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~Z~705~
"Appareil de mesure".
L'invention concerne un appareil de mesure, plus speciale-
ment un appareil permettant de mesurer dynamiquement les
propriétés d'un liquide, telles que la quantité, la densi-
te, la viscosite et eventuellement la temperature.
L'invention vise plus specialement : le mesurage de ni-
veaux de liquide par rapyort a un ou plusieurs points cle
repere; le mesurage des surfaces de séparation de densites
dans les liquides et ~ determiner ces surfaces par rapport
a un ou plusleurs points de repere; 1P mesurac3e de densi~
t~es de liquides a différents niveaux; le mesurage de vis~
cosités de licluides a differents niveaux; le mesurage de
températures de li~uides à différents niv~aux; le mesurage
des dimensions verticales du conteneur de liquide ou des
canaux de liquide, ainsi que les difference~ en hauteu~ par
rapport aux niveaux de lic~uide et~ou les surfaces de sepa-
ra-tion de densitesO
1'appareil selon l'invention sera avantac3eusement applique
dans toutes sortes de conteneurs ou de canaux de liquides,
plus spécialement dans les cas où il existe ou peuvent se
manifester, au~dessus du liquic1e, momentancment o-~ en per-
manence, des vapeurs et~ou gaz pouvant cQnstituer un danserd'explosion et contre lesq~els il ~aut prendre des mesures
preventives, ainsi ~ue dans l~s cas ou sont e~mac3asin~s des
liquides e-t/o~l des gaz dorlt la pression est sllperieure
la presslQn atmosphériclue.
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70~3
A cet effet, l'appareil selon l':i.nvention permettant 1.es
susdits mesurayes et autres encore fait usage d'un princ.ipe
connu en soi, notar~ent le mesurage de la tellsion dalls un
câble, une corde ou similaire au moyen d'osc:illations pro-
voquées dans ledit câble ou corde.
Des avantages obtenus avec llappareil selon l'inventi.onsont entre autres les suivants :
- il permet la séparation total.e de l'intérieur du conteneur
de liquide de l'atmosphere et des éléments a co~nandes
éle~triques eventuelles;
- il évi-te des signaux élec-triques dans la ~one dangereuse
au-dessus du niveau liquide et/ou dans la ~one en surpres-
sion;
- il permet son placement et/ou l'enleveme~t sans la néces-
sité d'extraire des produits dangereux éventuels du con-
teneur;
- il permet, même lors d'une permière installation~ de dé-
terminer, d'une manière autonome, les dimensions vertica-
les du conteneur de liquide ainsi que les différence5 ab-
solues en hauteur du liquide ou des surfaces de séparationde densités par rapport au conteneur et d'indiquer ces
differences dans une unité cbnvenue, par exemple en milli-
mètres ou de fractions de millim~tres.
L'appareil selon l'inven-tion pouvant satisfaire, entre
autres, aux susdites conditionsf consiste substantiellement
en la combinaison d'un dispositif cle mesure; d'un él~ment
de mesure fixe, par l'une de ses extrémltes, ~udit dispo-
sitif de mesure; d'un corps de mesure, fixé sur l'extré-
mité libre dudit elément de mesure; cl'un balancier pou-
vant Eaire oscil.l.er ledit élement de mesure; de moyens
pour entraîner ledit di.spositif de mesure; de moyens pour
entra.iner ledit ~alancler et d'une unité de eontrole lo-
7~
gique.
Afin de mieux faire ressortir les caractf-~ris-tiques de la
présente invention, une forme d'exécution préf.~ree est
décrite ci-apres, a titre d'exemple, sans caractère limi-
tatif~ en se référant aux dessins annexés dans lesquels :
la figure 1 représente, en élévation et schema-tique-
~ent, un appareil selon llinvention;
la figure 2 représente une vue selon la fleche F2 à
la figure l;
la figure 3 représente, schématiquernent, un balancier
simple;
la figure 4 représente une application de l'appareil
selon l'inventioni
la figure 5 represente une variante permettant le me-
surage de 1~ ternpérature d'un liquide.
L'appareil selon l'invention, tel que représenté dans les
figures ~ et 2, est constitué par un ~ambour 1, un fil,
une corde, un ruban, un cable ou similaire 2, un corps 3,
un balancier 4 et un ~iltre mecanique 5.
Le fil 2 est, en l'occurre~ce, guiaé entre deux paires cle
guides fixes 6-7 et 8~~, un guide fi~e 10 et deux guides
Mobiles, fixes ~ur le balancier 4, respectivemerlt 11-12.
