FR2832082A1 - Probe for measuring the concentration of a gas dissolved in a liquid includes means, with ultrasound, of cleaning the membrane separating the liquid from the gas - Google Patents
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Abstract
Description
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La présente invention concerne une sonde pour mesurer la teneur en un gaz dissout d'un liquide, ainsi qu'un procédé de nettoyage d'une membrane d'une sonde. The present invention relates to a probe for measuring the content of a dissolved gas in a liquid, as well as to a method for cleaning a membrane of a probe.
Pour mesurer la teneur en un gaz dissout d'un liquide, il est connu d'utiliser une sonde du type comprenant : une membrane imperméable au liquide et perméable au gaz dissout, - une chambre étanche, contenant un électrolyte et pour partie délimitée par la membrane qui sépare l'intérieur de la chambre d'une région destinée à être occupée par le liquide, et - une anode et une cathode disposées dans la chambre, à l'écart l'une de l'autre. To measure the content of a dissolved gas in a liquid, it is known to use a probe of the type comprising: a membrane impermeable to the liquid and permeable to the dissolved gas, - a sealed chamber, containing an electrolyte and partly delimited by the membrane which separates the interior of the chamber from a region intended to be occupied by the liquid, and - an anode and a cathode arranged in the chamber, away from each other.
Le fonctionnement de sondes de ce type est détaillé dans les ouvrages suivant : - le livre de Georges HASCH, intitulé Capteurs en instrumentation industrielle et édité en France par Dunod (chapitre 18-3-3 : électrodes à gaz) ; et - le livre de A. BELAUD, intitulé Oxygénation de l'eau en pisciculture intensive et édité en France par Cépaduès-Editions (chapitre 2-1 : oxymètre électronique). The operation of probes of this type is detailed in the following works: - the book by Georges HASCH, entitled Capteurs en instrumentation industrielle and published in France by Dunod (chapter 18-3-3: gas electrodes); and - the book by A. BELAUD, entitled Oxygenation of water in intensive fish farming and published in France by Cépaduès-Editions (chapter 2-1: electronic oximeter).
Lors du fonctionnement de cette sonde, du gaz dissout migre du liquide dans l'électrolyte, à travers la membrane, la mesure de concentration à l'aide de l'anode et de la cathode étant effectuée à l'intérieur de la chambre. Par conséquent, la qualité de cette mesure dépend de la propreté de la membrane. Or, dans certaines applications, la sonde est plongée dans un milieu tel que sa membrane a tendance à progressivement s'encrasser et s'obstruer. C'est notamment le cas des sondes à oxygène placées dans les eaux des piscicultures pour y mesurer la teneur en oxygène, les surfaces en contact avec de telles eaux se couvrant progressivement d'un dépôt généralement appelé fouling et During the operation of this probe, dissolved gas migrates from the liquid into the electrolyte, through the membrane, the concentration measurement using the anode and the cathode being carried out inside the chamber. Consequently, the quality of this measurement depends on the cleanliness of the membrane. However, in certain applications, the probe is immersed in a medium such that its membrane tends to progressively clog and clog. This is particularly the case with oxygen probes placed in the waters of fish farms to measure the oxygen content, the surfaces in contact with such waters gradually covering a deposit generally called fouling and
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résultant notamment du développement d'organismes vivants, tels que des bactéries ou des végétaux. resulting in particular from the development of living organisms, such as bacteria or plants.
Pour éviter d'avoir à régulièrement retirer et nettoyer manuellement une telle sonde, il est connu d'équiper cette dernière d'un moteur d'entraînement immergé et d'une brosse, également immergée, accouplée au moteur et destinée à venir nettoyer mécaniquement, à intervalles réguliers, la membrane de la sonde. L'ensemble ainsi formé, dans lequel doivent être prévus des moyens d'étanchéité de la chambre du moteur, est complexe et sa consommation en énergie est de l'ordre de plusieurs Watts. Aussi, le nettoyage de la membrane se traduit par un surcoût conséquent. To avoid having to regularly remove and manually clean such a probe, it is known to equip the latter with a submerged drive motor and a brush, also submerged, coupled to the motor and intended to come to be cleaned mechanically, at regular intervals, the probe membrane. The assembly thus formed, in which the engine chamber sealing means must be provided, is complex and its energy consumption is of the order of several Watts. Also, cleaning the membrane results in a significant additional cost.
