Brevet FR2687475A1 — publié le 19930820

La presente invention a pour objet un procédé de mesure de la masse volumique et de-la densité relative des liquides, ainsi que les dispositifs destines a mettre en oeuvre ledit procédé. Actuellement, on emploie couramment pour cette determination les procédés suivants: - Pycnomètres ou flacons a' densité - Balances hydrostatiques - Aréomètres et appareils dérivés tels qu'alcoometres, acidimètres, etc... - Tubes vibrants Ces procédés sont connus et n'ont pas à etre décrits plus amplement. Ils présentent certaines difficultés d'emploi spécifiques de chacun d'eux, telles que: manipulation longue, caculs, mesures entachées d'un coefficient personnel non négligeable par suite d'une difficulté de lecture. Le procédé de la présente invention permet, par contre, une détermination rapide et précise de la grandeur recherchée par une lecture numérique directe, sans autre apprentissage que celui des manipulations courantes du laboratoire. I1 est basé sur le principe des pressions régnant dans le sein d'un liquide au repos: la différence de pression entre deux points est uniquement fonction du poids de la colonne liquide ayant pour base l'unité de surface et pour hauteur la différence de niveau des deux points.Si cette différence de niveau est une constante, la différence de pression est uniquement fonction de la masse volumique du liquide et peut servir à la mesurer. Ainsi, en désignant par dP la différence de pression mesurée, H étant la distance verticale des deux points de mesure, la masse volumique du liquide, g l'accélération de la pesanteur, on a: dP = H.Ç.g d'où l'on tire: 3= dP/H.g En outre, le procédé objet de l'invention comporte la possibilité d'amener le liquide en expérience, préalablement stocké à une température inférieure å 20 C, à ladite température de 20"C par un chauffage très progressif et une surveillance continue de la température, permettant ainsi d'effectuer la mesure a la température règlementaire de 20"C sans nécessité de correction. Le dispositif objet de l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte un réservoir contenant le liquide considéré et muni d' un moyen approprié pour admettre deux sondes de mesure de pression à des profondeurs différentes. La distance verticale séparant les deux sondes est la constante du dispositif, soit H dans la formules ci-dessus. Les signaux émis par chacune des deux sondes sont transmis à un moyen d'affichage. Selon une forme de réalisation possible, le dispositif ne comporte qu'une seule sonde, constituée de préférence par un capteur de pression de type capacitif, qui mesure la pression relative par rapport à la pression atmosphérique ambiante, et la constante H devient alors la distance verticale comprise entre la sonde et la surface libre du liquide. Selon un mode de réalisation particulier du dispositif décrit ci-desus, ledit capteur unique de pression relative peut entre immerge dans le liquide lors de l'expérience a condition d'être étanche à tous les liquides expérimentés et d'être muni d'un moyen de communication avec l'atmosphère, par exemple d'une tubulure de longueur appropriée débouchant à l'air libre. Cette disposition, bien qu'avantageuse, peut parfois donner lieu à des difficultés de mesure car la dis tance verticale H entre le capteur et la surface libre ne peut être déterminée avec precision. par exemple, qu'au moyen d'un dispositif de visée mobile le long d'une règle graduee verticale, la valeur de H étant égale à la différence entre les deux graduations lues. Selon un mode de réalisation préféré, le capteur unique de pression relative fait partie intégrante de l'appareil et la constante H est représentée par la distance fixe entre ledit capteur et la surface libre, elle-mème definie par tout moyen approprié: graduation, trop-plein, palpeur. etc.... La lecture de la pression relative fournit ainsi le paramètre dP et le processus de calcul se poursuit comme ci-dessus. La présence d'air dans le volume mort du capteur pouvant fausser légèrement la mesure de pression, le dispositif selon l'invention comporte en outre un organe de purge et/ou de lavage de la partie sensible du capteur. Suivant une forme de réalisation avantageuse, ledit organe est constitué par un tube auxiliaire placé sur le capteur en position haute et mettant le volume mort en communication avec l'atmosphère jusqu'à ce que le liquide en expérience ait rempli complètement ledit volume mort, après quoi le tube auxiliaire est obturé par un moyen connu tel que bouchon ou robinet. Afin d'étalonner le dispositif, on le remplit d'un liquide de masse volumique connue?1 soit par exemple d'eau distillée, et on relève la pression différentielle affichée dP. Cette valeur est fonction de la valeur exacte de g régnant au lieu considéré. Un liquide de