Brevet FR2701566A1 — publié le 19940819

L'invention se rapporte à un procédé de mesure d'au moins une caractéristique d'une solution liquide notamment en vue d'en déterminer son homogénéité et le niveau de la surface libre de la dite solution. Elle se rapporte également aux moyens pour la mise en oeuvre du procédé. Notamment pour la détermination du niveau d'une solution liquide s'écoulant dans une canalisation ou contenue dans un récipient quelconque, on connait principalement trois familles de méthode qui sont citées ici à titre indicatif - les méthodes hydrostatiques avec traducteur électrique, tel que l'assemblage d'un flotteur ou d'un plongeur et d'un capteur dynamométrique ou encore les capteurs à pression différentielle, - les méthodes basées sur les propriétés électriques du liquide, soit conductimétriques, soit capacitives, - les méthodes par rayonnement utilisant soit le phénomène d'absorption, soit l'intervalle de temps séparant l'émission et la réception d'ondes acoustiques (ultrasons). L'invention concerne les méthodes et dispositifs relatifs aux méthodes basées sur les propriétés électriques du liquide. Pour déterminer le niveau d'un hydrocarbure contenu dans une cuve, on connait (US-A-3.911.744) un dispositif comprenant: - un élément allongé appelé jauge sur lequel sont associés une pluralité d'électrodes dites d'émission réparties selon un pas déterminé le long de l'axe longitudinal de la jauge, une électrode dite de réception qui s'étend également parallèlement à l'axe longitudinal précité et est écartée des électrodes d'émission d'une distance prédéterminée, - des moyens pour appliquer successivement aux électrodes d'émission une tension d'excitation déterminée par rapport à un potentiel de référence fixe et pour indiquer simultanément quelles électrodes sont excitées et, - des moyens de détection qui fournissent un signal de sortie indicatif de la réponse à l'excitation des électrodes. Ces moyens de détection consistent essentiellement en une indication visuelle de la détection de conduction réalisée par une diode qui s'allume aux premiers plots supérieurs immergés fournissant une estimation approximative du niveau du liquide. En outre, ces moyens de détection comprennent un galvanomètre qui permet de déterminer le degré d'immersion de la dernière électrode sous réserve de connaître précisément la nature du liquide, ce qui n'est pas le cas de la mesure du niveau d'un liquide dont la nature évolue au cours du temps et dont la résistivité varie énormément. On se rappellera que la résistivité peut varier dans un rapport de quelques milliers selon la nature du liquide. Par ailleurs, les électrodes sont logées dans un tube et de ce fait un tel dispositif ne peut convenir pour un fonctionnement en milieu chargé. Cette méthode nécessite l'intervention d'un manipulateur et des tensions importantes (deux batteries de 15 volts). On connaît également (FR-A-2.368.521 et FR-A-2.657.691) des dispositifs qui sont constitués par un élément allongé appelé jauge, en matériau isolant électriquement, selon lesquels dispositifs - une ou plusieurs électrodes de réception s'étendent parallèlement à l'axe longitudinal, - les électrodes d'émission réparties parallèlement à l'électrode de réception, selon un pas défini, sont écartées des précédentes selon une direction perpendiculaire à l'axe longitudinal d'une distance prédéfinie, - les électrodes métalliques ou métallisées ont une surface active à la rase de la surface externe du dit élément allongé, - des trains d'impulsion sont envoyés par cycle sur les différentes electrodes d'émission, - les moyens électriques permettent alors de détecter la conduction ou la non conduction entre les électrodes d'emission/reception ; un comptage binaire et global totalise le nombre d'impulsions recues en retour et, - la hauteur est calculée d'aprés la moyenne obtenue sur différents cycles de comptage. Ces dispositifs nécessitent l'emploi d'un générateur exclusivement d' impulsions. Le comptage d'informations binaire oblige à se fixer un seuil de filtrage préalable. Il s'agit d'un principe de détection en tout ou rien et l'amplitude du signal de retour n'est pas mesurée. De part sa définition, il ne tient pas compte des variations de résistivité et s'affranchit des effets de surface en fixant un seuil de filtrage. La précision du résultat en valeurs discrètes dépend du nombre d'éléctrodes, du pas retenu, de l'écartement et de l'épaisseur des électrodes. Le seuil de filtrage doit être fixé