FR2672994A1 - Osmotic pressure sensor for continuous measurements - Google Patents
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Abstract
Description
DESCRIPTIF TECHNIOUE
La présente invention concerne les capteurs permettant de mesurer la pression osmotique d'une solution.TECHNICAL DESCRIPTION
The present invention relates to sensors for measuring the osmotic pressure of a solution.
Dans les systèmes connus de ce genre on réalise une pression différentielle sur l'une des faces d'une membrane semi perméable convenable au moyen d'une colonne de liquide s'élevant dans un tuyau capillaire. A partir de la hauteur h de la colonne et de la densité 1 du liquide on obtient la pression osmotique P:
P=lgh
Ce procédé est très intéressant par sa simplicité de mise en oeuvre et son caractère de mesure absolue.In known systems of this kind, a differential pressure is produced on one of the faces of a suitable semi-permeable membrane by means of a column of liquid rising in a capillary pipe. From the height h of the column and the density 1 of the liquid, the osmotic pressure P is obtained:
P = lgh
This process is very interesting by its simplicity of implementation and its character of absolute measurement.
n présente toutefois deux inconvénients. D'une part, il ne permet pas une mesure en continu et son automatisation est quasi impossible et d'autre part, la montée en pression suppose la diffusion à travers la membrane d'une quantité relativement importante du solvant de référence, ce qui fausse la mesure par appauvrissement local au droit de la fenêtre de solution en solvant Par ailleurs, il n'existe pas de membrane strictement semi-perméable pour tous les solvants et notamment pour l'eau et il peut se produire une diffusion, certes plus lente, mais quand même appréciable des solutés et des ions en solution ce qui pollue le liquide de référence.There are, however, two drawbacks. On the one hand, it does not allow a continuous measurement and its automation is almost impossible and on the other hand, the rise in pressure supposes the diffusion through the membrane of a relatively large quantity of the reference solvent, which distorts the measurement by local depletion at the right of the window of solvent solution In addition, there is no strictly semi-permeable membrane for all solvents and in particular for water and there may be a diffusion, admittedly slower, but still appreciable solutes and ions in solution which pollutes the reference liquid.
Le dispositif suivant l'invention évite ces inconvénients car il permet une mesure précise et automatisée.The device according to the invention avoids these drawbacks because it allows precise and automated measurement.
L'invention concerne un capteur de pression osmotique comportant: - une chambre à mesure mobile (1), délimitée entre une paroi fixe (3) et une paroi mobile en cuvette
(4); - une membrane semi-perméable convenable (2) qui est fixée de façon étanche par collage ou avec un
point sur la cuvette mobile ou Ia paroi fixe (3); - des moyens (5) permettant de déplacer la cuvette (4) de façon à la faire passer d'une position A "de
rinçage" à une position B "de mesure"; - des moyens (7), (8) convenables pour assurer une régénération périodique du solvant de référence
contenu dans la chambre de mesure (1); - des moyens (6) convenables pour mesurer périodiquement la pression régnant dans la chambre de
mesure mobile, lorsque celle-ci se trouve en position B.The invention relates to an osmotic pressure sensor comprising: - a mobile measuring chamber (1), delimited between a fixed wall (3) and a mobile wall in a bowl
(4); - a suitable semi-permeable membrane (2) which is tightly fixed by gluing or with a
point on the movable bowl or the fixed wall (3); - Means (5) for moving the bowl (4) so as to pass it from a position A "of
rinsing "at position B" for measurement "; - means (7), (8) suitable for ensuring periodic regeneration of the reference solvent
contained in the measuring chamber (1); - suitable means (6) for periodically measuring the pressure prevailing in the
mobile measurement, when it is in position B.
Suivant une autre caractéristique, les moyens (6) permettant d'effectuer la mesure de pression, sont constitués par une sonde d'extensométrie fixée sur une membrane élastique (9).According to another characteristic, the means (6) making it possible to measure the pressure, are constituted by an extensometry probe fixed on an elastic membrane (9).
Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, référencée aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente l'état de l'art en matière de mesure de pression osmotique; - la figure 2 représente schématiquement le principe de l'invention; - la figure 3 représente une réalisation de Invention dans laquelle le mouvement de la chambre mobile
est un mouvement de rotation; - la figure 4 représente une vue de dessus du dispositif de la figure 3; - la figure 5 représente une vue suivant la coupe aa du même dispositif de la figure 3; - la figure 6 représente une réalisation de l'invention dans laquelle le mouvement de la chambre mobile
est un mouvement de translation. The characteristics and advantages of the invention will emerge more clearly from the description which follows, referenced to the appended drawings in which: - Figure 1 represents the state of the art in osmotic pressure measurement; - Figure 2 shows schematically the principle of the invention; - Figure 3 shows an embodiment of the invention in which the movement of the movable chamber
is a rotational movement; - Figure 4 shows a top view of the device of Figure 3; - Figure 5 shows a view along section aa of the same device of Figure 3; - Figure 6 shows an embodiment of the invention in which the movement of the mobile chamber
is a translational movement.
