Brevet FR2667689A1 — publié le 19920410

MESURE DU DEBIT D'UN FILET DE MATERIAU FONDU L'invention est relative à l'amélioration de techni- ques de mesure de débit d'un filet de matériaux fondus tels que du verre, des basaltes, des laitiers, des céramiques et analogues, matériaux qui, à l'état fondu, sont le siège20 d'une émission de rayonnement important. Il est connu de procéder à la mesure de ces débits par des moyens décrits, notamment, dans le brevet SE 82 03650. Selon ce document, le principe de mesure est le suivant. Deux détecteurs, sensibles aux radiations émises, sont25 disposés sur le trajet suivi par le matériau fondu à dis- tance l'un de l'autre L'émission du matériau fondu pré- sente des irrégularités Les détecteurs sont disposés de manière à recevoir l'émission d'une portion limitée de la section du filet examiné Les signaux reçus sont sélec-30 tionnés pour ne conserver que ceux dépassant un certain seuil La technique antérieure consiste à mesurer le temps séparant l'apparition de signaux dépassant le seuil sur chacun des détecteurs, cette mesure traduisant la vitesse d'écoulement du matériau Une mesure de diamètre du filet35 complète la détermination permettant d'atteindre le débit. La mesure de diamètre est conduite en formant l'image de la section du filet sur une caméra linéaire, le nombre d'élé- ments sensibles recevant une radiation suffisante, corres- pondant à la largeur du filet observé. 2- Les dispositions prévues dans la technique antérieure répondent, de façon imparfaite, aux buts poursuivis En pratique, les mesures de débit sont principalement uti- lisées comme moyens alimentant une bouche de régulation. Les mesures sont comparées à des valeurs de consigne choi- sies par l'opérateur et tout 'écart par rapport à ces con- signes déclenche un ajustement de paramètre comme l'ali- mentation électrique et, par suite, la température de la filière à partir de laquelle le matériau s'écoule libre-10 ment En d'autres termes, la mesure de débit dans ce type d'application doit être effectuée avec précision en perma- nence, faute de quoi le système serait complètement désor- ganisé. Il est bien entendu possible de prévenir l'effet de mesures aberrantes sur la régulation en excluant toute me- sure qui S 'écarterait d'une plage de variations "vraisem- blables" définie de manière expérimentale Ceci n'est pas entièrement satisfaisant Il en résulte une perte systéma- tique de l'information utilisée pour cette régulation.20 La présence de mesures aberrantes est inhérente au système choisi antérieurement qui est basé sur la recon- naissance consécutive par les deux détecteurs de deux si- gnaux dépassant un certain seuil Dans un tel système, l'identification des signaux ne peut être parfaite Le25 système est pris en défaut dans différents cas, même si d'autres "sécurités" en particulier sur le temps devant séparer deux signaux, permet d'écarter certains risques d' erreurs. La présente invention a pour but d'améliorer les techniques mises en oeuvre pour la mesure des débits de matériau fondu du type de ceux indiqués précédemment, no- tamment en minimisant, et pratiquement en éliminant les risques d'erreurs dans l'identification des signaux servant à déterminer la vitesse d'écoulement. Selon l'invention et comme précédemment, la mesure de l'écoulement est basée sur les variations de rayonnement du filet de matériau fondu, variations qui sont suivies au moyen de deux détecteurs disposés le long du trajet de l'écoulement Les difficultés observées précédemment sont 3 écartées en ne se reportant pas à des "pics" correspondant aux irrégularités d'une certaine ampleur ce qui consti- tue, par ailleurs, une limite d'utilisation si le filet observé ne présente pas ou pas suffisamment d'irrégularités mais en comparant l'ensemble des signaux reçus par les deux détecteurs successifs Selon l'invention il s'agit, en quelque sorte, non plus de comparer un pic instantané mais toute une séquence correspondant à un certain laps de temps d'écoulement La comparaison des signaux des deux détec- teurs permet d'établir quelles sont les séquences les plus semblables ou les mieux corrélées et, cette identification faite, d'en déduire le temps écoulé entre les deux dé- tections. L'expérience montre que, même en tenant compte des modifications inévitables