Brevet FR2588664A1 — publié le 19870417

APPAREIL POUR MESURER DES PROPRIETES PHYSIQUES D'UN MILIEU, NOTAMMENT LES PROPRIETES RHEOLOGIQUES. L'invention concerne un appareil pour mesurer des propriétés hycies d'un milieu, notamment liquide ou pâteux, et Plus précisément les propriétés rhéoloqiques de ce milieu, spécialement l'évolution de sa viscosité. Ce dispositif est particulièrement adapté pour suivre l'évolution de la transformation sol/gel dans un processus d'élaboration. Si dans la suite de la description, on se référera le plus généralement à l'application de cet annareilau SUiVi de l'évolution du orOcessl!s de oaaulation du lait dans la fabrication du fromage, il est entendu que cette application préférée n'est qu'indicative et nullement limitative. On connait déjà plusieurs solutions pour mesurer la viscosité dans un milieu liquide. Dans le brevet US-A-2 826 912, on a proposé de plonger dans ce milieu une lame vibrante. On étudie alors la propagation et l'amortissement du signal-généré à travers un fluide. Cette solution qui donne seulement des informations partielles, satisfaisante lorsqu'il s'aqit seulement d'effectuer un contrôle, ne permet pas de réaliser des mesures avec une précision suffisante et surtout de détecter avec précision le changement de phase de l'état liquide à celui de gel. Dans le brevet FR-A-2 373 791, on a suggéré de plonger dans le milieu liquide une hélice ou un disque inclinés qui tournent devant un capteur de pression. Cette solution n'est malheureusement pas adaptée aux gels, car la rotation du disque ou de l'hélice y serait fortement perturbée, voire même impossible et surtout détruirait la structure du milieu. L'invention pallie ces inconvénients. Elle vise un appareil Qour mesurer les propriétés rhéologiques dans un milieu liquide, tel que notamment la viscosité, qui soit simple, économique, fiable, ne déforme pas le milieu et surtout soit particulièrement adapté à suivre avec précision l'évolution d'un processus de transformation sol/gel et à détecter avec précision le passage de la phase liquide à la phase gel. Cet appareil pour mesurer les propriétés physiques d'un milieu, notamment sa viscosité,du type comprenant - un organe de mesure immergé dans le milieu - une unité électronique pour le traitement du signal émis par cet organe de mesure - des câbles de connection reliant l'organe de mesure et l'ensemble électronique de traitement, se caractérise :: - en ce que l'organe de mesure immergé présente une fente étroite formant entrefer pour deux bilames piezoélectriques, disposés face à face dans des cavités ménagées sur les parois opposées délimitant cet entrefer - en ce que le premier bilame, formant émetteur, est relié à des moyens destinés à l'exciter pour le faire vibrer en flexion - et en ce que le second bilame, disposé en regard, formant récepteur, est relié à des moyens aptes à détecter la réponse du milieu à la vibration du premier bilame pour transmettre cette information à l'ensemble électronique de traitement. En d'autres termes, l'invention consiste - à ménager un entrefer étroit dans l'orqane de mesure - à tailler une cavité dans chacune des deux parois de cet entrefer - puis à loger dans chacune de ces deux cavités un bilame piezoélectrique de flexion, de manière à former deux capteurs disposés en regard et formant respectivement émetteur et récepteur - à exciter le capteur émetteur pour provoquer un déplacement X qui se transmet au milieu à contrôler qui se trouve dans l'entrefer ; - à mesurer sur le capteur récepteur la force F transmise par le milieu. De.la sorte, on peut ainsi accéder à la mesure de la raideur complexe K * -du milieu, puisque K * F Avantageusement en pratique - les bilames piezo-électriques sont constitués par une première pastille piézo-électrique fixée au centre d'une seconde pastille métallique, elle-meme fixée au bord de la cavité taillée dans les parois de l'entrefer - l'organe de mesure et la seconde pastille métallique sont en acier inoxydable alors que la première pastille est en céramique - le premier bilame piézo-électrique est excité par un générateur de sinus de faible amplitude et de fréquence comprise entre 1 et 100 Hz, de préférence compris entre 2 et 25 Hz ;; - l'entrefer