Brevet FR2580801A1 — publié le 19861024

L invention concerne un dispositif de mesure du niveau d un milieu conducteur electrique contenu dans une enveloppe dont le niveau superieur peut se déplacer entre deux positions extrêmes a lilnterieur de cette enveloppe Lorsqu on utilise des liquides conducteurs électriques. tels que des métaux liquides, il peut être nécessaire de connaitre de façon précise le nl- veau de ces liquides conducteurs a l'intérieur de ré- servoirs ou de canalisations. En particulier, dans le cas des réacteurs nucléaires a neutrons rapides dans lesquels on utilise du sodium liquide comme fluides d'échange primaire et secondaire, il est nécessaire de connaitre le niveau de ce sodium liquide dans certai- nes parties des circuits ou ce sodium liquide est uti- lisé. Il est'bien connu d'utiliser, pour ces mesu- res de niveau. des sondes comportant deux bobinages électriques enroulés sur un support lui-même fixé par rapport a l'enveloppe contenant le milieu conducteur électrique dont on mesure le niveau. L'un des bobina- ges ou bobinage primaire est alimenté en courant élec- trique alternatif et la tension induite dans le second bobinage, ou bobinage secondaire, est mesurée, cette tension induite ayant une valeur dépendant du couplage des deux enroulements, par l'intermédiaire du milieu conducteur. Le couplage des deux bobinages qui sont plongés partiellement dans le milieu conducteur dépend évidemment du niveau de ce milieu conducteur dans l'enveloppe. De telles sondes de niveau présentent cepen- dant l'inconvénient de nécessiter un étalonnage préa- lable à leur utilisation pour la mesure de niveau dans un milieu conducteur donné. Cet étalonnage doit être effectué à nouveau a chaque fois qu'on passe d'un mi- î lieu conducteur a un autre milieu dont la conductivité electrique est différente L utilisation de ces sondes de niveau dans une installation destinée a recevoir des milieux conducteurs différents conduit donc a des difficultés lors de leur utilisation. D'autre part. ces sondes de niveau sont trés sensibles aux variations de température du milieu conducteur dans lequel elles sont plongées, ce qui né- cessite d'utiliser des dispositifs de compensation de température relativement compliqués. Dans les installations connues o l'on utl- lise des sondes de niveau, le niveau supérieur du mi- lieu conducteur dont on mesure la position, est amené à se déplacer, pendant le fonctionnement de l'instal- lation, entre deux positions extrêmes qui définissent une plage de mesure. L'étalonnage de la sonde doit donc prendre en compte l'ensemble de cette plage de mesure et établir avec une précision suffisante la correspondance entre les tensions secondaires et les niveaux mesurés. Le but de l'invention est donc de proposer un dispositif de mesure de niveau d un milieu conduc- teur électrique contenu dans une enveloppe, dont le niveau supérieur peut se déplacer entre deux positions extrêmes à l'intérieur de l'enveloppe, comportant deux bobinages électriques plongés au moins partiellement dans le milieu conducteur et un support de fixation des bobinages par rapport à l'enveloppe, la mesure de niveau étant réalisée par mesure de la tension élec- trique induite par l'un des bobinages ou bobinage pri- maire qui est alimenté en courant électrique, dans l'autre bobinage ou bobinage secondaire, ce dispositif de mesure permettant à la fois de s'affranchir d'un étalonnage préalable, même dans le cas de changement de milieu conducteur, pour toute la plage de mesure et d'éviter d'utiliser des dispositifs de compensation de température complexes. Dans ce but, le bobinage secondaire comporte trois enroulements distincts placés les uns à la suite des autres dans la direction verticale sur le support en position de mesure dans l'enveloppe, avec leurs axes d'enroulement verticaux et dans des positions telles que l'enroulement extrême inférieur soit situé entièrement en-dessous de la position extrême infé- rieure