Brevet FR2645279A1 — publié le 19901005

CAPTEUR POUR Lk MESURE DE LA DENSITE NAGNETIQUE OU PONDEIZALE DE FlUIDES. La présente invention concerne un ensemble d'améliorations de la qualité et de la fabrication des capteurs pour la mesure de la densité magnétique (susceptibilité magnétique volumique) et/ou de la densité pondérale de fluides ou de mélanges de fluides et plus particulièrement un ensemble d'améliorations et d'extensions des possibilités des capteurs magnétodynamiques tels que ceux utilisés, notamment, pour la mesure de la teneur de mélanges de gaz en Oxygane. Pour la compréhension de ce qui va suivre. l'on rappelle le principe de fonctionnement de ce type de capteur magnétodynamique utilisable entre autres pour la mesure de l'Oxygane gazeux. Dans les capteurs magnétodynamiques connus (figure 1). un équipage mobile équilibré, pouvant tourner autour d'un axe matérialisé par un ruban (1) (souvent appelé "ruban de torsion" ou "élément, barre, fil ou encore bande de torsion" et "taut band" en Anglais) sous tension mécanique, comprend un petit élément en forme d'haltère, généralement en en silice fondue, dont les sphères (2) sont emplies d'azote, un miroir central (3). une spire (4) en forme de 8 décroisé (cette forme peut encore être comparée au pourtour de la silhouette d'un sablier ou d'un yoyo) entourant les sphères, et aussi des masselottes d'équilibrage (5). le ruban tendu est amarré par une de ses extrémités à une canne métallique (6) et par son autre extrémité à un crochet (7) mobile selon un double mouvement de rotation autour de l'axe du ruban et de translation parallèlement b cet axe. afin de pouvoir ajuster la position de l'équipage dans l'entrefer et son angle au repos. En variante, les deux extrémités du ruban peuvent être amarrées chacune à une canne métallique, l'angle au repos étant déterminé au moment de la fixation du ruban et par une petite déformation des canes. Le ruban tendu est le plus souvent constitué d'un alliage dur et élastique. à grande résistance à la rupture en traction. résistant à la corrosion et du type binaire tel que Platine-Iridium, parfois mentionné comme étant du Platine-Rhodium. I1 est coupé en son milieu et abouté, sans solution de continuité électrique. aux extrémités de la spire en 8 décroisé. Cette spire est constituée d'un alliage ou d'un métal pur, résistant å la corrosion, tel que le Platine Le rôle de cette spire est de développer une force de compensation (9), figure 2, grâce au courant qui la parcourt alors qu'elle est située dans un champ magnétique, ce qui la fait parfois dénommer spire de rappel. les sphères sont placées dans un champ magnétique non uniforme à fort gradient dans la région ou elles se trouvent. Le champ magnétique est perpendiculaire au plan de rotation de l'équipage et le gradient orienté dans la direction du mouvement de rotation de telle sorte que la présence d'un fluide à grande susceptibilité magnétique (ce qui est le cas de ltoxygène qui est fortement paramagnétique), baignant les sphères, développe une poussée mécanique (8) perpendiculaire aux lignes de force du champ magnétique et dans le sens du gradient. les sphères de l'haltère sont donc en fait des flotteurs et subissent la poussée (8) analogue à une poussée d'Archimède, hormis le fait que cette poussée n'est pas obligatoirement verticale et de bas en haut.Cette poussée est en outre proportionnelle au champ magnétique, au gradient du champ magnétique, et å la concentration molaire du fluide, c'est à dire encore å Sa pression partielle si ce fluide est un gaz. Elle est contrebalancée par la force développée par le courant de compensation parcourant la spire (4). Ce courant représente le signal de sortie du capteur. Dans ces capteurs connus, le champ magnétique b fort gradient est concentré par des pièces polaires de section généralement triangulaire (il en est aussi en forme de demi cylindres droits tronqués perpendiculairement aux génératrices) de manière b obtenir à la fois le champ le plus intense possible et une variation de 1 'intensité de ce champ aussi rapide que possible le long du chemin parcouru par les sphères lors de