Brevet FR2620226A1 — publié le 19890310

SONDE DYNAMOMETRIQUE POUR LA MESURE STATIQUE ET DYNAMI QUE, EN TEMPS REEL, DE DIVERS PARAMETRES PHYSICO-CHIMIQUES, BIOCHIMIQUES OU BIOLOGIQUES D'UN MILIEU LIQUIDE La présente invention concerne une sonde dynamométrique destinée à la détection, l'observation et la mesure des variations de caractéristiques physiques, chimiques, biochimiques ou biologiques d'un milieu à étudier. L'invention a pour but premier de fournir un instrument d'observation et de mesure, en temps réel, de variations lentes de paramètres physiques, chimiques, biochimiques ou biologiques d'un milieu liquide de viscosité quelconque. La sonde dynamométrique selon l'invention est caractérisée en ce qu'elle comporte un élément oscillant porté par un support axial définissant un axe de pivotement de cet élément, un dispositif moteur du type électromagnétique qui applique à l'élément oscillant des forces alternées déterminées pour le faire osciller, un organe de freinage se présentant sous forme d'une palette ou d'une tige qui est solidaire de l'élément oscillant et qui est plongé dans ledit milieu, et un capteur de déplacement qui mesure le déplacement angulaire de l'élément oscillant et qui délivre un signal électrique correspondant. Ainsi on mesure la résistance qu'oppose le milieu étudié au mouvement d'une palette plongeant dans ce milieu. On mesure donc une force par l'intermédiaire d'un couple appliqué à la palette, d'où la dénomination de sonde dynamométrique. La sonde dynamométrique est un instrument dont la structure et les conditions de fonctionnement lui assurent une sensibilité telle qu'elle permet de détecter les variations de structures moléculaires du milieu étudié, dont les causes peuvent être de nature physique, chimique, biochimique ou biologique. Elle délivre un signal électrique, analogique ou numérique, dont l'amplitude maximale dépend directement de cette structure.Le signal délivré se prête à tout traitement analogique ou numérique, permettant ainsi des analyses qualitatives et quantitatives, des analyses comparées ainsi que des analyses statistiques des processus observés. II permet, en particulier, le tracé graphique de l'évolutlon de l'état physico-chinlique, biochimique ou biologique du milieu étudié, tracé qui représente l'image en temps réel, de l'évolution de cet état. Ainsi parrni les applications nombreuses on peut citer le tracé, en teinps réel, des processus enzymatiques, ou bien le tracé thromboélastographl- que qui, en plus de données habituelles, fournit des données nouvelles non contenues dans le tracé de HARTERT et donne ainsi à ces examens un intérêt nouveau. Si l'état du milieu n'est pas évolutif, l'amplitude du signal délivré caractérise cet état dans des conditions physiques précises ct peut par conséquent servir à l'identification de cet état, c'est-à-dire à la mesure d'un des paramètres caractéristiques de cet état. Ainsi par exemple, la sonde dynamométrique délivre un signal dont l'amplitude est une fonction linéaire de la concentration d'une solution, dans des conditions physiques données. Etalonnée, la sonde peut donc constituer un instrument de mesure de la concentration d'une solution. La sonde dynamométrique est ainsi un instrument d'observation qualitative et quantitative d'événements au sein d'un liquide, capable d'effectuer des mesures aussi bien statiques que dynamiques d'un paramètre caractéristique quelconque du milieu étudié. Les applications concernent toutes les industries et laboratoires qui utilisent ou traitent des milieux liquides ou pâteux plus ou moins visqueux, notan-iment l'industrie chimique en général, la pétrochimie, l'industrie pharmaceutique, I'industrie agro-alimentaire, divers laboratoires d'étude et d'analyses, médicales et autres. Dans une forme de réalisation particulière d'une sonde selon l'invention, le support axial est constitué d'un fil de torsion qui est fixé à ses deux extrémités et qui définit l'axe de pivotement de l'élément oscillant. L'élément oscillant peut être formé par un bras rigide disposé perpendiculairement à son axe de pivotement, le capteur de déplacement étant disposé à proximité d'une extrémité de ce bras. De préférence, le centre de gravité du bras oscillant et le dispositif moteur se trouvent à proximité de l'axe de pivotement, et l'organe de freinage est disposé à proximité d'une extrémité du bras. Le dispositif moteur, dans une première forme de réalisation, comporte un stator fixe et un ensemble aimanté mobile fixé à l'élément oscillant dans une disposition symétrique par rapport à l'axe de pivotement. Dans une autre forme de réalisation, le dispositif moteur comporte une bobine électrique en forme de cadre mobile qui est solidaire de l'élément oscillant et qui se trouve dans un champ magnétique à l'intensité de l'induction magnétique constante. L'organe de freinage sous forme d'une tige cylindrique