Brevet FR2623105A1 — publié le 19890519

La présente invention a pour objet un dispositif pour mesurer ou réguler au moins une caractéristique physique d'un fluide contenu dans un récipient, telle que sa masse par exemple. Le dispositif selon l'invention est particulièrement bien adapté pour la régulation de la masse d'un liquide soumis à une certaine agitation. C'est Le cas lorsque le liquide est contenu dans une cuve ou un réservoir équipé d'un système de brassage ou bien encore de canalisations pour l'injection à une pression plus ou moins grande d'un gaz nécessaire au déroulement d'un processus de traitement de ce liquide. C'est aussi le cas lorsqu'un processus biologique, chimique ou physico-chimique en cours engendre des gaz au sein du liquide, ce qui provoque des turbulences. Il peut s'agir par exemple d'un processus continu ou discontinu de fermentation produisant de la biomasse, des produits de fermentation et/ou des enzymes, etc. La méthode la plus classique de détermination de la masse d'un liquide par pesée du récipient qui le contient, n'est pas toujours commode à mettre en oeuvre ni particulièrement précise. Les moyens de pesage doivent souvent être inclus des L'origine quand la cuve ou le réservoir est installé. Si le dérouLement d'un processus nécessite l'adjonction d'appareils ou d'équipements non prévus à L'origine, on doit tenir compte de leur masse et modifier le dispositif de tarage associé à ces moyens de pesage. On utilise de préférence une méthode de pesage permettant de mesurer la seule masse du contenu. Pour réguler la masse d'un fluide contenu dans une cuve, on peut envisager de combiner un moyen de mesure de ladite masse avec un ensemble de régulation électronique câblé pour asservir la valeur mesurée à une valeur de consigne fixée par l'opérateur, par des corrections instantanées ou temporisées. Mais un tel système relativement figé se prête mal à une régulation fine qui tienne compte des changements pouvant intervenir dans les conditions opératoires ou bien encore de l'agitation du fluide au cours de certains processus. o Par le brevet français n 2.104.926, on connaît un procédé et un dispositif permettant de déterminer ta masse et d'autres grandeurs relatives à un liquide contenu dans une cuve, par mesure de la pression hydrostatique régnant à une profondeur précise de la cuve qui le contient. La pression mesurée est celle d'un gaz sensiblement à la pression du liquide au fond de la cuve. L'équi-pression est obtenue en augmentant la pression du gaz suffisamment pour qu'il remplisse une canalisation qui l'amène au niveau où la mesure doit être effectuée. Un moyen commode de contrôle de la pression consiste à augmenter celle-ci jusqu'à ce que des bulles de gaz s'échappent par l'orifice inférieur de la canalisation. La pression de gaz fait monter du liquide dans une colonne barométrique et un système opto-électronique disposé le long de celle-ci, détermine sa hauteur. Un calculateur est utilisé pour en déduire notamment la masse du contenu de la cuve. Ce dispositif est particulièrement adapté à la surveillance d'une masse liquide relativement calme contenue dans un réservoir. Le dispositif selon l'invention permet la mesure et/ou la régulation précise d'au moins une caractéristique physique d'un fluide et principalement de sa masse, le fluide étant contenu dans un récipient comportant des moyens pour introduire ledit fluide et des moyens pour le prélever. Le dispositif comporte des moyens pour mesurer au moins une pression régnant au sein du fluide contenu dans le récipient. Il est caractérisé en ce qu'il comporte un système de traitement comprenant un ensemble d'entrée-sortie pourvu de moyens d'acquisition pour numériser des valeurs de ladite pression mesurée à intervalles de temps déterminés, des moyens de calcul programmables pour effectuer une combinaison de plusieurs mesures de la pression, successivement numérisées et déterminer au moins ladite caractéristique physique contenu du fluide dans le récipient.Le système de traitement peut comporter un ensemble d'interface contrôlé par les moyens de calcul, pour commander les moyens de prélèvement, de manière à mesurer ou réguler la caractéristique physique du fluide contenu dans le récipient (et notamment sa masse). Le dispositif comporte par exemple un capteur différentiel pour mesurer la différence de pression régnant entre