Brevet FR2645273A1 — publié le 19901005

DISPOSITIF DE MESURE IN SITU DE MASSE VOLUMIQUE ET DE NIVEAU D'UN LIQUIDE DESCRIPTION L'invention concerne la mesure de masse volumique ou de densité d'un liquide contenu dans un réservoir ou une cuve, et en particulier Lorsqu'il s'agit de liquides agressifs, nucléaires, ou dangereux. La mesure de tels Liquides oblige à ne pas utiliser la méthode de L'échantillon prélevé, qui est toujours sujette à diverses sources d'erreurs, concernant notamment la température, Le volume, Le poids. IL est connu d'utiLiser des capteurs de pression associés à des moyens d'acquisition éLectroniques pour effectuer cette mesure. On utiLise aLors la différence des pressions hydrostatiques existant entre deux niveaux du Liquide à mesurer. La mise en oeuvre d'une teLle méthode utilise des tubes verticaux fixes appelées 'cannes de bullage" On appelle bullage la formation commandée d'au moins une bulle à L'extrémité inférieure d'un tube immergé. Pour effectuer La mesure, ces tubes verticaux sont plongés dans Le Liquide et positionnés de teLLe manière que l'on connaisse la distance verticale entre les deux extrémités inférieures des deux tubes. IL est également préférable de connaitre Les températures correspondantes du Liquide à ces deux niveaux différents. Le processus de la mesure est Le suivant. Les deux tubes sont plongés verticaLement dans le liquide à mesurer et immobilisés verticalement. IL est important que leurs extrémités immergées soient identiques aussi bien en nature du matériau qu'en géométrie (diamètres intérieur ou extérieur, forme des lèvres). Du gaz est insufflé dans chacun des tubes jusqu'à L'apparition de la surface de séparation entre Le gaz et Le Liquide, appeLée ménisque gaz-liquide à L'extrémité de chacun des deux tubes. L'apparition ri de ce ménisque à L'extrémité de chacun des tubes se poursuit par l'apparition d'une bulle. La mesure de pression est effectuée à un moment déterminé de la formation de chaque bulle. Le caLcul de la masse voLumique du liquide est basé sur La formuLe (I) donnant La pression hydrostatique d'un liquide en fonction de La hauteur H du liquide, de sa masse volumique et de l'accélération g de La pesanteur du Lieu où s'effectuent Les mesures. Formule (I) P = H.p g On rappelle que, pour obtenir La densité d du Liquide, il faut effectuer Le rapport P/ Po de la masse volumique p du liquide sur la masse volumique de L'eau po, en indiquant la température à laquelle chacune de ces masses voLumiques est mesurée. Si HA et Hs sont respectivement Les distances verticales entre les extrémités respectives des deux cannes et la surface Libre du liquide, si A et Ps sont Les deux pressions régnant dans le Liquide aux deux profondeurs d'immersion HA et HB, La formule (I), appLiquée aux extrémités des cannes prend Les deux expressions suivantes Formule (II) : PA = HA. #.g Formule (III) : P5 = H5. p.g Si on mesure Les pressions A et PB par ta technique de buLLage à L'aide de ces deux cannes, il convient d'une part de tenir compte de la masse volumique du gaz, car théoriquement : Formule (IV) : pmesuré = p - pgaz. et d'autre part, qu'il existe une petite différence de pression dP entre les deux faces du ménisque, due aux forces de tension superficielle du liquide et à la petite différence de hauteur dH au niveau de la bulle. La théorie montre et l'expérience confirme que dP est indépendante de P. Autrement dit, dP a la même valeur pour des niveaux d'immersion A et B différents. Donc, dPA est égale à dPB et ainsi leur valeur s'annule par soustraction (sous réserve que les extrémités des cannes soient identiques). Si on combine par soustraction Les formules (II) et CI (III), on obtient la formule (V) suivante Formule (V) PA - PB = (HA - HB)9g p- pgaz) Sous une autre forme cette formule devient : FormuLe (VI) : P=[CPA - PB)/CHA - Hg)g] + pgaz Connaissant La masse volumique Pgaz du gaz, par La mesure les deux pressions PA et Pg, et par la construction de L'appareiL de mesure, = MA - H5 qui est La distance entre les deux extrémités des cannes de bullage et connaissant g, on déduit la valeur de La masse volumique p du liquide à