L'invention, qui entend remédier à cet inconvénient, a donc au moins pour but de réduire le coût lié au maintien des performances d'une sonde du type précité après une longue utilisation. The invention, which intends to remedy this drawback, therefore aims at least to reduce the cost associated with maintaining the performance of a probe of the aforementioned type after long use.
A cet effet, l'invention a pour objet une sonde de ce type, prévue pour mesurer la teneur en un gaz dissout d'un liquide, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif apte à émettre des ultrasons de nettoyage de la membrane. To this end, the subject of the invention is a probe of this type, provided for measuring the content of a gas dissolved in a liquid, characterized in that it comprises a device capable of emitting ultrasound for cleaning the membrane.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses de cette sonde : - le dispositif apte à émettre des ultrasons est disposé pour émettre les ultrasons en direction de la membrane, directement dans au moins l'un des deux milieux que sont l'électrolyte et le liquide ; - le dispositif apte à émettre des ultrasons comporte un générateur d'au moins une fréquence d'ultrasons, ainsi qu'un émetteur d'ultrasons destiné à être excité par le générateur ; - l'émetteur d'ultrasons est du type à électrostriction d'une céramique ; According to other advantageous characteristics of this probe: - the device capable of emitting ultrasound is arranged to emit the ultrasound in the direction of the membrane, directly in at least one of the two media, the electrolyte and the liquid; - The device capable of emitting ultrasound comprises a generator of at least one ultrasonic frequency, as well as an ultrasonic transmitter intended to be excited by the generator; - The ultrasonic transmitter is of the electrostriction type of a ceramic;
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- l'émetteur d'ultrasons est au moins en partie dans ladite chambre ; - l'émetteur d'ultrasons est monté à joint étanche dans une ouverture prévue dans une paroi délimitant pour partie la chambre ; - la sonde comporte une deuxième chambre étanche, dans laquelle est disposé le générateur d'au moins une fréquence d'ultrasons. - The ultrasonic transmitter is at least partly in said chamber; - The ultrasonic transmitter is mounted with a watertight seal in an opening provided in a wall which partially delimits the chamber; - The probe comprises a second sealed chamber, in which is disposed the generator of at least one frequency of ultrasound.
L'invention a également pour objet une utilisation d'une sonde telle que définie ci-dessus, pour mesurer la teneur en oxygène dissout d'une eau. The invention also relates to the use of a probe as defined above, for measuring the content of dissolved oxygen in water.
En outre, l'invention a pour objet un procédé pouvant être utilisé pour une sonde telle que définie ci-dessus, et plus particulièrement un procédé de nettoyage d'une membrane d'une sonde pour mesurer la teneur en un gaz dissout d'un liquide, cette sonde comprenant : - la membrane, qui est imperméable au liquide et perméable au gaz dissout, - une chambre étanche, pour partie délimitée par la membrane et contenant un électrolyte, et - une anode et une cathode disposées dans la chambre, à l'écart l'une de l'autre, ce procédé étant caractérisé en ce qu'on soumet à des ultrasons la membrane de la sonde qui est en place pour effectuer une détection ou une mesure dans le liquide, la membrane séparant alors l'électrolyte du liquide. In addition, the subject of the invention is a method which can be used for a probe as defined above, and more particularly a method for cleaning a membrane of a probe to measure the content of a dissolved gas in a liquid, this probe comprising: - the membrane, which is impermeable to liquid and permeable to dissolved gas, - a sealed chamber, partly delimited by the membrane and containing an electrolyte, and - an anode and a cathode arranged in the chamber, away from each other, this process being characterized in that the probe membrane which is in place for detecting or measuring in the liquid is subjected to ultrasound, the membrane then separating the liquid electrolyte.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses de ce procédé, il est mis en oeuvre en même temps qu'on utilise la sonde pour effectuer une détection ou une mesure dans le liquide. According to other advantageous characteristics of this method, it is implemented at the same time as the probe is used to carry out a detection or a measurement in the liquid.
L'invention sera bien comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant à la figure unique The invention will be clearly understood on reading the description which follows, given solely by way of example and made with reference to the single figure
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annexée qui est une vue schématique, en coupe axiale, d'une sonde conforme l'invention. attached which is a schematic view, in axial section, of a probe according to the invention.
Cette sonde est prévue pour mesurer la teneur en oxygène dissout d'une eau telle qu'une eau de pisciculture. This probe is intended to measure the dissolved oxygen content of water such as fish farm water.
