Brevet FR2737296A1 — publié le 19970131

Dispositif de mesure par volumenométrie La présente invention concerne un dispositif de mesure du volume d'un produit, notamment en faible quantité, par volumenométrie et un procédé de mise en oeuvre de ce dispositif. La mesure du volume permet ensuite de déterminer aisément la densité, ou la masse volumique, du produit. Cette mesure expérimentale de la densité d'un produit est très recherchée dans les domaines tels que la physique, la chimie, la métallurgie ou la minéralogie. Les techniques habituelles de mesure de densités des solides sont généralement d'un usage peu commode. La pycnométrie, par exemple, procède par immersion du solide dans un liquide. Elle est peu adaptée aux faibles quantités de matière synthétisées dans les laboratoires de recherche, et son usage reste contraignant (élimination délicate des bulles d'air incluses dans les poudres, séparation et récupération du solide et du liquide, risque de contamination d'une phase par l'autre...). On utilise aussi la flottation, ou immersion de cristaux dans un mélange liquide de densité variable. La flottation a l'avantage d'utiliser une quantité minime de produit mais l'inconvénient de mettre en oeuvre des liquides souvent toxiques et onéreux. La volumenométrie consiste à mesurer la variation de pression d'un gaz dans une enceinte fermée, avant et après l'introduction du produit étudié dans cette enceinte. On peut procéder par compression ou par détente du gaz. L'immersion dans un gaz permet d'éliminer les insuffisances des techniques précédentes. Ainsi, il n'y a pas de risque de contamination du produit, ni perte de matière, sauf éventuellement, une quantité infime de gaz si l'on utilise un gaz autre que l'air. De plus, la récupération du produit après la mesure se fait sans contrainte de séparation du produit et du milieu utilisé pour la mesure. Pourtant, et bien que sa découverte soit très ancienne, la volumenométrie est mise en oeuvre par des dispositifs de manipulation fastidieuse, encombrants et relativement dangereux. En effet, l'appareillage traditionnel met en jeu trois parties: une enceinte de mesure, dans laquelle on introduit le produit, une colonne manométrique à mercure et un tube flexible muni d'une ampoule à mercure, ouvert à l'air libre. La mesure est réalisée par déplacement vertical, par l'utilisateur, de l'ampoule à mercure. Il en résulte plusieurs contraintes telles que la dimension excessive de l'appareil, le danger de manipulation d'une grande quantité de mercure, la pollution par le mercure de l'environnement, la dégradation de la qualité du mercure (poussières, matériau du tube), un niveau du mercure sensible aux contractions et aux dilatations du tube flexible. La présente invention a pour but de proposer un dispositif de mesure par volumenométrie qui ne présente pas les inconvénients précités et qui, tout en étant de taille réduite, permette de réaliser les mesures de volume d'un solide très facilement, voire de manière entièrement automatisée. Le dispositif de mesure par volumenométrie visé par l'invention comprend une enceinte de mesure d'un volume prédéterminé. Il est caractérisé en ce qu'il comporte un réservoir d'un liquide ayant une ouverture de sortie, des moyens Il est de communication s'étendant entre ladite ouverture de sortie et l'enceinte de mesure, des moyens de variation adaptés à modifier le volume dudit réservoir et à déplacer ledit liquide dans les moyens de communication jusqu'à l'enceinte de mesure et des moyens de mesure adaptés à mesurer une valeur représentative de la pression du gaz contenu dans l'enceinte de mesure. Ainsi, en modifiant le volume du réservoir, le liquide est déplacé dans les moyens de communication, de sorte que l'on peut comprimer ou détendre aisément le gaz contenu dans l'enceinte de mesure. Pour un même déplacement de liquide, on peut ainsi mesurer les variations de pression du gaz lorsque l'enceinte de mesure est vide et lorsqu'elle contient un produit, et déterminer ainsi le volume de ce dernier. La mesure volumenométrique est donc réalisable