de la physionomie des séquences d'émission dans le temps, une corrélation pratiquement certaine pouvait être établie par ce moyen évitant ainsi toute mesure défectueuse. Simultanément, le mode de détection utilisé selon l'invention a été amélioré Nous avons vu précédemment qu'une partie seulement de la section du filet de matériau fondu était utilisée comme source d'émission Une raison de ce choix était liée à la nécessité de minimiser les causes de variation du rayonnement observé et, par suite, des si-25 gnaux analysés En centrant l'observation dans la partie médiane, les risques de variations importantes qui se ma- nifestent sur les bords par rapport à l'environnement sont écartés Cette sélection se traduit néanmoins encore par un appauvrissement des informations disponibles. A l'inverse, selon l'invention, il est possible et même préférable de traiter un signal aussi "riche" que possible Plus le signal est complexe, plus la corrélation est sûre Pour cette raison, on utilise avantageusement des capteurs permettant de recevoir le rayonnement émis par une35 section complète du filet de matériau fondu. La suite de la description présente l'invention, de façon plus détaillée, en faisant référence aux planches de dessins dans lesquelles: * la figure 1 est un schéma de principe de la 4technique mise en oeuvre, * les figures 2 a et 2 b représentent respectivement, de façon schématique, les parties du filet de matériau observé selon l'art antérieur et selon l'invention, * la figure 3 est un schéma de principe de l'ensemble de mesure, a la figure 4 est un schéma représentant la comparai- son des signaux provenant des moyens de détection des ir- régularités d'émission.10 A la figure 1, le filet de matériau fondu est repré- senté par le segment cylindre 1 Un tel écoulement se trouve dans de nombreuses applications, notamment de l'in- dustrie verrière et céramique A titre d'exemple, les di- vers modes de transformation aboutissant à la production de15 fibres minérales d'isolation comportent un tel écoulement entre la zone de fusion et celle de transformation propre- ment dite, qu'il s'agisse d'une technique de centrifugation au moyen d'un rotor faisant, en même temps, office de fi- lière ou qu'il s'agisse d'une centrifugation dite externe à20 partir de la périphérie d'une série de roues. Dans ces exemples évoqués précédemment, le matériau fondu, verre, basalte, laitier s'écoule librement sur une certaine distance sous forme d'un filet de section cy- lindrique Il se trouve à une température élevée et est la25 source d'un rayonnement intense Toujours dans le cas de ces exemples, le filet de matériau fondu comporte un nombre relativement important d'inhomogénéités constituées, de façon presque exclusive, par des bulles gazeuses D'autres inhomogénéités peuvent provenir de particules infondues ou30 insuffisamment fondues Dans tous les cas, ces inhomogénéités introduisent dans le rayonnement des varia- tions qui peuvent être détectées. Le rayonnement émis par le filet de matériau fondu 1 est passé dans un système optique représenté symboliquement en 2 Dans le plan image 3, se situent les détecteurs qui servent à la mesure du débit Ces détecteurs sont, respec- tivement: deux photodétecteurs 4 et 5 qui servent à l'analyse du rayonnement émis à partir de deux zones espacées sur le -5- filet 1, a un système de détection de type caméra linéaire, dite "CCD" ("Charged Coupled Device") 15. Les figures 2 a et 2 b montrent, de manière comparative, les observations du filet 1 de matériau fondu dans les modes antérieurs et, de façon préférée, selon l'invention. Dans chacun des deux modes les zones observées, res- pectivement 6 et 7, 8 et 9, sont espacées le long du trajet du filet Les défauts, générateurs d'inhomogénéités, sont représentés par des bulles 10. Les défauts 10 se distribuent de manière aléatoire dans le filet Cette particularité explique déjà une dif- ficulté qui accentue l'incertitude des techniques anté- rieures Sur la figure 2 a, on comprend qu'une partie des défauts ne soit pas détectée car n'entrant pas dans les zones observées 6 et 7 La richesse des signaux en est donc diminuée Il est encore plus gênant que certains défauts, situés à la limite des zones observées, puissent être per- çus au passage de l'une des zones et pas dans