En se reportant à la figure 1 on peut aisément comprendre le principe d'une mesure de pression osmotique, telle qu'elle est couramment réalisée en laboratoire. Le liquide dont on veut mesurer la pression osmotique et qui, d'une façon très générale, est constitue d'un solvant dans lequel on a dissous un soluté (ou qui contient des micelles), est contenu dans un récipient (18). On plonge dans ce récipient une cavité de faible volume (1), sorte de cuvette renversée surmontée par un tube fin (17) débouchant à l'air libre et fermée par une membrane semi-perméable (2), convenable pour laisser passer les molécules de solvant tout en retenant les molécules généralement plus grosses des solutés (ou les micelles).Referring to FIG. 1, it is easy to understand the principle of an osmotic pressure measurement, as it is commonly carried out in the laboratory. The liquid whose osmotic pressure is to be measured and which, very generally, consists of a solvent in which a solute (or which contains micelles) has been dissolved, is contained in a container (18). A small volume cavity (1) is immersed in this container, a sort of inverted bowl surmounted by a thin tube (17) opening into the open air and closed by a semi-permeable membrane (2), suitable for letting the molecules pass solvent while retaining the generally larger molecules of the solutes (or the micelles).
Ainsi, le solvant remplit la cavité (1) puis monte dans le tube fin (17), jusqu'à une hauteurd'équilibre h prise par rapport à la surface libre de la solution. n règne donc dans la cavité que nous conviendrons d'appeler "chambre de mesure" une pression isostatique P telle que:
P=lgh où I est la densité du solvant et g raccélération de la pesanteur.Thus, the solvent fills the cavity (1) then rises in the thin tube (17), to an equilibrium height h taken relative to the free surface of the solution. n therefore prevails in the cavity which we will agree to call "measuring chamber" an isostatic pressure P such that:
P = lgh where I is the density of the solvent and g acceleration of gravity.
On notera que cette expression simple n'est valable que si la densité du solvant est très proche de celle de la solution ou si la membrane (2) n'est plonge dans la solution qu'à une profondeur très faible devant h Cette mesure est en réalité très fastidieuse et difficile à automatiser, mais son défaut majeur tient à l'erreur qui est commise en raison de phénomènes parasites tels que: la diffusion du solvant à travers la membrane qui enrichit localement la solution en soluté en raison du fait qu'il est nécessaire de laisser passer un certain volume à travers la membrane (2) avant de remplir la cavité (1) et le tube (17) et, par conséquent, d'obtenir la pression d'équilibre.La durée pour établir cet équilibre étant nécessairement longue, il en résulte dans certains cas une diffusion des solutés de la solution étudiée qui modifie le solvant de référence et, par conséquent, fausse la mesure.It will be noted that this simple expression is valid only if the density of the solvent is very close to that of the solution or if the membrane (2) is immersed in the solution only at a very shallow depth before h This measurement is in reality very tedious and difficult to automate, but its major defect is due to the error which is committed due to parasitic phenomena such as: the diffusion of the solvent through the membrane which locally enriches the solution in solute due to the fact that it is necessary to allow a certain volume to pass through the membrane (2) before filling the cavity (1) and the tube (17) and, consequently, obtaining the equilibrium pressure. being necessarily long, it results in some cases a diffusion of the solutes of the studied solution which modifies the reference solvent and, consequently, falsifies the measurement.