mesurer. Si La connaissance de tH par construction n'est pas acquise, ou avec une précision insuffisante, on peut favorablement L'obtenir par étalonnage avec un Liquide de masse volumique connue, L'eau très pure de température connue étant Le liquide préféré. En proLongeant l'insufflation du gaz, une bulle se forme à L'extrémité de chaque canne. ElLe augmente de volume, puis se détache de L'extrémité de la canne. Le début de L'augmentation du volume de cette bulle ne peut avoir lieu qu'avec une plus forte augmentation de pression de gaz. Ensuite, la pression passe par un maximum durant L'augmentation du volume de La buLLe qui se déforme principalement LatéraLement, et finit par se détacher de La canne. It est à noter que ce phénomène de formation de La bulle à L'extrémité d'un tube, ainsi que La pression maximale de formation de cette bulle sont indépendants de la profondeur d'immersion du tube, mais ne dépendent que du diamètre de ce tube et de la nature du Liquide. PLusieurs contraintes accompagnent cette méthode et ce dispositif ; eLles sont les suivantes. Le bullage n'étant pas synchrone d'un tube à L'autre, les mesures ne peuvent être simultanées qu'en utilisant deux manomètres différents. La structure géométrique du dispositif doit être rigide pour que le positionnement relatif des deux tubes soit fixe. En effet, iLs doivent être parfaitement verticaux. Les formules précédentes ne sont utilisables que si Les seules forces mises en jeu sont d'origine gravitaire. En conséquence, les mesures ne peuvent être effectuées que dans un Liquide parfaitement caLme. Selon tes liquides mesurés, les extrémités de chaque tube peuvent faire l'objet de dépôts, d'encrassements, ou de diverses cristallisations de matière, changeant ainsi le diamètre de L'extrémité ; iL est en général très difficile de nettoyer les extrémités des cannes si ces dernières ne sont pas démontables. La corrosion peut également influer sur La géométrie des tubes, en particulier sur La longueur, ce qui oblige à effectuer un nouvel étalonnage avant chaque mesure pour ne pas donner de résultats erronés. La mise en oeuvre de ce dispositif fait que ceux-ci sont généralement positionnés de manière fixe. Ceci a pour conséquence que, pour effectuer des mesures de densité à des différents niveaux, il est impératif de disposer d'un grand nombre de tubes. Le but de l'invention est de remédier à ces contraintes en proposant un système de mesure de masse volumique par bullage de conception différente. A cet effet, l'objet de L'invention est un dispositif de mesure in situ de masse volumique et de niveau d'un liquide par mesure différentielLe de pressions du type "bulLage" d'au moins deux tubes à au moins deux niveaux différents du Liquide situés L'un par rapport à l'autre de façon connue et comprenant - - un premier tube de bullage possédant une première extrémité supérieure et une deuxième extrémité inférieure terminée par des premières lèvres de bullage positionnées au premier niveau de mesure ; - un deuxième tube de buLlage possédant une première extrémité supérieure et une deuxième extrémité inférieure terminée par des deuxièmes Levures de bullage positionnées au deuxième niveau de mesure ;; - une source contrôlée et modulée de gaz sous pression reliée de façon étanche aux deux premières extrémités supérieures des deux tubes de bulLage et munie de moyens de détection de pressions de bullage pour mesurer Les deux pressions respectives maximales de bullage aux deux niveaux de mesure ; et - des moyens de calcul de La masse volumique du Liquide sur la base des deux pressions mesurées. Le dispositif selon l'invention est agencé de sorte que le deuxième tube de bullage est placé sous le premier tube de- bullage, La deuxième extrémité inférieure du premier tube de bullage étant reliée de façon étanche à La première extrémité supérieure du deuxième tube de bullage, de manière à faire pénétrer Le gaz sous pression dans le deuxième tube de bullage, après que Le bullage du premier tube ait eu Lieu Le dispositif selon L'invention se présente donc sous la forme dune seule canne qui peut etre mobile dans Le liquide et dont la