Procédé dans lequel on mesure la densité d'un liquide et installation pour la mise
en-oeuvre de ce procédé.
Il est connu de déterminer la densité des liquides en mesurant la différence des pressions entre deux extrémités déterminées d'une colonne de hauteur connue et constante du liquide étudié.
Cette méthode permet théoriquement la mesure continue de la densité entre deux points donnés, quels que soient le débit et le niveau du liquide dans l'appareil qui le contient. Cependant, dans la pratique, ce procédé est d'une sensibilité insuffisante, puisque les variations de densité se traduisent par des variations de pression absolue et cette variation ne peut être enregistrée que si elle est suffisamment importante par rapport à cette pression absolue. En général, la précision n'est pas supérieure à 1,5 /o de la pression absolue, alors que de nombreux cas industriels demandent un sensibilité de 1 zoo au moins.
Il est également connu de déterminer différentiellement la densité des liquides en comparant la pression à la base d'une colonne de hauteur connue et constante du liquide à étudier à la pression à la base d'une autre colonne de hauteur connue et constante d'un liquide de référence.
Cette deuxième méthode permet théori- quement la mesure continue de la densité d'un liquide industriel en l'appliquant à un liquide en circulation maintenu à un niveau constant grâce à un déversoir. On constate cependant pratiquement qu'à cause du déversoir la hauteur de cette colonne n'est pas constante et que ses variations influencent la précision de la mesure. En effet, dans la pratique, le débit du liquide est fonction des conditions d'exploitation et une faible variation du débit entraîne une variation du niveau au-dessus du déver- soir.
D'autres causes viennent influencer la précision de la mesure. En particulier, dans les appareils existant actuellement intervient, outre la densité et les variations de niveau, la pression dynamique
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qui correspond à la vitesse de circulation du liquide.
Or, dans le cas de la mesure de densité de liquides ayant en suspension des produits qui ont une tendance à décanter (boues, poudres minérales), on est obligé de travailler avec une grande vitesse ascensionnelle, de façon à éviter cette décantation.
De plus, lorsque le liquide dont on doit mesurer la densité possède une forte tension de vapeur soit à la température ambiante (liquides volatils), soit à cause de sa temperature propre, cette tension de vapeur vient encore perturber la mesure de densité effeetuée par les procédés usuels. Une difficulté de même genre apparaît lorsque l'on désire mesurer la densité d'un liquide enfermé dans une enceinte sous vide partiel.
En définitive, les appareils sont soit trop peu précis, soit mesurent ou enregistrent si multanément les variations de densité, de niveau, de pression dynamique, de tension de vapeur ou de pression à la surface du liquide sans qu'il soit possible de faire nne diserimi- nation entre ces différents facteurs.
Le procédé selon l'invention est destiné à éviter ces différents inconvénients, tout en conservant les avantages des méthodes exposées ci-dessus. Il permet des mesures dont la précision peut atteinre t12000 et n'est prati quement limité que par la sensibilité des appa reils de mesure usuels qu'il fait intervenir.
Cette précision n'est plus influencée par les variations de débit ou de niveau ou de tension de vapeur.
Dans la suite de l'exposé, le terme liquide désignera indifféremment des liquides clairs ou des pulpes, c'est-à-dire des liquides char gés de matières solides en suspension, telles que boues, poudres minérales.
Dans le procédé selon l'invention, on fait apparaître, en vue de déterminer la densité d'un liquide, la pression différentielle de deux gaz envoyés respectivement sous pression dans deux tubes ouverts dont l'un plonge dans le liquide dont on veut mesurer la densité et l'autre dans un liquide de référence contenu à niveau constant dans un récipient étanche aux gaz, la pression de chacun des gaz étant réglée à une valeur telle que ledit récipient étant mis en communication avec le liquide dont on veut mesurer la densité par l'intermé- diaire d'un conduit d'équilibrage débouchant dans ce récipient à un niveau supérieur à celui de l'orifice du tube plongeant dans le liquide à mesurer, les gaz refoulent les liquides jusqu'aux orifices des deux tubes et du conduit d'équilibrage.
On montrera par la suite que, dans ces conditions, la pression différentielle mesurée est fonction simplement des densités de ces liquides en présence (dont l'une est connue) et des hauteurs comprises, d'une part, entre le niveau du liquide de référence et le niveau de l'orifice du tube qui plonge dans ce liquide, d'autre part, entre les niveaux des orifices des deux tubes qui plongent dans le liquide dont on veut mesurer la densité. On montrera, en particulier, que cette pression différentielle est indépendante de la vitesse de circulation du liquide dont on veut mesurer la densité et de la pression qui peut régner à la surface supérieure de ce liquide, et du niveau de liquide à étudier.
