Brevet FR2879745A1 — publié le 20060623

L'invention concerne un dispositif de mesure équipé d'un capteur comprenant au moins un transducteur électromécanique, d'un générateur électrique connecté audit transducteur, et de moyens pour déterminer l'impédance électrique en sortie du générateur. L'invention concerne également un appareil de mesure équipé d'un tel dispositif, destiné tout particulièrement à être utilisé pour déterminer la masse volumique p d'un produit liquide ou pâteux s'écoulant en continu à l'intérieur d'une conduite. La demande de brevet français FR 2763687, décrit un appareil de ce type, permettant de déterminer la masse volumique p d'une pâte de poisson, constituée essentiellement d'un mélange d'eau, d'air, de sel et de fibres de poisson, à la sortie d'une extrudeuse. Cet appareil comprend une conduite disposée en aval de l'extrudeuse, à l'intérieur de laquelle circule la pâte, une pastille piézo-électrique faisant office de transducteur électromécanique, étant disposée à l'intérieur de la conduite, dans un plan contenant l'axe de celle-ci. Dans la pratique, on constate que la pastille piézo-électrique perturbe l'écoulement de la pâte de poisson: elle obstrue la conduite et sépare le flux de pâte en deux parties. En outre, cette pastille s'encrasse très vite ce qui entraîne, d'une part, des erreurs d'estimation de la masse volumique p et, d'autre part, des problèmes de contamination bactérienne. L'invention a pour but de proposer un dispositif de mesure qui perturbe le moins possible l'écoulement du produit circulant à l'intérieur de la conduite, qui soit plus fiable que la pastille précitée, et qui limite les risques de contamination bactérienne. Pour atteindre ce but, l'invention a pour objet un dispositif de mesure comprenant un capteur qui comprend au moins un transducteur électromécanique, au moins un générateur électrique connecté audit transducteur et des moyens pour déterminer l'impédance électrique en sortie du générateur, caractérisé en ce que ledit capteur est traversé par un espace tubulaire à l'intérieur duquel un produit est susceptible de circuler, et en ce que ledit au moins un transducteur électromécanique est situé à la périphérie dudit espace tubulaire, de manière à être soumis à une charge mécanique caractéristique du produit circulant dans ledit espace, ladite impédance étant représentative de ladite charge. 2879745 2 Grâce à l'invention, ledit transducteur électromécanique se situe à la périphérie de l'espace de circulation du produit, c'est-à- dire qu'il ne fait donc pas ou ne fait que très légèrement saillie à l'intérieur de cet espace. Ainsi, l'écoulement du produit est très peu perturbé par ledit transducteur électromécanique et celui-ci est moins sujet à l'encrassement. On notera, en outre, que le fait qu'au moins un transducteur électromécanique se situe à la périphérie de l'espace tubulaire, ne signifie pas que le ou les transducteurs sont disposés nécessairement tout autour de cet espace: ils peuvent être répartis de façon discontinue autour de l'espace ou n'être disposés que sur un côté de cet espace. Par ailleurs, l'espace tubulaire ne se limite pas à un espace de section circulaire et des sections de forme différente (polygonale, ellipsoïdale...) peuvent être envisagées. De même, la longueur axiale de l'espace tubulaire n'est pas nécessairement supérieure à la plus grande dimension de sa section. Avantageusement, ledit capteur comprend une pluralité de transducteurs électromécaniques, répartis régulièrement à la périphérie dudit espace tubulaire. Ces transducteurs peuvent être montés en série ou en parallèle. Ils sont dans ce cas électriquement dépendants et équivalent à un unique transducteur mesurant une charge mécanique moyenne. Alternativement, les transducteurs peuvent être électriquement indépendants, c'est-à-dire être reliés chacun à leur propre générateur, ou encore être reliés à un générateur commun par l'intermédiaire d'un multiplexeur ou tout autre système permettant d'alimenter successivement chaque transducteur. Dans ce cas les moyens de mesure d'impédance mesurent l'impédance pour chaque circuit indépendant. Des transducteurs électriquement indépendants permettent de multiplier les points de mesure, et donc de caractériser le produit circulant dans la conduite selon différentes directions radiales. Par direction radiale, on entend désigner dans le présent mémoire toute direction perpendiculaire à l'axe principal de l'espace tubulaire. Ainsi, il devient possible de caractériser séparément le produit circulant dans la partie haute de la conduite, et celui circulant dans la partie basse de celle-ci, 2879745 3 lorsqu'elle est placée à l'horizontal. Aussi, avantageusement, les transducteurs