EP1344029A1 - Dispositif de detection electromagnetique du niveau d'un materiau qui est conducteur ou rendu conducteur, notamment le verre fondu - Google Patents

Dispositif de detection electromagnetique du niveau d'un materiau qui est conducteur ou rendu conducteur, notamment le verre fondu

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Publication number
EP1344029A1
EP1344029A1 EP01993817A EP01993817A EP1344029A1 EP 1344029 A1 EP1344029 A1 EP 1344029A1 EP 01993817 A EP01993817 A EP 01993817A EP 01993817 A EP01993817 A EP 01993817A EP 1344029 A1 EP1344029 A1 EP 1344029A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
container
magnetic field
axis
inductor
level
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01993817A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Benoít NICOLAZO DE BARMON
Guillaume Mehlman
Patrice Roux
Michel Talvard
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Orano Demantelement SAS
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Compagnie Generale des Matieres Nucleaires SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Compagnie Generale des Matieres Nucleaires SA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP1344029A1 publication Critical patent/EP1344029A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B5/00—Melting in furnaces; Furnaces so far as specially adapted for glass manufacture
    • C03B5/16—Special features of the melting process; Auxiliary means specially adapted for glass-melting furnaces
    • C03B5/24—Automatically regulating the melting process
    • C03B5/245—Regulating the melt or batch level, depth or thickness
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/26—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/16—Controlling or regulating processes or operations
    • B22D11/20—Controlling or regulating processes or operations for removing cast stock
    • B22D11/201—Controlling or regulating processes or operations for removing cast stock responsive to molten metal level or slag level
    • B22D11/205—Controlling or regulating processes or operations for removing cast stock responsive to molten metal level or slag level by using electric, magnetic, sonic or ultrasonic means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D2/00—Arrangement of indicating or measuring devices, e.g. for temperature or viscosity of the fused mass
    • B22D2/003—Arrangement of indicating or measuring devices, e.g. for temperature or viscosity of the fused mass for the level of the molten metal
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/26—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields
    • G01F23/261—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields for discrete levels

Definitions

  • the present invention relates to an electromagnetic device for detecting the level of a material, more precisely of a liquid or powdery or solid material in divided form (such as for example granules), which is, or is rendered, electrically conductive, or even of the position of an electrically conductive mobile solid (for example a piston).
  • the invention applies in particular to the detection of the level of a liquid chosen from molten metals, cold liquid metals, electrolytes and molten glasses.
  • the signals supplied by the sensor intended to detect this radial component are demodulated without phase shift with respect to the current which supplies the inductor generating the magnetic field.
  • the present invention solves the problem of detection, with greater precision than that which is permitted by the known devices, mentioned above, of the level of a liquid or pulverulent or solid material in divided form, which is, or is rendered , electrically conductive, or even from the position of an electrically conductive mobile solid.
  • the present invention relates to a device for detecting the level of a liquid or pulverulent or even solid material in divided form, which is, or is made, electrically conductive and of which a container is filled or emptied having a vertical axis, or the position of a solid monolithic and electrically conductive material which is movable in the container, this device being characterized in that it comprises:
  • An inductor which is designed to create an alternating electric current in the material and which surrounds the container and has the same axis as this container, the latter being substantially transparent to the magnetic field generated by the inductor, - an alternating current source provided to supply the inductor with current,
  • the magnetic field sensor which is arranged between the inductor and the axis of the container and oriented along a substantially horizontal axis meeting the axis of the container, for detecting the partial differential, along the axis of the inductor, of the radial component of the magnetic field
  • the magnetic field sensor comprising a pair of magnetic transducers, mounted in a differential manner and arranged one above the other, the sensitive axes of the magnetic transducers being substantially parallel, the axis according to which the magnetic field sensor is oriented being in the plane defined by these two sensitive axes and being equidistant from them,
  • Processing and signaling means provided for processing the signals supplied by the demodulation means and for providing a signal indicative of the material reaching the level of the magnetic field sensor.
  • sensitive axis of a magnetic transducer is meant an axis (geometric) at the points at which the sensitivity of this magnetic transducer is maximum.
  • the sensitive axis of a coil is the axis of the latter.
  • the magnetic transducers are identical.
  • the processing and signaling means preferably comprise electronic means for detecting zero crossing or changing the sign of the signals supplied by the demodulation means.
  • the magnetic field sensor is disposed between the inductor and the container regardless of the state (liquid or solid) of the material in the container.
  • the level detection takes place inside the liquid or pulverulent or even solid material in divided form, this embodiment not applying in the case of a monolithic solid material.
  • the magnetic field sensor is placed in an electrically insulating or very weakly conductive tube, closed at its lower end and arranged, preferably vertically, in the container, between the internal wall and the axis of this container.
  • This second particular embodiment is useful in the case where the first particular embodiment is difficult to implement, for example because of the existence of significant parasites related to the proximity of the inductor or because of the excessive shielding effect of the container.
  • the tube is preferably placed at a distance from the axis of the container, at which the quadrature component of the radial component of the magnetic field is maximum, which leads to maximum detection sensitivity.