est de l'ordre du millimètre - le fond de l'entrefer comporte un conduit de nettoyage - l'unité électronique de traitement comprend un premier ensemble de traitement du signal constitué par un premier sous-ensemble des tiné à générer le sinus d'excitation du bi lame émetteur et à mesurer l-a tension de sortie du bilame récepteur, et par un second sous-ensemble destiné à analyser le rapport sortie/entrée en module et phase un n second ensemble d'analyse, connecté aux deux sous-ensembles précédents, comprenant + un détecteur de seuil, + une unité d'enregistrement, + un microprocesseur de gestion du pro cédé, + des organes de régulation du milieu liquide où est immergé l'organe de mesure. La manière dont l,invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux de l'exemple de réalisation qui suit, donné à titre indicatif et non limitatif, à l'appui des figures annexées. La figure 1 est une vue schématique sommaire d'une installation pour la fabrication du caillé de fromage équipée selon l'invention. La figure 2 est une autre représentation symbolique de l'installation de la figure 1. La figure 3 est une vue en coupe d'un organe de mesure conforme à l'invention. La fiqure 4 est une vue perspective sommaire éclatée de l'organe de mesure caractéristique de l'invention. La figure 5 montre en coupe une autre forme de réalisation pratique de l'invention. Dans une installation pour a fabrication du caillé de fromage, désignée par la référence générale (1), et plus précisément dans la cuve (2) contenant le lait à cailler (3), par une ouverture (4), on introduit l'organe de mesure caractéristique de l'invention désigné par la référence générale (5) essentiellement constitué par une tête de mesure (6) reliée à un manche (7), puis par des câbles électriques (8,9) à l'ensemble électronique de traitement désigné par la référence générale (10). Cette unité électronique de traitement (10) comprend essentiellement : - un premier ensemble, désigné par la référence générale (11) constitué par un premier sous-ensemble (12) comportant d'une part un générateur de sinus d'excita tion de la tête (6) par le câble (8), et d'autre part, un organe de mesure de la tension de sortie de la tête (6), et par un second sous-ensemble (13) destiné à analyser le rapport sortie/entrée en modu le et phase - un second ensemble d'analyse , désigné par la référence générale (15), connecté aux deux sous-ensembles (12,13) par les connections (14) ; cet ensemble (15) comprend essentiellement un détecteur de seuil (16), une unité d'enregistrement (17), un microprocesseur de gestion du procédé (18) ;Ce second ensemble (15) est relié par une connection (19) à des organes de régulation (20) du milieu (3) où est immergée la tête (6) de l'organe de mesure (5}, notamment pour réguler l'ouverture de vannes. En se référant à la figure 3, l'ensemble comporte également un dispositif d'alimentation électrique (21), un amplificateur (22) du signal émis transmis par le câble de connection (9), une unité d'analyse(23) incluse dans le sous-ensemble (13), et une unité de calcul (24) interfacée à (23). La tête (6) de l'organe de mesure (voir figures 2 et 4) en acier inoxydable, présente une fente étroite (30) débouchante, taillée sur toute la largeur de la tête. Cette fente (30) définit ainsi dans l'épaisseur de la tête deux parois parallèles (31,32) délimitant elles-mêmes deux parties respectivement (33,34). Dans chacune des deux parois (31,32), est taillée une cavité cylindrique (35,36). Dans chacune de ces cavités, sont soudés deux bilames piézo-électriques désignés par les références générales (37,38) disposés en regard dans l'entrefer formé par la fente (30), constitués par une première pastille piézo-électrique (39,40), fixée, notamment par collage, au centre d'une seconde pastille (41,42) en acier inoxydable, elle-même fixée en (43,44) notamment par soudure, au bord des cavités respectivement (35,36).Ainsi, les deux bilames caractéristiques de l'invention (37,38) sont disposés face à face dans l'entrefer (30). Dans le fond (45) de cet entrefer (30), débouche par des orifices (46) un conduit de nettoyage (47). Chacune des deux parties (33,34) de la tête comporte également des conduits (48,49) destinés recevoir les câbles