structure est rigide. Elle permet également de n'être reliée qu'à une seule source de pression et de n'utiliser qu'un seul instrument de mesure. Selon un mode préférentiel de réalisation, le dispositif comprend un troisième tube de bullage, placé sous le deuxième tube de bullage, relié de manière étanche par une première extrémité supérieure à la deuxième extrémité inférieure du deuxième tube de bullage, et comportant une deuxième extrémité inférieure . terminée par des troisièmes Lièvres de bullage positionnées à un troisième niveau déterminé de mesure, de façon fixe en hauteur par rapport aux deux premiers niveaux de mesure. Dans ce cas, Les moyens de détection de bullage peuvent détecter la pression de bullage au troisième niveau des troisièmes lèvres de bullage.On prévoit dans ce cas des moyens de calcul de la hauteur du troisième niveau par rapport à la surface libre du liquide à partir de La mesure de La troisième pression détectée de bullage des troisièmes Lièvres de bulle, après Le calcul de la masse volumique du liquide. Il est également prévu des moyens de mesure de la température dans l'extrémité inférieure d'un des tubes de bullage. Ceci permet de corriger l'influence de la température sur les mesures de pression, pour exprimer la valeur de la masse volumique à une température donnée servant de référence. Le troisième tube de bullage peut être constitué d'un corps de masse importante, afin de constituer un lest pour le dispositif. IL est prévu d'utiliser un tube de protection perforé placé dans Le prolongement du troisième tube de bullage pour protéger les troisièmes Lèvres de ce troisième tube de bulLage. L'invention et ses différentes caractéristiques seront mieux comprises à la Lecture de la description qui suit, et qui est accompagnée de L'unique figure représentant en coupe le dispositif de mesure seLon L'invention, immergé dans un Liquide. Le dispositif seLon l'invention utilise le même principe de bullage que celui énoncé dans le préambuLe de la présente description. Plus précisément, il effectue des mesures de pressions à des profondeurs différentes dans le Liquide à mesurer. La différence des deux pressions mesurées donne, à L'aide de l'accéLération de La pesanteur et de la différence de profondeur des deux niveaux où les mesures sont effectuées, la masse volumique du liquide. Le dispositif comprend principaLement un premier tube de bullage 10, un deuxième tube de bullage 20, une source contrôlée et modulée 40 de gaz sous pression et des moyens de calcul 50 de La masse volumique du liquide. Le premier tube de bullage 10 est constitué d'un corps tubulaire 12 rigide, de préférence métallique, à L'intérieur duquel se trouve un canal 13. Ce corps tubuLaire 12 se termine par une première extrémité supérieure Il CeLle-ci possède une entrée du gaz sous pression 14 en communication avec Le canal 13 du corps tubulaire 12. Elle est également munie de moyens d'accrochage 16, destinés à suspendre, non seulement le premier tube de bullage 10 mais Le dispositif entier. Ces moyens d'accrochage peuvent etre constitués simplement d'un trou ou d'un crochet de suspension. Sur la figure, L'entrée du gaz 14 a été représentée de côté.Cette réaLisation n'est qu1 un exemple, d'autres positions de cette entrée du gaz 14 pouvant être réalisées sans changer Le fonctionnement du dispositif et sans influencer les résultats de la mesure. Le corps tubulaire 12 se termine par une deuxième extrémité inférieure 19. CeLle-ci termine le canal 13 du corps tubulaire 12 par des premiéres lèvres 15, ces dernières affectant La forme d'un angle aigu. Elles sont destinées à effectuer le bullage au premier niveau A. Cette extrémité inférieure 19 se termine par un manchon de fixation 17, de diamétre interne supérieur à celui du canal 13. Compte tenu de la forme des premières lièvres 15 en angle aigu, ce manchon 17 délimite une cavité 18 entourant L'extrémité des Levures 15. Cette cavité 18 est destinée à permettre la formation et le grossissement de la bulle au moment précis de La mesure.Légèrement au-dessus du manchon 17, L'extrémité inférieure 19 affecte une forme plus large 16 constituant