  • the invention is particularly applicable to level measurement in a cold crucible, intended for direct induction melting:
  • the container can be a cold crucible, this crucible being formed of sections electrically insulated from each other and provided with cooling means, the inductor being used to heat the material placed in the container.
  • the material can be chosen from the group comprising molten glasses and molten metals.
  • the device comprises a plurality of magnetic field sensors which are arranged at a plurality of levels of the container, in order to detect the reaching, by the material, of the level of any one of these magnetic field sensors.
  • the invention also makes it possible to measure the speed of movement of the level of the material:
  • the processing and signaling means can also be provided for measuring the time interval between successive levels reached by the material and for dividing the distance separating these successive levels by the time interval thus measured, the device then forming a device for measuring the speed of variation of the level of the material in the container.
  • This speed measurement is favored by the precision of the measurements allowed by a device according to the invention and by the possibility of associating a large number of magnetic field sensors along a generator of a container. It should be noted that the measurement of time intervals and the measurement of distances separating successive levels use techniques known to those skilled in the art.
  • FIG. 1 is a view schematic of a particular embodiment of the device which is the subject of the invention
  • FIG. 2 is a schematic view of another particular embodiment, applied to a cold crucible for direct induction melting
  • FIG. 3 is a schematic and partial view of a variant of the device of Figure 2, using an insulating rod.
  • the device according to the invention which is schematically shown in Figure 1, is intended to detect the level of an electrically conductive liquid 2 with which a container is filled 4.
  • the arrow 6 symbolizes this filling.
  • the reference X designates the vertical axis of the container 4.
  • the device of FIG. 1 comprises a magnetic coil 8 which is supplied by a source 10 of alternating current.
  • This coil 8 surrounds the container 4 and has the same axis X as this container. It constitutes an inductor which creates a magnetic field, which generates an alternating current in the liquid.
  • the container 4 is made of a material chosen or arranged so as to limit the screen effect to the alternating magnetic field emitted by the inductor and intended to be transmitted to the liquid of the container.
  • the device also comprises a pair of identical coils 11 and 12 forming a differential magnetic field sensor 13.
  • This pair of coils 11 and 12 is intended to provide a signal proportional to the partial differential (along the vertical axis X) of the component substantially radial from the magnetic field.
  • this pair of coils 11 and 12 is disposed between the coil 8 and the container 4. It is oriented along a horizontal Y axis which substantially meets the X axis of the container.
  • the axes (not shown) of the coils 11 and 12 are parallel and define a vertical plane and that the axis Y is contained in this plane and equidistant from the axes of the coils 11 and 12.
  • the invention is based on the detection, by the magnetic field sensor, of the passage through an extremum, at the interface between the conductive medium and the non-conductive medium, of the component substantially in quadrature with the induction current (aspect temporal field) of the radial component of the magnetic field (spatial aspect of the field).
  • the electrical voltage capable of being supplied by the pair of coils 11 and 12 is sent to means 14 for amplifying this voltage.
  • the device of FIG. 1 also comprises means 16 for synchronous demodulation of the voltage thus amplified.
  • These means 16 are capable of demodulating substantially at ⁇ / 2 the voltage supplied by the output of the amplifier 14 so that the demodulation takes place with a phase shift of substantially ⁇ / 2 relative to the current supplied by the source 10.
  • the inductor current is therefore not used directly, but a phase-shifted current of substantially ⁇ / 2 relative to the latter.
  • the pair of coils When the conductive liquid reaches the level of the sensor 13, i.e. the level defined by the Y axis, the pair of coils provides signals electric which are amplified by means 14 then demodulated by means 16.
  • the device of FIG. 1 also includes electronic means 18 for processing the signals supplied by the demodulation means 16.
  • These means 18 comprise for example a rocker (or a “trigger”) connected to a bulb (or to a light-emitting diode or LED) to supply a signal when the level of the Y axis is reached by the conductive liquid 2.
  • the signal supplied by the means 18 is therefore sent to signaling means 20 (for example bulb or LED) provided to provide a visual alarm when the level of the Y axis is reached.
  • signaling means 20 for example bulb or LED
  • the means 18 are connected to signaling means capable of providing an audible alarm when this level is reached.
  • the example of the invention which is schematically represented in FIG. 2, is applied to a molten glass 22 whose electrical resistivity is between 0.001 ⁇ .m and 1 ⁇ .m.
  • This molten glass is heated by direct induction in a cold crucible 24 whose axis, which is vertical, is denoted x.
  • This cold crucible is sectorized; it is formed of metal tubes (not shown), for example stainless steel, which are juxtaposed and electrically isolated from each other.
  • an inductor 32 powered by an AC source 34 and provided for heating the glass.
  • This inductor surrounds the crucible 24 and the axis of the inductor is also the x axis.
  • the sectoring of the crucible makes it substantially transparent to the magnetic field generated by the inductor 32.
  • a pouring nozzle 36 provided for recovering the molten glass when the shutter means 38 with which the pouring nozzles are retracted.
  • a layer 42 which is located above the molten bath and which is formed of glass being melted.
  • the arrow 44 symbolizes the filling of the crucible and the arrows 46 symbolize convection movements in the molten glass 22.
