Brevet FR2694396A1 — publié le 19940204

La présente invention concerne un dispositif pour détecter deux niveaux d'un liquide conducteur de l'électricité afin de commander automatique- ment des actions de vidage ou de remplissage entre ces niveaux, en utili- sant des électrodes au contact du liquide. Les dispositifs connus selon ce principe possèdent trois électrodes et trois fils de connexion au système de commande, ce dernier étant protégé du liquide par une cloison étanche traversée par les fils Souvent il n'y a que deux fils qui traversent cette cloison lorsque celle-ci est métal- lique et sert d'électrode commune de référence des potentiels, ces deux fils restant nécessaires pour relier les électrodes de niveau haut et de niveau bas Outre le problème de la traversée de cloison, existe aussi la difficulté de positionnement des électrodes et de réglage en hauteur pour changer un niveau par rapport à l'autre. Le dispositif selon l'invention permet de simplifier ces problèmes en n'utilisant qu'un seul fil de liaison pour relier les deux électrodes des niveaux haut et bas, et transmettre les signaux correspondants au système de commande En effet, il a comme caractéristique essentielle de compor- ter des électrodes de métaux différents présentant donc des potentiels normaux électrochimiques différents au contact d'une solution aqueuse, de telle sorte que le système électronique de commande reconnaisse sur le même fil si le liquide est au contact de l'électrode du niveau haut ou de celle du niveau bas. Pour une bonne compréhension du mode de fonctionnement, on rappelle que dans une solution aqueuse un métal présente un potentiel normal, selon la théorie de NERNST, d'autant plus positif (par référence à une électrode à hydrogène) qu'il résiste mieux à l'oxydation, laquelle se traduit dans sa structure atomique par la perte de ses électrons périphériques; c'est le cas des métaux nobles tels que: cuivre, argent et or A l'autre extrémité de l'échelle des potentiels normaux, un métal présente un potentiel d'au- tant plus négatif qu'il s'oxyde facilement, c'est le cas par exemple du zinc et du magnésium Ces derniers sont dits plus électropositifs que les précédents puisqu'ils perdent plus facilement leurs électrons dans une réaction chimique C'est ce phénomène de couple galvanique qui intervient dans une pile électrique et que l'on utilise dans la présente invention. Une particularité intéressante du dispositif selon l'invention consiste à choisir des combinaisons de métaux telles que les différences de poten- tiel transmises à l'appareil de commande ne soient prises en compte comme des informations de niveau haut et bas que lorsqu'elles sont supérieures à un seuil d'environ 0,4 volt en polarité positive ou négative, afin que l'appareil reste insensible à toute variation de potentiel parasite due à des phénomènes de polarisation des électrodes se produisant pendant le passage du courant dans le liquide, qui sont très variables en fonction de la nature des produits en dissolution, des surfaces des électrodes et de leurs espacements Ce choix d'une tension de seuil de l'ordre de 0,4 à 0,5 volt correspond de façon naturelle à la tension émetteur/base d'un transistor utilisé comme détecteur dans l'appareil, tension en dessous de laquelle le transistor ne conduit pratiquement plus de courant. La figure 1 représente le dispositif selon l'invention dans ses élé- ments essentiels: les trois électrodes étant vues dans un plan vertical, la ligne horizontale en trait interrompu passant par l'électrode 2 repré- sentant le niveau du liquide, et les flèches indiquant les sens des cou- rants électriques entre les électrodes et dans les conducteurs. La figure 2 représente un mode particulièrement simple de réalisation de l'ensemble des deux électrodes de niveau haut et bas. Sur la figure 1 le dispositif comporte l'électrode 1 de référence des potentiels au niveau bas, reliée par le conducteur 8 à la borne 9 d'un appareil électronique de commande 7 De façon classique cette électrode 1 peut être matérialisée par l'enveloppe métallique contenant le liquide ou toute autre structure conductrice au contact du liquide L'électrode 3 se trouve également au niveau bas, indifféremment