Brevet FR2735228A1 — publié le 19961213

La présente invention concerne un procédé de mesure qui permet de détecter de manière sûre et fiable les interfaces apparaissant lorsque diverses substances forment des couches se chevauchant qui prennent leur place en fonction de leurs densités. L'invention concerne en outre un appareil permettant de mettre en oeuvre le procédé. Selon un procédé utilisé dans la technique antérieure, par exemple, on trouve les interfaces de divers liquides placés dans des réservoirs de liquides en faisant s'écouler le liquide à travers des ouvertures ménagées à différents niveaux et en déterminant visuellement le moment o le liquide change de couleur ou se transforme en gaz. Dans le cas de l'acide fluorhydrique par exemple, on peut utiliser un bâton de bois, dont la couleur devient sombre dans l'acide. La détection de l'interface effectuée par ces moyens est peu précise et, lorsque les liquides sont émis à l'air libre, elle est dangereuse pour l'environnement en même temps qu'elle amène à des pertes réelles de matières. De plus, le risque d'un accident est toujours présent lorsque la mesure concerne des matières toxiques ou inflammables, par exemple l'acide chlorhydrique, ou des matières correspondantes. La personne qui effectue la mesure doit apporter un vêtement protecteur approprié fait de Néoprène ainsi qu'un capuchon fermé, à l'intérieur duquel un tuyau amène l'air nécessaire à la respiration. De plus, il faut porter des gants et des chaussures de protection. En outre, plusieurs ouvertures doivent être ménagées dans les réservoirs pour la simple opération de détecter des interfaces. Ceci conduit à des coûts de production et d'entretien inutiles et détériore la structure du récipient de pression. L'utilisation d'ultrasons pour détecter des surfaces de liquides dans des réservoirs et des conteneurs fermés est discutée dans divers brevets publiés. Par exemple, le brevet britannique publié sous le n 2 050 604 décrit une mesure de résonance pour détecter le niveau de liquide, et met en oeuvre l'utilisation de la fréquence de résonance du conteneur lui-même. Le brevet britannique portant le numéro de publication 2 100 430 décrit la technique fondamentale utilisant la réflexion. Ici, on place le transducteur sur le fond d'une cuve. Les distances aux interfaces des liquides situés au-dessus restent grandes. Le brevet britannique publié sous le n 2 126 342 introduit la possibilité d'examiner la position de la surface d'un liquide en utilisant par exemple l'écho obtenu à partir de la paroi opposée de la cuve. Le dispositif détermine si l'écho est ou non présent. Puisqu'un écho suffisant ne sera pas obtenu au-dessus de la surface du liquide de la part de la paroi opposée, le dispositif détecteur fonctionne selon un principe de "tout ou rien". Le détecteur peut être utilisé pour détecter un niveau de liquide, mais non la position des interfaces entre divers liquides. Le but de l'invention est de présenter un nouveau procédé qui peut être utilisé pour détecter des interfaces de diverses substances, dans la mesure o les substances se trouvant dans le conteneur possèdent des vitesses différentes de propagation du son. Le procédé peut être notamment utilisé dans l'industrie chimique et pétrochimique en liaison avec le traitement et le stockage de substances différentes se trouvant à l'intérieur de conteneurs fermés dont les parois ne permettent pas un examen visuel. Pour mettre en oeuvre ce qui a été discuté ci-dessus, le procédé selon l'invention se distingue en ce que la vitesse de propagation du son émis et reçu par un dispositif transducteur dans une substance contenue dans la cuve entre le dispositif transducteur et une butée placée à une distance constante du dispositif transducteur, séparément du corps de la cuve, fait l'objet d'un contrôle de manière qu'on puisse distinguer entre substances ayant des vitesses du son différentes. Le procédé emploie une butée particulière, qui est séparée de la paroi de la cuve et est placée à une distance constante du dispositif transducteur ultrasonore en regard de celui-ci. Les ultrasons sont réfléchis par cette butée en direction du dispositif transducteur. La longueur du trajet de réflexion est plus petite que la distance à parcourir suivant un trajet de réflexion horizontal entre le transducteur et la paroi opposée du conteneur en l'absence de la surface de butée. L'appareil de l'invention, qui est destiné à détecter les