  • References 48 and 50 in Figure 2 respectively designate the top (horizontal) level and the bottom (horizontal) level of molten glass in the crucible.
  • This device comprises the inductor 32 which is supplied by the alternating current source 34 as well as two magnetic field sensors 52 and 54 which are respectively arranged at levels 48 and 50 and provided for detecting the partial differential, along the axis of l 'inductor, of the radial component of the magnetic field.
  • these sensors 52 and 54 are arranged between the inductor 32 and the crucible 24 and each of these sensors comprises a pair of identical coils, mounted in a differential manner (in opposition) and arranged one above the other, the axes of these two coils being substantially horizontal and parallel.
  • the coils of the sensor 52 (respectively 54) have the references 56 and 58 (respectively 60 and 62) and the axis of this sensor, axis which is in the plane defined by the axes of these two coils, parallel to these axes and equidistant of these, meets the x axis of the crucible 24 and corresponds to the low level (respectively high) of the molten glass in the crucible.
  • the device of FIG. 2 also includes an operational amplifier 64 (respectively 66), the two inputs of which are respectively connected to the two terminals of the set of coils 56-58 (respectively 60-62) as seen in FIG. 2.
  • the device also includes:
  • synchronous demodulation means 68 (respectively 70) whose signal input is connected to the output of the operational amplifier 64 (respectively 66) and whose reference input is connected to the source 34,
  • the synchronous demodulation is carried out substantially in quadrature (phase shift of ⁇ / 2) relative to the inductor current.
  • the demodulation reference comes from a point of capture of the current flowing in the inductor.
  • each of the (identical) coils 56 and 58 depends on the precision of the detection as well as on the sensitivity and the stability of the measurement and that it is the same for the coils 60 and 62.
  • the differential mounting of the coils 56 and 58 makes it possible to obtain the partial derivative along the x axis of the radial component of the magnetic field.
  • the sensors 52 and 54 are no longer in the space between the inductor 32 and the crucible 24 they are arranged in a cane 78 is-
  • .5 i.e. a tube closed at its bottom.
  • This rod is electrically insulating
  • the dimensions of the rod 78 and the coils 56, 58, 60 and 62 are adapted according to the mechanical and thermal constraints.
  • the rod 78 is disposed at a distance R from the axis x of the crucible at which the radial component of the magnetic field is maximum.
  • the quadrature component (phase shift of substantially ⁇ / 2 with the induction current) is extracted from the radial field Hr.
  • the device of FIG. 2 it is possible to detect the passage of the molten glass at more than two levels by providing one or more other assemblies of the kind of the assembly 54-66-70-74 of FIG. 2. Then, the sensor of each of these other assemblies is between the sensors 52 and 54.
  • the means 76 of FIG. 2 can also be provided:
  • This distance is for example measured by the users and then stored in the means 76.
  • the invention also makes it possible to detect the level of a molten metal or of a liquid metal or, more generally, of a conductive or made conductive liquid.
  • the invention even makes it possible to detect the level of a conductive pulverulent material such as, for example, pulverulent carbon or the “toner” of printers or photocopiers.
  • the invention also applies to the detection of the position of a monolithic conductive solid which is mobile.
  • FIG. 1 This is schematically illustrated by the example of FIG. 1 where we see a monolithic solid conductor S which floats on the surface of a liquid 80 whose level, in the container 4, is made variable by means not shown.
  • the solid S is detected, thanks to the sensor 13, when it arrives at the level of the axis Y (if the level of the liquid 80 rises sufficiently).
  • the detection of a relative level, identified by a horizontal axis, in a container allows the measurement of this level if the distance between the axis is known.
  • the device which is the subject of the invention can also constitute an absolute level measurement device. It is further specified that it is possible to adapt the size of the turns of any coil used in the invention to capture the magnetic field, as a function of the constraints encountered.
  • magnetic transducers made up of coils have been considered.
  • the invention is not limited to the use of such coils: it is possible to use, in place of these, magnetic transducers for example made up of magneto-resistors or Hall effect transducers by adapting the means amplification, demodulation and processing 14-16-18 or 64-68-72 and 66-70-74 to such magnetic transducers.
  • one or more magnetic field sensors can be used in the invention, each comprising a pair of magnetic transducers (for example example a pair of coils) different from each other and adapt the amplification, demodulation and processing means to such pairs of transducers.

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Abstract

Dispositif de détection électromagnétique du niveau d'un matériau qui est conducteur ou rendu conducteur, notamment le verre fondu.Le dispositif comprend un inducteur (32) créant un courant alternatif dans le matériau et entourant le conteneur (24) du matériau, au moins un capteur de champ magnétique (52, 54) dans la zone délimitée par l'inducteur, ce capteur comprenant une paire de transducteurs magnétiques permettant de détecter la différentielle partielle, selon l'axe de l'inducteur, de la composante radiale du champ, des moyens (68, 70) de démodulation des signaux fournis par le capteur, la démodulation ayant lieu avec un déphasage sensiblement de π/2 par rapport au courant alimentant l'inducteur, et des moyens (72, 74, 76) pour traiter les signaux fournis par les moyens de démodulation et fournir un signal indicatif de l'atteinte du niveau du capteur par le matériau.