Le principe et la structure de base d'une telle sonde étant connus en soi, la sonde représentée a pu être simplifiée, dans un soucis de clarté uniquement. The principle and the basic structure of such a probe being known per se, the represented probe could be simplified, for the sake of clarity only.
Cette sonde comporte un corps 1, dont les parois délimitent presque entièrement deux chambres attenantes 2 et 3, étanches à l'eau et séparées l'une de l'autre par une paroi commune 4. This probe comprises a body 1, the walls of which almost entirely delimit two adjoining chambers 2 and 3, watertight and separated from one another by a common wall 4.
La chambre 3, qui contient de l'air, est prévue pour abriter, sensiblement au sec, divers appareillages qui seront détaillés par la suite. Chamber 3, which contains air, is intended to house, substantially dry, various equipment which will be detailed later.
La chambre 2 est pour partie délimitée par une membrane 5 et par une paroi d'extrémité 6 en regard de la paroi de séparation 4. La paroi d'extrémité 6 comporte une ouverture centrale 7, qui forme un passage mettant en communication l'intérieur de la chambre 2 avec l'extérieur de la sonde. Ce passage est fermé de manière étanche par la membrane 5, tendue en travers. Cette dernière est imperméable à l'eau et perméable à l'oxygène dissout dedans et, dans l'exemple illustré, elle est réalisée en polytétrafluoroéthylène ou en polypropylène. The chamber 2 is partly delimited by a membrane 5 and by an end wall 6 facing the partition wall 4. The end wall 6 has a central opening 7, which forms a passage connecting the interior from chamber 2 with the outside of the probe. This passage is closed in a sealed manner by the membrane 5, stretched crosswise. The latter is waterproof and permeable to dissolved oxygen therein, and in the example illustrated, it is made of polytetrafluoroethylene or polypropylene.
Une cathode 8, en contact avec la membrane 5, et une anode 9 sont disposées à l'écart l'une de l'autre, à l'intérieur de la chambre 2, laquelle contient un électrolyte liquide. Un fil électrique 10a et un fil électrique lOb sont respectivement connectés à l'anode 9 et à la cathode 8. A cathode 8, in contact with the membrane 5, and an anode 9 are arranged apart from each other, inside the chamber 2, which contains a liquid electrolyte. An electric wire 10a and an electric wire 10b are respectively connected to the anode 9 and to the cathode 8.
L'ensemble qui vient d'être décrit est globalement symétrique par rapport à un axe central A. The assembly which has just been described is generally symmetrical with respect to a central axis A.
La sonde représentée est en outre équipée d'un dispositif 11 de nettoyage par ultrasons de la membrane 5. The probe shown is also equipped with a device 11 for ultrasonic cleaning of the membrane 5.
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Ce dispositif de nettoyage 11 comporte un circuit électronique 12 implanté sur une carte 13 et prévu pour générer une fréquence d'ultrasons, ainsi qu'un émetteur d'ultrasons 14, qui est connecté au circuit 12. Cet émetteur d'ultrasons 14 est du type à électrostriction d'une céramique, c'est-à-dire comporte deux éléments conducteurs, non représentés, destinés à créer entre eux un champ électrique variable, ainsi qu'une céramique appropriée, également non représentée, disposée entre les deux éléments conducteurs, là où le champs électrique est destiné à régner. La fréquence générée par le circuit 12 est délivrée sous la forme d'une tension alternative qui alimente l'émetteur d'ultrasons : cette tension est appliquée entre les deux éléments conducteurs et, de ce fait, elle est à l'origine du champ électrique précité. L'électrostriction de la céramique à la fréquence d'alimentation par le circuit électronique 12 se traduit par des vibrations qui donnent naissance aux ultrasons émis par l'émetteur 14. This cleaning device 11 comprises an electronic circuit 12 installed on a card 13 and intended to generate an ultrasonic frequency, as well as an ultrasonic transmitter 14, which is connected to the circuit 12. This ultrasonic transmitter 14 is of the electrostriction type of a ceramic, that is to say comprises two conductive elements, not shown, intended to create between them a variable electric field, as well as a suitable ceramic, also not shown, placed between the two conductive elements , where the electric field is intended to prevail. The frequency generated by the circuit 12 is delivered in the form of an alternating voltage which supplies the ultrasonic transmitter: this voltage is applied between the two conducting elements and, therefore, it is at the origin of the electric field supra. The electrostriction of the ceramic at the supply frequency by the electronic circuit 12 results in vibrations which give rise to the ultrasound emitted by the emitter 14.
