Brevet FR3089077A1 — publié le 20200529

Description Titre de l'invention : ÉQUIPEMENT POUR LA MESURE SANS CONTACT DU POIDS D'UN EQUIPAGE MOBILE Domaine de l'invention [0001] La présente invention concerne le domaine des équipements pour la mesure sans contact du poids mettant en oeuvre un principe de lévitation magnétique, et notamment le domaine des balances et des densimètres ou de mesure de la viscosité, du dosage précis ou de la surveillance de processus réactifs ou biologiques. [0002] Le principe général de tels équipements est basé sur la sustentation magnétique d'un équipage mobile recevant la charge à caractériser, avec un capteur de force qui mesure la force appliquée à un aimant interagissant magnétiquement avec l'équipage mobile. État de la technique [0003] On connaît dans l'état de la technique la balance à suspension magnétique commer- cialisée par la société LINSEIS sous la référence STA MSB PT1 (nom commercial). Une telle balance est composée d'un module de pesée pour l'acquisition des données, un couplage à suspension magnétique transmettant le poids de l'échantillon sans contact vers le module de pesée, un capteur de déplacement pour le positionnement du module suspendu ainsi qu'un régulateur. [0004] La transmission du poids de l'échantillon se fait à l'aide d'un aimant fixe et d'un aimant suspendu. L'aimant suspendu est un aimant permanent, l'aimant fixe est un électroaimant connecté sur le module de pesée. La géométrie est du type vertical avec pesée sous socle. [0005] Le signal du capteur de déplacement règle le courant de l'électroaimant à l'aide d'un régulateur PID permettant de tenir l'aimant en suspension. Ceci permet de garder le module de pesée sous conditions ambiantes et de le protéger des températures et des pressions extrêmes ainsi que des gaz corrosifs. Ceci permet de réaliser des conditions de mesures dans une plage de température et pressions qui ne sont pas réalisables avec une thermobalance classique. [0006] On connaît aussi dans l'état de la technique la demande de brevet européen EP3356693 décrivant un palier magnétique destiné notamment à un ensemble de levage et comportant un premier ensemble magnétique pour la génération d'un premier champ magnétique quadripolaire dans un premier plan et un deuxième ensemble magnétique pour la génération d'un deuxième champ magnétique quadripolaire dans un deuxième plan. Le deuxième plan est disposé parallèlement au premier plan. [0007] Le brevet européen EP1958323B1 décrit un système de lévitation magnétique pour supporter un objet à l'encontre de la gravité par une force FZ, comprenant un 2é- 2 nérateur de champ supportant, produisant une force FZ sur un dipôle d'aimant permanent par un premier champ magnétique, dénommé champ supportant. Le dipôle est contraint à l'encontre de déplacements dans au moins une direction horizontale par un système de stabilisation, comprenant un élément diamagnétique couplé au dipôle. [0008] Le brevet allemand DE102016205377 décrit un dispositif de mesure permettant de déterminer une force agissant sur un corps de mesure, comportant un corps de mesure, auquel est associé un premier agencement d'aimants et avec un capteur auquel est associé un second agencement d'aimants qui, pour une interaction magnétique mutuelle, permet un couplage sans contact entre le corps de mesure et le capteur. Selon l'invention, l'un des agencements magnétiques comprend un supraconducteur et l'autre des agencements magnétiques comprend un aimant permanent, le capteur est associé à un dispositif capteur pour déterminer une quantité physique pour le couplage de force entre le corps de mesure et le capteur et dans lequel un dispositif d'évaluation est prévu pour traiter un signal de capteur fourni par le dispositif capteur. [0009] Le brevet JP2006105936 décrit une solution de lévitation magnétique d'un corps fer- romagnétique fixé à l'extrémité supérieure d'un élément de changement de charge avec un aimant hybride formé en combinant un électroaimant suspendu à une balance électronique et un aimant permanent. [0010] En utilisant un tel mécanisme, la différence entre les effets de la force magnétique peut être réduite du fait du poids de la position de pesée et la position de pesée peut être réduite, ainsi que l'effet de la transmission d'erreur sur la force du magnétisme. [0011] Le brevet européen EP0170709 décrit un dispositif permettant de coupler sans contact une partie flottante munie d'un aimant dans un boîtier à un dispositif permettant de mesurer une force extérieure au boîtier qui est connectée à un électroaimant. [0012] L'article de Markus Richter, Reiner Kleinrahm, Rafael Lentner, Roland Span, «Development of a special single-sinker densimeter for cryogenic liquid mixtures and first results for a liquefied natural gas (LNG) » paru dans « The Journal of Chemical Thermodynarnics, Volume 93,2016, Pages 205-221, ISSN 