Description

DISPOSITIF DE DÉTECTION ÉLECTROMAGNÉTIQUE DU NIVEAU
D'UN MATÉRIAU QUI EST CONDUCTEUR OU RENDU CONDUCTEUR,
NOTAMMENT LE VERRE PONDU
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un dispositif de détection électromagnétique du niveau d'un matériau, plus précisément d'un matériau liquide ou pulvérulent ou solide sous forme divisée (comme par exemple les granulés) , qui est, ou est rendu, électriquement conducteur, ou même de la position d'un solide mobile (par exemple un piston) électriquement conducteur . L'invention s'applique notamment à la détection du niveau d'un liquide choisi parmi les métaux en fusion, les métaux liquides froids, les électrolytes et les verres fondus .
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE On connaît déjà, par les documents
US 5 103 893 A (Y. Naganuma et al.) et US 5 232 043 A
(J. Mosch et al.), des dispositifs de détection du niveau d'un liquide. Ces dispositif utilisent la composante axiale d'un champ magnétique alternatif induit dans le liquide.
On connaît aussi, par les documents US 4 138 888 A (S. Linder) et US 4 144 756 A (S. Linder) , d'autres dispositifs de détection du niveau d'un liquide. Ces autres dispositifs utilisent la composante radiale d'un champ magnétique alternatif induit dans le liquide.
Les signaux fournis par le capteur destiné à détecter cette composante radiale sont démodulés sans déphasage par rapport au courant qui alimente 1 ' inducteur engendrant le champ magnétique .
EXPOSÉ DE L'INVENTION
La présente invention résout le problème de la détection, avec une plus grande précision que celle qui est permise par les dispositifs connus, mentionnés plus haut, du niveau d'un matériau liquide ou pulvérulent ou solide sous forme divisée, qui est, ou est rendu, électriquement conducteur, ou même de la position d'un solide mobile électriquement conducteur. De façon précise, la présente invention a pour objet un dispositif de détection du niveau d'un matériau liquide ou pulvérulent ou même solide sous forme divisée, qui est, ou est rendu, électriquement conducteur et dont on remplit ou l'on vide un conteneur ayant un axe vertical, ou de la position d'un matériau solide monolithique et électriquement conducteur qui est mobile dans le conteneur, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend :
— un inducteur qui est prévu pour créer un courant électrique alternatif dans le matériau et qui entoure le -conteneur et a le même axe que ce conteneur, ce dernier étant sensiblement transparent au champ magnétique engendré par l' inducteur, - une source de courant alternatif prévue pour alimenter l'inducteur en courant,
- au moins un capteur de champ magnétique qui est disposé entre l'inducteur et l'axe du conteneur et orienté selon un axe sensiblement horizontal rencontrant l'axe du conteneur, pour détecter la différentielle partielle, selon l'axe de l'inducteur, de la composante radiale du champ magnétique, le capteur de champ magnétique comprenant un couple de transducteurs magnétiques, montés de façon différentielle et disposés l'un au- dessus de l'autre, les axes sensibles des transducteurs magnétiques étant sensiblement parallèles, l'axe selon lequel le capteur de champ magnétique est orienté étant dans le plan défini par ces deux axes sensibles et étant équidistant de ceux-ci,
- des moyens de démodulation des signaux fournis par le capteur de champ magnétique, la démodulation ayant lieu avec un déphasage de sensiblement π/2 par rapport au courant fourni par la source, et
- des moyens de traitement et de signalisation prévus pour traiter les signaux fournis par les moyens de démodulation et pour fournir un signal indicatif de l'atteinte du niveau du capteur de champ magnétique par le matériau.
Par « axe sensible d'un transducteur magnétique », on entend un axe (géométrique) en les points duquel la sensibilité de ce transducteur magnétique est maximale. A titre d'exemple, l'axe sensible d'une bobine est l'axe de cette dernière.
Selon un mode de réalisation préféré du dispositif objet de l'invention, les transducteurs magnétiques sont identiques .
Les moyens de traitement et de signalisation comprennent de préférence des moyens électroniques de détection de passage par zéro ou de changement de signe des signaux fournis par les moyens de démodulation.
Selon un premier mode de réalisation particulier du dispositif o jet de l'invention, le capteur de champ magnétique est disposé entre l'inducteur et le conteneur quel que soit l'état (liquide ou solide) du matériau dans le conteneur.
Selon un deuxième mode de réalisation particulier, la détection de niveau a lieu à l'intérieur du matériau liquide ou pulvérulent ou même solide sous forme divisée, ce mode de réalisation ne s ' appliquant pas au cas d'un matériau solide monolithique .
Dans ce cas, le capteur de champ magnétique est disposé dans un tube électriquement isolant ou très faiblement conducteur, fermé à son extrémité inférieure et disposé, de préférence verticalement, dans le conteneur, entre la paroi interne et l'axe de ce conteneur.