une butée vis-à-vis du deuxième tube de bullage 20. Cette butée 16 a une surface radiale 16A munie d'une rainure circulaire à l'intérieur de laquelle est logé un joint torique d'étanchéité 56. L'extrémité inférieure 19 est destinée également à recevoir L'extrémité supérieure 21 du deuxième tube de bullage. La fixation entre ces deux éléments se fait à l'aide d'un filetage 17A usiné sur le diamètre externe du manchon 17 de l'extrémité inférieure du premier tube de bullage 10, et par un taraudage correspondant usiné à l'intérieur de l'extrémité supérieure 21 du deuxième tube de bullage 20. En correspondance avec L'extrémité inférieure 19 du premier tube de bullage 10, L'extrémité supérieure 21 du deuxième tube de bullage 20 affecte la forme d'un manchon taraudé 24 pouvant se visser autour du manchon de fixation 17 du premier tube de bullage. Ce manchon taraude 24 se termine par une surface radiale correspondant à la surface radiale 16A de La butée 16 de L'extrémité inférieure 19 du premier tube de bulLage 10. La fin de La partie taraudée du manchon taraudé 24 se termine par un Logement torique à L'intérieur duqueL est pLacé un deuxième joint torique 44 pour assurer L'étanchéité au niveau de la cavité 18. Cette dernière est terminée par L'extrémité supérieure 21 du deuxième tube de bulle 20 qui se rétrécit et est fixée à un corps tubulaire 22 à L'intérieur duquel se trouve un canaL 23. De manière analogue au premier tube de bullage 10, Le deuxième tube de bullage 20 est rigide et est de préférence métallique. Une extrémité inférieure 29 termine Le canaL 23 avec Les deuxièmes lèvres 25. Ces dernières sont destinées à effectuer Le bulLage au deuxième niveau B. La source contrôlée et modulée 40 de gaz sous pression est équipée de moyens de détection de pressions de bullage 42. Ces derniers détectent et enregistrent Les valeurs de pressions PA et Pg qui sont effectuées par Le dispositif, aux deux niveaux différents de mesures A et B. Des moyens de calculs 50 de La masse volumique sont connectés à ta sortie des moyens de détection de pressions 42 pour déduire ta masse volumique du Liquide à l'aide de La formuLe (VI), utilisant Les deux pressions mesurées PA et P5. L'utilisation et Le fonctionnement du dispositif selon L'invention sont les suivants. Le dispositif de mesure, sous la forme d'une canne monobloc, est descendu dans le Liquide, dont on doit mesurer La masse volumique, ceci jusqu'à une certaine profondeur au niveau choisi pour la mesure. On module la pression du gaz de la source 40 dans Les tubes 13 et 23 par l'intermédiaire de l'entrée de gaz 14, on chasse le liquide qui a pu s'introduire dans les tubes 13 et 23 au cours de la descente du dispositif puis, en diminuant cette pression de gaz, Le liquide est aspiré dans les canaux centraux 23 et 13, de manière à Les remplir complètement. Le gaz sous pression est ensuite insufflé, par l'intermédiaire de l'entrée de gaz 14 du premier tube de bullage 10.Sous L'effet de l'augmentation progressive de pression, au moyen de la source contrôlée 40 de gaz sous pression, le ménisque gaz-Liquide descend jusqu'aux premières lèvres 15 de L'extrémité inférieure 19 du premier tube de bullage 10. En pénétrant dans la première cavité 18, le ménisque prend une forme bombée en augmentant sa surface. Il se forme alors une bulle qui grossit. Son augmentation de volume nécessite une augmentation de pression plus importante. La forme de la bulle est également tributaire du diamètre du canal central 13 au niveau des premières Lièvres 15. La pression hydrostatique dans un fLuide augmentant avec La profondeur, la pression croit au fur et à mesure de La croissance de La bulle. Puis elle passe par un maximum un peu avant que la bulle ne se décroche naturellement de la canne lorsque son volume devient suffisant pour que la poussée d'Archimède s'exerçant sur la bulle devienne suffisante pour la décrocher. Les moyens de détection de bullage 42 détectent alors une baisse brutale de la pression et enregistrent la valeur maximale PA de la pression maximale obtenue lors de la formation de cette première bulle. La source contrôlée 40 de gaz sous pression