l'autre, simplement par le fait d'une variation, même minime, dans la position relative du filet ou du défaut dans ce filet. Selon l'invention, pour les raisons indiquées ci-dessus, on préfère, comme représenté à la figure 2 b, observer des sections complètes du filet Dans la pratique,25 pour les filet d'alimentation des installations de production de fibres d'isolation, la section est de l'ordre de 0,5 à 3 cm et l'observation de la totalité de la section ne soulève pas de difficulté particulière Cependant, il est commode de modifier l'image analysée par le détecteur qui30 n'est pas généralement de forme oblongue Ce mode de transformation est avantageusement réalisé en utilisant un guide d'onde optique constitué d'un faisceau de fibres, faisceau qui, à l'extrémité tournée vers le filet, présente une section très allongée 11, 12 et, à l'extrémité tournée35 vers le détecteur photosensible, une section circulaire 13, 14. En dehors de l'analyse d'une section de forme géomé- trique, mieux adaptée aux exigences de la mesure considé- rée, l'utilisation d'un guide d'onde optique présente 6 - également l'avantage de permettre de placer les photo- détecteurs à une certaine distance des zones exposées de l'installation de production des fibres Même en prenant certaines précautions, il est en effet difficile d'éviter une élévation de température du dispositif lorsqu'il est placé à proximité des moyens de distribution de matériau fondu dans les installations industrielles Il est donc avantageux de pouvoir mettre les instruments fragiles à une certaine distance L'éloignement de la partie "électroni- que" du dispositif de mesure est aussi avantageux quand l'installation de production comprend des moyens de chauffage par induction qui génèrent de puissants para- sites Un autre avantage de l'utilisation des guides d'ondes est, le cas échéant, de procéder à l'analyse de15 sections du filet localisées dans des endroits dont l'en- combrement ne permettrait pas l'installation de détecteurs à proximité immédiate. A la figure 1, on a encore représenté le système de mesure du diamètre du filet Comme indiqué, on utilise avantageusement une caméra linéaire 15 comportant un grand nombre de cellules sensibles ou tout dispositif analogue. La précision de la mesure dépend, à l'évidence, de la ca- pacité de résolution de la caméra et donc du nombre des cellules alignées.25 L'ensemble de traitement de l'information est repré- senté, schématiquement, à la figure 3. A gauche de la figure, sont représentés l'image 16 du filet, la caméra 15 et les deux guides d'ondes 17 et 18. Les rayonnements reçus par ces guides d'ondes sont conduits à des photodiodes 19, 20 Les signaux sont ensuite amplifiés et conduits, après passage dans un convertisseur analogique-numérique 21, 22, à une unité centrale de calcul 23 Des filtres 24, 25 peuvent être introduits de manière usuelle pour éliminer les fréquences parasites. La mesure de diamètre est faite à partir de la caméra linéaire 15, le signal est également converti et envoyé à l'unité centrale 23. La figure 4 montre le type de signaux analogiques correspondant-à une mesure Les deux diagrammes distincts I 7 - et II proviennent des deux photodiodes Dans ce schéma, on constate à des modifications limitées une identité des profils enregistrés si l'on décale la courbe II par rapport à la courbe I d'un intervalle correspondant au temps sé- parant le passage devant les deux détecteurs situés l'un en-dessous de l'autre. La principale corrélation correspond à la détermina- tion automatique de l'intervalle de temps séparant deux séquences analogues observées par les deux détecteurs La10 connaissance de ce temps, associée à celle de la distance séparant les deux zones observées, permet d'établir la vi- tesse d'écoulement du filet de matériau fondu. La détermination du diamètre de l'écoulement doit te- nir compte doit tenir compte des variations de luminance du matériau en fusion La largeur du signal issu de la caméra dépend de la luminance Si l'on fixe un seuil caractéris- tique d'un pixel "éclairé", des filets de même diamètre et de luminances différentes paraîtront avoir des diamètres différents.20 Pour éviter cette erreur systématique, on s'efforce de travailler à amplitude de signal constante Ceci est obte- nu, selon l'invention, en