Ce deuxième mode de réalisation particulier est utile au cas où le premier mode de réalisation particulier est difficile à mettre en œuvre, par exemple à cause de l'existence de parasites importants liés à la proximité de l'inducteur ou à cause de l'effet d'écran trop important du conteneur.
Dans ce cas, le tube est de préférence disposé à une distance de l'axe du conteneur, à laquelle la composante en quadrature de la composante radiale du champ magnétique est maximale, ce qui conduit à une sensibilité maximale de détection.
L'invention s'applique tout particulièrement à la mesure de niveau dans un creuset froid, destiné à la fusion par induction directe :
Le conteneur peut être un creuset froid, ce creuset étant formé de sections isolées électriquement les unes des autres et munies de moyens de refroidissement, l'inducteur étant utilisé pour chauffer le matériau disposé dans le conteneur.
Dans ce cas, le matériau peut être choisi dans le groupe comprenant les verres fondus et les métaux en fusion.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le dispositif comprend une pluralité de capteurs de champ magnétique qui sont disposés à une pluralité de niveaux du conteneur, afin de détecter l'atteinte, par le matériau, du niveau de l'un quelconque de ces capteurs de champ magnétique. Dans ce cas, l'invention permet aussi de mesurer la vitesse de déplacement du niveau du matériau :
Les moyens de traitement et de signalisation peuvent être en outre prévus pour mesurer l'intervalle de temps séparant les atteintes de niveaux successifs par le matériau et pour diviser la distance séparant ces niveaux successifs par l'intervalle de temps ainsi mesuré, le dispositif formant alors un dispositif de mesure de la vitesse de variation du niveau du matériau dans le conteneur . Cette mesure de vitesse est favorisée par la précision des mesures permises par un dispositif conforme à l'invention et par la possibilité d'associer un grand nombre de capteurs de champ magnétique le long d'une génératrice d'un conteneur. II convient de noter que la mesure d'intervalles de temps et la mesure de distances séparant des niveaux successifs recourent à des techniques connues de l'homme du métier.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : " la figure 1 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, " la figure 2 est une vue schématique d'un autre mode de réalisation particulier, appliqué à un creuset froid pour la fusion par induction directe, et • la figure 3 est une vue schématique et partielle d'une variante du dispositif de la figure 2, utilisant une canne isolante. EXPOSÉ DETAILLE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS
Le dispositif conforme à l'invention, qui est schématiquement représenté sur la figure 1, est destiné à détecter le niveau d'un liquide électriquement conducteur 2 dont on remplit un conteneur 4. La flèche 6 symbolise ce remplissage. La référence X désigne l'axe vertical du conteneur 4.
Le dispositif de la figure 1 comprend une bobine magnétique 8 qui est alimentée par une source 10 de courant alternatif. Cette bobine 8 entoure le conteneur 4 et a le même axe X que ce conteneur. Elle constitue un inducteur qui crée un champ magnétique, lequel engendre un courant alternatif dans le liquide.
Le conteneur 4 est fait d'un matériau choisi ou arrangé de manière à limiter l'effet d'écran au champ magnétique alternatif émis par l'inducteur et destiné à être transmis au liquide du conteneur.
Ce résultat peut être notamment obtenu en utilisant un conteneur fait d'éléments électriquement conducteurs qui sont juxtaposés et électriquement isolés les uns des autres.
Le dispositif comprend aussi une paire de bobines identiques 11 et 12 formant un capteur différentiel de champ magnétique 13. Cette paire de bobines 11 et 12 est destinée à fournir un signal proportionnel à la différentielle partielle (selon l'axe vertical X) de la composante sensiblement radiale du champ magnétique.
De plus, cette paire de bobines 11 et 12 est disposée entre la bobine 8 et le conteneur 4. Elle est orientée selon un axe Y horizontal qui rencontre sensiblement l'axe X du conteneur.
On précise que les axes (non représentés) des bobines 11 et 12 sont parallèles et définissent un plan vertical et que l'axe Y est contenu dans ce plan et équidistant des axes des bobines 11 et 12.
On précise que l'invention est fondée sur la détection, par le capteur de champ magnétique, du passage par un extremum, à l'interface milieu conducteur-milieu non conducteur, de la composante sensiblement en quadrature avec le courant d'induction (aspect temporel du champ) de la composante radiale du champ magnétique (aspect spatial du champ) .
La tension électrique susceptible d'être fournie par la paire de bobines 11 et 12 est envoyée à des moyens 14 d'amplification de cette tension.
Le dispositif de la figure 1 comprend aussi des moyens 16 de démodulation synchrone de la tension ainsi amplifiée. Ces moyens 16 sont aptes à démoduler sensiblement à π/2 la tension fournie par la sortie de l'amplificateur 14 afin que la démodulation ait lieu avec un déphasage de sensiblement π/2 par rapport au courant fourni par la source 10. Dans l'invention, en tant que référence de démodulation on n'utilise donc pas directement le courant inducteur mais un courant déphasé de sensiblement π/2 par rapport à ce dernier.
Lorsque le liquide conducteur atteint le niveau du capteur 13, c'est-à-dire le niveau défini par l'axe Y, la paire de bobines fournit des signaux électriques qui sont amplifiés par les moyens 14 puis démodulés par les moyens 16.