facilement par simple modification du volume du réservoir de liquide. De préférence, lors de la mesure, les moyens de variation sont adaptés à diminuer le volume dudit réservoir. Ainsi, la mesure est réalisée en comprimant le gaz contenu dans l'enceinte de mesure grâce au déplacement du liquide vers cette enceinte. Cette mesure par compression est plus précise car on mesure une valeur représentative de la pression du gaz contenu dans un volume plus petit que lors de la mesure par détente. L'erreur faite sur le volume du produit étudié est donc plus faible. Selon une version avantageuse de l'invention, les moyens de mesure comprennent une tige de mesure débouchant avec les moyens de communication dans ladite ouverture de sortie du réservoir. Grâce à cette disposition, le déplacement du liquide du réservoir dans la tige de mesure et dans les moyens de communication est réalisé à partir d'un point commun, l'ouverture de sortie du réservoir. Ce point commun crée ainsi un repère physique fixe pour le déplacement du liquide et la mesure de la variation de pression dans l'enceinte de mesure et évite à l'utilisateur de devoir se fixer un repère de référence à partir duquel le liquide est déplacé. Selon un autre aspect de l'invention, le procédé de mise en oeuvre du dispositif de l'invention comprend les étapes suivantes: a) on modifie le volume dudit réservoir de manière à déplacer le liquide dans les moyens de communication au niveau d'un premier repère; b) on modifie le volume dudit réservoir pour déplacer le liquide au niveau d'un second repère des moyens de communication, l'enceinte de mesure étant vide; c) on mesure la variation d'une valeur représentative de la pression du gaz contenu dans l'enceinte de mesure entre l'étape a) et b); d) on modifie le volume du réservoir pour déplacer le liquide au niveau dudit premier repère; e) on place le produit dans l'enceinte de mesure; f) on modifie le volume du réservoir pour déplacer le liquide au niveau dudit second repère;; g) on mesure la variation de ladite valeur représentative de la pression du gaz contenu dans l'enceinte de mesure entre l'étape d) et f); et h) on calcule le volume dudit produit en fonction desdites valeurs représentatives de la pression mesurées et des volumes constitués par l'enceinte de mesure et les moyens de communication jusqu'au premier repère ou au second repère. Le volume d'un produit est ainsi aisément mesurable par des manipulations simples. Par conséquent, on accède facilement à la densité d'un produit. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs: - la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif conforme à l'invention fonctionnant par compression; - la figure 2 est une vue identique à la figure 1, le dispositif fonctionnant par détente; - la figure 3 est une vue d'une deuxième réalisation de l'invention; et - la figure 4 est une vue d'une troisième réalisation de l'invention. Le dispositif conforme à l'invention va tout d'abord être décrit en référence aux figures 1 et 2. Il comprend une enceinte de mesure 10 d'un volume prédéterminé V0, un réservoir 20 d'un liquide 21 est relié à l'enceinte de mesure 10 par des moyens de communication 23. Les moyens de communication 23 débouchent dans le réservoir 20 au niveau d'une ouverture de sortie 22. Dans cet exemple, les moyens de communication 23 sont constitués d'un tube capillaire et d'une ampoule 24. Cette dernière a pour rôle d'augmenter le volume des moyens de communication 23 de sorte que le volume défini entre les repères 50 et 51 soit suffisamment important pour obtenir une bonne précision dans les mesures comme cela sera mieux compris dans la description du fonctionnement de ce dispositif. Des moyens de variation 30 sont adaptés à modifier le volume du réservoir 20 et à déplacer le liquide 21 dans les moyens de communication 23 jusqu'à l'enceinte de mesure 10. Le réservoir 20 est constitué d'un tube souple, les moyens de variation 30 comprenant un dispositif de serrage tel qu'une pince de serrage 33 qui permet de comprimer le tube souple et un ressort de rappel 34 qui