Brevet FR2604519A1 — publié le 19880401

La présente invention concerne un appareil de mesure de niveau pour mesurer le niveau de remplis- sage dans un réservoir qui comporte une zone intérieure présentant un risque d'explosion, comprenant un trans- ducteur de sons ou d'ultrasons, dont une membrane métallique, qui est en contact avec un élément piézo- électrique, est reliée au réservoir au moyen d'un flas- que métallique placé sur une ouverture de celui-ci. Pour mesurer le niveau avec un appareil de mesure de niveau de remplissage fonctionnant électrique- ment, comme par exemple un appareil de mesure de niveau de remplissage à sons ou ultrasons, dans des réservoirs qui comportent une zone intérieure présentant un danger d'explosion, il est nécessaire de prévoir une isolation anti-déflagrante entre les moyens de fonctionnement électrique de l'appareil de mesure de niveau de remplis- sage, et la zone intérieure du réservoir. Cette sépara- tion est également nécessaire pour l'ouverture du réservoir vis-à-vis de l'atmosphère, l'appareil de mesure de niveau de remplissage étant nécessairement monté sur le réservoir au-dessus de cette ouverture de façon à être en contact avec la zone intérieure présen- tant un danger d'explosion. Le DE-U-83 32 045.8 propose un capteur d'ultrasons d'un appareil de mesure de niveau de remplissage approprié à l'utilisation dans un réservoir qui comporte une zone intérieure présentant un danger d'explosion du fait de la présence de poussières combus- tibles. Dans le capteur connu, le problème est résolu au moyen d'un boîtier métallique qui entoure le capteur d'une manière étanche aux poussières, et d'un arrange- ment conducteur qui s'étend à l'intérieur du boîtier et qui est relié électriquement avec la membrane métal- lique dans le but d'égaliser les potentiels. On connaît une autre solution du même pro- blème, mise en oeuvre dans un autre capteur d'ultra- sons, disponible dans le commerce. Le capteur d'ultra- sons est dans ce cas équipé d'un corps cylindrique de section annulaire qui traverse un alésage central du flasque de fixation et est entouré coaxialement par un manchon. Le manchon est disposé entre le corps etle flasque de telle sorte qu'il se forme, entre la surface cylindrique du manchon et la paroi intérieure de l'alésage central du flasque de fixation, un entre- fer cylindrique de section annulaire qui est dimensionné de façon à former une séparation anti-déflagrante entre régions à risque d'explosion et sans risque d'explosion. Le transducteur d'ultrasons proprement dit, entouré d'un boîtier métallique,pointe dans la zone intérieure du réservoir, au-dessous du corps annulaire. Les deux solutions connues jusqu'ici ont l'inconvénient d'être chères et de nécessiter de nombreuses pièces en matériaux différents qui sont toutes en contact avec le milieu et diminuent donc beaucoup la sécurité et la durée de vie de l'appareil de mesure, en particulier dans le cas de milieux agressifs. En outre, ces solutions connues se tradui- sent par un montage et un démontage complexes. L'invention a pour but de proposer un appa- reil de mesure de niveau économique à fabriquer et facile à monter ou démonter, qui assure une sépara- tion absolue entre les moyens de fonctionnement élec- trique et l'atmosphère d'une part, et la zone inté- rieure présentant un danger d'explosion du réservoir, d'autre part, et qui convienne donc pour l'utilisation dans des réservoirs dont la zone intérieure présente un risque d'explosion. Ce problème est résolu dès lors que le flas- que présente sur son côté opposé à la zone intérieure du réservoir, un évidement cylindrique de section circulaire qui traverse axialement et partiellement le flasque, et qui reçoit le transducteur de sons ou d'ultrasons, lequel est ainsi disposé sensiblement à l'intérieur du flasque. L'appareil de mesure de niveau conforme à l'invention présente en outre l'avantage d'avoir une surface métallique continue, homogène qui, à part le matériau du joint d'étanchéité du flasque, vient seule en contact avec le milieu à mesurer, de sorte que le capteur est adapté à l'utilisation dans des milieux agressifs ou avec des produits alimentaires. Un autre avantage de l'invention est la faible hauteur du capteur. Chaque capteur de sons ou d'ultrasons, qui est excité par impulsions, présente à la fin de l'impulsion émise un temps dit mort pendant lequel aucune mesure n'est possible. On désigne par temps mort l'intervalle de temps dont a besoin le capteur pour cesser de vibrer après la fin de l'impul- sion émise. C'est qu'aucune impulsion d'écho ne peut être reçue tant que la membrane, qui qui sert d'émetteur et de récepteur, continue de vibrer, après la fin de l'impulsion émise. Une série de dispo- sitions est certes