en fonction de la nature du liquide qui, comme rappelé précédemment, n'est pas nécessairement connu. Un tel dispositif ne permet pas de mesurer des couches de liquides non homogènes. Par ailleurs, si une électrode quelconque fonctionne mal, par exemple, lorsqu'elle est recouverte par un papier ou un quelconque matériau, l'amplitude de l'impulsion correspondante sera affaiblie et sera éliminée en raison du seuil préalablement fixé et, de ce fait, ne sera pas comptabilisée d'où une erreur d'estimation de la hauteur de liquide. Il résulte de ce mode d'exploitation une incapacité de déceler l'incident de fonctionnement. Dans tous ces dispositifs, les électrodes sont métalliques donc trés sensibles à la corrosion. De nombreux liquides dont on cherche à mesurer le niveau transportent ou contiennent une multitude de substances corrosives à l'égard de tous les métaux (eaux usées, par exemple). Ces dispositifs sont également soumis à l'effet d'électrolyse et la polarisation dans le temps, inévitable en courant continu, crée une force contre électromotrice pouvant amener la conductivité au dessous d'un seuil fixé arbitrairement. Un des résultats que l'invention vise à obtenir est de rémédier notamment aux problèmes précités. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de mesure d'au moins une caractéristique d'une solution de liquide chargé ou non chargé notamment en vue d'en déterminer son homogénéité, lequel procédé met en oeuvre un dispositif de mesure comprenant un élément allongé appelé jauge plongé dans la solution selon un axe prédéterminé, laquelle jauge porte une pluralité de couples d'électrodes dites d'émission et de réception réparties selon l'axe longitudinal de la jauge, chacune des électrodes présentant une face active de géométrie prédéterminée parallèle à l'axe longitudinal de la jauge, les dites faces actives d'un même couple étant écartées l'une de l'autre selon une direction perpendiculaire à l'axe longitudinal de la jauge d'une distance prédéfinie, ce procédé étant notamment caractérisé en ce que, pour la mesure d'au moins une caractéristique d'une solution - on sélectionne un couple d'électrodes prédéterminé, - on envoie sur l'électrode d'émission sélectionnée un signal électrique dont au moins une caractéristique est connue, telle son amplitude, - on recueille simultanément sur l'électrode de réception la réponse électrique au signal émis précité, - on extrait du signal recueilli, au moins une valeur caractérisant le dit signal reçu, - on mémorise cette valeur caractérisante, - on renouvelle les opérations précitées pour au moins certains des autres couples d'électrodes restant jusqu'au balayage complet de ces couples, puis - on quantifie pour chaque couple d'électrodes la conductance relative à chaque niveau correspondant. L'invention sera bien comprise à l'aide de la description ci-aprés faite à titre d'exemple non limitatif en regard du dessin ci-annexé qui représente schématiquement - figure 1 : un dispositif de mesure représenté sous forme de schéma bloc, - figure 2 : une jauge, - figure 3 : un détail de la jauge, - figure 4 : une vue en coupe selon IV-IV de la figure 3. En se reportant au dessin, on voit un dispositif 14 de mesure d'au moins une caractéristique d'une solution liquide 5 quelconque qui comprend un élément allongé 15, appelé jauge 15, plongé dans la solution selon un axe prédéterminé, laquelle jauge porte une pluralité de couples d'électrodes dites d'émission Ei et de réception Ri réparties selon l'axe 17 longitudinal de la jauge, chacune des électrodes présentant une face active 16 de géométrie prédéterminée parallèle à l'axe longitudinal de la jauge, les dites faces actives d'un même couple étant écartées l'une de l'autre selon une direction perpendiculaire à l'axe longitudinal de la jauge d'une distance prédéfinie. Selon l'invention, pour la mesure d'au moins une carActéristique d'une solution - on sélectionne un couple d'électrodes prédéterminé, - on envoie sur l'électrode d'émission sélectionnée un signal électrique dont au moins une caractéristique est connue, telle son amplitude, - on recueille simultanément sur l'électrode de réception la réponse électrique au signal émis précité, - on extrait du signal recueilli, au moins une valeur caractérisant le dit signal reçu, - on mémorise cette valeur caractérisante, - on renouvelle les opérations précitées pour au moins certains des autres couples d'électrodes restant jusqu'au balayage complet de ces couples, puis - on quantifie pour