Dans le cas de pressions ou de dépression importantes à la surface de ce liquide, il y a intérêt à placer le liquide de référence dans des conditions analogues, c'est à-dire pratiquement d'enfermer ces deux liquides dans des enceintes étanches aux gaz et communiquant entre elles, de manière à réduire la différence de pression dans le conduit d'équilibrage.
Parmi les applications du procédé selon l'invention, on doit noter la possibilité de mesurer la densité d'une tranche de liquide
Cette application présente un intérêt partieulier pour la surveillance des phénomènes de décantation.
Dans les installations de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on peut utiliser un appareil quelconque de mesure ou d'enregis trement de la pression différentielle. Even tuellement, on peut employer cette pression pour actionner à diverses fins un servomoteur destiné par exemple à commander un dispositif prévu pour régler la densité du liquide.
Parmi les moyens de réaliser une enceinte étanche aux gaz contenant le liquide de référence, enceinte dans laquelle on doit assurer un niveau constant à ce liquide de référence, on retiendra plus particulièrement l'adjone- tion à un récipient clos, pourvu d'une entrée pour ce liquide, d'un siphon de trop-plein dont la hauteur d'obturation liquide est fonc- tion de la densité du liquide de référence et de la pression qui règne dans ladite enceinte.
La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple, fera comprendre comment l'invention peut être réalisée.
La fig. 1 est une élévation schématique d'une première forme d'exécution de l'instal- lation selon l'invention.
La fig. 2 est une élévation analogue à la fig. 1 d'une seconde forme d'exécution prévue pour la mesure de la densité d'un liquide sous pression ou dépression.
La fig. 3 est une élévation analogue aux fig. 1 et 2 d'une troisième forme d'exécution dans laquelle le liquide de référence est enfermé dans une colonne sans alimentation ni écoulement.
La fig. 4 montre un bac de décantation à plusieurs étages, équipé d'installations semblables à celles illustrées aux figures précédentes.
La fig. 5 illustre l'application du procédé selon l'invention à la régulation de la densité d'un liquide industriel.
La fig. 6 montre l'application du procédé selon l'invention à un appareil dit classificateur.
L'installation montrée à la fig. 1 comprend deux récipients cylindriques verticaux 1 et 2 dont le premier renferme le liquide à étudier (A) et le second le liquide de réfé ; rence (B). Le liquide B sera en général de l'eau ou du mereure.
Dans les récipients 1 et 2 débouchent des tubes plongeurs (respectivement 3 et 4) dans lesquels on admet des gaz sous pression par les détendeurs 5 et 6. Le réglage de chacun de ces détendeurs est tel que la pression de chaque gaz-est légèrement supérieure à la pression due au liquide au droit de l'orifice de chaque plongeur. Les plongeurs 3 et : sont, d'autre part, reliés à un-manomètre différentiel d'un modèle quelconque qui, dans l'exemple figuré, est un simple tube en U 7.
Le liquide A entre à la base du récipient 1 en 8 et sort par un trop-plein 9. Le liquide B entre en 10 à la base du récipient 2. Ce récipient est étanche au gaz et à sa partie supérieure aboutit un conduit d'équilibrage 11 muni d'un tube plongeur 12 dont l'orifice 12a est situé au-dessus de l'orifice 3a du plongeur 3.
Pour permettre, sans fuite de gaz, le maintien à un niveau constant du liquide B dans le récipient 2, le trop-plein de ce récipient est mis en relation avec l'extérieur par un siphon 14.
On a reporté sur la figure les différentes hauteurs des colonnes liquides déterminées par la position des orifices des tubes plongeurs par rapport au niveau des liquides dans lesquels ils plongent.
Ainsi h est la hauteur de la colonne de liquide B dans le récipient 2, H2 la hauteur de la colonne de liquide A dans le récipient 1 pour le plongeur 3 et hui la hauteur de la colonne analogue pour le plongeur 12. H est la différence de hauteur'de ces deux colonnes.
Les pressions nécessaires pour refouler les liquides dans les plongeurs. 3 et 4, dans la mesure indiquée plus haut, est fonction de la hauteur, de la densité du liquide, de la pression statique à la surface du liquide, ainsi que de la pression dynamique engendrée par la vitesse du liquide.