de connection (8,9). Dans une forme de réalisation avantageuse adaptée à la fabrication des fromages, l'entrefer (30) a une hauteur de l'ordre de un millimètre, la première pastille piézo-électrique (39,40) en céramique a un diamètre d'environ quinze millimètres pour une épaisseur de deux dizièmes de millimètre, et cette première pastille (39,40) est collée sur une seconde pastille circulaire en acier inoxydable (41,42) d'environ vingt millimètres de diamètre pour une épaisseur également de deux dizièmes de millimètre. Ce montage permet d'une part de transformer la déformation radiale de la partie céramique (39,40) en une déformation de flexion du bilame (37,38) d'amplitude beaucoup plus importante et d'autre part, d'accéder à des fréquences beaucoup plus basses que les fréquences habituelles obtenues par le mode propre de vibration d'épaisseur de ces céramiques. Le premier bilame (37) qui forme ainsi émetteur est relié par le câble (8) au générateur de sinus (12) destiné à le faire vibrer en flexion. En revanche, le second bilame (38) qui est disposé en regard de (37)dans l'entrefer (30), forme récepteur et est relié par le câble (9) à un amplificateur (22), puis de là, à un organe (23, 24) pour détecter la vibration du milieu dans l'entrefer (30). L'épaisseur de cet entrefer est évidemment fonction du milieu et notamment des caractéristiques, rhéologi ques ou physiques que l'on désire mesurer. En pratique, cet entrefer est préréglé. Pour le lait, comme déjà dit, il est avantageusement de l'ordre de un millimètre. Dans l'application illustrée dans la fabrication du fromage, le générateur de sinus (12) émet des vibrations de faible amplitude et dont la fréquence est comprise entre un et cent Hertz, de préférence entre deux Hertz et vingt-cinq Hertz. En effet, il est indispensable de travailler en basse fréquence pour bien détecter la formation du réseau élastique constitué en gel lors de la transformation du milieu, c'est-à-dire du passage de la phase liquide à la phase gel. Si on travaillait en haute fréquence, on ne détecterait que la présence du milieu intersticiel (eau). Lorsque la tete (6) est immergée dans le caillé (3),le générateur de sinus (12) envoie par le câble (8) une onde qui fait vibrer le bilame (37) en flexion. La réponse du milieu (3) contenu dans l'entrefer (30) à cette vibration est alors détectée par le bil-ame récepteur (38) qui, par le câble (9) après avoir été amplifié en (22), transmet ce signal à l'orqane de mesure (23,24). Dans une première forme de réalisation, on peut se contenter de mesurer tout simplement la tension recueillie par le bilame récepteur (38), par exemple pour détecter un seuil déclenchant une alarme (16) ou se contenter d'une mesure affichée (17). Cette information peut être stockée et traitée par un microprocesseur (18). Dans une deuxième forme de réalisation, on peut également mesurer la fonction de transfert entre les si qnaux d'émission (37) et de réception (38) et analyser en (15) ces signaux comme précédemment, pour permettre de réguler en (20) le processus de fabrication. I1 va de soi que selon les conditions de fonctionnement dans le milieu (3), les pastilles de céramique (39,40) seront collées aux pastilles métalliques (41, 42) ou fixées par tout autre moyen, notamment si l'on doit travailler à des conditions supérieures à 100"C. La géométrie particulière de l'entrefer (30) par sa symétrie axiale et son épaisseur réduite permet ainsi d'accéder à différentes propriétés rhéologiques, intrinsèques ou apparentes, depuis le liquide jusqu'au solide respectivement selon deux directions orthogonales : - cisaillement radial Pour la phase liquide, - traction-compression axiale pour la phase gel ou câteuse. Cela a pour bllt d'amplifier la dynamique 61l phonomène physique mesurée oar confinement du milieu milieu et d'en faci- liter le contrôle. pn outre, cette géométrie particulière permet également de mesurer d'autres propriétés physiques, telle que la densité, du moins dans des conditions particulières, choisissant la plage de fréquence pour laquelle les effets d'inertie deviennent prépondérants. Cette plage varie en fonction de l'épaisseur de l'entrefer et des caractéristiques du milieu. La figure 5 montre une autre forme