Brevet FR2801382A1 — publié le 20010525

VISCOSIMETRE ROTATIF A CONTROLE DE COUPLE DE FREINAGE présente invention a pour objet un dispositif, communement appelé viscosimètre, qui permet de mesurer automatiquement et continu la viscosité d'un fluide, et dont le fonctionnement est basé sur une mesure du couple de freinage qui est subi par un élément cylindrique conique ou tronconique plongé et entraîné en rotation dans le fluide. L'invention trouve principalement, mais non exclusivement, son application à la mesure de la viscosité d'une encre. Le viscosimètre de l'invention est plus particulièrement destiné à être utilisé dans le domaine de l'impression flexograpique, en étant monté sur un groupe d'impression en sorte de permettre un contrôle en continu de la viscosité de l'encre utilisé par le groupe d'impression. II est connu à ce jour de réaliser des viscosimètres rotatifs à contrôle du couple de freinage mettant en oeuvre un solide de forme cylindrique ou tronconique, qui est monté rotatif dans une chambre destinée à contenir le fluide, et qui est entraîné en rotation de manière automatique par un moteur. En fonctionnement, le solide rotatif est plongé dans le fluide dont on cherche à mesurer la viscosité, et est entraîné en rotation par le moteur à une vitesse constante prédéterminée. La viscosité du fluide est obtenue en mesurant automatiquement le couple de freinage, (encore appelé couple de frottement visqueux) qui est subi par le solide rotatif, sous l'effet de cisaillement du fluide entre le solide et la paroi de la chambre. Selon première variante de réalisation connue, la mesure couple de freinage est réalisée en mesurant l'intensité consommée par le moteur ; cette seconde variante est par exemple décrite dans le brevet US-A-4,299 119. Selon une deuxième variante réalisation connue, la mesure du couple de freinage est réalisée moyen d'un capteur du type jauge de contrainte ou similaire. Dans les viscosimètres précités, la motorisation de la rotation du solide cylindrique ou tronconique procure l'avantage majeur de permettre une mesure en continu et de manière automatique de la viscosité d'un fluide. II est ainsi possible de contrôler automatiquement dans le temps l'évolution de la viscosité d'un fluide. En revanche, cette motorisation s'accompagne d'un inconvénient majeur qui est la nécessité d'asservir en vitesse de manière précise la rotation du solide. effet, la précision de la mesure de viscosité dépend directement de la précision de l'asservissement en vitesse de la rotation du solide cylindrique ou tronconique. S'agissant plus particulièrement la première variante de réalisation précitée, celle-ci présent l'inconvénient supplémentaire de rendre la mesure de viscosité dépendante des caractéristiques électriques du moteur. S'agissant plus particulièrement la deuxième variante de réalisation précitée, la mise en oeuvre capteur, du type jauge de contrainte ou similaire qui soit suffisamment précis conduit en pratique, compte tenu des valeurs très faibles de couple de freinage, à mettre en oeuvre des capteurs onéreux et très fragiles. De tels viscosimètres sont donc coûteux et adaptés à une mise en oeuvre dans un environnement industriels agressif, et sont en pratique réservés à une utilisation en laboratoire. La présente invention à pour but de proposer un viscosimètre rotatif à contrôle du couple de freinage, qui est motorisé et permet avantageusement de contrôler de manière automatique l'évolution dans le temps de la viscosité d'un fluide, mais qui pallie les inconvénients précités des viscosimètres de l'art antérieur. Ce but est atteint par le viscosimètre rotatif de l'invention qui est connu en ce qu'il comporte un solide cylindrique, conique, ou tronconique monté rotatif dans une chambre, un moteur permettant l'entraînement en rotation de ce solide, et des moyens électroniques pour la commande du moteur et la mesure de la viscosité d'un fluide contenu dans la chambre. De manière caractéristique selon l'invention, les moyens électroniques de commande et de mesure sont conçus en sorte de réaliser de manière itérative et automatique le cycle de fonctionnement suivant a) alimentation et commande du moteur en sorte d'entraîner en rotation le solide à une vitesse (V) sensiblement constante (Phases I et II), b) coupure de l'alimentation du moteur (instant T1), c) mesure de la vitesse de rotation du solide et calcul de la décelération en rotation du solide (phases III et IV), d) calcul de la viscosité en fonction de la décélération calculée à l'étape précédente. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description ci-après d'une variante préférée de réalisation d'un viscosimètre rotatif selon l'invention, laquelle description est donnée à titre d'exemple limitatif et en référence au dessin annexé sur lesquels - la figure 1 représente de manière schématique les principaux éléments constitutifs du viscosimètre de l'invention, - la figure 2 est une courbe représentant dans le temps l'évoluti de la vitesse de rotation du solide, et permettant de visualiser les cycles successifs de fonctionnement du viscosimètre, - et la figure 3 est un organigramme illustrant la succession des principales étapes de fonctionnement du microcontrôleur commandant la rotation du moteur du viscosimètre et effectuant le calcul de viscosité. On a représenté à la figure 1, une variante particulière de réalisation d'un viscosimètre rotatif conforme à l'invention qui adapté à la mesure en continu de la viscosité d'un liquide. L'invention n'est toutefois pas limitée à la mesure de viscosité d'un liquide, mais peut être étendue d'une manière plus générale à mesure de viscosité d'un fluide. Le viscosimètre de la figure 1 comprend un cylindre 1 dont l'inertie mécanique (J) est connue et reproductible, et qui est monte rotatif à l'intérieur d'une chambre 2 délimitée par un tube 3. La forme cylindrique du solide 1 n'est pas limitative de l'invention. Dans une autre variante ce solide 1 pourrait également être de forme conique ou tronconique. Dans la paroi latérale du tube 3 sont prévus des ouvertures oblongues 3a. Ces ouvertures oblongues 3a sont ménagées en partie inférieure du tube, et permettent l'introduction à l'intérieur du tube 3 du liquide dont on souhaite mesurer la viscosité. Sur vue en coupe de la figure 1, une seule de ces ouvertures est visible. En pratique, on prévoit plusieurs ouvertures oblongues réparties régulièrement sur la périphérie du tube 3, et par exemple trois ouverture oblongues espacées deux à deux d'un angle de 1 Le cylindre 1 est enfilé et fixé sur une tige 4 dont la pointe 4a est guidée dans une empreinte conique 5 prévue au centre d'une plaque 6 de fermeture du tube 3 qui forme le fond de la chambre 2. A l'opposé de la pointe 4a, la tige 4 est couplée au rotor d'un moteur 7, tel que par exemple un moteur à courant continu, via un accouplement sans frottement 8. La mise en rotation du rotor du moteur 7 permet l'entraînement en rotation du cylindre 1 à l'intérieur du tube ajouré 3. Le rotor du moteur 7 est équipe d'un capteur de vitesse 9 délivrant un signal de détection 9a est fonction de la vitesse de rotation du rotor 7 et par là même qui caractérise la vitesse de rotation du cylindre 1. Dans l'exemple particulier illustré, le moteur 7 et son capteur de vitesse 9 sont protégés des éclaboussures par une enveloppe 10, par exemple en ertalon. Le viscosimètre comprend également une unité de traitement électronique 11, qui a pour fonctions de commander la rotation du moteur 7 via les signaux de commande 1 1 a et 1 1 b selon des cycles itératifs décrits ci-après en référence aux figures 2 et 3, et de calculer la viscosité du fluide dans lequel est plongé le cylindre 1 à partir du signal de détection 9a. Cette unité de traitement met en oeuvre essentiellement un microcontrôleur (ou microprocesseur) tel que par exemple (le microcontrôleur / INTEL 80C552). Cette unité de traitement 11 dialogue via une sortie en boucle de courant 12 avec un calculateur principal 13, réalisé par exemple au moyen d'un un micro-ordinateur. Ce calculateur principal 13 a pour fonctions d'une part de gérer l'interface avec l'opérateur par le biais de menus affichés sur un écran en vue de faciliter la commande du viscosimètre, et d'autre part d'afficher pour l'opérateur les valeurs successives de viscosité qui sont calculées dans le temps par l'unité de traitement 11. Le fonctionnement du viscosimètre de la figure 1 va à présent être décrit en reférence à la courbe de vitesse de la figure 2 et à l'organigramme de fonctionnement