du niveau du milieu conducteur, que l'enroule- ment extrême supérieur soit situé entièrement au-des- sus de la position extrême supérieure de ce niveau et que l'enroulement central, d'une longueur sensiblement égale à la distance verticale entre les positions ex- trêmes du niveau, soit situé entre ces deux positions et le dispositif de mesure comporte en outre un moyen de détermination du niveau par détection des tensions induites dans chacun des enroulements du bobinage se- condaire par le bobinage primaire disposé sur toute la longueur du bobinage secondaire et par comparaison des tensions induites dans les enroulements extrêmes d'une part et dans l'enroulement central d'autre part. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, en se référant aux figures jointes en annexe, un mode de réalisation d'un dispo- sitif de mesure de niveau suivant l'invention, Dans ces figures: - la Fig. 1 est une vue en coupe par un plan vertical d'un dispositif de mesure de niveau suivant l'invention en position dans une enveloppe renfermant un milieu conducteur; - la Fig. 2 est une représentation"schémati- que des bobinages primaire et secondaire du dispositif de mesure de niveau représenté à la Fig. 1; - la Fig. 3 est une représentation schémati- que des circuits du moyen de détermination de niveau associé à la sonde représentée sur la Fig. 1; - la Fig. 4 est une vue de coté suivant A de la Fig. 5. d'un mode de réalisation particulier du support des bobinages de la sonde représentée- sur la Fig. 1; - la Fig. 5 est une vue en coupe suivant VV de la Fig. 4. Sur la Fig. 1, on voit l'enveloppe fermée 1 d'un réservoir contenant un milieu liquide conducteur 2 qui peut être par exemple un métal liquide tel que le sodium. Le niveau supérieur 3 de ce métal liquide peut se déplacer, pendant le fonctionnement de l'ins- tallation dont fait partie le réservoir, entre une po- sition extrême inférieure 3' et une position extrême supérieure 3". La position du niveau 3 entre ces deux limi- tes 3' et 3" définissant la plage de mesure, peut être mesurée grâce à une sonde 4 associée à un moyen de dé- termination de niveau 6 constitué par des circuits électroniques qui seront décrits plus en détail en se référant à la Fig. 3. La sonde 4 est disposée à l'in- térieur d'un doigt de gant 7 ménagé à l'intérieur de l'enveloppe 1 de façon à recouvrir entièrement, dans la direction verticale, la plage de mesure 3'-3". Le doigt de gant 7 permet d'isoler la sonde 4 du milieu liquide 2 et ainsi d'éviter la destruction de la sonde 4 par effet thermique ou chimique. La sonde 4 comporte un support 8 fixé à l'intérieur du doigt de gant et un ensemble d'enroulements 10 ayant pour axe l'axe verti- cal du support 8 et du doigt de gant, ces enroulements étant constitués par les fils conducteurs électriques 12 bobines a spires sensiblement Jointives sur le sup- port 8. Les extrémités des conducteurs électriques 12 sont reliés aux circuits du moyen de détermination de niveau 6. Sur la Fig. 2. on voit que les enroulements constituent un bobinage primaire continu 14 et un bobinage secondaire 15 comportant des enroulements successifs dans la direction verticale correspondant a l'axe du support et du doigt de gant. Les spires du bobinage secondaire 15 sont intercalées et placées de façon sensiblement Jointive, entre les spires du bobinage primaire 14. On a égale- ment représenté sur la Fig. 2, les positions extrêmes 3' et 3" du niveau supérieur 3 du milieu conducteur 2, par rapport a la position des bobinages 14 et 15, lorsque ces bobinages sont en position de mesure dans le doigt de gant 7 a l'intérieur de l'enveloppe 1. Les bobinages 14 et 15 qui s'étendent le long du support 8 de la sonde, sur une longueur sensiblement identique, recouvrent entièrement la plage de mesure 3' 3", dans la direction verticale. Le bobinage secondaire 15 est constitué par cinq enroulements successifs et distincts21, 22, 23, 24 et 25. Les enroulements 21 et 25 comportent