Le dispositif de la figure 1 comprend aussi des moyens électroniques 18 de traitement des signaux fournis par les moyens de démodulation 16.
Ces moyens 18 comprennent par exemple une bascule (ou un « trigger ») reliée à une ampoule (ou à une diode électroluminescente ou DEL) pour fournir un signal lorsque le niveau de l'axe Y est atteint par le liquide conducteur 2.
Le signal fourni par les moyens 18 est donc envoyé à des moyens de signalisation 20 (par exemple ampoule ou DEL) prévus pour fournir une alarme visuelle lorsque le niveau de l'axe Y est atteint. En variante les moyens 18 sont reliés à des moyens de signalisation aptes à fournir une alarme sonore lorsque ce niveau est atteint.
L'exemple de l'invention, qui est schématiquement représenté sur la figure 2 , est appliqué à un verre fondu 22 dont la résistivité électrique est comprise entre 0,001 Ω.m et 1 Ω.m. Ce verre fondu est chauffé par induction directe dans un creuset froid 24 dont l'axe, qui est vertical, est noté x. Ce creuset froid est sectorisé ; il est formé de tubes (non représentés) métalliques, par exemple en acier inoxydable, qui sont juxtaposés et électriquement isolés les uns des autres .
On voit sur la figure 2 la sole 28 qui constitue le fond du creuset. Cette sole 28 et le reste du creuset 24 sont refroidis grâce à des moyens de circulation d'eau 30.
On voit aussi sur la figure 2 un inducteur 32, alimenté par une source de courant alternatif 34 et prévu pour chauffer le verre. Cet inducteur entoure le creuset 24 et l'axe de l'inducteur est aussi l'axe x.
La sectorisation du creuset le rend sensiblement transparent au champ magnétique engendré par 1 ' inducteur 32. On voit aussi, sur la figure 2, une buse de coulée 36 prévue pour la récupération du verre fondu lorsque les moyens d'obturation 38 dont est munie la buse de coulée sont escamotés.
On voit en outre : - une mince couche 40 de verre figé, d'épaisseur comprise entre 5 mm et 10 mm, qui sépare le verre fondu du métal froid de la paroi interne du creuset, et
— une couche 42 qui se trouve au-dessus du bain fondu et qui est formée de verre en cours de fusion.
La flèche 44 symbolise le remplissage du creuset et les flèches 46 symbolisent des mouvements de convection dans le verre fondu 22.
Les références 48 et 50 de la figure 2 désignent respectivement le niveau (horizontal) haut et le niveau (horizontal) bas de verre fondu dans le creuset. Une fois la fusion amorcée, il faut en effet veiller, lors des coulées, à garder un niveau de bain minimum pour que la fusion ne se désamorce pas. Le dispositif conforme à l'invention de la figure 2 est destiné à détecter ces niveaux bas et haut, mais peut être également destiné au suivi de l'évolution du niveau du matériau durant les opérations de remplissage et de vidage.
Ce dispositif comprend l'inducteur 32 qui est alimenté par la source de courant alternatif 34 ainsi que deux capteurs de champ magnétique 52 et 54 qui sont respectivement disposés aux niveaux 48 et 50 et prévus pour détecter la différentielle partielle, selon l'axe de l'inducteur, de la composante radiale du champ magnétique.
Plus précisément, dans l'exemple de la figure 2, ces capteurs 52 et 54 sont disposés entre l'inducteur 32 et le creuset 24 et chacun de ces capteurs comprend un couple de bobines identiques, montées de façon différentielle (en opposition) et disposées l'une au-dessus de l'autre, les axes de ces deux bobines étant sensiblement horizontaux et parallèles .
Les bobines du capteur 52 (respectivement 54) ont les références 56 et 58 (respectivement 60 et 62) et l'axe de ce capteur, axe qui est dans le plan défini par les axes de ces deux bobines, parallèle à ces axes et équidistant de ces derniers, rencontre l'axe x du creuset 24 et correspond au niveau bas (respectivement haut) du verre fondu dans le creuset.
Le dispositif de la figure 2 comprend aussi un amplificateur opérationnel 64 (respectivement 66) dont les deux entrées sont respectivement connectées aux deux bornes de l'ensemble des bobines 56-58 (respectivement 60-62) comme on le voit sur la figure 2. Le dispositif comprend en outre :
- des moyens de démodulation synchrone 68 (respectivement 70) dont l'entrée signal est reliée à la sortie de l'amplificateur opérationnel 64 (respectivement 66) et dont l'entrée référence est reliée à la source 34,
- des moyens électroniques 72 (respectivement 74) de détection de passage par zéro ou de changement de signe des signaux fournis par les moyens de démodulation, l'entrée de ces moyens électroniques 72 (respectivement 74) étant respectivement reliée à la sortie des moyens de démodulation 68 (respectivement 70) , et
- des moyens de signalisation 76 qui reçoivent en entrée les signaux fournis par les moyens électroniques 72 et 74 qui fournissent un signal lors du passage par zéro ou du changement de signe. Pour chaque niveau 48 ou 50, la démodulation synchrone s'effectue sensiblement en quadrature (déphasage de π/2) par rapport au courant inducteur.
