Brevet FR2736433A1 — publié le 19970110

PERFECTIONNEMENTS DES DISPOSITIFS DE MESURE DU NIVEAU DES METAUX LIQUIDES EN FONDERIE La présente invention concerne un perfectionnement aux dispositifs de mesure du niveau des métaux liquides en fonderie. Plusieurs dispositifs sont utilisés pour mesurer les niveaux de métal liquide dans les fours de fonderie. Nous citerons, par exemple, les mesures avec flotteurs, les mesures par capacité, par ultrasons, par induction, pour ne citer que les plus utilisées. Toutes ces mesures de niveau sont perturbées par les crasses à la surface du bain ou dans les premiers centimètres de métal près de cette surface ( les crasses s'accumulent sur le détecteur immergé dans le bain ). Ces crasses modifient la forme de la surface du bain en contact avec l'air et perturbent les systèmes d'ondes interactives de mesure. Dans les dispositifs de mesure du niveau par induction, deux enroulements sont bobinés côte à côte et ensemble sur un mandrin qui peut être soit en métal magnétique soit en céramique. Ces deux enroulements bobinés côte à côte et ensemble forment en général le primaire et le secondaire d'un transformateur de mesures. Dans ce cas pour que la mesure soit efficace, le diamètre extérieur du mandrin sur lequel sont bobinés les deux enroulements doit être faible devant sa hauteur; le champ est alors constant sur une bonne partie de ce mandrin. Dans ce procédé de mesure du niveau par induction, on alimente le primaire par une source de courant alternatif. On crée ainsi dans le secondaire une tension induite qui est maximale lorsqu'il n'y a pas de métal liquide autour de la sonde. Au fur et à mesure que le métal liquide monte autour de la sonde, il donne naissance en son sein, à une spire liquide en court-circuit, qui consomme une partie de l'énergie électrique induite par le primaire dans le secondaire. En conséquence, dans ce secondaire, la tension diminue au fur et à mesure que le niveau monte autour de la sonde. Cette variation de tension dans le secondaire permet donc de mesurer avec précision le niveau du bain de métal fondu. Dans certains dispositifs de mesure de niveau, les primaires et les secondaires sont bobinés dans des rainures hélicoîdales usinées dans un mandrin en céramique. Les fils des bobinages sont en maillechort, produit dont la résistivité électrique présente le défaut de varier en fonction de la température, ce qui tend à perturber la mesure. Dans d'autres capteurs, les enroulements primaires et secondaires sont bobinés en fils chemisés par une gaine en acier inoxydable et isolés par des poudres minérales comprimées par étirage. La gaine extérieure des fils conducteurs présente le défaut d'amortir les tensions induites et les flux magnétiques, ce qui tend à diminuer la précision de la mesure. Pour améliorer cette précision on cherche dans ce cas à augmenter le couplage entre le primaire et le secondaire. Ceuxci sont alors bobinés dans les rainures hélicoidales d'un mandrin support en acier austénitique ( donc magnétique ) très sensible à la température surtout dans la gamme de 6000C à 8000C , températures courantes dans un four de fonderie. Pour réduire les défauts de construction de ces types d'appareils de mesure, on est amené à prévoir, dans l'électronique de ceux-ci une correction de la mesure en fonction de la température du four. Par ailleurs, les crasses se formant en surface peuvent modifier la température de la sonde. Si elles restent découvertes lorsque le niveau du bain baisse, elles peuvent se solidifier autour de la sonde et elles ne peuvent plus être refondues, de sorte qu'elles modifient la température de la sonde, et de plus elles changent la résistance apparente de la spire en court-circuit de la partie du bain entourant la sonde. En résumé, dans tous les types de dispositifs de mesure par induction connus, la sonde de mesure est immergée directement dans le métal fondu, de sorte que sa surface externe n' est pas protégée des crasses du four qui perturbent la mesure du niveau. La présente invention a pour but de supprimer les effets néfastes des crasses sur la précision des mesures ainsi que l'influence de la température du bain. La présente invention concerne des perfectionnements au dispositif de mesure par induction du niveau d'un bain de métal fondu au moyen d'une sonde de mesure plongée dans le dit bain, la sonde étant essentiellement constituée par des enroulements bobinés côte à côte dans des rainures hélicoidales usinées dans un cylindre en céramique, ces deux enroulements formant le