un même nombre de spires et sont placés entièrement au-dessus du niveau 3" en ce qui concerne l'enroulement 21, et entièrement en-dessous du niveau 3' en ce qui concerne l'enroulement 25. L'enroulement 21 est ainsi toujours au-dessus du niveau supérieur du milieu conducteur alors que l'enroulement 25 est toujours au-dessous de ce niveau et donc entièrement entouré de métal liquide conducteur. Des bobinages 22 et 24 a faible nombre de spires sont placés juste au-dessus du niveau 3" et juste en-dessous du niveau 3', respectivement. Le bobinage central 23 a une longueur sensi- blement égale à la distance verticale séparant les ni- veau 3' et 3" et se trouve placé entre ces deux ni- veaux. Sur la Fig. 3, ont été représentés l'ensem- ble des circuits électroniques constituant d'une part le moyen d'alimentation 17 du bobinage primaire 14 dont les extrémités des conducteurs 12 sont reliées aux bornes de sortie 18 du dispositif d'alimentation 17 et d'autre part le moyen de détermination 19 du niveau du milieu conducteur dans l'enveloppe 1 du ré- servoir. Le moyen de détermination du niveau 19 com- porte un ensemble de bornes d'entrée 20 groupées par paires, pour le branchement des enroulements secondai- res 21, 22, 23, 24 et 25 de la sonde, aux endroits in- diqués sur la Fig. 3. Le moyen d'alimentation du bobinage primaire 14 comporte un oscillateur 26 fournissant un signal rectangulaire, un filtre 27 et un amplificateur de puissance 28 permettant de fournir un courant sensi- blement régulé en fréquence et en amplitude. au pri- maire d'un transformateur 29. Les bornes de sortie 18 du moyen d'alimentation 17 auxquelles sont reliées les extrémités de l'enroulement primaire 14 correspondent aux bornes du secondaire du transformateur 29. On fournit ainsi à l'enroulement primaire 14 de la sonde un courant sensiblement régulé en fréquence et en am- plitude. Le moyen de détermination du niveau 19 com- porte trois sous ensembles 19a, 19b et 19c. Le sous-ensemble 19a comporte cinq transfor- mateurs 30 connectés, du côté primaire, par l'intermé- diaire des bornes d'entrée 20, avec les enroulements du bobinage secondaire 15, dans l'ordre indiqué sur la Fig. 3. Les transformateurs 30 sont connectés du côté secondaire à cinq unités de détection 31 qui reçoivent ainsi un signal dont la tension est proportionnelle à la tension induite dans l'enroulement secondaire, par l'enroulement primaire 14 alimenté par le moyen 17. Le sous-ensemble 19a comportant les modules de détection 31 constitue l'étage de détection du moyen de mesure de niveau. Les modules de détection 31 fournissent en sortie des signaux analogiques représentatifs de l'am- plitude et de la phase des tensions induites dans les enroulements du bobinage secondaire 15 de la sonde. Les signaux analogiques correspondant aux enroulements extrêmes 21 et 25 et à l'enroulement cen- tral 23 du bobinage 15 sont transmis au sous-ensemble 19b du moyen de traitement et de détermination 19 qui constitue l'étage de calcul du moyen de détermination du niveau 19. On désigne par U25, U21 et U23 les ten- sions électriques respectives des signaux analogiques correspondant aux enroulements secondaires- 25, 21 et 23; on désigne par K le rapport du nombre de spires des enroulements secondaires 23 et 21 ou 23 et 25, les enroulements 21 et 25 étant identiques. L'étage de calcul 19b comporte un atténua- teur 32, des sommateurs 34 et 35, un comparateur de signaux 36 et un multiplicateur analogique 38. L'atté- nuateur 32 recevant un signal d'amplitude U23 en en- trée est conçu pour fournir un signal de sortie d'am- plitude U23/K. Ce signal en sortie de l'atténuateur 32 est fourni sous forme d'un signal négatif au sommateur 35. Les signaux analogiques correspondant respective- ment aux enroulements secondaires 21 et 25, d'amplitu- de respective U21 et U25 sont envoyés sur le simateur 34, sous forme d'un signal positif et d'un signal né- gatif respectivement. Le signal de tension