En se reportant à la figure 2, on voit le schéma de principe d'un dispositif qui ne présente pas ces inconvénients, car la mesure de pression s'effectue sous l'effet d'une très faible variation du volume de solvant contenu dans la chambre de mesure. Elle est faible mais non nulle car il faut compenser les volumes balayés par le déplacement de deux membranes élastiques: la membrane de mesure (9) et, bien entendu, la membrane semi-perméable (2), lesquelles membranes se déforment sous l'effet de la pression. On réduit cet effet parasite en mettant la chambre de mesure préalablement sous pression au moyen d'un réservoir (7), de façon à ce que la membrane semi-perméable (qui est la plus élastique) se trouve déjà, avant la mesure, sensiblement à la même pression que celle que l'on va mesurer.Si elle est trop élevée, la membrane débite en sens inverse. En apportant très finement la pression, on pourrait arriver, comme nous le verrons plus loin, à ce qu'il n'y ait aucun débit à travers la membrane.Referring to Figure 2, we see the block diagram of a device which does not have these drawbacks, because the pressure measurement is carried out under the effect of a very small change in the volume of solvent contained in the measuring chamber. It is low but not zero because it is necessary to compensate for the volumes swept by the displacement of two elastic membranes: the measurement membrane (9) and, of course, the semi-permeable membrane (2), which membranes deform under the effect. pressure. This parasitic effect is reduced by putting the measuring chamber beforehand under pressure by means of a reservoir (7), so that the semi-permeable membrane (which is the most elastic) is already, before the measurement, substantially at the same pressure as the one we are going to measure. If it is too high, the membrane will flow in the opposite direction. By bringing the pressure very finely, we could arrive, as we will see later, that there is no flow through the membrane.
On évite les phénomènes de diffusion parasite des ions de la solution en effectuant la mesure rapidement, c'est-à-dire avant qu'ils aient eu le temps de diffuser de façon sensible. Pour que la mesure ait par ailleurs un caractère "permanent", comme il est généralement requis dans le contrôle d'un process industriel, on effectue des mesures périodiques comme l'autorise la conception du dispositif suivant l'invention.The parasitic diffusion phenomena of the ions of the solution are avoided by carrying out the measurement quickly, that is to say before they have had time to diffuse sensibly. In order for the measurement to also have a "permanent" character, as is generally required in the control of an industrial process, periodic measurements are made as authorized by the design of the device according to the invention.
En effet, la chambre de mesure (1), se déplace de façon à passer successivement d'une position "A" où par un balayage convenable on régénère le solvant à une position "B" où on effectue la mesure de pression qui stétabli dans la chambre de mesure (1) sous l'effet de la diffusion à travers la membrane semi-perméable (2).In fact, the measurement chamber (1) moves so as to pass successively from a position "A" where, by suitable scanning, the solvent is regenerated to a position "B" where the pressure measurement which is established in the measurement chamber (1) under the effect of diffusion through the semi-permeable membrane (2).
Pour que ce mouvement de la chambre s'effectue sans variation de son volume et que, par conséquent, elle soit complètement pleine, à l'exclusion de toute bulle d'air, on opère un déplacement sous la forme d'un glissement suivant un plan de contact parfaitement rectifié. On obtient une excellente étanchéité en utilisant le frottement entre deux céramiques rectifiées, convenablement choisies pour avoir un coefficient de frottement faible et surtout pour éviter tout risque de grippage.So that this movement of the chamber takes place without variation of its volume and that, consequently, it is completely full, to the exclusion of any air bubble, a displacement is effected in the form of a sliding according to a perfectly rectified contact plane. Excellent sealing is obtained by using the friction between two rectified ceramics, suitably chosen to have a low coefficient of friction and above all to avoid any risk of seizing.
Ces surfaces de contact sont réalisées sur deux pièces: - l'une (3) est fixe et comporte essentiellement deux orifices permettant de connecter le tube (11)
d'amenée de solvant neuf et le tube (8) d'évacuation de celui-ci, ainsi qu'une région amincie (9)
formant une membrane élastique sur laquelle est placé le capteur électronique de pression (6); - l'autre (4)) est mobile et comporte essentiellement une cavité (1) dont ltévasement est orienté du côté
du plan de joint avec une dimension suffisante pour contenir les deux tuyaux (8) et (11) et dont
extrémité oppose présente un orifice sur lequel on tend la membrane semi-perméable (2).These contact surfaces are produced on two parts: - one (3) is fixed and essentially comprises two orifices making it possible to connect the tube (11)
supply of new solvent and the evacuation tube (8) thereof, as well as a thinned region (9)
forming an elastic membrane on which the electronic pressure sensor (6) is placed; - the other (4)) is mobile and essentially comprises a cavity (1) whose flaring is oriented on the side
of the joint plane with a dimension sufficient to contain the two pipes (8) and (11) and of which
opposite end has an orifice over which the semi-permeable membrane (2) is stretched.
On pourra également obtenir un bon contact entre ces deux surfaces en en réalisant une en métal et l'autre en céramique. L'utilisation de revêtement de surface comme par exemple des couches de nitrure de titane, de carbone diamant, de P1vF, etc... peut être avantageuse.We can also get a good contact between these two surfaces by making a metal and the other ceramic. The use of surface coating such as, for example, layers of titanium nitride, diamond carbon, P1vF, etc. may be advantageous.