au moins deux emplacements différents du récipient, l'un au moins de ces emplacements se trouvant au sein du fluide, les moyens de prélèvement comportent une vanne à débit modulable et les moyens de calcul sont adaptés à engendrer pour cette vanne, un signal de commande variable permettant la régulation de tadite caractéristique physique du fluide dans le récipient. Si La caractéristique physique recherchée est la masse du fluide, le second emplacement de mesure est hors du fluide. S'it s'agit de sa densité, le second emplacement est aussi au sein du fluide. L'utilisation d'un système de traitement contrôlé par des moyens de calcul programmables auxquels les signaux d'un capteur de pression sont appliqués directement, autorise une sélection des valeurs mesurées et des calculs de moyennes sur un temps plus ou moins long, d'ou il résulte une détermination très précise de la masse de fluide notamment et ceci même lorsque ce fluide est agité par brassage ou dégagement gazeux, et une régulation très fine. Le système de traitement employé est adapté en outre à une adaptation rapide et précise du dispositif à tout changement des conditions opératoires ou éventuellement à un nouveau processus. Avec le dispositif selon l'invention, on évite l'utilisation d'un moyen de mesure de pression opto-électronique d'un côut relativement élevé.On peut noter également que le système de traitement permet de gérer éventuellement plusieurs boucles de régulation différentes du fait qu'il inclut un ensemble d'acquisition et un ensemble d'entrée-sortie susceptibles de recevoir ou d'émettre plusieurs signaux de mesure ou de contrôle. D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention, apparaitront mieux à la lecture de la description ci-après d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux dessins annexés où - la figure 1 montre le dispositif associé à une cuve de fermentation par exemple, - la figure 2 montre un schéma synoptique du système de régulation, et - la figure 3 représente un exemple d'algorithme suivi pour réguler la masse contenu dans la cuve. Le dispositif est associé par exemple à une cuve de fermentation 1 pourvue de moyens de brassage comportant des pales 2 entrainées en rotation par un moteur électrique. La cuve 1 est reliée par une canalisation 4 à un réservoir 5 contenant un mélange liquide à transformer par fermentation. Il peut s'agir notamment de produire une biomasse par un processus continu ou discontinu pour en extraire différentes substances telles que des enzymes ou bien encore par exemple de produire des alcools, de l'éthanol notamment à partir de plantes sucriers ou de céréales. Un élément de contrôle d'injection 6 permet le transfert du mélange liquide dans la cuve. Des moyens de prélevement comportant une canalisation 7 connectée à la base de la cuve et fermée par un organe de prélèvement 8, une vanne de soutirage par exemple, permettent d'extraire du liquide après un temps de fermentation déterminé. Ce temps de séjour qu'il est nécessaire de connaitre par exemple pour optimiser la croissance des micro-organismes dans la cuve par fermentation, est determiné notamment par le rapport de la masse du mélange liquide dans la cuve au débit de liquide qui y est injecté. A la cuve du fermenteur, est associée un dispositif pour déterminer avec précision la masse du mélange en cours de fermentation, par le procédé connu en soi de mesure de la surpression régnant au sein dudit mélange en un emplacement déterminé dans la partie inférieure de la cuve. Le dispositif comporte un ensemble capteur de pression différentiel 9 (un capteur à membrane métallique par exemple) connecté à une première canalisation 10 plongeant dans le mélange liquide. Son extrêmité inférieure ouverte se trouve sensiblement au niveau du fond de la cuve. Le capteur 9 est également connecté à une seconde canalisation débouchant dans la partie haute de la cuve bien au-dessus du niveau du liquide.Le capteur de pression différentielle 9 mesure donc la pression exercée par une colonne de liquide de hauteur H (distance entre l'extrémité inférieure de la canalisation 10 et la surface du liquide) et de densité d et le traduit- sous la forme d'un signal êlectrique. La masse du mélange est directement proportionnelle à la différence de pression mesurée par le capteur, le coefficient de proportionnalité dépendant de la section de la cuve 