Le tarnbour 1 est dimensionl7é ~e mani~re ct pou~1oir recevoir
une quantité de fi]s permettant le de21acement clu corps 3
sur toute la hauteur de mesure. I1 peut etre pf~urvu d'une
rainure helicoïdale afin d'o~tenir une ~r.ande pr~cision.
Il va sans dire que la relation entre la rotation du tam
bour 1 et le deplacement vel-tical du corps 3 doit ~tre
connu d'une n~anièLe tres precise, le ~tmbour pouvant ~tre
ent:rainé c1e fa~on q~lelconque, par exemple par un moteur
pas a pas, par Ull aimant permarlerlt entra~ne erl rotatlon
p~ soll~icitct~ i~ns f?lf-~c~r~ f~a~:lfi~lf~ u A~ila~
~ 7~ r~
Le fil 2 doi-t être suffisamment rnince et souple afin de
rester tenclu sous l'inf]uence de la force mlniJna].e à d~-
tecter, ce qui est, par exemple, le cas lors de la deiec-
tion du i~nd inférleur d'un conteneur de liquide. Il doit
également etre suffisarmnent fort de manière à résister à
la force maximale à détecter, ce qui est, par exemple, le
cas lors de la détec-tion clu fond supérieur du conteneur.
Le fil 2 doit pouvoir bloquer le sys-tème d'enroulement sans
déformation, ni rupture.
La precision visee détermine l'allongement admissible du
fil sous charye mecanique ainsi que la dilatation admissi-
ble du fil sous l'influence de la température ambiante.
Le corps 3 aura, de préference, une forme cylindrique. I1
est execute en un materiau dont le poids specifique est tel
que, lors d'une irnmersion dudit corps 3 darls un liquide
dont la densite est la plus haute à prevoir, celui-ci excer-
ce sur ledit fil une force suffisamment grande pour qu'elle
maintienne le fil 2 dans un etat tendu.
Le finissage dudit corps 3 est tel ~ue, lors ~e son en-
lèvement du liquide, il emporte le minimum de liquide.
Le balancier 4, permettant de transformer la tension dans
le fil 2 dans un signal de mesure, sera amene ve~s sa
position de repos par le fil 2 et, ce, avec une force fonc~
tion du poids dont le fil est charge, c'est~ ire le poids
apparent du corps 3.
L~oscillation du balancier 4 est obtenue et entretenue par
une unite de controle logique pouvant egalement enregistrer
et traiter les signaux de resonance du balancier 4.
~5 Dans une forme préférentielle, l'oscillation du balancier
est obtenue par un aimant permanent, non representé dans
les desslrls, fi~é sur l'a~e 14 et pouvant t;tre sollicité
par un électro--aimant relié à ladite unite de ccntrôle lo-
~2~
g ique .
La~ te unité de contrôl.e logiclue pourl~ait ~tre cons-tl.tu~.e
par un microprocesseur controlant, à la fois, la posit.ion
du corps 3 et ].'oscilla-tion du balancier 4 et traitant les
si~naux de résonance du balancier 4. Une telle unité de
contrôle peut mettre à la disposition de chaque intéressé
des resultats de mesurage et peut recevoi.r des commalldes
et eventuellement des paramètres interessants pour le sys-
tème.
Le filtre mecanique 5 a pour but d'eviter que les forcesd'accelération dans le fil 2, par la suite des oscilla-tions
du balancier 4, agissent sur le corps 3.
La frequence de resc,nance des elements 3-5 doit ëtre amor-
tie d'une manière adequate afin de ne pas influencer la
fonction du balanci.er et elle doit se situer en dehors de
la bande de fré~uence, laquelle est axialement générée par
le balancier 4 dans le fil 2. Le filtre mecanique peut
être execute en une matière elastique quelconque, telle
qu'une resine artificielle ou synt~ét.ique, un ressort ou
similaire.
Avallt de decrire le ~onctionnement de l'appareil selon l'in-
vention, il appara~t opportun de partir pour notre e~posé
du balancier selon la fi~ure 3.
D'un balancier tel que représente dans la figure 3, est
connu que sa fré~uence est donnée par la formule :
f ~ V ~ 4J~
dans laquelle
f = la fréquence;
-- une constante déterminante pour le couple autour
de A;
= collstante de friction;
7(~5~3
J = inoment d'inertie du balancier;
A = point de suspension.
