Brevet FR2985566A1 — publié le 20130712

CAPTEUR DE NIVEAU DE LIQUIDE AVEC FLOTTEUR LIBRE DOMAINE Le domaine de l'invention est celui des capteurs de niveau d'un liquide stocké dans un réservoir tel qu'un bassin ou une piscine. Plus particulièrement, l'invention se rapporte aux capteurs de grandes dimensions et s'applique notamment aux réservoirs devant présenter une grande fiabilité tels que les réservoirs utilisés dans les installations nucléaires, notamment les piscines destinées à recevoir les assemblages combustibles. ETAT DE L'ART Actuellement, il existe différents types de capteurs de niveau de grandes tailles d'un liquide stocké dans un bassin. Parmi ces systèmes, il existe des capteurs électromagnétiques tels que ceux décrits dans le document de brevet US2005 109105. Ce dernier document décrit un système de mesure du niveau d'un liquide dans un réservoir utilisant un flotteur comportant un aimant flottant dans le réservoir. Le document de brevet EP 0397338 décrit également un capteur électromagnétique de niveau de liquide comportant un aimant flottant qui coulisse dans un tube. Un capteur est disposé autour de l'aimant. Il existe également des capteurs de type optique tels que ceux décrits dans le document de brevet US 6173609. Ce denier décrit un système de mesure du niveau d'un liquide utilisant un capteur optique, notamment un guide d'ondes. Le guide d'ondes peut consister en une pluralité de fibres présentant des longueurs différentes. II existe également des capteurs hybrides de type électromagnétique et optique, tels que ceux décrits dans la demande de brevet W02004076987. Ce dernier document décrit un capteur de niveau de liquide comportant un flotteur aimanté qui coulisse dans un tube et un élément de capteur optique mis autour du flotteur. L'élément de capteur possède des caractéristiques variables de réflexion à la suite de l'action d'un champ magnétique. Généralement, un capteur aimanté permet d'agir sur des circuits électriques au niveau de la surface du liquide afin d'en mesurer le niveau. Le document de brevet US 5552774 décrit typiquement un procédé standard de détermination du niveau d'un liquide dans un réservoir avec un flotteur aimanté qui ouvre ou ferme un circuit électrique en réponse à un changement de niveau du liquide. Néanmoins, ces solutions présentent de nombreux inconvénients. Notamment, les systèmes de mesures de niveau d'un liquide tel l'eau d'une piscine destinée à recevoir les assemblages combustibles nucléaires doivent être opérationnels par toutes conditions. En l'occurrence, les systèmes de mesure doivent pouvoir résister à des tremblements de terre et par conséquent les sondes utilisées ne doivent pas être de trop grandes dimensions. Les solutions actuelles présentent souvent un problème quant à la réalisation des sondes qui doivent être de grande taille et qui présentent un jeu trop important pour un dimensionnement antisismique. En outre, aucun de ces systèmes ne permet une maintenance facilitée. Ainsi, l'un des inconvénients majeurs des dispositifs de grandes tailles provient du fait que l'architecture des structures ne permet pas une maintenance aisée. En cas d'accident ou de panne, la maintenance d'un capteur/une sonde doit pouvoir être simplifiée à son maximum. RESUME DE L'INVENTION L'invention permet de résoudre les inconvénients précités. L'invention concerne un dispositif de mesure d'un niveau de liquide dans un réservoir. Avantageusement, le dispositif comprend un flotteur apte à flotter à la surface dudit liquide, le dit flotteur étant logé à l'intérieur d'un tube principal permettant le guidage en translation dudit flotteur sous la poussée hydrostatique exercé par le fluide. Le dispositif comprend, en outre, une pluralité de sondes disposées à proximité du tube s principal, chaque sonde étant susceptible de mesurer la position du flotteur sur une portion de la profondeur du bassin, ladite sonde étant maintenue à une profondeur prédéterminée. Avantageusement, l'ensemble des portions de mesure recouvrant la course maximale du flotteur dans le tube principal sous l'effet de la 10 poussée hydrostatique. Avantageusement, le dispositif de mesure comprend une pluralité de logements, chaque logement comprenant chacun au moins une sonde, les sondes étant maintenues à l'intérieur desdits logements. Cette solution permet d'effectuer des opérations de maintenance 15 spécifiques sur chacune des sondes sans générer une interruption totale de fonctionnement du dispositif de mesure. En effet, chaque logement comprend une sonde qui peut être remplacée ou réparée sans impact sur les sondes des autres logements. Les logements sont préférentiellement des tubes juxtaposés au 20 tube principal, appelés tubes secondaires. Structurellement la forme d'un tube facilite la pose et le retrait d'une sonde lors des opérations de maintenance. Avantageusement, deux tubes secondaires pris deux à deux ont chacun une extrémité située sensiblement à la même hauteur et ont des 25 longueurs différentes s'étendant dans la profondeur du bassin de manière à ce que les sondes soient posées au fond de chaque tube secondaire. 