ou d'une palette est disposé verticalement dans le milieu liquide à étudier et de manière à offrir une résistance maximale au mouvement de l'élément oscillant. Selon une forme préférée de l'invention, le capteur de déplacement est un capteur optoélectronique comportant un photo-émetteur délivrant un flux lumineux constant, un photorécepteur qui reçoit le flux lumineux provenant du photo-émetteur et qui délivre un signal électrique dont l'intensité est une fonction directe du flux lumineux reçu, une lamelle obturatrice qui est solidaire de l'élément oscillant et qui a pour rôle d'obturer, en fonction de la position angulaire de l'élément oscillant, le ilux lumineux capté par le photorécepteur. Ainsi, le photorécepteur délivre à sa sortie un signal électrique dont l'amplitude instantanée est directement proportionnelle au flux lumineux reçu. En variante, le photorécepteur peut faire partie d'un générateur optoélectronique de signaux périodiques, destiné à délivrer un signal électrique de sortie dont la fréquence est une fonction directe du flux lumineux reçu par le photorécepteur. Ce signal de sortie peut être par exemple un signal en dents de scie. La structure et le fonctionnement d'une sonde selon l'invention sont décrits ci-dessous par des exemples de réalisation, donnés à titre non limitatif et en référence au dessin annexé, dans lequel La figure 1 est une vue schématique en élévation latérale d'unc forme préférée de réalisation d'une sonde dynamométrique selon l'invention, comportant un bras oscillant et un capteur optoélectromque de déplacement, La figure 2 est une vue schématique en plan du bras oscillant et de son dispositif moteur, La figure 3 est une vue schématique en élévation illustrant une autre forme de réalisation, et La figure 4 est un schéma électrique simplifié d'un capteur optoélectronique de déplacement utilisable avec les sondes selon les figurcs 1 à 3. En référence aux figures 1 et 2, la sonde dynamométrique comporte un fil de torsion I à constante de torsion faible, fixé à ses deux extrémités à un bâti 2, 3 de manière à ce que la tension du fil soit réglable. Un bras rigide 4 en matériaux très légers est rattaché au milieu du fil de torsion et perpendiculairement à celui-ci par un dispositif de fixation 5. Le fil de torsion I et le bras 4, situés dans un même plan, forment un ensemble solidaire dont le bras 4 peut effectuer un mouvement de rotation autour de l'axe défini par le fil de torsion 1. Deux pastilles aimantées 6 et 7 de poids négligeable sont solidaires du bras 4 et sont disposees ssmtrique- ment par rapport à l'axe de rotation.La distance entre les pastilles 6 et 7 peut être prévue réglable dans certaines applications. Dans le cas de sondes à structure simplifiée, une seule pastille 6 ou 7 peut être suffisante. Face aux pastilles aimantées 6, 7, est placé le noyau ferromagnétique S en forme de U d'une bobine électrique 9. La bobine 9 étant alimentée en courant alternatif, la polarité des pastilles aimantées est orientée dc façon que, lorsqu'unc pastille subit une force d'attractlon, L'autre subit une force de répulsion. Ainsi, à un courant alternatif dl amplitude maximale faible correspond un mouvement oscillatoire du bras 4 autour de son axe matérialisé par le fil de torsion 1. A une extrémité du bras 4 est fixée de manière interchangeable une palette 10 de forme appropriée, par l'intermédiaire d'un système de fixation 11. D'autre part, à distance fixe de l'axe de rotation, sur l'un ou l'autre côté du bras 4 est fixée une lamelle 12 faisant office d'un obturateur optique. Un des bords de la lamelle 12, parallèle au bras 4, appelé bord actif 21, est aligné sur l'axe central du bras 4, axe qui coupe l'axe de rotation confondu avec le fil dc torsion. Un photo-émetteur 13 et un photorécepteur 14, dont le spectre sc situe de préférence dans l'infrarouge, forment un photocouple, et sont disposés de part et d'autre de la lamelle obturatrice 12. La largeur de la lamelle 12 doit être suffisante pour permettre d'obturer totalement le faisceau lumineux reçu par le photorécepteur 14.Au repos, c'est-à-dire à courant nul dans la bobine 9, le photocouple 13, 14 est positionné par rapport au bord actif 21 de la lamelle 12 de façon que le photorécepteur 14 reçoit exactement la moitié du flux lumineux total reçu sans obturation. Le photo-émetteur 13 est alimenté par une source à courant constant 15. Lors du mouvement oscillatoire du bras 4, la lamelle 12 obture plus ou moins le faisceau émis, ce qui permet, pour une intensité du photo-émetteur 13 supposée constante, de recueillir à la sortie du photorécepteur 14 un courant proportionnel à l'angle de déviation supposé faible du bras 4. Le courant du photorécepteur 14 peut être amplifié directement par un amplificateur de courant 17, afin d'augmenter la sensibilité de lecture de l'angle de déviation du bras 4. En introduisant une résistance de