Procédé et dispositif de contrôle d'un niveau liquide.
La présente invention a pour objet un procédé de contrôle d'un niveau liquide, applicable à tous liquides non isolants du point de vue électrique. L'invention vise également un dispositif permettant la mise en oeuvre de ce procédé.
Le procédé suivant l'invention est caractérisé en ce que l'on dispose un organe de contact électrique vibrant verticalement, de telle sorte qu'il pénètre dans le liquide pendant une fraction de chaque période de vibration et en ce que l'on mesure ladite hauteur par la valeur de ladite fraction.
En n insérant l'interrupteur périodique que forme l'organe de contact vibrant et la : masse liquide dans un circuit électrique de mesure comprenant une source de courant, il suffit par exemple de mesurer le courant moyen parcourant le circuit pour obtenir une grandeur représentant avec une grande précision la hauteur du plan liquide et se prêtant avec toute la souplesse désirable à la commande de dispositifs de régulation, de contrôle ou d'enregistrement.
L'organe de contact vibrant peut être formé par une pointe dirigée vers le bas, ce qui lui permet de percer à chaque oscillation la couche superficielle de liquide en la déplagant très peu. La fréquence de vibration étant choisie relativement rapide, l'influence de 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.
Ce e dispositif permet de réaliser des me- sures d'une très grande précision, d'ailleurs variable suivant l'amplitude de la vibration de la pointe.
Le dessin montre, à titre d'exemple, plusieurs formes d'exécution du dispositif de contrôle d'un niveau liquide, objet de l'invention.
La fig. 1 montre schématiquement un dispositif simplifié permettant la mise en oeuvre du procédé suivant - l'invention.
Les fig. 2 et 3 sont des diagrammes relatifs au fonctionnement de ce dispositif.
La fig. 4montre schématiquement un exemple d'application d'un dispositif régulateur de niveau.
La fig. .5 est un schéma représentant un dispositif enregistreur de niveau suivant l'invention.
La fig. 6 est un schéma relatif à un dispositif différentiel.
Suivant le dispositif représenté par la fig. 1, il est disposé au-dessus du niveau à contrôler d'une masse liquide 10, une pointe fine verticale 11 (aiguille à coudre par exemple) entraînée en une vibration verticale périodique par la bobine mobile d'un moteur de haut-parleur 12. La pointe 11 est insérée dans un circuit électrique de mesure comprenant une source de courant 13, une résistance 14 relativement élevée, qui peut être réglable, et un appareil de mesure 15, un micro-ampèremètre par exemple. Le circuit se ferme par une électrode immergée 16. La résistance 14 est choisie suffisamment élevée par rapport à la résistance de passage entre la pointe 11 et le liquide. La vibration de la pointe 11 peut être sinusoïdale ou non, mais doit être bien périodique.
Le moteur 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'ajuster 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 immergée ou non.
A la fig. 2, on a représenté tout d'abord en A, en fonction du temps, la cote de l'extrémité inférieure de la pointe 11, qui oscille périodiquement entre les limites inférieure H1 et supérieure 112. 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 mi temps qui sera fonction de la hauteur du plan liquide; il en résulte dans le circuit de mesure un courant pulsé représenté par la courbe
B, sa valeur moyenne étant, dans ce cas, celle indiquée par le trait interrompu, 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 du liquide.
Ce courant sera nul pour un niveau inférieur
ou égal à la cote minimum Hi; il sera cons
tant (Io) pour un niveau supérieur ou égal
à la cote maximum Hz; cette valeur constante
lo 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
zéro et cette valeur constante lorsque le ni
veau monte de H1 à 112. La relation entre la
variation du courant et la variation du niveau entre les deux valeurs H1 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'aiguille en fonction du
temps était une courbe en dents de scie.
Pour
une vibration sinusoïdale de l'aiguille, ladite
relation est linéraire 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.
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 oscillation la cou
che superficielle en le déplaçant très peu. Une
fréquence commode qui satisfait à cette condi
tion est celle de 50 périodes par seconde.
L'expérience montre que les mesures effec
tuées par un dispositif de ce genre sont par
faitement fidèles; les plus petites différences
de niveau décelables, qui sont fonction de
l'amplitude du mouvement de la pointe, peu
vent atteindre le igloo mm. L'expérience a
montré qu'une couche mince d'un produit
étranger quelconque 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 pré
férable de relier le pôle négatif à la pointe,
de sorte que l'électrolyse n'y fasse pas déga
ger l'oxygène naissant qui pourrait l'oxyder
à la longue.
