FR3020873A1 - Capteur de niveau de liquide cryogenique et dispositif de stockage comportant un tel capteur - Google Patents

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Abstract

Capteur (5) de niveau de liquide cryogénique comprenant une thermistance (6) c'est-à-dire un capteur de température à résistance électrique variable en fonction de la température, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un source (7) de chaleur distincte de la thermistance (6) et reliée thermiquement à la thermistance (6) pour transmettre une puissance calorifique déterminée à la thermistance (6), le capteur (5) de niveau étant configuré pour mesurer une transition liquide-gaz à partir de la variation de température mesurée par la thermistance (6). L'invention concerne également un dispositif de stockage de produits à des températures cryogéniques comprenant un tel capteur.

Description

La présente invention concerne un capteur de niveau de liquide ainsi qu'un dispositif de stockage de produits à des températures cryogéniques comprenant un tel capteur. L'invention concerne plus particulièrement un capteur de niveau de liquide 5 cryogénique comprenant une thermistance c'est-à-dire un capteur de température à résistance électrique variable en fonction de la température. L'invention concerne notamment les réservoirs de stockage à double parois avec une isolation sous vide dans le volume inter-parois. Ces dispositifs sont utilisés notamment pour le stockage de matières 10 biologiques refroidies via un bain de liquide cryogénique (de l'azote généralement). Les échantillons peuvent être au contact du bain d'azote (baignant dans le bain d'azote) ou au sec (pas de contact direct avec le bain d'azote). Certains réservoirs comportent un système de remplissage automatique d'azote pour compenser les inévitables pertes dues au réchauffement et à la 15 vaporisation du liquide lorsque les échantillons sont stockés de longues périodes. Pour assurer une bonne conservation, le niveau de liquide cryogénique doit être garanti pour éviter notamment un « séchage » qui risquerait de détruire les échantillons biologiques en cas de réchauffement trop important. Ce niveau de liquide détecté est généralement pris en compte par le système de remplissage 20 automatique en liquide qui adapte en fonction la fourniture de liquide. Des capteurs de niveau de liquide dans le réservoir sont donc fréquemment utilisés. Ces capteurs de niveau peuvent ainsi être prévus pour mesurer un niveau bas. Un ou des capteurs de niveau peuvent être utilisés également pour mesurer un niveau haut pour éviter un débordement. Un ou des capteurs peuvent être 25 également prévus pour mesurer un ou plusieurs niveaux de liquide intermédiaires en vue notamment de l'affichage d'une information du niveau de liquide pour l'utilisateur. Pour la détection d'un niveau bas, la précision des technologies de capteurs de niveau connues peut s'avérer insuffisante dans certaines situations. 30 Une technologie connue pour mesurer ce niveau de liquide utilise un capteur de type capacitif. Cette solution est cependant mal adaptée à la mesure d'un niveau précis, notamment d'un niveau bas. De plus cette technologie est généralement relativement coûteuse ou complexe à intégrer dans certains réservoirs. Une autre solution connue utilise une sonde de température, notamment une sonde ou thermomètre à résistance variable en fonction de la température (du type à résistance de platine telle que PT100 par exemple). Cette sonde de température présente une résistance électrique qui varie avec sa température (sa résistance électrique augmente lorsque sa température augmente). Ainsi, en alimentant électriquement la sonde (qui s'échauffe alors en « auto-échauffement ») et en mesurant sa résistance, il est possible de convertir un signal de résistance mesuré en un signal de température. Cependant, cette solution ne permet pas de réaliser une mesure fiable dans toutes les situations. En effet, dans le cas par exemple des récipients en aluminium de faible volume (c'est-à-dire inférieure à 170 litres par exemple), les températures internes atteintes par le gaz peuvent être très proche de celle du liquide (-196°C pour l'azote). Un tel capteur de niveau peut ainsi détecter de façon erronée le basculement ou non d'un état liquide à un état gazeux (et inversement). Ce type de sonde de température est généralement disposé dans une chemise métallique avec de la graisse thermique (par exemple un silicone tel que celui commercialisé sous la référence « Rhodorsil ® CAF 730 »). A une température donnée, la sonde présente ainsi une résistance thermique déterminée qui peut varier légèrement d'une sonde à l'autre en fonction de sa caractéristique structurelle (dispersions de la résistance thermique dues au montage notamment).