de la figure 3. En fonctionnement, le tube ajouré 3 contenant le cylindre 1 est plongé en position verticale (position de la figure 1) dans un réceptacle contenant le liquide dont on souhaite contrôler la viscosité. Ce liquide pénètre à l'intérieur de la chambre 2 délimitée par le tube 3 les ouvertures ajourées 3a prévues dans la paroi du tube 3. ouvertures 3a s'étendant au-dessus du niveau cylindre 1, tube 3 se remplit avec un liquide dont le niveau arrive au-dessus cylindre 1, ledit cylindre 1 étant complètement plonge dans le liquide dont on souhaite mesurer la viscosité. Une fois cette opération mise en place réalisée, l'opérateur commande via calculateur 3 la mise en route de viscosimètre. Le calculateur envoie à l'unité de traitement 11 un ordre de démarrage et récupere ultérieurement via la liaison série en boucle de courant 12, informations de mesure de viscosité qui sont calculées par l'unite de traitement 1 1 . Dès réception de l'ordre de démarrage envoyé par calculateur 13, le microcontrôleur de l'unité de traitement 1 exécute le programme dont l'organigramme est illustré à la figure Ce programme est exécuté tant que le calculateur 13 n'envoie de signal d'interruption. Programme de fonctionnement de l'unité de traitement 1 1 (figure ) Dans une première étape (bloc 14), le microcontrôleur l'unité de traitement 11 commande la mise sous tension moteur7, via le signal 1 1 b, puis pilote la rotation du moteur 7, vi le signal de commande 1 1 a , en sorte que la vitesse de rotation rotor mesuré par le capteur 9 atteigne une vitesse de consigne prédéterminée V. Cette première étape correspond à la premiere phase I du cycle 1 de la figure 2. Dans une deuxième étape, correspondant à la phase II du cycle 1 de la figure 2 , le microcontrôleur de l'unité de traitement il, le signal de commande 1 l a, asservit en vitesse la rotation du moteur 7 de telle sorte que la vitesse du rotor moteur 7 soit maintenue sensiblement égale à la vitesse de consigne V (bloc 15 de figure 3). Dans une troisième étape (bloc 16), le microcontrôleur de l'unité de traitement 11 commande via le signal 11_ la coupure de l'alimentation du moteur 7. Cette coupure du courant d'alimentation du moteur correspond à l'instant T, sur la figure 2. A partir de cet instant T,, le cylindre 1 sous l'effet de l'énergie cinétique acquise continue sa rotation, mais décélère, l'inertie principale du cylindre 1 (qui choisie grande devant celle du moteur 7) étant uniquement ralentie par les frottement visqueux du liquide emprisonné entre le cylindre 1 et la paroi du tube 3. En première approximation, en début phase de décélération, la décélération est quasiment constante. Cette décélération qui correspond aux phases III et IV cycles de la figure 2 est schématisée par un segment de droite dont la pente est caractéristique de la décélération. Dans une quatrième étape (bloc 17), le microcontrôleur de l'unité de traitement 11 calcule en permanence la vitesse de rotation du rotor du moteur 7 à partir du signal de détection 9a. Dans un exemple préféré de réalisation, qui n'est toutefois pas limitatif de l'invention, le capteur de vitesse 9 est un capteur numérique à impulsions qui délivre un certain nombre d'impulsions tour moteur, les impulsions successives étant séparées d'intervalle de temps élémentaire At;. Ce nombre N d'impulsions par tour moteur caractérise la résolution du capteur numérique. Le choix capteur numérique présente l'avantage comparativement à des capteurs analogiques d'obtenir une meilleure précision, d'être insensible au bruit et d'être moins encombrant et moins coûteux. Pour obtenir un maximum de précision, le signal de détection 9a délivre par ce capteur numérique est traité par le microcontrôleur de l'unité de traitement 11 comme un signal d'interruption. Sur chaque front, par exemple montant, du signal 9a, le microcontrôleur va lire un compteur représentant la donnée At;, et calcule la vitesse de rotation instantanée (v) du rotor en appliquant la formule indiquée au bloc 17 de l'organigramme de la figure 3. Conformément à l'organigramme de la figure 3, après chaque calcul de vitesse v, le microcontrôleur de l'unité de traitement 11 compare la vitesse calculée v avec une vitesse de consigne prédéterminée V2. Tant que cette vitesse