charge 18 en série avec le photorécepteur 14, on peut alors recueillir aux bornes de la charge une différence de potentiel proportionnelle au courant du photorécepteur. Comme ce courant est proportionnel à l'angle de déviation du bras 4, il en va de même pour la différence de potentiel. Dans ce cas, pour augmenter la sensibilité de lecture de l'angle de déviation, on utilise un amplificateur de tension 19. Dans les applications courantes, la bobine 9 est alimentée par une source 16 de courant alternatif sinusoïdal à fréquence fixe, amplitude maximale constante mais réglable. De ce qui précède on déduit le fonctionnement de l'ensemble dans l'observation des processus physico-chimiques ou biochimiques, au sein d'un milieu liquide. En effet, la palette 10 plonge dans l'échantillon du liquide à étudier 22. Le bras 4, étant soumis à un couple moteur dû aux forces sinusoldales d'amplitude maximale constante qui s'exercent sur les pastilles 6 et 7, décrit un mouvement oscillatoire autour de son axe de rotation matérialisé par le fil 1. Par l'intermédiaire de la palette 10, le milieu liquide 22 exerce un couple résistant qui s'oppose au couple moteur et limite ainsi l'amplitude maximale de l'angle de déviation du bras 4. L'amplitude maximale résultante du mouvement dépend de la structure physique ou de la nature chimique du milieu liquide étudié 22 et traduit donc l'état physique ou chimique relatif du milieu.Le photocouple 13, 14 délivre un signal électrique dont l'amplitude maximale est directement proportionnelle à l'amplitude maximale du mouvement oscillatoire du bras 4. Ainsi, toute variation dc l'état physique du milieu 22 se traduit par une variation de l'amplitude maximale de l'angle de rotation du bras 4 et par conséquent de l'amplitude maximale du courant du photorécepteur 14 ou de la différence de potentiel liée à ce dernier. La structure de la sonde décrite ci-dessus correspond à une structure optimale qui lui assure une sensibilité et un pouvoir de résolution maximaux. Dans ces conditions on peut espérer, si l'on accorde suffisamment de soins à sa réalisation mécanique, qu'elle soit opérationnelle dans des milieux à viscosité très faible et même à la limite utilisable dans des milieux à l'état de vapeur ou de gaz d'une certaine densité. Au contraire, si l'on ne recherche pas des sensibilités extrêmes de la sonde et à fortiori si l'on a affaire à des milieux liquides très visqueux, à la limite même à des solides à élasticité suffisante, tels certains produits alimentaires, les viandes par exemple, la structure précédemment décrite peut être modifiée dans une certaine mesure. Ainsi, le fil de torsion I peut être remplacé par un axe rigide muni éventuellement d'un ressort en spirale faisant office d'un ressort de rappel, système similaire au balancier à spiral d'une horloge. De même, le couple moteur de la sonde peut être réalisé par un dispositif à cadre mobile, semblable au cadre mobile d'un galsanomètre et solidaire de manière analogue du fil de torsion I ou de l'axe rigide et dont la bobine est alimentée par un courant moteur alternatif de forme sinusoldale. L'ensemble remplace alors les pastilles aimantées 6 et 7 ainsi que la bobine 9 avec son noyau 8. Le capteur optoélectronique de déplacement précédemment décrit peut être remplacé par un autre type de capteur optoélectronique, illustré par la figure 4, de grande sensibilité également. Ce dernier comprend un générateur optoélectronique 23 de signaux par exemple en dents de scie 24, où le photorécepteur 14 fait partie intégrante du générateur utilisé. Une variation du flux lumineux reçu par le photorécepteur 14, due au déplacement de la lamelle 12, entraîne une variation de la fréquence du signal issu du générateur 23. Ici le résultat de la lecture du déplacement se présente directement sous forme numérique dont l'intérêt, dans bien des applications, est ccrtain. Quant à la structure du générateur de signaux, elle correspond au schéma général simplifié de la figure 4 pour les signaux en dents de scie. Le principe de focntionnement est basé sur la charge ou la décharge d'une capacité à travers un photorécepteur. En considérant le schér,ka, on voit que la capacité 27 se charge à travers le photorécepteur 14 avec une vitesse de charge qui est directement proportionnelle au flux lumineux reçu. Un comparateur à seuil 29 détecte la tension maximale admise aux bornes de la capacité 27 et commande la fermeture d'un interrupteur 28 à travers lequel la capacité 27 se décharge, après quoi le cycle recommence. On conçoit que la fréquence du signal délivré 24 dépend de l'éclairement reçu par le photorécepteur. Pour certaines apilications, l'utilisation d'un photorécepteur du type PIN peut s'avérer utile. La mesure de l'angle maximal de déviation du bras 4 peut être réalisée par d'autres moyens et en particulier par l'intermédiaire d'un potentiomètre solidaire de la