U21 est d autre part envoyé sous forme de signal positif sur le sommateur 35. L'ensemble du comparateur 36 et du multiplicateur analogique 38 constitue un diviseur re- cevant les signaux analogiques d'amplitude U21 - U25 en provenance du sommateur 34 et U21 - U23/K en pro- venance du sommateur 35. Le diviseur ainsi réalisé transforme les signaux reçus pour fournir en sortie un C/ U21 -U23/K esgadam signal d'amplitude C = U21 - U23/K Ce signal dam- plitude QS est représentatif du nivea" du milieu conducteur dans l'enveloppe 1 du réservoir. En effet, les tension U21, U23 et U25 respectivement sont pro- portionnelles aux tensions induites dans les enroule- ments 21, 23 et 25, respectivement, avec un même fac- teur de proportionnalité résultant de la conception des transformateurs 30 et des modules de détection 31. Les enroulements 21 et 25 étant identiques et la ten- sion U23 étant divisée par le nombre K correspondant au rapport des spires des bobinages 21 et 23, les ten- sions combinées pour élaborer le signa-l correspond à la tension induite par le bobinage pri- maire dans un enroulement situé dans l'air, au-dessus du niveau du milieu conducteur, la tension U25 corres- pond à la tension induite par le bobinage primaire dans un enroulement secondaire situé entièrement dans le milieu conducteur alors que la tension U23/K cor- respondant à la tension induite dans un enroulement ayant le même nombre de spires que les enroulements U21 et U25 situés en partie dans l'air et en partie dans le milieu conducteur. Le rapport des différences de tension correspondant à l' amplitude du signal 0 traduit donc parfaitement la fraction du bobinage 23 située dans le milieu conducteur. Le signalO est situé en 3". Il est à remarquer que le signal O obtenu en faisant le rapport de signaux détectés dans les mêmes conditions en ce qui concerne la nature et la température du milieu dont on mesure le niveau, indé- pendamment de tout étalonnage préalable, est pratique- ment insensible aux variations de température du mi- lieu conducteur et indépendant de la nature de ce mi- lieu conducteur. Le rapport z est obtenu sous forme d'un signal analogique dont l'amplitude traduit direc- tement la position du niveau 3 sous forme d'une frac- tion de la plage de mesure correspondant à la distance verticale entre les niveaux extrêmes 3' et 3". Ce si- gnal analogique traduisant directement la position du niveau 3 est recueilli sur la sortie 39, pour être vi- sualisé d'une manière connue, par exemple sur un volt- mètre électronique. Le moyen 19 de mesure de niveau comporte de plus un étage de discrimination 19c recevant les si- gnaux en sortie des modules de détection 31 correspon- dant aux enroulements secondaires 22 et 24 placés de part et d'autre de l'enroulement central 23. Lorsque le niveau 3 arrive au voisinage de sa position extrême 3' ou de sa position extrême 3", le signal analogique correspondant au signal électrique émis aux bornes des enroulements 24 ou 22 respectivement dépasse un cer- tain seuil détecté par le comparateur 40 ou 41 au ni- veau de l'étage de discrimination 19c. Il en résulte un signal sur la borne de sortie 42 ou 43 respective- ment. Un signal de sortie sur la borne 42 traduit un niveau ayant atteint sa position extreme minimale (ni- veau 3'). Un signal de sortie sur la borne 43 traduit un niveau ayant atteint sa position extrême maximale (niveau 3"). L'étage de discrimination 19c permet d'éviter d'effectuer des mesures erronées au voisinage des valeurs extrêmes, les tensions U25 ou U21 étant alors fortement perturbées par la présence du niveau du milieu conducteur à leur voisinage immédiat. Sur les Fig. 4 et 5, on voit un mode de réa- lisation particulier du support 8 des enroulements, ce support étant constitué par un profilé à section cru- ciforme visible sur la Fig. 5. Un tel profil crucifor- me réalisé en une matière telle que l'acier inoxydable peut être obtenu par soudage de deux cornières 45a et b