Dans cet exemple :
~ = mgl
J = ml2
m = la masse de l'objet 15 fixé au balancier ~la masse
propre du balancier est négligée);
g = la constante de gravitation;
1 = la longueur du balancier.
~-tant donné que le frottement dans le point A et la résis-
tance a l'air sont à negliger, ~ sera zéro.
De cette manière la susdite formule devient :
f ~ ~
De ce qui précède resulte que, J et ~ étant invariables,
la fréquence est determinee par ~, c'est-à-dire le couple
de rappel.
Selon l'invention et tel ~ue represellte a la ~igure 1 r le
balancier 4 est pourvu d'un corps de mesure 3 qui influencera
le susdit couple de rappel et, ainsi, la frequence.
Dans ce cas :
= constante déterminante pour le couple de rappel autour
de 14, elle-même determinée par le poids du balancier 4;
le poids du corps 3 et le poi~s de la partie du fil com-
pris entre les points 16 et 17;
J = moment d'inertie de tous les eléments participants
l'oscillat~on autour de l'a~e 14;
= friction, autour de l'a~e 14, de tous les él.ements par-
ticipants A 11 oscil lation.
3~
Dans l'appareil selon l'invention, il est admi~ yue le poi~ls
du fil, le ~poids du balancier et la fric~ion d,ans les points
16 et 1~ sont nécJlic~és, ce qui s1gnitie ~ue ~ et J sont des
-- 7 --
7(~5i~3
constantes, independa~lent de la longueur de fil déroulée
tandis que est déterminé par le poids du corps 3.
L'appareil selon l'invention permet de mesurer différell~es
proprlétes d'un liquide et son fonctionnement est comme
suit.
Pour mesurer le niveau d'un liquide, il est fait usage du
fait que la frequence d'oscillation du balancier 4 es-t dé-
terminée par le poids du corps 3. En effet, l'immersion dece corps 3 dans un liquide a pour effet que le poids appa-
rent diminue, d'où réduction de ladite fréquence.
Il est evident que l'i~nersion du corps 3, par exemple jus-
que la moitie de la hauteur du corps 3 dans un liquide,
correspond à une frequence determinee, par exemple fr qui
peut ëtre choisie comme frequence de reférence.
Il en resulte que le mesurage d'un niveau de liquide neces-
site un système de reglage pouvant changer la pOsitioll du
corps 3 jusqu'à ce que le balancier oscille à une Erequence
fr. Si l'axe 13 est commandé par un moteur pas à pas, ceci
signifie que le nombre de pas du moteur dans un meme sens
détermine la différence en hauteur par rapport à une posi-
tion de réference.
Pour mesurer un niveau de liquide se situant entre deu~quides il suffit, comme c'est le cas dans l'exemple prece~
dent, de choisir une valeur de frequence fr predéterminée;
de faire connaitre cette valeur à ladite unité de contrôle
logique et de mesurer la différence en hauteur par rapport
à un point de reference.
Une application courante d'un appareil de mesure selon l'in-
vention est representee à la figure 4.
Dans cette fi~ure est représente un r~eservoir 19 pourvu d'un
appareil selon l'invention lequel est, dans cet exell~ple,
'7(~
monte sur l'extrëmite supérieure d'un tube 20. Ce dernier
est, de préference, prolonge dans le reservoir 19 afi.n de
former guidage pour le corps 3. L'in-terieur de ce tube 20
est en permanence en communi.cation avec le contenu du re-
servoir, par e~emple au moyen d'une fente pr~vue sur toutela hauteur du contelleur 19. Ledit contenu consiste, en
l'occurrence, en deux liqui.des, respectivement 21-22, de
densite differente dont les niveaux se trouvent sur 1es
lignes A-A et ~-B.
Dans le tube 20 seront, de preference, prevues deux butees,
respectivement 23-24, servant de point de references. Ces
butees ne sont cependant pas necessaires etant donne ~ue
le fond 25 du reservoir et la partie inferieur de l'appa-
reil selon l'invention peuvent egalement remplir la fonc-
tion de butee.
Pour determiner le point de repère superieur, il suf~it de
deplacer le corps 3 vers le hau-t contre la butee 2~. Par
ce con-tact, on obtient que la tension du ressort 5 augmente
et que le poids du corps 3 apparemment augmente egalement,
ce qui a pour resultat l'accroissement de la frequence de
resonance. La valeur frl de cette frequence correspond
donc à cette position du corps 3 et il suffi-t de communi-
quer cette valeur au sys-tème de reglag~ ~microprocesseur~.
Ce point de reference correspond donc à une difEerence de
hauteur zero.
