Brevet FR2672994A1 — publié le 19920821

DESCRIPTIF TECHNIOUE La présente invention concerne les capteurs permettant de mesurer la pression osmotique d'une solution. Dans les systèmes connus de ce genre on réalise une pression différentielle sur l'une des faces d'une membrane semi perméable convenable au moyen d'une colonne de liquide s'élevant dans un tuyau capillaire. A partir de la hauteur h de la colonne et de la densité 1 du liquide on obtient la pression osmotique P: P=lgh Ce procédé est très intéressant par sa simplicité de mise en oeuvre et son caractère de mesure absolue. n présente toutefois deux inconvénients. D'une part, il ne permet pas une mesure en continu et son automatisation est quasi impossible et d'autre part, la montée en pression suppose la diffusion à travers la membrane d'une quantité relativement importante du solvant de référence, ce qui fausse la mesure par appauvrissement local au droit de la fenêtre de solution en solvant Par ailleurs, il n'existe pas de membrane strictement semi-perméable pour tous les solvants et notamment pour l'eau et il peut se produire une diffusion, certes plus lente, mais quand même appréciable des solutés et des ions en solution ce qui pollue le liquide de référence. Le dispositif suivant l'invention évite ces inconvénients car il permet une mesure précise et automatisée. L'invention concerne un capteur de pression osmotique comportant: - une chambre à mesure mobile (1), délimitée entre une paroi fixe (3) et une paroi mobile en cuvette (4); - une membrane semi-perméable convenable (2) qui est fixée de façon étanche par collage ou avec un point sur la cuvette mobile ou Ia paroi fixe (3); - des moyens (5) permettant de déplacer la cuvette (4) de façon à la faire passer d'une position A "de rinçage" à une position B "de mesure"; - des moyens (7), (8) convenables pour assurer une régénération périodique du solvant de référence contenu dans la chambre de mesure (1); - des moyens (6) convenables pour mesurer périodiquement la pression régnant dans la chambre de mesure mobile, lorsque celle-ci se trouve en position B. Suivant une autre caractéristique, les moyens (6) permettant d'effectuer la mesure de pression, sont constitués par une sonde d'extensométrie fixée sur une membrane élastique (9). Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, référencée aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente l'état de l'art en matière de mesure de pression osmotique; - la figure 2 représente schématiquement le principe de l'invention; - la figure 3 représente une réalisation de Invention dans laquelle le mouvement de la chambre mobile est un mouvement de rotation; - la figure 4 représente une vue de dessus du dispositif de la figure 3; - la figure 5 représente une vue suivant la coupe aa du même dispositif de la figure 3; - la figure 6 représente une réalisation de l'invention dans laquelle le mouvement de la chambre mobile est un mouvement de translation. En se reportant à la figure 1 on peut aisément comprendre le principe d'une mesure de pression osmotique, telle qu'elle est couramment réalisée en laboratoire. Le liquide dont on veut mesurer la pression osmotique et qui, d'une façon très générale, est constitue d'un solvant dans lequel on a dissous un soluté (ou qui contient des micelles), est contenu dans un récipient (18). On plonge dans ce récipient une cavité de faible volume (1), sorte de cuvette renversée surmontée par un tube fin (17) débouchant à l'air libre et fermée par une membrane semi-perméable (2), convenable pour laisser passer les molécules de solvant tout en retenant les molécules généralement plus grosses des solutés (ou les micelles). Ainsi, le solvant remplit la cavité (1) puis monte dans le tube fin (17), jusqu'à une hauteurd'équilibre h prise par rapport à la surface libre de la solution. n règne donc dans la cavité que nous conviendrons d'appeler "chambre de mesure" une pression isostatique P telle que: P=lgh où I est la densité du solvant et g raccélération de la pesanteur. On notera que cette expression simple n'est valable que si la densité du solvant est très proche de celle de la solution ou si la membrane (2) n'est plonge dans la solution qu'à une profondeur très faible devant h Cette mesure est en réalité très fastidieuse et difficile à automatiser, mais son défaut majeur tient à l'erreur qui est commise en raison de phénomènes parasites tels que: la diffusion du solvant à travers la membrane qui enrichit localement la solution en soluté en raison du fait qu'il est nécessaire de laisser passer un certain volume à travers la membrane (2) avant de remplir la cavité (1) et le tube (17) et, par conséquent, d'obtenir la pression d'équilibre.La durée pour établir cet équilibre étant nécessairement longue, il en résulte dans certains cas une diffusion des solutés de la solution étudiée qui modifie le solvant de référence et, par conséquent, fausse la mesure. En se reportant à la figure 2, on voit le schéma de principe d'un dispositif qui ne présente pas ces inconvénients, car la mesure de pression s'effectue sous l'effet d'une très faible variation du volume de solvant contenu dans la chambre de mesure. Elle est faible mais non