Brevet FR3053165A1 — publié le 20171229

- 1 - Domaine technique La présente invention concerne un dispositif de communication bidirectionnelle en partie immergé et destiné 5 principalement à une cuve industrielle de produits liquides. Technique antérieure Dans le domaine des cuves industrielles, on connaît déjà, par exemple, des mélangeurs comprenant : 10 - un récipient recevant des produits liquides à mélanger pour former un mélange, ces produits se distinguant les uns des autres, avant mélange, par au moins une grandeur physique mesurable, - un agitateur apte à brasser les produits présents 15 dans le récipient, et - un dispositif de surveillance ou de commande du mélangeur en fonction d'au moins une caractéristique mesurable du mélange. Ce dispositif de surveillance ou de commande permet de 20 vérifier que le mélange se déroule conformément à un plan préétabli et/ou de commander différents équipements du mélangeur tels que l'agitateur pour que le mélange se déroule conformément à ce plan préétabli. Ledit dispositif de surveillance ou de commande est, 25 par exemple, tel que celui décrit dans la demande de brevet EP 2 242 565, et comprend alors au moins : - une particule instrumentée immergée dans le mélange de produits liquides, chaque particule instrumentée étant apte à se mouvoir librement de façon autonome à l'intérieur 30 du mélange sous l'action de l'agitateur, et équipée d'au moins un capteur apte à mesurer ladite caractéristique, et - une unité de traitement apte à surveiller ou à commander le mélangeur en fonction des mesures de la SINST9-FR-1_TEXTE DEPOSE_RG-GE 3053165 - 2 - caractéristique réalisées par chaque particule instrumentée. Ce dispositif de surveillance ou de commande est en outre muni d'un dispositif de communication permettant une communication entre chaque particule instrumentée immergée 5 et l'unité de traitement. Pour cela, le dispositif de communication comprend un émetteur équipant chaque particule instrumentée et permettant de transmettre par une liaison sans fil les mesures réalisées de la caractéristique, et un récepteur associé à l'unité de 10 traitement et apte à recevoir les mesures transmises par chaque particule instrumentée. Toutefois, ce type de dispositif de communication présente l'inconvénient de ne permettre qu'une communication unidirectionnelle, de la particule instrumentée vers l'unité 15 de traitement. En outre, compte tenu des positions et déplacements de chaque particule instrumentée à l'intérieur du mélange, cette communication unidirectionnelle n'est pas toujours garantie. 20 Exposé de l'invention Le but de la présente invention est donc de pallier les inconvénients précédemment cités et de proposer un dispositif de communication bidirectionnelle en partie immergé, qui soit à la fois compact, efficace et réutilisable, tout en 25 garantissant une communication parfaite quelle que soient la position et l'orientation relatives des éléments constituant ledit dispositif de communication bidirectionnelle. A cet effet, la présente invention a pour objet un dispositif de communication bidirectionnelle en partie 30 immergé dans au moins un produit liquide comportant au moins une première antenne mobile et une deuxième antenne fixe, remarquable en ce que la première antenne est disposée à l'intérieur d'une particule étanche immergée, qui se déplace librement dans ledit produit liquide, et comporte un circuit SINST9-FR-1_TEXTE DEPOSE_RG-GE 3053165 - 3 - imprimé alimenté par une source d'énergie, une première boucle magnétique imprimée sur le circuit imprimé et reliée électriquement audit circuit imprimé, et une deuxième boucle disposée en vis-à-vis de ladite première boucle magnétique, ladite deuxième boucle étant associée à un condensateur ajustable de sorte à former un circuit du type RLC résonnant et excitée sans fil par la première boucle par couplage inductif afin de constituer la partie rayonnante de la première antenne et déterminer sa fréquence de résonance. Les première et deuxième boucles magnétiques sont de préférence respectivement de forme globalement annulaire et tubulaire. Les première et deuxième boucles magnétiques sont avantageusement constituées de bandes de cuivre. De manière avantageuse, la première antenne est configurée pour qu'elle résonne à une fréquence déterminée de la porteuse dans ledit produit