30 En conséquence, deux tubes secondaires pris deux à deux ont des longueurs différentes de manière à ce que les sondes soient susceptibles de mesurer la position du flotteur sur des portions différentes de la profondeur du réservoir. Ainsi cette solution permet notamment de limiter s la taille des sondes. Avantageusement, chaque portion de mesure est inférieure à 2m. En outre, les sondes de mesure sont disposées dans des tubes secondaires entourant le tube principal. Chacun des tubes secondaires comprend une sonde qui est disposée à une hauteur spécifique et différente 10 d'au moins une autre sonde d'un autre tube secondaire. Cette caractéristique permet de limiter la taille des sondes et d'éviter de prévoir une hauteur sous plafond importante. Elle facilite donc les opérations de maintenance. Elle permet également de pouvoir contrôler le niveau de l'eau sur toute la course du flotteur puisque les sondes sont 15 disposées à différentes profondeurs. En outre, si un composant est endommagé, une opération de maintenance localisée peut-être réalisée sans interrompre le fonctionnement du dispositif ou le service complètement. Dans une réalisation préférée, les sondes de mesure sont toutes identiques entre elles et sont disposées à différentes profondeurs, cela 20 permet ainsi de limiter le nombre de références de pièces de rechange. L'invention propose d'utiliser un aimant flottant, qui est un flotteur, et qui coulisse dans un tube principal. L'utilisation d'un champ magnétique présente l'avantage d'être indépendant des niveaux d'irradiation ou de température pouvant endommager des composants électroniques. 25 Avantageusement, dans ce cas, le flotteur comprend des moyens de génération d'un champ magnétique et que les sondes comprennent des relais électromagnétiques s'activant lorsqu'ils sont sous l'action du champ magnétique du flotteur. Avantageusement, les relais électromagnétiques se désactivent en dehors du champ magnétique du flotteur. 30 Les tubes secondaires sont préférentiellement disposés pour dépasser la hauteur maximale à mesurer du liquide du bassin pour éviter l'emploi de connecteur(s) étanche(s). Les tubes forment alors une cavité étanche. Outre les caractéristiques principales qui viennent d'être mentionnées dans le paragraphe précédent, le dispositif de mesure selon s l'invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques supplémentaires ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement réalisables : Avantageusement, une variante de réalisation comprend des tubes secondaires sensiblement de même taille et que des moyens de 10 maintien disposés à l'intérieur de chaque tube permettent de maintenir les sondes à différentes profondeurs. Avantageusement, chaque tube secondaire comprend une unique sonde. Les tubes secondaires peuvent être localisés autour du tube principal et former un colimaçon. 15 Avantageusement, chaque sonde comprend un circuit électrique tout en longueur formé d'une alternance de résistances et de relais, la mesure du niveau du liquide s'effectuant par une mesure de courant. BREVES DESCRIPTION DES FIGURES 20 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui est donnée ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, de modes de réalisation faisant références à différentes figures sur lesquelles : 25 ^ la figure 1 représente une vue de dessus du dispositif de l'invention ; ^ figure 2 représente une vue de face du dispositif de l'invention ; ^ figure 3 représente un tube secondaire de l'invention comprenant une sonde; 30 ^ figure 4 représente une sonde de l'invention comprenant une pluralité de relais électromagnétiques ; ^ figure 5 représente une première alternative de réalisation du dispositif de l'invention ; ^ figure 6 illustre une seconde alternative de réalisation du dispositif de l'invention. DESCRIPTION La figure 1 représente une vue de dessus du dispositif 1 de l'invention. Le dispositif 1 comprend un tube principal 2 et des tubes secondaires 3 qui sont disposés autour du tube principal 1. Selon les modes de réalisation, les tubes secondaires peuvent entourer totalement ou partiellement le tube principal. Une pluralité de tubes secondaires 