maintient la pince 33 en position ouverte. Des moyens de mesure 40 sont adaptés à mesurer une valeur représentative de la pression du gaz contenu dans l'enceinte de mesure 10. Dans cet exemple, le liquide 21 est du mercure et les moyens de mesure comprennent une tige capillaire 40, en communication avec le réservoir 20 et adaptée à mesurer une dénivellation hl, h2 de mercure. Le procédé de mise en oeuvre de ce dispositif pour la mesure d'un volume d'un produit 15 va être décrit ci-dessous. Comme illustré à la figure 1, la mesure peut être effectuée par compression du gaz contenu dans l'enceinte de mesure 10. Dans ce cas, les moyens de variation 30 sont adaptés à diminuer le volume du réservoir 20 lors de la mesure. Le procédé comprend les étapes suivantes: a) on modifie le volume du réservoir 20 de manière à déplacer le liquide 21 dans les moyens de communication 23 au niveau d'un premier repère 51. Le gaz de l'enceinte de mesure 10 occupe alors un volume V1 constitué par l'enceinte de mesure 10 proprement dite et la partie des moyens de communication comprise entre les repères 50 et 51. Ce réglage peut être obtenu en diminuant la compression exercée par la pince de serrage 33 sur le tube souple 20; b) l'enceinte de mesure 10 étant vide, on comprime le tube souple 20 pour déplacer le liquide au niveau d'un second repère 50 de sorte que le gaz occupe alors un volume V0, plus petit que V1; c) la compression du gaz correspond alors à une dénivellation hl mesurée sur le tube de mesure 40. Des graduations en mm sont généralement prévues le long de ce tube de mesure 40. La variation de hauteur de mercure dans le tube de mesure est en effet bien représentative de la pression du gaz contenu dans l'enceinte de mesure 10; d) on relâche la compression exercée sur le tube souple pour ramener le mercure 21 au niveau du premier repère 51; e) on place le produit 15 dans l'enceinte de mesure 10.On peut au préalable mesurer la masse de la quantité de produit 15 introduite de manière à pouvoir ensuite calculer la densité ou la masse volumique du produit 15; f) on comprime de nouveau le tube 20 pour déplacer le mercure 21 au niveau du second repère 50; g) on mesure la dénivellation de mercure h2 supérieure à hl sur le tube de mesure; h) et on calcule le volume V du produit 15 en fonction de hl, h2 et de V0 suivant la formule h2 - h1 V = Vg h2 La formule ci-dessus se déduit aisément des équations d'égalité de pression dans le tube de mesure 40 et l'enceinte de mesure: A l'étape c), on a HV1 = (H + hl) V0 et à l'étape g), on a H(V1-V) = (H + h2) (Vg - V) H correspondant à 1 atmosphère (1,01 bar). De manière équivalente, la mesure par volumétrie peut être réalisée par détente du gaz contenu dans l'enceinte de pression. En référence à la figure 2, on procède de la manière suivante: a) on comprime le tube souple 20 pour déplacer la colonne de mercure jusqu'au repère 50; b) l'enceinte de mesure étant vide, on laisse descendre le mercure jusqu'au repère 51, en relâchant la pince de serrage 33; c) on observe une dénivellation hl: HVo = (H - hl) V1 d) on comprime de nouveau le tube souple pour ramener la colonne de mercure au niveau du repère 50; e) on introduit le produit 15 dans l'enceinte de mesure; f) on laisse descendre le mercure jusqu'au second repère 51; g) on mesure une dénivellation h2 sur le tube de mesure 40 de sorte que:: H(Vo - V) = (H - h2) (V1 - V) h) on détermine ensuite le volume V par simple calcul par la formule h2 - h1 V = V1 h2 Les volumes V0 et V1 peuvent être déterminés expérimentalement au préalable en utilisant un volume standard connu Vs, de sorte que h2 V1 = VS h2 - hl lors d'une mesure par détente et h2 VO = Vs h2 - hl lors d'une mesure par compression. L'expérience et les calculs prouvent que la mesure par compression est plus précise et constitue donc une version préférée de l'invention. Ainsi, dans le procédé par compression décrit ci-dessus, on diminue le volume du réservoir 20, à l'étape b) et f) pour déplacer le liquide 21 jusqu'à l'enceinte de mesure 10, au niveau du repère 50 de sorte que le gaz est