partie mécanique en rotation, remplaçant ainsi le photocouple 13, 14 et la lamelle 12. Cette dernière solution peut être intéressante dans le cas où l'on a affaire à des milieux très visqueux, voire milieux solides élastiques, et où le fil de torsion I est remplacé par un axe rigide solidaire du potentiomètre. Cette structure assure une grande compacité à l'ensemble de la sonde. Le bras rigide 4 est constitué de deux branches solidaires, de longueurs comparables ou non, situées de part et d'autre du fil de torsion I ou de l'axe rigide. L'obturateur 12 peut être disposé de même côté du bras que la palette 10 ou de l'autre côté suivant que les branches du bras sont à longueur comparable ou non. La figure 3 illustre une forme de réalisation dans laquelle la disymétrie de longueur des branches du bras 4' confère un moindre volume à l'ensemble. Dans ce cas les deux branches, de longueurs inégales, sont équilibrées en masse par un contrepoids 20 situé sur l'extrémité de la plus courte branche. Pour la plupart des applications la forme du courant moteur qui traverse la bobine 9 est de forme sinusoïdale. Cependant, un courant périodique de forme rectangulaire ou un échelon de courant peuvent convenir mieux dans certaines applications telles que l'étude ou la mesure de la viscosité des milieux particuliers. De même, un courant à croissance linéaire dans le temps peut s'avérer utile dans l'étude de la la réponse d'un milieu. Un homme du métier pourra prévoir bien d'autres modifications et variantes par rapport aux exemples mentionnés ci-dessus, sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. Revendications 1. Sonde dynamométrique destinée à la détection, I'observation et la mesure des variations de paramètres physiques, chimiques, biochimiques ou biologiques d'un milieu à étudier, caractérisée en ce qu'elle comporte - un élément oscillant (4, 4 > ) porté par un support axial (1) définissant un axe de pivotement de cet élément, - un dispositif moteur électromagnétique (6 à 9) agencé pour appliquer à l'élément oscillant un couple déterminé pour le faire pivoter autour de son axe, - un organe de freinage (10) se présentant sous forme d'une palette ou d'une tige, solidaire de l'élément oscillant et qui plonge dans ledit milieu (22), - et un capteur de déplacement (12 à 19) mesurant l'amplitude maximale du mouvement angulaire de l'élément oscillant en délivrant un signal électrique correspondant. 2. Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que le support axial comporte un fil de torsion (1) qui est fixé à ses deux extrémités et qui définit l'axe de pivotement de l'élément oscillant. 3. Sonde selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'élément oscillant est un bras rigide (4, 4') disposé perpendiculairement à son axe de pivotement, le capteur de déplacement étant disposé à proximité d'une extrémité de ce bras. 4. Sonde selon la revendication 3, caractérisée en ce que le centre de gravité du bras oscillant (4, 4') et le dispositif moteur se trouvent à proximité de l'axe de pivotement (1), et en ce que l'organe de freinage (10) est disposé à proximité d'une extrémité du bras. 5. Sonde selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisee cn ce que le dispositif moteur comporte un stator fixe (8, 9) et un ensemble aimanté mobile (6, 7) fixé à l'élément oscillant dans une disposition symétrique par rapport à l'axe de pivotement. 6. Sonde selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée én ce que le dispositif moteur comporte une bobine électrique en forme de cadre mobile, solidaire de l'élément oscillant et qui se trouve dans un champ magnétique à l'intensité de l'induction magnétique constante. 7. Sonde selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'organe de freinage sous forme d'une tige cylindrique ou d'une palette (10) est disposé verticalement dans le milieu du liquide à étudier (22) et de manière à offrir une résistance maximale au mouvement de l'élément oscillant (4, 4'). 8. Sonde selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le capteur de déplacement est un capteur optoélectronique cornportant un photo-émetteur (13) délivrant un flux lumineux constant, un photorécepteur (14) agencé pour recevoir le flux lumineux provenant du photo-émetteur et pour délivrer un signal électrique dont l'amplitude est une fonction directe du flux lumineux reçu, et une lamelle obturatrice (12) qui est solidaire de l'élément oscillant (4, 4') et qui a pour rôle d'obturer, en fonction de la position angulaire de l'élément oscillant, le flux lumineux capté par le photorécepteur (14). 9. Sonde selon la revendication 8, caractérisée en ce que le photorécepteur (14) fait partie d'un générateur optoélectronique de signaux périodiques (23), destiné à délivrer un signal électrique de sortie (24) dont la fréquence est une fonction directe du flux lumineux reçu par le photorécepteur.