calculée v est supérieure ou égale à la vitesse V2, le microcontrôleur réitère l'etape de calcul de vitesse (bloc 17). Au contraire, si cette vitesse calculée v est inférieure a la vitesse de consigne V2, le microcontroleur réalise les étapes supplémentaires suivantes (blocs 18 et 19). étapes sont les suivantes. Le microcontrôleur stocke dans une table en mémoire la valeur l'intervalle de temps At; utilisé pour calcul de la dernière vitesse v à l'étape précédente (bloc 18), puis contrôle la vitesse instantanée de rotation du rotor 7 (bloc 19). contrôle est effectué la même manière que lors de l'étape précédemment décrite correspondant au bloc 17. Les étapes des blocs 18 et 19 de l'organigramme de la figure 3 correspondent à la phase IV d'un cycle de la courbe de la figure 2. Pendant cette phase IV, le cylindre 1 continue décélération quasi linéaire, dans la mesure où la vitesse de consigne V3 n'est pas trop éloignée de la vitesse de consigne V2. étapes des blocs 18 et 19 sont réalisées de manière iteratives par le microcontrôleur de l'unité de traitement 11 tant la vitesse v calculée (bloc 19) est supérieure ou égale à une seconde vitesse de consigne prédéterminée V3. Lorsque la vitesse v calculée par le microcontrôleur est inférieure à la vitesse de consigne V3, le microcontrôleur de l'unité de traitement 1 1 sort de la boucle itérative des blocs 8 et 19, pour réaliser les calculs de la viscosité du liquide (bloc 20 de la figure 3). Le calcul de la viscosité y est réalisé en appliquant les formules (a) et (b) mentionnées au bloc 20 de l'organigramme la figure 3. La formule (a) permet le calcul de la décélération (Ov) du cylindre 1 pendant la phase IV. Cette décélération (Av) est déterminée par un calcul de la pente de la courbe de vitesse de rotation du solide 1 entre les deux vitesses de consigne (V2) et (V3). Pour calculer formule (a), le microcontrôleur de !'unité de traitement 11 effectue préalable le calcul de la somme des 4t; par sommation des valeurs d'intervalles de temps qui ont été stockées dans une table lors de la mise en oeuvre itérative des étapes correspondant aux blocs 18 et 19 de l'organigramme de la figure 3. Dans la formule qui donne la viscosité y du liquide, K est une constante caractéristique du viscosimètre et dépendant notamment de l'inertie J du cylindre 1. La détermination de K est réalisée par étalonnage du viscosimètre au moyen d'un liquide étalon dont on connaît la viscosité yo. A l'issue de l'étape de calcul de la viscosité (bloc la valeur de viscosité calculée y est stockée en mémoire microcontrôleur de l'unité de traitement 11. Cette valeur mémoire est accessible par la calculateur 13. Ce dernier programmé pour accéder périodiquement en lecture à cette valeur stockée en mémoire, afin de l'afficher pour l'opérateur sur un ecran de contrôle ou de l'utiliser à des fins de régulation automatique. A l'issue de l'étape de calcul de viscosité, le microcontrôl de l'unité de traitement 11 remet à zéro la table contenant des intervalles de temps At;, puis reprend son programme de fonctionnement (boucle 22) depuis le début, c'est-à-dire depuis la première étape précitée (bloc 14). Chaque boucle itérative 22 correspondant à un cycle 1, 2, ... n de la courbe de vitesse de la figure 2. Le viscosimètre de l'invention présente les principaux avantages suivants. II n'est pas nécessaire que l'asservissement en vitesse du moteur 7 lors de la phase II soit précise, la précision de la mesure de viscosité étant indépendante de la précision de l'asservissement en vitesse du moteur 7 par rapport à la vitesse de consigne V. Un autre avantage du viscosimètre de l'invention est qu'il permet de s'affranchir des caractéristiques électriques du moteur, puisque la mesure de viscosité est réalisée alors que l'alimentation du moteur est coupée. Outre les avantages principaux ci-dessus, la variante préférée de réalisation qui vient d'être décrit présente les avantages supplémentaires suivants. Tel que cela ressort de la description précitée, le microcontrôleur l'unité de traitement 11 est avantageusement programmé en sorte de redémarrer chaque nouveau cycle (cycles 2,...n) alors que le cylindre 1 est encore en rotation sous l'effet de l'énergie cinétique acquise. Ainsi, en fonctionnement, le cylindre 1 est