liquide. De manière préférée, ladite source d'énergie est une pile plate ou batterie faisant office de plan de masse pour 20 la première antenne. Selon un mode de réalisation préféré, la deuxième antenne comporte au moins un corps étanche en partie immergé et de forme globalement tubulaire, un support sur lequel est assemblé de façon étanche l'une des extrémités dudit corps 25 et muni du côté opposé au corps d'un connecteur, et des moyens d'émission-réception contenus dans ledit corps et reliés électriquement audit connecteur. De manière avantageuse, les moyens d'émission-réception de la deuxième antenne comprennent au moins une plaque 30 disposée à l'intérieur dudit corps et supportant un circuit imprimé, une portion plane faisant office de plan de masse, une bande magnétique connectée audit circuit imprimé et repliée en forme de ressort, et une connexion électrique reliant entre eux lesdits connecteur et circuit imprimé. SINST9-FR-1_TEXTE DEPOSE_RG-GE 3053165 - 4 - Ledit corps et les éléments formant ladite particule recevant la première antenne sont réalisés de préférence à partir de matière synthétique diélectrique résistant : - aux différents types de stérilisations connus : 5 chimiques, thermiques ou encore par rayonnement, - aux solvants et acides/bases - à des températures élevées jusqu'à 200°C. Description sommaire des figures 10 D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux de la description qui va suivre d'un mode d'exécution d'un dispositif de communication bidirectionnelle en partie immergé selon l'invention, en référence aux figures annexées sur lesquelles : 15 - la figure 1 est une vue en coupe d'une cuve comportant un dispositif de communication bidirectionnelle en partie immergé selon l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe verticale agrandie de la deuxième antenne du dispositif de communication 20 bidirectionnelle de la figure 1, - la figure 3 est une vue en perspective agrandie de la plaque support du circuit imprimé de la deuxième antenne de la figure 2, - la figure 4 est une vue en coupe verticale agrandie 25 de la première antenne contenue dans une particule instrumentée du dispositif de communication bidirectionnelle de la figure 1. Meilleure manière de réaliser l'invention technique 30 En référence à la figure 1, on a représenté une cuve 1 utilisée dans un procédé industriel de fabrication à partir de liquide(s) mis en oeuvre, par exemple, en chimie, en pharmacie, en biotechnologie, en agroalimentaire ou encore en cosmétique, et comportant un récipient 2 recevant au moins SINST9-FR-1_TEXTE DEPOSE_RG-GE 3053165 - 5 - un produit liquide 3 et un dispositif de surveillance ou de commande de ladite cuve 1 permettant la surveillance dudit procédé industriel de fabrication. Ledit dispositif de surveillance ou de commande 5 comprend au moins une particule 4 instrumentée immergée dans le produit liquide 3, chaque particule 4 étant apte à se mouvoir librement de façon autonome à l'intérieur dudit produit liquide 3 sous l'action, par exemple, de l'agitateur non représenté, et équipée d'au moins un capteur, non 10 représenté, permettant de surveiller ledit procédé industriel de fabrication en relation avec une unité de traitement non représentée. Le dispositif de surveillance ou de commande comporte également un dispositif de communication 10 en partie 15 immergé, selon l'invention, permettant une communication bidirectionnelle entre chaque particule 4 instrumentée immergée dans le récipient 2 et l'unité de traitement. Le dispositif de communication 10 comporte au moins une première antenne 11 mobile intégrée à chacune des particules 4 instrumentées immergées dans ledit produit liquide 3 et au moins une deuxième antenne 12 fixe, de préférence, au moins en partie immergée dans le produit liquide 3 contenu dans le récipient 2 de la cuve 1 et apte à être reliée à l'unité de traitement. En référence aux figures 1 à 3, la deuxième antenne 12 fixe comporte un corps 13 de forme globalement tubulaire, au moins en partie creux, un support 14 en forme globale de disque, disposé à l'une des extrémités dudit corps 13 et muni du côté opposé au corps 13 d'un connecteur 15 permettant de connecter ladite deuxième antenne 12 à l'unité de traitement, et des moyens d'émission-réception contenus dans ledit corps 13 et reliés électriquement audit