Le circuit électronique 12 est monté à l'intérieur de la chambre 3. L'émetteur d'ultrasons 14 est quant à lui monté à joint étanche dans une ouverture prévue dans la paroi 4, si bien qu'il est en partie dans la chambre 2, et en contact avec l'électrolyte. The electronic circuit 12 is mounted inside the chamber 3. The ultrasonic transmitter 14 is mounted with a sealed seal in an opening provided in the wall 4, so that it is partly in the chamber 2, and in contact with the electrolyte.
A l'opposé de la membrane 5, un presse-étoupe 15 assure le raccordement étanche d'un tuyau 16 sur la chambre 3. A l'intérieur de ce tuyau 16, des fils non représentés, prévus les uns pour la transmission d'un signal contenant la mesure de la teneur en oxygène dissout et les autres pour l'alimentation électrique du circuit électronique 12 et d'autres dispositifs qui peuvent être installés dans la chambre 3, cheminent à l'abri de l'eau, jusqu'à cette chambre 3. Opposite the membrane 5, a stuffing box 15 ensures the tight connection of a pipe 16 on the chamber 3. Inside this pipe 16, wires not shown, provided for the transmission of a signal containing the measurement of the dissolved oxygen content and the others for the electrical supply of the electronic circuit 12 and other devices which can be installed in the chamber 3, run away from water, up to this room 3.
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Pour ce qui concerne la mesure de la teneur en oxygène dissout, le fonctionnement de la sonde est connu en soi, et seules les grandes lignes de ce fonctionnement sont rappelées dans ce qui suit. Cette sonde est plongée dans l'eau, par exemple d'une pisciculture, dont on veut mesurer la teneur en oxygène dissout. La membrane 5, en contact direct avec l'eau et l'électrolyte qu'elle sépare l'un de l'autre, est traversée par de l'oxygène dissout qui migre depuis l'eau vers l'électrolyte, ce qui est matérialisé par les flèches F sur la figure unique. Les fils 10a et lOb permettent de récupérer un signal électrique qui est généré entre l'anode 9 et la cathode 8, se présente sous la forme d'un courant ou d'une tension et dépend de la quantité d'oxygène qui traverse la membrane 5. With regard to the measurement of the dissolved oxygen content, the operation of the probe is known per se, and only the main lines of this operation are recalled in the following. This probe is immersed in water, for example from a fish farm, whose dissolved oxygen content is to be measured. The membrane 5, in direct contact with the water and the electrolyte which it separates from one another, is crossed by dissolved oxygen which migrates from the water to the electrolyte, which is materialized by the arrows F in the single figure. The wires 10a and 10b make it possible to recover an electrical signal which is generated between the anode 9 and the cathode 8, is in the form of a current or a voltage and depends on the quantity of oxygen which crosses the membrane 5.
Pour ce qui est du nettoyage de la membrane 5, il est effectué par le dispositif de nettoyage 11, lorsque la sonde est immergée, par exemple quand elle est en place pour effectuer des mesures. En effet, il est tiré parti du fait que lorsque la sonde est en position d'utilisation, les deux faces de la membrane 5 sont baignées par un liquide, ce qui permet le nettoyage de cette membrane 5 à l'aide d'ultrasons. Comme l'émetteur d'ultrasons 14 est en partie immergé dans l'électrolyte, il émet directement les ultrasons dans cet électrolyte. En outre, il est disposé pour que les ultrasons émis, symbolisés par les arcs US, se propagent essentiellement dans la direction de la membrane 5. With regard to the cleaning of the membrane 5, it is carried out by the cleaning device 11, when the probe is immersed, for example when it is in place for taking measurements. Indeed, it is taken advantage of the fact that when the probe is in the position of use, the two faces of the membrane 5 are bathed by a liquid, which allows the cleaning of this membrane 5 using ultrasound. As the ultrasonic transmitter 14 is partly immersed in the electrolyte, it directly emits ultrasound in this electrolyte. In addition, it is arranged so that the ultrasound emitted, symbolized by the US arcs, propagates essentially in the direction of the membrane 5.