continue à fournir une pression croissante. Le gaz pénètre donc dans toute La cavité 18 du premier tube de bullage 10, pour pénétrer ensuite dans Le canaL central 23 du deuxième tube de bullage 20. Le ménisque gaz-eau atteint de ce fait l'extrémité inférieure 29 du deuxième tube de buLlage 20 et les deuxièmes levures 25 à La Limite de La cavité 28 du deuxième tube de bullage 20. L'obtention de la pression de bullage Pg au niveau B se fait de manière anaLogue à celle de la pression PA au niveau A qui vient d'être décrite. Un avantage important du dispositif selon l'invention est que ce dernier n'utilise qu'une seule source contrôlée 40 pour fournir le gaz sous pression et un seul moyen de détection de bullage 42, en L'occurrence un manomètre de précision. Le dispositif dans sa conception est simpLe, et donc d'une utilisation très aisée. Un autre avantage est qu'il n'est pas nécessaire que Le Liquide soit rigoureusement calme, les zones de "bullage" étant protégées. Il est portable et démontable, ce qui entrain une possibilité de facile décontamination, et d'élimination d'éventuels dépôts sur les levures. En fonction du manometre utilisé, le dispositif peut être très précis. La mesure de pression hydrostatique, en un niveau détermine d'une cuve de liquide, permet de mesurer la distance verticale qui sépare Ledit niveau avec La surface du Liquide. A cet effet, le dispositif seLon L'invention comprend -un troisième tube de bullage 30 placé sous Le deuxième tube de bullage 29, de manière analogue au positionnement de ce deuxième tube de bullage 20 par rapport au premier 10. Dans ce cas, L'extremité inférieure 29 du deuxième tube de bullage 20 est équipée de manière identique à L'extrémité inférieure 19 du premier tube de bullage, d'une partie large 26. Celle-ci sert de butée au troisième tube de bullage 30, par l'intermédiaire d'une surface radiale 26A.En regard de cette surface radiale 26A, le troisième tube de bullage 30 possède une rainure torique dans laquelle est place un troisième joint torique 52, assurant l'étanchéité entre le deuxième tube de bullage 20 et le troisième 30. L'extrémité inférieure 29 du deuxième tube de bullage 20 possède un manchon de fixation 27, de diamètre interne plus large que le diamètre du canal central 23, de manière à délimiter une cavité 28 analogue à la cavité 18 se trouvant entre le premier tube de bullage 10 et le deuxième 20. De même, un quatrième joint torique 54 peut être placé au bout de ce manchon de fixation 27. Ce dernier possède un filetage externe 27A pour que le troisième tube de bullage 30 vienne se visser autour de lui. Ce troisième tube de bullage 30 possède egalement un canal central 33, analogue aux précédents 23 et 13, et une extrémité inférieure 39 terminant le canal central 33 par des Levures 35 ayant Les mêmes formes que les Levures précédentes 25 et 15. La longueur du canal 33 doit être suffisante (par exemple six à huit fois son diamètre) pour éviter que d'éventuels mouvements du liquide à l'extérieur du dispositif perturbent les conditions de mesure de la pression P5 par les deuxièmes Lèvres 25. Le troisième tube de bullage 30 a été représenté massif car il peut constituer avantageusement un Lest pour l'ensemble du dispositif de mesure. Il peut également comporter un tube perfore 36 pour La protection des troisièmes Lèvres 35. En effet, le dispositif étant portabLe, les troisièmes levures 35 se trouvent à L'extrême limite inférieure du dispositif et sont donc exposées à d'éventueLs chocs ou contacts durant La manipulation du dispositif de mesure. L'utilisation de ce troisième tube de bullage 30 est Le suivant. Connaissant la masse volumique du liquide, après avoir effectué les deux bullages aux niveaux A et B, il est possible de connaitre la position du niveau C des troisièmes Sèvres 35. En effet, en appliquant La formule CI) au niveau C, soit PC = HC. p.g PC étant mesuré par le dispositif de mesure, La hauteur HC peut être déduite à l'aide de La formule (VIT) suivante : HC = PC/ p g, en négligeant La masse volumique du gaz et la surpression dPC de formation de La bulle. Des moyens de caLcuL 52 de cette hauteur