La determination du point de repère infexie-lr (butée 23 ou
fond 25~ se deroule de la meme façon, à l'exception que le
contact du corps 3 avec la butee 23 ou fond 25 a pour effet
que le poids du corps 3 diminue apparemment avec, comme
consequence, ~Ine diminution de la frecluence de résonance.
Cette frequence, communi~uee au système de regla~e, corres-
pond à une difEerence c1e h~uteur ma~i.male~
Etant dollne que le poids apparent. dlun co~-ps d~pend cle la
densit:é du licluide dans lequel il est im~ner~e, il ~u~f.it
7(~
de sltuer le corps 3 SucceSSiveJnent en dessous des ni-
veaux B-B et A-A afin de pouvoir cleterminer ]a densLte des
liquides 22 et 21 en pa.rtant des s:ignaux de resonarlce t.rclns~
mis au système de reglac3e.
De la même façon, il est possible de mesurer la viscosite
du liquide. En effet, il est connu que la friction e~ercée
par le liquide sur le corps 3 pendan-t son trajet à vitesse
constante à travers le liquide est proportionnelle a la
viscosité. Cette viscosité peut etre determinee en partant
de l'augmentation, respectivement la diminution, apparent
du poids du corps 3 et l'augmentation, respectivement la
diminution, de la frequence du balancier 4.
L'appareil selon llinvention permet egalement de mesurer la
température dans un liquide.
A cet effet et tel que représente à la figure 5, le corps
3 sera pourvu d'un capteur de temperature 2G solidarise,
par une extremite, au corps 3 et dont l'autre e~tremité 27
est libre. Le déplacement de l'extrémité 27 par rapport
au corps 3 est une indication pour la temperature dans
et~ou autour du corps 3.
La susdite extremite libre 27 est pourvue de tiges 28 re-
liees, à l'extérieur du corps 3, par un a~neau 29 formant
butée. L;installation est complétée par un elément 30 pre-
na3lt librement appui sur la butée 24.
Le déplacement du corps 3 vers le haut a pour ef~et qu'à
un certain moment~ l'anneau 29 vient en contact avec l'élé-
ment 30 et le soulè~e, provoquant ainsi le changement de
la frequence du balancier 4, d'où connaissance parfaite de
la position du corps 3 p~ur une temperature donn~e.
Il en resulte qu'une variation de temp~rature du capteur 26
aura pour efiet que l'anneau 29 rencont.L-e l'element 3Q dans
une autre pOSitiOII du corps 3.
- ]o -
Vu l'amplitude m:inirne du balanci.er et la f:rictl.on néqli--
yeable dans les guidages du fil, ce dc-rnier peut et-re clc-
place le:ntement sans déranger le rnesuracJe.
En plus, il est re-~larquable que la cornmande du fil 2 est
positive, c'est--à-dire que l'osc.il.la-tion du fil 2 est cb-
-tenue par le ~alancier 4 qui fait mouvoir le Eil 2 dans
un plan bien déterminé. Il en résulte que des mouvements
parasitaires du fil 2 dans d'autres plans sont exclus,
d'ou une mesure tres exacte.
Par la présence du guide 10, on obtient encore que des os-
cillations parasitaires du point 17 sont amor-ties.
Il est encore a remarquer que la non-linearité du balan-
cier est traitée par les éléments 3 et 5.
En effet, la variation en hauteur du point 17 est le carré
de celle de l'amplitude angulaire du balancier 4, ce qui
donne lieu a des accélérations considérables de ce point
17.
Afin d'éviter que ces accelérations influencent le rnesurage,
le corps 3 est solidarisé au fil 2 par l'entremise du res-
sort 5 amortissant ces accélérations.
Ce ressort 5 doit être calculé de maniere que la fréquencedes éléments 3 et S est plus grande que le dc~uble de la
fréquence la plus grande du balancier.
Donc
I2 V;~ ~ I2 V ~
dans l~quelle ~ est une constante du ressort.
Cette fréquence des élc}nents 3 et 5 doit, cle plus, se si-
.8 ~27(:~5~
tuer en dehors du spectre de fr.équence clu ba].ancie.r a~i.nd'éviter que le corps 3 résonnerait sur la fréqucnce du
halancler ou sur une harmonique de cette fréquence.
Il va sans dire que l'invention n'est nul]ernent limitee à
l'exécuti.on décrite ci-dessus et représentée aux dessins
anne~és. Toutes variankes peuvent y etre apportees sans,
pour cela, sortir du cadre de l'invention.
