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PROCEDE ET DISPOSITIF DE CONTROLE.D'UN NIVEAU LIQUIDE.
La présente invention due à MM. GRIDEL ET VALEMBOIS se rapporte à un procédé de contrôle d'un niveau liquide, applicable à tous liquides non isolants du point de vue électrique. L'invention vise également les dispositifs permettant la mise en oeuvre de ce procédé.
Le procédé suivant l'invention consiste essentiellement à dis- poser un contact électrique vibrant verticalement, de telle sorte qu'il pénètre dans le liquide pendant une fraction de temps et à caractériser la hauteur du plan liquide par la valeur de la dite fraction.
En insérant l'interrupteur périodique que forme le contact vibrant avec la masse liquide dans un circuit électrique dit de mesure comprenant une source de courant, il suffit par exemple de mesurer le cou- rant moyen prenant naissance dans le circuit pour obtenir une grandeur re- présentant avec une grande précision la hauteur du plan liquide et se prê- tant avec toute la souplesse désirable à la commande de dispositifs de régu- lation, de contrôle ou d'enregistrement.
Le contact vibrant est formé de-préférence par une pointe dirigée vers le bas, ce qui lui permet de percer à chaque oscillation la couche su- perficielle de liquide en la déplaçant très peu. La fréquence de vibration étant choisie relativement rapide, l'influence dé la tension superficielle se trouve pratiquement éliminée; ce résultat est atteint très facilement et très commodément en choisissant la fréquence du secteur de 50 périodes par seconde par exemple.
L'invention permet de réaliser des mesures d'une très grande pré- cision,d'ailleurs réglable à volonté par variation de l'amplitude de la vibration de la pointe
Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui- va suivre de certains modes de réalisation choisis uniquement à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
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La figure 1 montre schématiquement un dispositif simplifié per- mettant la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention; les figures 2 et 3 sont des diagrammes relatifs'au fonctionne- ment de ce dispositif; la figure 4 montre schématiquement un exemple d'application de l'invention à un dispositif régulateur de niveau;
la figure 5 est un schéma représentant un dispositif enregistreur de niveau suivant l'invention; la figure 6 est un schéma relatif à un dispositif différentiel.
Suivant le mode de réalisation choisi et représenté par la fi- gure 1, il est disposé au-dessous du niveau à contrôler d'une masse li- quide 10.une pointe fine verticale 11 (aiguille à coudre par exemple) en- traînée en une vibration verticale périodique par un moteur de haut-par- leur 12. La pointe 11 est insérée dans un circuit électrique dit de mesu- re comprenant une source de courant 13, une résistance 14 relativement é- levée, éventuellement réglable et un appareil de mesure 15, micro-ampèré- mètre par exemple. Le circuit se ferme par une électrode immergée 16. La résistance 14 est choisie suffisamment élevée pour que la résistance de pas- sage entre la pointe 11 et le liquide soit négligeable dès que la pointe a percé la couche superficielle du liquide.
Là vibration de la pointe 11 peut être sinusoïdale ou non, mais doit être bien périodique.
Le moteur de haut-parleur 12 étant par exemple du type à aimant permanent, il suffit de relier sa bobine mobile 17 à une source de courant alternatif en 18 (le secteur par exemple) un rhéostat 19 permettant d'ajus- ter l'intensité du courant absorbé par cette bobine, donc l'amplitude des mouvements de la pointe. On voit que dans ces conditions, la pointe forme avec la masse liquide un interrupteur périodique, le courant étant établi ou rompu dans le circuit de mesure suivant que la pointe se trouvera imner- gée ou non.
A la figure 2, on a représenté tout d'abord en A, en fonction du temps, la cote de l'extrémité inférieure de la pointe 11, qui oseille périodiquement entre les limites inférieure H 1, et supérieure H 2. On voit que. si le plan liquide est compris entre ces deux cotes, à la hauteur H par exemple, la pointe sera immergée à chaque oscillation pendant un temps qui sera fonction de la hauteur du plan liquide : il en résulte dans le circuit de mesure un courant palsé représenté par'la courbe B en fonction du temps, sa valeur moyenne étant, dans ce cas, celle indiquée par le trait interrom- pu, soit I.