interfaces dans une cuve, comprend un dispositif transducteur d'émission et de réception de sons, et une butée, séparée du corps de la cuve, est placée à une distance constante du dispositif transducteur. L'appareil se monte facilement dans les cuves actuellement existantes et il présente diverses formes de réalisation possibles. Les principaux avantages offerts par l'invention sont les suivants. L'invention peut être utilisée pour détecter des interfaces d'une manière précise. Avec le procédé de l'invention, il n'est pas nécessaire de décharger les matières hors de la cuve. Par conséquent, il n'y aucun danger pour l'environnement et aucune perte de matière. La mesure peut s'effectuer de manière sûre sans risque immédiat que la matière ne soit touchée, puisqu'il n'est pas nécessaire de faire couler la matière hors de la cuve. De plus, la structure des récipients de pression en est simplifiée, puisqu'il n'y a besoin d'aucun orifice de sortie. Ceci permet de réduire les coûts de fabrication et d'entretien. De plus, le procédé de détection selon l'invention peut être appliqué d'une manière telle que la commande des interfaces peut être réalisée depuis une salle de commande sans qu'il soit besoin que l'opérateur vienne sur place. Au contraire des autres procédés employant des ultrasons, l'invention offre l'avantage de pouvoir effectuer la mesure à partir des parois latérales de la cuve, qui sont faciles à atteindre, au contraire de l'espace situé au-dessous du fond, comme présenté dans le procédé du brevet britannique publié sous le n' 2 100 430. La courte distance de réflexion permet d'obtenir un signal suffisamment intense, même dans des cuves de grand diamètre, typiquement supérieur à 1 mètre, et de hauteur considérable. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: la figure 1 montre de manière simplifiée le cas d'une mesure effectuée dans une cuve contenant diverses matières, la cuve étant présentée en section droite, ainsi qu'une unité d'affichage du dispositif de mesure montrant les interfaces; et la figure 2 présente d'autres modes de réalisation de l'invention. Comme représenté schématiquement sur la figure 1, on peut voir une cuve contenant trois substances différentes qui sont placées en couches en fonction de leurs poids spécifiques. La section droite de la cuve montre des substances a, b et c. Pour trouver les interfaces entre les substances, une butée 1 de forme allongée atteignant les interfaces a été montée dans la cuve en position verticale par fixation sur le corps 2 de la cuve à l'intérieur de la cuve à une distance constante de la surface interne de la paroi latérale verticale de structure suffisamment rigide pour conserver le volume des substances. Dans la partie inférieure, la paroi latérale est reliée au fond sensiblement horizontal, et, sur la partie supérieure, elle est fermée par un couvercle. La cuve peut avoir la structure ordinaire couramment employée dans l'industrie et peut comporter des sorties et des entrées de type connu servant à son raccordement en vue du traitement. La distance horizontale entre la butée et la paroi latérale est d'environ 10 cm et, dans les cas o les dimensions sont plus réduites, elle sera de préférence au moins deux fois plus petites que le "rayon moyen" R de la grande cuve, qui est le rayon du cercle d'aire égale à l'aire de la section droite horizontale de la cuve. Dans des cuves à section droite circulaire, ce rayon moyen est égal au rayon réel, tandis que, dans des cuves à section droite ovale ou polygonale, ce rayon est simplement la distance moyenne du centre à la paroi interne. Dans une cuve équipée de la manière ci-dessus indiquée, on peut trouver l'interface en employant des ultrasons et l'instrumentation habituelle utilisée pour les essais non destructifs. Un dispositif 3 transducteur d'ultrasons, disposé de façon à émettre des salves ultrasonores et à recevoir des salves réfléchies, est soumis à un déplacement vertical, parallèlement à la butée, en contact avec la surface extérieure de la paroi de la cuve de façon à couper les interfaces supposées des substances. Le signal ultrasonore émis par le dispositif transducteur 3 est réfléchi par la butée pleine 1 qui s'étend parallèlement à la direction de déplacement. La vitesse de propagation du son est présentée sur l'unité d'affichage, par exemple sur l'écran 4 du dispositif d'affichage. L'écho de retour de l'onde ultrasonore réfléchie est également présenté au