Ainsi, la valeur mesurée par la sonde de température n'est pas forcément le reflet exact de la température réelle du milieu (gaz et/ou liquide), une différence de quelques degrés (quatre degrés par exemple) peut être constatée. Cette imprécision de quelques degrés peut empêcher la détection fiable de la transition liquide/gaz de l'azote dans un réservoir où la température du gaz peut être très proche de celle du liquide (-196°C). Ainsi, positionner un seul d'alerte (mesure d'un niveau bas) à une température trop élevée risque de générer des alarmes intempestives tandis que positionner le seul d'alerte à une température trop basse (proche de -196°C) risque de jamais déclencher d'alerte même en cas de situation à risque. Pour remédier à cette imprécision une solution consisterait à tester et à calibrer chaque capteur. Cependant, cette opération est relativement coûteuse et fastidieuse industriellement car le résultat est tributaire de la réalisation physique de la sonde, de la résistance thermique du montage, la reproductibilité ainsi que la calibration précise de la sonde lors d'un test en auto-échauffement. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus.
A cette fin, le capteur selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce qu'il comporte en outre un source de chaleur distincte de la thermistance et reliée thermiquement à la thermistance pour transmettre une puissance calorifique déterminée à la thermistance, le capteur de niveau étant configuré pour mesurer une transition liquide-gaz à partir de la variation de température mesurée par la therm istance. L'invention concerne également un dispositif de stockage de produits à des températures cryogéniques comprenant au moins une paroi interne délimitant un volume destiné à contenir une réserve de liquide cryogénique, une paroi externe disposée autour de la au moins une paroi interne et délimitant un volume d'isolation situé entre la paroi externe et la au moins une paroi interne, le dispositif comprenant au moins un capteur de niveau de liquide dans le volume délimité par la au moins une paroi interne, le capteur étant conforme aux caractéristiques précitées.
Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la source de chaleur et la thermistance sont en contact ou reliées l'une à l'autre via un élément de liaison thermiquement conducteur, - la source de chaleur et la thermistance sont disposées dans un tube baignant dans le volume destiné à contenir une réserve de liquide, - le tube est clos de façon étanche et comprend de la graisse thermique, notamment de type silicone, interposée entre d'une part la source de chaleur et la thermistance et, d'autre part la paroi interne du tube, - la source de chaleur et la thermistance sont disposées côte-à-côte à une même hauteur par rapport au fond du volume destiné à contenir une réserve de liquide cryogénique, - la thermistance comprend un thermomètre à résistance de platine 5 alimenté électriquement notamment une sonde dite « PT100 », - la source de chaleur comprend l'un au moins parmi : une résistance électrique alimentée électriquement, un thermomètre à résistance de platine, une sonde « PT100 », - la source de chaleur est configurée pour générer une puissance 10 thermique comprise entre 15mW et 150mW et de préférence comprise entre 20mW et 100mW, - le capteur de niveau est disposé dans la partie inférieure du volume destiné à contenir une réserve de liquide cryogénique pour constituer un système de détection d'un niveau bas de liquide, 15 - le dispositif comprend un système de fourniture automatique de liquide dans le volume délimité par la au moins une paroi interne, ledit système étant relié au(x) capteur(s) de niveau et configuré pour la fourniture automatique de liquide dans le réservoir en fonction du niveau de liquide détecté par le(s) capteur(s). L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif 20 comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence à la figure unique qui représente une vue de côté, schématique et partielle, illustrant la structure et le fonctionnement d'un exemple de réalisation de l'invention. 25 Le dispositif de stockage de produits à des températures cryogéniques représenté schématiquement à la figure comprend au moins une paroi 2, 12 interne délimitant un volume destiné à contenir une réserve de liquide cryogénique (par exemple de l'azote liquide). Le dispositif comprend une paroi externe 3 disposée autour de la paroi interne 2, 12. Un volume d'isolation est formé entre la 30 paroi 3 externe et la ou les parois internes 2, 12. Le volume d'isolation peut être un volume sous vide et comprenant une isolation 4 thermique du type multicouches. Classiquement un tel dispositif est refermé par un couvercle 13 amovible représenté schématiquement et en pointillés à la figure.
Le dispositif comprend un capteur 5 de niveau de liquide dans le volume délimité par la ou les parois 2, 12 internes. Comme représenté, le capteur 5 de niveau peut être situé dans un puits de jauge qui communique fluidiquement avec le volume contenant le liquide.