0021-9614, décrit un densimètre pour mesurer avec précision la densité de mélanges liquides à des températures cryogéniques, par exemple du gaz naturel liquéfié (GNL). Le densimètre est basé sur le principe d'Archimède (flottabilité) incorporant un couplage de suspension magnétique. [0013] D'autres articles scientifiques concernent l'utilisation d'une balance à suspension magnétique pour la mesure de la densité ou d'autres propriétés des fluides. Maoqiong Gong, Huiya Li, Hao Guo, Xueqiang Dong, and J. F. Wu, Apparatus for accurate density measurements of fluids based on a magnetic suspension balance, AIP Conference Proceedings 1434, 1857 (2012); doi: 3 10.1063/1.4707123 W Wagner and R Klcinrahm, Densimeters for very accuratc density measurements of fluids over large ranges of temperature, pressure, and dcnsity, 2004 Metrologia 41 S24. M. Atilhan, P.V. Patil, S. Ejaz, D. Cristancho, J. Holste and K.R. Hall, Wide range, high accuracy PpT measurements hy single sinker magnctic suspension densimeter for natural gas-like mixtures, Proceedings of the lst Annual Gas Processing Symposium, 10-12 January 2009, Doha, Qatar. [0014] Inconvénients de l'art antérieur [0015] De manière générale, la lévitation fondée sur le phénomène magnétique se heurte aux limites imposées par le théorème d'Earnshaw qui établit qu'un ensemble de charges ponctuelles ne peut être maintenu dans un équilibre stable uniquement par des interactions d'ordre électrostatique entre les charges. [0016] Les solutions de l'art antérieur proposent différentes alternatives, dont toutes présentent des inconvénients. [0017] Certaines solutions mettent en oeuvre un électro-aimant et emploient des systèmes de commande pour contrôler le champ magnétique afin de produire les forces de rappel qui agissent directement sur le corps suspendu. Ces solutions nécessitent un circuit électronique complexe. [0018] D'autres solutions pour réaliser une lévitation stable sans contact consistent à utiliser des matériaux supraconducteurs avec des aimants permanents. L'inconvénient est alors de devoir maintenir ces matériaux à des températures proches de la température de l'azote liquide (77° K), ce qui implique des moyens coûteux et onéreux, et peu adaptés à certains environnements d'utilisation. [0019] L'utilisation de bagues de centrages magnétiques pour la stabilisation n'est pas non plus adaptée car elle perturbe la mesure pondérale. [0020] Solution apportée par l'invention [0021] Afin de remédier à ces inconvénients la présente invention est basée sur une solution de stabilisation de l'aimant mobile par un guide amagnétique vibrant transversalement traversant un aimant mobile aligné avec un aimant fixe aimanté en sens opposé selon l'axe dudit guide amagnétique. [0022] Ce guide vibrant transversalement déplace continument les points de contact entre le guide et le canal traversant l'aimant mobile. [0023] L'invention concerne selon son acception la plus générale un équipement pour la mesure sans contact du poids d'un équipage mobile en translation selon un axe vertical Z, ledit équipage mobile comporte un aimant permanent APM aimanté selon ledit axe Z et des moyens pour assurer la lévitation magnétique dudit équipage mobile, lesdits moyens de lévitation étant associés à un moyen de mesure de la force exercée entre ledit équipage mohile et lesdits moyens de lévitation [0024] Caractérisé en ce que [0025] Ledit moyen de lévitation est un aimant permanent, aimanté APF selon ledit axe Z, en opposé à l'aimantation dudit aimant permanent mohile APM, lesdits aimants APM et APF étant alignés selon ledit axe vertical Z par l'intermédiaire d'un guide non magnétique traversant ledit équipage mohile, ledit guide étant animé d'un mouvement vibratoire comprenant au moins une composante radiale. [0026] Selon une variante, ledit équipage mohile est disposé dans une enceinte pour le rem- plissage avec un fluide. Cette enceinte permet d'isoler la masse à mesurer ou de mesurer la densité d'un fluide dans lequel l'équipage mobile est plongé. [0027] Avantageusement, ladite enceinte comporte des moyens de contrôle d'au moins un paramètre physique tel que la température ou la pression. [0028] Selon une variante ladite enceinte de mesure présente une entrée et une sortie pour la mesure en continu de la densité d'un fluide circulant. [0029] Selon une autre variante, ladite enceinte de mesure est fermée de manière étanche. [0030] Selon un mode de réalisation particulier, ledit équipage mobile présente une surface active physico-chimique. [0031] De préférence, ledit aimant permanent fixe est solidaire d'une balance. [0032] Selon une autre variante, ledit équipage mobile présente un coefficient de dilatation très faible. [0033] On entendra par « coefficient de dilatation très faible » un coefficient de dilatation linéaire inférieur, à température ambiante, à 10 sC ', par exemple de l'Invar (marque