3 entourant le tube principal 2 selon un arc de cercle conviendrait pour certaines applications de l'invention. La figure 2 représente une vue de face du dispositif de l'invention. Le tube principal 2 est entouré de tubes secondaires, notés 31, 32, 33, 34, 35 sur la figure 2, de différentes longueurs. Les tubes secondaires 31, 32, 33, 34, 35 correspondent aux tubes 3 de la figure 1. Un flotteur 4 est guidé dans le tube principal 2. Le flotteur peut parcourir la longueur totale du tube principal 2. Le tube principal 2 est muni de moyens d'ouverture et éventuellement de moyens de filtrage permettant d'égaliser le niveau du liquide à l'intérieur du tube principal 2 avec celui du bassin. Les niveaux d'eau sont symbolisés par les deux lignes horizontales 5 et 6 correspondantes à deux configurations différentes selon le remplissage du bassin. Le flotteur 4 peut être de forme ovoïde tel qu'il est représenté à la figure 2. Il peut également présenter n'importe quelle autre forme de flotteur admissible. Le flotteur 4 permet de s'aligner au niveau 5, 6 d'eau d'un bassin tout en étant maintenu dans une position dont deux degrés de libertés sont fixés. La seule translation guidé dans le tube est autorisée. Dans un mode de réalisation le flotteur comprend des moyens de génération d'un champ électromagnétique tel qu'un aimant dans son mode de réalisation le plus simple à mettre en oeuvre. Chaque tube secondaire 31, 32, 33, 34, 35 comprend une sonde s dont la hauteur est plus petite que la hauteur du tube secondaire qui lui est associé. Lors de l'installation ou d'une opération de maintenance, chaque sonde peut coulisser en translation dans chaque tube secondaire de manière à être retirée ou positionnée à l'intérieur. Lorsqu'une sonde est introduite 10 dans un tube secondaire, des moyens permettent de fixer la sonde à une certaine hauteur prédéfinie. Par exemple, dans le mode de réalisation de la figure 2, les sondes insérées dans les tubes secondaires peuvent être retenues naturellement par le fond de chaque tube secondaire. Chaque sonde est 15 positionnée à une profondeur différente compte tenu que les tubes sont de longueurs différentes. De manière alternative, chaque tube secondaire peut comprendre des moyens de maintien d'une sonde. Typiquement, les figures 5 et 6 représentent des exemples d'alternatives détaillées dans la suite de la 20 description. Le dispositif de l'invention permet d'utiliser autant de tubes secondaires que de sondes. Cette solution permet de disposer une seule sonde par tube secondaire et simplifie la maintenance des dispositifs de mesures de niveau d'eau d'un bassin. 25 Cet avantage est notamment primordial en cas d'accident, c'est-à- dire lorsque les mesures de contrôle de niveaux de liquide sont nécessaires et/ou lorsque des opérations de maintenance doivent être entreprises pour remplacer des sondes défectueuses. Les sondes peuvent être aisément retirées des tubes secondaires 30 par le haut du tube qui est émergé. En effet, une configuration préférée de l'invention permet de disposer les tubes de manière à ce qu'ils dépassent du niveau d'eau maximum d'un bassin. Il n'est pas besoin qu'une hauteur sous plafond soit prévue de manière à retirer une sonde de plusieurs mètres de longueur. La figure 3 représente une sonde 40 dans un tube secondaire 33. s La sonde 40 est retenue par le fond 42 du tube secondaire 43. Les sondes peuvent être reliées à un calculateur externe permettant de relever les mesures des sondes par l'intermédiaire de fils électriques 41. Dans la figure 4, chaque sonde 40 comprend, par exemple, une série de relais montés en série 51, 52, 53, 54, 55 et 56 qui changent d'état 10 lorsqu'ils sont dans le champ magnétique du flotteur. Un mode de réalisation concerne des sondes qui comprennent des relais électromagnétiques disposés en série et espacé d'une distance fixe. Par exemple, les relais électromagnétiques peuvent être disposés entre des résistances d'une série de résistances montés en série et disposées sur un circuit imprimé conçu 15 tout en longueur. Lorsque le champ magnétique d'un aimant est à proximité d'un relais électromagnétique, il active ou désactive un élément métallique qui permet d'ouvrir ou de fermé me circuit électrique imprimé. En conséquence, le circuit formé de la série de résistances montées sur un circuit s'ouvre ou 20 se ferme en fonction de la présence du champ magnétique. Les pièces métalliques réagissent à présence du champ magnétique et permettent de définir une résistance totale équivalente du circuit ainsi modifié par la présence du cham magnétique. Une lamelle métallique peut être utilisée pour court-circuiter le 25 montage ou l'ouvrir ou encore des résistances métalliques peuvent être utilisées. Les résistances peuvent être, par exemple, enrobées dans de la céramique. Un montage entièrement mécanique serait équivalent dans le dispositif de l'invention. L'aimant dans ce dernier cas actionne des pièces 30 métalliques telles que des switch ou des lamelles qui sont attirées par la présence de l'aimant. 