primaire et le secondaire d'un transformateur de mesure caractérisé en ce que la sonde cylindrique est protégée à l'extérieur par un cylindre concentrique en céramique délimitant autour de la sonde un volume cylindrique de métal fondu dépourvu de toute crasse, alimenté à sa partie inférieure par le bain de métal fondu et présentant une section horizontale constante. I1 en résulte que lorsque l'enroulement primaire de la sonde est parcouru par un courant alternatif, la tension induite dans l'enroulement secondaire, qui dépend du niveau du métal autour de la sonde va varier de façon parfaitement linéaire en fonction de la hauteur du niveau du bain, de sorte qu'il est désormais possible d'effectuer une mesure de niveau du métal fondu, de façon particulièrement précise et d'atteindre ainsi une précision de mesure qui n'avait pu être atteinte jusqu'à ce jour, à condition toutefois de prendre les quelques mesures complémentaires décrites ci-dessous. A la surface du métal fondu, délimité par le cylindre de protection, il pourrait se former des crasses au contact de l'oxygène de l'air. Pour éviter ce risque, le cylindre de protection se prolonge à sa partie supérieure par une couronne circulaire de céramique. Un conduit traversant cette couronne introduit dans le volume compris entre cette couronne et le niveau du métal fondu un flux d'azote qui élimine tout risque de formation de crasses. Enfin, dans ces appareils il existe encore une dernière source d'erreur : la variation de la température des enroulements suivant qu'ils sont plongés dans le métal fondu ou qu'ils restent en dehors de ce dernier. De même la variation de la température du bain entraîne une variation de la résistiviré électrique des conducteurs formant lers deux circuits.La variation de tension pouvant en résulter tend à réduire la précision de la mesure du niveau du bain du métal. Ppur rendre les fils des bobinages insensibles aux variations de température du four, on a sélectionné deux alliages. On utilise donc des fils en nickel-chrome ( 70% de nickel et 30% de chrome ), ce qui permet d'obtenir pour la résistance des bobinages une valeur restant fixe à + 8/1.000 près pour des températures pouvant varier entre 4000C et 8000C. On utilise également des fils résultant d'un alliage fernickel-chrome ( contenant 60% de nickel, 15% de chrome et 25% de fer ). On obtient ainsi une précision de + 2/1.000 à des températures comprises entre 6000C et 8000 C. Pour améliorer la précision des mesures, on monte en série, avec le bobinage secondaire une résistance extérieure à la sonde qui se trouve à une température constante et qui sera largement dimensionnée pour ne pas chauffer par effet Joule. On obtient alors une mesure rigoureusement insensible aux variations de la température du four. L'invention sera mieux comprise en se reportant aux figures jointes dans lesquelles La figure n01 représente une coupe verticale du dispositif mis en oeuvre. La figure n02 décrit les courbes de la variation de la résistivité des conducteurs en fonction de la température. Dans la figure n"l, on voit en (1) la sonde de mesure constituée par un mandrin cylindrique de céramique comportant des spires primaires (6) et secondaires (7) bobinées dans des rainures hélicoidales usinées dans le dit mandrin cylindrique en céramique. La sonde (1) est protégée au moyen d'un cylindre de céramique (2). Le volume de métal fondu compris entre la sonde (1) et le cylindre (2) est délimité à sa partie supérieure par une spire liquide horizontale de section constante. Ce cylindre de protection (2) protège la sonde des crasses flottant à la surface du four. En outre, ce cylindre de protection (2) est prolongé à sa partie supérieure par une couronne circulaire (8) percée d'une ouverture centrale (10) permettant le passage de la sonde (1).La partie supérieure de la sonde est isolée thermiquement de la partie plongeant dans le métal par une couche de protection thermique (3). La couche de protection thermique (3) ainsi que la couronne circulaire (8) sont traversées par un conduit vertical (4) amenant de l'azote à la surface du métal fondu délimité par le cylindre de protection (2). La figure n02, décrit les variations de la résistivité du fil utilisé en fonction de la température. La courbe A correspond au fil de Nickel-Chrome 70/30 . Sa résistivité varie de la façon suivante Résistivité en Q-mm2/m Température enoC 1,245 400 1,26 500 1,25 600 1,245 700 1,24 800 ce qui donne une précision de + 0,8 % sur les valeurs des résistances des bobinages. Nous