chaque couple d'électrodes la conductance relative à chaque niveau correspondant. Il s'agit non pas d'une conductivité spécifique exprimée en Siemens mais d'une valeur représentative de la conductance. Pour faciliter la compréhension, cette valeur représentative sera appelée conductance. Pour quantifier la conductance, on calcule le rapport entre la caractéristique connue du signal émis et la valeur caractérisante de la réponse. On peut visualiser ces différentes conductances et tracer la variation de celle-ci en fonction du niveau de mesure. Le procédé selon l'invention se repère à une mesure de conductance entre une électrode d'émission et une électrode de réception et dont la réponse est fonction du signal émis et de la conductance du liquide qui est notamment proportionnelle à la surface de la section perpendiculaire à la déviation du courant et inversement proportionnelle à la distance séparant deux électrodes. L'invention ne cherche pas à établir la valeur de conductivité spécifique d'un produit exprimé en Siemens mais elle s'attache à établir les variations de la conductance suivant le niveau d'immersion et, par analyse des résultats obtenus, à indiquer si la solution est un liquide de composition homogène ou s'il existe différentes couches de fluides. Le résultat de la conductance de chaque couche est fourni sur une échelle qui peut être trés étendue, par exemple, de l'alcool à l'ammoniaque en passant par l'eau déminéralisée, l'eau de pluie, l'eau du robinet, les eaux usées, etc ... En première approximation de la répartition des strates de liquides de conductivité différente, on compare de prôche en prôche les valeurs représentatives de la conductance relevée, on détermine, notamment en fonction de critères de comparaison déterminée, le nombre de niveaux ayant la même conductance puis on déduit l'épaisseur de chaque couche de liquide de nature différente en tenant compte du pas entre deux couples d'électrodes. Notamment dans le cas d'une solution dite homogène, on calcule le niveau de la surface libre par rapport à un référentiel Z, tel le bas de la jauge ou le fond d'une cuve, et pour cela - on détermine le nombre de couples d'électrodes dits couples de référence dont la conductance est sensiblement identique, - on extrait la valeur de conductance dite valeur de référence au moins du dernier couple de référence situé le plus haut, - on compare cette valeur de référence à la valeur de conductance du couple d'électrodes dit de surface situé au moins immédiatement au dessus du dernier couple d'électrodes de référence précité, - on applique à la dite comparaison au moins une fonction de corrélation F1 (K, Cm, Ss), F2 (k, Cm) prédéterminée liant les variations de conductance dues tant à la fraction immergée de la surface de l'électrode dite de surface qu'à la distance séparant un point de référence de cet électrode de surface de la surface libre du liquide et, - on calcule la hauteur totale du liquide en fonction des différents résultats de ces comparaisons et détermination ainsi que des paramètres de construction de la jauge, tels la distance séparant le fond du couple d'électrodes situé le plus bas et le pas séparant chaque couple d'électrodes. Pour le calcul de cette hauteur de liquide, on peut ainsi appliquer une formule du type H = Ho + Fo (Cm,n) + F1 (k, Cm, Ss) + F2 (k, Cm) où H représente la hauteur de liquide total, Ho représente la hauteur du bas du couple d'électrodes inférieur par rapport à un référentiel de niveau o, Cm représente la conductance relevée sur les couples d'électrodes dits de référence, Fo est égal au pas P que multiplie le nombre n de couples de référence ayant une conductance identique Cm, Ss est égal à la surface immergée du couple d'électrodes dit de surface, k est le rapport entre la conductance relevée sur le couple d'électrodes de surface et la conductance Cm, F1 est une fonction de corrélation liant la surface immergée d'une électrode d'un type donné à la variation de conductance, F2 est une fonction de corrélation qui lie la variation de conductance sur l'électrode de surface en fonction de la distance d'un point de référence de cette électrode à la surface libre de liquide. F1 et F2 sont exprimées initialement à partir des paramètres géométriques d'implantation des électrodes. C'est ainsi que l'on a montré que, si dans un domaine de mesure le rapport de conductance évolue dans une fourchette de zéro à quelques centaines, les fonctions ne dépendent, en première approximation, que