leur rotation autour du ruban tendu considéré comme axe. Ces pièces polaires sont baignées par le fluide å analyser ce qui impose de les protéger efficacement contre la corrosion eventuellement provoquée par le fluides analyser. L'ensemble des éléments précédemment décrits est placé dans une chambre de mesure que l'on emplit du fluide à analyser. Cette chambre de mesure est constituée le plus souvent de blocs métalliques usinés et assemblés par vissage et/ou collage et constituant une boite imperméable aux fluides. Pour permettre le passage d'un rayon lumineux vers et en retour du miroir, l'on ménage une fenêtre étanchée par une vitre transparente å la lumière utilisée. Cette vitre est généralement collée sur le métal du coté extérieur de la fenêtre. Elle est souvent plane, ce qui présente l'avantage de renvoyer å coup sur les rayons qu'elle réfléchit par sa surface dans une direction autre que celle des photocellules. Elle est parfois cylindrique (plus précisément tubulaire) et. dans ce dernier cas, maintenue en place par compression de joints toriques en matière souple et/au élastique. Dans les capteurs connus, l'arrivée et le départ du fluide à analyser se font par l'intermédiaire de tubes qui. ou débouchent directement dans la chambre de mesure, ou sont terminés par un trou latéral destiné à permettre d'orienter l'introduction du fluide pour l'empêcher de frapper directement l'équipage mobile ou encore amènent le fluide au centre de la chambre de mesure en longeant le ruban tendu de manière, en agissant au plus près de l'axe théorique de rotation, & diminuer le couple perturbateur résultant des traînées aérodynamiques des différents composants de l'équipage mobile. Des aimants (11). figure 3, métalliques, céramiques ou d'autres natures. sont placés soit directement, soit avec l'intermédiaire d'autres pièces polaires (12) destinées à guider et a concentrer les lignes de forces, au contact avec les pôles pré-cités (10). La disposition du ou des aimants diffèrent selon les constructeurs. mais les aimants sont toujours extérieurs a la cellule de mesure 144) comprenant la chambre d'analyse proprement dite. Un circuit extérieur (13) ferme les lignes de force du champ magnétique. le propos de la présente invention est d'optimiser les différents composants de ce type de capteur afin de pallier les dysfonctionnements et/ou les inconvénients évoqués plus haut et plus précisément rappeles et décrits ci-dessous dans le courant des diverses descriptions. Au cours des nombreuses études qui devaient mener à la découverte de ces améliorations, il est apparu important d'obtenir, dans un entrefer, à la fois une grande valeur du champ magnétique et une grande valeur du gradient de ce champ entre un "coté" (17) et le "coté" (18), figure 6, opposé de chaque sphère (le terme "coté'l est volontairement écrit ici entre guillemets, puisqu'il s'agit de sphères dont des régions de la surface ne peuvent se différentier que par rapport aux éléments de 1 'espace immédiatement environnant. ce qui est le cas ici. On peut d'aillelrs imaginer que ces flotteurs sont de tout autre forme, par exemple cubique, ce qui ne gènerait en rien le fonctionnement du capteur).L'augmentation de la valeur du champ magnétique entraîne une augmentation de la valeur du gradient, mais l'inverse n'est pas vrai, d'où la nécessite d'une étude séparée. I1 a été confirmé que la forme triangulaire traditionnelle de la plupart des pôles des capteurs connus n'avait été conçue à l'origine que pour obtenir un gradient de champ aussi linéaire que possible et nécessaire à une époque où les asservissements électroniques n'existant pas encore, les premiers capteurs étaient à lecture directe: la lumière utilisée était visible a l'oeil humain et une optique, conçue pour ces fonctions, concentrait la lumière sur le miroir tout en projetant l'image réelle d'une fente sur un écran où 1 'on pouvait lire directement sur une graduation la teneur en Oxygène du gaz analysé. Ces temps sont révolus et la linéarité du gradient, obtenue par une section triat.igulaire à angles vifs n'est plus aussi nécessaire, mais comme l'on recherche plutôt