de réalisation de l'invention. Dans la tête (6) en acier, on taille une fente (56) d'épaisseur appréciable et perpendiculairement à cette fente une cheminée (57) où débouchent les conduits (48,49). Sur les parois parallèles internes de la fente (56), on fixe par des vis (52,53,54,55) deux éléments modulaires (50,51) disposés en regard et formant chacun l'élément piézo-électrique en ménageant ainsi une cavité (35,36) et un entrefer (30). A l'extrémité de la tête, on fixe un premier tube- central (60) dans lequel court le conduit de nettoyage (47) et coaxialeent un second tube (61) destiné à recueilir les fils de connexion (8,9). Le dispositif capteur conforme à l'invention présente de nombreux avantages par rapport à ceux connus à ce jour. On peut citer - l'absence d'organe en-mouvement, ce qui lui assure une bonne fiabilité, - sa simplicité de fabrication et de fonctionnement, donc son coût réduit, - la faible déformation qu'il communique au milieu de sorte que la présence dé ce capteur dans- le milieu ne modifie pas celui-ci. Ainsi, ce dispositif capteur peut être utilisé avec succès dans -tous les milieux, notamment les milieux liquides ou sol/gel, où l'on cherche plus particulièrement à détecter avec précision le passage de la Dhase liquide à la phase gel. Si un tel dispositif capteur est particulièrement adapté à la fromagerie, il peut également trouver d'autres applications dans le domaine de la chimie, des peintures, de la cosmétologie. REVENDICATIONS 1/Appareil pour mesurer des propriétés physiques, rhéologiques notamment, d'un milieu (3), du type comprenant - un organe de mesure (5) immergé dans le milieu (3), - une unité électronique (10,15) de traitement du signal émis par cet organe de mesure (6), - des câbles de connection (8,9) reliant l'organe (6) et l'ensemble électronique (10,15) de traitement, caractérisé - en ce que l'organe de mesure (6) présente une fente étroite (30) formant entrefer pour deux bilames piézo-électriques (37,38), disposés face à face dans des cavités (35,36) ménagées sur les parois (31,32) opposées délimitant cet entrefer (30) - en ce que le premier bilame (37), formant émetteur, est relié (8) à des moyens (12) destinés à l'exciter pour le faire vibrer en flexion - en ce que le second bilame (38), disposé en regard, formant récepteur, est relié (9) à des moyens (13, 15) aptes à détecter la réponse du milieu (3) à la vibration du premier bilame (37) pour transmettre cette information à l'ensemble électronique (10,15) de traitement. 2/ Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bilames piézo-électriques (37,38) sont constitués par une première partie piézo-électrique (39, 40), fixée au centre d'une seconde pastille (41,42) métallique, elle-même fixée au bord (43) de chaque cavité (35,36) taillée dans les parois (31,32) de l'entrefer (30). 3/ Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tête de l'organe de mesure (6,33,34) et la deuxième pastille métallique (41,42) sont en acier ino xydable alors que la première pastille (39,40) est en céramique. 4/ Appareil selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le premier bilame (37) formant émetteur, est excité par un générateur de sinus (12) de faible amplitude et de fréquence comprise entre un et cent Hertz. 5/ Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entrefer (30) a une hauteur de l'ordre du millimètre. 5/ Appareil selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le fond (45) de l'entrefer (30) comporte un conduit (47) de n-ettoyage. 7/ Appareil selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'unité électronique de traitement comprend - un premier ensemble (10) de traitement du signal constitué par un premier sous-ensemble (12) destiné à générer le sinus d'excitation du bilame émetteur (37) et à mesurer la tension de sortie du bilame récepteur (38) et par un second sous-ensemble (13) destiné à analyser le rapport sortie/entrée en module et phase - un second ensemble d'analyse (15) connecté (14) aux deux sous-ensembles précédents (12,13) comprenant un détecteur de seuil (lé), une unité d'enregistrement (17), un microprocesseur de gestion du procédé (18), et des organes de régulation (20) du milieu (3) où est immergé l'organe (5) de mesure.