Brevet FR2815412A1 — publié le 20020419

La présente invention concerne un dispositif de mesure des caractéristiques rhéologiques, notamment de solutions ou suspensions relativement concentrées ou de fluides de type gel susceptibles d'être véhiculés par une pompe volumétrique, de préférence à débit uniforme et continu réglable. Cette invention se propose plus particulièrement d'apporter un dispositif de mesure de la viscosité des suspensions relativement concentrées de boues biologiques ou inorganiques, mises en oeuvre dans l'industrie du traitement des eaux, présentant par exemple une concentration comprise entre 10 et 60 gll exprimés en matière sèche. On sait que des mesures rhéologiques permettent en particulier d'évaluer le degré de floculation des boues (par exemple adjonction d'agents de floculation tels que des polyélectrolytes) ainsi que leur résistance au cisaillement et par conséquent leur résistance à la destructuration, par exemple d'origine mécanique. A l'heure actuelle la caractérisation en continu des propriétés rhéologiques. des boues liquides concentrées n'est pas totalement maîtrisée et elle pose des problèmes métrologiques difficiles à résoudre. Ces difficultés sont dues principalement au fait que les viscosimètres actuellement connus posent des problèmes de fiabilité (notamment en raison de la présence de bouchages) lorsqu'on les utilise pour la caractérisation rhéologique de suspensions hétérogènes, comme on l'explique ci-après. Divers types de viscomètres ont été décrits et fabriqués à ce jour : - le viscosimètre de Couette, constitué de cylindres coaxiaux en mouvement relatif, - le viscosimètre rotatif cône-plan. Ces deux types de viscosimètres font intervenir une mesure de couple sur l'axe supportant soit l'un des cylindres, soit le cône, ce couple étant fonction des caractéristiques rhéologiques du produit à étudier ; et notamment de sa viscosité dans le cas d'un fluide dit newtonien ; - les viscosimètres du type capillaire qui font intervenir une mesure de perte de charge dans des tubes de diamètre plus ou moins faible et de plus ou moins grande longueur, la perte de charge, à débit constant étant fonction des caractéristiques rhéologiques du fluide circulant dans les tubes. Ainsi qu'on l'a mentionné ci-dessus, ces divers dispositifs selon la technique antérieure se révèlent, à l'usage, mal adaptés aux mesures des caractéristiques rhéologiques des suspensions ou des boues, principalement en raison des propriétés colmatantes du système biphasique. Par ailleurs, la viscosité des suspensions à faible concentration en solides est très voisine de celle de l'eau et la sensibilité des mesures est, dans ce cas, tout à fait insuffisante. Afin de résoudre ce problème technique, l'invention apporte un dispositif de mesure rhéologique dans lequel le fluide, solution, gel ou suspension, dont on veut mesurer la viscosité, est mis en écoulement, à débit constant et en régime laminaire, dans un tube dit tube de mesure et on mesure les pertes de charge dans ce tube, ce dispositif étant caractérisé en ce que ledit tube de mesure est constitué d'un matériau déformable à mémoire de forme, qui est immergé dans une enceinte contenant un liquide, notamment de l'eau et en ce que les pertes de charge dans le tube sont mesurées à l'aide de moyens mesurant toute élévation du niveau du liquide dans l'enceinte résultant d'une augmentation de volume du tube, consécutive à sa déformation, lors de l'écoulement de la solution ou du fluide. Comme on le comprend, lors de la circulation du fluide dans le tube déformable, les variations de caractéristiques rhéologiques, induisent des variations de pertes de charge et donc des variations de pression interne qui dilatent plus ou moins le tube. Ces variations sont mesurées selon l'invention, par exemple par la mesure des variations de volume du tube déformable. Selon l'invention le matériau constitutif du tube déformable est choisi pour son élasticité, son aptitude à retrouver sa forme et ses dimensions initiales après l'application de la contrainte et sa résistance à l'abrasion ainsi qu'aux constituants chimiques éventuellement véhiculés. Ce tube peut être plus particulièrement constitué d'un élastomère, naturel ou synthétique. Selon un mode de réalisation du dispositif selon l'invention le tube déformable est enroulé en spirale et l'enceinte dans laquelle il est