la sensibilité et une grande résolution, les formes représentées en figure 4, figure 5 et figure 6 donnent les meilleurs résultats. Voyons d'abord la figure (4). Sur cette figure, la forme triangulaire n'est plus à angle vif, mais l'arrête est franchement chanfreinée de 1 å 2 mm. Ce chanfrein (14) augmente le gradient du champ magnétique. les évidements de profil curviligne en (15), figure 5, l'améliorent encore, cependant que l'angle représenté en (16) donne un meilleur résultat lorsqu'il s'éloigne de la valeur 0', les essais démontrent qu'une valeur minimum de cet angle doit être de l'ordre de 45'. le profil idéal se rapproche de celui représenté en figure 6. le pôle est alors franchement dissymétrique, et la différence des valeurs du champ est alors la plus grande entre la région (17) et la région (18). Cependant, une réalisation industrielle doit aussi tenir compte du court de fabrication des différents composants, et la différence des résultats entre la forme représentée figure 4 et la forme représentée figure 6 n'est pas assez grande pour justifier la différence de prix de revient pour les applications les plus courantes. C'est donc les formes représentées en figure 4 et en figure 5 qui ont été retenues pour la suite des essais, bien que la forme représentée figure 6 reste retenue pour d'autres applications. Il est important. au point de vue du champ magnétique, que la longueur (19) de l'entrefer soit de l'ordre de 2 fois la longueur (20) de l'équipage mobile, comme on le voit figure (7), cependant que l'espace (21) qui sépare les pôles doit être aussi réduit que possible. par exemple de l'ordre du cinquième de la longueur de l'équipage. le meilleure réalisation a été d'utiliser 4 pôles au lieu de 2, en supprimant les ponts (22), figure 1 et figure 2, qui reliaient les deux pôles supérieurs ou les deux pôles inférieurs. les 4-pôles (23) représentés figure 8 sont alors d'une fabrication plus simple que précédemment et même sans difficulté particulière. Différents alliages ont été essayés. Les meilleurs résultats ont été obtenus avec du fer pur dont la valeur du champ à saturation est proche de celle d'alliages plus onéreux et plus difficiles à mettre en oeuvre. La protection qui a donné les meilleurs résultats contre la corrosion est le nickelage chimique suivi d'un traitement thermique qui a aussi l'avantage d'améliorer encore les propriétés magnétiques du fer après usinage. En ce concerne la génération du champ magnétique, les essais ont montré que les aimants (24), figure 9. doivent être placés au plus près de l'endroit de l'espace où un champ magnétique de caractéristiques définies par la forme des pôles doit être créé. Donc, l'extrémité des pales ayant été mise en forme optimale. ces pièces ne sont pas prolongées au delà. elles restent très courtes et 1 on place immédiatement les aimants comme on ie voit sur la figure 9, à l'intérieur même de la cellule de mesure. le résultat est si bon que les aimants peuvent être de 5 à 10 fois plus petits que s'ils étaient placés loin de l'entrefer comme c'est le cas dans les réalisations connues (par exemple figure 3).Et l'utilisation d'aimants à forts ss et H, comme ceux des types SmCo ou FeNdB, produit, dans les mêmes volumes, des champs de valeur comparable à ceux obtenus avec les réalisations connues. la partie restante (25) figure 10, du circuit magnétique n'a plus pour roule que de refermer les lignes de force, et devient un élément d' importance presque secondaire. il importe seulement que sa section soit suffisante pour éviter des fuites magnétiques et qu'elle soit assez rigide pour constituer une sorte de boîtier pouvant supporter d'autres composants comme ceux de la partie optique ou l'électronique du capteur. Alors que la disposition classique imposait d'avoir deux demicircuits magnétiques en parallèle et de même direction (figure 11), la possibilité de n'avoir plus que de petits aimants permet maintenant d'avoir deux demicircuits magnétiques parallèles mais de directions -opposees (on utilise parfois L'adjectif antiparallèles) comme indiqué figure 12. La fermeture du champ magnétique se fait alors par les