WO2019149838A1 - Dispositif et procede de mesure de la masse volumique d'un liquide sursature en gaz - Google Patents

Dispositif et procede de mesure de la masse volumique d'un liquide sursature en gaz Download PDF

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WO2019149838A1
WO2019149838A1 PCT/EP2019/052416 EP2019052416W WO2019149838A1 WO 2019149838 A1 WO2019149838 A1 WO 2019149838A1 EP 2019052416 W EP2019052416 W EP 2019052416W WO 2019149838 A1 WO2019149838 A1 WO 2019149838A1
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WO
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float
coil
current
volume
liquid
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/052416
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English (en)
Inventor
Yoan VEYRAC
Manuel POTEREAU
Original Assignee
Universite de Bordeaux
Institut Polytechnique De Bordeaux
Centre National De La Recherche Scientifique
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Publication date
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01G—WEIGHING
    • G01G5/00—Weighing apparatus wherein the balancing is effected by fluid action
    • G01G5/02—Weighing apparatus wherein the balancing is effected by fluid action with a float or other member variably immersed in liquid

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for measuring the density of a liquid supersaturated with gas.
  • the invention finds a particularly advantageous application in the field of winemaking or brewing.
  • a known technique for measuring the density of a liquid consists in plunging into the liquid a float of known mass and volume, and then determining the vertical force exerted on the float. This vertical force is a function of the weight of the float (downward force) and the buoyancy force (upward force) of the buoyancy, the latter being proportional to the density of the fluid.
  • the float is provided with a magnetic heart.
  • the magnetic attraction force results from the action, on the magnetic core of the float, of a magnetic field generated by a coil.
  • the coil located vertically of the float, is traversed by an electric current whose intensity determines the standard of the magnetic attraction force.
  • the measurement of the density then consists in determining the intensity of the current at which the magnetic attraction force, added to the weight of the float, best compensates the buoyancy of Archimedes. This so-called equilibrium intensity is an image of the density of the liquid.
  • the patent FR1583459 describes a device for measuring the density of a fluid by magnetic attraction of a float.
  • the float has at its base a Permanent magnet made of ferrite. This permanent magnet interacts with two coils: a first so-called “main” coil which generates the magnetic attraction force and a second so-called “detector” coil which detects the movements of the float.
  • the main coil is traversed by a current ramp, that is to say by an electric current whose intensity increases regularly and continuously.
  • the force of attraction becomes greater than the vertical force resulting from the weight and thrust of Archimedes, that is, when the intensity of the current exceeds the equilibrium value, the float sinks. This displacement is detected by the detector coil which, in response, triggers the recording of the value of the current flowing at this time the main coil.
  • the density needs to be measured frequently and autonomously.
  • the regular control of the density of the wine or beer makes it possible to follow the progress of the fermentation process, and more particularly the variations in the alcohol content and the rate of fermentation. sugar.
  • the method of measurement by magnetic attraction of a float is particularly suitable for these applications, especially because of its low cost and ease of implementation.
  • Liquid media supersaturated with gas such as wine or beer in fermentation, however, introduce an additional difficulty: the measurement of the density is disturbed by gas bubbles (in this case carbon dioxide) which are formed in the surface of the float and, to a lesser extent, by deposits of material on the float.
  • gas bubbles in this case carbon dioxide
  • the gas bubbles increase the buoyancy force of Archimedes, while the deposits increase the weight of the float.
  • EP2698620 discloses a device for measuring the density of wine in fermentation, which aims to solve the problem of gas bubbles attached to the float and deposits on the float.
  • Each measurement phase of the density is preceded by a cleaning cycle, during which the float is brought into contact with the upper wall of a cleaning chamber filled with gas. Upon impact with this wall, the float is cleared of gas bubbles and deposits.
  • the cleaning cycle of EP2698620 is not very useful because new bubbles of gas are formed on the surface of the float as soon as it is re-immersed in the wine. The new measurement of the density is then not as precise as hoped.
  • the object of the invention is to take into account surface effects in the measurement, by magnetic attraction of a float, of the density of a liquid supersaturated with gas, so that this type of measurement is more precise.
  • the surface effects are for example deposits of matter (scale, organic matter %) and the formation of gas bubbles on the surface of the float.
  • this object is achieved by providing a device for measuring the density of a liquid supersaturated with gas, comprising:
  • a second coil capable of interacting with the second magnetic piece to exert on the second float a magnetic attraction force in the direction of the second coil
  • variable current source connected to the first coil and configured to generate a first equilibrium current, such that the magnetic attraction force exerted on the first float compensates for a vertical force resulting from the weight of the first float, buoyancy and surface effects experienced by the first float, the variable current source being further connected to the second coil and configured to generate a second balance current, such as magnetic attraction exerted on the second float compensates a vertical force resulting from the weight of the second float, the Archimedes thrust and the surface effects suffered by the second float;
  • the device according to the invention makes it possible to distinguish the surface effects (bubbles and deposits) of the volume effects (weight and buoyancy pressure related to the volume of the floats) in the measurement of the density of a liquid supersaturated with gas. A precise value of the density, independent of the amount of bubbles or deposits on the surface of the floats, can thus be obtained.
  • the measuring device according to the invention does not require a float cleaning system. It is therefore less expensive and more compact than the device of the prior art.
  • the equilibrium of each float can be expressed by an expression involving the density of the liquid and a contribution coefficient of the surface effects. It is therefore possible to determine, in addition to the density of the liquid, the contribution of the surface effects in the balance of forces of the two floats.
  • the measuring device advantageously comprises means for calculating the contribution coefficient of the surface effects from the first and second equilibrium currents, the surface and the volume of the first float, and the surface and the volume of the second float.
  • the first coil and the second coil are connected in series with the source of variable current.
  • a single power source can thus be used to power both coils simultaneously, which reduces the overall cost of the measuring device.
  • the measuring device further comprises a control circuit of the variable current source, the control circuit being configured to bring the first and second floats against a stop, in the initial position, and to make varying in successive stages the current generated by the variable current source until the first float and the second float have left their initial position.
  • the initial position is preferably a high position or a low position.
  • the measuring device advantageously comprises a first detector configured to detect the position of the first float and a second detector configured to detect the position of the second float.
  • the first detector and the second detector each comprise a diode that emits a light beam and a diode that receives the light beam, the emitting and receiving diodes of the first detector being arranged in such a way as to establish a beam reflection connection between them.
  • the emitter and receiver diodes of the second detector being arranged so as to establish between them a reflection connection of the light beam on the second float, when the second float is in position high.
  • the measuring device according to the invention may also have one or more of the following characteristics, considered individually or in any technically possible combination:
  • the device further comprises a sealed housing in which are disposed the first coil, the second coil and the variable current source;
  • the device further comprises a first stop arranged to retain the first float in the upper position and a second stop arranged to retain the second float in the upper position;
  • the liquid supersaturated with gas is for example wine, beer or any other fermenting drink.
  • a second aspect of the invention relates to a method for measuring the density of a liquid supersaturated with gas. This process comprises the following steps:
  • the determination of the first equilibrium current comprises the following operations:
  • the determination of the first equilibrium current comprises the following operations:
  • the first coil and the second coil are traversed simultaneously by the same current.
  • FIG. 1 represents, in an operating situation, a device for measuring the density of a liquid according to a preferred embodiment of the invention
  • FIG. 2 represents an exemplary embodiment of the variable current source included in the device of FIG. 1;
  • FIGS. 3A and 3B illustrate a preferred embodiment of the position detectors included in the device of FIG. 1.
  • Figure 1 shows schematically a preferred embodiment of a device 100 designed to simply measure the density of a liquid 200 supersaturated with gas, such as wine or beer in fermentation.
  • gas such as wine or beer in fermentation.
  • supersaturated with gas means that the liquid 200 contains more gas than it can dissolve. This unstable state is characterized by the formation of gas bubbles in the liquid 200.
  • the measuring device 100 comprises a first float 110a and a second float 110b, both immersed in the liquid 200 during operation of the device.
  • Each of the floats 110a-110b has a density lower than that of the liquid 200 and, preferably, lower than that of the water (1 g / cm 3 at 3.98 ° C).
  • Each of the floats 110a-110b is therefore subjected to an Archimedes thrust, greater than the weight of the float, which tends to raise the float to the surface of the liquid 200.