électromécaniques sont répartis régulièrement, selon différentes directions radiales, à la périphérie de l'espace tubulaire. Avantageusement encore, le ou les transducteurs électromécaniques utilisés sont des éléments piézo-électriques, ce qui permet d'obtenir des capteurs de structure simple et compacte. Dans la description qui suit, on envisage uniquement le cas où les transducteurs sont des éléments piézo-électriques. Néanmoins, tout type de transducteur électromécanique, c'est-à-dire tout transducteur capable de recevoir de l'énergie d'un système électrique et de fournir de l'énergie à un système mécanique, ou inversement, pourrait être utilisé. Selon un mode de réalisation de l'invention, la surface active du ou des éléments piézo-électriques du capteur définit l'espace tubulaire: c'est une paroi de cet espace. Ainsi, la surface active n'est ni en retrait ni en saillie par rapport audit espace et les risques d'encrassement sont diminués au maximum. Pour diminuer encore les risques d'encrassement et faciliter le nettoyage de la surface active, celle-ci peut être recouverte par un revêtement anti-adhésif comme le polytétrafluoroéthylène, ou PTFE (plus connu sous la marque Téflon ), ou une matière analogue. Le PTFE présente l'avantage, par ailleurs, d'être compatible avec les normes de l'agroalimentaire. Selon un autre mode de réalisation, la surface active de l'élément piézo-électrique est recouverte d'une membrane. Dans ce cas, c'est cette membrane qui définit l'espace tubulaire. Elle doit être suffisamment souple pour que l'élément piézo-électrique puisse détecter la charge mécanique exercée par le produit circulant dans ledit espace. L'invention a également pour objet un appareil de mesure comprenant deux portions de conduite, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de mesure du type de celui précédemment décrit, et en ce que ledit capteur raccorde les deux portions de conduite, via ledit espace tubulaire. Avantageusement, cet appareil comprend en outre des moyens pour déterminer la célérité d'un train d'onde traversant le produit circulant dans la conduite ou dans l'espace tubulaire et un organe de calcul permettant 2879745 4 de déterminer la masse volumique de ce produit, à partir de ladite célérité et de l'impédance mesurée par le dispositif de mesure. L'invention et ses avantages seront mieux compris à lecture de la description détaillée qui suit. Cette description fait référence aux planches de figures annexées sur lesquelles: - la figure 1 est une vue en perspective d'un premier exemple de capteur susceptible d'équiper un dispositif de mesure selon l'invention; - la figure 2 est une coupe selon le plan II-II du capteur de la figure 1; - la figure 3 est une coupe selon le plan III-III du capteur de la figure 1; - la figure 4 est une vue en perspective d'un deuxième exemple de capteur susceptible d'équiper un dispositif de mesure selon l'invention; - la figure 5 est une coupe selon le plan V-V d'une partie du capteur de la figure 4; - la figure 6 est une vue en perspective d'un troisième exemple de capteur susceptible d'équiper un dispositif de mesure selon l'invention; - la figure 7 est une représentation schématique d'un exemple d'appareil de mesure selon l'invention. Les figures 1, 2 et 3 représentent un premier exemple de capteur 1 comprenant une pluralité d'éléments piézo-électriques 10, comme des céramiques, sous forme de plaquettes. Le type de céramique utilisé pour les éléments piézo-électriques 10 est choisi en fonction de la charge mécanique du produit que ces éléments sont destinés à supporter (cette charge mécanique dépend de la masse volumique de ce produit). Pour un produit agroalimentaire comme une pâte de poisson, on peut, par exemple, utiliser une céramique de type PZ35 commercialisée par la société Ferroperm . Les éléments 10, au nombre de six, sont joints bord à bord et définissent entre eux un espace tubulaire 12 de section hexagonale, destiné à être traversé par un produit 14 liquide ou pâteux circulant suivant la flèche F. De manière à garantir l'étanchéité de l'espace 12, des joints d'étanchéité 16 sont disposés entre deux éléments 10 adjacents. Les éléments 10 sont maintenus à l'aide de deux manchons 18 qui 2879745 5 entourent les extrémités du capteur 1. Des empreintes 20 peuvent être ménagées dans les manchons 18 pour faciliter le positionnement des éléments 10. Ces éléments 10 doivent dans tous les cas rester libres de vibrer. Aussi, les manchons sont, de préférence, réalisés en élastomère. Comme représenté figure 2, un joint d'étanchéité 17, par exemple en silicone, peut être disposé autour des éléments 10, entre ces derniers et les manchons 18. Habituellement, pour se placer dans de bonnes conditions opératoires il est préférable de précontraindre très légèrement les éléments 10. Aussi, on utilise des tiges 22 reliant les manchons 18. Ces tiges sont filetées sur une portion d'extrémité pour permettre de visser/dévisser un écrou 22a afin de rapprocher ou d'écarter les manchons 18 l'un de l'autre, ce qui précontraint (suivant l'axe principal de l'espace tubulaire) à la valeur souhaitée les éléments 10. Les tiges 22 ont également un rôle de maintien des manchons autour des éléments 10. Avantageusement, on réalise les manchons 18 dans une matière isolante élastomère et on choisit cette matière résistante aux températures des produits destinés à circuler dans l'espace 12. Par exemple, on peut utiliser une résine acétale comme le Deirin (marque déposée), supportant des températures allant jusqu'à 200 C. Les faces actives des éléments 10 sont les faces orientées vers l'intérieur de l'espace 12. Ces faces sont soumises à la charge mécanique exercée par le produit 14. Les faces extérieures, opposées aux faces actives, sont libres mécaniquement. Sur chaque face extérieure et intérieure part un fil électrique. Lorsque les éléments 10 sont électriquement indépendants, les fils de chaque élément sont reliés à un générateur propre à l'élément ou à un générateur commun via un multiplexeur ou un système d'interrupteurs actionnés successivement. Lorsqu'ils sont électriquement dépendants, les faces internes et les faces externes sont reliées électriquement entre elles et connectées au générateur. Les figures 4 et 5 représentent un deuxième exemple de capteur 3, comprenant une pluralité d'éléments piézo-électriques 30 sous forme de bâtonnets, noyés dans une matrice 31. Cette matrice 31 peut être réalisée 2879745 6 en résine époxy et moulée autour desdits éléments 30. Les éléments 30 peuvent être totalement noyés dans la matrice 31, comme représenté figure 5, ou l'être seulement partiellement. Le matériau de la matrice 31 est choisi de sorte qu'il soit suffisamment flexible pour permettre aux éléments 30 de vibrer et d'être sensibles à la charge mécanique exercée par le produit 14. Un espace tubulaire 32 traverse le capteur 3. Les parois 32a de cet espace sont formées par la matrice 31. Les éléments 30 sont répartis régulièrement à la périphérie de cet espace et peuvent être électriquement indépendants ou dépendants, comme expliqué plus haut. Leurs surfaces actives 30a sont séparées des parois 32a par une partie de la matrice 31 assimilable à une membrane 33 recouvrant les surfaces 30a. La structure composite (matrice 31/éléments 30) de ce deuxième exemple de capteur permet de fabriquer facilement des transducteurs aux formes variées. Le capteur 3 peut présenter à ses extrémités des manchons 38 qui serviront pour raccorder le capteur 3 à une conduite. Ces manchons 38 peuvent être moulés avec le corps composite du capteur, ou être des pièces rapportées sur ce corps, comme dans l'exemple. La figure 6 représente un troisième exemple de capteur comprenant un unique élément piézo-électrique 50 enroulé sur lui-même, de manière à définir un espace tubulaire 52. L'élément piezo-électrique 50 est par exemple en polyfluorure de vinylidène ou PVDF. Il peut être réalisé sous forme de plaque puis être déformé (courbé), les bords de la plaque étant joints de manière à former un tube cylindrique, comme dans l'exemple (un joint d'étanchéité peut être disposé entre ces bords). On peut également réaliser un capteur en PVDF directement à la forme désirée. Dans les deux cas, des manchons 58 peuvent être disposés aux extrémités du capteur, soit pour maintenir l'élément 50 dans sa position déformée, soit pour faciliter le raccordement du capteur entre deux conduites. On notera qu'un unique manchon central entourant les éléments 10 pourrait être utilisé à la place des deux manchons d'extrémité 18. Deux électrodes sont reliées respectivement à la surface active 50a (i.e. la surface intérieure) de l'élément 50 qui définit l'espace 52 (la 2879745 7 surface 50a est une paroi de l'espace 52), et à la surface extérieure 50b du capteur 5. Ces électrodes sont reliées à un générateur, et à des moyens pour déterminer l'impédance en sortie de ce générateur. Les deuxième et troisième exemples de capteur 3 et 5, ont pour avantage de présenter une cylindricité parfaite qui permet d'éviter les retenues de produit. La figure 7 représente schématiquement un exemple d'appareil de mesure 50 selon l'invention, monté à la sortie d'une extrudeuse 62. L'extrudeuse 62 comporte un corps cylindrique 63 à l'intérieur duquel tourne une vis d'extrusion 64 entraînée par un moteur 65. Les matières premières entrent dans le corps 63 par la trémie d'alimentation 66 et en ressortent sous forme de