FR2733318A1 - Liq. density monitoring appts. for use in food and chemical industries - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention est relative à un dispositif de mesure de la densité ou de la masse volumique d'un liquide chimiquement stable ou en cours de fermentation, contenu dans une enceinte. La mesure de la masse volumique intervient principalement dans le contrôle des procédés industriels, continus ou discontinus, de transformation suivants:
- la fermentation: la densimétrie permet d'évaluer le stade instantané de l'évolution de la réaction biologique;
- les réactions chimiques avec dégagement gazeux: la densimétrie est une indication quant au niveau de réaction des produits;
- les mélanges : la densimétrie contrôle le pilotage ou le suivi d'un système en cours de mélange (saumure, sirop, gaz + liquide, ...);
- les émulsions: la densimétrie contrôle l'état de mélange des phases.The present invention relates to a device for measuring the density or density of a chemically stable or fermenting liquid contained in an enclosure. The density measurement mainly intervenes in the control of the following industrial processes, continuous or discontinuous, of transformation:
- fermentation: densimetry makes it possible to evaluate the instantaneous stage of the evolution of the biological reaction;
- chemical reactions with gassing: densimetry is an indication of the reaction level of the products;
- mixtures: densimetry controls the control or monitoring of a system being mixed (brine, syrup, gas + liquid, ...);
- emulsions: densimetry controls the state of mixing of the phases.
Les dispositifs connus permettant la mesure de la masse volumique ou de la densité d'un liquide, sont classés en quatre familles. On distingue notamment:
- les densimètres manuels : sorte de flotteurs ou ludions à lecture directe,
- les densimètres à débit dérivé à lecture déportée : densimètre à tube vibrant, à rayon gamma, à section flottante,
- les densimètres immergés à lame vibrante ou à mesure de différence de pression,
- les densimètres à mesure de dégagement gazeux.Known devices for measuring the density or density of a liquid are classified into four families. We distinguish in particular:
- manual hydrometers: a kind of floats or direct reading ludions,
- derivative flow densimeters with remote reading: vibrating tube densimeter, gamma ray, floating section,
- submerged hydrometers with a vibrating blade or a pressure difference measurement,
- hydrometers for gas evolution.
Les principaux inconvénients de ces densimètres résident notamment dans leur lecture difficile, dans leur utilisation délicate, dans la mesure effectuée sur un échantillon prélevé, dans le prix de l'appareil, et dans son coût d'installation sur le procédé. The main drawbacks of these hydrometers lie in particular in their difficult reading, in their delicate use, in the measurement made on a sample taken, in the price of the device, and in its cost of installation on the process.
La présente invention vise donc à pallier ces inconvénients en proposant un dispositif de mesure qui ne perturbe pas le milieu dans lequel il est immergé et qui autorise une mesure en continu sur le produit et non sur un échantillon prélevé. The present invention therefore aims to overcome these drawbacks by proposing a measurement device which does not disturb the medium in which it is immersed and which allows continuous measurement on the product and not on a sample taken.
A cet effet, le dispositif de mesure de la masse volumique d'un liquide, objet de l'invention, se caractérise en ce qu'il comporte une enceinte dont chacune des extrémités est obturée par une paroi, chacune de ces parois coopérant par sa surface interne à un organe de transmission, relié à la partie mobile d'un capteur de force à jauge de contraintes, la partie fixe du capteur de force demeurant solidaire de ladite enceinte, cette dernière étant immergée dans une cuve remplie d'un liquide dont on veut mesurer la masse volumique. To this end, the device for measuring the density of a liquid, object of the invention, is characterized in that it comprises an enclosure, each of the ends of which is closed by a wall, each of these walls cooperating by its internal surface of a transmission member, connected to the movable part of a strain gauge force sensor, the fixed part of the force sensor remaining integral with said enclosure, the latter being immersed in a tank filled with a liquid of which we want to measure the density.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Other characteristics and advantages of the present invention will emerge from the description given below, with reference to the appended drawings which illustrate an embodiment thereof devoid of any limiting character.
Sur les figures:
- la figure 1 est une vue en coupe, en élévation frontale, du dispositif objet de l'invention;
- la figure 2 est une vue de dessus en coupe de la figure 1 ;
- la figure 3 est une vue en coupe, à plus grande échelle, du capteur de force.In the figures:
- Figure 1 is a sectional view, in front elevation, of the device object of the invention;
- Figure 2 is a top view in section of Figure 1;
- Figure 3 is a sectional view, on a larger scale, of the force sensor.