  • the floats 110a-110b are, however, prevented from rising to the surface of the liquid 200, thanks to one or more stops. The floats are thus completely immersed in the liquid 200 during operation of the device 100.
  • the first float 110a is retained by a first stop 120a and the second float 110b is retained by a second stop 120b.
  • the position of the floats 110a-110b when in contact with the stops 120a-120b is called "high position" and corresponds to the position as close as possible to the surface of the liquid 200.
  • the floats 110a-110b each have a mass, a volume and a surface of known values.
  • the mass, the volume and the surface of the first float 110a are respectively denoted mi, Vi and Si.
  • the mass, the volume and the surface of the second float 110b are denoted respectively m 2 , V 2 and S 2 .
  • the floats 110a-110b also have different volume-to-surface ratios (V 1 / S 1 1 V 2 / S 2 ).
  • each of the floats 110a, 110b then comprises a body 111a, 111b and a magnetic part 112a, 112b.
  • the body 111a of the first float 110a and the body 111b of the second float 110b consist of a light material (ie density of between 0.1 g / cm 3 and 0.9 g / cm 3 ), such as the cork, or a partially hollow material having a low average density, such as polycarbonate with a filling ratio of between 10% and 90%, obtained through a three-dimensional printing process.
  • the body of each float comprises for example two superimposed cylindrical portions, the lower cylindrical portion having a larger diameter than that of the upper cylindrical portion.
  • the shoulder formed by the abrupt variation of the diameter between the lower and upper portions advantageously serves as a bearing zone of the stops 120a-120b.
  • the upper cylindrical portion is solid, while the lower cylindrical portion is hollow.
  • the magnetic part 112a of the first float 110a and the magnetic part 112b of the second float 110b are for example made of ferrite.
  • Each magnetic piece also called magnetic core
  • each float is configured so that the center of gravity is located under Archimedes' center of thrust. Thus, the float is not likely to return.
  • the measuring device 100 also comprises a first coil 130a and a second coil 130b, respectively coupled to the first float 110a and the second float 110b.
  • a first coil 130a and a second coil 130b respectively coupled to the first float 110a and the second float 110b.
  • the first coil 130a is disposed vertically below the first float 110a and the second coil 130b is disposed vertically below the second float 110b.
  • the magnetic field generated by each coil is thus maximum around the magnetic core of the float coupled to the coil.
  • the floats 110a-110b are advantageously spaced from each other by a distance sufficient for the magnetic field generated by one coil does not affect the float coupled to the other coil.
  • the floats 110a-110b (and the coils 130a-130b) are for example spaced a distance of between 10 mm and 50 mm.
  • Each of the coils 130a-130b can be equipped with a ferromagnetic core, in order to increase the magnetic induction generated by the coil. Electromagnets are thus formed.
  • the measurement device 100 comprises one or more variable current sources 140 connected to the coils.
  • the coils 130a-130b are connected in series with a single current source 140. During operation of the device 100, they are therefore traversed simultaneously by the same current, denoted by I in FIG. 1.
  • the first float 110a is then subjected to a first magnetic attraction force F m1 (1) directed towards the first coil 130a and the second float 110b is subjected to a second magnetic attraction force F m2 (1) directed towards the second coil 130b.
  • the forces of attraction magnetic F m1 (l) and F m2 (l) depend (quadratically) on the intensity of the electric current I flowing through the coils.
  • Each float is therefore subjected to a magnetic attraction force that adds to the weight of the float to compensate, at least in part, the buoyancy force related to the volume of liquid that moves.
  • the variable electric current source 140 is controlled by a control circuit 150, preferably in the form of a microcontroller.
  • the microcontroller is advantageously configured to generate an output signal V S ET, coded on a bit.
  • the reference signal V S ET is a signal modulated in pulse density, for example according to the delta-sigma modulation method. It is directed at the input of the current source 140 and makes it possible to precisely adjust the intensity of the current I flowing through the coils 130a-130b, by giving the current source a setpoint voltage corresponding to a known current I.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of the current source 140 driven by the setpoint signal V S-
  • the current source 140 comprises the following elements:
  • a low-pass type filter 141 receiving as input the reference signal V S AND
  • an operational amplifier 142 having an output S, a positive input connected to the output S by a feedback loop and a negative input connected to the output of the filter 141;
  • a bipolar transistor 144 of the PNP type mounted as a common emitter (transmitter connected to a reference voltage Vcc, having an inverting characteristic), the base of the transistor being connected to the output of the amplifier 142 via the resistor of FIG. base 143 and the collector of the transistor being connected on the one hand to the positive terminal of the amplifier 142 (feedback loop) and on the other hand to one of the terminals of the first coil 130a.
  • the reference signal V S ET is first filtered (filter 141) in order to obtain a signal analogue of very high resolution.
  • the analog signal represents a setpoint voltage which is amplified by the amplifier 142.
  • This amplified output voltage S of the amplifier 142 imposes, through the base resistor 143, a current in the base of the bipolar transistor 144.
  • the bipolar transistor 144 mounted as a common emitter then supplies, on its collector, a current I proportional to the base current, and therefore representative of the nominal voltage.
  • a freewheeling diode 145 is advantageously connected in parallel with each coil (or electromagnet) of the device 100 (only the first coil 130a is shown in FIG. 2). This freewheeling diode 145 enables the inductive current I to be evacuated during the blocking of the bipolar transistor 144.
  • the measuring device 100 preferably comprises a first detector 160a disposed opposite the base of the first float 110a and a second detector 160b disposed opposite the base of the second float 110b.
  • the detectors 160a-160b are particularly capable of detecting the high position (against the stops 120a-120b, see Fig.1) or the low position of the floats 110a-110b, the latter position being as close as possible to the coils 130a-130b . They are preferably placed between the floats 110a-110b and the corresponding coils 130a-130b.
  • each detector 160a / 160b comprises an emitting diode 161 capable of emitting a light beam (or a beam of light rays) and a receiving diode (or photodiode) 162 capable of detecting the (or) ray (s) emitted.
  • the emitting diodes 161 and receiving 162 of each detector are positioned and oriented so that the light beam emitted by the emitting diode 161 is reflected towards the receiving diode 162 by the float 110a / 110b placed opposite the detector 160a / 160b when this float is in the up position (see Fig.3A).
  • optical link is then established between the diodes 161 and 162.
  • this optical link is on the contrary interrupted by the float 110a / 110b, which deflects the light beam.
  • the directions of emission and reception of the diodes 161 -162 form between them an angle of 45 °.
  • the wavelength of the light rays is for example chosen in the infrared range or in the visible range.
  • the intensity of the electrical signal at the output of the receiver diode 162 decreases progressively as the float 110a / 110b moves from the high position to the low position. By comparing this intensity with one or two predetermined threshold values, it is possible to determine when the float has left its high position and / or its low position. The displacement of each float can therefore be monitored by the detector 160a / 160b.
  • the measuring device 100 advantageously comprises a sealed housing 170 in which the coils 130a-130b and the current source 140 are arranged.
  • the measuring device 100 can then be introduced directly into a tank 210. filled with the liquid 200, and preferably placed at the bottom of the tank 210.
  • the control circuit 150 and the detectors 160a-160b can also be arranged in the housing 170.
  • transparent windows infrared or visible are arranged in the upper wall of the housing 170, in front of the floats 110a-110b and detectors 160a-160b.
  • the stops 120a and 120b are preferably secured to the upper wall of the housing 170. This same upper wall serves as a stop when the floats are in the low position (see Fig.3B).
  • the measuring device 100 is devoid of a sealed housing and the electrical elements of the device are placed under the bottom of the tank 210.
  • the stops 120a and 120b are then integral with the bottom of the tank 210.
  • the measuring device 100 may comprise a temperature probe (not shown in FIG. 1) for measuring the temperature of the liquid 200.
  • the temperature in combination with the density of the liquid, makes it possible to obtain valuable information about the liquid 200, for example the alcohol level and the sugar level in the case of a liquid in fermentation.
  • the measuring device 100 provides a precise value of the density pi of the liquid 200 because it takes into account the surface effects experienced by the floats 110a-110b.