titre de l'écho 5. L'intervalle de temps qui sépare le signal initial 6 et l'écho de retour est indiqué, sur l'axe A, par la variable X. Lorsque le dispositif transducteur passe sur l'interface séparant des substances qui ont des vitesses du son différentes, l'interface apparaît comme une rapide variation de la vitesse de propagation du son, comme cela peut être détecté sous la forme du laps de temps X1 modifié, de l'écho de retour 7. Ainsi, le dispositif transducteur 3 peut être utilisé pour déterminer de manière fiable les interfaces des substances sans qu'il soit nécessaire de retirer la substance hors de la cuve, la position du dispositif transducteur au moment de la modification indiquant la position verticale exacte de l'interface. En fonction des positions respectives du dispositif transducteur 3, on enregistre les interfaces des substances et on peut même définir les quantités des différentes substances d'une manière relativement fiable en multipliant la différence de hauteur mesurée des interfaces par l'aire en section droite, connue, de la cuve. Il est possible que les vitesses du son de deux substances liquides adjacentes ne different pas beaucoup, mais, puisqu'on peut observer le temps de réflexion de manière continue, il est facile d'observer l'apparition d'un changement permanent, même petit, qui indique l'existence de l'interface. Naturellement, il est possible de détecter à l'aide du dispositif transducteur le niveau supérieur de toutes les substances liquides, c'est-à-dire le niveau du liquide dans la cuve, ainsi que le niveau d'une substance solide se trouvant sur le fond, par exemple un précipité. On notera tout particulièrement que, dans le procédé selon l'invention, le déplacement du dispositif transducteur sur la surface de la cuve peut être mis en oeuvre manuellement ou mécaniquement, auquel cas il peut également être automatisé. Il est possible d'utiliser tout dispositif transducteur connu et tout appareillage associé connu dans la technique, comme par exemple représenté dans le brevet britannique publié sous le n 2 050 604. Le dispositif transducteur 3 est typiquement une tête mobile contenant un matériau piézo-électrique et connectée par l'intermédiaire d'un câble à un moyen de commande, qui comporte un moyen permettant d'exciter le matériau piézo-électrique et une unité d'affichage permettant une observation continue. De plus, on peut monter plusieurs dispositifs transducteurs 3 dans la cuve de manière fixe et à des distances verticales régulières, comme représenté sur la figure 2. Les interfaces des substances sont dans ce cas sous contrôle constant en fonction des positions des dispositifs transducteurs, et le mouvement relatif du dispositif transducteur 3 et de l'interface résulte du déplacement vertical de l'interface. Chaque dispositif transducteur 3 est connecté à une unité d'affichage 4 permettant de contrôler sélectivement chaque transducteur de manière distincte. D'autres moyens de mettre en oeuvre le procédé de mesure selon l'invention font appel à une butée fixe 1 qui est montée dans la même structure mobile 8 que le dispositif transducteur 3, auquel cas l'onde ultrasonore émise par le dispositif transducteur réfléchie par la butée fixe se trouvant placée à une distance constante. On immerge la structure 8 dans la cuve à contrôler qui contient diverses substances, de sorte que, en déplacçant le dispositif transducteur verticalement à l'aide d'une tige 9 ou d'un autre moyen de suspension assurant également le guidage du câble à la cuve, on peut détecter les interfaces des substances en fonction de la variation de la vitesse de propagation de l'onde ultrasonore. La position verticale du dispositif transducteur dans la cuve à contrôler indique o sont situées les interfaces des substances. Le moyen de suspension peut être équipé d'une échelle graduée ou d'un autre moyen de mesure, pour indiquer la hauteur de la structure 8 au moment voulu considéré. La butée qui est montée sur la cuve de manière fixe peut également être placée à l'extérieur de la paroi latérale de la cuve. Il est possible que, à l'extérieur de la cuve, il existe un tuyau vertical séparé 10 qui possède un petit diamètre et des raccordements latéraux avec la cuve, de sorte que les interfaces présentes dans le tuyau 10 se trouve aux mêmes niveaux que dans la cuve. Ce mode de réalisation est indiqué par des lignes en traits interrompus sur la figure 2. Lorsqu'on place le dispositif