- la figure 4 est une vue en coupe illustrant deux modes de réalisation différents du dispositif objet de l'invention. - Figure 4 is a sectional view illustrating two different embodiments of the device object of the invention.
Selon un mode préféré de réalisation du dispositif de mesure de la densité ou de la masse volumique d'un liquide, objet de la présente invention, comporte essentiellement une enceinte 1, avantageusement conformée en un tube de section droite notamment circulaire et dont les parois sont rigides ; en outre ces parois sont constituées dans un matériau agréé par les réglementations en vigueur dans l'industrie agro-alimentaire, tel que du P.V.C., inox etc... According to a preferred embodiment of the device for measuring the density or density of a liquid, object of the present invention, essentially comprises an enclosure 1, advantageously shaped as a tube of straight cross section, in particular circular, the walls of which are rigid; in addition, these walls are made of a material approved by the regulations in force in the food industry, such as P.V.C., stainless steel, etc.
Cette enceinte 1 est munie à chacune de ses extrémités 2, 3 d'une paroi 4, souple, élastique, mais non plastique, avantageusement de surface égale. This enclosure 1 is provided at each of its ends 2, 3 with a wall 4, flexible, elastic, but not plastic, advantageously of equal surface.
Cette paroi 4, selon un premier mode de réalisation, est réalisée sous la forme d'une membrane 5 en latex naturel ou synthétique et qui obstrue de manière étanche ladite enceinte 1; ainsi, on prévoit de solidariser chaque membrane 5 à chaque extrémité de l'enceinte par l'intermédiaire d'un collier 6.This wall 4, according to a first embodiment, is produced in the form of a membrane 5 made of natural or synthetic latex and which sealingly obstructs said enclosure 1; thus, provision is made to secure each membrane 5 at each end of the enclosure by means of a collar 6.
Selon un second mode de réalisation, ladite enceinte 1 est dépourvue de membranes 5, et la paroi 4 d'obturation est constituée par la face externe d'un plateau 7. Afin de garantir l'étanchéité de l'enceinte 1, on dispose sur le champ de chacun des plateaux 7 disposés à l'extrémité de ladite enceinte 1, dans une rainure, une garniture d'étanchéité telle que notamment un joint torique ou un joint à lèvres. According to a second embodiment, said enclosure 1 is devoid of membranes 5, and the obturation wall 4 is constituted by the external face of a plate 7. In order to guarantee the tightness of enclosure 1, the field of each of the plates 7 disposed at the end of said enclosure 1, in a groove, a seal such as in particular an O-ring or a lip seal.
A l'intérieur de l'enceinte, on dispose deux organes de transmission 8, 9, chacun d'entre eux étant formé d'un plateau 7 et d'au moins une tige 10 faisant saillie perpendiculairement par rapport à la face interne dudit plateau 7. Inside the enclosure, there are two transmission members 8, 9, each of them being formed by a plate 7 and at least one rod 10 projecting perpendicularly to the internal face of said plate 7.
La face externe de chaque plateau 7 est, selon le mode de réalisation choisi de la paroi 4 d'obturation de l'enceinte 1, placée en regard de la membrane 5 tendue ou du liquide. Dans une conception utilisant une membrane 5, la face interne de chacune d'entre elles est en contact de la face externe de chacun des plateaux 7. Chacun des plateaux 7 ainsi positionné à l'intérieur de l'enceinte 1 est guidé et se déplace en translation, sans frottement, selon l'axe longitudinal en fonction des variations de position desdites membranes 5. The external face of each plate 7 is, according to the chosen embodiment of the wall 4 for closing the enclosure 1, placed opposite the tensioned membrane 5 or the liquid. In a design using a membrane 5, the internal face of each of them is in contact with the external face of each of the plates 7. Each of the plates 7 thus positioned inside the enclosure 1 is guided and moves in translation, without friction, along the longitudinal axis as a function of variations in the position of said membranes 5.
Par ailleurs, chacune des tiges 10 issues de chacun des plateaux 7, formant l'organe de transmission 8, 9, est connectée par l'intermédiaire de moyens connus (vissage, rivetage, collage, sertissage ...) à un étrier 11. Furthermore, each of the rods 10 coming from each of the plates 7, forming the transmission member 8, 9, is connected by means of known means (screwing, riveting, bonding, crimping, etc.) to a stirrup 11.