au dessus ou en dessous de l'électrode 1, de sorte que la première des deux qui perd le contact avec le niveau descendant coupe le courant entre elles, ce qui est le signal du niveau bas Les métaux utilisés pour ces deux électrodes sont de même nature, ou s'ils sont différents ils sont tels que la différence entre leurs potentiels normaux soit inférieure au seuil prévu Ces élec- trodes étant souvent au contact de l'eau, on les réalisera de préférence en métal noble, par exemple cuivre ou acier inoxydable. L'électrode 2 située au niveau haut est réalisée dans un métal très différent de celui de l'électrode 1 du point de vue du potentiel normal, donc très oxydable: zinc ou magnésium Elle est reliée par un conducteur 4 au conducteur 5 qui relie l'électrode 3 à la borne 6 de l'appareil 7. L'ensemble des trois électrodes simultanément dans l'eau au niveau haut constitue trois piles électriques: la pile entre 2 et 3 dont le courant se referme en court-circuit par les conducteurs 5 puis 4, cette liaison équipotentielle ayant une valeur intermédiaire aux potentiels normaux des deux métaux de ces électrodes, mais de préférence proche du potentiel normal de l'électrode 2 ce qui s'obtient avec une électrode 3 de plus faible surface que l'électrode 2, et en isolant le conducteur 5 du liquide, deux autres piles, entre 2 et 1 d'une part et entre 3 et 1 d'autre part, conjuguent leurs courants collectés par l'électrode 1 dont le cou- rant total entre dans l'appareil 7 par la borne 9 et revient par la borne 6 et par les conducteur 5 et 4 aux électrodes 3 et 2. L'appareil 7 comporte une alimentation électrique en courant continu , deux transistors 11 et 12 de polarités complémentaires NPN et PNP, leurs résistances associées 14 à 17, une diode 13 pour protéger l'entrée du transistor 11, et une borne de sortie pour transmettre les signaux aux autres organes de commande classiques non représentés. Sur la figure 2 est représentée une réalisation d'un ensemble de deux électrodes avec un réglage mécanique en hauteur L'électrode 2 pour le niveau haut est une bague réalisée dans une tranche de barre de magnésium percée dans son axe par un trou lui permettant de coulisser le long d'une tige Une vis en acier inoxydable 4 vissée dans un trou taraudé dans la bague constitue le conducteur 4 de la liaison équipotentielle citée pré- cédemment (fig 1) Une tige en laiton ou en acier inoxydable recouverte d'une gaine de plastique joue le rôle du conducteur 5, son extrémité su- périeure étant reliée électriquement à la borne 6 de l'appareil 7, et son extrémité inférieure dénudée 3 joue le rôle de l'électrode de niveau bas Tout emplacement de la tige 5 peut être choisi pour fixer l'élec- trode 2 en dénudant la gaine au point de serrage de la vis 4. En se reportant à la figure 1, le fonctionnement du dispositif selon l'invention est le suivant, en partant d'un niveau bas du liquide pour lequel les deux transistors 11 et 12 ne conduisent pas Le niveau du li- montant et submergeant les électrodes 1 et 3 qui ne présentent pas de différence de potentiel significative, les transistors restent bloqués. Lorsque le liquide touche l'électrode 2 les piles électrochimiques sont activées et le potentiel de la borne 6 devient plus négatif que la borne 9 d'une valeur supérieure à 0,5 volt, entrainant la conduction du tran- sistor 11 commandant lui-même la conduction du transistor 12 avec effet de réaction sur le précédent sous forme d'un relais auto-maintenu Lors- que le niveau baisse et que l'électrode 2 sort du liquide l'effet de pile disparaît, mais le courant de l'émetteur du transistor 11 continue à pas- ser par les électrodes 3 et 1 et l'appareil 7 continue à fonctionner jus- qu'au niveau bas o le courant du transistor 11 est interrompu par perte de contact d'une électrode basse, et l'appareil 7 revient au repos. Les courants circulant dans les électrodes sont de très faible inten- sité, variant d'environ 1 microampère lorsque le transistor 11 commence à conduire jusqu'à 80 microampères quand il conduit à saturation Il en résulte que les effets d'électrolyse sont négligeables, et en particulier la dissolution du magnésium de l'électrode 2 est très lente: en calculant pour un volume