proposée pour raccourcir le temps d'amortissement du capteur, ou pour recevoir des signaux d'échos également pendant ce temps; il reste cependant un intervalle de temps, directement après la fin de l'impulsion émise, qui n'est pas disponible pour recevoir l'impulsion d'écho. Le remplissage maximal jusqu'auquel on peut mesurer le niveau dans le réser- voir dépend du temps de parcours de l'impulsion émise dans le milieu qui est l'air. Il n'est plus possible d'effectuer des mesures au-dessus de cette limite, car le temps de parcours de l'impulsion jusqu'à la surface du contenu et retour au capteur est si court que la réception intervient pendant la phase d'amortissement du capteur après la fin de l'impulsion émise. On cherche à remédier à cet inconvénient en disposant le capteur d'ultrasons le plus possible dans le couvercle du réservoir de façon à permettre, pour le temps de parcours correspondant de l'impulsion, une utilisation aussi importante que possible de 1'intérieur du réservoir. C'est pourquoi le brevet allemand 25 47 759 propose de disposer un prolongement tubulaire sur le couvercle d'un réservoir ce qui permet de monter le capteur à une distance déterminée au-dessus du couver- cle du récipient. Pour éviter des réflexions parasites, on guide l'impulsion sonore au moyen d'un tube de guidage du son. Etant donné que, d'après l'objet de l'inven- tion, le transducteur de sons ou d'ultrasons ne se situe pas dans la zone intérieure du récipient mais que la membrane du transducteur et le flasque de fixa- tion sont dans un plan, on peut obtenir un remplissage plus important du réservoir et donc une meilleure uti- lisation de sa capacité. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le flasque présente sur son côté tourné vers la zone intérieure du réservoir, une région, non traversée par l'évidement cylindrique de section circulaire, qui constitue la membrane du transducteur de sons ou d'ultrasons. Selon d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention, le côté du flasque tourné vers la zone intérieure du réservoir est une surface plane homogène inc]uant la membrane, qui peut avoir une épaisseur invariable d'environ 1,5 mm. Des moyens peuvent être mis en place dans le flasque pour découpler le transducteur de sons ou d'ultrasons à l'égard des bruits de structure. L'axe de symétrie de l'évidement cylindrique de section circulaire peut coincider avec l'axe de symétrie du flasque. La surface périphérique de l'évidement cylin- drique de section circulaire peut être interrompue par une rainure s'étendant radialement, et cette rainure peut comporter une première région s'étendant radiale- ment et de section transversale sensiblement carrée, et une deuxième région s'étendant axialement reliée à la première région et de section transversale sensible- ment rectangulaire. L'évidement cylindrique de section circulaire peut être entouré par au moins une rainure qui s'étend dans la direction de l'axe du flasque et qui.est dispo- sée de telle façon que l'axe de symétrie de cette rainure coincide avec l'axe de symétrie de l'évidement et avec celui du flasque, les rainures pouvant être remplies d'un matériau absorbant les sons. Le flasque peut présenter sur son côté tourné vers la zone intérieure du réservoir, un évidement cylindrique de section circulaire qui s'étend selon la direction de l'axe du flasque dans l'alignement de l'évidement cylindrique de section circulaire, et qui est disposé de telle façon que son axe de symétrie coincide avec celui de l'évidement cylindrique de section circulaire et celui du flasque, et la région du flasque qui n'est pas traversée par les évidements peut constituer la membrane du transducteur de sons ou d'ultrasons. Le transducteur de sons ou d'ultrasons peut être formé,d'une manière connue en soi, par la membrane, l'élément piézo-électrique, une couche d'adaptation tournée vers la membrane et une couche d'amortissement opposée à la membrane, et le transducteur de sons ou d'ultrasons peut être enveloppé par un boîtier de transducteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description suivante d'un exemple de réalisation représenté aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, auxquels: la figure 1 est une vue en élévation par- tiellement en coupe d'un premier mode de réalisation de l'invention; 20. la figure 2 est une vue de détail en coupe d'un autre mode de réalisation de l'invention; la figure 3 est une vue semblable à la figure 2 d'un autre mode de réalisation de l'invention,des dispositions étant représentées aux figures 2 et 3 pour découpler les bruits de structure. La figure 1 représente en 1 un appareil de mesure de niveau de remplissage qui, pour faciliter l'exposé, peut être un appareil de mesure de niveau à