Le liquide B ne peut sortir de 1'enceinte 2 que par le siphon 14 et, comme ce récipient est parfaitement étanche, les bulles s'échap- pant à la base du plongeur 4 sont obligées de traverser le conduit 11 et de sortir par le plongeur 12 dans le liquide A.
Les circuits de gaz étant parfaitement étanches, le débit de gaz pourra être très faible, par exemple : une bulle à la seconde, pour éviter les effets de diminution de densité des liquides par émulsion.
Le calcul ci-dessous met en lumière les différentes propriétés de l'installation repré- sentée à la fig. 1.
Soient d6 et de respectivement les densités du liquide A et du liquide B de référence.
Soit v la vitesse du liquide A dans la colonne e 1,, cette vitesse est constante tout le long de cette colonne, car la section en est constante.
La pression P2 à la base du plongeur 3 dans le liquide A a pour valeur :
P2 = H2. db-I-ds. 22-I-P
2g g étant l'accélération de la pesanteur et Pila pression du gaz au-dessus du niveau du plan liquide A, la pression atmosphérique dans l'exemple illustré.
D'autre part, la pression Pj Åa la base du plongeur dans B est : P1 = h de + Po
Po étant la pression du gaz qui règne dans le récipient 2 au-dessus du liquide B, on remarquera que la vitesse du liquide B est nulle ou négligeable.
Or, la pression PO est déterminée par le plongeur 12 à la base duquel règne la pression :
P0 = P + H1 # ds + ds # v2/@
2g
Il résulte de ces égalités que;
P2-P1 = H2 # ds - H1 # ds - h # de.
P2-P1 = H # ds - h # de (1)
Ps-Pi-.H-.-, (1) puisque H = H2-Hi.
Le calcul montre que la pression différentielle donnée par l'égalité (1) et lue sur le tube en U est indépendante de P, de Po et du niveau du liquide A, car seule intervient la différence H entre les niveaux des orifices 3a et 12a. Cette pression ne dépend que ds} de, h et de la distance H.
La mesure effectuée est bien indépendante du débit du liquide et de sa vitesse, d'une part, et de la tension de vapeur ou de la pression exercée sur le plan supérieur du liquide A, d'autre part, grandeurs qui sont les causes principales de l'imprécision des appareils connus.
La pression différentielle peut, au moyen d'appareils connus, être mesurée ou enregis- trée ou, par l'intermédiaire d'un servo-moteur, servir à une régulation quelconque.
Dans la construction de l'installation, le choix du rapport des grandeurs déterminantes h et H doit être évidemment fonction du rapport des densités à mesurer.
Sur la fig. 1, on a supposé de plus que le liquide était une suspension. Une hélice 15 brasse celle-ci dans le bac de stockage 16 ; la pompe 17 sert à l'alimentation de la colonne démesure, tandis que l'écoulement se fait par le déversoir de trop-plein à la pression atmosphérique. On peut éventuellement, si néces- saire, entourer cette colonne de mesure d'une enveloppe chauffante. Ceci présente un intérêt particulier dans la mesure des densités des solutions concentrées lorsque la variation de température peut amener une variation importante de densité ou un dépôt de cristaux solides du corps en solution.
Pour que l'air s'échappant à la base du plongeur 4 soit contraint de-traverser le conduit d'équilibrage, il faut, si l'on utilise un siphon pour l'évacuation du liquide de référence à l'atmosphère, que ce siphon ait une hauteur 7c telle que la pression exercée par la colonne liquide du siphon équilibre la pression à l'extrémité 12a du plongeur 12.
Dans le cas d'un liquide à forte tension de vapeur (par exemple butane, essence légère), on peut utiliser l'installation montrée sur la fig. 2 qui permet de réduire la hauteur du siphon. Cette disposition est également applicable en cas de dépression, pour éviter les rentrées d'air par le siphon.
La colonne du liquide A est en liaison avec un réservoir 18 capable de supporter la tension de vapeur de ce liquide. Comme prend- demment, le liquide A se déverse dans ce réservoir par un trop-plein 19. De même, on laisse couler le liquide de référence B dans un autre réservoir 19, également capable de tenir la pression. On réunit la partie haute du réservoir 19 par une tuyauterie 20 d'équi- libre à la chambre de vapeur du réservoir 18 et, par la tuyauterie 21, on relie cette chambre de vapeur à la partie supérieure du tube 3 fermé, de manière que la pression à la partie supérieure de ce tube soit celle du réservoir, même en cas d'engorgement du trop-plein.