masse volumique non connue, soumis à la même expérience et donnant naissance à une pression différentielle dP2 aura une masse volumique B, répondant à l'équation: = x dP / l 2 1 2 Selon une réalisation avantageuse. le calcul est effectué par un calculateur, de préférence électronique, comportant les éléments suivants: - une unité de traitement, amplification et numerisation du signal analogique émis par la sonde: - une unité centrale de calcul, construite autour de tout microprocesseur connu; - un afficheur numérique. Cet ensemble électronique assure d'autre part, s'il y a lieu, l'alimentation du capteur en courant continu. Le procédé et les dispositifs décrits ci-avant s'appliquent à des mesures effectuées soit à la température de 20 C, soit à une température différente mais exactement mesurée. Il est bien connu, en effet, que la masse volumique varie avec la température, la mesure à 20"C étant considérée comme ré- glementaire. Dans une autre version de l'appareil objet de l'invention, la température est mesurée à 0,01"C pres par un thermomètre électronique d'un modèle connu dont le signal est traité par le calculateur qui affiche la température en regard de la masse volumique. Connaissant la masse volumique à t C, l'opérateur se reporte à des tables pour obtenir sa valeur à 20 C. L'appareil selon l'invention peut, dans une version plus perfectionnée, remplacer dans certains cas l'usage des tables. Cette correction automatique est possible toutes les fois que le liquide examiné est constitué par une espèce chimique définie dont on connaît le coefficient de dilatation. La correction à apporter à la mesure de la masse volumique a t"C pour la ramener à 20 C, soit une différence de température dt, est de la forme (1 + .dut), avec alpha égal à la différence des coefficients de dilatation du corps considéré et de la matiere constituant le réservoir manometrique. La différence de température dt dans le binôme de dilatation doit, bien entendu, être prise avec sa valeur algébrique. A titre d'exemple non limitatif, pour ramener à 20"C la masse volumique mesurée à 25"C d'un acide acétique cristallisable de coefficient de dilatation connu égal à 107.10-5, le récipient manométrique étant supposé en verre "Pyrex" de coeffi 5 cient de dilatation cubique voisin de 10- , le coefficient apparent alpha sera égal à 106.10-5 . La masse volumique apparente à 25"C devra hêtre corrigée par le facteur de multiplication 1+(106.10' x5) soit 1,00530.Ce facteur est introduit dans le calculateur au moyen d'un clavier sur lequel l'opérateur tape seulement le coefficient de dilatation du liquide considéré, soit dans l'exemple 0,00107. Les autres éléments du calcul, soit le coefficient du matériau de l'appareil, dans l'exemple 0,00001, et la différence de température positive ou négative, dans l'exemple +5"C, sont connus du calculateur, le premier etant une constante conservée en mémoire morte, le second résultant de l'expérience en cours. Ces calculs électroniques à partir de données conservées en mémoire ou introduites au clavier sont largement connus et utilisés, et il ne parait pas nécessaire de les décrire ici plus en détail. La méthode précédemment exposée pour la correction à 20"C, par le calcul de la dilatation ou de la contraction, de la masse volumique déterminée à une température différente, peut être mise en défaut dans certains cas, notamment lorsque le liquide considéré n'est pas une espèce chimique définie dont le coefficient de dilatation est publié. D'autre part, il est connu que le coefficient lui-mème n'est pas une constante absolue et qu'il varie légèrement avec la température. Les valeurs publiées le sont généralement a 20"C et la variation serait négligeable a la température courante du laboratoire. I1 demeure toutefois qu'une mesure réalisée a 20 peut êre préférée en ce qu'elle dispense de toute correction.L'appareil selon l'invention répond, dans une version plus avancée, à cette demande. A cet effet, il est muni d'un système de chauffage réglable, capable d'élever la température du liquide de façon très progresive. Ce chauffage est réalisé par l'un des moyens connus dans la technologie du laboratoire, soit par une résistance chauffante de puissance appropriée entourant la partie inférieure du réservoir manométrique, soit par une chemise d'eau en circulation provenant d'un bain thermostatique de tout modèle connu fournis,sant de l'eau à 25-30"C, ou tout autre dispositif connu, tels ceux utilisés en analyse thermique différentielle.Avec l'un de ces dispositifs, on commence la mesure avec un produit liquide stocké à une température inférieure à 20"C, valeur qui augmente lentement. La réponse du capteur de température est comparée à la valeur de consigne 20"C à des intervalles de temps assez courts pour que, sitôt atteinte l'égalité