asservissant le temps d'exposi- tion de la caméra à la luminance moyenne de filet Cet as- servissement se fait au moyen du logiciel de gestion de la25 caméra L'algorithme utilisé permet d'obtenir un signal dont l'amplitude se situe juste en-dessous du niveau de sortie maximum de la caméra et de profiter de toute sa dy- namique L'amplitude du signal peut varier du fait de la progression du temps d'exposition pas à pas La qualité de30 la mesure est également améliorée en asservissant la valeur du seuil servant à mesurer la largeur du signal à l'ampli- tude maximale de celui-ci La mesure s'effectue à mi- hauteur du signal. En dehors de la précision de la mesure liée à la luminance, il faut aussi faire en sorte que des écarts de position du filet ou de son image face à la caméra ne per- turbent pas la mesure Pour tenir compte des changement latéraux d'ampleur limitée, le détecteur doit présenter une dimension suffisante Dans la pratique, pour les 8 - utilisations dans les machines de production de fibres mi- nérales, on choisit, par exemple, de faire en sorte que l'image du filet ne recouvre pas plus de 60 % de la largeur du détecteur Néanmoins, pour un détecteur donné, il est 5 préférable que l'image mesurée représente une part impor- tante de la largeur sensible pour maintenir une résolution satisfaisante et, par suite, une bonne précision. Les essais de ces techniques de mesure ont été réa- lisés dans des installations de production de fibres d'isolation Deux séries d'essais ont été effectuées: la première sur une installation de production de laine de verre, la seconde sur une installation de laine de roche (basalte ou laitier de hauts-fourneaux). Dans la production de laine de verre, le matériau fondu provient d'un four de fusion fonctionnant en continu. Le matériau, après acheminement par un avant-corps, est délivré par une filière réglable en température (et, par suite, en débit) à l'appareil de centrifugation Dans une installation de ce type, le verre fondu présente un spectre20 d'émission généralement très riche par suite d'un affinage limité entraînant la présence d'une quantité importante de bulles. Sur des essais conduits avec un débit variant entre 10 et 30 tonnes par jour, soit de 400 à 12000 kg/h, la préci- sion atteinte selon l'invention est de l'ordre de 0,3 % ou moins dans la configuration indiquée précédemment. Il faut souligner que, dans cette détermination, la précision relative sur les mesures de vitesse d'écoulement et de diamètre du filet sont du même ordre de grandeur Par30 ailleurs, un gain supplémentaire de précision dans la me- sure serait de conséquence limitée sur les capacités de régulation de l'installation. Dans l'installation, les sections visées pour la mesure de vitesses sont distantes de 50 mm et la vitesse du filet est de l'ordre de 2 m/s Le temps d'acquisition entre chaque mesure est de l'ordre de quelques secondes, mais peut être abaissé si cela est nécessaire L'expérience montre cependant, qu'en régime stationnaire, les variations de débit sont très lentes et qu'une mesure plus rapide 9 - n'aurait pas d'incidence sur les capacités de régulation compte tenu de l'inertie thermique du système. Dans les essais conduits, le temps complet corres- pondant à un échantillonnage était d'environ 2 secondes La moyenne est effectuée dans ce temps sur une dizaine de me- sures réduisant encore le risque d'erreur. La mesure de diamètre est faite à partir d'une caméra linéaire comprenant 1728 pixels pour des diamètres d'image du filet qui ne dépassent pas, ordinairement, 10 mm per-10 mettant une mesure de diamètre avec une précision de l'or- dre de 1 micromètre en moyennant les mesures successives. La précision peut, bien entendu, être accrue en augmentant le nombre de pixels de la caméra En pratique, cependant, ceci n'est pas nécessaire lorsque l'on moyenne les mesures et ceci d'autant plus que la rapidité d'acquisition permet un nombre très important de mesures dans un intervalle très court (de l'ordre d'une centaine par seconde) Par suite pour cette mesure également, l'intervalle de temps entre deux mesures successives est maintenu inférieur à 5 s.20 Sur l'installation de production de laine de roche, la mesure s'effectue dans des conditions analogues L'intérêt de cette mesure est d'autant plus marqué que le mode