1. La différence de pression est mesurée par la méthode dite du "bullage", Une source de gaz sous une pression variable 12 est reliée à la canalisation 10 par une canalisation 13 portant un débitmètre 14. Du gaz est- injecté dans La canalisation 13 et l'on augmente sa pression d'injection suffisamment pour que des bulles s'échappent dans le mélange liquide par l'extrêmité inférieure de la canalisation 10. Le faible débit de gaz est mesuré par le débitmètre 14. Le capteur de pression différentiel mesure donc la pression d'un gaz sensiblement en équi-pression avec le liquide au fond de la cuve. La canalisation 11 est facultative si la pression au-dessus du liquide est constamment égale à la pression atmosphérique du fait par exemple que la partie supérieure de la cuve communique avec l'extérieur. Les signaux de mesure délivrés par le capteur sont soit une tension électrique soit un courant électrique proportionnel à la surpression mesurée. Le dispositif comporte également un système de traitement 15 assurant notamment le contrôle de la masse totale du mélange liquide dans la cuve à partir des signaux délivrés par le capteur de pression différentiel 9 et par le débitmètre 14. Le système de traitement 15 comporte (fig.2) un calculateur 16 à microprocesseur communiquant avec un faisceau de conducteurs 17 que l'on désigne habituellement par bus. Par l'intermédiaire de celui-ci, il communique avec un bloc de mémorisation 18, avec un clavier de commande 19 par l'intermédiaire d'une carte ou interface 20 de gestion du clavier et avec un ensemble d'entrée- sortie 21. Cet ensemble comporte un multiplexeur 22 aux entrées duquel sont appliqués les signaux délivrés par les capteurs. Il s'agit de courants et/ou de tensions électriques traduisant chaque différence de pression mesurée par l'ensemble capteur différentiel 9. Le signal analogique issu du multiplexeur 22, est appliqué à un convertisseur analogique-numérique 23 connecté au bus 17.L'ensemble 21 comporte également une carte d'interface 24 permettant l'interconnexion du bus 17 à un organe d'affichage alpha-numérique 25. Une carte de sortie (ou port) 26 communiquant avec le bus 17, comporte des voies de sortie pour les signaux de régulation engendrés par le calculateur 16 en réponse aux signaux de mesure de pression. Une première sortie 1 communique avec un bloc d'amplification 27. Celui-ci délivre un courant électrique de commande de la vanne de soutirage 8 (fig.1) en fonction du signal présent à la sortie 01. Un élément de temporisation 28, tel qu'un monostable, est interposé entre la sortie 01 et le bloc d'amplification 27, pour limiter la durée maximale du signal de commande appliqué à la vanne de soutirage. On évite ainsi le blocage de celle-ci en position d'ouverture (pouvant conduire éventuellement à un vidage de la cuve 1 (Fig.1), à la suite d'une anomalie quelconque de fonctionnement du système de regulation). Une seconde sortie 02 délivre un courant électrique pour un témoin lumineux 29 indicateur de l'ouverture de l'organe de prélèvement 8. L'ensemble 21 comporte aussi un convertisseur numérique/analogique 30 connecté au bus 17. Les mots numériques traduisant par exemple les données de masse calculées par le calculateur 16, sont convertis en signaux analogiques pour un dispositif d'enregistrement graphique 31. Le microprocesseur est programmé pour - commander la numérisation des signaux analogiques issus des moyens capteurs 9 avec une période d'échantillonnage déterminée et mémoriser les valeurs des échantillons de signaux successivement numérisés ; et - calculer une valeur moyenne sur un intervalle de temps fixé par l'opérateur. Il élabore des signaux de régulation et les transmet par le bus 17 à la carte de sortie 26 et le bloc d'amplification 27 de manière à commander l'ouverture de l'organe de prélèvement 8. On choisit par exemple une vanne du type tout-ou-rien dont le débit moyen ne dépend que de sa durée d'ouverture. Le microprocesseur régule La masse liquide contenue dans la cuve 1 en adaptant la durée de soutirage de l'électrovanne, à la fois aux caractéristiques de celle-ci à la cadence de mesure imposée par l'opérateur, et au débit d'introduction du mélange liquide dans la cuve. Il applique un signal en créneau de durée appropriée et de période de répétition constante, ou bien de durée constante mais avec une période de répétition variable, ou