Lorsque le niveau liquide passe de H en H' (fig. 3), la durée de chaque fermeture, donc de chaque impulsion de courant, augmente, ainsi qu'il est montré par la courbe B', et la valeur moyenne du courant devient I'.
L'instrument 15 indiquera par conséquent, pourvu seulement que sa période propre soit beaucoup plus importante que la période de vibration de la pointe, un courant moyen qui sera fonction du niveau liquide par rap- port aux cotes extrêmes de l'extrémité,inférieure de la pointe. Ce courant sera nul pour un niveau inférieur ou égal à la cote minimum H 1; il sera constant (Io) pour un niveau supérieur ou égal à la cote maximum H2; cette valeur constante Io dépend uniquement de la tension de la source 13 et de la valeur de la résistance 14; le courant moyen mesuré en 15 varie entre zé- ro et cette valeur constante lorsque le niveau monte de Hl à H2. La relation entre la variation du courant et la variation du niveau entre les deux va- leurs Hl et H2 est fonction de la forme de la vibration de l'aiguille.
Elle serait linéaire si la courbe représentant la cote de l'extrémité de l'aiguil- le en fonction du temps était une courbe en dents de scie. Pour une vibra- tion sinusoïdale de l'aiguille, la dite relation est linéaire au moins aux environs du point moyen de cette vibration.
Toutes choses égales d'ailleurs, la précision de la mesure est d'autant plus grande que l'amplitude de la vibration de l'aiguille est plus faible.
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La fréquence du mouvement oscillatoire de l'aiguille peut être quelconque. Il convient cependant qu'elle soit choisie assez rapide pour que la tension superficielle ne joue plus, l'aiguille perçant à chaque os- cillation la couche superficielle en la déplaçant très peu. Une fréquence commode lui satisfait à cette condition est celle du secteur de 50 pério- des par secondeo
L'expérience montre que les mesures effectuées par un dispositif de ce genre sont parfaitement fidèles; les plus petites différences de ni- veau décollables sont fonction de l'amplitude du mouvement de la pointe et peuvent atteindre le 1/100 de mm. Une couche mince de produit étranger quel- conque tendant à modifier la tension superficielle du liquide ne perturbe pas la mesure.
Dans le cas de l'eau ou d'une solution aqueuse, si l'on utilise une source de tension continue dans le circuit de mesure, il est préférable de relier le pôle négatif à la pointe, de sorte que l'électrolyse n'y fasse pas dégager d'oxygène naissant qui pourrait l'oxyder à la longue.
Au lieu de mesurer directement la valeur moyenne du courant dans le circuit, on peut également mesurer bien entendu la différence de poten- tiel.par exemple qui s'établit aux bornes du condensateur shuntant une ré- sistance insérée dans ce circuito 0'est le cas du dispositif représenté par la figure 4 où on trou- ve dans le circuit de la pointe 21, une résistance 22 shuntée par un conden- sateur 23; la tension se développant aux bornes de ce condensateur est appli- quée à 1-'entrée d'un amplificateur comportant dans le cas présent une dou- ble triode 24 fonctionnant en étage différentiel.
Les deux cathodes étant ' polarisées par une résistance commune 25, et 19une des grilles, soit 26, é- tant mise à la masse à travers une résistance de fuites l'autre grille 26a reçoit la tension développée aux bornes de l'ensemble 22-23, à laquelle on peut ajouter une tension de réaction ramenée par les fils 30,31 ainsi qu'il sera exposé plus base La tension développée aux bornes de l'ensemble 22-23 ' est due à la superposition de deux courants traversant la résistance 22 en sens opposéscette résistance se trouve insérée en effet dans deux circuits branchés respectivement sur les deux parties 27, 28 d'une source isolée de part et d'autre d'un branchement de position réglable 29.