La référence de démodulation provient d'un point de capture du courant circulant dans l'inducteur.
On précise que la forme de chacune des bobines (identiques) 56 et 58 dépend de la précision de la détection ainsi que de la sensibilité et de la stabilité de la mesure et qu'il en est de même pour les bobines 60 et 62.
Le montage différentiel des bobines 56 et 58 (respectivement 60 et 62) permet d'obtenir la dérivée partielle selon l'axe x de la composante radiale du champ magnétique.
L'introduction du signal récupéré à la sortie des moyens de démodulation 68 (respectivement
5 70) dans les moyens électroniques 72 (respectivement
74) permet d'obtenir le déclenchement, grâce aux moyens de signalisation 76, d'un signal d'alarme lors du passage du niveau de verre fondu devant le capteur 52
(respectivement 54) .
.0 Dans un autre mode de réalisation particulier, qui est schematiquement et partiellement illustré' par la figure 3, les capteurs 52 et 54 ne sont plus dans l'espace compris entre l'inducteur 32 et le creuset 24 : ils sont disposés dans une canne 78 c'est-
.5 à-dire un tube fermé à sa partie inférieure.
Cette canne est électriquement isolante
(par exemple en alumine ou en céramique) , refroidie si nécessaire (par des moyens non représentés) et disposée verticalement dans le creuset 24, entre la paroi
10 interne de ce dernier et l'axe x, de sorte qu'elle plonge dans le verre fondu 22 à travers la couche 42.
Les dimensions de la canne 78 et des bobines 56, 58, 60 et 62 sont adaptées en fonction des contraintes mécaniques et thermiques .
!5 De préférence, la canne 78 est disposée à une distance R de l'axe x du creuset à laquelle la composante radiale du champ magnétique est maximale.
Pour déterminer cette distance R, on utilise par exemple la méthode suivante : iO On calcule le champ magnétique H à l'intérieur du creuset, à l'aide, par exemple, d'un code de simulation par éléments finis dans lequel on entre tous les éléments constitutifs (géométriques et physiques) du dispositif.
A partir du champ magnétique H ainsi calculé, on extrait la composante en quadrature (déphasage de sensiblement π/2 avec le courant d'induction) du champ radial Hr.
On cherche ensuite la distance à laquelle cette composante est maximale. Avec l'invention, on peut mesurer les niveaux haut et bas du bain de verre fondu avec une précision de l'ordre de ±10 mm, en phase de transfert
(où la vitesse de descente du verre fondu vaut environ
40 mm par minute) comme en phase de remplissage (où la vitesse de montée vaut environ 1 mm par minute) .
Avec le dispositif de la figure 2, on peut détecter le passage du verre fondu à plus de deux niveaux en prévoyant un ou plusieurs autres ensembles du genre de l'ensemble 54-66-70-74 de la figure 2. Alors, le capteur de chacun de ces autres ensembles est compris entre les capteurs 52 et 54.
L'utilisation de plusieurs de tels ensembles permet une mesure de vitesse de déplacement du niveau de verre fondu dans le creuset en plus de la mesure de la position de ce niveau de verre fondu.
Pour ce faire, les moyens 76 de la figure 2 peuvent être en outre prévus :
- pour mesurer l'intervalle de temps séparant les atteintes de niveaux successifs par le verre fondu et - pour diviser la distance séparant ces niveaux successifs par l'intervalle de temps ainsi mesuré.
Cette distance est par exemple mesurée par les utilisateurs puis mise en mémoire dans les moyens 76.
Dans les exemples qui précèdent, on a considéré la détection du niveau d'un verre fondu.
L'invention permet également la détection du niveau d'un métal en fusion ou d'un métal liquide ou, plus généralement, d'un liquide conducteur ou rendu conducteur.
L'invention permet même la détection du niveau d'un matériau pulvérulent conducteur comme par exemple le charbon pulvérulent ou le « toner » des imprimantes ou des photocopieuses .
L'invention s'applique aussi à la détection de la position d'un solide monolithique conducteur qui est mobile.
Ceci est schematiquement illustré par l'exemple de la figure 1 où l'on voit un solide monolithique conducteur S qui flotte à la surface d'un liquide 80 dont le niveau, dans le conteneur 4, est rendu variable par des moyens non représentés. Le solide S est détecté, grâce au capteur 13, lorsqu'il arrive au niveau de l'axe Y (si le niveau du liquide 80 monte suffisamment) .
Il convient de noter que la détection d'un niveau relatif, repéré par un axe horizontal, dans un récipient, grâce à un dispositif conforme à l'invention, permet la mesure de ce niveau si l'on connaît la distance entre l'axe horizontal et ' un point de repère quelconque, par exemple le fond du récipient. En ce sens, le dispositif objet de l'invention peut également constituer un dispositif de mesure absolue de niveau . On précise en outre qu'il est possible d'adapter la taille des spires de toute bobine utilisée dans l'invention pour capter le champ magnétique, en fonction des contraintes rencontrées.