immergé est totalement remplie de liquide, notamment d'eau, munie à sa partie supérieure, d'un tube vertical ouvert sur son côté débouchant à l'extérieur, ce tube vertical étant gradué afin de mesurer une élévation du niveau de l'eau dans l'enceinte résultant d'une augmentation du volume du tube en matériau déformable dans lequel circule le fluide, notamment une suspension de particules solides dont on veut mesurer les caractéristiques rhéologiques. Selon un autre mode de réalisation de cette invention le tube déformable est également enroulé en spirale et l'enceinte dans laquelle il est totalement immergé est étanche et partiellement remplie de liquide, notamment d'eau, le volume supérieur de l'enceinte étanche étant rempli d'une phase gazeuse, notamment de l'air, qui se comprime lorsque le tube se déforme et que son volume augmente, un manomètre positionné sur le volume supérieur de ladite enceinte assurant la mesure des variations de pression correspondant aux variations de volume du tube immergé consécutives à la déformation de ce dernier. Selon l'invention ledit liquide est choisi de telle sorte qu'il ne dissolve pas notamment le gaz contenu dans la partie supérieure de l'enceinte. Selon un autre mode de réalisation de l'invention les moyens mesurant les déformations du tube sont constités de capteurs permettant d'enregistrer et de transmettre des résultats de mesure. D'autres caractéristiques et avantages de cette invention ressortiront de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés qui en illustrent des modes de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les dessins ; les figures 1 et 2 sont des vues schématiques illustrant deux exemples de réalisation d'un dispositif selon l'invention. On se réfère en premier lieu à la figure 1 qui illustre le mode de mise en oeuvre de l'invention selon lequel on mesure l'augmentation de volume du tube déformable, directement en mesurant le déplacement d'un fluide contenu dans une enceinte dans laquelle est immergé le tube. A cet effet le tube déformable 1 en élastomère à mémoire de forme, de faible épaisseur (cette dernière étant choisie en relation avec la sensibilité désirée pour la mesure) est enroulé sous forme de spires de diamètre suffisant pour éviter des effets de courbure trop marqués. Le tube 1 en spirale est immergé dans une enceinte 2 totalement remplie d'un liquide, par exemple de l'eau et qui est munie à sa partie supérieure d'un tube vertical ouvert gradué 3. Le fluide dont on veut mesurer les caractéristiques rhéologiques, par exemple une boue liquide épaissie, circule en continu, à débit constant, dans le tube de mesure 1 sous l'action d'une pompe 4. L'augmentation du volume du tube de mesure résultant de sa déformation due aux variations de pression induites par les pertes de charge dans ce tube, se traduit par une élévation du niveau du liquide dans le tube gradué 3. L'exemple de réalisation illustré par la figure 2 concerne le mode de mise en oeuvre de l'invention selon lequel on mesure l'augmentation de volume du tube déformable, directement en mesurant les variations de pression dans le compartiment gazeux d'une enceinte étanche remplie partiellement d'un liquide dans lequel est totalement immergé le tube. Sur la figure 2 on retrouve le tube de mesure déformable 1 enroulé en spirale et qui est totalement immergé dans un liquide, par exemple de l'eau, contenu dans une enceinte étanche 2'. Celle-ci comporte en partie supérieure un espace rempli d'un gaz 5, par exemple de l'air, qui se comprime lorsque le volume du tube de mesure 1 augmente en raison des variations de pression induites par les pertes de charge dans le tube. Un manomètre 6 est prévu pour mesurer les variations de pression du gaz 5. Dans les deux modes de réalisation décrits ci-dessus en référence aux figures 1 et 2, l'immersion du tube de mesure 1 dans une enceinte 2 ou 2'remplie totalement ou partiellement d'un liquide facilite la régulation de température du tube de mesure 1, évitant ainsi un échauffement de celui-ci par frottement dû à l'écoulement du fluide dont on mesure les caractéristiques rhéologiques. Selon l'invention on peut en outre prévoir des capteurs, remplaçant respectivement le tube gradué 3 (figure 1) et le manomètre 6 (figure 2) de façon à permettre un enregistrement et une transmission des résultats des mesures. Selon un autre exemple de