Avec cette disposition, la hauteur du siphon reste celle déterminée précédemment. On notera sur la fig. 2 que l'on a substitué au tube 7 en U un manomètre différentiel enregistreur 22.
La fig. 3 montre une installation simplifiée si le liquide témoin ne possède ni alimentation, ni écoulement. Dans ce cas, le siphon 14 décrit précédemment disparaît, ainsi que l'alimentation 10 et le tuyau d'équilibrage 20.
La fig. 4 montre une application très intéressante du procédé selon l'invention, c'est celle du contrôle de la décantation dans un bac décanteur à plusieurs étages 23 d'un modèle connu. Dans un décanteur de ce genre à plusieurs étages, il est généralement impossible de prélever des échantillons dans les étages inférieurs ; il en résulte que ces appareils sont conduits empiriquement et l'on ne s'aperçoit du déréglage de l'appareil que lorsque le liquide décanté vient à couler trouble au trop-plein.
Les différentes densités sont mesurées audessus de la zone de compression des sédiments ; dans cette dernière, en effet, les boues sont trop compactes pour donner lieu à des renseignements intéressants et précis. Le bassin de décantation joue le rôle du tube 1 des figures précédentes et les tubes 3,12,3', 12', etc. plongent dans le liquide à des niveaux différents, ce qui permet pour chaque étage la mesure de la densité des colonnes de hauteur IT, JT, etc. par rapport à celle de la colonne h, h', etc. du liquide témoin. Les carac téristiques de construction de chacune de ces installations de contrôle ne sont pas nécessairement identiques.
Ainsi, si la décantation se fait mal, le niveau des boues a tendance à monter dans le bac décanteur, et le poids des colonnes les plus basses augmente. On pourra donc prévenir le déréglage d'un étage quelconque du bac décanteur.
Dans les installations représentées à la fig. 4, le densimètre assure la régulation du décanteur. Le manomètre enregistreur 22 commande la vitesse ou la course de la pompe 25 d'extraction des boues, par l'intermédiaire du variateur 24, suivant le niveau de la zone de décantation. Lorsque le trop-plein de l'étage inférieur a tendance à couler trouble, la densité étant accrue, le débit de la pompe s'ac- croît automatiquement.
La fig. 5 montre une application du procédé selon l'invention à des problèmes de ré gulation. L'enregistreur 26 à flotteur est équipé d'un servo-moteur à tiroir 27 alimenté en 28 par un fluide sous pression, et ce servomoteur commande une vanne 29 dont le rôle est d'admettre, par le canal 30, un liquide d'appoint ayant une densité différente de celle du liquide en circulation ; on peut ainsi corri- ger la densité de ce dernier à la valeur demandée par les besoins d'exploitation. Suivant la correction à effectuer, le servo-moteur ouvre plus ou moins cette vanne.
Enfin, dans 1'application montrée à la fig. 6, l'installation est utilisée pour le contrôle d'un appareil dit classificateuro destiné à opérer un classement, en milieu liquide, entre des grains de dimensions différentes.
Cet appareil comprend une cuve 35 à fond incliné, dans laquelle on déverse, par un canal 36, le liquide de triage. Les grains à trier sont agités et les particules les plus grosses évacuées vers le haut du plan incliné formant fond de la cuve, par un rateau 37. Le tropplein, dans lequel une catégorie déterminée de particules se trouve en suspension, s'écoule en 38. La densité mesurée au voisinage de ce trop-plein à l'aide des tubes 3 et 12 est directement fonction de la granulométrie des produits évacués.
Dans le cas ou il n'est pas techniquement possible de faire circuler le liquide dont on veut mesurer la densité, dans une enceinte à section constante, on disposera les orifices des deux tubes plongeurs dans ce liquide, de manière qu'ils soient disposés dans des plans parallèles au sens d'écoulement du liquide, de manière à annuler l'influence de la vitesse du liquide.
REVENDICATIONS :
I. Procédé dans lequel on mesure la densité d'un liquide, caractérisé en ce que, pour déterminer cette densité, on fait apparaître la pression différentielle de deux gaz, envoyés sous pression respectivement dans deux tubes ouverts dont l'un plonge dans le liquide dont on veut mesurer la densité et l'autre dans un liquide de référence contenu à niveau constant dans un récipient étanche aux gaz, la pression de chacun des gaz étant réglée à une valeur telle que ledit récipient étant mis en communication avec le liquide dont on veut mesurer la densité par l'intermédiaire d'un conduit d'équilibrage débouchant dans ce récipient à un niveau plus élevé que celui de l'orifice du tube plongeant dans le liquide
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