ultrasons. L'invention n'est cependant pas limitée à l'utilisation d'ondes ultra-sonores, mais peut être utilisée pour tous les appareils de mesure de niveau de remplissage qui fonctionnent par impulsions sonores. L'appareil de mesure de niveau 1 est disposé au-dessus du couvercle 2 d'un réservoir dont on doit mesurer le niveau de remplissage. Le couvercle 2 possède à cet effet une ouverture cylindrique de section circulaire 3, qui est constituéepar un court tronçon de tuyau 4. Une bride 5 est reliée au tronçon de tuyau. La bride 5 comporte une série de perçages 6 qui sont répartis régulièrement à la périphérie d'une circonférence de perçage. L'appareil de mesure de niveau de remplissage possède un bottier 7 à l'intérieur duquel se trouvent disposés sur une plaquette à circuits imprimés les composants électriques ou électroniques qui produisent l'impulsion électrique d'excitation de l'élément piézo- électrique 8. Il appartient en outre à ces composants de recevoir l'impulsion électrique d'écho produite par l'élé- ment piézo-électrique 8, de l'amplifier et de la trans- mettre, par une ligne électrique de liaison non repré- sentée, à l'appareil d'évaluation qui est séparé del'appareil de mesure de niveau 1. L'appareil d'évaluation envoie à l'appareil de mesure de niveau 1 l'énergie électrique nécessaire à son fonctionnement, et ce, également par la ligne électrique de liaison non représentée. L'entrée de cette ligne dans le boîtier 7 se fait à travers le raccord fileté PG 9. Le boîtier 7 et le boîtier du transducteur , disposé sous le boîtier 7, sont alignés l'un par rapport à l'autre de manière que des ouvertures cylin- driques de section circulaire 11, 12 se font face en étant alignées. Le boîtier 7 est fixé au boîtier 10 du transducteur au moyen de vis 13 avec interposition d'un joint 30. Des câbles électriques 14 traversent les ouver- tures cylindriques de section circulaire 11, 12; ils relient à l 'élément piêzo-électrique 6 les composants électroniques non représentés qui sont situés a l'intè- rieur du boitier. Le boîtier 10 du transducteur est relié au flasque 16 avec interposition du joint annulaire 15. Les vis 17 servent d'éléments de fixation. L'appareil de mesure de niveau 1 est relié à la bride 5 du couvercle 2 par le flasque 16. Le flasque 16 dispose à cet effet d'une rangée de perçages 18 qui sont répartis régulièrement le long d'une circonférence de perçage en étant alignés avec les perçages 6 de la bride 5. La liaison amovible entre la bride 5 et le flasque 16 s'effectue au moyen d'un boulonnage 19 avec interposi- tion d'un joint annulaire élastique 20. Le flasque de fixation 16 présente, sur son côté opposé à la zone intérieure du réservoir, un évide- ment cylindrique de section circulaire 21; celui-ci est disposé de telle manière que son axe de symétrie coincide avec l'axe de symétrie du flasque 16. L'évidement cylin- drique 21 pénètre dans le flasque 16. Toutefois, au lieu de le traverser complètement, il est fermé, sur son côté tourné vers la zone intérieure du réservoir, par une région 22 épaisse d'environ 1,5 mm. L'évidement cylindrique 21 du flasque de fixation 16 sert en même temps à recevoir l'élément piézo-électrique 8 ainsi que la couche d'adaptation 23 composée d'un élastomère au silicone approprié, et la couche d'amortissement 24 fabriquée de même en un élastomère au silicone approprié. En outre, la région 22 du flasque 16 constitue la membrane du transducteur d'ultrasons 25. On peut réaliser l'évidement 21 par tout procédé d'usinage par enlèvement de copeaux connu de l'homme du métier. Ce procédé doit cependant être mis en oeuvre de façon que la membrane 22 ait une épaisseur invariable de grande précision. Le boStier 10 du transducteur a non seulement la fonction d'élément de liaison entre le flasque de fixation 16 et le bottier 7, mais aussi celle de recou- vrir en le protégeant de l'environnement le transducteur d'ultrasons 25 qui se compose de l'élément piézo- électrique 8, de la couche d'adaptation 23 et de la couche d'amortissement 24. L'intégration du transducteur d'ultrasons 25 dans le flasque de fixation 16 donne à 1 'appareil de mesure de niveau 1 une structure extrêmement plate. A ce propos, le côté du flasque 16 tourné vers l'inté- rieur du réservoir constitue une surface métallique continue, homogène qui inclut la membrane du transducteur d'ultrasons 25, de sorte qu'aucun composant de l'appa- reil de mesure de niveau 1 ne dépasse du flasque de fixation vers l'intérieur du réservoir. Si on choisit l'épaisseur de la membrane conformément aux propriétés de solidité prescrites pour l'utilisation d'appareils électriques dans des régions à risque d'explosion, la surface métallique continue de solidité adéquate constitue une séparation absolument