L'ensemble des éléments constitués par les plateaux 7, les tiges 10 et l'étrier 11, est réalisé dans un matériau qui assure une masse et une rigidité suffisantes compte tenu des sollicitations mécaniques qui s'exercent sur chacune des parois frontales, particulièrement ces éléments pourront être réalisés en aluminium, ou en alliage d'aluminium ou dans une résine synthétique à base d'un polymère de méthacrylate de méthyle, ou d'un polyéthylène téréphtalate ou d'un polyéthylène naphtalate.All of the elements constituted by the plates 7, the rods 10 and the stirrup 11, are made of a material which provides sufficient mass and rigidity taking into account the mechanical stresses which are exerted on each of the front walls, particularly these elements may be made of aluminum, or of an aluminum alloy or of a synthetic resin based on a polymer of methyl methacrylate, or of a polyethylene terephthalate or of a polyethylene naphthalate.
Par ailleurs, L'étrier 11 est solidaire de la partie mobile 12 d'un capteur de force 13 pourvu de jauges de contraintes 14, la partie fixe 15 étant connectée à l'intérieur de l'enceinte 1 et placée en regard de la partie mobile 12. On sait que les jauges de contraintes 14 lorsqu'elles sont soumises à des déformations mécaniques, notamment de compression, de torsion, ou de flexion, voient leur impédance varier en fonction de l'intensité de ces sollicitations mécaniques, il suffit donc d'effectuer un montage électrique adéquat de ces jauges 14, notamment en pont équilibré ou déséquilibré pour enregistrer ces variations d'impédance. Furthermore, the stirrup 11 is integral with the movable part 12 of a force sensor 13 provided with strain gauges 14, the fixed part 15 being connected inside the enclosure 1 and placed opposite the part mobile 12. It is known that the strain gauges 14 when they are subjected to mechanical deformations, in particular of compression, torsion, or bending, see their impedance vary according to the intensity of these mechanical stresses, it therefore suffices to carry out an adequate electrical mounting of these gauges 14, in particular in balanced or unbalanced bridge to record these variations in impedance.
Ainsi, si on utilise deux organes de transmission 8, 9 placés en vis-à-vis dans une enceinte 1 munie de deux membranes 5 coopérant avec lesdits organes 8, 9, les tiges 10 venant de chacun des plateaux 7 étant comprises dans des plans parallèles entre eux, et reliées à un même étrier 11, le capteur de force 13 sera soumis à des efforts de compression issus des forces engendrées par la pression du liquide sur les parois frontales de l'enceinte constituées par les membranes ou par la face externe desdits plateaux. Thus, if two transmission members 8, 9 are used opposite one another in an enclosure 1 provided with two membranes 5 cooperating with said members 8, 9, the rods 10 coming from each of the plates 7 being included in planes parallel to each other, and connected to the same stirrup 11, the force sensor 13 will be subjected to compression forces originating from the forces generated by the pressure of the liquid on the front walls of the enclosure constituted by the membranes or by the external face said plates.
On pourra également, pour assurer le contact permanent de la membrane 5 avec l'organe de transmission 8, 9, interposer entre la face externe de cet organe et la face interne de la membrane 5, une couche de mousse. We can also, to ensure permanent contact of the membrane 5 with the transmission member 8, 9, interpose between the outer face of this member and the inner face of the membrane 5, a layer of foam.
Selon un autre mode de réalisation du dispositif objet de l'invention, on pourra supprimer l'un des organes de transmission et notamment au niveau de la tige 10 de ce dernier et directement placer l'étrier 11 au contact de la paroi 4, cet étrier 11 étant quant à lui connecté à la partie mobile 12 du capteur de force 13. According to another embodiment of the device which is the subject of the invention, it is possible to remove one of the transmission members and in particular at the level of the rod 10 thereof and directly place the stirrup 11 in contact with the wall 4, this stirrup 11 being connected to the movable part 12 of the force sensor 13.