2985 566 9 L'avantage de l'utilisation de résistances formant un circuit électrique est que le niveau du liquide peut être directement lu et interprété par une mesure d'intensité ou de résistance équivalente de sortie ou par un voltmètre. Un calculateur permet de réaliser la conversion d'une donnée s électrique en une grandeur physique, notamment un niveau d'un liquide dans un bassin. Les relais disposés en série dans la sonde forment une graduation naturelle du tube secondaire au niveau de la sonde. Le champ magnétique du flotteur active le relais en regard du niveau d'eau auquel il se situe et 10 détermine une résistance équivalente du circuit de la sonde d'un des tubes secondaires. Lorsque les relais sont espacés par exemple de 1 cm, le dispositif de l'invention permet d'obtenir le niveau du liquide du bassin avec une précision convenable pour des bassins de grandes dimensions. 15 Les sondes sont disposées dans les tubes secondaires à des profondeurs différentes de telle manière qu'un bassin d'une grande profondeur, par exemple de l'ordre de 20 mètres de profondeur, peut être gradué sur toute sa profondeur. Les sondes, qui sont de taille limitée par exemple d'une longueur de 1 mètre, sont disposées dans des tubes 20 secondaires entourant le tube principal. Les tubes secondaires peuvent être choisis et agencés de sorte à ce qu'ils forment un colimaçon autour du tube principal. Dans l'exemple de la figure 2, les tubes secondaires comprennent des profondeurs différentes. Les sondes, qui sont disposées au fond de 25 chaque tube secondaire, peuvent graduer toute la hauteur d'un bassin. Un avantage de cette solution est qu'il n'est pas nécessaire de disposer de sondes de grandes tailles qui imposent une hauteur sous plafond importante. Ainsi, les sondes de dimensions limitées sont plus simples à manipuler et à sortir des tubes secondaires lors d'opérations de 30 maintenance, notamment quand le bassin est plein. En outre, cette configuration évite également une disposition de plusieurs sondes dans -10- chaque tube pénalisant également des opérations de maintenance. Ces dernières opérations doivent offrir une certaine souplesse dans certaine application, notamment lorsque les bassins sont des bassins d'eaux usées d'usine nucléaire. s La disposition en colimaçon permet au champ magnétique du flotteur d'être toujours présent en regard d'un relais électromagnétique. La figure 2 représente le flotteur 4 également dans une configuration où il est immergé dans le tube principal à un niveau 6 correspondant au niveau du liquide du bassin. 10 La figure 5 représente une variante de réalisation dans laquelle des cales 43 sont utilisées pour retenir les sondes à une certaine profondeur. Lorsque ces cales sont utilisées, elles sont positionnées à différentes profondeurs des tubes secondaires. La figure 6 représente une autre variante de réalisation, dans 15 laquelle les moyens de maintien des sondes à une hauteur fixée du tube sont une cale 43 positionnée en fond de tube secondaire. Les variantes de réalisation des figures 5 et 6 permettent de réaliser le dispositif de l'invention avec une série de tubes secondaires sensiblement identiques. Les tubes sont répartis autour du tube principal en 20 formant un barillet. Ce mode de réalisation peut donc présenter un avantage quant à sa conception puisque les tubes secondaires n'ont pas besoin d'être usinés. Un avantage du dispositif de l'invention est qu'il permet de tenir des températures élevées avoisinant les 200°C notamment en limitant au 25 maximum les pièces électroniques et en utilisant au maximum des pièces métalliques. Notamment, les températures de 100°C n'endommagent pas le dispositif de l'invention. En particulier, le dispositif peut être utilisé notamment en cas d'accident lorsque les températures ne sont plus contrôlées. 