  • the formation of gas bubbles is accompanied by deposits of material (eg scale, organic deposits) on the floats. These deposits are therefore a second notable example of effects. surface.
  • the floats 110a-110b are immersed in the liquid 200 supersaturated with gas. Each float is then subjected to the following forces:
  • - mi, Vi and Si are respectively the mass, the volume and the surface of the first float 110a;
  • the floats 110a-110b have different surface-to-volume ratios (V 1 / S 1 1V 2 / S 2 ), it is possible to determine using these expressions the density pi of the liquid 200 and the contribution coefficient of the surface effects K s.
  • Calculation means are therefore provided for calculating the density pi of the liquid 200 from the equilibrium currents Irl 2 , masses, volumes and surfaces of the floats 110a-110b.
  • these means are included in the control circuit 150 (eg microcontroller).
  • the masses, volumes and surfaces of the floats 110a-110b are stored in a memory (internal or external to the control circuit 150) which is accessed by a calculation unit of the control circuit 150.
  • the calculation unit is programmed to calculate the mass volumic pi as soon as it is transmitted the equilibrium currents h and h-
  • the calculation means are software means (in other words a computer program) implemented by a computer and supplied with the floats 110a-110b, the stops 120a-120b and the housing 170 containing the electronics (coils 130a-130b, current source 140 and control circuit 150).
  • the equilibrium currents h-h, masses, volumes and surfaces of the floats 110a-110b are transmitted in one or more times to the computer, which then calculates the pi density.
  • the calculation means are configured to calculate further the contribution coefficient of the surface effects K s from the equilibrium currents hh, masses, volumes and surfaces of the floats 110a-110b.
  • This contribution coefficient K s is valuable information, especially for brewers and winemakers, because it reflects the fermentative activity rate of the liquid.
  • This method comprises a step of determining the equilibrium current h associated with the first float 110a and the equilibrium current I 2 associated with the second float 110b, and then a step of calculating the density pi of the liquid 200 from the flows of equilibrium hh, surfaces, masses and volumes of the floats 110a-110b.
  • the equilibrium currents I1-I2 can be determined in different ways.
  • the floats 110a-110b are initially brought to the lower position (ie as close as possible to the coils abutting the housing 170), feeding the coils 130a-130b with a current I high value, for example 500 mA for inductance coils equal to 1 mH and floats of masses equal to 18 g. Then, the value of the current I is decreased in successive stages until at least one of the two floats, for example the first float 110a, leaves this initial position and moves towards the high position (against the stop 120a ).
  • the first detector 160a placed opposite the first float 110a (see FIG.
  • the control circuit 150 After raising the equilibrium current h, the value of the current I is again decreased until the second float 110b in turn leaves the low position. As previously with the first float 110a, the control circuit 150 is informed of the displacement of the second float 110b by the second detector 160b and records the value of the current I through the same time the second coil 130b. This value constitutes the equilibrium current l 2 associated with the second float 110b.
  • the equilibrium current h (respectively l 2 ) is equal, in this first embodiment, to the largest value of the current I bringing up the first (respectively second) float.
  • the floats 110a-110b start from the high position, rather than from the low position.
  • the current I passing through the coils 130a-130b is initially zero and the floats 110a 110b, in the absence of magnetic attraction forces, go up to the stops 120a-120b under the effect of buoyancy. Then, the current I is increased in successive stages until the first float 110a (for example) leaves its high position, and then until the second float 110b leaves its high position. With each float movement, the corresponding value of the current I is recorded by the control circuit 150 thanks to the detectors 160a-160b.
  • the equilibrium current h (respectively l 2 ) is equal in this second embodiment to the smallest value of the current I attracting the first (respectively second) float in the low position.
  • the second float 110b leaves its initial position first.
  • the equilibrium current I 2 is then raised first.
  • the successive current stages have a sufficiently long duration to allow time for each float to react and, preferably, to reach the opposite position to its initial position.
  • the duration of the steps is preferably between 0.5 s and 5 s.
  • the lower the intensity variation between two successive current stages the more exactly the equilibrium currents I 1 and I 2 are determined. This intensity variation between two successive stages is preferably constant and between 5 mA and 20 mA
  • the first mode of implementation of the measurement method has the advantage of minimizing the electrical consumption of the device 100, because the current required to keep the floats 110a-110b in the lower position is lower than that for attracting the floats 110a-110b. in the low position (due to a smaller distance between the coils and the floats in the low position).
  • the second mode of implementation is more precise by cons, because the current I, more important than in the first embodiment, is less sensitive to noise. However, this better accuracy is obtained at the expense of greater power consumption.
  • the current stages are also shorter in the second mode of implementation, because of a better reaction time floats moving in attraction (rather than loosening).
  • the measurement method may initially comprise a calibration or calibration step to determine the dependence between the magnetic force generated by each coil and the current I passing through it, namely the functions Fm-i (1) and Fm 2 (1).
  • Each of the functions Fm-i (1) and Fm 2 (1) depends in particular on the distance between the float 110a / 110b and the corresponding coil 130a / 130b, the geometries of the float and the coil (number of turns in particular) and of the density of the liquid.
  • This calibration step consists, for example, in plunging the two floats into one or more liquids of known density which does not cause any surface effect (for example water, alcohol, etc.), and to measure the equilibrium current. of each float.
  • the device for measuring the density according to the invention is particularly simple to use and allows automatic (and remote) tracking of the density of the liquid, because the time necessary to determine the equilibrium currents and to calculate the density is small, of the order of 1 minute.
  • the measurement is made in situ, which avoids contaminating the liquid by an external intervention.
  • wireless communication means with a computer or a display screen, it is possible to make the measuring device completely autonomous.
  • it is inexpensive and easy to manufacture because it is composed of simple elements (floats, coils, diodes ...) readily available commercially.
  • the measuring device according to the invention is particularly suitable for controlling fermentation and assisting with the mutation, in vats or barrels, of the wine.
  • the device is also suitable for the control of rinsing grains and the fermentation of beer. It may also apply to the control of other fermented or carbonated beverages.
  • the variable current source can provide two separate currents and power the first and second coils separately. The coils are not necessarily connected in series with the variable current source.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de mesure de la masse volumique d'un liquide sursaturé en gaz, comprenant : - un premier flotteur de surface et volume connus, comportant une première pièce magnétique; - un deuxième flotteur de surface et volume connus, comportant une deuxième pièce magnétique, les premier et deuxième flotteurs présentant des rapports surface sur volume différents; - une première bobine capable d'interagir avec la première pièce magnétique pour exercer sur le premier flotteur une force d'attraction magnétique en direction de la première bobine; - une deuxième bobine capable d'interagir avec la deuxième pièce magnétique pour exercer sur le deuxième flotteur une force d'attraction magnétique en direction de la deuxième bobine; - une source de courant variable reliée à la première bobine et à la deuxième bobine, configurée pour générer un premier courant d'équilibre, tel que la force d'attraction magnétique s'exerçant sur le premier flotteur compense une force verticale résultant du poids du premier flotteur, de la poussée d'Archimède et des effets surfaciques subis par le premier flotteur et pour générer un deuxième courant d'équilibre, tel que la force d'attraction magnétique s'exerçant sur le deuxième flotteur compense une force verticale résultant du poids du deuxième flotteur, de la poussée d'Archimède et des effets surfaciques subis par le deuxième flotteur; - des moyens pour calculer la masse volumique du liquide à partir des premier et deuxième courants d'équilibre, de la surface et du volume du premier flotteur, et de la surface et du volume du deuxième flotteur.

Description

DISPOSITIF ET PROCEDE DE MESURE DE LA MASSE VOLUMIQUE D'UN
LIQUIDE SURSATURE EN GAZ
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un dispositif et un procédé de mesure de la masse volumique d’un liquide sursaturé en gaz. L’invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de la vinification ou celui du brassage.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
Une technique connue pour mesurer la masse volumique d’un liquide consiste à plonger dans le liquide un flotteur de masse et volume connus, puis à déterminer la force verticale qui s’exerce sur le flotteur. Cette force verticale est fonction du poids du flotteur (force dirigée vers le bas) et de la poussée d’Archimède subie par le flotteur (force dirigée vers le haut), cette dernière force étant proportionnelle à la masse volumique du liquide.