deux petits circuits 26 qui ne sont plus que deux petites plaquettes de fer ou d'un matériau magnétiquement conducteur et bon marché.Il est à noter que dans le cas d'utilisation de deux demicircuits magnétiques antiparallèles, la spire en 8 citee plus haut n'est plus décroisée mais a réellement la forme d'un 8 avec croisement du chemin électrique sur luimme au milieu de la spire. Cette innovation est aussi retenue. L'étude des flotteurs confirme que leur forme sphérique. bien que n'étant pas la plus optimale pour l'action recherchée, est cependant la seule pratiquement réalisable, d'autant que la silice amorphe de grande pureté étant le seul matériau pouvant associer des performances constantes à une fabrication aisée, il est difficilement pensable, dans les conditions présentes, de pouvoir obtenir aisément une forme autre que sphérique. Par contre, les essais de remplissage de ces sphères par différents gaz démontrent que les sphères les meilleures à tous les points de vue de la fabrication et de l'utilisation, sont les sphères vidées. de tout gaz. Différentes formes et orientations ont été essayées. pour l'élément de déviation du rayon lumineux. Il n'en a été retenu que deux: le miroir (3), figure 3 et figure 13, et la palette (27), figure 14. Pour le miroir (3), plusieurs types de matériaux et de dépôts réfléchissants ont été essayés. Une plaquette en verre a forte teneur en silice, voire en silice pure, donne de bons résultats car son coefficient de dilatation thermique est proche de celui de l'haltère. les meilleurs dépôts obtenus aux essais sont des dépôts de rhodium. Contrairement aux espérances, les dépôts d'or ont été assez décevants, ils manquaient d'adhérence au support, et se ternissaient assez vite en présence de certains milieux. A l'inverse du miroir (3), la palette (27) ne renvoie pas le rayon en provenance de la source (29), mais l'occulte et son ombre tombe sur une des deux photocellules (28) placées dans ce cas à l'opposé de la source lumineuse par rapport à la chambre de mesure. les résultats obtenus sont équivalents a ceux obtenus avec un miroir et sont retenus comme utilisables si certaines réalisations l'exigent. Pour l'axe de rotation (1), l'étude de différents matériaux et de leurs formes possibles a confirmé que seul un ruban métallique, dans l'état des connaissances actuelles, peut constituer un axe utilisable. Les exigences de résistance å la traction, de faible couple de rappel et de faible résistance électrique ainsi qu'une bonne tenue à la corrosion ont été satisfaites avec des alliages ternaires ou quaternaires a base de Platine, Or, Cuivre, Argent et/ou Iridium. La spire conductrice (4) qui entoure les sphères est avantageusement réalisée en Molybdène, métal moins cher que le platine et d'obtention plus facile sur le marché. les techniques actuelles permettent d'obtenir cette spire par électroformage. les essais de différentes méthodes d'assemblage de l'équipage mobile ont mis en valeur la supériorité de l'utilisation des soudures verremétal sur tout autre procédé utilisant des colles ou liants d'origine organique tels que époxydes, poly-uréthanes, acryliques etc.. ou copolymères, ou minérale genre ciments a un ou plusieurs composants. Seules les soudures verre-metal soigneusement réalisées ont donné une stabilité satisfaisante notamment en ce qui concerne la suppression des interférences dues à certains gaz ou vapeurs et en particulier å la vapeur d'eau. les points de fixation 130) des bases des cannes portant les extrémités du ruban ont été spécialement étudiés. les cannes formant levier amplificateur, tout petit déplacement de la base d'une canne se traduit par un mouvement non tolérable de l'extrémité libre de la canne, puis de 1 'équipage dans le champ magnétique. Comme pour le montage de l'équipage décrit cidessus, les études ont montré que toutes les méthodes d'assemblage et que tous les produits de scellement manquaient de la stabilité indispensable à une bonne réalisation dès que l'on tentait d'assembler deux parties en matériaux de duretés, de dimensions et/ou de natures très différentes. Meme des soudures ou des sertissages