Le mouvement de la cuvette mobile (4), qui peut être un mouvement de rotation ou, comme schématisé sur la figure 2, un mouvement de translation, s'effectue périodiquement avec une fréquence pouvant aller de 1 à 400 fois par seconde suivant les exigences du processeur à contrôler.The movement of the movable bowl (4), which can be a rotational movement or, as shown diagrammatically in FIG. 2, a translational movement, is carried out periodically with a frequency which can range from 1 to 400 times per second depending on the requirements of the processor to be controlled.
La mesure de pression peut s'effectuer par n'importe quel capteur électronique de pression connu. n peut être piézo-électrique, piézo-résistif ou à jauges de contraintes. Dans ce dernier cas, il est nécessaire de disposer d'une membrane élastique telle que celle de la figure 2 sur laquelle on dépose, du côté opposé au plan de joint, un pont de jauge avec essentiellement un amplificateur intégré. n peut, à cet égard, être avantageux de réaliser la pièce fixe (3) en deux parties collées l'une à l'autre comme schématisé sur la figure 6. L'une est constituée d'une tranche de silicium (19) de faible épaisseur (par exemple 0,25 mm) sur laquelle on effectue une gravure pour amincir au niveau de la membrane de façon à obtenir une sensibilité suffisante. L'autre (20), assure le maintien de la tranche de silicium (19).Elle peut être réalisée en céramique et collée à ltépoxy sur la tranche de silicium.The pressure measurement can be carried out by any known electronic pressure sensor. n can be piezoelectric, piezoresistive or with strain gauges. In the latter case, it is necessary to have an elastic membrane such as that of FIG. 2 on which is deposited, on the side opposite to the joint plane, a gauge bridge with essentially an integrated amplifier. In this regard, it may be advantageous to produce the fixed part (3) in two parts glued to one another as shown diagrammatically in FIG. 6. One consists of a silicon wafer (19) of thin (for example 0.25 mm) on which an etching is carried out to thin at the level of the membrane so as to obtain sufficient sensitivity. The other (20), maintains the silicon wafer (19). It can be made of ceramic and bonded with epoxy on the silicon wafer.
L'intérêt de cette configuration est de permettre la réalisation par les techniques de circuits intégrés, aussi bien du pont de jauges que de ltélectronique de traitement du signal (pré-amplificateur etc..) directement sur la tranche de silicium.The advantage of this configuration is that it allows the realization, by integrated circuit techniques, of both the gauge bridge and the signal processing electronics (pre-amplifier, etc.) directly on the silicon wafer.
La figure 3 représente un mode de réalisation dans lequel le mouvement de la chambre mobile (1) est un mouvement de rotation. n s'effectue au moyen du motoréducteur (9), par l'intermédiaire de l'axe (10) qui est rendu solidaire de (4). Le maintien en appui de (3) sur (4) est obtenu au moyen du ressort (21). La pièce fixe (3) est surmontée d'un corps cylindrique (12) solidaire du moteur (9) assez long pour donner la possibilité de plonger le capteur dans un récipient contenant la solution à mesurer.FIG. 3 represents an embodiment in which the movement of the mobile chamber (1) is a rotational movement. n is carried out by means of the geared motor (9), via the axis (10) which is made integral with (4). The continued support of (3) on (4) is obtained by means of the spring (21). The fixed part (3) is surmounted by a cylindrical body (12) integral with the motor (9) long enough to give the possibility of immersing the sensor in a container containing the solution to be measured.
La figure 4 représente cet appareil vu de dessus et la figure 5 en donne une coupe montrant notamment la forme de la chambre de mesure (1). Figure 4 shows this device seen from above and Figure 5 gives a section showing in particular the shape of the measurement chamber (1).
La membrane semi-perméable (2) peut êue simplement collée sur la cuvette mobile (4).The semi-permeable membrane (2) can be simply glued to the movable bowl (4).
La figure 6 représente un autre mode de réalisation possible de l'invention, dans lequel le mouvement de la cuvette mobile (4) est un mouvement de translation obtenu par l'action d'un solénoïde (13) sur un noyau plongeur ferromagnétique (14), le mouvement de retour étant assuré par un ressort autogonste (15). Le maintien en pression de (3) sur (4) est assuré par au moins un ressort (22).FIG. 6 represents another possible embodiment of the invention, in which the movement of the movable bowl (4) is a translational movement obtained by the action of a solenoid (13) on a ferromagnetic plunger core (14 ), the return movement being provided by a self-supporting spring (15). Maintaining pressure of (3) on (4) is ensured by at least one spring (22).