connecteur 15. Ces moyens d'émission-réception comprennent au moins une plaque 16 disposée à l'intérieur dudit corps 13 et supportant SINST9-FR-1_TEXTE DEPOSE_RG-GE 3053165 - 6 - un circuit imprimé 17, une portion plane 18 faisant office de plan de masse, une bande 19 magnétique connectée audit circuit imprimé 17 et de préférence repliée en forme de ressort, et une connexion 20 électrique reliant entre eux 5 lesdits connecteur 15 et circuit imprimé 17. On désigne ici par "plan de masse" une zone dans laquelle sont produits des courants induits par les courants circulant dans l'antenne, le champ créé par ces courants induits s'ajoutant à celui créé par les courants de l'antenne 10 de sorte que le champ résultant soit le même que celui créé par un dipôle. Le corps 13, qui est destiné à être immergé dans le produit liquide 3, doit être étanche audit produit liquide 3. Pour cela, il est réalisé de préférence à partir de matière 15 synthétique de haute technicité pouvant résister : - aux différents types de stérilisations connus tels que chimiques, thermiques ou encore par rayonnement, - aux solvants et acides/bases - à des températures élevées, jusqu'à 200°C. 20 Par ailleurs, le corps 13 doit avoir des propriétés mécaniques adaptées. Il doit être notamment suffisamment rigide et résistant pour accepter les mouvements de produits liquides et les chocs présents à l'intérieur du récipient 2 de la cuve 1. 25 Pour cela, selon un mode de réalisation avantageux, le corps 13 est réalisé à partir du polymère PEEK (PolyEtherEtherKetone en anglais, polyétheréthercétone en français). De plus, le corps 13 a une section transversale de 30 préférence circulaire de manière à pouvoir être inséré à travers notamment de raccords clamps alimentaires conformes à la norme ISO 2852 et aménagés de manière classique sur des cuves 1 industrielles. Enfin, le corps 13 est assemblé de façon étanche sur le SINST9-FR-1_TEXTE DEPOSE_RG-GE 3053165 - 7 - support 14. En référence à la figure 1, une fois assemblé, l'ensemble corps 13 - support 14 est mis en place sur une paroi 6 du récipient 2 de sorte, d'une part, que le corps 13 5 soit inséré dans un orifice, non représenté, de ladite paroi 6 afin d'être en partie immergé dans le mélange 3 contenu dans ledit récipient 2 et, d'autre part, que la face annulaire 21 du support 14 située du côté du corps 13 soit en contact avec la face extérieure de ladite paroi 6. 10 Pour assurer, l'étanchéité de la mise en place de l'ensemble corps 13 - support 14 sur le récipient 2, le support 14 comprend avantageusement sur sa face annulaire 21 située du côté du corps 13 une gorge circulaire 22 apte à recevoir un joint torique, non représenté. 15 Par ailleurs, dans le cas où le récipient 2 est muni de raccords clamps alimentaires, le support 14 a une forme extérieure permettant d'utiliser des colliers de serrage classiquement prévus pour lesdits raccords clamps alimentaires. Pour cela, il comporte avantageusement un 20 biseau 23 sur la périphérie de sa face annulaire 24 située du côté opposé au corps 13. On comprend bien que le corps 13 et le support 14 pourront être adaptés, sans sortir du cadre de la présente invention, pour que la deuxième antenne 12 puisse être mise 25 en place de façon étanche sur des raccords ou connectiques de la cuve 1 autres que les raccords clamps alimentaires conformes à la norme ISO 2852 précités. Toutefois, sans sortir du cadre de la présente invention, le dispositif de communication 10 pourra ne pas 30 comporter une deuxième antenne 12 telle que décrite précédemment, mais une deuxième antenne standard aérienne non immergée et disposée à l'intérieur ou à l'extérieur du récipient 2. De même, le dispositif de communication 10 pourra comporter plusieurs deuxièmes antennes en partie SINST9-FR-1_TEXTE DEPOSE_RG-GE 3053165 - 8 - immergées 12 ou non. En référence à la figure 4, le dispositif de communication 10 comporte également une première antenne 11 intégrée à chacune des particules 4 immergées dans ledit 5 produit liquide 3 et formées par au moins deux éléments 7,8 assemblés entre eux de manière étanche. Ladite première antenne 11 comporte : - un circuit imprimé 25 disposé de préférence à l'intérieur de l'un 7 des éléments 7,8 et alimenté par une 10 source d'énergie 26, - une première boucle 27 magnétique imprimée sur ledit circuit imprimé 