entre métaux ne sont pas toujours mécaniquement stables & l'échelle oi se situent les phénomènes que nous étudions. I1 est certain aussi que des traces de décapant ou d'oxydes ou d'autres composés des métaux en présence suffisent å rendre ces liaisons susceptibles de générer des microdéformations et seuls certains sertissages ou certaines soudures particulièrement soignés et entre des métaux inoxydables et de duretés suffisantes ont donné une bonne stabilité des montages.Ainsi en ce qui concerne le montage des cannes, un premier sertissage dans un tube métallique plus gros (31), figure 15, suivi d'un emmanchement de ce tube dans un support isolant en verre, en céramique ou en toute autre matière suffisamment dure est l'une des meilleures solutions qui ait été trouvée à ce problème de stabilité. L'étude de la vitre a montré que l'on pouvait fort bien la monter par l'intérieur du boiter ce qui présente l'avantage de lui conférer une meilleure tenue à la pression. Différentes études suivies d'essais puis de réflexions sur les informations récoltées, ont montré que les cheminements mécaniques des différents assemblages devaient être aussi courts que possible et comporter aussi peu de pièces de natures différentes que possible, et (de même qu'une chaste a la force de son maillon le plus faible), ne comporter aucun élément souple, mou ou déformable. Voici un exemple simplifié de ce qui est appelé un cheminement mécanique dans le cas étudié ici: flotteur (2) - centre de l'équipage mobile ruban (1) - canne (6) - fixation de la canne (30) - boîtier - circuit magnétique - flotteur (2). De la nécessité de monter les cannes de manière isolée électriquement et de raccourcir le cheminement est venue la conception suivante qui est une partie importante des améliorations ici décrites. Cette amélioration consiste à étendre les dimensions de la vitre (32) jusqu'à en constituer une paroi de la chambre de mesure (figure 15). Dans cette vitre sont forés deux trous servant de fixation à deux sorties électriques (31) sur lesquelles, coté intérieur de la chambre de mesure. sont fixées en (30) les cannes (6) supports du ruban (1). Comme le circuit magnétique. y compris les aimants, a maintenant des dimensions réduites, la vitre, quoique étendue, n'est pas très grande et une épaisseur de 3 mm. par exemple, en fait une pièce rigide et solide qui devient en quelque sorte l'armature de la cellule. Les sorties électriques (31) étant maintenant du coté de la vitre (32). la partie opposée de la cellule peut se réduire à une simple coque (33), figure 15 et figure 16, ou vont se situer les connections (34) d'entrée et de sortie du fluide à analyser. Une conséquence immédiate de cette disposition est que 1 'on a séparé d'un coté (36)(arbitrairement dénommé "AVANT") la partie "électrique" et "optique" et de l'autre coté (37) (arbitrairement dénommé "ARRIèRE") la partie "fluide à analyser" Une autre conséquence de cette disposition est que l'on peut fermer la cellule non plus avec des adhésifs de nature organique mais au moyen de brasure tendre telle que les soudures à bas point de fusion. Une autre conséquence de cette disposition est que les connections pour l'arrivée et le départ du fluide à analyser peuvent être de disposition toute différente de ce qui a pu être réalisé jusqu'd présent. En effet en introduisant entre les aimants (11) à la partie supérieure et a la partie inférieure de la cellule un tube (34) de petit diamètre possèdant une ou deux ouvertures latérales (35), on oblige le fluide b suivre les parois (suivant le phénomène bien connu d'attachement d'un jet de fluide à une paroi) qui sont å l'avant la plaque de verre formant vitre et support et à l'ôriiere la coque déjà mentionnée. Dans cette disposition, les courants de fluide ne touchent pas l'équipage mobile et les essais démontrent que le temps de réponse est diminué à moins d'une seconde cependant que le débit total que l'on peut faire passer dans la cellule sans perturber le signal est considérablement auamenté. Une disposition avantageuse est la suppression des connections d'arrivée et de départ pour les remplacer d'une part par