des températures, le programme déclenche l'arrêt du processus et l'affichage fixe de la masse volumique à 20"C. La densité relative à 20"C par rapport à l'eau à 20"C est obtenue à partir de la valeur de la masse volumique a 20"C en multipliant celle-ci par le facteur 1,0018, inverse de la masse volumique de l'eau à 20"C. Cette opération est effectuée à la demande de l'opérateur, par un élément de programme special conservé en mémoire morte avec le facteur ci-dessus. La programmation d'un microprocesseur en vue d'accomplir les fonctions décrites ci-avant: comparaison d'une mesure variable avec une valeur de consigne donnée, puis arrêt du programme et affichage, est connue en technologie de la mesure. Les dessins annexés représentent les diverses réalisations possibles d'un appareil objet de l'invention. Sur ces dessins, qui illustrent schématiquement les variantes d'un tel appareil: - La figure 1 représente l'appareil selon un premier mode de réalisation. - La figure 2 représente un appareil selon la figure 1, complété par un système de mesure thermométrique. - La figure 3 représente le même appareil que la figure 2 muni d'un système de correction de température par application de la formule des dilatations. - La figure 4 est une variante faisant intervenir le chauffage progressif jusqu'à 20oC. En se référant à ces dessins, la figure 1 représente un réservoir qui affecte la forme d'un tube (1) rigoureusement vertical, dépourvu de propriétés capillaires, réalisé en matériau inerte, de préférence verre "Pyrex" ou acier inoxydable, dont la longueur pourra, en pratique, être comprise par exemple entre 0,10 mètre et 1 mètre, son diamètre étant compris entre 0,01 mètre et 0,1 mètre, muni d'un robinet de vidange (2) et, à sa partie supérieure, d'un moyen approprié pour déterminer la surface libre du liquide contenu. Dans le cas illustré, ce moyen est un dispositif de trop-plein (3). Toujours selon le mode de réalisation illustré, le tube présente a sa partie inférieure et a une distance verticale du trop-plein comprise par exemple entre 0.08 mètre et 0.8 mètre, une tubulure latérale raccordée à un capteur de pression (4) par tout moyen connu assurant une étanchéité suffisante. Ledit capteur est muni d'un tube de purge (16). Un cable électrique (5) relie le capteur à un ensemble électronique. Ce câble, figuré schématiquement, contient les fils d'alimentation du capteur et ceux qui transfèrent sa réponse à un calculateur. L'ensemble électronique comporte les éléments suivants, représentés schématiquement sur la figure 1: circuit d'alimentation du capteur (6), circuit de traitement du signal, amplification et numérisation (7), unité de calcul (8) construite autour de tout microprocesseur de type connu, mémoire morte (9), afficheur numérique (10). La figure 2 représente la version thermométrique simple du densimètre avec le capteur de température (11) et un deuxième afficheur (12). Il est clair que les circuits internes de traitement du signal (7) de calcul (8) et de mémoire (9), ainsi que le câble de liaison (5) sont schématiquement représentes comme sur la figure 1. La version thermométrique, avec correction automatique de la mesure pour la ramener à 20"C en faisant intervenir le coefficient de dilatation du liquide en expérience, est représentée par la figure 3, dans laquelle le calculateur comporte en plus un clavier (13) au moyen duquel l'opérateur introduit la valeur du paramètre qui caractérise l'expérience en cours, soit le coefficient de dilatation du liquide considéré (dans l'exemple, le nombre 0,00107). Ici encore, les organes (8) et (9) sont représentés schématiquement comme sur la figure 1. La figure 4 représente le densimètre avec dispositif chauffant pour la mesure directe de la masse volumique ou de la densité relative à 20oC. Dans le cas de figure, le densi metre est muni d'un enroulement chauffant (14) de modele connu. alimenté éventuellement par un abaisseur de tension (15), lui-même commandé par l'unité centrale (8). Le tube auxiliaire (16) prévu sur le capteur comme décrit ci-dessus remplit également la fonction d'organe de lavage de la partie sensible du capteur. Celle-ci consiste, selon une technologie connue, en une membrane dont la déformation, sous l'effet de la pression, modifie la valeur d'une capacité électrique. Pour effectuer l'opération de lavage, après vidange de l'appareil, on instille par le tube auxiliaire (16) un produit ou une solution de nature convenable pour dissoudre ou entraîner toute trace du liquide expérimenté, ledit produit pouvant être, selon le cas, de l'eau distillée, un solvant organique, une solution détergente dont la nature est déterminée par celle du produit a éliminer. La disposition de l'appareil permet d'opérer ce lavage en continu, par la méthode de déplacement, les liquide