nulle car il faut compenser les volumes balayés par le déplacement de deux membranes élastiques: la membrane de mesure (9) et, bien entendu, la membrane semi-perméable (2), lesquelles membranes se déforment sous l'effet de la pression. On réduit cet effet parasite en mettant la chambre de mesure préalablement sous pression au moyen d'un réservoir (7), de façon à ce que la membrane semi-perméable (qui est la plus élastique) se trouve déjà, avant la mesure, sensiblement à la même pression que celle que l'on va mesurer.Si elle est trop élevée, la membrane débite en sens inverse. En apportant très finement la pression, on pourrait arriver, comme nous le verrons plus loin, à ce qu'il n'y ait aucun débit à travers la membrane. On évite les phénomènes de diffusion parasite des ions de la solution en effectuant la mesure rapidement, c'est-à-dire avant qu'ils aient eu le temps de diffuser de façon sensible. Pour que la mesure ait par ailleurs un caractère "permanent", comme il est généralement requis dans le contrôle d'un process industriel, on effectue des mesures périodiques comme l'autorise la conception du dispositif suivant l'invention. En effet, la chambre de mesure (1), se déplace de façon à passer successivement d'une position "A" où par un balayage convenable on régénère le solvant à une position "B" où on effectue la mesure de pression qui stétabli dans la chambre de mesure (1) sous l'effet de la diffusion à travers la membrane semi-perméable (2). Pour que ce mouvement de la chambre s'effectue sans variation de son volume et que, par conséquent, elle soit complètement pleine, à l'exclusion de toute bulle d'air, on opère un déplacement sous la forme d'un glissement suivant un plan de contact parfaitement rectifié. On obtient une excellente étanchéité en utilisant le frottement entre deux céramiques rectifiées, convenablement choisies pour avoir un coefficient de frottement faible et surtout pour éviter tout risque de grippage. Ces surfaces de contact sont réalisées sur deux pièces: - l'une (3) est fixe et comporte essentiellement deux orifices permettant de connecter le tube (11) d'amenée de solvant neuf et le tube (8) d'évacuation de celui-ci, ainsi qu'une région amincie (9) formant une membrane élastique sur laquelle est placé le capteur électronique de pression (6); - l'autre (4)) est mobile et comporte essentiellement une cavité (1) dont ltévasement est orienté du côté du plan de joint avec une dimension suffisante pour contenir les deux tuyaux (8) et (11) et dont extrémité oppose présente un orifice sur lequel on tend la membrane semi-perméable (2). On pourra également obtenir un bon contact entre ces deux surfaces en en réalisant une en métal et l'autre en céramique. L'utilisation de revêtement de surface comme par exemple des couches de nitrure de titane, de carbone diamant, de P1vF, etc... peut être avantageuse. Le mouvement de la cuvette mobile (4), qui peut être un mouvement de rotation ou, comme schématisé sur la figure 2, un mouvement de translation, s'effectue périodiquement avec une fréquence pouvant aller de 1 à 400 fois par seconde suivant les exigences du processeur à contrôler. La mesure de pression peut s'effectuer par n'importe quel capteur électronique de pression connu. n peut être piézo-électrique, piézo-résistif ou à jauges de contraintes. Dans ce dernier cas, il est nécessaire de disposer d'une membrane élastique telle que celle de la figure 2 sur laquelle on dépose, du côté opposé au plan de joint, un pont de jauge avec essentiellement un amplificateur intégré. n peut, à cet égard, être avantageux de réaliser la pièce fixe (3) en deux parties collées l'une à l'autre comme schématisé sur la figure 6. L'une est constituée d'une tranche de silicium (19) de faible épaisseur (par exemple 0,25 mm) sur laquelle on effectue une gravure pour amincir au niveau de la membrane de façon à obtenir une sensibilité suffisante. L'autre (20), assure le maintien de la tranche de silicium (19).Elle peut être réalisée en céramique et collée à ltépoxy sur la tranche de silicium. L'intérêt de cette configuration est de permettre la réalisation par les techniques de circuits intégrés, aussi bien du pont de jauges que de ltélectronique de traitement du signal (pré-amplificateur etc..) directement sur la tranche de silicium. La figure 3 représente un mode de réalisation dans lequel le mouvement de la chambre mobile (1) est un mouvement de rotation. n s'effectue au moyen du motoréducteur (9), par l'intermédiaire de l'axe (10) qui est rendu solidaire de (4). Le maintien en appui de (3) sur (4) est obtenu au moyen du ressort (21). La pièce fixe (3) est surmontée d'un corps cylindrique (12) solidaire du moteur (9) assez long pour donner la possibilité de plonger le capteur dans un récipient contenant la solution à mesurer. La figure 4 représente cet appareil vu de dessus et la figure 5 en donne une coupe montrant notamment la forme de la chambre de mesure (1). La membrane semi-perméable (2) peut êue simplement collée sur la cuvette mobile (4). La figure 6 représente un autre mode de réalisation possible de l'invention, dans lequel le mouvement de la cuvette mobile (4) est un mouvement de translation obtenu par