30 Un autre avantage du dispositif de l'invention résulte de la tenue aux irradiations de niveaux élevés. Cette tenue est permise par l'utilisation de -11- matériaux métalliques et par la limitation de l'électronique embarquée dans le capteur de l'invention. L'invention permet de tenir des forts niveaux de radioactivité au-delà de 50 kilo Gray et allant jusqu'à 1 millions de Gray. s Enfin un autre avantage résulte des dimensions limitées des capteurs, donc des sondes, dont la longueur est limitée. La limitation des dimensions des sondes permettent de les faire tenir des déformations élastiques importantes notamment en cas de chocs violents ou de séisme. Les sondes peuvent être de 50cm à 3m selon les configurations dites 10 « nominales » du dispositif de l'invention. Au-delà le jeu peut devenir important et peut causer une limitation dans les relevés de mesures. Un avantage du dispositif de l'invention est qu'il est étanche vis-à-vis de l'eau du bassin. La partie supérieure des tubes est émergée et l'eau ne peut pas s'infiltrer à l'intérieur des tubes. Outre l'étanchéité du système, 15 l'avantage est double compte tenu de la simplicité pour sortir les sondes des tubes en cas de remplacement. Selon les configurations du bassin, les relais des sondes peuvent être disposés tous les centimètres ou tous les deux centimètres par exemple. Des sondes comprenant différentes graduations peuvent être 20 utilisées. Notamment, l'invention peut comprendre des sondes comportant des relais disposés tous les centimètres et des sondes dont les relais sont disposés tous les 5 cm. Ce système permet d'offrir un dispositif comprenant des sondes de précision et des sondes d'estimation du niveau. En outre, ce dispositif permet d'offrir une redondance de relevés de niveaux qui permet de 25 garantir la mesure du niveau avec une marge d'erreur prédéfinie. Selon une alternative de réalisation un émetteur/ détecteur optique pourrait remplacer l'aimant et les relais électromagnétiques. Quelques modifications du dispositif devraient alors être réalisées. Notamment, 30 l'émetteur optique dans le flotteur doit émettre sur toute sa circonférence ou du moins en regard d'un arc de cercle sur lequel des tubes secondaires sont -12- positionnés à la verticale. Les capteurs optiques doivent pouvoir recevoir les signaux émis dans n'importe quelle configuration. Cette exigence impose l'utilisation de matériaux permettant le non filtrage des signaux lumineux émis par l'émetteur optique. s Un exemple de réalisation permet l'utilisation d'un dispositif de mesure de l'invention comprenant un tube principal d'une vingtaine de mètres. Les tubes secondaires forment un colimaçon autour du tube principal. La hauteur des tubes secondaires vont de 1m50-2m à 20m. Le diamètre des tubes secondaires est de 10 à 15 cm. 10 Les sondes sont de taille fixe, environ lm à 1,5m de longueur, et toutes identiques les unes aux autres. Chaque sonde comprend des relais électromagnétiques disposés tous les centimètres et répartis dans la longueur de la sonde. Chaque sonde comprend en moyenne 100 à 150 relais. Il y a idéalement entre 6 et 20 tubes secondaires autour d'un tube 15 principal. Les sondes formant les capteurs sont donc réparties de manière à graduer toute la profondeur du bassin d'une vingtaine de mètres. Les capteurs sont disposés dans les tubes secondaires de manière à occuper une portion d'environ 1m à 1m50 d'une profondeur du bassin. Le premier 20 tube secondaire, c'est-à-dire le plus petit, est sensiblement de même longueur que la sonde, voire un peu plus grand pour constituer la partie émergée du dispositif lorsque le bassin est à son niveau maximum. Le dispositif de l'invention est particulièrement adapté aux bassins de grandes tailles, notamment ayant une grande profondeur. Cependant le 25 dispositif de l'invention convient également à des bassins de plus petites tailles dans lesquels la précision de la mesure peut être accrue. Dans un mode de réalisation, les sondes sont moulées dans leur logement. Dans un autre mode de réalisation, les sondes comprennent une coque étanche. Dans un exemple de réalisation, le tube principal comprend 30 des moyens d'attaches permettant de fixer les coques étanches des sondes le long du tube principal à des profondeurs différentes. -13 La coque peut éventuellement remplacer chaque tube secondaire dans la mesure où une sonde peut être extraite du bassin et être dissociée simplement du tube principal. A titre d'exemple, un système utilisant un mécanisme proche ou identique à des gonds de portes peut être employé. s Les coques étanches des sondes viennent alors s'encastrer le long du tube principal dans une liaison glissière comportant une butée à une profondeur donnée. Le retrait de la coque s'effectuant simplement en effectuant le mouvement inverse vers la surface du liquide. Les butées sont alors situées à des profondeurs différentes sur la circonférence du tube principal. Dans un 10 mode particulier, le tube principal comprend un ou des rail(s) permettant de réaliser la liaison glissière le long du tube principal.