Au lieu de mesurer directement la valeur
moyenne du courant dans le circuit, on pour rait également mesurer la différence de potentiel aux bornes d'un condensateur shuntant une résistance insérée dans ce circuit.
C'est le cas du dispositif représenté par la fig. 4, où on trouve dans le circuit de la pointe 21 une résistance 22 shuntée par un condensateur 23; la tension aux bornes de ce condensateur est appliquée à l'entrée d'un amplificateur comportant dans le cas présent une double triode 24 fonctionnant en étage différentiel. Les deux cathodes sont polarisées par une résistance commune 25, et l'une des grilles, soit 26, est mise à la masse à travers une résistance de fuite, l'autre grille 26a recevant la tension développée aux bornes de l'ensemble 22, 23, à laquelle on peut ajouter une tension de réaction, ainsi qu'il sera exposé plus bas.
Deux courants traversent la résistance 22 en sens opposés; cette résistance se trouve insérée en effet dans deux circuits comprenant respectivement les parties 27 et 28 d'une source, la tension de la partie 27 étant réglée pour donner lieu à un courant permanent i,, tandis que la partie 28 fournit un courant pulsé i.
La différence de potentiel s'établissant entre les anodes aux bornes des deux résistances de charge symétriques 32 et 33, est appliquée à un moteur à courant continu 34, de préférence du type à excitation indépendante, qui entraîne un appareil de réglage de niveau non représenté.
Lorsque la valeur moyenne de courant pulsé i est égale au courant i,, c'est-à-dire lorsque la tension aux bornes de l'ensemble 22, 23 appliquée à la grille 26 est nulle, les courants anodiques traversant les résistances 32 et 33 sont égaux, la différence de potentiel entre les bornes du moteur 34 est nulle et le régulateur n'est pas actionné; le niveau liquide se trouve alors à mi-distance entre les cotes extrêmes atteintes par la pointe 21; dès que le niveau monte ou descend par rapport à cette position, qui dépend du courant io c'està-dire de la position du plot 29, le moteur sera alimenté dans le sens approprié par un branchement dans le sens convenable de ses connexions d'alimentation.
Etant donné qu'un tel dispositif peut entrer en auto-oscillations dans certains cas, on peut obtenir une contre-réaction en appliquant à l'entrée de l'amplificateur une tension proportionnelle à chaque instant à l'action de correction exercée. Ceei peut être réalisé par exemple en munissant l'induit du moteur 34 d'un deuxième enroulemént représenté en 35 et jouant le rôle d'une dynamo tachymétrique. Celle-ci fournit aux bornes d'un potentiomètre 36 une tension proportionnelle à la vitesse du moteur et dont on ramène une fraction ajustable à l'entrée de l'amplificateur en l'ajoutant à la tension de commande.
L'expérience montre d'ailleurs que cette stabilisation est souvent inutile; cela dépendra bien entendu de l'ensemble des paramètres de réglage tels que l'inertie de la masse liquide, celle des organes de manoeuvre (vannages, etc.), les vitesses des variations possibles, etc.
En variante, la pointe de l'organe de contact 21 est portée, dans le cas de la fig. 4, à l'extrémité d'une lame de ressort 40 placée dans le champ alternatif d'un électro-aimant 41 branché sur le secteur ou sur toute autre source de tension alternative.
La fig. 5 montre un dispositif d'enregistrement de la variation de niveau d'un liquide.
La pointe 42, ainsi que son moteur 43, sont suspendus ici à l'extrémité d'un câble 44 passant sur une poulie de guidage 45 et s'enroulant sur un tambour 46 calé sur l'arbre d'un moteur 47. Ce moteur est alimenté par un amplificateur 48, pouvant être du type décrit ci-dessus en référence à la fig. 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 liquide. 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'enregistrer la variation du niveau liquide sur une bande d'enregistrement 50 que l'on fait dérouler à une vitesse appropriée d'une bobine réservoir 51 sur lune bobine réceptrice 52.
La fig. 6 montre d'une manière schématique un exemple d'application 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 lin 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 de manière à rester en permanence en contact avec le niveau liquide dans le tube 62, au moyen d'un dispositif du genre décrit en référence à la fig. 5 et comprenant un amplificateur 64 et un moteur 65.
Ce dernier règle à chaque instant la hauteur de la pointe 63, de sorte que le plan liquide coïncide toujours avec le niveau moyen de sa vibration verticale.
