Brevet FR2645272A1 — publié le 19901005

Capteur de densimètre à vibrations. DESCRIPTION La présente invention a pour objet un capteur de densimètre à vibrations. Le secteur technique de l'invention est celui des densimètres et plus particulièrement de ceux du type à vibrations. On sait que la fréquence propre de vibration d'un diapason est égale à dont C = le module d'élasticité du matériau constituant le diapason. M - la masse en vibration. Dans le cas où la masse M en vibration est un tube dans lequel circule un fluide. l'équation précédente devient ou dont : T est la periode d'oscillation, Mo est la masse du tube. Vo est le volume interne du tube. p est la masse volumique du fluide circulant dans le tube. A température constante. Vo. Mo et C sont constants d'où Dont Pour une température donnée. A et B sont des constantes propres à l'oscillateur. Les variations de A et de B, en fonction de la ter..pérature peuvent dont être déterminées par des relevés de températures et transcrites sous la forme de polynômes. Pour réaliser un densimètre. on mesure la période de vibration et la température du fluide en circulation dans les tubes et on calcule la masse volumique à partir de ces deux invormations et des paramètres A et B propres au diapason. Par assimilation à l'instrument utilisé pour accorder les instruments de musique. on appelle diapason. une boucle de tube dont les branches sont encastrées dans une platine dite "contremasse" et que l'on met en vibration. Les éléments théoriques cites précédemment sont applicables. à condition de s'affranchir des effets de reaction au point de flexion du diapason. lequel doit être parfaitement stable dans l'espace. Dans la pratique. un moyen couramment utilisé est une contremasse conséquente dans laquelle sont encastrées les branches du diapason. Cette solution est. par principe, lourde. encombrante et chère. L'objectif de la présente invention consiste à annuler la réaction au droit du point d'encastrement du diapason dans le but de supprimer ladite contremasse. Cet objectif est atteint par le capteur de densimètre à vibrations selon l'invention, à boucles de tube élastique. dans lequel circule le fluide à mesurer. dit "diapason", caractérisé en ce qu'il se compose de deux boucles actives. réunies par une boucle inerte, lesquelles sont implantes dans une platine sensiblement perpendiculaire auxdites boucles et s'étendant sensiblement diamétralement à ladite boucle inerte, dont lesdites boucles actives sont espacées l'une de l'autre. sont superposées et sont soumises à l'action de moyens moteurs électromagnétiques. situés entre lesdites boucles pour les mettre en vibration à la même fréquence et en opposition de phase. des moyens pour entretenir leur oscillation et une sonde de température implantée dans la boucle inerte. Lesdites boucles actives sont identiques et parallèles entre elles et lesdits moyens moteurs sont situés sur l'axe de symétrie desdites boucles. Chacune de ces boucles actives comporte deux segments rectilignes parallèles entre eux. s'étendant à partir de ladite platine et reliés entre eux par un segment circulaire et les moyens moteurs sont situés sur l'axe médian desdits segments circulaires. Ledit capteur comporte. en outre. un support fixé à ladite platine et s'étendant entre lesdites boucles actives, lequel support porte. à son extrémité libre. un circuit magnétique d'excitatior pour faire osciller les boucles actives t- des moyens de réception pour détecter leurs périodes de vibration. Dans un mode de réalisation, le circuit magnétique d'excitation est constitué par un solénoïde à noyau de ferrite en forme de E, dont la bobine entoure la branche médiane dudit noyau. Dans un mode d'exécution où les boucles actives et inerte sont en matériau amagnétique, les branches dudit noyau sont d'égale longueur et sur chaque boucle est fixé un barreau de ferrite, de sorte que les barreaux des deux boucles sont parallèles entre eux. sont en vis à vis et s'étendent transversalement de part et