bien encore un signal combiné ou durée et période de répétition sont ajustables. La durée minimale est fixée par exemple à 0,5 seconde. Les signaux de régulation dépendent d'une- valeur moyenne de la surpression mesurée sur un intervalle de temps qui peut être choisi plus ou moins long suivant les conditions du processus à contrôler. On constate en effet que l'agitation à laquelle le mélange liquide est soumis par les moyens de brassage de la cuve, crée des surpressions instantanées non significatives d'une augmentation de la masse. Le calculateur 16 effectue donc un tri parmi les échantillons de signaux délivrés par le convertisseur 23 (C.A.N), pour éliminer ceux dont l'écart par rapport à la tension moyenne est trop important. Par l'intermédiaire du clavier de commande 19, l'opérateur fixe les paramètres à suivre pour effectuer le tri, il impose par exemple - la valeur de consigne à laquelle on veut maintenir la différence de pression mesurée ; - la plage de régulation fixée en pourcentage par rapport à la valeur de consigne entre les limites de laquelle on tolère une variation de la différence de pression ; - les seuils d'écrêtage haut et bas au-dessus ou en-dessous desquels les échantillons de pression sont rejetés comme non significatifs ; et - l'intervalle de temps durant lequel la moyenne des valeurs d'échantillons significatifs doit être effectuée. En outre, l'opérateur détermine l'échelle de mesure de pression en fonction du capteur différentiel utilisé et de sa sensibilité qui peut varier selon les cas dans la gamme de O à 1 mV pour les variations fines ou dans une gamme beaucoup plus large (de O à plusieurs bars éventuellement) pour les très grandes cuves. Il commande le multiplexeur 22 de manière à choisir la nature du signal traduisant la différence de pression soit une tension ( de O à 10 v) soit un courant électrique (de 4 à 20 mA par exemple). L'algorithme suivant lequel sont conduits par exemple les opérations de régulation est représenté à la figure 3. Avec le dispositif selon l'invention et en dépit de l'agitation à laquelle le liquide est soumis, on arrive à réguler sa masse avec une précision pouvant atteindre 0,1% du fait des tris et des traitements numériques divers éventuels opérés sur les échantillons de signaux de pression. L'emploi d'un système de traitement contrôlé par un calculateur programmable, permet une adaptation rapide et précise du dispositif à tout changement des conditions opératoires : modification de la masse liquide (et donc des valeurs de consigne) ou des tolérances de régulation, injection de gaz à une pression plus ou moins forte intervenant dans certains types de processus et qui rend nécessaire une modification des paramètres etc. Le dispositif selon l'invention peut donc être facilement adapté à toute installation existante. L'ensemble d'acquisition peut comporter des entrées pour d'autres signaux. On peut utiliser par exemple un débitmètre 14 (Fig.1) délivrant un signal proportionnel à son débit et échantillonner ce signal. L'opérateur a la faculté d'imposer également une valeur de cpnsigne et des paramètres de régulation au calculateur 16 qui engendre aussi un signal de commande, convenablement mis en forme par l'ensemble d'interface 21, pour contrôler la pression délivrée par la source de gaz sous pression 12. La pression à l'extrêmité inférieure de la canalisation 10 peut ainsi être maintenue sensiblement égale à la pression du mélange liquide au bas de la cuve. On ne sortirait pas du cadre de l'invention en appliquant à l'ensemble d'acquisition d'autres signaux traduisant d'autres variables. L'une d'entre elles peut être par exemple la différence de pression mesurée entre deux emplacements immergés situés à deux profondeurs différentes dont l'écart h (Fig.1) est connu avec précision, de manière à calculer la densité du mélange liquide et ses variations au cours du processus en cours, en effectuant les pondérations et moyennes déjà décrites. D'autres signaux peuvent traduire notamment une variation du niveau de la substance dans la cuve et servir, au moyen du système de régulation programmable déjà décrit, à réguler divers paramètres du processus en cours. On resterait aussi dans le cadre de l'invention en utilisant un organe de prélèvement à débit continu ajustable tel qu'une vanne pneumatique, une pompe, etc. Le micro-processeur est adapté selon le cas