constamment en rotation. On crée ainsi continuellement un effet turbine autonettoyant. On évite également lorsque le liquide est volatil, notamment s'agissant d'une encre, la formation d'une croûte qui rendrait le viscosimètre inopérant. Enfin, le viscosimètre de l'invention présente l'avantage d'être robuste, simple de conception extrêmement simple de mise en oeuvre puisqu'il suffit à l'opérateur de plonger le tube 3 contenant le cylindre 1 dans un réceptacle contenant le liquide dont on souhaite contrôler la viscosité. viscosimètre est donc parfaitement adapté à une mise en oeuvre dans un environnement industriel. Une des applications préférées du viscosimètre de l'invention est le contrôle en continu de la viscosite d'une encre sur un groupe imprimeur de type flexographique. tel groupe imprimeur comprend de manière usuelle d'une part cylindre d'impression, communément appelé porte-cliché, associé à un cylindre apporteur d'encre, communément appelé cylindre tramé, et d'autre part un circuit d'encrage qui permet l'alimentation encre du cylindre apporteur d'encre et qui comporte notamment un réservoir d'encre. Dans cette application, pour mesurer en continu et automatiquement la viscosité de l'encre du circuit d'encrage d'un groupe imprimeur, il suffit de plonger le tube 3 du viscosimètre dans le réservoir d'encre. Dans le cadre d'une ligne d'impression comportant plusieurs groupes imprimeurs successifs, en prévoira un viscosimètre par groupe imprimeur et l'unité de traitement 11 de chaque viscosimètre communiquera avec un calculateur central 13 partagé par tous les viscosimètres, et centralisant l'affichage des viscosités de chaque groupe imprimeur. II est ainsi possible de contrôler automatique et en continu dans le temps la viscosité de l'encre chaque groupe imprimeur. Préférentiellement, cette mesure viscosité est utilisée au niveau de chaque groupe imprimeur pour réguler automatiquement la viscosite de l'encre par ajout solvant, et par exemple de l'eau, dans le réservoir d'encre circuit d'encrage, afin de maintenir viscosité de l'encre à un niveau sensiblement constant, ce qui prépondérant pour obtenir une bonne qualité d'impression. REVENDICATIONS . Viscosimètre rotatif comportant un solide (1) cylindrique, conique, ou tronconique monté rotatif dans une chambre (2), un moteur permettant l'entraînement en rotation de ce solide, et des moyens électroniques pour la commande du moteur et la mesure de viscosité d'un fluide contenu dans la chambre, caractérisé en que les moyens électroniques de commande et de mesure 1) sont conçus en sorte de réaliser de manière itérative et automatique le cycle de fonctionnement suivant a) alimentation et commande du moteur (7) en sorte d'entraîner en rotation le solide à une vitesse (V) sensiblement constante (Phases I et II), b) coupure de l'alimentation du moteur (instant T1), c) mesure de la vitesse de rotation (v) du solide (1) et calcul la décélération en rotation (Av) du solide (phases III et IV), d) calcul de la viscosité (y) en fonction de la décélération (4v) calculée à l'étape précédente. Viscosimètre selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens électroniques de commande et de mesure (9, 11) sont conçus en sorte de redémarrer chaque nouveau cycle (cycles 2, ... n) alors que le solide (1) est encore en rotation sous l'effet de l'énergie cinétique acquise. 3. Viscosimètre selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens électroniques de commande et de mesure (9, 11) sont conçus pour à l'étape c) comparer la vitesse de rotation (v) du solide (1) à deux vitesses de consigne (V2) et (V3) prédéterminées , et pour déterminer la décélération en rotation (4v) du solide (1) en calculant la pente de la courbe de vitesse de rotation du solide (1) entre ces deux vitesses de consigne (V2) et (V3). 4. Viscosimètre selon la revendication 1 caractérisé en ce que la chambre (2) est réalisée au moyen d'un tube (3) ajouré en partie inférieure. 5. Groupe imprimeur de type flexographique, comportant un circuit d'encrage avec un réservoir d'encre, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un viscosimètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 permettant la mesure de la viscosité de l'encre contenue dans le réservoir du circuit d'encrage.