25 de sorte à être orientée du côté extérieur de l'élément 7, et reliée électriquement audit circuit imprimé 25, 15 - une deuxième boucle 28 disposée de préférence à l'intérieur de l'autre élément 8 de la particule 4 associée en vis-à-vis de ladite première boucle 27 magnétique. Ladite deuxième boucle 28, qui constitue la partie rayonnante de la première antenne 11, est associée à un 20 condensateur 29 ajustable de sorte à former un circuit du type RLC résonnant, c'est-à-dire un circuit linéaire contenant une résistance électrique (R : résistance), une bobine (L : inductance) et un condensateur (C : capacité), dont on peut régler la fréquence de résonance. Par ailleurs, 25 la deuxième boucle 28 est excitée sans fil par la première boucle 27 par couplage inductif. Les première et deuxième boucles magnétiques 27,28 sont constituées de segments de bande de cuivre, qui sont classiquement utilisés sur les circuits imprimés. Toutefois, 30 il va de soi que les boucles magnétiques peuvent être réalisées dans un tout autre matériau conducteur. Les première et deuxième boucles magnétiques 27,28 sont respectivement de forme globalement annulaire et tubulaire. Ainsi, cette configuration de la première antenne 11 permet SINST9-FR-1_TEXTE DEPOSE_RG-GE 3053165 - 9 - de maximiser la puissance rayonnée et de rayonner de manière quasiment isotrope. La première antenne 11 est de préférence accordée de manière à ce qu'elle résonne à une fréquence déterminée de 5 la porteuse dans le produit liquide 3 contenu dans le récipient 2. En effet, la fréquence de résonnance de ladite première antenne 11 varie en fonction notamment de la permittivité du produit liquide dans lequel est disposée ladite première antenne 11. Ainsi, on pourra relever un écart 10 d'environ 50 MHz entre la résonnance dans l'air et celle dans ledit produit liquide 3. Le fait d'accorder la première antenne 11 permet donc d'optimiser la transmission d'énergie entre les première et deuxième antennes 11,12. Par ailleurs, on sait que la performance de l'antenne 15 et/ou la fréquence de résonnance sont fonction d'au moins les paramètres suivants : - la distance D entre le circuit imprimé 25 portant la première boucle 27 magnétique et le bas de la deuxième boucle 28 magnétique, 20 - les diamètres des première et deuxième boucles 27,28 magnétiques, - les matériaux des éléments 7,8 de la particule 4 associée à la première antenne 11, - la position de la deuxième boucle 28 magnétique vis-25 à-vis des plans de masse, - la largeur de la deuxième boucle 28 magnétique, et - la largeur de la piste de la première boucle 27 magnétique. L'Homme du Métier n'aura aucune difficulté pour adapter 30 ces différents paramètres afin d'obtenir la fréquence de résonnance de la première antenne 11 souhaitée. Ainsi, les paramètres précédemment cités sont configurés pour la première antenne 11 résonne dans le produit liquide 3 à une fréquence de la porteuse de préférence SINST9-FR-1_TEXTE DEPOSE_RG-GE 3053165 - 10 - égale à 434 MHz. Cette fréquence de la porteuse est particulièrement intéressante car, d'une part, elle appartient aux bandes de fréquences, appelées Bandes ISM (Industrielle Scientifique 5 et Médicale), qui sont d'utilisation libre et sans licence et, d'autre part, elle représente le meilleur compromis entre la portée dans l'eau, qui diminue avec la fréquence, et l'efficacité des antennes (fonction de la taille), qui augmente avec la fréquence. 10 Toutefois, on comprend bien que ladite fréquence de la porteuse de 434 Mhz sera alors à adapter en fonction de la nature du ou des produits liquides 3 de travail. La source d'énergie 26, qui permet une autonomie du dispositif de communication 10, est de préférence une pile 15 plate, qui, dans la configuration décrite, fait alors office de plan de masse pour la première antenne 11. On comprend bien que la source d'énergie 26 pourra être d'un tout type tel que, par exemple, une batterie sans sortir du cadre de la présente invention. 