comprimé dans un volume V0. Lorsque la quantité de produit 15 est très faible, il peut être avantageux d'introduire dans l'enceinte de mesure, entre le produit 15, un élément formant lest de volume connu. L'espace vide dans l'enceinte de mesure 10 est ainsi réduit, ce qui permet de gagner de la précision sur la valeur du volume V du produit 15. Cet appareillage permet d'obtenir dans une mesure par compression des précisions de l'ordre du millième. Il permet de mesurer notamment des petits volumes. En référence aux figures 3 et 4, des réalisations préférées de l'invention vont être décrites. Elles permettent notamment de supprimer l'utilisation d'un tube souple et de la pince de serrage 33, et de simplifier les mesures. Ce dispositif comprend de même une enceinte de mesure 10 reliée à un réservoir 20 de liquide 21 par des moyens de communication 23 semblables à ceux déjà décrits ci-dessus. Les moyens de mesure comprennent une tige de mesure 40 qui débouche avec les moyens de communication 23 dans l'ouverture de sortie 22 du réservoir 20. Une fourche est ainsi créée entre les deux tubes 40 et 23, ce qui procure un repère physique permanent similaire au repère 51 décrit dans les figures 1 et 2. Cette disposition permet de simplifier la mesure du volume du produit comme cela sera décrit plus loin. Dans la figure 3, la tige capillaire de mesure 40 peut avoir une hauteur de 90 cm. Le liquide 21 étant du mercure, la dénivellation observée sur la tige 40 est bien représentative de la pression du gaz contenu dans l'enceinte 10. De préférence, la tige de mesure 40 est fermée à son extrémité par une ampoule 42. Toute communication du mercure avec l'extérieur est ainsi éliminée. Un robinet 43 peut être prévu sur l'ampoule 42 pour communiquer avec l'extérieur et permettre notamment l'introduction d'un gaz, tel que de l'hélium, différent de l'air, dans l'enceinte de mesure 10. Cette dernière comprend de préférence une partie fixe 11 et une éprouvette 12 amovible, adaptée à contenir le produit 15, un raccord 13 étant adapté à fixer l'éprouvette 12 à la partie fixe sans variation du volume V0 de l'enceinte de mesure 10. De tels raccords sont bien connus dans le commerce et ne seront pas décrits davantage ici. L'utilisateur de ce dispositif est notamment facilitée par la conception du réservoir 20. Il est constitué d'une enceinte indéformable, les moyens de variation 30 comprenant un piston 31 ayant une tige 32 emboîtée dans une portion du réservoir 20 et adaptée à coulisser dans cette portion de réservoir. Ainsi, le réservoir 20 peut être constitué d'un tube cylindrique possédant à une extrémité l'ouverture de sortie 22, le piston 31 étant monté dans l'autre extrémité du réservoir 20. Le déplacement en translation de la tige de piston 32 peut être obtenu par rotation, en utilisant de manière connue une tige filetée. Le procédé de mise en oeuvre du dispositif de la figure 3 est le suivant: a) on diminue le volume du réservoir 20 pour déplacer le liquide 21 dans les moyens de communication 23 jusqu'à l'enceinte de mesure 10, celle-ci étant vide. Le liquide est ainsi déplacé jusqu'au repère 50; b) on mesure une valeur représentative hl de la pression du gaz contenu dans enceinte de mesure 10 à l'étape a). Lorsque le liquide est du mercure, on mesure sur la tige capillaire 40, une hauteur hl de mercure; c) on augmente le volume du réservoir 20 pour ramener le liquide dans le réservoir; d) on place le produit 15 dans l'enceinte de mesure 10; e) on diminue le volume du réservoir 20 pour déplacer le liquide dans le moyen de communication 23 jusqu'à l'enceinte de mesure, c'est-à-dire au niveau du repère 50; f) on mesure une valeur représentative h2 de la pression du gaz contenu dans l'enceinte de mesure à l'étape e).Cette valeur est dans cet exemple la hauteur de mercure sur la tige capillaire 40; g) on calcule le volume V du produit 15 en fonction des valeurs représentatives hl, h2 de la pression du gaz et du volume V0 de l'enceinte de mesure 10 suivant la formule h2 - h1 V = VO h2 V0 correspondant au volume de l'enceinte de mesure 10 