Brevet FR2763687A1 — publié le 19981127

La présente invention concerne un procédé pour déterminer la masse volumique d'un produit pâteux ou liquide qui s'écoule en continu dans une conduite. Dans la fabrication d'un grand nombre de produits alimentaires, il est bon de connaître la masse volumique du produit en cours d'élaboration pour agir en temps réel sur le processus de fabrication. Il en est ainsi notamment dans la fabrication de pâtes de poisson au moyen d'extrudeuses. On constate qu'une variation de la vitesse de rotation de la vis de l'extrudeuse entraîne une variation de la densité du produit en sortie de l'extrudeuse. Ainsi, la connaissance en continu de la masse volumique du produit dans la conduite de sortie de l'extrudeuse permettrait de régler la vitesse de rotation de la vis, afin de produire un produit homogène. Il est déjà connu que l'on peut déterminer la masse volumique p d'un produit en émettant deux types d'ondes dans la matière, des ondes de compressions et des ondes de cisaillement. En mesurant les célérités des ondes de compression et des ondes de cisaillement, on peut obtenir, par corrélation, la masse volumique du produit. Mais ces mesures ne peuvent s'appliquer que dans un milieu poreux saturé en eau, un formage, un alliage, un béton. On a également utilisé des transducteurs piézo-électriques pour détecter des changements d'état de sédiments qui peuvent se transformer en sable fluidisé. Le changement d'état de traduit par une modification franche de l'impédance acoustique du milieu, ce qui entraîne une variation de la charge mécanique appliquée sur la céramique du transducteur et une variation de l'impédance électrique ramenée à la sortie du générateur alimentant le transducteur piézoélectrique. La constatation de la variation de l'impédance électrique ramenée permet de déceler le changement d'état des sédiments. Ce procédé fonctionne en tout ou rien et permet uniquement de constater le changement d'état du milieu, mais ne fournit aucune indication sur la masse volumique. Ces deux procédés ne peuvent être utilisés pour mesurer la masse volumique de produits tels que les surfines de poissons, qui sont constitués d'un mélange d'eau, air, sels et particules dans lesquels les fibres croisées se gélifient avec l'air emprisonné. Le but de l'invention est de proposer un procédé simple et facile à mettre en oeuvre qui permette de déterminer avec une bonne précision la masse volumique d'un produit pâteux ou liquide qui s'écoule en continu dans une conduite, notamment au cours de l'élaboration de ce produit, afin de pouvoir réagir sur la conduite du processus de fabrication. Le procédé selon l'invention est caractérisé par le fait que l'on détermine la célérité CL d'une onde sonore transmise dans le travers de la conduite, l'on détermine l'impédance acoustique Za du produit au moyen d'un transducteur piézo-électrique disposé dans la conduite parallèlement à l'écoulement et alimenté par un générateur électrique et on calcule la masse volumique du produit par la formule Za = p x CL x S dans laquelle S est la surface d'émission du transducteur piézoélectrique. On détermine la célérité CL en émettant un train d'ondes par un émetteur d'ultrasons disposé d'un côté de la conduite et en mesurant le temps de retard de la réception de ce train d'ondes par un récepteur disposé de l'autre côté de la conduite. On détermine l'impédance acoustique Za du produit: - en mesurant l'impédance à vide Zv du transducteur à la sortie du générateur, - en mesurant l'impédance en charge Zc du transducteur à la sortie du générateur, -en calculant l'impédance à vide corrigée Zvc à l'entrée du transformateur équivalent audit transducteur par la formule Zv x Zo Zvc = Zo-Zv Zo étant l'impédance de la capacité statique Co du transducteur au primaire du transformateur, - en calculant l'impédance en charge corrigée Zcc à l'entrée du transformateur équivalent par la formule Zc x Zo Zcc = Zo-Zc -en calculant l'impédance électrique ramenée Zev à l'entrée dudit transformateur équivalent et résultant de l'impédance acoustique Za du milieu, par la formule Zev = Zcc - Zvc, - en calculant l'impédance acoustique Za par la formule Za=ZevxN2 N étant le rapport entre le nombre de spires du secondaire dudit transformateur et le nombre de spires du primaire. L'invention concerne également un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé. Ce dispositif comporte un émetteur d'ultrasons disposé sur une paroi de la conduite, un récepteur d'ultrasons disposé en regard de l'émetteur sur la paroi opposée de la conduite, un organe de commande de l'émetteur, un transducteur piézo-électrique disposé dans un plan contenant l'axe de la conduite, un générateur électrique connecté au transducteur, un organe de mesure de l'impédance en sortie du générateur, et un organe de calcul et de commande relié à l'organe de commande de l'émetteur, au récepteur d'ultrasons, au générateur électrique et à l'organe de mesure de l'impédance. Le transducteur piézo-électrique est avantageusement constitué d'un disque en céramique monté dans un anneau solidaire de la conduite. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 montre une extrudeuse de pâte de poisson équipée du dispositif de mesure de la masse volumique de la pâte selon le procédé de l'invention; la figure 2 montre le schéma équivalent d'un transducteur piézo-électrique à vide; la figure 3 montre le schéma équivalent d'un transducteur piézo-électrique en charge; la figure 4 montre les courbes comparatives de la densité de la pâte de poisson et de la variation relative de l'impédance ramenée à l'entrée du transformateur et résultant de l'impédance acoustique de la pâte de poisson dans la conduite, obtenues avec différentes vitesses de rotation en tours par minute de la vis de l'extrudeuse. La figure 1 montre une extrudeuse 2 qui comporte un cylindre 3 dans lequel tourne une vis 45 entraînée par un moteur 5. Les matières premières entrent dans le cylindre 3 par la goulotte d'entrée 6 et en ressortent sous forme de produits élaborés par la conduite cylindrique 7. Dans la paroi de la conduite 7 est montée un émetteur d'ultrasons 8 commandé par l'organe de commande 9. Sur la paroi de la conduite 7 opposée à l'émetteur sonore 8 est montée un récepteur d'ultrasons 10 qui transmet des signaux de réception à l'organe de calcul et de commande 11. Cet organe de calcul 1 1 émet des ordres d'émissions de signaux à l'organe de commande 9. L'organe de calcul 1 1 calcule le temps de retard entre la réception d'un signal par le récepteur d'ultrasons 10 et l'émission d'une onde sonore par l'émetteur 8. Connaissant le diamètre de la conduite 7, l'organe de calcul 1 1 est apte à déterminer la célérité CL de l'onde sonore à travers le produit circulant dans la conduite 7. La référence 12 représente un transducteur piézo-électrique, réalisé sous la forme d'un disque en céramique mince monté dans un anneau ou une plaque montée solidaire de la conduite 7. Ce transducteur 12 est disposé sensiblement dans l'axe de la conduite 7. I1 est relié électriquement à un générateur électrique 14 disposé à l'extérieur de l'extrudeuse 2. La référence 15 désigne un organe de mesure de l'impédance Z à la sortie du générateur 14. L'organe de mesure de l'impédance Z 15 et le générateur 14 sont reliés à l'organe de calcul 11, afin que ce dernier reçoive en continu la valeur de l'impédance Z mesurée et commande le générateur, afin que ce dernier émette des signaux à la fréquence de résonance du transducteur. Comme cela sera expliqué plus en détail plus loin, l'organe de calcul 1 1 détermine l'impédance acoustique Za du milieu dans la conduite 7 en fonction de la valeur de l'impédance Z fournie par l'organe de mesure d'impédance 15. Connaissant la célérité CL des ondes sonores dans le produit élaboré circulant dans la conduite 7 et l'impédance acoustique Za, l'organe de calcul 1 1 est apte à calculer en continu la valeur de la masse volumique g de ce produit. L'organe de calcul 11 peut agir sur un dispositif de réglage 16 de la vitesse de rotation du moteur 5, selon des consignes préétablies, afin de faire en sorte que le produit en sortie de l'extrudeuse 7 soit de qualité homogène. Ainsi que cela est connu, l'impédance acoustique Za du milieu dans lequel se trouve le transducteur piézo-électrique 12 est égale, par une unité de surface active du transducteur 12, au produit de la masse volumique p par la célérité CL. Cette impédance acoustique Za provoque une charge mécanique sur le transducteur qui se traduit par une impédance électrique ramenée Zev à l'entrée du primaire du transformateur équivalent au transducteur. Cette impédance électrique ramenée dépend donc de la masse volumique du produit dans lequel circulent les ondes sonores. L'impédance Z à la sortie du générateur 14 est donc fonction de l'impédance de la céramique utilisée, de l'impédance liante de couplage et de l'impédance acoustique du milieu contrôlé. Pour un liant de faible épaisseur se comportant comme une lame mince, l'impédance Z comprend essentiellement deux composantes: l'impédance de la céramique et l'impédance du milieu concerné. Les figures 2 et 3 montrent les schémas équivalents d'un transducteur piézo-électrique respectivement à vide et en charge. Le transducteur 12 est principalement un transformateur électromagnétique chargé par un circuit RLC. I1 est schématisé par un transformateur électrique dont le rapport de spires entre le secondaire et le primaire est N. Une capacité statique Co est disposée entre les bornes du primaire du transformateur. L'impédance caractéristique du transducteur 14 piézo-électrique est définie par l'inductance motionnelle Lm, la capacité motionnelle Cm et la résistance motionnelle Rm. Les valeurs peuvent être fournies par le constructeur ou établies expérimentalement. Zv et Zc sont respectivement les impédances à vide et en charge du transducteur 14 mesurées par l'organe de mesure 15 à la sortie du générateur 14 aux fréquences de résonances. Zve et Zcc sont les impédances à l'entrée