Dans cet exemple le capteur 5 représenté constitue un capteur de niveau bas, c'est-à-dire un capteur mesurant un niveau d'alerte bas (détection d'un passage d'un environnement liquide à un environnement gaz). Bien entendu, la structure du capteur 5 décrit ci-après peut être utilisée également ou alternativement pour détecter un niveau haut dans le dispositif et/ou un niveau intermédiaire. En particulier, un dispositif peut comporter plusieurs capteurs de niveau pour détecter différents niveaux de liquide. L'invention peut concerner également un tel capteur de niveau indépendamment de son intégration à un dispositif de stockage tel que décrit ci-dessus ou ci-après ou intégré à tout autre type de réservoir.
Le capteur 5 de niveau de liquide comprend une thermistance 6 ou une thermo-résistance c'est-à-dire un capteur de température à résistance électrique variable en fonction de la température. Selon une particularité avantageuse, le capteur 5 de niveau comprend en outre une source 7 de chaleur distincte de la thermistance 6 et reliée thermiquement à la thermistance 6 pour transmettre une puissance calorifique déterminée à la thermistance 6. Le capteur 5 de niveau est configuré classiquement pour détecter une transition liquide-gaz à partir de la variation de température mesurée par la thermistance 6. Les inventeurs ont constaté que l'ajout d'une source de chaleur couplée thermiquement à la thermistance 6 permet de détecter de façon plus précise et plus fiable une transition liquide/gaz à partir d'une mesure de température. Ainsi, dans une atmosphère gazeuse stable, la thermistance 6 mesure la température ambiante ainsi que la contribution de la source 7 de chaleur. En revanche, dans une atmosphère liquide, la thermistance 6 mesure la température ambiante et la contribution de la source 7 de chaleur est moins significative.
C'est-à-dire qu'en milieu liquide, pour une température réelle de -196°C, la valeur de mesure du capteur 5 peut être de -195°C, c'est-à-dire avec une précision de l'ordre du degré (du fait de échauffement additionnel). En revanche, dans une atmosphère gazeuse la source 7 de chaleur induit un décalage d'environ dix degrés (en plus) par rapport à la température réelle (186°C par exemple). Cette différence permet de détecter sans équivoque si le capteur 5 de niveau est dans une atmosphère gazeuse ou dans du liquide à partir d'une mesure de température.
Cette solution permet de s'affranchir des éventuelles dispersions ou différences de mesure d'une thermistance à l'autre. La source 7 de chaleur est reliée thermiquement à la thermistance 6, c'est- à-dire que de préférence la source 7 de chaleur et la thermistance 6 sont en contact ou accolées. Bien sûr, en variante ou en combinaison ces deux éléments 6, 7 peuvent être séparés physiquement et reliées l'une à l'autre via un élément de liaison thermiquement conducteur (par exemple une pièce métallique ou un autre bon conducteur de la chaleur, ou associés au sein d'un contenant commun comprenant un bain de liquide approprié). Comme illustré à la figure, de préférence la source 7 de chaleur et la 15 thermistance 6 sont disposées dans un tube 8 clos et de préférence étanche et baignant dans le volume destiné à contenir une réserve de liquide. Le tube 8 peut être en métal, inox ou en résine époxy ou tout autre matériau approprié. Le tube 8 peut comprendre de la graisse 9 thermique, notamment une pâte de type silicone, interposée entre d'une part la source 7 de chaleur et la 20 thermistance 6 et, d'autre part la paroi interne du tube 8. Par exemple, un silicone tel que celui commercialisé sous la référence « Rhodorsil ® CAF 730 » peut être utilisé. Comme illustré également, la source 7 de chaleur et la thermistance 6 sont disposées côte-à-côte à une même hauteur par rapport au fond du dispositif, c'est-25 à-dire à une hauteur correspondant au niveau auquel on souhaite détecter une transition liquide/gaz. La thermistance 6 peut comprendre un thermomètre à résistance de platine alimenté électriquement (organe 16 d'alimentation et de mesure) notamment une sonde du type PT100 ou tout autre organe approprié.