Le fonctionnement du dispositif de nettoyage 11 peut être intermittent. Toutefois, il se peut que le fait de soumettre la membrane 5 à des ultrasons améliore la sensibilité et le temps de réponse de la sonde, parce que cela pourrait favoriser la migration de l'oxygène à travers cette membrane 5. En outre, le bon fonctionnement de la sonde requiert de placer celle-ci là où un courant minimal The operation of the cleaning device 11 may be intermittent. However, it may be that subjecting the membrane 5 to ultrasound improves the sensitivity and response time of the probe, because this could promote the migration of oxygen through this membrane 5. In addition, the correct operation of the probe requires placing it where a minimum current
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existe dans l'eau. La présence des ultrasons pourrait également se traduire par un abaissement du seuil au-dessus duquel la vitesse de ce courant doit se situer pour que la mesure effectuée par la sonde soit correcte. Par conséquent, il pourrait s'avérer avantageux de faire fonctionner le dispositif de nettoyage 11 de manière continue, en même temps que la sonde est utilisée pour effectuer une mesure de concentration. exists in water. The presence of ultrasound could also result in a lowering of the threshold above which the speed of this current must be located for the measurement made by the probe to be correct. Consequently, it could prove advantageous to operate the cleaning device 11 continuously, at the same time as the probe is used to carry out a concentration measurement.
Conformément au but que l'invention entend atteindre, la sonde représentée à la figure unique est notablement moins coûteuse que la sonde de l'art antérieur. En outre, sa consommation est de l'ordre de quelques dizaines de milliWatts, à comparer à la consommation de plusieurs Watts de la sonde de l'art antérieur précité. In accordance with the object that the invention intends to achieve, the probe shown in the single figure is notably less expensive than the probe of the prior art. In addition, its consumption is of the order of a few tens of milliWatts, to be compared with the consumption of several Watts of the probe of the aforementioned prior art.
Parmi les avantages de la sonde représentée à la figure unique, on notera qu'elle est particulièrement simple. Among the advantages of the probe shown in the single figure, it will be noted that it is particularly simple.
De plus, elle ne comporte pas de pièce en mouvement. In addition, it has no moving parts.
Or, de telles pièces en mouvement requièrent généralement un entretien particulier et sont susceptibles de se coincer, de se gripper et, de manière générale, de provoquer une panne. However, such moving parts generally require special maintenance and are liable to get caught, seize up and, in general, cause a breakdown.
En outre, l'usage d'ultrasons pour le nettoyage de la membrane 5 conduit à une réduction de la vitesse de progression d'un phénomène causant une dégradation progressive des sondes classiques, voire il conduit à l'élimination de ce phénomène qui est la fixation sur l'anode 9 d'oxyde du matériau dans lequel est réalisée cette anode 9. In addition, the use of ultrasound for cleaning the membrane 5 leads to a reduction in the rate of progression of a phenomenon causing progressive degradation of conventional probes, or even it leads to the elimination of this phenomenon which is the fixation on the oxide anode 9 of the material in which this anode 9 is made.
L'invention ne se limite pas au mode de réalisation décrit précédemment. The invention is not limited to the embodiment described above.
En particulier, la génération des ultrasons peut être obtenue à l'aide d'un dispositif autre que celui qui est In particular, the generation of ultrasound can be obtained using a device other than that which is
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référencé 11, par exemple au moyen d'un générateur piézoélectrique ou magnétostrictif. referenced 11, for example by means of a piezoelectric or magnetostrictive generator.
De plus, ce dispositif apte à émettre des ultrasons peut également être placé en dehors de la sonde, auquel cas il peut soit encore constituer un équipement de cette sonde, soit être distinct d'elle. In addition, this device capable of emitting ultrasound can also be placed outside the probe, in which case it can either still constitute an equipment of this probe, or be distinct from it.
En outre, bien que l'exemple décrit précédemment se rapporte à une sonde à oxygène dissout dans de l'eau, des sondes prévues pour des gaz dissouts autres que de l'oxygène et/ou des solvants autres que de l'eau ne sortent pas du cadre de l'invention. In addition, although the example described above relates to an oxygen sensor dissolved in water, sensors intended for dissolved gases other than oxygen and / or solvents other than water do not leave not within the scope of the invention.
De même, les sondes pour détecter la présence d'une substance dissoute ne sortent pas du cadre de l'invention, puisqu'elles aussi effectuent une mesure correspondant à une teneur, afin de pouvoir la comparer à un seuil. Similarly, the probes for detecting the presence of a dissolved substance do not depart from the scope of the invention, since they also carry out a measurement corresponding to a content, in order to be able to compare it with a threshold.
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