suivant leur arête 46. Le support 8 ainsi réalisé comporte des encoches 48 sur toute sa longueur utile à l'intérieur desquelles sont enroulés les conducteurs 12 pour constituer les spires successives des enroule- ments primaires et secondaires, les spires des enrou- lements secondaires étant intercalées entre les spires de l'enroulement primaire. Comme il est visible sur la Fig. 3, les mo- dules de détection 31 reçoivent le signal en sortie de l'oscillateur 26 du moyen 17 d'alimentation du primai- re. Ce signal traduit parfaitement la fréquence et l'amplitude du courant d'excitation du bobinage pri- maire. En faisant varier cette amplitude et cette fré- quence d'excitation, on s est aperçu que la mesure de niveau est très peu sensible aux variations d'amplitu- de et de fréquence du courant d'excitation. Il est donc possible d'utiliser un générateur de courant al- ternatif d'excitation d'une conception très simple, 1 1 ses performances jouant très peu sur la précision de la mesure de niveau. On voit donc que les principaux avantages du dispositif suivant l'invention sont l'obtention d'une très bonne précision de mesure, sans étalonnage préa- lable à la mesure, ce qui permet une utilisation du dispositif dans des milieux de résistivités différen- tes sans opération intermédiaire, une faible variation des valeurs mesurées, en fonction de la température du milieu conducteur, une faible variation en fonction de la fréquence et de l'amplitude du courant d'excitation de la sonde ainsi que des performances satisfaisantes et reproductibles malgré une conception simple du dis- positif. L'invention ne se limite pas au mode de réa- lisation qui a été décrit. C'est ainsi qu'on peut uti- liser un nombre d'enroulements différent de cinq pour constituer le bobinage secondaire, ce nombre d'enrou- lements devant cependant être au moins égal à trois dans le cas le plus simple o le bobinage secondaire comporte un enroulement central dont la longueur est sensiblement égale à la distance verticale entre les niveaux extrêmes à mesurer et deux enroulements extrê- mes identiques. Au contraire, on peut utiliser un nom- bre d'enroulements secondaires plus grand que cinq situés les uns à la suite des autres sur un support commun et permettant des mesures de niveau dans des zones successives. Il est bien évident également qu'on peut utiliser un moyen de comparaison des tensions fournies par les enroulements extrêmes et l'enroulement central d'un bobinage secondaire différent de celui qui a été décrit utilisant des différences et des rapports de tension. On pourra par exemple comparer directement les rapports de la tension électrique induite dans le bobinage central et dans les bobinages extrêmes, pour en déduire la position du niveau 3. Les circuits élec- troniques de traitement peuvent être en conséqueace différents de ceux qui ont été décrits. Au lieu d'un support en acier inoxydable, en forme de profilé cruciforme, on peut utiliser un sup- port constitué par un cylindre allongé en matériau ma- gnétique, ce qui permet d'avoir des signaux de sortie de niveau plus élevé. Pour des températures du milieu conducteur inférieures à 200'C, on peut utiliser des conducteurs électriques à isolant de type classique pour consti- tuer les enroulements. Pour des températures plus éle- vées, on utilisera des conducteurs électriques réfrac- taires, à isolation thermique, tels que les conduc- teurs du type Pyroténax. Dans certains cas, il ne sera pas utile d'i- soler la sonde du milieu conducteur par un fourreau ou un doigt de gant tel que décrit dans l'exemple de réa- lisation, la sonde étant alors directement plongée dans le milieu conducteur. Enfin, le dispositif de mesure de niveau suivant l'invention s'applique en dehors de la mesure du niveau du sodium liquide dans certaines-parties d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides; il peut s'appliquer à la mesure du niveau de métaux liquides quelconques, de solutions électrolytiques, de poudres de grains ou de grenailles métalliques dans des ré- servoirs ou dans des canalisations faisant partie d'installations industrielles diverses. REVENDICATIONS 1.