deux tiges (38), figure 17. ayant pour simple but de fermer les espaces entre les aimants supérieurs et inférieurs, et d'autre part par un orifice unique (39), éventuellement couvert par une plaque poreuse (40), et permettant la pénétration du fluide échantillon par simple diffusion. Cette disposition, jointe à la miniaturisation du capteur, le rend apte & une utilisation in situ avec tous les avantages que cela comporte, utilisation jusqu'ici refusée à ces capteurs magnétodynamiques à cause de leurs grandes dimensions et des grandes dimensions de leurs circuits magnétiques. Une variante intéressante consiste, selon la figure 18, à concentrer les dimensions de la chambre de mesure autour de l'équipage mobile au moyen des plaques (41) en matériau convenable, c'est à dire non magnétique, suffisamment rigide et résistant à la corrosion. La totalité du circuit magnétique comprenant les pôles, les aimants et le circuit extérieur se trouvant séparé du fluide à analyser. Il n'est pas nécessaire que l'équipage puisse effectuer un tour complet et la chambre de mesure peut avoir un volume aussi petit que 0.25 cm5. Les deux moitiés du ruban sont alors logées dans deux tubes (42) en matériau isolant et amarrées aux points (43). Si la chambre comprend au moins deux parois transparentes, la palette (27) devient alors plus facile d'usage que le miroir. Une autre variante intéressante est celle que l'on obtient. selon la figure 19, en supprimant un flotteur d'un coté de l'haltère et les pôles de l'autre coté. Le capteur ne fonctionne plus alors que dans une position ou' l'axe de rotation (1) est horizontal et oci la barre de l'haltère est presque horizontale. Le seul flotteur restant (2) subit alors la poussée d'Archimède et le capteur délivre un signal proportionnel à la densité du fluide qu'il contient. Toutes les améliorations précitées s'appliquent à cette variante. REVENDICATIONS: 1. Capteur pour la mesure de la densité (magnétique ou pondérale) de fluides, avec une chambre de mesure. un haltère avec un ou deux flotteurs, un dispositif optique et un circuit magnétique, caractérisé en ce que les quatre pôles en fer pur nickelé chimique ont un profil très court. curviligne biconcave au moins d'un coté. sans angles vifs. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les aimants sont a l'intérieur de la cellule de mesure. 3. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les flotteurs de l'haltère sont vides de tout fluide. 4. Capteur selon les revendications 1 à 3. caractérisé en ce que le miroir peut être remplacé par une palette dont l'ombre portée influence les photo-cellules . 5. Capteur selon les revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les points de fixation de équipage mobile, du ruban et des cannes support ne comportent plus que des soudures verremétal a l'exclusion de tout matériau d'assemblage de nature organique. 6. Capteur selon les revendications 1 à 5. caractérisé en ce que les cheminements magnétiques et mécaniques sont aussi courts et aussi homogènes que possible et ne comportent aucun élément souple. mou ou deformable. 7. Capteur selon les revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les dimensions de la vitre ont été étendues jusqu'à lui faire tenir le rôle de la paroi avant du boitier, et que des trous y ont été forés pour recevoir les sorties électriques supports des cannes. 8. Capteur selon les revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le parcourt du fluide est déterminé pour qu'il subisse le phénomène d'attachement aux parois et n'atteigne pas l'équipage mobile et qu'il en résulte une diminution du temps de réponse et une augmentation du débit. 9. Capteur selon les revendications 6 et 8. caractérisé en ce que 1 'équipage mobile peut être enfermé dans une boite de dimensions réduites. la totalité du circuit magnétique étant séparée du fluide à analyser. 10. Capteur selon les revendications 1 à 9, caractérisé en ce que un de flotteurs et le circuit magnétique lui étant opposé ayant été supprimés, ce capteur. en position axe horizontal et équipage horizontal mesure la densité pondérale du fluide qu'il contient.