplissage de l'enveloppe cylindrique compris entre 0 et 25 Z et entre 75 et 100 Z, caractérisé par le fait que le moyen d'alimentation 7>' est prévu pour fournir un courant à une fréquence voisine de 1600 Hertz,. lorsque la tuyauterie a un diamètre voisin de 0,270 m et une -3 épaisseur voisine de 4.10 m. 7.- Dispositif de détection suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5 et S, ca- ractérisé par le fait que les bobines (5, 6) sont constituées par des conducteurs coaxiaux à isolant mi- néral. 8.- Application d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 et 7 la mesure du niveau du matériau conducteur (2) dans l'enveloppe (1). 9.- Application d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 et 7 à la mesure du volume du matériau conducteur (2) contenu dans l'enveloppe (1). 10.- Application d'un dispositif selon l'une - quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 et 7 à la détection de la présence du matériau conducteur (2) dans l'enveloppe (1). 11.- Application selon l'une quelconque des revendications 8, 9 et 10, caractérisée par le fait que le matériau conducteur (2) est un métal liquide. 12.- Application selon l'une quelconque des revendications 8, 9 et 10, caractérisée par le fait que le matériau conducteur est une poudre métallique. 13.- Application selon l'une quelconque des revendications 8, 9 et 10 caractérisée par le fait que le matériau conducteur est un liquide conducteur élec- trique non métallique.