Brevet FR2733318A1 — publié le 19961025

La présente invention est relative à un dispositif de mesure de la densité ou de la masse volumique d'un liquide chimiquement stable ou en cours de fermentation, contenu dans une enceinte. La mesure de la masse volumique intervient principalement dans le contrôle des procédés industriels, continus ou discontinus, de transformation suivants: - la fermentation: la densimétrie permet d'évaluer le stade instantané de l'évolution de la réaction biologique; - les réactions chimiques avec dégagement gazeux: la densimétrie est une indication quant au niveau de réaction des produits; - les mélanges : la densimétrie contrôle le pilotage ou le suivi d'un système en cours de mélange (saumure, sirop, gaz + liquide, ...); - les émulsions: la densimétrie contrôle l'état de mélange des phases. Les dispositifs connus permettant la mesure de la masse volumique ou de la densité d'un liquide, sont classés en quatre familles. On distingue notamment: - les densimètres manuels : sorte de flotteurs ou ludions à lecture directe, - les densimètres à débit dérivé à lecture déportée : densimètre à tube vibrant, à rayon gamma, à section flottante, - les densimètres immergés à lame vibrante ou à mesure de différence de pression, - les densimètres à mesure de dégagement gazeux. Les principaux inconvénients de ces densimètres résident notamment dans leur lecture difficile, dans leur utilisation délicate, dans la mesure effectuée sur un échantillon prélevé, dans le prix de l'appareil, et dans son coût d'installation sur le procédé. La présente invention vise donc à pallier ces inconvénients en proposant un dispositif de mesure qui ne perturbe pas le milieu dans lequel il est immergé et qui autorise une mesure en continu sur le produit et non sur un échantillon prélevé. A cet effet, le dispositif de mesure de la masse volumique d'un liquide, objet de l'invention, se caractérise en ce qu'il comporte une enceinte dont chacune des extrémités est obturée par une paroi, chacune de ces parois coopérant par sa surface interne à un organe de transmission, relié à la partie mobile d'un capteur de force à jauge de contraintes, la partie fixe du capteur de force demeurant solidaire de ladite enceinte, cette dernière étant immergée dans une cuve remplie d'un liquide dont on veut mesurer la masse volumique. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures: - la figure 1 est une vue en coupe, en élévation frontale, du dispositif objet de l'invention; - la figure 2 est une vue de dessus en coupe de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue en coupe, à plus grande échelle, du capteur de force. - la figure 4 est une vue en coupe illustrant deux modes de réalisation différents du dispositif objet de l'invention. Selon un mode préféré de réalisation du dispositif de mesure de la densité ou de la masse volumique d'un liquide, objet de la présente invention, comporte essentiellement une enceinte 1, avantageusement conformée en un tube de section droite notamment circulaire et dont les parois sont rigides ; en outre ces parois sont constituées dans un matériau agréé par les réglementations en vigueur dans l'industrie agro-alimentaire, tel que du P.V.C., inox etc... Cette enceinte 1 est munie à chacune de ses extrémités 2, 3 d'une paroi 4, souple, élastique, mais non plastique, avantageusement de surface égale. Cette paroi 4, selon un premier mode de réalisation, est réalisée sous la forme d'une membrane 5 en latex naturel ou synthétique et qui obstrue de manière étanche ladite enceinte 1; ainsi, on prévoit de solidariser chaque membrane 5 à chaque extrémité de l'enceinte par l'intermédiaire d'un collier 6. Selon un second mode de réalisation, ladite enceinte 1 est dépourvue de membranes 5, et la paroi 4 d'obturation est constituée par la face externe d'un plateau 7. Afin de garantir l'étanchéité de l'enceinte 1, on dispose sur le champ de chacun des plateaux 7 disposés à l'extrémité de ladite enceinte 1, dans une rainure, une garniture d'étanchéité telle que notamment un joint torique ou un joint à lèvres. A l'intérieur de l'enceinte, on dispose deux organes de transmission 8, 9, chacun d'entre eux étant formé d'un plateau 7 et d'au moins une tige 10 faisant saillie perpendiculairement par rapport à la face interne dudit plateau 7. La face externe de chaque