produit élaboré 14 par la sortie 67. Ce produit 14 peut être une pâte de poisson, ou tout autre mélange liquide ou pâteux, agroalimentaire ou non. L'appareil de mesure 50 comprend deux portions de conduite 51 et 52, et un dispositif de mesure selon l'invention, comprenant un capteur 1, 3 ou 5 du type de ceux précédemment décrits, un générateur électrique 54 relié audit capteur via deux électrodes 53 et des moyens 55 pour déterminer l'impédance électrique Ze à la sortie du générateur, comme un pont d'impédance ou tout autre système de mesure d'impédance. La portion 51 est reliée à la bouche de sortie 67 de l'extrudeuse 62 et les deux portions de conduite 51 et 52, de préférence de même dimension, sont raccordées par ledit capteur 1, 3 ou 5 via l'espace tubulaire traversant ce dernier 12, 32 ou 52. Les manchons 18, 38 ou 58 disposés à chacune des extrémités du capteur 1, 3 ou 5 permettent de faciliter le raccordement aux portions de conduite 51 et 52 et avantageusement, la section de l'espace tubulaire 12, 32 et 52 est sensiblement identique à celle des conduites 51 et 52. Le fait de choisir une section sensiblement identique permet d'éviter de former un goulot d'étranglement qui perturberait l'écoulement du produit 14 ou un élargissement à l'intérieur duquel ce produit pourrait s'accumuler et stagner. Ceci n'exclut pas la possibilité de choisir la section de l'espace tubulaire légèrement supérieure ou légèrement inférieure à celle des conduites 51 et 52. Une telle situation intervient plus particulièrement 2879745 8 lorsque la section de l'espace tubulaire est polygonale alors que celle des conduites est circulaire, comme c'est le cas sur les figures 1 à 3. Comme expliqué précédemment, aucune partie du capteur 1, 3 ou 5 ne se situe à l'intérieur du flux F de produit 14 qui traverse les portions de conduite 51 et 52. Avantageusement, le capteur 1, 3 ou 5 peut être séparé des portions de conduite 51 et 52 pour pouvoir être nettoyé plus facilement. Par exemple, les conduites 51 et 52 sont uniquement emboîtées dans les manchons 18, 38 ou 58. L'appareil de mesure 50 comprend, en outre, des moyens 70 pour déterminer la célérité CL d'un train d'onde traversant le produit 14 circulant dans l'une des portions de conduite 51, 52 ou dans l'espace tubulaire 12, 32 ou 52, ce train d'onde traversant le produit 14 dans une direction T transversale, perpendiculaire à l'axe principal des portions 51 ou 52 ou dudit espace. Selon un mode de réalisation, ces moyens 70 comprennent un émetteur d'ultrasons 71 disposé sur une paroi d'une portion de conduite, la portion 51 sur la figure, et un récepteur d'ultrasons disposé en regard de l'émetteur 71 sur la paroi opposée de cette portion de conduite. Les moyens 70 comprennent également un organe de calcul 77 relié directement au récepteur 72 et indirectement à un émetteur 71 via un organe de génération de signal 79. L'organe 77 émet des ordres d'émission d'une onde sonore à l'émetteur 71 par l'intermédiaire de l'organe de génération de signal 79, et calcule le temps de retard entre l'émission et la réception de l'onde sonore. Connaissant la distance séparant l'émetteur 71 et le récepteur 72, l'organe 77 peut déterminer la célérité CL de l'onde sonore traversant le produit 14 suivant la direction T. Selon un autre mode de réalisation qui utilise le premier exemple de capteur 1 précité, les moyens 70 pour déterminer la célérité CL comprennent deux éléments piézo-électriques 10 du capteur 1 situés en regard l'un de l'autre. En référence à la figure 1, il peut s'agir des éléments 10a et 10b. L'un des éléments 10a, dédié à l'émission, est soumis à une tension variable à fréquence élevée de manière à émettre une onde ultrasonore et l'autre élément 10b est dédié à la réception de 2879745 9 cette onde. Les éléments 10a et 10b sont reliés à un organe de calcul et à un organe de génération de signal remplissant des fonctions analogues à celles des organes 77 et 79 précédemment décrits. Selon ce mode de réalisation, on peut se passer de l'émetteur 71 et du récepteur 72. Comme ceci est bien expliqué dans la demande de brevet français publiée FR 2763687, de la ligne 10 page 5 à la ligne 15 page 6, la mesure de l'impédance électrique Ze à la sortie du générateur permet de connaître l'impédance électrique Zev ramenée à l'entrée du primaire du transformateur électriquement équivalent au transducteur électromécanique (le schéma électrique équivalent au montage est donné sur les figures 2 et 3 de FR 2763687). La connaissance de Zev permet alors de calculer l'impédance acoustique Za du produit 14 qui recouvre l'élément piezo-électrique concerné. Or, l'impédance Za du produit est telle que Za = p x CL x S, ou S est la surface active de l'élément piezo-électrique de l'élément considéré. La connaissance de Za, CL et S permet donc de remonter à la masse volumique p du produit 14. Dans le cas où l'appareil de mesure 50 est monté en aval d'une extrudeuse 62, durant la fabrication d'un mélange, on peut en fonction de la valeur de la masse volumique p mesurée, immédiatement agir sur la vitesse de rotation de la vis 64, de manière à maintenir constante la masse volumique p du mélange sortant de l'extrudeuse 62. Pour ce faire, l'organe de calcul 77 est relié à un dispositif de commande 66 permettant de régler la vitesse du moteur 65 entraînant la vis 64. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure comprenant un capteur (1, 3, 5) qui comprend au moins un transducteur électromécanique (10, 30, 50), au moins un générateur électrique (54) connecté audit transducteur et des moyens (55) pour déterminer l'impédance électrique en sortie du générateur (54), caractérisé en ce que ledit capteur (1, 3, 5) est traversé par un espace tubulaire (12, 32, 52) à l'intérieur duquel un produit (14) est susceptible de circuler, et en ce que ledit transducteur électromécanique (10, 30, 50) est situé à la périphérie dudit espace tubulaire(12, 32, 52), de manière à être soumis à une charge mécanique caractéristique du produit (14) circulant dans ledit espace, ladite impédance étant représentative de ladite charge. 2. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit capteur (1) comprend une pluralité de transducteurs électromécaniques (10), répartis régulièrement à la périphérie dudit espace tubulaire (12). 3. Dispositif de mesure selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit au moins un transducteur électromécanique (10) est un élément piézoélectrique. 4. Dispositif de mesure selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit capteur (1) comprend une pluralité d'éléments piézoélectriques (10) joints bord à bord, qui définissent entre eux ledit espace tubulaire (12). 5. Dispositif de mesure selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'un joint d'étanchéité (16) est disposé entre deux éléments piézoélectriques (10) adjacents. 2879745 11 6. Dispositif de mesure selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que lesdits éléments piézoélectriques (10) sont maintenus en position par au moins un manchon (18). 7. Dispositif de mesure selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit capteur (5) comprend un unique élément piézoélectrique (50) enroulé sur lui-même, de manière à définir ledit espace tubulaire (52). 8. Dispositif de mesure selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit élément piézoélectrique (50) est maintenu dans sa position enroulée à l'aide d'au moins un manchons (58) qui l'entoure. 9. Dispositif de mesure selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit capteur (3) comprend une pluralité d'éléments piézoélectriques (30) noyés dans une matrice (31) moulée autour desdits éléments, ladite matrice définissant ledit espace tubulaire (32). 10. Appareil de mesure comprenant deux portions de conduite (51, 52), caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, et en ce que ledit capteur (1, 3, 5) raccorde les deux portions de conduite, via ledit espace tubulaire (12, 32, 52). 11. Appareil de mesure selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit capteur comprend deux manchons (18, 38, 58) à chacune de ses extrémités pour faciliter le raccordement auxdites conduites (51, 52). 12. Appareil de mesure selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que ledit espace tubulaire (12, 32, 52) défini à l'intérieur du capteur, présente une section sensiblement identique à celles desdites conduites (51, 52). 13. Appareil de mesure selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, des moyens (70) pour 2879745 12 déterminer la célérité d'un train d'onde traversant le produit (14) circulant dans l'une des portions de conduite (51, 52) ou dans ledit espace tubulaire (12, 32, 52), et un organe de calcul (77) permettant de déterminer la masse volumique de ce produit à partir de ladite célérité et de ladite impédance. 14. Appareil de mesure selon la revendication 13, caractérisé en ce que lesdits moyens pour déterminer la célérité comprennent un émetteur d'ultrasons (71) disposé sur une paroi d'une portion de conduite (51) et un récepteur d'ultrasons (72) disposé en regard de l'émetteur, sur la paroi opposée de cette portion de conduite. 15. Appareil de mesure selon la revendication 13, caractérisé en ce que lesdits moyens pour déterminer la célérité comprennent deux éléments piézoélectriques (10a, 10b) du capteur (1) du dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, situés en regard l'un de l'autre.