d'alimentation en matériau fondu est d'ordinaire beaucoup moins stable que dans le cas précédent, ceci en raison du fait que l'on utilise des "cubilots" pour fondre les ma- tières premières. Par ailleurs, une difficulté particulière des roches et laitiers fondus tient au fait que, contrairement au verre qui à la température de fusion reste semi-transpa-30 rent, ces matériaux sont opaques Autrement dit, si avec le verre on peut déceler les irrégularités d'émission en pro- venance de l'intérieur du filet qui s'écoule, ceci n'est pas possible dans le cas des roches et laitiers La seule émission analysable est celle qui provient de la surface du filet Pour cette raison encore, il est avantageux de pro- céder selon le mode proposé par l'invention consistant à analyser une section complète du filet de matériau. Pour la mesure effectuée sur l'installation de pro- duction de laine de roche, la distance séparant les deux - points de détection était réduite à environ 25 mm pour des raisons pratiques tenant à la géométrie de l'ensemble La précision atteinte sur la vitesse d'écoulement (qui reste de l'ordre de 1 à 2 m/s) est néanmoins à peu près du même 5 ordre que celle de la mesure effectuée sur le verre fondu. En dépit d'une stabilité latérale du filet de matériau fondu très incertaine, le diamètre a pu être mesuré avec la même précision que précédemment dans le cas du verre Glo- balement, le débit est obtenu avec une erreur relative qui10 ne dépasse pas 0,5 % pour des débits allant de 5 à tonnes/jour. il - REVENDICATIONS 1 Procédé de mesure du débit d'un filet de matériau émettant un rayonnement comprenant une mesure du diamètre du filet et une mesure de vitesse, la mesure de vitesse étant établie à partir de la mesure du temps séparant l'apparition successive en deux points distants l'un de l'autre sur le trajet du filet d'irrégularités identifia- bles d'émission, ce procédé étant caractérisé en ce que la mesure de l'intervalle de temps met en oeuvre la détermi- 0 nation d'une séquence d'émission en un premier point du trajet du matériau fondu, la détermination d'une séquence d'émission en un second point du trajet, le traitement de ces informations permettant d'établir une corrélation entre les séquences et l'intervalle de temps correspondant auI 5 passage des mêmes irrégularités aux deux points choisis et identifiés par cette corrélation. 2 Procédé selon la revendication 1 dans lequel dans la mesure de la vitesse d'écoulement du filet de matériau émissif les points observés sur le trajet de cet écoulement correspondent à des sections transversales complètes de ce filet. 3 Procédé selon la revendication 1 ou la revendica- tion 2 dans lequel la mesure du diamètre du filet étant effectuée au moyen d'une caméra linéaire recevant l'image du filet, le fonctionnement de la caméra est commandé de manière à asservir le temps d'exposition séquencé, à la luminance moyenne du filet de matériau. 4 Procédé selon la revendication 3 dans lequel le seuil servant à déterminer la largeur du signal est asservi à l'amplitude maximale du signal. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de mesure du débit d'un filet de matériau selon l'une quel- conque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend deux photodétecteurs disposés de manière à recevoir l'émission du filet correspondant à deux points distincts sur le trajet d'écoulement du filet, un ensemble pour l'amplification du signal émis par chacun des phot- odétecteurs et un ensemble pour le traitement des signaux -42 - amplifiés et mesurant le temps séparant les apparitions de signaux identifiés par les photodétecteurs, dispositif comprenant également une caméra linéaire pour la détermi- nation du diamètre du filet, des moyens de traitement des signaux émis par les photodétecteurs, moyens établissant des corrélations entre des séquences de signaux émis par les photodétecteurs et déterminant l'intervalle de temps séparant deux séquences corrélées. 6 Dispositif selon la revendication 5 dans lequel l'image du filet est conduite aux photodétecteurs au moyen de guides d'ondes optiques. 7 Dispositif selon la revendication 6 dans lequel les guides d'ondes optiques présentent, du côté de l'image du filet de matériau, une section allongée couvrant la tota- lité de la section droite du filet.