anti-déflagrante entre la zone intérieure du réservoir qui présente un risque d'explosion, d'une part, et les moyens de fonctionnement électrique de l'appareil de mesure de niveau 1 et, avec interposition du joint annulaire 20, l'atmosphère, d'autre part, ce qui permet l'utilisation de l'appareil de mesure de niveau de remplissage 1 conforme à l'invention dans des régions intérieures te réservoir qui présentent un risque d'explosion Si on choisit pour le flasque 16 un acier résistant à la rouille et aux acides, qui vient alors seul, à l'exception du matériau du joint annulaire 20, en contact avec le milieu à mesurer, on peut alors également utiliser l'appareil de mesure de niveau 1 dans des milieux agressifs et dans l'industrie alimentaire. Deux autres modes de réalisation de l'inven- tion sont représentés (partiellement) aux figures 2 et 3. Les deux modes de réalisation représentent à titre d'exemple des dispositions possibles pour obtenir un découplage complémentaire des bruits de structure du transducteur d'ultrasons 25. On utilise aux figures 2 et 3 les mêmes numéros de repère qu'à la figure 1 dans la mesure o ceux-ci servent à expliquer l'exemple de réalisation. La figure 2 montre à nouveau le flasque de fixation 16, et son évidement cylindrique de sec- tion circulaire 21, dans lequel est disposé le trans- ducteur d'ultrasons 25. Le flasque 16 est relié de manière amovible à la bride 5. La membrane 22 est tournée de même vers l'intérieur du réservoir. Contrai- rement au mode de réalisation de la figure 1, la sur- face latérale de l'évidement 21 présente une rainure 26 qui s'étend radialement et dont la section transver- sale a la forme d'un T disposé sur le côté. Elle est formée par deux rainures annulaires reliées l'une à l'autre, dont celle qui est tournée vers l'évidement cylindrique 21 présente une section transversale carrée tandis que la seconde, opposée à l'évidement cylindri- que 21, a la forme d'un rectangle qui s'étend axiale- ment. La surface latérale de l'évidement cylindrique de section circulaire 21 est interrompue par cette rainure, ce qui assure au transducteur d'ultrasons 25 un important découplage des bruits de structure vis-à- vis du flasque 16. La figure 3 représente un autre mode de réalisation. Il y est présenté, à la place de la rainure 26 en forme de T, une autre disposition pour découpler des bruits de structure le transducteur d'ultrasons 25. Le flasque 16 est muni à cet effet de gorges ou rainures 27, 28 s'étendant axialement et ménagées dans le côté opposé à l'intérieur du réservoir. Bien entendu, elles ne traversent pas complètement le flasque 16. Au contraire, leur profondeur est choisie pour que la solidité du flasque ne soit pas ou ne soit que peu diminuée. Les rainures 27, 28 s'étendent selon un tracé circulaire à distance constante de l'évidement cylindrique de section circulaire 21, de telle façon que l'axe de symétrie de la circonférence périphérique des rainures 27, 28 coincide avec l'axe de symétrie de l'évidement cylindrique 21. Bien entendu, les dispositions pour décou- pler les bruits de structure ne sont pas limitées aux deux exemples de réalisation représentés, et l'homme du métier peut avoir recours à tout autre type de décou- plage complémentaire des bruits de structure. Ainsi, les moyens de découplage des bruits de structure peuvent être remplis d'un matériau absorbant les sons. La figure 3 représente en outre un autre perfectionnement de l'invention de la figure 1. Selon celui-ci, l'évidement cylindrique 21 ne pénètre dans le flasque 16 que jusqu'à la moitié environ de la profondeur qui est représentée à la figure 1. La dis- position du transducteur d'ultrasons 25 est conforme à la figure 1, avec toutefois la différence que la couche d'amortissement 24 composée d'un élastomère au silicone approprié, fait un peu plus saillie par rap- port au flasque 16. Un évidement cylindrique de section circulaire 29 est également ménagé sur le côté tourné vers la zone intérieure du réservoir. La région 22 qui reste entre les évidements 21 et 29 constitue de même, conformément à l'invention, la membrane du transducteur d'ultrasons 25. Le mode de réalisation selon la figure 3 a l'avantage que l'évidement cylindrique 29 constitue en retrait par rapport à la surface homogène du flasque 16, un renfoncement qui protège la membrane contre les dégradations mécaniques extérieures. On peut donc choisir la profondeur de l'évidement 29 conformé- ment au besoin de protection et/ou conformément à la profondeur de montage nécessaire pour le transducteur d'ultrasons 25. () RÉPUBLIQUE FRAN AISE 2 604 520 INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE PARIS Ce numéro n'a donné lieu à aucune publication o1 N on N le u_ REVENDICATIONS 1. Appareil