du primaire du transformateur qui se calculent à partir des impédances Zv et Zc en tenant compte de l'impédance Zo par les formules zv x zo Zvc = Zo-Zv ZcxZo et Zcc = --------- Zo-Zc La différence Zcc - Zvc est l'impédance Zev ramenée au primaire du transformateur, induite par l'impédance acoustique Za du milieu. Or, Za = Zev x N2. Le calcul de Zev permet donc de connaître la valeur de Za qui est elle-même égale à p x CL x S en milieu infini, S étant la surface active du transducteur. L'organe de calcul 11 est ainsi apte à mesurer la masse volumique du produit circulant dans la conduite 7. Des mesures réalisées sur un extrudeur durant la fabrication de pâtes à base de poisson, ont permis d'obtenir une bonne corrélation entre: - un paramètre de conduite du procédé de fabrication, soit la vitesse de rotation de la vis, - la densité p de la pâte, - la variation relative de l'impédance ramenée Zev de la pâte de poisson. La figure 4 montre les courbes (p) et (Zev) en fonction de la vitesse de rotation de la vis. Pour la commodité de la présentation, l'impédance ramenée Zev à 150 t/mn est prise comme référence. Cette impédance était égale à 15,2 ohms. Nous constatons qu'il existe un bon parallélisme entre les variations de la masse volumique et de l'impédance ramenée Zev. Les résultats obtenus sur une extrudeuse ont été complétés par des mesures sur du glycérol et de l'alcool. Les données acquises et répertoriées sur le tableau figurant ci-dessous confirment le bien fondé de la méthode de mesure proposée par l'invention. Masse volumique Masse volurnique Z électrique CL acoustique calculée d'après réelle mesurée mesurée les mesures acoustiques 1363 1259 2391-fl 898 mus 800,8 809 601-fl 1 217 mus En conclusion, le bon parallélisme entre les variations de la densité et de l'impédance acoustique, les résultats obtenus avec le glycérol et l'alcool indiquent que l'impédance acoustique ramenée sur une ligne de production permet de calculer la densité, si la célérité CL des ondes de compression du milieu a été préalablement mesurée. Ce procédé selon l'invention, simple dans son principe, est à même d'être utilisé en temps réel et donc de fait partie d'une chaîne d'asservissement. I1 est certain que des efforts technologiques sont encore à accomplir pour gagner en précision avec certains produits. REVENDICATIONS Procédé pour déterminer la masse volumique d'un produit pâteux ou liquide, qui s'écoule en continu dans une conduite, caractérisé par le fait que: - on détermine la célérité CL d'une onde ultrasonore transmise dans le travers de la conduite; - on détermine l'impédance acoustique Za du produit au moyen d'un transducteur piézo-électrique disposé dans la conduite parallèlement à l'écoulement et alimenté par un générateur électrique et - on calcule la masse volumique du produit par la formule Za = p x CL x S dans laquelle S est la surface d'émission du transducteur piézoélectrique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on détermine la célérité CL en émettant un train d'ondes par un émetteur d'ultrasons disposé d'un côté de la conduite et en mesurant le temps de retard de la réception de ce train d'ondes par un récepteur disposé de l'autre côté de la conduite. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'on détermine l'impédance acoustique Za du produit: - en mesurant l'impédance à vide Zv du transducteur à la sortie du générateur, - en mesurant l'impédance en charge Zc du transducteur à la sortie du générateur, - en calculant l'impédance à vide corrigée Zvc à l'entrée du transformateur équivalent audit transducteur par la formule Zv x Zo Zvc = Zo-Zv Zo étant l'impédance de la capacité statique Co du transducteur au primaire du transformateur, - en calculant l'impédance en charge corrigée Zcc à l'entrée du transformateur équivalent par la formule zc x zo Zcc = Zo-Zc - en calculant l'impédance électrique ramenée Zev à l'entrée dudit transformateur équivalent et résultant de l'impédance acoustique Za du milieu, par la formule Zev = Zcc - Zvc, - en calculant l'impédance acoustique Za par la formule Za = Zev x N2 N étant le rapport entre le nombre de spires du secondaire dudit transformateur et le nombre de spires du primaire. 4. Dispositif pour mettre en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il comporte un émetteur d'ultrasons disposé sur une paroi de la conduite, un récepteur d'ultrasons disposé en regard de l'émetteur sur la paroi opposée de la conduite, un organe de commande de l'émetteur, un transducteur piézo-électrique disposé dans un plan contenant l'axe de la conduite, un générateur électrique connecté au transducteur, un organe de mesure de l'impédance en sortie du générateur, et un organe de calcul et de commande relié à l'organe de commande de l'émetteur, au récepteur d'ultrasons, au générateur électrique et à l'organe de mesure de l'impédance. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le transducteur piézo-électrique comporte un disque céramique monté dans un anneau solidaire de la conduite.