plateau 7 est, selon le mode de réalisation choisi de la paroi 4 d'obturation de l'enceinte 1, placée en regard de la membrane 5 tendue ou du liquide. Dans une conception utilisant une membrane 5, la face interne de chacune d'entre elles est en contact de la face externe de chacun des plateaux 7. Chacun des plateaux 7 ainsi positionné à l'intérieur de l'enceinte 1 est guidé et se déplace en translation, sans frottement, selon l'axe longitudinal en fonction des variations de position desdites membranes 5. Par ailleurs, chacune des tiges 10 issues de chacun des plateaux 7, formant l'organe de transmission 8, 9, est connectée par l'intermédiaire de moyens connus (vissage, rivetage, collage, sertissage ...) à un étrier 11. L'ensemble des éléments constitués par les plateaux 7, les tiges 10 et l'étrier 11, est réalisé dans un matériau qui assure une masse et une rigidité suffisantes compte tenu des sollicitations mécaniques qui s'exercent sur chacune des parois frontales, particulièrement ces éléments pourront être réalisés en aluminium, ou en alliage d'aluminium ou dans une résine synthétique à base d'un polymère de méthacrylate de méthyle, ou d'un polyéthylène téréphtalate ou d'un polyéthylène naphtalate. Par ailleurs, L'étrier 11 est solidaire de la partie mobile 12 d'un capteur de force 13 pourvu de jauges de contraintes 14, la partie fixe 15 étant connectée à l'intérieur de l'enceinte 1 et placée en regard de la partie mobile 12. On sait que les jauges de contraintes 14 lorsqu'elles sont soumises à des déformations mécaniques, notamment de compression, de torsion, ou de flexion, voient leur impédance varier en fonction de l'intensité de ces sollicitations mécaniques, il suffit donc d'effectuer un montage électrique adéquat de ces jauges 14, notamment en pont équilibré ou déséquilibré pour enregistrer ces variations d'impédance. Ainsi, si on utilise deux organes de transmission 8, 9 placés en vis-à-vis dans une enceinte 1 munie de deux membranes 5 coopérant avec lesdits organes 8, 9, les tiges 10 venant de chacun des plateaux 7 étant comprises dans des plans parallèles entre eux, et reliées à un même étrier 11, le capteur de force 13 sera soumis à des efforts de compression issus des forces engendrées par la pression du liquide sur les parois frontales de l'enceinte constituées par les membranes ou par la face externe desdits plateaux. On pourra également, pour assurer le contact permanent de la membrane 5 avec l'organe de transmission 8, 9, interposer entre la face externe de cet organe et la face interne de la membrane 5, une couche de mousse. Selon un autre mode de réalisation du dispositif objet de l'invention, on pourra supprimer l'un des organes de transmission et notamment au niveau de la tige 10 de ce dernier et directement placer l'étrier 11 au contact de la paroi 4, cet étrier 11 étant quant à lui connecté à la partie mobile 12 du capteur de force 13. En considérant les paramètres suivants: - MI: masse de l'un des organes de transmission; - M2: masse de l'autre organe de transmission - Spi : surface de l'une des membranes; - S2 : surface de l'autre membrane; -HI : hauteur immergée de l'une des membranes; - H2: hauteur immergée de l'autre membrane; - p : masse volumique du liquide; - P0 : masse volumique de l'eau; - d : densité du liquide; - g : accélération de la pesanteur; - R : résultante s'exerçant sur le capteur de force; -È1 : force s'exerçant sur l'une des membranes; -È2 : force s'exerçant sur l'autre membrane; - Pl : poids de l'un des organes de transmission; - P2 : poids de l'autre organe de transmission; il est possible de déterminer R par résolution de l'équation vectorielle suivante R +É1 +È2 + Pi + P2 = Les forces s'exerçant sur les membranes sont essentiellement des forces de pression (F=P.S) où P représente la pression statique régnant dans le volume. (Le terme de pression dynamique sera négligé compte tenu que le volume dans lequel est immergé ledit dispositif est suffisamment vaste pour que la vitesse du liquide soit quasiment nulle au voisinage des membranes ou des parois). L'évolution de la masse volumique en fonction des forces s'exerçant sur les membranes 5 s'obtient par projection sur les trois axes de l'espace de cette équation. Cette équation projetée sur un axe vertical devient (les projections sur les deux autres axes sont toutes