Or, ce même moteur commande ici en même temps une pointe vibrante 66 en contact avec le niveau du liquide dans le tube 61, de telle sorte que la position de la pointe vibrante 66 se trouve à tout moment identique à celle de la pointe 63. La pointe 66 est insérée dans un circuit de mesure habituel comprenant par exemple won instrument indicateur à aiguille (micro-anipèreinètre) 67.
Dans ces conditions, on voit que si le niveau en 61 est le même qu'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 forme symétrique, c'est-à-dire dépourvue d'harmoniques d'ordre pair); dès que le niveau en 61 monte ou descend par rapport au niveau en 62, le courant moyen dans le circuit de mesure change et la déviation correspondante dans l'ici ou l'autre sens de l'aiguille de l'instrument 67 indiquera 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 permettra par exemple de diminuer notablement les dimensions des maquettes dans de nombreuses étu- des utilisant des modèles réduits. De nombreuses autres applications sont évidemment possibles, par exemple dans le domaine très étendu du contrôle des débits liquides; on peut asservir ainsi le débit dans un conduit tel que 60 à une valeur déterminée du courant moyen dans le circuit de mesure de la pointe 66; en insérant dans ces conditions un élément variable (à came par exemple) dans la transmission entre le moteur 65 et la pointe 66, on pourra réaliser une loi d'écoulement donnée en fonction du temps, etc.
La source de courant du circuit de mesure peut être aussi bien une source alternative dont la fréquence sera choisie nettement différente de celle de la source alimentant le moteur de l'organe de contact vibrant. Elle pourra être par exemple plus élevée, et on aura dans ce cas dans le circuit de mesure un courant de haute fréquence sujet 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 recherché pourra s'effectuer suivant divers procédés bien connus dans la technique des télécommunications.
Sans sortir du cadre de l'invention, on pourrait aisément multiplier les très nombreuses applications possibles du procédé décrit, soit à la mesure, soit à la régulation ou à tons les problèmes de contrôle en général 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 découlent de la souplesse remarquable, de la précision surprenante et de la simplicité des moyens nécessaires pour la mise en oeuvre de ce procédé.
REVENDICATIONS:
I. Procédé de contrôle de la hauteur du niveau d'un liquide non isolant du point de vue électrique, caractérisé en ce que l'on dis
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
Method and device for controlling a liquid level.
The present invention relates to a method for controlling a liquid level, applicable to all non-insulating liquids from an electrical point of view. The invention is also aimed at a device allowing the implementation of this method.
The method according to the invention is characterized in that there is an electric contact member vibrating vertically, so that it penetrates into the liquid during a fraction of each period of vibration and in that said said height by the value of said fraction.
By inserting the periodic switch formed by the vibrating contact member and the: liquid mass in an electrical measuring circuit comprising a current source, it is sufficient for example to measure the average current flowing through the circuit to obtain a quantity representing with high precision in the height of the liquid plane and lending itself with all the flexibility desirable to the control of regulation, control or recording devices.
The vibrating contact member can be formed by a point directed downwards, which allows it to pierce the surface layer of liquid with each oscillation, moving it very little. The frequency of vibration being chosen relatively fast, the influence of the surface tension is practically eliminated: this result is reached very easily and very conveniently by choosing the frequency of the sector of 50 periods per second for example.
This device makes it possible to carry out measurements with very high precision, moreover variable according to the amplitude of the vibration of the tip.
The drawing shows, by way of example, several embodiments of the device for monitoring a liquid level, object of the invention.
Fig. 1 schematically shows a simplified device allowing the implementation of the method according to the invention.
Figs. 2 and 3 are diagrams relating to the operation of this device.
Fig. 4 shows schematically an example of application of a level regulating device.
Fig. .5 is a diagram showing a level recording device according to the invention.
Fig. 6 is a diagram relating to a differential device.
According to the device shown in FIG. 1, it is arranged above the level to be checked with a liquid mass 10, a fine vertical point 11 (sewing needle for example) driven in periodic vertical vibration by the voice coil of a loudspeaker motor 12 The tip 11 is inserted into an electrical measuring circuit comprising a current source 13, a relatively high resistance 14, which can be adjustable, and a measuring device 15, a micro-ammeter for example. The circuit is closed by an immersed electrode 16. The resistance 14 is chosen sufficiently high with respect to the resistance of passage between the tip 11 and the liquid. The vibration of the tip 11 may or may not be sinusoidal, but must be periodic.