La partie 27 don- ne lieu à un courant permanent io, tandis que la partie 28 donne naissance au courant pulsé i conditionné par la hauteur du niveau liquide par rapport à la trajectoire de la pointe 21 @ 21.
La différence de potentiel s'établissant entre les anodes aux bornes de deux résistances de charge symétriques 32, 33, est appliquée à un moteur à courant continu 34 de préférence du type à excitation indépendan- te qui entraine un appareil de réglage de niveau non représenté d'un type quelconque.
. On voit que lorsque la valeur moyenne de courant pulsé i est éga- le au courant i o' c'est-à-dire lorsque la tension développée aux bornes du condensateur 23 et appliquée à la grille 26a est nulle, les courants ano- diques traversant les résistances 32, 33' sont égaux, la différence de poten- tiel entre les bornes du moteur 34 est nulle et le régulateur n'est pas ac- tionné; le niveau liquide se trouve alors à mi-distance par exemple entre les cotes extrêmes atteintes par la pointe 21;
dès que le niveau monte ou descend par rapport à cette position fixée par le choix du potentiel de ré- férence établi aux bornes de la résistance 22, c'est-à-dire par le choix du courant io, le moteur sera alimenté dans le sens approprié pour assurer une correction de l'écarta
Etant donné qu'un tel dispositif peut entrer en auto-oscillation dans certains cas, on peut organiser suivant une technique bien connue une contre-réaction dans l'amplificateur en ramenant à l'entrée une tension pro- portionnelle à chaque instant à l'action de correction exercée. Ceci peut être réalisé par exemple en munissant l'induit du moteur 34 d'un deuxième enroulement représenté en 35 et jouant le rôle d'une dynamo-tachymétrique.
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Celle-ci fournit aux bornes d'un potentiomètre 36 une tension proportionnel- le à la vitesse du moteur et dont on ramène une fraction ajustable à l'en- trée de l'amplificateur en l'ajoutant à la tension de commande.
L'expérience montre d'ailleurs que cette stabilisation est sou- vent inutile, cela dépendra bien entendu de l'ensemble des paramètres de ré- glage tels que l'inertie de la masse liquide, celle des organes de manoeu- vre (vannages, etc...) les vitesses des variations possibles, etc..
On notera accessoirement qu'à titre d'exemple de variante possi- ble, la pointe de contact 21 est portée dans le cas de la figure 4à l'ex- trémité d'une lame de ressort 40 placée dans le champ alternatif d'un élec- tro-aimant 41 branché sur le secteur ou sur toute autre source de tension alternative.
La figure 5 montre un dispositif d'enregistrement d'un niveau li- quide variable. La pointe 42, ainsi que son moteur 43, sont suspendus ici à l'extrémité d'un câble 44 passant sur un poulie de guidage 45 et s'enrou- lant sur un tambour 46 calé sur l'arbre d'un moteur 47. Ce moteur est ali- menté par un amplificateur 48 pouvant être du type décrit ci-dessus en ré- férence à la figure 3 ou de tout autre type approprié et adapté à entraîner le moteur 47 de façon à maintenir la pointe 42 à une hauteur telle que la hauteur moyenne de son extrémité inférieure coïncide avec celle du plan li- quide. Comme il ressort clairement de l'exposé qui précède, cela revient à maintenir à une valeur donnée le courant moyen dans le circuit de mesure comprenant la pointe 42 et la masse liquide.
Un style inscripteur 49 porté par le câble 44 permet d'assurer dans ces conditions une inscription permanente du niveau liquide sur une bande d'enregistrement 50 que l'on fait dérouler à une vitesse appropriée d'une bobine réservoir 51 sur une bobine réceptrice 52.