- Dispositif de mesure du niveau d'un mi- lieu conducteur électrique contenu dans une enveloppe (1) dont le niveau supérieur (3) peut se déplacer entre deux positions extrêmes (3', 3") à l'intérieur de l'enveloppe (1), comportant deux bobinages élec- triques (14, 15) plongés au moins partiellement dans le milieu conducteur (2) et un support de fixation (8) des bobinages (14, 15) par rapport à l'enveloppe (1), la mesure de niveau étant réalisée par mesure de la tension électrique induite par l'un des bobinages (14) ou bobinage primaire qui est alimenté en courant élec- trique alternatif, dans l'autre bobinage (15) ou bobi- nage secondaire, caractérisé par le fait que le bobi- nage secondaire comporte au moins trois enroulements distincts (21, 23, 25) placés les uns à la suite des autres dans la direction verticale sur le support (8) en position de mesure dans l'enveloppe (1), avec leurs axes d'enroulement verticaux et dans des positions telles que l'enroulement extrême inférieur (25) soit situé entièrement en-dessous de la position extrême inférieure (3') du niveau (3) du milieu conducteur, que l'enroulement extrême supérieur (21) soit situé entièrement au-dessus de la position extrême supérieu- re (3") de ce niveau (3) et que l'enroulement central (23), d'une longueur sensiblement égale à la distance verticale entre les positions extrêmes (3', 3") du ni- veau (3), soit situé entre ces deux positions (3', 3"). et par le fait que le dispositif de mesure comporte en outre un moyen de détermination (6) du niveau (3) par détection des tensions induites dans chacun des enrou- lements du bobinage secondaire (15) par le bobinage primaire (14) disposé sur le support (8) sur toute la longueur du bobinage secondaire et par comparaison entre les tensions induites dans les enroulements ex- trêmes (21, 25) d'une part et dans l'enroulement cen- tral (23) d'autre part. 2.- Dispositif de mesure de niveau suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que le moyen (6) de détermination du niveau est constitué par un ensemble de circuits électroniques élaborant un signal analogique d'amplitude, U21 - U23/K signal analogique U21 - U25 variant entre zéro et un suivant la position du niveau (3) et représentatif de ce niveau, U21, U23 et U25 étant res- pectivement les tensions induites par le bobinage pri- maire (14) dans l'enroulement secondaire extrême supé- rieur (21), dans l'enroulement central (23) et dans l'enroulement extrême inférieur (25). 3.- Dispositif de mesure de niveau suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caracté- risé par le fait qu'un enroulement (22, 24) à faible nombre de spires est intercalé entre l'enroulement extrême supérieur (21) et l'enroulement central (23) et entre l'enroulement extrême inférieur (25) et l'en- roulement central (23), respectivement, ces enroule- ments intermédiaires (22, 24) permettant d'émettre un signal lorsque le niveau (3) atteint sa position extrême supérieure (3") et sa position extrême infé- rieure (3'), respectivement. 4.- Dispositif de mesure de niveau suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3 caracté- risé par le fait que les bobinages (14 et 15) sont disposés à l'intérieur d'un fourreau ou doigt de gant (7) isolant ces bobinages du milieu conducteur (2) contenu dans l'enveloppe (1). 5.- Application d'un dispositif de mesure de niveau suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4 à la mesure du niveau d'un métal liquide tel que le sodium, dans un réservoir ou dans une canalisation. 6.- Application d'un dispositif de mesure de niveau suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4 à la mesure du niveau d'un milieu conducteur appar- tenant au groupe: solutions électrolytiques, poudres métalliques, grains et grenailles métalliques.