The motor 12 being, for example, of the permanent magnet type, it suffices to connect its mobile coil 17 to an alternating current source at 18 (the sector for example); a rheostat 19 making it possible to adjust the intensity of the current absorbed by this coil, therefore the amplitude of the movements of the tip. It can be seen that under these conditions, the tip forms with the liquid mass a periodic switch, the current being established or broken in the measuring circuit depending on whether the tip is submerged or not.
In fig. 2, there is firstly shown in A, as a function of time, the dimension of the lower end of the point 11, which oscillates periodically between the lower limits H1 and upper 112. It can be seen that if the liquid plane is included between these two dimensions, at the height H for example, the point will be immersed at each oscillation for half time which will be a function of the height of the liquid plane; this results in a pulsed current in the measuring circuit represented by the curve
B, its mean value being, in this case, that indicated by the dotted line, i.e. I.
When the liquid level goes from H to H '(fig. 3), the duration of each closure, therefore of each current pulse, increases, as shown by curve B', and the mean value of the current becomes I '.
Instrument 15 will therefore indicate, provided only that its natural period is much greater than the period of vibration of the tip, an average current which will be a function of the level of the liquid.
This current will be zero for a lower level
or equal to the minimum score Hi; he will be stupid
tant (Io) for a higher or equal level
at the maximum Hz level; this constant value
lo depends only on the voltage of the
source 13 and the value of resistor 14;
the average current measured at 15 varies between
zero and this constant value when the ni
calf rises from H1 to 112. The relation between
variation of the current and the variation of the level between the two values H1 and H2 depend on
of the shape of the vibration of the needle. She
would be linear if the curve representing the
dimension of the needle tip according to the
time was a sawtooth curve.
For
a sinusoidal vibration of the needle, said
relation is linear at least to the surroundings
from the middle point of this vibration.
All other things being equal, precision
of the measurement is all the greater as
the amplitude of the needle vibration is
weaker.
The frequency of the oscillatory movement
needle can be any. It should - however, be chosen fairly quickly
so that the surface tension no longer plays,
the needle piercing the neck with each oscillation
superficial che by moving it very little. A
convenient frequency which satisfies this condi
tion is that of 50 periods per second.
Experience shows that the measures effec
killed by a device of this kind are by
actually faithful; the smallest differences
detectable levels, which are a function of
the range of motion of the tip, little
wind reach the igloo mm. The experience has
shown that a thin layer of a product
any foreigner tending to modify the
surface tension of the liquid does not
not the measure.
In the case of water or a solution
aqueous, if a DC voltage source is used in the measuring circuit, it is
easy to connect the negative pole to the tip,
so that electrolysis does not degrade it.
manage nascent oxygen that could oxidize it
in the long run.
Instead of directly measuring value
average of the current in the circuit, we could also measure the potential difference across a capacitor shunting a resistor inserted in this circuit.
This is the case with the device shown in FIG. 4, where there is in the circuit of the tip 21 a resistor 22 shunted by a capacitor 23; the voltage across this capacitor is applied to the input of an amplifier comprising in the present case a double triode 24 operating as a differential stage. The two cathodes are polarized by a common resistor 25, and one of the gates, i.e. 26, is grounded through a leakage resistor, the other gate 26a receiving the voltage developed across the terminals of the assembly 22, 23, to which a reaction voltage can be added, as will be discussed below.
Two currents flow through resistor 22 in opposite directions; this resistor is in fact inserted in two circuits comprising respectively parts 27 and 28 of a source, the voltage of part 27 being adjusted to give rise to a permanent current i ,, while part 28 provides a pulsed current i .
The potential difference being established between the anodes at the terminals of the two symmetrical load resistors 32 and 33, is applied to a direct current motor 34, preferably of the type with independent excitation, which drives a level control device, not shown. .
When the mean value of pulsed current i is equal to current i ,, that is to say when the voltage across the terminals of the assembly 22, 23 applied to the gate 26 is zero, the anode currents flowing through the resistors 32 and 33 are equal, the potential difference between the terminals of the motor 34 is zero and the regulator is not actuated; the liquid level is then located at mid-distance between the extreme dimensions reached by the point 21; as soon as the level rises or falls with respect to this position, which depends on the current io, that is to say on the position of pad 29, the motor will be supplied in the appropriate direction by a connection in the appropriate direction of its connections of food.