d'électrode de 1 centimètre cube et le courant maximum ci- dessus la perte de volume de matière, elle serait de la moitié au bout de 2,6 années en supposant que l'appareil fonctionne en permanence avec ses électrodes noyées. Le mode de réalisation décrit ci-dessus en relation avec les figures 1 et 2, apparait comme le plus intéressant par ses performances, mais en restant dans le cadre de l'invention, on peut citer des variantes consis- tant à: inverser les polarités de l'appareil électronique en utilisant à l'en- trée un transistor ll de type PNP, ou utiliser d'autres dispositifs à semiconducteurs pour réaliser un relais auto-maintenu, choisir d'autres métaux que ceux cités et présentant des caractéris- tiques équivalentes du point de vue des potentiels électrochimiques, réaliser la liaison équipotentielle 4 par serrage direct du métal de l'électrode 2 contre le métal du conducteur 5, et même par dépôt élec- trolytique pour avoir un contact parfait d'une électrode 2 inamovible, laisser des surfaces non isolées sur le conducteur 5 pour réserver des emplacements de fixation de l'électrode 2, utiliser un tube métallique comme conducteur 5 et faire passer à l'in- térieur un conducteur 8 isolé reliant l'électrode 1 à l'appareil 7. Les applications industrielles du dispositif selon l'invention sont bien connues: toutes les régulations de niveaux d'eau de toutes natures, soit pour remplir un réservoir dont le niveau a tendance à baisser, soit pour pomper l'eau d'un forage en contrôlant le niveau rabattu par le pom- page, ou pour évacuer les eaux d'infiltration dans les locaux sans écou- lement naturel. Les appareils traditionnels tels que les pompes, électrovannes etc peuvent ainsi être actionnés par le dispositif selon l'invention avec le maximum de précision et de fiabilité. REVENDICATIONS 1 Dispositif de détection de deux niveaux d'un liquide conducteur de l'électricité constitué d'une électrode ( 1) servant de référence des potentiels au niveau bas, d'une électrode ( 2) située au niveau haut, et d'une électrode ( 3) au niveau bas, reliées par trois conducteurs à un appareil électronique ( 7) détectant ces deux niveaux par les courants circulant dans le liquide, caractérisé par: des électrodes ( 21 et ( 3) réalisées avec des métaux de natures diffé- rentes du point de vue de leur potentiel normal électrochimique, un conducteur ( 4) et un conducteur ( 5) reliant les électrodes ( 2) et ( 3) pour constituer une pile électrique débitant en court-circuit lorsque ces électrodes sont simultanément en contact avec le liquide, le fait que le conducteur ( 5), ou le conducteur ( 4), est prolongé pour relier l'ensemble à une borne ( 6) de l'appareil ( 7), une électrode commune ( 1) réalisée avec un métal dont le potentiel nor- mal est différent du potentiel pris par les conducteurs ( 4) et ( 5) de la liaison équipotentielle entre les électrodes ( 2) et ( 3) lorsqu'elles sont toutes les trois dans le liquide, cette différence de potentiel étant su- périeure à une valeur d'environ 0,4 volt; l'électrode ( 1) est reliée à la borne ( 9) de l'appareil ( 7), un appareil de commande ( 7) constitué d'un relais électronique auto- maintenu, qui s'enclenche au dessus d'un seuil de tension d'environ 0,4 volt apparaissant aux bornes ( 6) et ( 9) lors du contact de l'électrode ( 2) avec le liquide, et qui applique automatiquement sur lesdites bornes une tension remplaçant celle de la pile lorsque le niveau baisse. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le conducteur ( 4) est une pièce métallique de fixation entre l'électrode ( 2) et le conducteur ( 5). 3 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par une liaison directe du métal de l'électrode ( 2) contre le métal du conducteur ( 5), en supprimant le conducteur ( 4). 4 Dispositif selon les revendications ( 1) à ( 3), caractérisé en ce que le conducteur ( 5) est une tige ou un tube rigide, le long desquels une électrode ( 2) peut être déplacée et fixée. 5 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le conducteur ( 5) est recouvert d'isolant sur la plus grande partie de sa longueur, sauf à son extrémité inférieure servant d'électrode ( 3) et sur des emplacements prévus pour fixer l'électrode ( 2).