déposée désignant un alliage, par exemple 36 %Ni + 64 %Fe), du titane, de la porcelaine, du quartz, du verre, de la stéatite ou du Zerodur (nom commercial). [0034] De préférence, le jeu entre le guide et le passage dans l'équipage mobile autorise un basculement dudit équipage mobile d'un angle maximum compris entre 0,05° et 0,5°. [0035] Avantageusement, ledit guide est excité par un actionneur électromagnétique. [0036] Description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention [0037] La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention qui suit, se référant au dessin annexé où : [0038] [fig.1] la figure 1 représente une vue schématique en coupe d'un exemple d'équipement selon l'invention [0039] L'équipement décrit en référence à la figure 1 comprend deux aimants permanents (1, 2) alignés selon un axe Z et aimantés en sens opposés selon un axe vertical Z. [0040] Le premier aimant permanent (1) est fixe et solidaire du plateau (3) d'une balance (4). [0041] Le second aimant permanent (2) est mobile et présente un canal médian axial de guidage, de section cylindrique (5). Ce canal médian (5) est traversé par un guide ama- gnétique (6), par exemple en titane. Ce guide (6) est animé par un mouvement vibratoire comportant une ou plusieurs composantes transversales (c'est-à-dire perpendiculaires à l'axe Z). [0042] L'actionnement de ce mouvement vibratoire est assuré par un actionneur vibrant (7). L'extrémité opposée du guide (6) peut être fixe ou libre. [0043] L'instabilité de l'aimant (2) résultant du théorème de Earnshaw provoque un bas- culement par rapport au plan transversal. L'amplitude angulaire de ce basculement est limitée par le jeu entre le canal (5) et le guide (6). Typiquement, ce jeu permet un débattement de 0,10, et de préférence inférieur à 1°. [0044] Les vibrations transversales du guide (6) provoquent un déplacement permanent du point de contact entre le canal (5) et le guide (6), avec des périodes de passage d'un point de contact à un autre, souvent diamétralement opposé, pendant lequel il n'y a aucun contact entre le guide (6) et l'aimant (2), et donc aucun frottement. [0045] Dans ce cas, l'équation des forces est la suivante : - avec P, et P2 désignant respectivement le poids de l'aimant (1) et le poids de l'aimant (2) avec sa charge. - P, désignant le poids du plateau de la balance (3). - F12 et Fo, désigne les forces de répulsion magnétique entre les aimants (1, 2). Ces forces forment une paire action-réaction. - Fss désigne la force appliquée par la balance sur le système composé des aimants et du plateau et FSR la force appliquée par le système sur la balance. Ces deux forces forment une autre paire action-réaction. ERS = PI-FP2-FP, mais ERS = FSR (paire action-réaction). [0046] Que l'aimant (2) soit en lévitation ou pas, la force appliquée sur la balance sera toujours la même. En conséquence, la balance indiquera toujours la même valeur pour la masse du système. [0047] Cette situation se produit seulement lorsque l'aimant mobile (2) est : a) libre de se déplacer sans frottement selon l'axe vertical b) positionné à la verticale de l'aimant (1), de manière coaxiale. [0048] Pour concilier ces deux conditions nonobstant l'instabilité résultant du théorème d'Eamshaw, l'utilisation d'un guide animé d'un mouvement de vibration transversale permet d'assurer une situation évitant tout contact permanent entre le canal (5) et le guide (6), et occasionnant une situation d'absence de contact temporaire répétée. [0049] La fréquence de vibration est choisie pour ne pas correspondre à une fréquence propre de l'équipage mobile. Typiquement, une fréquence comprise entre 50 et 1000 hz été déterminée expérimentalement comme adaptée. [0050] La fréquence des vibrations peut être déterminée de manière empirique en faisant évoluer par sauts la fréquence, et en observant les fluctuations des indications de la 6 balance. [0051] La fréquence est considérée comme adaptée lorsque les indications de la balance sont stables et convergent le plus rapidement vers une indication invariante. Une condition nécessaire pour pouvoir considérer qu'une fréquence est adaptée est que l'indication de la balance revienne à la même valeur après plusieurs perturbations de l'équilibre du système (répétab I i té). [0052] Utilisation de l'équipement [0053] L'équipement peut être utilisé pour différents types de mesure. [0054] En premier lieu, il permet de mesurer la masse d'une charge déposée sur un plateau solidaire de l'aimant mobile (2). Cette mesure peut être effectuée sans contact avec le reste de l'équipement, éventuellement en atmosphère confinée lorsque l'aimant mobile (2) est disposé dans une enceinte fermée (9). [0055] En second lieu, il permet de mesure la densité d'un fluide contenu dans l'enceinte (9). L'enceinte peut présenter un conduit d'arrivée (10) et un conduit d'évacuation (11) de fluide. 7