de mesure de niveau de remplis- sage pour mesurer le niveau de remplissage dans un réservoir qui comporte une zone intérieure présentant un risque d'explosion, comprenant un transducteur de sons ou d'ultrasons pour émettre une impulsion sonore ou ultrasonore et pour recevoir l'impulsion d'écho réfléchie sur la surface du contenu, et un flasque de fixation pour fixer l'appareil de mesure de niveau au réservoir, caractérisé en ce que le flasque (16) pré- sente sur son côté opposé à la zone intérieure du réser- voir, un évidement cylindrique de section circulaire (21) qui traverse axialement et partiellement le flas- que (16) et qui reçoit le transducteur de sons ou d'ultrasons (25), lequel est ainsi sensiblement à l'intérieur du flasque (16). 2. Appareil de mesure de niveau de remplis- sage conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le flasque (16) présente sur son côté tourné vers la zone intérieure du réservoir, une région (22), non traversée par l'évidement cylindrique de section circu- laire (21), qui constitue la membrane du transducteur de sons ou d'ultrasons (25). 3. Appareil de mesure de niveau de remplis- sage conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le côté du flasque (16) tourné vers la zone inté- rieure du réservoir est une surface plane homogène incluant la membrane (22). 4. Appareil de mesure de niveau de remplis- sage conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que la membrane (22) a une épaisseur constante d'envi- ron 1,5 mm. 5. Appareil de mesure de niveau de remplis- sage conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que des moyens sont mis en place dans le flasque (16) pour découpler le transducteur de sons ou d'ultrasons (25) vis-à-vis des bruits de structure. 6. Appareil de mesure de niveau de remplis- sage conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que l'axe de symétrie de l'évidement cylindrique de section circulaire (21) coïncide avec l'axe de symétrie du flasque (16). 7. Appareil de mesure de niveau de remplis- sage conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que la surface périphérique de l'évidement cylindrique de section circulaire (21) est interrompue par une rainure s'étendant radialement (26). 8. Appareil de mesure de niveau de remplis- sage conforme à la revendication 7, caractérisé en ce que la rainure (26) comporte une première région s'étendant radialement et de section transversale sensiblement carrée, et une deuxième région s'étendant axialement reliée à la première région et de section transversale sensiblement rectangulaire. 9. Appareil de mesure de niveau de remplis- sage conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que l'évidement cylindrique de section circulaire (21) est entouré par au moins une rainure (28) qui s'étend dans la direction de l'axe du flasque (16) et qui est disposée de telle façon que l'axe de symétrie de la rainure (28) coïncide avec l'axe de symétrie de l'évi- dement (21) et avec celui du flasque (16). 10. Appareil de mesure de niveau de remplis- sage conforme à la revendication 7 ou 9, caractérisé en ce que les rainures (26, 28) sont remplies d'un matériau absorbant les sons. 11. Appareil de mesure de niveau de remplis- sage conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le flasque (16) présente, sur son côté tourné vers la zone intérieure du réservoir, un évidement cylindrique de section circulaire (29), qui s'étend selon la direc- tion de l'axe (16) dans l'alignement de l'évidement cylindrique de section circulaire (21) et qui est dis- posé de telle façon que son axe de symétrie coincide avec celui de l'évidement cylindrique de section circu- laire (21) et celui du flasque (16). 12. Appareil de mesure de niveau de remplis- sage conforme à la revendication 11, caractérisé en ce que la région (22) du flasque (16) qui n'est pas traver- sée par les évidements (21) et (29) constitue la membrane du transducteur de sons ou d'ultrasons (25). 13. Appareil de mesure de niveau de remplis- sage conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les évidements cylindriques (21) et/ou (29) sont réalisés selon un procédé d'usinage par enlèvement de copeaux connu en soi. 14. Appareil de mesure de niveau de remplis- sage conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le transducteur de sons ou d'ultrasons (25) est formé, d'une manière connue en soi, par la membrane (22), l'élément piézo-électrique (8), une couche d'adaptation (23) tournée vers la membrane (22) et une couche d'amor- tissement (24) opposée à la membrane (22). 15. Appareil de mesure de niveau de remplis- sage conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le transducteur de sons ou d'ultrasons (25) est enveloppé par un bottier de transducteur (10).