30 La source 7 de chaleur peut quant à elle comprendre l'un au moins parmi : une résistance électrique alimentée électriquement, un thermomètre à résistance de platine, une sonde du type PT100, et notamment une sonde du même type que la thermistance utilisée pour mesurer la température (et donc déterminer l'atmosphère liquide ou gaz). Dans ce dernier cas de figure ci-dessus, une sonde 6 est utilisée classiquement pour la mesure de température tandis que l'autre sonde 7 (source de chaleur) est utilisée uniquement pour produire de la chaleur (par auto-échauffement via un courant électrique d'alimentation délivré par une source 17). De préférence, la source 17 de chaleur est configurée pour générer une puissance thermique comprise entre 10mW et 150mW et de préférence comprise entre 15mW et 100mW, notamment 20mW. Ce niveau de chaleur produit est ainsi suffisant pour permettre une détection fiable d'une transition liquide/gaz par une mesure de température tout en limitant la consommation électrique et surtout les entrées de chaleur dans dispositif. La sonde 6 réalisant la mesure peut être alimentée en courant à une puissance comprise entre 10mW et 150mW. Comme illustré, le dispositif 1 peut comprendre classiquement un système 10, 11 de fourniture automatique de liquide dans le réservoir. Le système 10, 11 peut être relié au capteur 5 de niveau et configuré pour réguler la fourniture automatique de liquide dans le dispositif en fonction du niveau de liquide détecté par le au moins 5 capteur. Tout en étant de structure simple et peu coûteuse, l'invention permet de d'assurer une mesure de température (et donc de niveau de liquide) de bonne précision (précision de l'ordre du degré par exemple). La structure du capteur 5 de niveau permet une miniaturisation compatible avec l'espace disponible dans la plupart des réservoirs cryogéniques connus (avec ou sans puits de jauges). Le capteur 5 permet de définir un seuil de réglage de température de façon électronique qui peut être préréglé et qui ne nécessite pas d'être corrigé lors d'un contrôle final (calibration) de l'équipement. Le capteur 5 peut être intégré mécaniquement de façon à être implanté dans des réservoirs existants.

Claims (12)

  1. REVENDICATIONS1. Capteur (5) de niveau de liquide cryogénique comprenant une thermistance (6) c'est-à-dire un capteur de température à résistance électrique variable en fonction de la température, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un source (7) de chaleur distincte de la thermistance (6) et reliée thermiquement à la thermistance (6) pour transmettre une puissance calorifique déterminée à la thermistance (6), le capteur (5) de niveau étant configuré pour mesurer une transition liquide-gaz à partir de la variation de température mesurée par la thermistance (6).
  2. 2. Dispositif de stockage de produits à des températures cryogéniques comprenant au moins une paroi (2, 12) interne délimitant un volume destiné à contenir une réserve de liquide cryogénique, une paroi externe (3) disposée autour de la au moins une paroi interne (2, 12) et délimitant un volume d'isolation situé entre la paroi (3) externe et la au moins une paroi interne (2, 12), le dispositif comprenant au moins un capteur (5) de niveau de liquide dans le volume délimité par la au moins une paroi (2, 12) interne, caractérisé en ce que le capteur (5) est conforme à la revendication 1.
  3. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la source (7) de chaleur et la thermistance (6) sont en contact ou reliées l'une a l'autre via un élément de liaison thermiquement conducteur.
  4. 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la source (7) de chaleur et la thermistance (6) sont disposées dans un tube (8) baignant dans le volume destiné à contenir une réserve de liquide.
  5. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le tube (8) est clos de façon étanche et comprend de la graisse (9) thermique, notamment de type silicone, interposée entre d'une part la source (7) de chaleur et la thermistance (6) et, d'autre part la paroi interne du tube (8).
  6. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la source (7) de chaleur et la thermistance (6) sont disposées côte-à-côte à une même hauteur par rapport au fond du volume destiné à contenir une réserve de liquide cryogénique.
  7. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que la thermistance (6) comprend un thermomètre à résistance de platine alimenté électriquement notamment une sonde dite « PT100 ».
  8. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que la source (7) de chaleur comprend l'un au moins parmi : une résistance électrique alimentée électriquement, un thermomètre à résistance de platine, une sonde « PT100 ».
  9. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que la source (7) de chaleur est configurée pour générer une puissance thermique comprise entre 15mW et 150mW et de préférence comprise entre 20mW et 100mW.
  10. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que le capteur (5) de niveau est disposé dans la partie inférieure du volume destiné à contenir une réserve de liquide cryogénique pour constituer un système de détection d'un niveau bas de liquide.
  11. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend un système (10, 11) de fourniture automatique de liquide dans le volume délimité par la au moins une paroi (2,
  12. 12) interne, ledit système (10, 11) étant relié au(x) capteur(s) (5) de niveau et configuré pour la fourniture automatique de liquide dans le réservoir en fonction du niveau de liquide détecté par le(s) capteur(s) (5).
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