HC sont donc utilisés à la sortie des moyens de calcul 50 de la masse volumique p du liquide. Il est possible d'équiper le dispositif de mesure selon L'invention de moyens de mesure de la température du Liquide. Ceci peut être obtenu en incorporant dans une extrémité inférieure, en L'occurrence t9, une sonde de température 46. Ceci permet de corriger les valeurs caLcuLées de masse volumique au cas où La température du Liquide varie dans Le temps. Il est égaLement possible de disposer d'une sonde de température à chaque extrémité inférieure de chaque tube de bullage pour relever Les éventuelles différences de température aux différents niveaux de mesure A, B et C. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure in situ de masse volumique et de niveau d'un liquide par mesure différentielle de pressions du type "bullage" avec au moins deux tubes (10, 20) à au moins deux niveaux différents (A, B) du liquide situés l'un par rapport à t'autre de façon connue, comprenant - un premier tube de bullage (10) possédant une première extrémité supérieure (11) et une deuxième extrémité inférieure (19) terminée par des premières lèvres de bullage (15) positionnées au premier niveau de mesure (A) ; - un deuxième tube de bullage (20) possédant une première extrémité supérieure (21) et une deuxième extrémité inférieure (29) terminée par des deuxièmes lèvres de bullage (25) positionnées au deuxième niveau de mesure (B) ;; - une source contrôlée et modulée (40) de gaz sous pression, reliée de façon étanche aux deux premières extrémités supérieures (11, 21) des deux tubes de bullage (10, 20) et munie de moyens de détection de pressions de bullage (42) pour mesurer tes deux pressions respectives de bullage maximale (PA, P5) aux deux niveaux différents (A, B) ; et - des moyens de calcul (50) de la masse votumique du liquide sur la base des deux pressions (PA, PB) détectées, caractérisé en ce que le deuxième tube de bullage (20) est placé sous le premier tube de bullage (10), la deuxième extrémité inférieure (19) du premier tube de bullage (10) étant reliée de façon étanche à la première extrémité supérieure (21) du deuxième tube de bullage (20), de manière à faire pénétrer le gaz sous pression dans le deuxième tube de bullage (20) après que Le premier bullage du premier tube (10) ait eu lieu. 2. Dispositif de mesure selon La revendication 1, caractérisé en ce qu'un- troisième tube de bullage (30) est placé sous Le deuxième tube de bullage (20) et est relié de manière étanche par une première extrémité supérieure (31) à la deuxième extrémité inférieure (29) du deuxième tube de bullage (2G) et comportant une deuxième extrémité inférieure (39) terminée par des troisièmes levures de bulLage (35) positionnées à un troisiéme niveau determiné (C) de façon fixe par rapport aux deux premiers niveaux (A, B), tes moyens de- détection de pressions de bullage (42) pouvant détecter la troisième pression de bullage (Pc) au troisième niveau (C) des trois-iemes Lèvres de bullage (35) ; - des moyens de calcul de la hauteur (HC) du troisième niveau tC) par rapport à la surface du liquide à partir de la mesure de La troisième pression détectée (PC) des troisièmes Lièvres de bullage (35) après Le calcul de La masse volumique du liquide. 3. Dispositif de mesure selon La revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mesure de La température (46) placés dans L'extrémité inférieure (19) d'au moins un des tubes de bullage (10 > . 4. Dispositif de mesure selon la revendication 2, caractérisé en ce que le troisième tube de bullage (30) est un corps de masse importante pour constituer un Lest pour le dispositif de mesure. 5. Dispositif de mesure selon la revendication 2 ou 4, caractérisé en ce qu'un tube de protection perforé (36) est placé dans le prolongement du tube de bullage (30) pour protéger les troisièmes lèvres (35) du troisième tube de bullage (30). 6. Dispositif de mesure selon la revendication 2, caractérisé en ce que le troisième tube 33 est de longueur suffisante pour protéger la zone de bullage au niveau des Lièvres 25 d'éventuels mouvements du liquide autour du dispositif de mesure.