l'action d'un solénoïde (13) sur un noyau plongeur ferromagnétique (14), le mouvement de retour étant assuré par un ressort autogonste (15). Le maintien en pression de (3) sur (4) est assuré par au moins un ressort (22). La pièce fixe (3) est solidaire du solénoïde (13) grâce à un corps allongé (23) et la transmission du mouvement entre le noyau plongeur (14) et la cuvette mobile (4) s'effectue au moyen d'une tige (24). La pièce fixe (3) est constituée, comme il a dà été dit, par le collage d'une pièce massive (20) destmée à assurer la stabilité dimensionnelle sur une tranche de silicium (19) comportant la membrane, les jauges de contraintes intégrées et éventuellement, rélectronique de traitement du signaL La figure 7 permet de comprendre le fonctionnement du capteur. Elle représente le signal issu du capteur de pression dans 3 cas: lI Cas : le solvant introduit en A se trouvait injecté à une pression supérieure à la pression osmotique. On obtient alors la courbe a sur laquelle on note tout d'abord une montée en pression résultant de la mise en place de la chambre de mesure en position B, puis une baisse de pression correspondant à la diffusion du solvant dans la solution. Après un temps assez court, on atteint la pression d'équilibre qui est la valeur recherchée. 2 / Cas : le solvant est introduit en A à une pression inférieure à la pression osmotique. On a alors un phénomène inverse de celui du cas précédent; après une montée rapide de la-pression correspondant à la mise en place de la cellule de mesure, on note une croissance de la pression correspondant à une diffusion du solvant en direction de la chambre de mesure. On atteint enfin la même pression d'équilibre que précédemment. 3 / Cas : le solvant est introduit en A exactement à la pression osmotique. Dans ce cas, après une montée en pression rapide, la pression reste constante comme le montre la courbe C. L'invention peut être utilisée pour mesurer la pression osmotique de différentes solutions aqueuses ou non. Elle se révèle surtout intéressante dès lors qu'on a besoin d'effectuer un contrôle permanent comme c'est le cas par exemple dans de nombreux process industriels et tout particulièrement dans Industrie agro-alimentaire. REVENDICATIONS 1. Capteur de pression osmotique caractérisé en ce qu'il comporte: - une chambre de mesure mobile (1), délimitée entre une paroi fixe (3) et une paroi mobile en cuvette (4); - une membrane semi-perméable convenable (2) qui est fixée de façon étanche par collage ou avec un joint sur la cuvette mobile ou la paroi fixe (3); - des moyens (5) permettant de déplacer la cuvette (4) de façon à la faire passer d'une position A "de rinçage" à une position B "de mesure"; - des moyens (7), (8) convenables pour assurer une régénération périodique du solvant de référence contenu dans la chambre de mesure (1); - des moyens (6) convenables pour mesurer périodiquement la pression régnant dans la chambre de mesure mobile, lorsque celle-ci se trouve enposition B. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (6) permettant d'effectuer la mesure de pression, sont constitués par une sonde d'extensométrie fixée sur une membrane élastique (9). 3. Dispositif suivant la revendication I, caractérisé en ce que la paroi fixe (3) est au moins en partie, constituée de silicium et comporte, directement intégrée sur le silicium, une sonde (6) convenable pour une mesure de pression ainsi qu'un éventuel préamplificateur sous forme de circuit intégré. 4. Dispositif suivant la revendication 1, 2 ou 3 caractérisé en ce que les moyens (5) utilisés pour déplacer la cuvette (4) pour la faire passer de position A en position B, sont constitués par un motoréducteur (9) entraînant par un axe (10) la cuvette (4) en rotation. 5. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens utilisés pour assurer une régénération périodique du solvant, sont constitués par un réservoir (7) situé à une hauteur convenable par rapport à la chambre (1) et communiquant avec celle-ci par un tuyau de faible diamètre (11) ainsi que par un tuyau d'évacuation dont l'extrémité est à une hauteur inférieure à (7). 6. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens utilisés pour assurer une régénération périodique du solvant sont constitués par une micropompe doseuse à piston ou à palette ainsi que par un tuyau d'évacuation (8). 7. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que rune au moins des parois (3), (4) de la chambre de mesure mobile (1) est réalisée en céramique, de préférence dune variété à faible coefficient de fiction 8. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens utilisés pour déplacer la cuvette (4) de façon à la faire passer de la position A à la position B sont constitués par une bobine (13) actionnant un noyau plongeur (14) qui est ramené en position initiale par un ressort de rappel (15). 9. Dispositif suivant la revendication 2, 3,4,5 ou 6, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour la mesure de pression osmotique en continu sur un process industriel reprenant ce type de mesure. 10. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane de mesure est fixée sur la paroi fixe (3) à côté du capteur de pression (6).