Il est également connu, pour des mesures de ce genre, d’équilibrer la force verticale s’exerçant sur le flotteur par une force d’attraction magnétique. Pour cela, le flotteur est muni d’un cœur magnétique. La force d’attraction magnétique résulte de l’action, sur le cœur magnétique du flotteur, d’un champ magnétique généré par une bobine. La bobine, située à la verticale du flotteur, est parcourue par un courant électrique dont l’intensité détermine la norme de la force d’attraction magnétique. La mesure de la masse volumique consiste alors à déterminer l’intensité du courant à laquelle la force d’attraction magnétique, additionnée au poids du flotteur, compense au mieux la poussée d’Archimède. Cette intensité dite d’équilibre est une image de la masse volumique du liquide.
Le brevet FR1583459 décrit un dispositif de mesure de la masse volumique d’un fluide par attraction magnétique d’un flotteur. Le flotteur comporte à sa base un aimant permanent constitué de ferrite. Cet aimant permanent interagit avec deux bobines : une première bobine dite « principale » qui génère la force d’attraction magnétique et une deuxième bobine dite « détectrice » qui détecte les déplacements du flotteur. La bobine principale est parcourue par une rampe de courant, c’est-à-dire par un courant électrique dont l’intensité augmente de façon régulière et continue. Lorsque la force d’attraction devient plus importante que la force verticale résultant du poids et de la poussée d’Archimède, c’est-à-dire lorsque l’intensité du courant dépasse la valeur d’équilibre, le flotteur coule. Ce déplacement est détecté par la bobine détectrice qui, en réponse, déclenche l’enregistrement de la valeur du courant parcourant à cet instant la bobine principale.
Pour certaines applications, la masse volumique nécessite d’être mesurée fréquemment et de manière autonome. Dans le domaine de la vinification ou du brassage par exemple, le contrôle régulier de la masse volumique du vin ou de la bière permet de suivre l’avancement du processus de fermentation, et plus particulièrement les variations du taux d’alcool et du taux de sucre.
La méthode de mesure par attraction magnétique d’un flotteur s’avère particulièrement adaptée à ces applications, en raison notamment de son faible coût et de sa facilité de mise en œuvre. Les milieux liquides sursaturés en gaz, tels que le vin ou la bière en fermentation, introduisent cependant une difficulté supplémentaire : la mesure de la masse volumique est perturbée par des bulles de gaz (en l’espèce du dioxyde de carbone) qui se forment à la surface du flotteur et, dans une moindre de mesure, par des dépôts de matière sur le flotteur. Les bulles de gaz augmentent la poussée d’Archimède subie par le flotteur, tandis que les dépôts augmentent le poids du flotteur. Comme il n’existe à l’heure actuelle aucune technique pour mesurer l’impact de ces effets surfaciques, il est impossible de corriger la mesure de masse volumique. Celle-ci reste donc entachée d’erreur. La demande de brevet EP2698620 décrit un dispositif pour mesurer la masse volumique du vin en fermentation, qui vise à résoudre le problème des bulles de gaz accrochées au flotteur et des dépôts sur le flotteur. Chaque phase de mesure de la masse volumique est précédée d’un cycle de nettoyage, au cours duquel le flotteur est amené en contact avec la paroi supérieure d’une chambre de nettoyage remplie de gaz. Lors de l’impact avec cette paroi, le flotteur est débarrassé des bulles de gaz et des dépôts. Le cycle de nettoyage du document EP2698620 n’est toutefois pas très utile, car de nouvelles bulles de gaz se forment à la surface du flotteur aussitôt qu’il est replongé dans le vin. La nouvelle mesure de la masse volumique n’est alors pas aussi précise qu’espéré. RÉSUMÉ DE L’INVENTION
L’invention a pour but de tenir compte des effets surfaciques dans la mesure, par attraction magnétique d’un flotteur, de la masse volumique d’un liquide sursaturé en gaz, afin que ce type de mesure soit plus précis. Les effets surfaciques sont par exemple des dépôts de matière (tartre, matières organiques...) et la formation de bulles de gaz à la surface du flotteur.
Selon un premier aspect de l’invention, ce but est atteint en prévoyant un dispositif de mesure de la masse volumique d’un liquide sursaturé en gaz, comprenant :
- un premier flotteur de surface et volume connus, destiné à être immergé dans le liquide et comportant une première pièce magnétique ;
- un deuxième flotteur de surface et volume connus, destiné à être immergé dans le liquide et comportant une deuxième pièce magnétique, les premier et deuxième flotteurs présentant des rapports surface sur volume différents ; - une première bobine capable d’interagir avec la première pièce magnétique pour exercer sur le premier flotteur une force d’attraction magnétique en direction de la première bobine ;
- une deuxième bobine capable d’interagir avec la deuxième pièce magnétique pour exercer sur le deuxième flotteur une force d’attraction magnétique en direction de la deuxième bobine ;
- une source de courant variable reliée à la première bobine et configurée pour générer un premier courant d’équilibre, tel que la force d’attraction magnétique s’exerçant sur le premier flotteur compense une force verticale résultant du poids du premier flotteur, de la poussée d’Archimède et des effets surfaciques subis par le premier flotteur, la source de courant variable étant en outre reliée à la deuxième bobine et configurée pour générer un deuxième courant d’équilibre, tel que la force d’attraction magnétique s’exerçant sur le deuxième flotteur compense une force verticale résultant du poids du deuxième flotteur, de la poussée d’Archimède et des effets surfaciques subis par le deuxième flotteur ;
- des moyens pour calculer la masse volumique du liquide à partir des premier et deuxième courants d’équilibre, de la surface et du volume du premier flotteur, et de la surface et du volume du deuxième flotteur.
Grâce à ses deux flotteurs de rapports volume sur surface différents, le dispositif selon l’invention permet de distinguer les effets surfaciques (bulles et dépôts) des effets volumiques (poids et poussée d’Archimède liée au volume des flotteurs) dans la mesure de la masse volumique d’un liquide sursaturé en gaz. Une valeur précise de la masse volumique, indépendante de la quantité de bulles ou de dépôts à la surface des flotteurs, peut ainsi être obtenue.
Le dispositif de mesure selon l’invention ne requiert pas de système de nettoyage des flotteurs. Il est donc moins coûteux et plus compact que le dispositif de l’art antérieur.
L’équilibre de chaque flotteur peut se traduire par une expression faisant intervenir la masse volumique du liquide et un coefficient de contribution des effets surfaciques. Il est donc possible de déterminer, en plus de la masse volumique du liquide, la contribution des effets surfaciques dans l’équilibre des forces des deux flotteurs. À cet effet, le dispositif de mesure comporte avantageusement des moyens pour calculer le coefficient de contribution des effets surfaciques à partir des premier et deuxième courants d’équilibre, de la surface et du volume du premier flotteur, et de la surface et du volume du deuxième flotteur.
Dans un mode de réalisation préférentiel du dispositif de mesure selon l’invention, la première bobine et la deuxième bobine sont connectées en série avec la source de courant variable. Une seule source de courant peut ainsi être utilisée pour alimenter les deux bobines simultanément, ce qui réduit le coût global du dispositif de mesure.
Selon un développement de l’invention, le dispositif de mesure comprend en outre un circuit de commande de la source de courant variable, le circuit de commande étant configuré pour amener les premier et deuxième flotteurs contre une butée, en position initiale, et pour faire varier par paliers successifs le courant généré par la source de courant variable jusqu’à ce que le premier flotteur et le deuxième flotteur aient quitté leur position initiale. La position initiale est de préférence une position haute ou une position basse.
Le dispositif de mesure comprend avantageusement un premier détecteur configuré pour détecter la position du premier flotteur et un deuxième détecteur configuré pour détecter la position du deuxième flotteur.
De préférence, le premier détecteur et le deuxième détecteur comportent chacun une diode émettrice d’un rayon lumineux et une diode réceptrice du rayon lumineux, les diodes émettrice et réceptrice du premier détecteur étant agencées de sorte à établir entre elles une liaison par réflexion du rayon lumineux sur le premier flotteur, lorsque le premier flotteur est en position haute, les diodes émettrice et réceptrice du deuxième détecteur étant agencées de sorte à établir entre elles une liaison par réflexion du rayon lumineux sur le deuxième flotteur, lorsque le deuxième flotteur est en position haute. Le dispositif de mesure selon l’invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- le dispositif comprend en outre un boîtier étanche dans lequel sont disposées la première bobine, la deuxième bobine et la source de courant variable ;
- le dispositif comprend en outre une première butée aménagée pour retenir le premier flotteur en position haute et une deuxième butée aménagée pour retenir le deuxième flotteur en position haute ; et
- le liquide sursaturé en gaz est par exemple du vin, de la bière ou toute autre boisson en fermentation.