nulles ou s'annulent) On pourra ne pas tenir compte dans cette équation du poids des différents organes de transmission par un réglage approprié de l'électronique de l'appareil de mesure et particulièrement au niveau de son point d'origine. et l'équation devient: avec d = Po A partir de cette équation, on déduit que si le dispositif, objet de l'invention, est disposé dans une enceinte contenant un liquide dont on veut déterminer la masse volumique ou la densité, en ayant par hypothèse de construction fixé H1 W H2 , et S1 =S2 , la densité est directement proportionnelle à la résultante R. La valeur de la résultante R est fournie par le capteur de force à jauge de contrainte. Le dispositif de mesure de la densité ou de la masse volumique d'un liquide, objet de l'invention, met en oeuvre cette équation. En fonction des applications visées, on utilisera deux membranes immergées dans le liquide selon des niveaux différents, ou deux membranes de surfaces différentes immergées à un même niveau. Préférentiellement, L'enceinte 1 comporte un orifice 16 pour le passage de l'ensemble des fils d'entrée et de sortie nécessaires à l'alimentation de l'électronique et à l'exploitation du signal de mesure provenant du capteur de force 13 à jauges de contraintes 14. Cet orifice 16 selon un autre mode de réalisation de l'invention est pourvu d'un flexible de mise à l'air libre pour l'établissement éventuel d'une contrepression sur les parois. Le densimètre, objet de l'invention, offre de multiples avantages : tout d'abord il est insensible à la viscosité du liquide dans lequel il est immergé. II est d'un entretien simple, ce qui garantit l'hygiène du milieu. Par ailleurs, son coût d'achat et d'installation n'est pas du tout comparable et est nettement inférieur à celui des densimètres à débit dérivé ou des densimètres immergés connus de l'art antérieur. II demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés ci-dessus, mais qu'elle en englobe toutes les variantes. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de mesure de la masse volumique d'un liquide, caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte (1) dont chacune des extrémités (2, 3) est obturée par une paroi (4), chacune de ces parois (4) coopérant par sa surface interne à un organe de transmission (8, 9), relié à la partie mobile (12) d'un capteur de force (13) à jauge de contraintes (14), la partie fixe (15) du capteur de force (13) demeurant solidaire de ladite enceinte (1), cette dernière étant immergée dans une cuve remplie d'un liquide dont on veut mesurer la masse volumique. 2 - Dispositif de mesure de la masse volumique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi (4) est constituée d'une membrane (5) souple. 3 - Dispositif de mesure de la masse volumique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la membrane (5) est en latex. 4 - Dispositif de mesure de la masse volumique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi (4) est constituée par la face externe d'un plateau (7), ce dernier étant muni sur son champ d'une garniture d'étanchéité. 5 - Dispositif de mesure de la masse volumique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de transmission (8, 9) comporte un plateau (7) et au moins une tige (10) faisant saillie perpendiculairement, lesdites tiges coopérant au niveau d'un étrier (11). 6 - Dispositif de mesure de la masse volumique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étrier (11) est solidaire de la partie mobile (12) du capteur de force (13). 7 - Dispositif de mesure de la masse volumique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on interpose entre la face interne de la membrane (5) et la face externe du plateau (7) une épaisseur de mousse. 8 - Dispositif de mesure de la masse volumique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enceinte (1) est pourvue d'un orifice (16) pour le passage des fils nécessaires à l'électronique du capteur de force (13) à jauges de contraintes (14). 9 - Dispositif de mesure de la masse volumique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tiges (10) issues de chacun des plateaux (7) sont disposées selon deux plans parallèles entre eux. 10 - Dispositif de mesure de la masse volumique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enceinte (1) comporte un unique organe de transmission (8).