à engendrer un signal analogique ou un signal impulsionnel à cadence variable pour commander le débit de l'organe de prélèvement. REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour mesurer ou réguler au moins une caractéristique physique d'un fluide contenu dans un récipient (1), telle que sa masse, le récipient étant pourvu de moyens (4-6) pour introduire ledit fluide et de moyens (7-8) pour le prélever, le dispositif comprenant des moyens capteurs (9) pour mesurer au moins une pression régnant au sein du fluide contenu dans le récipient et étant caractérisé en ce qutil comporte un système de traitement (1-5) comprenant un ensemble d'entrée-sortie (21) pourvu de moyens d'acquisition (22-23) pour numériser des valeurs de ladite pression mesurées à intervalles de temps déterminés, des moyens de calcul programmables (16-17) pour effectuer une combinaison de plusieurs mesures de ladite pression successivement numérisées et déterminer ladite caractéristique physique du fluide contenu dans le récipient. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de traitement (15) comporte un ensemble d'interface (26-27) contrôlé par les moyens de calcul pour commander les moyens de prélèvement (7-8) de manière à réguler Ladite caractéristique physique du fluide contenu dans le récipient. 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens capteurs (9) comportent au moins un capteur différentiel pour mesurer la différence de pression régnant entre au moins deux emplacements différentes du récipient, l'un au moins de ces emplacements se trouvant au sein du fluide, les moyens de prélèvement (7-8) comportent une vanne à débit modulable et Les moyens de calcul (16) sont adaptés à engendrer pour Ladite vanne, un signal de commande variabLe, permettant la régulation de Ladite caractéristique physique du fluide dans Le récipient. 4 - Dispositif selon la revendication 2 ou 3, comportant une source de gaz (12) délivrant du gaz au sein du fluide à une pression suffisante pour assurer un débit faible et un élément de mesure (14) du débit de gaz, caractérisé en ce que l'élément de mesure du débit comprend un débitmètre produisant un signal dépendant du débit mesuré et des moyens pour appliquer ledit signal aux moyens d'acquisition (22-23), les moyens de calcul programmables (16-17) étant adaptés à engendrer un signal permettant de réguler la pression délivrée par la source de gaz à une valeur sensiblement égale à la valeur mesurée au sein du fluide dans le récipient. 5 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens capteurs (9) comportent deux capteurs différentiels pour mesurer au moins deux pressions en deux emplacements distincts du récipient (1) au sein dudit fluide, les signaux traduisant la différence entre les deux pressions étant appliqué auxdits moyens d'acquisition (22-23), de manière à mesurer ou réguler la densité dudit fluide. 6 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens capteurs (9) comportent au moins un capteur différentiel pour mesurer la différence de pression régnant entre au moins deux emplacements différents du récipient, les moyens d'acquisition (22-23) comportant plusieurs entrées, l'une au moins d'entre elles étant connectée aux moyens capteurs (9), l'ensemble d'entrée-sortie (21) incluant également un convertisseur numérique- analogique (30) pour la conversion en signaux analogiques de valeurs déterminées par les moyens de calcul (16-17), ledit convertisseur numérique-analogique étant pourvu d'au moins une sortie pour un élément d'enregistrement (31) et un élément d'interface (24) pour des moyens d'affichage (25). 7 - Dispositif selon les revendications 2 et 6, caractérisé en ce que le système de régulation (15), comporte en outre des moyens (19-20) pour l'introduction d'instructions par un opérateur. 8 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que L'ensemble d'interface (26-27) comporte un élément de sécurité (28) pour limiter la durée maximale d'application aux moyens de prélèvement, des signaux de commande engendrés par les moyens de calcul (16-17). 9 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que les moyens d'acquisition (22-23) comportent plusieurs entrées, L'une au moins de celles-ci étant connectée à un élément de mesure d'un autre paramètre. 10- Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit élément de mesure est un débitmètre (14).