Un deuxième aspect de l’invention concerne un procédé de mesure de la masse volumique d’un liquide sursaturé en gaz. Ce procédé comprend les étapes suivantes :
- immerger dans le liquide un premier flotteur de surface et volume connus et comportant une première pièce magnétique ;
- immerger dans le liquide un deuxième flotteur de surface et volume connus et comportant une deuxième pièce magnétique, les premier et deuxième flotteurs présentant des rapports surface sur volume différents ;
- coupler au premier flotteur une première bobine capable d’interagir avec la première pièce magnétique pour exercer sur le premier flotteur une force d’attraction magnétique en direction de la première bobine ;
- coupler au deuxième flotteur une deuxième bobine capable d’interagir avec la deuxième pièce magnétique pour exercer sur le deuxième flotteur une force d’attraction magnétique en direction de la deuxième bobine ;
- alimenter en courant la première bobine et déterminer un premier courant d’équilibre, tel que la force d’attraction magnétique s’exerçant sur le premier flotteur compense une force verticale résultant du poids du premier flotteur, de la poussée d’Archimède et des effets surfaciques subis par le premier flotteur ;
- alimenter en courant la deuxième bobine et déterminer un deuxième courant d’équilibre, tel que la force d’attraction magnétique s’exerçant sur le deuxième flotteur compense une force verticale résultant du poids du deuxième flotteur, de la poussée d’Archimède et des effets surfaciques subis par le deuxième flotteur ;
- calculer la masse volumique du liquide à partir des premier et deuxième courants d’équilibre, de la surface et du volume du premier flotteur, et de la surface et du volume du deuxième flotteur. Dans un premier mode de mise en œuvre du procédé de mesure selon l’invention, la détermination du premier courant d’équilibre comporte les opérations suivantes :
- amener le premier flotteur contre une butée, en position basse ;
- diminuer par paliers successifs le courant alimentant la première bobine jusqu’à atteindre une première valeur de courant à laquelle le premier flotteur quitte sa position basse ; et
- relever la première valeur de courant ;
et la détermination du deuxième courant d’équilibre comporte les opérations suivantes :
- amener le deuxième flotteur contre une butée, en position basse ;
- diminuer par paliers successifs le courant alimentant la deuxième bobine jusqu’à atteindre une deuxième valeur de courant à laquelle le deuxième flotteur quitte sa position basse ; et
- relever la deuxième valeur de courant.
Dans un deuxième mode de mise en œuvre du procédé de mesure selon l’invention, la détermination du premier courant d’équilibre comporte les opérations suivantes :
- amener le premier flotteur contre une butée, en position haute ;
- augmenter par paliers successifs le courant alimentant la première bobine jusqu’à atteindre une première valeur de courant à laquelle le premier flotteur quitte sa position haute ; et
- relever la première valeur de courant ;
et la détermination du deuxième courant d’équilibre comporte les opérations suivantes :
- amener le deuxième flotteur contre une butée, en position haute ;
- augmenter par paliers successifs le courant alimentant la deuxième bobine jusqu’à atteindre une deuxième valeur de courant à laquelle le deuxième flotteur quitte sa position haute ; et
- relever la deuxième valeur de courant.
De préférence, la première bobine et la deuxième bobine sont traversées simultanément par un même courant. BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :
- la figure 1 représente, en situation de fonctionnement, un dispositif de mesure de la masse volumique d’un liquide selon un mode de réalisation préférentiel de l’invention ;
- la figure 2 représente un exemple de réalisation de la source de courant variable incluse dans le dispositif de la figure 1 ;
- les figures 3A et 3B illustrent un mode de réalisation préférentiel des détecteurs de position inclus dans le dispositif de la figure 1.
Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l’ensemble des figures.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE D’AU MOINS UN MODE DE RÉALISATION
La figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation préférentiel d’un dispositif 100 conçu pour mesurer simplement la masse volumique d’un liquide 200 sursaturé en gaz, tel que du vin ou de la bière en fermentation. L’expression « sursaturé en gaz » signifie que le liquide 200 contient plus de gaz qu’il ne peut en dissoudre. Cet état instable se caractérise par la formation de bulles de gaz dans le liquide 200.
Le dispositif de mesure 100 comprend un premier flotteur 110a et un deuxième flotteur 110b, tous deux plongés dans le liquide 200 lors du fonctionnement du dispositif. Chacun des flotteurs 110a-110b possède une masse volumique inférieure à celle du liquide 200 et, de préférence, inférieure à celle de l’eau (1 g/cm3 à 3,98 °C). Chacun des flotteurs 110a-110b est donc soumis à une poussée d’Archimède, supérieure au poids du flotteur, qui tend à faire remonter le flotteur à la surface du liquide 200.
Les flotteurs 110a-110b sont toutefois empêchés de remonter à la surface du liquide 200, grâce à une ou plusieurs butées. Les flotteurs sont donc complètement immergés dans le liquide 200 lors du fonctionnement du dispositif 100. Avantageusement, le premier flotteur 110a est retenu par une première butée 120a et le deuxième flotteur 110b est retenu par une deuxième butée 120b. La position des flotteurs 110a-110b lorsqu’ils sont au contact des butées 120a-120b est appelée « position haute » et correspond à la position la plus proche possible de la surface du liquide 200.
Les flotteurs 110a-110b présentent chacun une masse, un volume et une surface de valeurs connues. La masse, le volume et la surface du premier flotteur 110a sont notés respectivement m-i, V-i et S-i . La masse, le volume et la surface du deuxième flotteur 110b sont notés respectivement m2, V2 et S2. Les flotteurs 110a-110b ont en outre des rapports volume sur surface différents (V1/S1 ¹ V2/S2).
Par souci d’économie, les flotteurs 110a et 110b peuvent être construits de la même manière. Chacun des flotteurs 110a, 110b comprend alors un corps 111a, 111 b et une pièce magnétique 112a, 112b. Le corps 111 a du premier flotteur 110a et le corps 111 b du deuxième flotteur 110b sont constitués d’un matériau léger (i.e. masse volumique comprise entre 0,1 g/cm3 et 0,9 g/ cm3), tel que le liège, ou bien d’un matériau partiellement évidé présentant de fait une faible densité moyenne, tel que le polycarbonate avec un taux de remplissage compris entre 10 % et 90 %, obtenu grâce à un procédé d’impression en trois dimensions. Le corps de chaque flotteur comprend par exemple deux portions cylindriques superposées, la portion cylindrique inférieure ayant un diamètre plus important que celui de la portion cylindrique supérieure. L’épaulement formé par la variation brusque du diamètre entre les portions inférieure et supérieure sert avantageusement de zone d’appui des butées 120a-120b. De préférence, la portion cylindrique supérieure est pleine, tandis que la portion cylindrique inférieure est creuse.
La pièce magnétique 112a du premier flotteur 110a et la pièce magnétique 112b du deuxième flotteur 110b sont par exemple en ferrite. Chaque pièce magnétique (appelée aussi cœur magnétique) est de préférence logée dans la portion cylindrique inférieure du corps associé.
De préférence, chaque flotteur est configuré de sorte que le centre de gravité se situe sous le centre de poussée d’Archimède. Ainsi, le flotteur ne risque pas de retourner.
Le dispositif de mesure 100 comprend également une première bobine 130a et une deuxième bobine 130b, couplées respectivement au premier flotteur 110a et au deuxième flotteur 110b. Lorsqu’une des bobines 130a-130b est parcourue par un courant électrique, elle génère un champ magnétique qui, en interagissant avec le cœur magnétique du flotteur couplé à la bobine, exerce sur le flotteur une force d’attraction magnétique dirigée vers la bobine.