souillés étant éliminés par le robinet de vidange (2) En pratique, le câblage nécessaire et les matériaux utilisés pour la réalisation d'un appareil selon l'invention tel que décrit ci-dessus sont à la portée de l'homme de l'art. Bien entendu, l'invention décrite et illustrée ci-dessus ne l'a été qu'a titre explicatif et nullement limitatif. Toute modification utile, quant à la forme de l'appareil, ses dimensions et ses accessoires, pourra lui être apportée sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1) Procédé de mesure de la masse volumique et de la densité relative des liquides caractérisé en ce que l'on dispose d'un réservoir contenant un liquide au repos, que l'on amene ou maintient ce liquide à une température donnée t, qu'on mesure la pression du liquide a deux niveaux différents et qu'a partir des valeurs obtenues pour ces deux mesures, on calcule la masse volumique en appliquant la formule: = dP / H.g OÙ?t est la masse volumique cherchée, dP est la différence entre les mesures des deux pressions, H est la distance verticale séparant les deux niveaux de mesure. g est l'accélération de la pesanteur au lieu de l'expérience. 2) Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on mesure simultanément les pressions aux deux niveaux considérés, on les note ou on les affiche. 3) Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que, suivant une variante, on mesure directement la pression différentielle par rapport à la pression atmosphérique ambiante, régnant à une profondeur déterminée dans le liquide, on la note ou on l'affiche. 4) Procédé selon l'une quelconque des revendication 1 à 3, caractérisé en ce que la masse volumique mesurée a la température t différant de 20"C d'une quantité dt est corrigée pour déterminer la masse volumique å 20 C, la correction étant calculée par la formule des dilatations: #20 = #t (1+ &alpha;dt). où Ç est la masse volumique à Z0eC, Ç est' la masse volumi 20 t quee calculée à t C,c est le coefficient de dilatation du liquide considéré. 5) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4. caractérise en ce que la masse volumique à 20"C est mesurée directement par échauffement lent du liquide a partir d'une température inférieure à 20"C jusqu'à ce qu'il atteigne cette dernière température a laquelle la mesure est effectuée dès qu'elle est atteinte. 6) Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il consiste en une enceinte destinée à contenir le liquide et comportant un moyen d'admettre au moins une sonde de pression constituée de préférence par un capteur de pression capacitif (4) et un moyen de mesure de sa distance verticale a la surface libre du liquide, ou deux sondes à des profondeurs différentes et un moyen de mesure de leur distance verticale, la ou les sondes étant reliées à un moyen (10) de lecture ou d'affichage des pressions. 7) Appareil selon la revendication 6 caractérisé en ce que, sous une forme de réalisation particulière avantageuse, ledit moyen d'affichage (10) est couplé à un moyen de calcul (8). 8) Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit moyen de calcul est un ensemble électronique comprenant une alimentation (6), un circuit de traitement du signal (7), une unité centrale de calcul (8), une mémoire (9) et ledit afficheur numérique (10) 9) Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'enceinte est un tube vertical (1) de hauteur appropriée, ce tube ne présentant pas de pro priétés capillaires. 10) Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le capteur de pression comporte un tube auxiliaire de purge (16) dont la disposition permet de l'utiliser également pour le lavage de la membrane sensible du capteur. 11) Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend en outre un thermomètre (11) de type électronique relié en continu a un lecteur ou afficheur (12). 12) Appareil selon la revendication 11 caractérisé en ce qu'il comporte en outre un clavier (13) permettant d'introduire dans le calculateur (8) la valeur du coefficient de dilatation du liquide en expérience et de corriger la valeur de la masse volumique calculée t"C pour la ramener à 20"C par application de la formule des dilatations: #20 = #t x (1 + &alpha; (t-20)). où Q et Ç sont respectivement les masses volumiques à 20"C 20 t et à t C et z le coefficient de dilatation du liquide en expérience. 13) Appareil selon la revendication 11 caractérisé en ce qu'il comporte en outre un moyen de chauffage (14) du liquide pouvant consister en un enroulement chauffant, en une chemise à circulation d'eau thermostatée ou en tout autre moyen connu, le calculateur étant alors programmé pour arrêter le chauffage lorsque la température atteint 20"C et fixer l'affichage à la mesure de la masse volumique à 20 C ou de la densité relative à 20 C par rapport à l'eau à 20"C.