jusqu'au repère 50. Le fait que la tige capillaire 40 et le moyen de communication 23 forment une fourche au niveau de l'ouverture de sortie 22 du réservoir 20, permet d'éviter l'utilisation d'un second repère pour mesurer le déplacement du liquide 21 lors de chaque mesure. Dans la figure 4, le dispositif peut encore être simplifié en utilisant un capteur de pression 41 comme moyen de mesure, logé dans l'ampoule 42. Lors du déplacement du liquide 21, l'air contenu dans l'ampoule 42 est comprimé. Le liquide 21 utilisé pour comprimer le gaz de l'enceinte de mesure 10 peut alors être n'importe quel liquide. On supprime par conséquent l'utilisation du mercure et les risques de pollution de l'environnement. Les moyens de mesure pourraient également être adaptés à mesurer le déplacement de la tige de piston 32. La variation du volume du réservoir 20 pourrait être étalonnée, par exemple par un dispositif micrométrique lié au déplacement du piston 31. En effet, la pression est uniquement fonction du déplacement du piston 31 dans le réservoir 20 puisque la quantité de liquide 21 qui comprime le gaz de l'enceinte de mesure 10 est constant. Le niveau du liquide sur les moyens de communication 23 et la tige capillaire 20 peuvent être repérés par des dispositifs électroniques, la mesure pouvant être ainsi partiellement ou totalement automatisée et pilotée par ordinateur. Le dispositif conforme à l'invention permet de réaliser très facilement des mesures volumenométriques. Lorsqu'on souhaite effectuer une mesure en utilisant un gaz différent de l'air (par exemple pour éviter des phénomènes d'adsorption ou de décomposition), le gaz peut être introduit dans le dispositif par la tige capillaire 40 ou au niveau du robinet 43 de l'ampoule 42. Grâce à la fourche 51 existant entre la tige capillaire 40 et le moyen de communication, le gaz chasse l'air de l'enceinte de mesure. De plus, on peut donner au dispositif une taille très réduite, le volume du réservoir 20 pouvant être très faible. Un tel dispositif convient aux poudres solides, mais également aux corps fibreux comme les textiles, aux polymères, aux gels ainsi qu'aux liquides visqueux. Dans le cas d'un corps poreux, le dispositif sert également à mesurer la porosité du corps. Ce dispositif permet d'atteindre des précisions de l'ordre du millième, même pour de faibles masses de produit (de l'ordre du décigramme). De fabrication aisée avec du verre pyrex, on peut éventuellement le réaliser avec des matériaux en métal, téflon, matière plastique résistants et étanches. L'utilisation d'un piston 31 comme décrit aux figures 3 et 4 simplifie considérablement le dispositif et ouvre la voie vers une manipulation automatique par couplage à un calculateur électrique. Cette option améliore la précision. Bien entendu, de nombreuses modifications pourraient être apportées aux exemples décrits ci-dessus sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, la mesure de la pression du gaz contenu dans l'enceinte pourrait être réalisée par un capteur de pression directement placé dans l'enceinte. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure par volumenométrie du volume d'un produit, comprenant une enceinte de mesure (10) d'un volume prédéterminé (V0), caractérisé en ce qu'il comporte un réservoir (20) d'un liquide (21) ayant une ouverture de sortie (22), des moyens de communication (23) s'étendant entre ladite ouverture de sortie (22) et l'enceinte de mesure (10), des moyens de variation (30) adaptés à modifier le volume dudit réservoir (20) et à déplacer ledit liquide (21) dans les moyens de communication (23) jusqu'à l'enceinte de mesure (10) et des moyens de mesure (40, 41) adaptés à mesurer une valeur représentative de la pression du gaz contenu dans l'enceinte de mesure (10). 2. Dispositif de mesure conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que, lors de la mesure, les moyens de variation (30) sont adaptés à diminuer le volume dudit réservoir (20). 3. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit liquide (21) est du mercure, les moyens de mesure comprenant une tige capillaire (40), en communication avec ledit réservoir (20), adaptée à mesurer une dénivellation (hl, h2) de mercure. 4. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de mesure comprennent une tige de mesure (40) débouchant avec les moyens de communication (23) dans ladite ouverture de sortie (22) du réservoir (20). 5. Dispositif conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que ladite tige de mesure (40) est fermée par une ampoule (42), ladite ampoule (42) comprenant un robinet (43) de communication avec 1 'extérieur. 6. Dispositif conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de mesure comprennent un capteur de pression (41), logé dans ladite ampoule (42). 7. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens de variation (30) comprennent un piston (31) ayant une tige (32) emboîtée dans une portion du réservoir (20) et adaptée à coulisser dans cette portion de réservoir. 8. Dispositif conforme à la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de mesure sont adaptés à mesurer le déplacement de ladite tige de piston (32). 9. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'enceinte de mesure (10) comprend une partie fixe (11) et une éprouvette (12) amovible adaptée à contenir ledit produit (15), un raccord (13) étant adapté à fixer l'éprouvette (12) à ladite partie fixe (11) sans variation de volume (V0) de l'enceinte de mesure (10). 10. Procédé de mise en oeuvre du dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 9, caractérisé s par les étapes suivantes: a) on modifie le volume dudit réservoir (20) de manière à déplacer le liquide (21) dans les moyens de communication (23) au niveau d'un premier repère (50, 51); b) on modifie le volume dudit réservoir (20) pour déplacer le liquide au niveau d'un second repère (51, 50) des moyens de communication (23), l'enceinte de mesure (10) étant vide; c) on mesure la variation d'une valeur représentative de la pression du gaz contenu dans l'enceinte de mesure (10) entre l'étape a) et b); d) on modifie le volume du réservoir (20) pour déplacer le liquide au niveau dudit premier repère (50, 51); e) on place le produit (15) dans l'enceinte de mesure (10);; f) on modifie le volume du réservoir (20) pour déplacer le liquide (21) au niveau dudit second repère (51, 50); g) on mesure la variation de ladite valeur représentative de la pression du gaz contenu dans l'enceinte de mesure entre l'étape d) et f); et h) on calcule le volume (V) dudit produit (15) en fonction desdites valeurs représentatives de la pression mesurées et des volumes (V0, V1) constitués par l'enceinte de mesure (10) et les moyens de communication (23) jusqu'au premier repère (50,51) ou au second repère (50,51). 11. Procédé conforme à la revendication 10, caractérisé en ce qu'à l'étape b) et f), on diminue le volume du réservoir (20) pour déplacer le liquide (21) jusqu'à l'enceinte de mesure (10). 12. Procédé de mise en oeuvre du dispositif conforme à la revendication 4, caractérisé par les étapes suivantes: a) on diminue le volume du réservoir (20) pour déplacer le liquide (21) dans les moyens de communication (23) jusqu'à l'enceinte de mesure (10), celle-ci étant vide; b) on mesure une valeur représentative (h1) de la pression du gaz contenu dans l'enceinte de mesure (10) à l'étape a); c) on augmente le volume du réservoir (20) pour ramener le liquide dans le réservoir; d) on place le produit dans l'enceinte de mesure (10); e) on diminue le volume du réservoir (20) pour déplacer le liquide dans le moyen de communication (23) jusqu'à l'enceinte de mesure; f) on mesure une valeur représentative (h2) de la pression du gaz contenu dans l'enceinte de mesure à l'étape e); et g) on calcule le volume (V) du produit (15) en fonction desdites valeurs représentatives (h1, h2) de la pression du gaz et du volume (V0) de l'enceinte de mesure (10) suivant la formule h2 - h1 V = VO h2 13. Procédé conforme à l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce qu'on introduit dans l'enceinte de mesure, outre le produit (15), un élément formant lest de volume connu.