De préférence, la première bobine 130a est disposée verticalement en dessous du premier flotteur 110a et la deuxième bobine 130b est disposée verticalement en dessous du deuxième flotteur 110b. Le champ magnétique généré par chaque bobine est ainsi maximal autour du cœur magnétique du flotteur couplé à la bobine. Par ailleurs, les flotteurs 110a-110b sont avantageusement espacés l’un de l’autre d’une distance suffisante pour que le champ magnétique généré par une bobine n’influe pas sur le flotteur couplé à l’autre bobine. Les flotteurs 110a-110b (ainsi que les bobines 130a-130b) sont par exemple espacés d’une distance comprise entre 10 mm et 50 mm.
Chacune des bobines 130a-130b peut être équipée d’un noyau ferromagnétique, afin d'augmenter l'induction magnétique générée par la bobine. Des électro-aimants sont ainsi formés. Pour alimenter en courant électrique les bobines 130a-130b, le dispositif de mesure 100 comporte une ou plusieurs sources de courant variable 140 reliées aux bobines. Dans le mode de réalisation préférentiel de la figure 1 , les bobines 130a- 130b sont connectées en série avec une unique source de courant 140. Lors du fonctionnement du dispositif 100, elles sont donc traversées simultanément par un même courant, noté I sur la figure 1. Le premier flotteur 110a est alors soumis à une première force d’attraction magnétique Fm1(l) dirigée vers la première bobine 130a et le deuxième flotteur 110b est soumis à une deuxième force d’attraction magnétique Fm2(l) dirigée vers la deuxième bobine 130b. Les forces d’attraction magnétique Fm1(l) et Fm2(l) dépendent (quadratiquement) de l’intensité du courant électrique I parcourant les bobines.
Chaque flotteur est donc soumis à une force d’attraction magnétique qui s’additionne au poids du flotteur pour compenser, au moins en partie, la poussée d’Archimède liée au volume de liquide qu’il déplace.
La source de courant électrique variable 140 est commandée par un circuit de commande 150, de préférence sous la forme d’un microcontrôleur. Le microcontrôleur est avantageusement configuré pour générer en sortie un signal numérique de consigne VSET, codé sur un bit. Le signal de consigne VSET est un signal modulé en densité d’impulsions, par exemple selon la méthode de modulation delta-sigma. Il est dirigé en entrée de la source de courant 140 et permet de régler précisément l’intensité du courant I parcourant les bobines 130a-130b, en donnant à la source de courant une tension de consigne correspondant à un courant I connu.
La figure 2 montre un exemple de réalisation de la source de courant 140 pilotée par le signal de consigne VSET- La source de courant 140 comprend les éléments suivants :
- un filtre 141 de type passe-bas, recevant en entrée le signal de consigne VSET
(modulé et codé sur un bit) issu du microcontrôleur ;
- un amplificateur opérationnel 142 ayant une sortie S, une entrée positive reliée à la sortie S par une boucle de contre-réaction et une entrée négative reliée à la sortie du filtre 141 ;
- une résistance de base 143 placée en sortie S de l’amplificateur 142 ; et
- un transistor bipolaire 144 de type PNP monté en émetteur commun (émetteur connecté à une tension de référence Vcc, présentant une caractéristique inverseuse), la base du transistor étant reliée à la sortie de l’amplificateur 142 par l’intermédiaire de la résistance de base 143 et le collecteur du transistor étant connecté d’une part à la borne positive de l’amplificateur 142 (boucle de contre-réaction) et d’autre part à l’une des bornes de la première bobine 130a.
Ainsi, le signal de consigne VSET est d’abord filtré (filtre 141 ) afin d’obtenir un signal analogique de très haute résolution. Le signal analogique représente une tension de consigne qui est amplifiée par l’amplificateur 142. Cette tension amplifiée en sortie S de l’amplificateur 142 impose, par le biais de la résistance de base 143, un courant dans la base du transistor bipolaire 144. Le transistor bipolaire 144 monté en émetteur commun fournit alors, sur son collecteur, un courant I proportionnel au courant de base, et donc représentatif de la tension de consigne.
Par ailleurs, une diode de roue libre 145 est avantageusement connectée en parallèle de chaque bobine (ou électroaimant) du dispositif 100 (seule la première bobine 130a est représentée sur la figure 2). Cette diode de roue libre 145 permet au courant inductif I de s’évacuer lors du blocage du transistor bipolaire 144.
Afin de connaître la position des flotteurs 110a-110b et modifier en conséquence les forces d’attraction magnétique Fm1(l) et Fm2(l), un ou plusieurs détecteurs de position peuvent être reliés au circuit de commande 150. En référence à la figure 1 , le dispositif de mesure 100 comprend de préférence un premier détecteur 160a disposé en regard de la base du premier flotteur 110a et un deuxième détecteur 160b disposé en regard de la base du deuxième flotteur 110b. Les détecteurs 160a-160b sont notamment capables de détecter la position haute (contre les butées 120a- 120b ; cf. Fig.1 ) ou la position basse des flotteurs 110a-110b, cette dernière position étant la plus proche possible des bobines 130a-130b. Ils sont de préférence placés entre les flotteurs 110a-110b et les bobines correspondantes 130a-130b.
Dans un mode de réalisation préférentiel représenté par les figure 3A et 3B, les détecteurs 160a-160b opèrent selon un mode de détection optique. Chaque détecteur 160a/160b comprend une diode émettrice 161 capable d’émettre un rayon lumineux (ou un faisceau de rayons lumineux) et une diode réceptrice (ou photodiode) 162 capable de détecter le (ou les) rayon (s) émis. Les diodes émettrice 161 et réceptrice 162 de chaque détecteur sont positionnées et orientées de telle façon que le rayon lumineux émis par la diode émettrice 161 soit réfléchi en direction de la diode réceptrice 162 par le flotteur 110a/110b placé en regard du détecteur 160a/160b, lorsque ce flotteur est en position haute (cf. Fig.3A). Une liaison optique est alors établie entre les diodes 161 et 162. Lorsque le flotteur 110a/110b est en position basse (ci. Fig.3B), cette liaison optique est au contraire interrompue par le flotteur 110a/110b, qui dévie le rayon lumineux. De préférence, les directions d’émission et de réception des diodes 161 -162 forment entre elles un angle de 45°. La longueur d’onde des rayons lumineux est par exemple choisie dans le domaine infrarouge ou dans le domaine visible.
L’intensité du signal électrique en sortie de la diode réceptrice 162 diminue progressivement lorsque le flotteur 110a/110b se déplace de la position haute à la position en basse. En comparant cette intensité à une ou deux valeurs seuil prédéterminées, il est possible de déterminer à quel moment le flotteur a quitté sa position haute et/ou sa position basse. Le déplacement de chaque flotteur peut donc être surveillé grâce au détecteur 160a/160b.
De nouveau en référence à la figure 1 , le dispositif de mesure 100 comprend avantageusement un boîtier étanche 170 dans lequel sont disposées les bobines 130a-130b et la source de courant 140. Le dispositif de mesure 100 peut alors être introduit directement dans une cuve 210 remplie du liquide 200, et de préférence posé au fond de la cuve 210. Le circuit de commande 150 et les détecteurs 160a-160b peuvent être également disposés dans le boîtier 170. Dans ce cas, des fenêtres transparentes aux rayons infrarouges ou visibles sont aménagées dans la paroi supérieure du boîtier 170, en face des flotteurs 110a-110b et des détecteurs 160a-160b. Les butées 120a et 120b sont de préférence solidaires de la paroi supérieure du boîtier 170. Cette même paroi supérieure sert de butée lorsque les flotteurs sont en position basse (cf. Fig.3B).
Dans une variante de réalisation non représentée par les figures, le dispositif de mesure 100 est dépourvu de boîtier étanche et les éléments électriques du dispositif sont placés sous le fond de la cuve 210. Les butées 120a et 120b sont alors solidaires du fond de la cuve 210.
Enfin, le dispositif de mesure 100 peut comporter une sonde de température (non représentée sur la figure 1 ) pour mesurer la température du liquide 200. La température, en combinaison de la masse volumique du liquide, permet d’obtenir de précieuses informations sur le liquide 200, par exemple le taux d’alcool et le taux de sucre dans le cas d’un liquide en fermentation.