d'autre des branches du noyau du solénoïde. Dans un autre mode d'exécution, le circuit magnétique d'excitation se compose de deux solénoïdes. connectés ensemble électriquement,lesquels sont constitués chacun d'un cylindre de ferrite creux comportant un noyau coaxial entouré d'une bobine. Les deux solénoïdes sont implantés dans ledit support, de telle sorte que les bobines sont disposées en regard desdites boucles actives. Dans un autre mode d'exécution. chacune des boucles actives comporte une barrette en matériau magnétique. disposee en regard de chacun desdits solénoïdes. Dans un mode de réalisation. à au moins une des boucles actives, est fixé un réflecteur devant lequel est place un détecteur optoélectronique comprenant une diode électroluminescente et un phototransistor. lequel détecteur est relié à un comparateur qui reçoit et amplifie la variation du signal émis par le phototransistor et dont la sortie du comparateur est reliée à la bobine du solénoïde pour entretenir l'oscillation des boucles actives. Dans un autre mode de réalisation. à au moins une des boucles actives est fixé un aimant permanent en regard duquel est placé un détecteur constitué par un solénoïde comprenant un cylindre de ferrite creux. comportant un noyau coaxial entouré d'une bobine et dont l'oscillation de la boucle active et corrélativement de l'aimant permanent. engendre une variation de l'entrefer dudit détecteur, lequel est relié à un comparateur qui reçoit et amplifie la variation de tension prise aux bornes de la bobine du solénoïde qui coopère avec ledit aimant et dont la sortie du comparateur est reliée à la bobine du moteur électromagnetique qui engendre l'oscillation de la boucle active. Le résultat de l'invention est un capteur de vibrations à deux "diapasons", oscillant en opposition de phase à la même fréquence, lesquels diapasons sont identiques et encastrés dans une platine de faible epaisseur. ce qui permet de réaliser un capteur de densité de conception plus légère. moins encombrante et moins onéreuse que les capteurs à contremasse actuellement sur le marché. Les applications des densimètres à capteurs de vibration sont nombreuses, de tels appareils étant insérés par exemple dans les circuits d'installation de fabrication d'électrolytes pour batteries d'accumulateurs électriques. de fabrication de produits chimiques, pharmaceutiques ou cosmétiques. de fabrication de sirop de sucre. ou pour le contrôle du degré alcoolique des jus fermentés, ou autres D'autres avantages et les caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante. en référence au dessin annexé sur lequel: - la figure 1 est une vue en perspective d'un capteur à vibrations selon l'invention; - la figure 2 est une vue de dessus d'un diapason à deux boucles superposées dans un mode de réalisation où le détecteur est un composant optoélectronique à réflexion; - la figure 3 est une vue en élévation du diapason de la figure 2: : - la figure 4 est une vue de dessus d'un diapason à deux boucles superposées dans un autre mode de réalisation où le détecteur est un demi-pot de ferrite à bobine réceptrice coopérant avec un aimant permanent fixé aux boucles actives du diapason; - la figure 5 est une vue en élévation du diapason de la figure 4; - la figure 6 est un synoptique du circuit d'entretien de l'oscillation des boucles actives du diapason des figures 2 à 5: - la figure 7 est un schéma électronique du circuit d'oscillation du diapason selon les figures 2 et 3; - la figure 8 est un schéma électronique du circuit d'oscillation du diapason selon les figures 4 et 5. On se reporte d'abord aux figures 1 à 5. La figure 1 représente un coffret 1, dans lequel est disposé un diapason selon l'invention 2. se composant de deux boucles actives 2a/2t, réunies l'une à l'autre Far une boucle inerte 2c. Lesdites boucles actives et inerte sont encastrées dans une platine légère de faible épaisseur 3, par exemple en acier inoxydable. laquelle platine 3 s'détend transversalement auxdites boucles. Les