La pièce fixe (3) est solidaire du solénoïde (13) grâce à un corps allongé (23) et la transmission du mouvement entre le noyau plongeur (14) et la cuvette mobile (4) s'effectue au moyen d'une tige (24).The fixed part (3) is integral with the solenoid (13) thanks to an elongated body (23) and the transmission of movement between the plunger core (14) and the movable bowl (4) is effected by means of a rod ( 24).
La pièce fixe (3) est constituée, comme il a dà été dit, par le collage d'une pièce massive (20) destmée à assurer la stabilité dimensionnelle sur une tranche de silicium (19) comportant la membrane, les jauges de contraintes intégrées et éventuellement, rélectronique de traitement du signaL
La figure 7 permet de comprendre le fonctionnement du capteur. Elle représente le signal issu du capteur de pression dans 3 cas: lI Cas : le solvant introduit en A se trouvait injecté à une pression supérieure à la pression osmotique.The fixed part (3) is constituted, as has been said, by the bonding of a solid part (20) intended to ensure dimensional stability on a silicon wafer (19) comprising the membrane, the integrated strain gauges and possibly electronic signal processing
FIG. 7 makes it possible to understand the operation of the sensor. It represents the signal coming from the pressure sensor in 3 cases: III Case: the solvent introduced in A was injected at a pressure higher than the osmotic pressure.
On obtient alors la courbe a sur laquelle on note tout d'abord une montée en pression résultant de la
mise en place de la chambre de mesure en position B, puis une baisse de pression correspondant à
la diffusion du solvant dans la solution. Après un temps assez court, on atteint la pression
d'équilibre qui est la valeur recherchée.We then obtain the curve a on which we first note a rise in pressure resulting from the
setting up the measuring chamber in position B, then a pressure drop corresponding to
the diffusion of the solvent in the solution. After a fairly short time, the pressure is reached
equilibrium which is the value sought.
2 / Cas : le solvant est introduit en A à une pression inférieure à la pression osmotique. On a alors un
phénomène inverse de celui du cas précédent; après une montée rapide de la-pression
correspondant à la mise en place de la cellule de mesure, on note une croissance de la pression
correspondant à une diffusion du solvant en direction de la chambre de mesure. On atteint enfin la
même pression d'équilibre que précédemment.2 / Case: the solvent is introduced into A at a pressure lower than the osmotic pressure. We then have a
inverse phenomenon to that of the previous case; after a rapid rise in pressure
corresponding to the placement of the measuring cell, there is a pressure increase
corresponding to a diffusion of the solvent in the direction of the measurement chamber. We finally reach the
same equilibrium pressure as before.
3 / Cas : le solvant est introduit en A exactement à la pression osmotique. Dans ce cas, après une
montée en pression rapide, la pression reste constante comme le montre la courbe C.3 / Case: the solvent is introduced at A exactly at osmotic pressure. In this case, after a
rapidly increasing in pressure, the pressure remains constant as shown by curve C.
L'invention peut être utilisée pour mesurer la pression osmotique de différentes solutions aqueuses ou non. Elle se révèle surtout intéressante dès lors qu'on a besoin d'effectuer un contrôle permanent comme c'est le cas par exemple dans de nombreux process industriels et tout particulièrement dans Industrie agro-alimentaire. The invention can be used to measure the osmotic pressure of different aqueous solutions or not. It is particularly interesting when there is a need to carry out permanent control, as is the case for example in many industrial processes and especially in the food industry.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9102231A FR2672994A1 (en) | 1991-02-18 | 1991-02-18 | Osmotic pressure sensor for continuous measurements |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9102231A FR2672994A1 (en) | 1991-02-18 | 1991-02-18 | Osmotic pressure sensor for continuous measurements |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2672994A1 true FR2672994A1 (en) | 1992-08-21 |
Family
ID=9410068
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR9102231A Withdrawn FR2672994A1 (en) | 1991-02-18 | 1991-02-18 | Osmotic pressure sensor for continuous measurements |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2672994A1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1544598A1 (en) | 2003-12-18 | 2005-06-22 | Xerox Corporation | Osmotic reaction detector for monitoring biological and non-biological reactions |
| US7553669B2 (en) | 2003-12-18 | 2009-06-30 | Palo Alto Resaerch Center Incorporated | Osmotic reaction detector for monitoring biological and non-biological reactions |
| US7666680B2 (en) | 2004-12-20 | 2010-02-23 | Palo Alto Research Center Incorporated | Osmotic reaction detector for detecting biological and non-biological reactions |
-
1991
- 1991-02-18 FR FR9102231A patent/FR2672994A1/en not_active Withdrawn
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |