Brevet FR2962220A1 — publié le 20120106

Domaine de l'invention La présente invention a pour objet un procédé de mesure précise de la densité d'un échantillon. Etat de la technique Parmi les mesures physiques devant être effectuées dans le cadre des procédés industriels, celle de la densité figure parmi les plus fréquemment nécessaires. A cet effet, les fabricants proposent sur le marché une gamme de densimètres basés sur différents principes, dont tous présen-10 tent des avantages et des inconvénients. Un densimètre pouvant être utilisé de manière satisfaisante pour mesurer la densité d'un échantillon est équipé d'une cellule de me-sure comportant les éléments suivants : - une enceinte massive de très bonne conductivité thermique qui dé- 15 finit à sa partie interne une chambre de mesure fermée par un bouchon, - un tube en U maintenu à la masse et fixé au bouchon qui est destiné à être rempli par l'échantillon à analyser et s'étend dans la chambre de mesure, 20 - une plaque de lecture conductrice isolée maintenue à une différence de potentiel par rapport au tube en U et fixée au bouchon en regard de ce tube de façon à définir un condensateur avec celui-ci, - une bobine d'excitation électromagnétique montée dans un loge-ment de l'enceinte au droit de l'élément ferromagnétique, et 25 - des moyens de commande de la bobine ainsi que des moyens de lec- ture de la tension aux bornes du condensateur. Le tube en U de la cellule d'un densimètre de ce type comporte d'une part une branche centrale équipée d'un élément ferromagnétique à sa partie médiane et d'autre part deux branches latérales faisant 30 saillie vers l'extérieur de la chambre de mesure pour permettre l'injection de l'échantillon à analyser dans le tube en U et l'évacuation de cet échantillon. Le principe de la mesure de la densité d'un échantillon à l'aide d'un tel densimètre consiste à faire vibrer le tube en U à la fréquence 35 de résonance et à déterminer cette fréquence à partir des variations de la tension aux bornes du condensateur. La fréquence de résonance permet en effet de calculer en première approximation la densité de l'échantillon à analyser en se basant 2 sur une équation standard connue en elle-même et à partir d'une calibration préalable du densimètre. Un tel calcul n'est toutefois admissible que si l'on ne recherche pas une précision supérieure à e-4 g/ ml car il ne tient pas compte 5 de l'effet amortisseur dû à la viscosité de cet échantillon. Différents algorithmes ont déjà été proposés pour tenir compte de ce paramètre viscosité, mais tous présentent l'inconvénient de nécessiter plusieurs mesures, ce qui les rend à la fois longs et onéreux. But de l'invention 10 La présente invention a pour objet de proposer un procédé de mesure précise de la densité d'un échantillon à l'aide d'une cellule densimétrique du type susmentionné de nature à remédier à ces inconvénients. Exposé et avantages de l'invention 15 Selon l'invention, la première étape de ce procédé consiste à injecter l'échantillon à analyser dans le tube en U de cette cellule. L'étape suivante consiste à actionner les moyens de commande de la bobine de façon à transmettre en permanence au tube en U un signal d'excitation rectangulaire synchronisé permettant de faire vibrer 20 ce tube à la fréquence de résonance. Cette vibration entraîne des variations constantes de la tension aux bornes du condensateur qui sont représentées sur un oscillographe par un signal de résonance V = f(t) sinusoïdal. Le signal d'excitation est centré par rapport au zéro de ce 25 signal de résonance. Il est plus précisément connu que la densité d d'un fluide est approximativement une fonction linéaire du carré de la période de résonance TR qui peut être déterminée à partir du signal de résonance et donc des variations de la tension aux bornes du condensateur. 30 Pour un densimètre donné cette droite d=f(TR)2 peut être établie lors d'une étape de calibration préalable consistant à obtenir deux points de référence à partir de produits dont on connaît la densité. Cette calibration s'effectue en règle générale en injectant de l'eau pure et de l'air sec dans le tube en U. 35 Une valeur approchée de la densité d'un échantillon à analyser peut ensuite être lue sur la droite d=f(TR)2 établie lors de l'étape de calibration préalable. 3 Cette valeur approchée de la densité est toutefois entachée d'une erreur dans la mesure où elle ne tient pas compte de la viscosité de cet échantillon. Or, pour que le signal de résonance sinusoïdal représentatif de la vibration du tube en U soit aussi « propre » que possible, et que son amplitude ne diminue pas au cours du temps, il est nécessaire que le signal d'excitation rectangulaire qui transmet l'énergie à apporter pour maintenir cette amplitude ait une largeur d'autant plus importante que l'échantillon à analyser est visqueux. Pour tenir compte de cet impératif, il est proposé, conformément à l'invention de contrôler et de maîtriser cette largeur d'impulsion du signal d'excitation rectangulaire de façon à maintenir l'amplitude du signal de résonance à une valeur constante prédéfinie. La largeur d'impulsion ainsi réglée permet de déterminer, 15 dans une autre étape du procédé conforme à l'invention un facteur de cor-rection qui dépend de la viscosité de l'échantillon à analyser. La densité réelle de cet échantillon peut ensuite être calculée en se basant sur la valeur approchée de cette densité précédemment déterminée et sur ce facteur de correction. 20 Le procédé conforme à l'invention présente ainsi l'avantage de pouvoir être mis en oeuvre en direct, dans la mesure où il permet d'obtenir simultanément d'une part une valeur approchée de la densité d'un échantillon à analyser et d'autre part un facteur de correction dépendant de la viscosité de cet échantillon, qui permettent de calculer précisé- 25 ment dans une étape ultérieure la densité réelle de celui-ci. Dessins Les caractéristiques du procédé qui fait l'objet de l'invention seront décrites plus en détail en se référant aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels : 30 - la figure 1 est un schéma illustratif de la configuration de la cellule de mesure du densimètre mis en oeuvre conformément à la l'invention, - les figures 2, 3 et 4 représentent trois exemples d'oscillogrammes obtenus à partir d'un tel densimètre lors de la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention respectivement dans le cas de l'analyse d'un 35 échantillon constitué par de l'air sec, d'un échantillon de densité d = 0,9 g/ml faiblement visqueux et d'un échantillon de densité d = 0,9 g/ml plus fortement visqueux. 4 Description d'un mode de réalisation de l'invention Selon la figure 1, la cellule de mesure du densimètre comporte une enceinte massive de très bonne conductivité thermique schématisée en pointillés qui définit à sa partie interne une chambre thermostatique 1. Cette chambre thermostatique 1 est fermée par un bouchon 11 à sa partie supérieure. La chambre thermostatique 1 renferme à sa partie interne, un tube en U 2 maintenu à la masse et comportant une branche centrale 21 ainsi que deux branches latérales 22, 23, qui s'étendent verticalement vers le haut à partir de la branche centrale 21. Les deux branches latérales 22, 23, sont fixées au bouchon 11 au niveau de leur extrémité libre et font saillie vers l'extérieur de la chambre thermostatique 1, de façon à permettre l'injection d'un échantil- lon à analyser par un orifice d'injection 4 selon la flèche A et l'évacuation de cet échantillon par un orifice d'évacuation 5 selon la flèche B. La branche centrale 21 du tube en U 2 est équipée à sa partie médiane d'un élément ferromagnétique 3 dont la fonction sera précisée dans la suite de cet exposé. La chambre thermostatique 1, renferme également à sa partie interne une plaque de lecture conductrice isolée 6. Cette plaque de lecture 6 fixée elle aussi au bouchon 11 en regard du tube en U 2 est reliée à une source haute tension 7 de façon à être constamment maintenue à une différence de potentiel par rapport à ce tube, et à définir un condensateur avec celui-ci. Une bobine d'excitation électromagnétique 8 est montée en regard de la branche centrale 21 du tube en U 2, au droit de l'élément ferromagnétique 3. Cette bobine d'excitation 8 est commandée par un contrô- leur 10 de sorte qu'elle transmette en permanence au tube en U 2 et plus précisément à l'élément ferromagnétique 3, un signal d'excitation rectangulaire synchronisé qui permet de faire vibrer ce tube à la fréquence de résonance. Cette vibration entraîne des variations constantes de la ten-35 Sion aux bornes du condensateur 2, 6 qui sont représentées par un signal de résonance V = f (t) sinusoïdal. Ce signal de résonance dont la période est fonction de la densité de l'échantillon à analyser est transmis à un amplificateur 9 et est prélevé au niveau d'un point de contrôle a pour permettre sa lecture sur un oscillographe. Ce signal de résonance sinusoïdal est en outre transmis en permanence au contrôleur 10 qui commande en retour la largeur 5 d'impulsion du signal d'excitation rectangulaire transmis à la bobine d'excitation 8, de façon à maintenir l'amplitude du signal de résonance sinusoïdal à une valeur constante prédéfinie. Le signal d'excitation rectangulaire ainsi réglé, dont la largeur est fonction de la viscosité de l'échantillon à analyser, est prélevé au niveau d'un point de contrôle b pour permettre sa lecture sur un oscillographe. Des oscillogrammes ainsi obtenus sont représentés sur les figures 2, 3 et 4. Sur chacun de ces oscillogrammes le signal de résonance sinusoïdal et le signal d'excitation rectangulaire sont représentés en partie haute sur 2 à 4 périodes de vibration et en partie basse avec un agrandissement de 10 fois. On a ainsi pu mesurer dans chaque cas d'une part la période tl du signal de résonance sinusoïdal et d'autre part, la largeur 20 d'impulsion t2 du signal d'excitation rectangulaire. Selon la figure 2 qui représente les chromatogrammes d'air sec, c'est-à-dire que l'on n'a pas injecté d'échantillon dans le tube en U ti = 2,9 e'-3 sec et t2 = 2,5 e-4 sec. La masse du tube en U qui ne renferme pas d'échantillon 25 est alors minimum donc la fréquence de résonance maximum et les du-rées ti et t2 sont également minima. Selon la figure 3, qui représente les chromatogrammes d'un échantillon de densité d = 0,9 g/ml faiblement visqueux, tl = 3,8 e-3 sec et t2 = 3,1 e-4 sec. 30 Par rapport au cas représenté sur la figure 2, la masse du tube est supérieure et donc la fréquence de résonance inférieure. De plus, la dissipation de l'énergie de vibration est plus importante et par suite le contrôleur 10 doit augmenter la largeur d'impulsion du signal d'excitation rectangulaire pour compenser la dimi- 35 nution de l'amplitude. Selon la figure 4 qui représente les chromatogrammes d'un échantillon de densité d = 0,9 g/ml plus fortement visqueux, tl = 3,8 e-3 sec et t2 = 4,8 e'-4 sec. 6 Les fréquences de résonance mesurées sur les chromatogrammes correspondant aux figures 3 et 4 sont les mêmes dans la mesure où les échantillons injectés dans le tube en U, ont la même densité. En revanche, selon la figure 4, compte tenu de la viscosité de l'échantillon injecté, la dissipation de l'énergie de vibration est maximum et par suite la largeur d'impulsion du signal d'excitation rectangulaire est également maximum pour permettre de compenser la diminution d'amplitude.