La figure 6 montre d'une manière schématique un exemple d'appli- cation du procédé suivant l'invention sous une forme différentielle en vue de la mesure de différences de niveaux très faibles, dans le cas représenté, il s'agit par exemple de la perte de charge dans un conduit tel que 60, siège d'un courant liquide, entre deux tubes manométriques tels que 61 et 62.
. @ On trouvera d'abord une pointe suiveuse 63, qui est asservie à rester en permanence au contact du niveau liquide dans le tube 62 au moyen d'un dispositif de genre décrit en référence à la figure 5 et comprenant un amplificateur 64 et un moteur 65. Ce dernier ajuste par exemple à chaque instant la hauteur de la pointe 63, de sorte que le plan liquide correspon- dant coïncide toujours avec le niveau moyen de sa vibration verticale, c'est- à-dire que le temps d'immersion soit égal à la moitié du temps total.
Or, ce même moteur commande ici en même temps une pointe vibran- te 66 associée au niveau liquide dans le tube 61, de telle sorte que la hau- teur de la pointe vibrante 66 se trouve à tout moment égale à celle de la pointe 63. La pointe 66 est insérée dans un circuit de mesure habituel com- prenant par exemple un instrument indicateur à aiguille (micro-ampèremètre) 67.
Dans ces conditions, on voit que si le niveau en 61 est égal par exemple au niveau en 62, le courant moyen dans le circuit de mesure de la pointe 66 sera égal à la moitié de sa valeur maximum (pour une vibration de force symétrique, c'est-à-dire dépourvue d'harmoniques d'ordre pair), et l'aiguille de l'instrument 67 se placera au milieu de sa course; dès que le niveau en 61 monte ou descend par contres par rapport au niveau en 62, le courant moyen dans le circuit de mesure se modifie et la déviation corres- pondante dans l'un,ou l'autre sens de l'aiguille de l'instrument 67 indique- ra avec une très grande sensibilité l'écart des niveaux.
Un tel dispositif différentiel permet de mesurer ou de contrôler des pertes de charge beaucoup plus faibles que tous les dispositifs connus jusqu'à présent, grâce à sa très grande sensibilité; son utilisation permet- tra par exemple de diminuer notablement les dimensions des maquettes dans
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de nombreuses études utilisant des modèles réduits. De nombreuses autre ap- plications sont évidemment possibles, par exemple dans le domaine très é- tendu du contrôle des débits liquides; on peut asservir ainsi le débit dans un conduit tel que 60 à la valeur actuelle du courant moyen dans le circuit . de mesure de la pointe 66 ; en insérant dans ces conditions un élément va- riable (à came par exemple) dans la transmission entre le moteur 65 et la pointe 66, on pourra réaliser une loi drécoulement donnée en fonction du temps, etc..
L'invention nest bien entendu pas limitée aux modes de réalisa- tion choisie et représentés, qui nont été donnés qu'à titre d'exemples.
La source de courant du circuit de mesure par exemple peut être aussi bien une source alternative dont la fréquence sera choisie nettement différente en principe de celle de la source alimentant le moteur du con- tact vibrant. Elle pourra être par exemple nettement plus élevée, et on aura dans ce cas dans le circuit de mesure un courant de haute fréquence sujette à une ondulation du type à impulsions de durée variable. La mesure de la durée des impulsions qui caractérise en fin de compte le résultat re- cherché et constitue le noeud de l'invention pourra s'effectuer suivant di- vers procédés bien connus dans la technique des télé communications.
Sans sortir du cadre de l'invention, on pourrait aisément multi- plier les très nombreuses applications possibles du procédé décrit, soit à la mesure, soit à la régulation ou à tous les problèmes de contrôle en gé- néral d'un niveau liquide quelconque, pourvu seulement que le.liquide en question ne soit pas électriquement isolant.
Il ne parait pas nécessaire d'insister sur les avantages qui dé- coulent de la souplesse remarquable, de la précision surprenante de la sim- plicité des moyens nécessaires pour la mise en oeuvre de ce procédé.