transducteur contre le tuyau, la paroi interne opposée du tuyau 10 joue le rôle de la butée particulière. Un dispositif transducteur mobile 3 ou plusieurs dispositifs transducteurs fixes peuvent être utilisés en liaison avec ce tuyau selon le même principe que celui utilisé dans le cas o la butée 1 est placée à l'intérieur du volume de la cuve. Tout matériau provoquant une réflexion du son suffisante peut être utilisé comme matériau de formation de la butée 1, de nombreux métaux et alliages remplissant ces conditions. Il est également évident qu'il est possible d'utiliser n'importe quelle fréquence de la gamme ultrasonore se trouvant au-dessus de kHz, ainsi que l'homme de l'art le comprendra, les fréquences allant de 0,1 à MHz étant le plus couramment utilisées dans les procédés de contrôle par ultrasons. Une interface entre deux substances quelconques amenant des propagations du son différentes peut être détectée au moyen de l'appareil. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du procédé et du dispositif dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure permettant de détecter des interfaces, lequel procédé, reposant sur la vitesse de propagation du son, est utilisé lors de la recherche d'interfaces de substances diverses dans une cuve entre les substances qui possèdent des vitesses de propagation du son différentes, o le procédé emploie un dispositif transducteur (3) d'émission et de réception du son, caractérisé en ce qu'on contrôle, pour distinguer entre des substances ayant des vitesses du son différentes, la vitesse de propagation du son émis et reçu par le dispositif transducteur (3) dans la substance contenue dans la cuve et se trouvant entre le dispositif transducteur (3) et une butée (1) placée à une distance constante du dispositif transducteur (3) et séparément du corps (2) de la cuve. 2. Procédé de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que la butée (1) est montée dans la cuve de facçon à s'étendre jusqu'au-delà des interfaces en restant à une distance constante de l'endroit o le dispositif transducteur est placé, o le dispositif transducteur (3) est déplacé le long de l'endroit o il est placé parallèlement à la butée (1), ou bien plusieurs dispositifs transducteurs sont montés de manière fixe sur la cuve au niveau de la butée (1) suivant une ligne qui est parallèle à la butée. 3. Procédé de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que la butée (1) est montée dans la même structure mobile (8) que le dispositif transducteur (3), à une distance constante de celui-ci, o on immerge la structure (8) dans la cuve pour détecter diverses interfaces. 4. Procédé de mesure selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce qu'on contrôle la vitesse de propagation sur une unité d'affichage (4), o le temps (X) entre l'émission d'un signal sonore (6) par le dispositif transducteur (3) et la réception d'un écho (5) peut être détectée visuellement sur l'axe des temps (A) et, lorsque le dispositif transducteur (3) et l'interface se déplacent l'un par rapport à l'autre d'une manière telle qu'une substance possédant une vitesse du son différente entre dans la portée active du signal sonore, la vitesse de propagation du signal sonore venant du dispositif transducteur (3) varie en fonction des propriétés des substances, et, sur la base de la différence de temps entre l'écho de retour (7) et l'écho (5) de la substance précédente, il est possible de noter l'interface o les substances sont liées l'une à l'autre. 5. Appareil destiné à détecter des interfaces dans une cuve, comprenant un dispositif transducteur (3) d'émission et de réception du son, caractérisé en ce qu'une butée (1) séparée vis à vis du corps (2) de la cuve est placée à une distance constante du dispositif transducteur (3). 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que la butée (1) est montée dans la cuve de façon à s'étendre jusqu'au-delà des interfaces en restant à une distance constante de l'endroit o le dispositif transducteur (3) est placé. 7. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que la butée (1) est montrée dans la même structure mobile (8) que le dispositif transducteur (3), à une distance constante de ce dernier, et la structure (8) est liée à un moyen de suspension (9) permettant son immersion dans la cuve. 8. Appareil selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le dispositif transducteur (3) est raccordé à une unité d'affichage (4).