Since such a device can go into self-oscillations in certain cases, a feedback can be obtained by applying to the input of the amplifier a voltage proportional at each instant to the corrective action exerted. This can be achieved for example by providing the armature of the motor 34 with a second winding shown at 35 and playing the role of a tachometric dynamo. This supplies to the terminals of a potentiometer 36 a voltage proportional to the speed of the motor and of which an adjustable fraction is brought back to the input of the amplifier by adding it to the control voltage.
Experience shows, moreover, that this stabilization is often unnecessary; this will of course depend on all the adjustment parameters such as the inertia of the liquid mass, that of the operating members (valves, etc.), the speeds of possible variations, etc.
As a variant, the tip of the contact member 21 is carried, in the case of FIG. 4, at the end of a leaf spring 40 placed in the alternating field of an electromagnet 41 connected to the mains or to any other source of alternating voltage.
Fig. 5 shows a device for recording the variation in the level of a liquid.
The tip 42, as well as its motor 43, are suspended here at the end of a cable 44 passing over a guide pulley 45 and winding on a drum 46 wedged on the shaft of a motor 47. This motor is supplied by an amplifier 48, which may be of the type described above with reference to FIG. 3 or any other suitable type and suitable for driving the motor 47, so as to maintain the tip 42 at a height such that the average height of its lower end coincides with that of the liquid plane. As is clear from the foregoing description, this amounts to maintaining at a given value the average current in the measuring circuit comprising the tip 42 and the liquid mass.
A writing style 49 carried by cable 44 allows the variation in liquid level to be recorded on a recording tape 50 which is unwound at an appropriate speed from a reservoir reel 51 onto a receiver reel 52.
Fig. 6 schematically shows an example of application of the method according to the invention, in differential form, with a view to measuring very small level differences; in the case shown, it is for example the pressure drop in a duct such as 60, seat of a liquid stream, between two manometric tubes such as 61 and 62.
First, a follower tip 63 will be found, which is controlled so as to remain permanently in contact with the liquid level in the tube 62, by means of a device of the type described with reference to FIG. 5 and comprising an amplifier 64 and a motor 65.
The latter constantly adjusts the height of the tip 63, so that the liquid plane always coincides with the average level of its vertical vibration.
Now, this same motor controls here at the same time a vibrating tip 66 in contact with the level of the liquid in the tube 61, so that the position of the vibrating tip 66 is at all times identical to that of the tip 63. The tip 66 is inserted into a usual measuring circuit comprising for example a needle indicating instrument (micro-anipereineter) 67.
Under these conditions, it can be seen that if the level at 61 is the same as at 62, the average current in the measuring circuit of the tip 66 will be equal to half of its maximum value (for a vibration of symmetrical shape, c 'that is to say devoid of even order harmonics); as soon as the level at 61 rises or falls in relation to the level at 62, the average current in the measuring circuit changes and the corresponding deviation in the here or the other direction of the needle of the instrument 67 will indicate with a very high sensitivity to the difference in levels.
Such a differential device makes it possible to measure or control much lower pressure drops than all the devices known until now, thanks to its very high sensitivity; its use will, for example, make it possible to significantly reduce the dimensions of the models in many studies using reduced models. Many other applications are obviously possible, for example in the very wide field of liquid flow control; the flow rate in a duct such as 60 can thus be slaved to a determined value of the average current in the measuring circuit of the tip 66; by inserting under these conditions a variable element (with a cam for example) in the transmission between the motor 65 and the tip 66, it is possible to achieve a given flow law as a function of time, etc.
The current source of the measuring circuit can equally well be an AC source, the frequency of which will be chosen to be markedly different from that of the source supplying the motor of the vibrating contact member. It could for example be higher, and in this case there will be in the measuring circuit a high frequency current subject to a ripple of the pulse type of variable duration. The measurement of the duration of the pulses which ultimately characterizes the desired result may be carried out according to various methods well known in the art of telecommunications.
Without departing from the scope of the invention, one could easily multiply the very many possible applications of the method described, either to measurement, or to regulation or to all the problems of control in general of any liquid level, provided only that the liquid in question is not electrically insulating.
It does not appear necessary to insist on the advantages which result from the remarkable flexibility, the surprising precision and the simplicity of the means necessary for the implementation of this method.
CLAIMS:
I. Method of controlling the height of the level of a non-insulating liquid from the electrical point of view, characterized in that it is said
** ATTENTION ** end of DESC field can contain start of CLMS **.