20 Enfin, pour les mêmes raisons que celles évoquées précédemment pour le corps 13 de la deuxième antenne 12, la particule 4 recevant la première antenne 11, qui est destinée à être immergée dans le produit liquide 3, doit être étanche audit produit liquide 3. Pour cela, elle est réalisée de 25 préférence à partir de matière synthétique de haute technicité pouvant résister : - aux différents types de stérilisations connus tels que chimiques, thermiques ou encore par rayonnement, - aux solvants et acides/bases 30 - à des températures élevées, jusqu'à 200°C. Par ailleurs, la particule 4 doit avoir des propriétés mécaniques adaptées. Elle doit être notamment suffisamment rigide et résistante pour accepter les mouvements de produits liquides et les chocs présents à l'intérieur du récipient 2 SINST9-FR-1_TEXTE DEPOSE_RG-GE 3053165 de la cuve 1. Pour cela, selon un mode de réalisation avantageux, la particule 4 est également réalisée à partir du polymère PEEK (PolyEtherEtherKetone en anglais, polyétheréthercétone en 5 français). Possibilités d'application industrielle Le dispositif de communication 10 selon l'invention s'applique à tout type de contenants utilisés dans des 10 procédés industriels de fabrication à partir de liquide(s) tels que, par exemple, les cuves de stockage, les cuves de formulation dans le domaine de la pharmacie et/ou chimie, les bioréacteurs, les fermenteurs, les mélangeurs ou encore les poches à usage unique. 15 Enfin, il va bien entendu de soi que la présente invention n'est pas limitée l'exemple de réalisation préférentiel et à la mise en oeuvre décrits, mais qu'elle peut être modifiée ou adaptée en fonction des besoins ou des exigences particulières, sans pour autant sortir du cadre de 20 l'invention. SINST9-FR-1_TEXTE DEPOSE_RG-GE REVENDICATIONS1. Dispositif de communication (10) bidirectionnelle en partie immergé dans au moins un produit liquide (3) comportant au moins une première antenne (11) mobile et une deuxième antenne (12) fixe, caractérisé en ce que la première antenne (11) est disposée à l'intérieur d'une particule (4) étanche immergée, qui se déplace librement dans ledit produit liquide (3), et comporte un circuit imprimé (25) alimenté par une source d'énergie (26), une première boucle (27) magnétique imprimée sur le circuit imprimé (25) et reliée électriquement audit circuit imprimé (25), et une deuxième boucle (28) disposée en vis-à-vis de ladite première boucle (27) magnétique, ladite deuxième boucle (28) étant associée à un condensateur (29) ajustable de sorte à former un circuit du type RLC résonnant et excitée sans fil par la première boucle (27) par couplage inductif afin de constituer la partie rayonnante de la première antenne (11) et déterminer sa fréquence de résonance. 2. Dispositif de communication (10) suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les première et deuxième boucles magnétiques (27,28) sont respectivement de forme globalement annulaire et tubulaire. 3. Dispositif de communication (10) suivant l'une 25 quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les première et deuxième boucles magnétiques (27,28) sont constituées de bandes de cuivre. 4. Dispositif de communication (10) suivant l'une 30 quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la première antenne (11) est configurée pour qu'elle résonne à une fréquence déterminée de la porteuse dans ledit produit liquide (3). SINST9-FR-1_TEXTE SUITE NOTIF_RG-GE 3053165 - 13 - 5. Dispositif de communication (10) suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite source d'énergie (26) est une pile plate ou batterie 5 faisant office de plan de masse pour la première antenne (11). 6. Dispositif de communication (10) suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la deuxième antenne (12) comporte au moins un corps (13) 10 étanche en partie immergé et de forme globalement tubulaire, un support (14) sur lequel est assemblé de façon étanche l'une des extrémités dudit corps (13) et muni du côté opposé au corps (13) d'un connecteur (15), et des moyens d'émission-réception contenus dans ledit corps (13) et reliés 15 électriquement audit connecteur (15). 7. Dispositif de communication (10) suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens d'émission-réception de la deuxième antenne (12) comprennent au moins 20 une plaque (16) disposée à l'intérieur dudit corps (13) et supportant un circuit imprimé (17), une portion plane (18) faisant office de plan de masse, une bande (19) magnétique connectée audit circuit imprimé (17) et repliée en forme de ressort, et une connexion (20) électrique reliant entre eux lesdits connecteur (15) et circuit imprimé (17). SINST9-FR-1_TEXTE SUITE NOTIF_RG-GE