Le dispositif de mesure 100 fournit une valeur précise de la masse volumique pi du liquide 200 car il prend en compte les effets surfaciques subis par les flotteurs 110a- 110b. L’effet surfacique le plus important, présent dans tout liquide sursaturé en gaz, est la formation de bulles de gaz à la surface des flotteurs. Dans des milieux liquides en fermentation, tel que le vin ou la bière, la formation de bulles de gaz s’accompagne de dépôts de matière (ex. tartre, dépôt organiques) sur les flotteurs Ces dépôts constituent donc un deuxième exemple notable d’effets surfaciques.
La façon dont le dispositif de mesure 100 prend en compte les effets surfaciques est décrite ci-après. Lors du fonctionnement du dispositif 100, les flotteurs 110a-110b sont plongés dans le liquide 200 sursaturé en gaz. Chaque flotteur est alors soumis aux forces suivantes :
- son poids (dirigée vers le bas), proportionnelle à la masse du flotteur ;
- la poussée d’Archimède (dirigée vers le haut), proportionnelle au volume du flotteur et à la masse volumique pi du liquide 200 ;
- une force (essentiellement verticale, en général dirigée vers le haut) liée aux effets surfaciques et proportionnelle à la surface du flotteur ; et
- la force d’attraction magnétique (dirigée vers le bas), qui est fonction du courant I traversant la bobine couplé au flotteur.
Pour une valeur dite d’équilibre du courant I, la force d’attraction magnétique exercée par la bobine compense exactement la force verticale résultant du poids, de la poussée d’Archimède et de la force liée aux effets surfaciques. Cet état d’équilibre se traduit dans le cas du premier flotteur 110a par l’équation suivante :
Figure imgf000016_0001
dans laquelle : - m-i, V-i et Si sont respectivement la masse, le volume et la surface du premier flotteur 110a ;
- Ks est un coefficient de contribution des effets surfaciques (qui peut être positif ou négatif) ;
- Fm1(l-i) est la force d’attraction magnétique s’exerçant sur le premier flotteur lorsque la première bobine 130a est traversée par le courant d’équilibre h ; et
- g est la constante gravitationnelle.
De la même manière, l’équilibre des forces du deuxième flotteur 110b se traduit par l’équation suivante :
Figure imgf000017_0001
avec respectivement m2, V2 et S la masse, le volume et la surface du deuxième flotteur 110b, et Fm2(l2) la force d’attraction magnétique s’exerçant sur le deuxième flotteur lorsque la deuxième bobine 130b est traversée par le courant d’équilibre l2. La mesure de masse volumique effectuée par le dispositif 100 suppose que les deux flotteurs 110a-110b sont affectés dans les mêmes proportions, eu égard leur surface respective, par la formation de bulles de gaz et les dépôts de matière, c’est pourquoi le coefficient de contribution des effets surfaciques Ks est le même pour les deux flotteurs.
À l’exception de la masse volumique pi et du coefficient de contribution des effets surfaciques Ks, toutes les grandeurs des équations (1 ) et (2) ci-dessus sont connues ou facilement déterminables. L’utilisation de deux flotteurs permet donc d’obtenir deux équations à deux inconnues, pi et Ks. En combinant ces équations, une expression théorique de la masse volumique pi et une expression théorique du coefficient de contribution Ks peuvent être obtenues :
Figure imgf000017_0002
Comme les flotteurs 110a-110b possèdent des rapports surface sur volume différents (V1/S1 ¹ V2/S2), il est possible de déterminer à l’aide de ces expressions la masse volumique pi du liquide 200 et le coefficient de contribution des effets surfaciques Ks.
Des moyens de calculs sont donc prévus pour calculer la masse volumique pi du liquide 200 à partir des courants d’équilibre lrl2, des masses, volumes et surfaces des flotteurs 110a-110b. Dans un mode de réalisation du dispositif de mesure, ces moyens sont inclus dans le circuit de commande 150 (ex. microcontrôleur). Les masses, volumes et surfaces des flotteurs 110a-110b sont enregistrés dans une mémoire (interne ou externe au circuit de commande 150) à laquelle accède une unité de calcul du circuit de commande 150. L’unité de calcul est programmée pour calculer la masse volumique pi dès que lui sont transmis les courants d’équilibre h et h-
Dans une variante de réalisation, les moyens de calcul sont des moyens logiciels (autrement dit un programme d’ordinateur) mis en œuvre par un ordinateur et fournis avec les flotteurs 110a-110b, les butées 120a-120b et le boîtier 170 contenant l’électronique (bobines 130a-130b, source de courant 140 et circuit de commande 150). Les courants d’équilibre h-h, masses, volumes et surfaces des flotteurs 110a- 110b sont transmis en une ou plusieurs fois à l’ordinateur, qui calcule alors la masse volumique pi.
De façon avantageuse, les moyens de calcul sont configurés pour calculer en outre le coefficient de contribution des effets surfaciques Ks à partir des courants d’équilibre h-h, des masses, volumes et surfaces des flotteurs 110a-110b. Ce coefficient de contribution Ks constitue une information précieuse, notamment pour les brasseurs et les vinificateurs, car il reflète le taux d’activité fermentaire du liquide.
Partant du principe du fonctionnement décrit plus haut, un procédé de mesure de la masse volumique pi à l’aide du dispositif 100 a été mis au point. Ce procédé comporte une étape de détermination du courant d’équilibre h associé au premier flotteur 110a et du courant d’équilibre l2 associé au deuxième flotteur 110b, puis une étape de calcul de la masse volumique pi du liquide 200 à partir des courants d’équilibre h-h, des surfaces, masses et volumes des flotteurs 110a-110b. Les courants d’équilibre I1-I2 peuvent être déterminés de différentes façons.
Selon un premier mode de mise en œuvre du procédé de mesure, les flotteurs 110a- 110b sont amenés initialement en position basse (i.e. au plus près des bobines en butée contre le boîtier 170), en alimentant les bobines 130a-130b avec un courant I de valeur élevée, par exemple 500 mA pour des bobines d’inductances égales à 1 mH et des flotteurs de masses égales à 18 g. Puis, la valeur du courant I est diminuée par paliers successifs jusqu’à ce qu’au moins l’un des deux flotteurs, par exemple le premier flotteur 110a, quitte cette position initiale et se dirige vers la position haute (contre la butée 120a). Le premier détecteur 160a, disposé en regard du premier flotteur 110a (cf. Fig.1 ), informe alors le circuit de commande 150 de l’instant auquel le premier flotteur 110a quitte sa position basse et le circuit de commande 150 enregistre la valeur du courant I traversant la première bobine 130a à cet instant. La valeur enregistrée constitue le courant d’équilibre h associé au premier flotteur 110a. En effet, à l’instant où le flotteur quitte la position basse, l’équilibre des forces vient tout juste d’être dépassé.
Après avoir relevé le courant d’équilibre h , la valeur du courant I est à nouveau diminuée jusqu’à ce que le deuxième flotteur 110b quitte à son tour la position basse. Comme précédemment avec le premier flotteur 110a, le circuit de commande 150 est informé du déplacement du deuxième flotteur 110b par le deuxième détecteur 160b et enregistre la valeur du courant I traversant au même moment la deuxième bobine 130b. Cette valeur constitue le courant d’équilibre l2 associé au deuxième flotteur 110b.
Le courant d’équilibre h (respectivement l2) est donc égal, dans ce premier mode de mise en œuvre, à la plus grande valeur du courant I faisant remonter le premier (respectivement deuxième) flotteur.
Selon un deuxième mode de mise en œuvre du procédé de mesure, les flotteurs 110a-110b partent depuis la position haute, plutôt que de la position basse. Le courant I traversant les bobines 130a-130b est initialement nul et les flotteurs 110a- 110b, en l’absence de forces d’attraction magnétique, remontent jusqu’aux butées 120a-120b sous l’effet de la poussée d’Archimède. Puis, le courant I est augmenté par paliers successifs jusqu’à ce que le premier flotteur 110a (par exemple) quitte sa position haute, puis jusqu’à ce que le deuxième flotteur 110b quitte sa position haute. À chaque déplacement de flotteur, la valeur correspondante du courant I est enregistrée par le circuit de commande 150 grâce aux détecteurs 160a-160b.