de k. On choisit l'écartement P entre deux électrodes tel que celui-ci soit au plus égal à la valeur de F2 (Cm, k) pour k = 1. Selon l'invention, on corrige au moins les conductances en fonction de la température du liquide. La précision de la mesure, pour des solutions homogènes, est supérieure au pas de construction et est déterminée par les fonctions F1 (k, Cm, Ss) et F2 (k, Cm). De préférence, on place les surfaces actives 16 des électrodes d'émission dans un plan sécant à celui dans lequel sont placées les faces actives des électrodes de réception. Pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, les moyens comprennent en outre - des moyens pour sélectionner un couple d'électrodes prédéterminé, - des moyens pour envoyer sur l'électrode d'émission sélectionnée un signal électrique dont au moins une caractéristique est connue, telle son amplitude, - des moyens pour recueillir simultanément sur l'électrode de réception la réponse électrique au signal émis précité, - des moyens pour extraire du signal recueilli au moins une valeur caractérisant le dit signal reçu, - des moyens pour mémoriser cette valeur caractérisante, - des moyens pour renouveler les opérations précitées pour au moins certains des autres couples d'électrodes restant jusqu'au balayage complet de ces couples puis, - des moyens pour quantifier pour chaque couple d'électrodes la conductance relative à chaque niveau correspondant. Dans le présent dispositif, les électrodes en matériau inoxydable ou carbone/graphique sont, par exemple, disposées de façon équidistante, de préférence, le long d'une barre en matériau électriquement neutre à la surface de laquelle elles affleurent. Les moyens, pour sélectionner les électrodes et émettre des signaux vers les électrodes d'émission, comprennent, par exemple - un module de décodage 1 des commandes présentées sur un bus 13, - un générateur de signaux 2, - un module d'adressage 3 qui commande une série d'interrupteurs analogiques 4, 6 pour relier électriquement le générateur de signal aux différentes électrodes Ei. Les signaux reçus sur l'électrode de réception Ri sont envoyés à un analyseur de réponse 8 qui quantifie la conductance du liquide 5 et celle-ci est, soit convertie en valeur numérique 10 et transférée sur un calculateur par l'intermédiaire d'un bus 13, soit transmise sous forme analogique. La réponse de la sonde de température 7 est transmise à un module de correction 9 et sur un convertisseur analogique/numérique (non représenté) puis transférée sur le bus 13. Les électrodes inoxydables sont alors constituées par des barreaux de section rectangulaire ou cylindrique dont la surface affleure le corps en résine. La présente invention se distingue d'autres conductimètres ou limnigraphes par l'utilisation de plots en carbone graphite et non par l'utilisation d'électrodes métalliques fortement soumises à l'oxydation et dont la durée de vie est limitée ou à l'utilisation de métaux, tels que ltor ou le platine dont le coût devient prohibitif. La connexion des électrodes de carbone au circuit électrique ne peut être réalisée par soudure. Selon l'invention, les électrodes d'un même type sont reliées électriquement par un moyen de connexion 18 comprenant: - une plaque 19 en matériau isolant percée de trous 20 de section complémentaire à la section des électrodes et, - la face interne de ces trous est recouverte d'une couche 21 de matériau électriquement conducteur reliée à une ligne électrique 22 constituée elle-même par une couche de matériau électriquement conducteur formant ainsi une plaque de circuit imprimé et chaque électrode est engagée partiellement dans les trous. Avantageusement, les faces actives 16 des électrodes de réception sont dans un plan sécant au plan dans lequel s'étendent les faces actives des électrodes d'émission. L'arête 23 où stintersectent ces plans permet d'éliminer ou de diminuer la rémanence introduite par une brusque diminution du niveau de l'électrolyte. En effet, le film du liquide qui reste en dépôt pendant un certain temps fera apparaître une faible conductance en niveau haut. Pour un électrolyte de concentration homogène la conductance relevée sur les électrodes non immergées va diminuer trés fortement jusqu'à disparation, au bout de quelques secondes tout au plus. Ce phénomène (diminution de la conductance sur les électrodes de niveau haut) permet, pour des mesures rapprochées, de retracer le mouvement du liquide et notamment les tourbillons ou vagues. La présente disposition