ajoutons en série avec le bobinage du secondaire une résistance extérieure très largement dimensionnée. On obtient alors quelle que soit la variation de la température du bain une mesure rigoureusement insensible à ces variations de température. Ce produit sera utilisé dans le cas particulier où la température interne n'est pas constante le long de la sonde. La courbe B correspond au fil en Fer-Nickel-Chrome (25-60-15). Sa résistivité varie de la façon suivante entre 6000C et 8000C Résistivité en Q-mm2/m Température en OC 1,22 600 1,22 700 1,225 800 ce qui donne une précision de + 0,2 % entre 6000C et 800"C. Ce fil sera préféré lorsque la température de la sonde ne variera pas beaucoup. Il y a lieu de noter que ces fils sont protégés de l'action du métal fondu par une jupe en céramique spéciale en contact sur toute la longueur avec la sonde. L'alimentation du primaire sera réalisée au moyen d'un pont de WIEN fournissant une fréquence entre 1.000 et 3.000 Hertz. L'intensité débitée par cette source sera stabilisée au moins à 1 pour 1.000. On aura alors un flux magnétique primaire restant constant quelle que soit la hauteur du bain. La tension induite dans le bobinage sera alors rigoureusement proportionnelle à la variation du niveau du bain. Pour éliminer l'influence des parasites électriques, cette tension secondaire sera redressée dans un système à détection synchrone. Ce système, en réalité travaille sur la variation de l'angle de phase entre primaire et secondaire. Suivant les applications, on insère dans l'électronique de l'appareil des détecteurs de valeur de seuil de cette tension secondaire pour déclencher des relais de seuil correspondant à des niveaux du bain de métal préalablement sélectionnés. Ces dispositions permettent d'obtenir une mesure du niveau très précise et absolument insensible aux variations de la température du métal dans le four. Par ailleurs il y a lieu de noter qu'il est possible de conserver dans le temps cette précision de la mesure, car la sonde se trouve hors d'atteinte des effets néfastes des crasses du four. Bien entendu, on pourra utiliser ces mesures de niveau pour alimenter des indicateurs externes ou internes à l'appareillage. On pourra utiliser le signal de sortie d'un relai de seuil pour réguler des systèmes, par exemple, un remplissage automatique de très grande précision des moules ou des fours. On peut de même asservir de cette façon le débit d'une pompe électromagnétique. REVENDICATIONS 1 - Perfectionnement au dispositif de mesure par induction du niveau d'un bain de métal fondu au moyen d'une sonde de mesure plongée dans le dit bain, la sonde étant essentiellement constituée de deux enroulements bobinés côte à côte dans des rainures hélicoidales usinées dans un cylindre en céramique, ces deux enroulements formant le primaire et le secondaire d'un trasformateur de mesure, caractérisé en ce que la sonde cylindrique est protégée à l'extérieur par un cylindre concentrique en céramique délimitant autour de la sonde un volume cylindrique de métal fondu alimenté à sa partie inférieure par le bain de métal fondu et offrant une section horizontale constante dépourvue de toute crasse. 2 - Perfectionnement au dispositif de mesure du niveau d'un bain de métal fondu par induction selon la revendication n"l, caractérisé en ce que le cylindre de céramique (2) assurant la protection de la sonde cylindrique est muni d'une couronne de même nature dotée en son centre d'une ouverture pour permettre le passage de l'extrémité supérieure de la sonde (1). 3 - Perfectionnement au dispositif de mesure du niveau d'un bain de métal fondu selon la revendication n"2, caractérisé en ce que la surface du métal fondu occupant le volume compris entre la sonde (1) et la gaine de protection (2) est maintenue exempte de toute crasse par l'injection d'un courant d'azote circulant dans dans un conduit (4) percé dans la couronne (8). 4 - Perfectionnement au dispositif de mesure du niveau d'un bain de métal fondu selon la revendication n"l, caractérisé en ce que les fils des bobinages de la sonde sont réalisés au moyen d'un alliage formé de 70% de Nickel et 30% de Chrome le rendant insensible aux variations de la température le long de la sonde de mesure. 5 - Perfectionnement au dispositif de mesure du niveau d'un bain de métal fondu selon la revendication n"l, caractérisé en ce que les fils des bobinages de la sonde sont réalisés au moyen d'un alliage formé de 25% de Fer, 60% de Nickel et 15% de Chrome le rendant insensible aux variations de la température