On peut, par exemple, élargir le secteur angulaire des spires pour obtenir une meilleure sensibilité de mesure ou faire la moyenne de perturbations angulaires locales . Dans les exemples des figures 1 à 3 , on a considéré des transducteurs magnétiques constitués de bobines .
Cependant, l'invention n'est pas limitée à l'utilisation de telles bobines : on peut utiliser, à la place de celles-ci, des transducteurs magnétiques par exemple constitués de magnéto-résistances ou de transducteurs à effet Hall en adaptant les moyens d'amplification, de démodulation et de traitement 14- 16-18 ou 64-68-72 et 66-70-74 à de tels transducteurs magnétiques.
De plus, dans les exemples, on a considéré des couples de transducteurs magnétiques identiques .
Cependant, l'invention n'est pas limitée à cela : on peut utiliser, dans l'invention, un ou plusieurs capteurs de champ magnétique comprenant chacun un couple de transducteurs magnétiques (par exemple un couple de bobines) différents l'un de l'autre et adapter les moyens d'amplification, de démodulation et de traitement à de tels couples de transducteurs .

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de détection du niveau d'un matériau liquide ou pulvérulent ou même solide sous forme divisée (2 ; 22), qui est, ou est rendu, électriquement conducteur et dont on remplit ou l'on vide un conteneur (4 ; 24) ayant un axe vertical, ou de la position d'un matériau solide monolithique et électriquement conducteur qui est mobile dans le conteneur, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend :
- un inducteur (8 ; 32) qui est prévu pour créer un courant électrique alternatif dans le matériau et qui entoure le conteneur et a le même axe que ce conteneur, ce dernier étant sensiblement transparent au champ magnétique engendré par l'inducteur,
- une source de courant alternatif (10 ; 34) prévue pour alimenter l'inducteur en courant,
- au moins un capteur de champ magnétique (13 ; 52, 54) qui est disposé entre l'inducteur et l'axe du conteneur et orienté selon un axe sensiblement horizontal rencontrant l'axe du conteneur, pour détecter la différentielle partielle, selon l'axe de l'inducteur, de la composante radiale du champ magnétique, le capteur de champ magnétique comprenant un couple de transducteurs magnétiques (11-12, 56-58, 60-62), montés de façon différentielle et disposés l'un au-dessus de l'autre, les axes sensibles des transducteurs magnétiques étant sensiblement parallèles, l'axe selon lequel le capteur de champ magnétique est orienté étant dans le plan défini par ces deux axes sensibles et étant équidistant de ceux-ci,
- des moyens (16 ; 68, 70) de démodulation des signaux fournis par le capteur de champ magnétique, la démodulation ayant lieu avec un déphasage de sensiblement π/2 par rapport au courant fourni par la source, et
— des moyens de traitement et de signalisation (18, 20 ; 72, 74, 76) prévus pour traiter les signaux fournis par les moyens de démodulation et pour fournir un signal indicatif de l'atteinte du niveau du capteur de champ magnétique par le matériau .
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les transducteurs magnétiques sont identiques.
3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 , dans lequel les moyens de traitement et de signalisation (72, 74) comprennent des moyens électroniques de détection de passage par zéro des signaux fournis par les moyens de démodulation.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel les moyens de traitement et de signalisation (72, 74) comprennent des moyens électroniques de détection de changement de signe des signaux fournis par les moyens de démodulation .
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le capteur de champ magnétique (13 ; 52, 54) est disposé entre l'inducteur (8 ; 32) et le conteneur (4 ; 24), quel que soit l'état liquide ou solide du matériau dans le conteneur.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le matériau est liquide ou pulvérulent ou solide sous forme divisée et le capteur de champ magnétique est disposé dans un tube électriquement isolant ou très faiblement conducteur (78) , fermé à son extrémité inférieure et disposé dans le conteneur (24), entre la paroi interne et l'axe de ce conteneur.
7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel le tube (78) est disposé à une distance de l'axe du conteneur, à laquelle la composante en quadrature de la composante radiale du champ magnétique est maximale.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le conteneur est un creuset froid (24) , ce creuset étant formé de sections isolées électriquement les unes des autres et munies de moyens de refroidissement (30), l'inducteur (32) étant utilisé pour chauffer le matériau disposé dans le conteneur.
9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel le matériau est choisi dans le groupe comprenant les verres fondus et les métaux en fusion.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant une pluralité de capteurs de champ magnétique (52, 54) qui sont disposés à une pluralité de niveaux du conteneur, afin de détecter l'atteinte, par le matériau, du niveau de l'un quelconque de ces capteurs de champ magnétique.
11. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel les moyens de traitement et de signalisation (72, 74, 76) sont en outre prévus pour mesurer l'intervalle de temps séparant les atteintes de niveaux successifs par le matériau et pour diviser la distance séparant ces niveaux successifs par l'intervalle de temps ainsi mesuré, le dispositif formant alors un dispositif de mesure de la vitesse de variation du niveau du matériau dans le conteneur.
12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel les transducteurs de champ magnétique sont choisis dans le groupe comprenant les bobines, les magnéto-résistances et les transducteurs à effet Hall.
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