permet également de mesurer des projections de liquide sur la jauge même si celle-ci n'est pas totalement immergée. L'analyse de la mesure de la conductance ne nécessite pas une juxtaposition des électrodes en regard ou leur placement sur une même face. Celles-ci peuvent être disposées sur deux faces opposées ou jointives d'un barreau en résine epoxy immergé dans la solution à analyser. Dans la pratique et pour faciliter la fabrication industrielle, il est généralement plus simple de prendre des électrodes de même surface et de les disposer à une distance équivalente verticalement. Toutes les électrodes de réception Ri peuvent être reliées électriquement ou avantageusement remplacées par un seul barreau continu disposé verticalement sur toute la hauteur de la jauge. L'électronique associée est noyée dans une résine étanche non conductrice et résistant aux agressions chimiques des produits à mesurer. La jonction de l'électronique avec le milieu extérieur et notamment les connexions avec une centrale de commande ou un calculateur ainsi que l'alimentation sont réalisées à l'aide d'un connecteur étanche (non représenté). Pour une correction de la conductance en fonction de la température, la jauge comprend un capteur de température qui sera disposé au niveau bas de la jauge. La mesure est unique et instantanée (quelques millisecondes). L'analyse du signal reçu permet de déterminer la conductance à chaque niveau. Il s'en déduit le nombre total d'électrodes immergées, les hauteurs de plages sur des liquides non miscibles. Pour un liquide homogène, l'interpolation effectuée sur l'immersion partielle de la dernière électrode et sur le résultat obtenu par l'effet de surface permet de déterminer de façon continue la hauteur entre le bas de la dernière électrode immergée et le niveau réel. La mesure devient alors continue et non plus discrète. Dans sa généralité, le dispositif est indépendant de la conductance intrinsèque du liquide. Toutefois, plusieurs amplificateurs opérationnels de gains différents (non représentés), associés à un ou plusieurs convertisseurs (non représentés) analogiques/numériques permettent d'obtenir une précision affinée. Pour certaines applications spécifiques, un étalonnage préalable par rapport à des solutions connues permet également de déterminer le type ou la concentration du liquide, en même temps que le niveau. Les utilisations industrielles de la présente invention sont multiples. Le dispositif se prête aussi bien aux mesures en laboratoire, à la détermination de niveaux dans une cuve ou un récipient, dans une rivière, un étang, un puits, dans une canalisation d'eau, dans un déversoir d'orage, etc ... Dans une canalisation d'eaux usées, il permet de déterminer la hauteur, voire le débit à partir d'autres paramètres tels que la vitesse, et les variations de conductance dans un temps dont se déduit la qualité des eaux rejetées tels les pluies, hydrocarbures, eaux polluées, etc ... REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure d'au moins une caractéristique d'une solution liquide (5), lequel procédé met en oeuvre un dispositif (14) de mesure qui comprend un élément allongé (15), appelé jauge (15), plongé dans la solution selon un axe prédéterminé, laquelle jauge porte une pluralité de couples d'électrodes dites d'émission (Ei) et de réception (Ri) réparties selon l'axe (17) longitudinal de la jauge, chacune des électrodes présentant une face active (16) de géométrie prédéterminée parallèle à l'axe longitudinal de la jauge, les dites faces actives d'un même couple étant écartées l'une de l'autre selon une direction perpendiculaire à l'axe longitudinal de la jauge d'une distance prédéfinie, ce procédé étant CARACTERISE en ce que, pour la mesure d'au moins une caractéristique d'une solution - on sélectionne un couple d'électrodes prédéterminé, - on envoie sur l'électrode d'émission sélectionnée un signal électrique dont au moins une caractéristique est connue, telle son amplitude, - on recueille simultanément sur l'électrode de réception la réponse électrique au signal émis précité, - on extrait du signal recueilli, au moins une valeur caractérisant le dit signal reçu, - on mémorise cette valeur caractérisante, - on renouvelle les opérations précitées pour au moins certains des autres couples d'électrodes restant jusqu'au balayage complet de ces couples, puis - on quantifie pour chaque couple d'électrodes la conductance relative à chaque niveau correspondant. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'on compare de prôche en prôche les valeurs représentatives de la conductance relevée, on détermine le nombre de niveaux ayant la même conductance puis on en déduit l'épaisseur de chaque couche de liquides de natures différentes en tenant compte du pas entre deux couples d'électrodes. 3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que, dans le cas d'une solution dite homogène, on calcule le niveau de la surface libre par rapport à un référentiel zéro, tel le bas de la jauge, et pour cela - on détermine le nombre de couples d'électrodes dits couples de référence dont la conductance est sensiblement identique, - on extrait la valeur de conductance dite valeur de référence au moins du dernier couple de référence situé le plus haut, - on compare cette valeur de référence à la valeur de conductance du couple d'électrodes dit de surface situé au moins immédiatement au dessus du dernier couple d'électrodes de référence précité, - on applique à la dite comparaison au moins une fonction de corrélation F1 (k, Cm, Ss), F2 (k, Cm) prédéterminée liant les variations de conductance dues tant à la fraction immergée de la surface de l'électrode dite de surface qu'à la distance séparant un point de référence de cet électrode de surface de la surface libre du liquide et, - on calcule la hauteur totale du liquide en fonction des différents résultats de ces comparaisons et détermination ainsi que des paramètres de construction de la jauge, tels la distance séparant le fond du couple d'électrodes situé le plus bas et le pas séparant chaque couple d'électrodes. 4. Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'on établit au moins certaines des fonctions de corrélation en fonction des paramètres géométriques d'implantation des électrodes. 5. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'on choisit l'écartement entre deux électrodes tel que celuici soit au plus égal à la valeur de F2 (k, Cm) pour k = 1. 6. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'on corrige au moins les conductances en fonction de la température du liquide. 7. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'on place les surfaces actives des électrodes d'émission dans un plan sécant à celui dans lequel sont placées les électrodes de réception. 8. Moyens pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, lequel procédé met en oeuvre un dispositif (14) de mesure qui comprend un élément allongé (15), appelé jauge (15), plongé dans la solution selon un axe prédéterminé, laquelle jauge porte une pluralité de couples d'électrodes dites d'émission (Ei) et de réception (Ri) réparties selon l'axe (17) longitudinal de la jauge, chacune des électrodes présentant une face active (16) de géométrie prédéterminée parallèle à l'axe longitudinal de la jauge, les dites faces actives d'un même couple étant écartées l'une de l'autre selon une direction perpendiculaire à l'axe longitudinal de la jauge d'une distance prédéfinie, caractérisés en ce qu'ils comprennent - des moyens pour sélectionner un couple d'électrodes prédéterminé, - des moyens pour envoyer sur l'électrode d'émission sélectionnée un signal électrique dont au moins une caractéristique est connue, telle son amplitude, - des moyens pour recueillir simultanément sur l'électrode de réception la réponse électrique au signal émis précité, - des moyens pour extraire du signal recueilli au moins une valeur caractérisant le dit signal reçu, - des moyens pour mémoriser cette valeur caractérisante, - des moyens pour renouveler les opérations précitées pour chacun des autres couples d'électrodes restant jusqu'au balayage complet de ces couples puis, - des moyens pour quantifier pour chaque couple d'électrodes la conductance relative à chaque niveau correspondant. 9. Moyens selon la revendication 8 caractérisés en ce que les électrodes d'un même type sont reliées électriquement par un moyen de connexion (18) comprenant - une plaque (19) en matériau isolant percée de trous (20) de section complémentaire à la section des électrodes et, - la face interne de ces trous est recouverte d'une couche (21) de matériau électriquement conducteur reliée à une ligne électrique (22) constituée elle-même par une couche de matériau électriquement conducteur formant ainsi une plaque de circuit imprimé. 10. Moyens selon la revendication 8 caractérisés en ce que les faces actives des électrodes de réception sont dans un plan sécant au plan dans lequel s'étendent les faces actives des électrodes d'émission.