réalisation de l'invention, la hauteur du tube vertical 3, ou la pression initiale de la phase gazeuse 5 remplissant le volume supérieur de l'enceinte étanche 2, exerce une contre-pression dans ladite enceinte pour limiter la déformation du matériau constitutif du tube 1 (notamment élastomère). La charge correspondante, choisie en fonction des conditions de fonctionnement du dispositif (viscosité et débit du fluide mesuré, propriété du tube en matériau déformable à mémoire de forme) est usuellement comprise entre 0,5 et 7 mètres de hauteur de colonne d'eau et peut être assurée par tout fluide d'inertie chimique et masse volumique convenables. Le dispositif selon l'invention est suffisamment sensible pour détecter les variations du degré de floculation et/ou de concentration d'une boue, ce qui démontre sa capacité à détecter des variations de propriétés rhéologiques consécutives à des variations de concentration ou au degré de floculation des boues. Parmi les avantages apportés par l'invention on peut citer notamment : - très grande simplicité de réalisation, - faible coût d'exécution, - fonctionnement sur une très large gamme de caractéristiques de boues (concentration en matières solides, degré de floculation...) avec une grande dynamique, - excellente fiabilité due à son insensibilité au colmatage. Il demeure bien entendu que cette invention n'est pas limitée aux divers exemples de réalisation décrits et/ou représentés ici mais qu'elle en englobe toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure des caractéristiques rhéologiques, notamment de la viscosité de solutions ou suspensions relativement concentrées ou de fluide de type gel mis en écoulement à débit constant dans un tube dont on mesure les pertes de charge, caractérisé en ce que ledit tube (1) est constitué d'un matériau déformable à mémoire de forme, qui est immergé dans une enceinte (2) contenant un liquide, notamment de l'eau, et en ce que les pertes de charge dans le tube sont mesurées à l'aide de moyens mesurant toute élévation du niveau du liquide dans l'enceinte (2) résultant d'une augmentation de volume du tube (1), consécutive à sa déformation, lors de l'écoulement de la solution ou du fluide. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau constitutif du tube (1) est un élastomère, naturel ou synthétique. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit tube déformable à mémoire de forme (1) est enroulé en spirale et en ce que l'enceinte (2), dans laquelle il est immergé est totalement remplie de liquide, et munie à sa partie supérieure, d'un tube vertical (3) ouvert sur son côté débouchant à l'extérieur, ledit tube étant gradué afin de mesurer toute élévation du niveau de l'eau dans l'enceinte (2), résultant d'une augmentation de volume du tube consécutive à une déformation du tube. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le tube déformable (1) est enroulé en spirale et il est totalement immergé dans l'enceinte (2'), cette dernière étant étanche et partiellement remplie de liquide, le volume supérieur de ladite enceinte étant rempli d'une phase gazeuse (5) notamment de l'air, qui se comprime lorsque le tube se déforme et que son volume augmente, un manomètre (6) positionné sur le volume supérieur de ladite enceinte assurant la mesure des variations de pression correspondant aux variations de volume du tube (1) consécutives à la déformation de ce dernier. 5. Dispositif selon l'une des revendications 3 ou 4 caractérisé en ce que ledit liquide est choisi de telle sorte qu'il ne dissolve pas notamment le gaz contenu dans la partie supérieure de l'enceinte 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens mesurant toute augmentation du niveau de liquide dans l'enceinte (2, 2') résultant d'une augmentation du volume du tube (1) consécutive à ses déformations sont constitués par des capteurs permettant l'enregistrement et la transmission des résultats des mesures. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la hauteur du tube (1) exerce une contre-pression dans l'enceinte (2) pour limiter la déformation du matériau constituant ledit tube. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pression initiale de la phase gazeuse (5) remplissant le volume supérieur de l'enceinte (2') exerce une contrepression dans ladite enceinte pour limiter la déformation du matériau constituant ledit tube.