En considérant les paramètres suivants: - MI: masse de l'un des organes de transmission; - M2: masse de l'autre organe de transmission - Spi : surface de l'une des membranes; - S2 : surface de l'autre membrane; -HI : hauteur immergée de l'une des membranes; - H2: hauteur immergée de l'autre membrane; - p : masse volumique du liquide; - P0 : masse volumique de l'eau; - d : densité du liquide; - g : accélération de la pesanteur; - R : résultante s'exerçant sur le capteur de force; -È1 : force s'exerçant sur l'une des membranes; -È2 : force s'exerçant sur l'autre membrane; - Pl : poids de l'un des organes de transmission; - P2 : poids de l'autre organe de transmission; il est possible de déterminer R par résolution de l'équation vectorielle suivante R +É1 +È2 + Pi + P2 = Les forces s'exerçant sur les membranes sont essentiellement des forces de pression (F=P.S) où P représente la pression statique régnant dans le volume. (Le terme de pression dynamique sera négligé compte tenu que le volume dans lequel est immergé ledit dispositif est suffisamment vaste pour que la vitesse du liquide soit quasiment nulle au voisinage des membranes ou des parois). By considering the following parameters: - MI: mass of one of the transmission members; - M2: mass of the other transmission member - Spi: surface of one of the membranes; - S2: surface of the other membrane; -HI: immersed height of one of the membranes; - H2: submerged height of the other membrane; - p: density of the liquid; - P0: density of water; - d: density of the liquid; - g: acceleration of gravity; - R: resultant acting on the force sensor; -È1: force exerted on one of the membranes; -È2: force exerted on the other membrane; - Pl: weight of one of the transmission members; - P2: weight of the other transmission member; it is possible to determine R by solving the following vector equation R + É1 + È2 + Pi + P2 = The forces exerted on the membranes are essentially pressure forces (F = PS) where P represents the prevailing static pressure in the volume. (The term dynamic pressure will be neglected, given that the volume in which said device is immersed is large enough for the speed of the liquid to be almost zero in the vicinity of the membranes or walls).
L'évolution de la masse volumique en fonction des forces s'exerçant sur les membranes 5 s'obtient par projection sur les trois axes de l'espace de cette équation. Cette équation projetée sur un axe vertical devient (les projections sur les deux autres axes sont toutes nulles ou s'annulent)
On pourra ne pas tenir compte dans cette équation du poids des différents organes de transmission par un réglage approprié de l'électronique de l'appareil de mesure et particulièrement au niveau de son point d'origine. In this equation, the weight of the various transmission members may not be taken into account by appropriate adjustment of the electronics of the measuring device and particularly at its point of origin.
et l'équation devient:
avec d =
Po
A partir de cette équation, on déduit que si le dispositif, objet de l'invention, est disposé dans une enceinte contenant un liquide dont on veut déterminer la masse volumique ou la densité, en ayant par hypothèse de construction fixé H1 W H2 , et S1 =S2 , la densité est directement proportionnelle à la résultante R.and the equation becomes:
with d =
Po
From this equation, it is deduced that if the device, object of the invention, is placed in an enclosure containing a liquid whose density or density is to be determined, by having construction hypothesis fixed H1 W H2, and S1 = S2, the density is directly proportional to the resultant R.
La valeur de la résultante R est fournie par le capteur de force à jauge de contrainte. The value of the resultant R is provided by the strain gauge force sensor.
Le dispositif de mesure de la densité ou de la masse volumique d'un liquide, objet de l'invention, met en oeuvre cette équation. En fonction des applications visées, on utilisera deux membranes immergées dans le liquide selon des niveaux différents, ou deux membranes de surfaces différentes immergées à un même niveau. The device for measuring the density or density of a liquid, object of the invention, implements this equation. Depending on the intended applications, two membranes immersed in the liquid at different levels will be used, or two membranes with different surfaces immersed at the same level.
Préférentiellement, L'enceinte 1 comporte un orifice 16 pour le passage de l'ensemble des fils d'entrée et de sortie nécessaires à l'alimentation de l'électronique et à l'exploitation du signal de mesure provenant du capteur de force 13 à jauges de contraintes 14. Cet orifice 16 selon un autre mode de réalisation de l'invention est pourvu d'un flexible de mise à l'air libre pour l'établissement éventuel d'une contrepression sur les parois. Preferably, the enclosure 1 includes an orifice 16 for the passage of all of the input and output wires necessary for supplying the electronics and for exploiting the measurement signal coming from the force sensor 13 to strain gauges 14. This orifice 16 according to another embodiment of the invention is provided with a vent hose for the possible establishment of a back pressure on the walls.
Le densimètre, objet de l'invention, offre de multiples avantages : tout d'abord il est insensible à la viscosité du liquide dans lequel il est immergé. II est d'un entretien simple, ce qui garantit l'hygiène du milieu. Par ailleurs, son coût d'achat et d'installation n'est pas du tout comparable et est nettement inférieur à celui des densimètres à débit dérivé ou des densimètres immergés connus de l'art antérieur. The hydrometer, object of the invention, offers multiple advantages: first of all, it is insensitive to the viscosity of the liquid in which it is immersed. It is simple to maintain, which guarantees environmental hygiene. Furthermore, its purchase and installation cost is not at all comparable and is much lower than that of flow-rate hydrometers or submerged hydrometers known from the prior art.
II demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés ci-dessus, mais qu'elle en englobe toutes les variantes. It remains to be understood that the present invention is not limited to the exemplary embodiments described and shown above, but that it encompasses all variants thereof.
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