boucles actives 2a/2b se composent chacune d'un segment circulaire 2a1/2bl et de deux segments rectilignes 2a2/2a3, 2b2/2b3, la boucle inerte 2c. est constituée par un segment circulaire qui relie les segments rectilignes 2a3 de la boucle 2a au segment rectiligne 2b2 de la boucle 2b. Les deux boucles 2a/2b sont identiques et superposées et la platine 3 s'étend sensiblement sur le diamètre de la boucle inerte 2c, de telle sorte que les boucles 2a/2b/2c sont perpendiculaires à la platine 3. Les segments rectilignes 2a2/2b3 sont plus longs et traversent une des parois latérales la du coffret 1. Les deux bocles actives 2a/2b sont espacées l'une de l'autre et sont, au repos. dans des plans parallèles entre eux et parallèles à la paroi de fond lb du coffret 1. Entre les deux boucles actives 2a/2b. est placé un support 4, constitué par un barreau d'une section droite rectangulaire, par exemple en acier inoxydable, lequel est placé exactement au milieu de l'espace qui sépare lesdites boucles 2a/2b et s'étend sur l'axe longitudinal médian de celles-ci. Le support 4 s'étend sur la longueur desdites boucles actives et porte. à son extrémité libre 4a. et entre les deux segments circulaires 2a1/2b1, le "moteur" électromagnétique de mise en vibration des deux boucles 2a/2b et dont deux variantes d'exécution seront données plus loin en référence aux figures 2 à 5. A la paroi latérale lc, opposée à celle la du coffret 1, et à l'intérieur de-celui-ci. est fixée une platine 5 comprenant un circuit imprimé et des composants électroniques d'un circuit pour entretenir l'oscillation des boucles 2a/2b. laquelle platine est reliée par un câble électrique multiconducteurs à une unité électronique de traitement (non représentée) des signaux amplifiés par le circuit et les composants de la platine 5. Les boucles actives 2a/2b et inerte 2c sont réalisées à partir d'un tube à paroi mince, par exemple en un acier inoxydable. pour permettre à l'appareil de mesurer la densité de fluldes quelconques agressifs ou non, Le fluide est mis en circulation dans le diapason indifféremment dans un sens ou dans l'autre pour pénétrer. par le segment 2a2 et sortir le segment 2b3 ou vice versa. Le coffret comporte un couvercle 7 qui s'emboîte. par le dessus, et qui se fixe, au moyen de vis 8 vissées dans des trous taraudés Id, réservés dans des surépaisseurs d'angles le du coffret 1 Les figures 2 et 3 illustrent un mode de réalisation d'un diapason selon l'invention dans sa version optoélectronique Selon cette version, le support 4 porte, à son extrémité 4a. un circuit magnétique comprenant un solénoïde 9, à noyau de ferrite en forme de E, et comportant deux branches laterales 9a/9b et une branche médiane 9c. lesquelles branches sont de même longueur et parallèles entre elles et sont solidaires et perpendiculaires à une autre branche 9d. La branche médiane 9c est entourée par une bobine d'excitation 9e. Les branches 9a/9b/9c sont disposées entre les segments circulaires 2a1/2bl des boucles actives 2a/2b. Le passage d'un courant dans la bobine 9e induit un champ magnétique dont les lignes de force circulent dans les branches du solénoïde en E en se refermant par les boucles actives. Du fait de leur construction en un acier inoxydable amagnétique. et pour permettre au circuit magnétique de fonctionner. chaque boucle comporte un barreau de ferrite 10/11. Le barreau 10 est fixé au segment circulaire 2al de la boucle 2a, le barreau 11 au segment circulaire 2bl de la boucle 2b. Lesdits barreaux 10/11 sont parallèles entre eux et s'étendent transversalement aux boucles 2a/2b, de part et d'autre des branches 9a à 9c du noyau du solénoïde en E.9. Compte tenu de cette conception, les deux boucles actives 2a/2b sont en opposition de phase pour osciller, à la même fréquence. sous l'effet de moyens qui seront décrits plus loin. Les figures 4 et 5 représentent un autre mode de réalisation d'un diapason selon l'invention dans sa version électromagnétique. Selon cette variante, le support 4 porte, implantés dans son extrémité 4a, deux solénoïdes 12/13 coaxiaux, montés en série ou en parallèle, lesquels sont disposés entre les deux boucles 2a/2b et au droit des segments circulaires 2a1/2b1. Ces solénoïdes se composent chacun d'un demi-pot de ferrite constitué par un cylindre crec 12a/13a comportant un noyau coaxial 12b/13b. entouré d'une bobine 12c/13c. Les deux solénoïdes 12/13 sont en opposition, de telle sorte que leur bobine 12c/13c est orientée du côté des segments circulaires 2a12bl des boucles actives. Comme pour la version précédemment décrite, et pour pallier au fait que les boucles 2a/2b sont réalisées en un matériau amagnétique (un acier inoxydable) les boucles comportent. fixée en regard de chacun des solénoïdes 12/13, une barrette en un matériau magnétique adoptant par exemple la forme d'un profilé en U 14/15 en acier doux. Le moteur électromagnétique est ainsi constitué de deux solénoïdes cylindriques 12/13. dont les bobines 12c/13c sont montées en série ou en parallèle. Le passage d'un courant dans lesdites bobines engendre deux flux magnétiques qui attirent lesdites barrettes 14/15 et corrélativement les boucles actives 2a/2b. Comme dans le diapason des figures 2 et 3, les boucles actives 2a/2b sont en opposition de phase pour osciller à la même fréquence. Pour que le diapason. selon ces deux versions, puisse vibrer en continu. le capteur comporte un circuit d'entretien de l'oscillation dont le synoptique est donné en référence à la figure 6 et dont le principe de fonctionnement est le suivant A la mise sous tension du circuit, l'interrupteur d'excitation lE se ferme et un courant traverse la bobine d'excitation BE (5/12-13) ce qui a pour effet d'attirer les boucles actives 2a/2b vers la bobine (9/12-13). L'oscillation desdites boucles 2a/2b est enregistrée par un détecteur D, dont le signal est transmis à l'une des entrées C1 d'un comparateur C qui reçoit, sur sa seconde entrée C2, une tension continue de référence REF. La différence entre les deux signaux est amplifiée par le comparateur C dont la sortie C3 pilote l'interrupteur d'excitation IE. Le signal en sortie du comparateur C est tel que l'interrupteur lE s'ouvre. La bobine d'excitation BE n'étant plus alimentée, les deux boucles 2a/2b du diapason tendent à reprendre leur position d'origine neutre. c'est-à-dire que les boucles sont parallèles entre elles. Ce mouvement en retour est enregistré par le détecteur D puis amplifié Far ie comparateur C qui ferme de nouveau l'interrupteur IE et le cycle se poursuit jusqu'à la suppression de l'alimentation. La bande passante du circuit étant très nettement supérieure à la fréquence propre mécanique des boucles 2a/Zb, l'ensemble constitue un circuit fermé oscillant dont la frequence d'oscillation est précisément égale à la fréquence propre du diapason. Un circuit annexe, connecte à la sortie C3 du comparateur C et comprenant un optocoupleur OC et un autre interrupteur lE2, permet de transmettre à distance l'information amplifiée par le comparateur C sous la forme d'un courant découpé à la fréquence d'oscillation du diapason. Ce mode de transmission permet de s'affranchir des longueurs de câbles et des parasites. Le signal de sortie émis par le circuit annexe est transmis à un microprocesseur (non représenté) qui convertit la fréquence en masse volumique ou en densité ou en concentration et qui reçoit. par ailleurs. une information sur la température du fluide mis en circulation dans le capteur. Les moyens d'entretien de l'oscillation sont donnés suivant deux variantes pouvant être appliquées indifféremment à l'un ou l'autre des moteurs des capteurs selon les figures 2, 3 et 4 et 5. Selon une variante représentée sur les figures 2 et 3. le détecteur 16 (D) est un composant optoélectronique à réflexion comprenant. dans le même boîtier. une diode électroluminescente et un phototransistor. Le signal lumineux émis par le détecteur 16 est reçu et modulé par un réflecteur 17 disposé en regard dudit détecteur et fixé à chacune des boucles active 2a/2b du capteur. Le dispositif comporte donc deux détecteurs 16 qui coopèrent chacun avec un réflecteur 17. Une sonde de température 18 est fixée à la boucle inerte 2c du capteur. Un schéma du circuit d'oscillation de chaque boucle active 2a/2b selon cette version est donnee à la figure 7. Le détecteur 16 se compose d'une diode électroluminescente 161 et d'un phototransistor 162, lequel est placé en regard du réflecteur 17. La diode électroluminescente 161 éclaire, en permanence. le phototransistor 162 par l'intermédiaire du réflecteur 17, dont le mouvement provoque une variation du signal émis par la diode électroluminescente 161. Le signal. issu dudit phototransistor 162. est envoyé via une capacité 19 à l'entrée C1 du comparateur C. lequel est un amplificateur opérationnel. La tension de référence REF est réglée au moyen d'un potentiomètre P. alimenté par une diode zener 20 et filtré par une capacité 21, lequel potentiomètre P est connecté à la seconde entrée C2 du comparateur C. Le signal amplifié. issu du comparateur C par sa sortie C3, est envoyé à travers un optocoupleur 22 et l'interrupteur IE, constitue par un transistor 23, à la bobine d'excitation BE (9e) du solénoïde en E,9. Par le circuit secondaire CS, le signal. issu du comparateur C. est transmis à distance par l'optocoupîeur 22 comprenant un phototransistor 24. Le circuit CS est relié audit microprocesseur du traitement du signal tel que cela a eté decrit en référence à la figure 6. et auquel est connectée la sonde de température 18. Selon la version illustrée aux figures 4 et 5, le détecteur de mouvement de chaque boucle active 2a/2b se compose d'un aimant permanent 25. fixé à la barrette profilée 14/15 et en regard duquel est disposé un solénoïde 26/27 encastré dans le support 4 et situé à côté dudit solénoïde 12/13. Le solénoïde 26/27 se compose d'un demi-pot de ferrite constitué par un cylindre creux 26a/27a comportant un noyau central 26b/27b, entouré d'une bobine 26c/27c. Les bobines 26c/27c des solénoïdes 26/27 sont reliées, par l'intermédiaire d'un circuit amplificateur (Fig. 6 et 8) aux bobines 12c/13c des solénoïdes 12/13 qui composent le moteur électromagnétique. Un schéma du circuit d'oscillation de chaque boucle active 2a/2b. selon cette version, est représenté à la figure 8. La bobine réceptrice 26c/27c, qui compose le détecteur en combinaison avec l'aimant permanent 25 (non représenté sur le schéma) est reliée à l'entrée C1 du comparateur C. Le mouvement de l'aimant 25 engendre une variation de l'entrefer 29 (figure 5) du circuit magnétique constitué par le solénoïde 26/27 et l'aimant 25. Cette variation d'entrefer engendre une variation de tension aux bornes de la bobine 26c/27c. Cette tension est amplifiée par le comparateur C. La tension de référence REF est réglée au moyen d'un potentiomètre P2, alimenté par une diode zener 28 et filtré par une capacité 30. lequel potentiomètre P2 est connecté à la seconde entrée C2 du comparateur C. Le signal amplifié. issu du comparateur C par sa sortie C3, est traité de la même façon que dans le schéma de la figure 7 à laquelle on se référera pour la description du schéma de la figure 8. Les composants de la figure 8 sont affectés des mêmes références, à l'exception de la bobine d'excitation du moteur électromagnétique. qui est affecté de la référence 12c/13c. REVEND I CATI CNS 1. Capteur de densité ds --ype à vibraticns à boucles de tube élastique dans lequel circule le fluide à mesurer, dit "diapason". caractérisé en ce qu'il se compose de deux boucles actives (2a/2b) réunies par une boucle inerte (2c). lesquelles sont implantées dans une platine (3) sensiblement perpendiculaire auxdites boucles et s'étendant sensiblement diamétralement à ladite boucle inerte (2c), dont lesdites boucles actives (2a/2b) sont espacées l'une de l'autre, sont superposées et sont soumises à l'action de moyens moteurs électromagnétiques (9/12-13) situés entre lesdites boucles (2a/2b) pour les mettre en vibration à la même fréquence et en opposition de phase. des moyens (16/17-25/26/27) pour entretenir leur oscillation et une sonde de température (18) implantée dans la boucle inerte (2c). 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites boucles actives (2a/2b) sont identiques et parallèles entre elles et que lesdits moyens moteurs (9.12/13) sont situés sur l'axe de symétrie desdites boucles. 3. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2. caractérisé en ce que chacune des boucles actives (2a/2b) comporte deux segments rectilignes (2a2/2a3-2b2/2b3) parallèles entre eux. s'étendant à partir de ladite platine (3) et reliés entre eux par un segment circulaire (2a112bl) et que lesdits moyens moteurs (9/12/13) sont situés sur l'axe médian et entre lesdits segments circulaires (2a1/2b1). 4. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un support (4) fixé à ladite platine (3) et s'étendant entre lesdites boucles actives (2a1/2b1), lequel support (4) porte. à son extrémité libre. (4a) un circuit magnétique d'excitation (9/12-13) pour faire osciller les boucles actives (2a:2b) et des moyens de réception (16/17-25/26/27) pour detecter leurs périodes de vibration. 5. Capteur selon la revendication 4. caractérisé en ce que ledit circuit magnétique d'excitation (9) est constitué par un solénoïde à noyau de ferrite en forme de E, dont la bobine (9e) entoure la branche médiane (9c) dudit noyau. 6. Capteur selon la revendication 5. dont les boucles actives (2a/2b) et inerte (2c) sont en matériau amagnétique, caractérisé en ce que les branches (9a/9b/9c) dudit noyau sont d'égale longueur et que sur chaque boucle (2a/2b) est fixé un barreau de ferrite (10/11) de sorte que les barreaux des deux boucles scnt parallèles entre eux, sont en vis à vis et s'étendent transversalement de part et d'autre des branches (9a/9b/9c) du noyau du solénoïde. 7. Capteur selon la revendication 4. caractérisé en ce que le circuit magnétique d'excitation se compose de deux solénoïdes (12/13) connectés ensemble electriquement. lesquels sont constitués chacun d'un cylindre de ferrite creux (12a/13a) comportant un noyau coaxial (12b/13b) entouré d'une bobine (12c/13c) et en ce que les deux solénoïdes (12/13) sont implantés dans ledit support (4) de telle sorte que les bobines (12c/13c) sont disposées en regard des boucles actives (2a/2b). 8. Capteur selon la revendication 7, dont les boucles actives (2a/2b) et inerte (2c) sont en matériau amagnétique. caractérisé en ce que chacune des boucles actives (2a/2b) comporte une barrette en matériau magnétique (14/15) disposée en regard de chacun desdits solénoïdes (12/13). 9. Capteur selon l'une quelconque des revendications 4 à 8. caractérisé en ce qu'à chacune des boucles actives (2a/2b) est fixé un réflecteur (17) devant lequel est placé un détecteur optoélectronique (16) comprenant une diode électroluminescente (161) et un phototransistor (162). lequel détecteur est relié à un comparateur (C) qui reçoit et amplifie la variation du signal émis par le phototransistor (162) et dont la sortie (C3) du comparateur (C) est reliée à la bobine (9e) du solénoïde (9) pour entretenir l'oscillation des boucles actives (2a/2b). 10. Capteur selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce qu'à chacune des boucles actives (2a/2b) est fixé un aimant permanent (25) en regard duquel est placé un détecteur constitué par un solénoïde (26/27) comprenant un cylindre de ferrite creux (26a/27a) comportant un noyau coaxial (26b/27b) entouré d'une bobine (26c/27c) et dont l'oscillation de la boucle active (2a/2b) et corrélativement de l'aimant permanent (25) engendre une variation de l'entrefer (29) dudit détecteur, lequel est relié à un comparateur (C) qui reçoit et amplifie la variation de tension prise aux bornes de la bobine (26c/27c) du solénoïde qui coopère avec ledit aimant (25) et dont la sortie (C3) du comparateur est reliée à la bobine (12c/13c) du moteur électrcragnétique qui engendre l'oscillation de la boucle active (2a/2b).