Le courant d’équilibre h (respectivement l2) est donc égal dans ce deuxième mode de mise en œuvre à la plus petite valeur du courant I attirant le premier (respectivement deuxième) flotteur en position basse.
Dans certains cas (typiquement lorsque le deuxième flotteur 110b a une plus petite flottabilité que le premier flotteur 110a), le deuxième flotteur 110b quitte sa position initiale en premier. Le courant d’équilibre l2 est alors relevé en premier. Par ailleurs, les paliers de courant successifs ont une durée suffisamment longue pour laisser le temps à chaque flotteur de réagir et, de préférence, d’atteindre la position opposée à sa position initiale. La durée des paliers est de préférence comprise entre 0.5 s et 5 s. Enfin, plus la variation d’intensité entre deux paliers de courant successifs est faible, plus les courants d’équilibre l1 et l2 sont déterminés avec précision. Cette variation d’intensité entre deux paliers successifs est de préférence constante et comprise entre 5 mA et 20 mA
Le premier mode de mise en œuvre du procédé de mesure présente l’avantage de minimiser la consommation électrique du dispositif 100, car le courant nécessaire pour maintenir les flotteurs 110a-110b en position basse est plus faible que celui pour attirer les flotteurs 110a-110b en position basse (du fait d’une distance plus faible entre les bobines et les flotteurs en position basse). Le deuxième mode de mise en œuvre est par contre plus précis, car le courant I, plus important que dans le premier mode de mise en œuvre, est moins sensible au bruit. Cette meilleure précision est par contre obtenue au détriment d’une consommation électrique plus importante. Les paliers de courant sont également plus courts dans le deuxième mode de mise en œuvre, du fait d’un meilleur temps de réaction des flotteurs se déplaçant en attraction (plutôt qu’en relâchement). Le procédé de mesure peut comprendre initialement une étape de calibration ou d’étalonnage visant à déterminer la dépendance entre la force magnétique générée par chaque bobine et le courant I la traversant, soit les fonctions Fm-i(l) et Fm2(l). Chacune des fonctions Fm-i(l) et Fm2(l) dépend notamment de la distance entre le flotteur 110a/110b et la bobine 130a/130b correspondante, des géométries du flotteur et de la bobine (nombre de spires notamment) et de la densité du liquide. Cette étape de calibration consiste par exemple à plonger les deux flotteurs dans un ou plusieurs liquides de densité connue ne causant aucun effet surfacique (par exemple de l’eau, de l’alcool...), et à mesurer le courant d’équilibre de chaque flotteur.
Le dispositif de mesure de la masse volumique selon l’invention, décrit ci-dessus en relation avec la figure 1 , est particulièrement simple d’utilisation et permet un suivi automatique (et à distance) de la masse volumique du liquide, car le temps nécessaire à la détermination des courants d’équilibre et au calcul de la masse volumique est faible, de l’ordre de 1 minute. La mesure est effectuée in situ, ce qui évite de contaminer le liquide par une intervention extérieure. En outre, en l’équipant de moyens de communication sans-fil avec un ordinateur ou un écran d’affichage, il est possible de rendre le dispositif de mesure complètement autonome. Enfin, il est peu coûteux et facile à fabriquer, car il est composé d’éléments simples (flotteurs, bobines, diodes...) facilement disponibles dans le commerce.
Compte tenu de ces atouts, le dispositif de mesure selon l’invention est particulièrement adapté au contrôle de la fermentation et à l’assistance à la mutation, en cuve ou en tonneau, du vin. Le dispositif est également adapté au contrôle du rinçage des drêches et à la fermentation de la bière. Il peut aussi s’appliquer au contrôle d’autres boissons fermentées ou gazéifiées. De nombreuses variantes et modifications du dispositif de mesure selon l’invention apparaîtront à l’homme du métier. En particulier, la source de courant variable peut fournir deux courants distincts et alimenter les première et deuxième bobines séparément. Les bobines ne sont donc pas nécessairement connectées en série avec la source de courant variable.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (100) de mesure de la masse volumique (pi) d’un liquide (200) sursaturé en gaz, tel que du vin ou de la bière en fermentation, comprenant :
- un premier flotteur (110a) de surface (S-i) et volume (V-i) connus, destiné à être immergé dans le liquide et comportant une première pièce magnétique (112a) ;
- une première bobine (130a) capable d’interagir avec la première pièce magnétique pour exercer sur le premier flotteur (110a) une force d’attraction magnétique (Fmi(l)) en direction de la première bobine ;
- une source de courant variable (140) reliée à la première bobine (130a) et configurée pour générer un premier courant d’équilibre (h), tel que la force d’attraction magnétique (Fm1(l-i)) s’exerçant sur le premier flotteur (100a) compense une force verticale résultant du poids du premier flotteur, de la poussée d’Archimède et des effets surfaciques subis par le premier flotteur ; dispositif caractérisé en ce qu’il comporte :
- un deuxième flotteur (110b) de surface (S2) et volume (V2) connus, destiné à être immergé dans le liquide (200) et comportant une deuxième pièce magnétique (112b), les premier et deuxième flotteurs (110a, 110b) présentant des rapports surface sur volume différents ;
- une deuxième bobine (130b) capable d’interagir avec la deuxième pièce magnétique pour exercer sur le deuxième flotteur (110b) une force d’attraction magnétique (Fm2(l)) en direction de la deuxième bobine ;
en ce que la source de courant variable (140) est en outre reliée à la deuxième bobine (130b) et configurée pour générer un deuxième courant d’équilibre (l2), tel que la force d’attraction magnétique (Fm (l2)) s’exerçant sur le deuxième flotteur (110b) compense une force verticale résultant du poids du deuxième flotteur, de la poussée d’Archimède et des effets surfaciques subis par le deuxième flotteur ;
et en ce qu’il comporte des moyens pour calculer la masse volumique (pi) du liquide à partir des premier et deuxième courants d’équilibre (h, l2), de la surface (Si) et du volume (V-i) du premier flotteur, et de la surface (S2) et du volume (V2) du deuxième flotteur.
2. Dispositif (100) selon la revendication 1 , comprenant en outre des moyens pour calculer un coefficient (Ks) de contribution des effets surfaciques à partir des premier et deuxième courants d’équilibre (h, l2), de la surface (Si) et du volume (V-i) du premier flotteur, et de la surface (S2) et du volume (V2) du deuxième flotteur.
3. Dispositif (100) selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel la première bobine (130a) et la deuxième bobine (130b) sont connectées en série avec la source de courant variable (140).
4. Dispositif (100) selon la revendication 3, comprenant en outre un circuit de commande (150) de la source de courant variable (140), le circuit de commande (150) étant configuré pour amener les premier et deuxième flotteurs (110a, 110b) contre une butée (120a, 120b, 170), en position initiale, et pour faire varier par paliers successifs le courant (I) généré par la source de courant variable (140) jusqu’à ce que le premier flotteur et le deuxième flotteur aient quitté leur position initiale.
5. Dispositif (100) selon l’une des revendications 1 à 4, comprenant en outre un premier détecteur (160a) configuré pour détecter la position du premier flotteur (110a) et un deuxième détecteur (160b) configuré pour détecter la position du deuxième flotteur (110b).
6. Dispositif (100) selon la revendication 5, dans lequel le premier détecteur (160a) et le deuxième détecteur (160b) comportent chacun une diode émettrice (161 ) d’un rayon lumineux et une diode réceptrice (162) du rayon lumineux, les diodes émettrice et réceptrice du premier détecteur (160a) étant agencées de sorte à établir entre elles une liaison par réflexion du rayon lumineux sur le premier flotteur (110a), lorsque le premier flotteur est en position haute, les diodes émettrice et réceptrice du deuxième détecteur (160b) étant agencées de sorte à établir entre elles une liaison par réflexion du rayon lumineux sur le deuxième flotteur (110b), lorsque le deuxième flotteur est en position haute.
7. Dispositif (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant en outre un boîtier étanche (170) dans lequel sont disposées la première bobine (130a), la deuxième bobine (130b) et la source de courant variable (140).
8. Dispositif (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant en outre une première butée (120a) aménagée pour retenir le premier flotteur (110a) en position haute et une deuxième butée (120b) aménagée pour retenir le deuxième flotteur (110b) en position haute.
9. Procédé de mesure de la masse volumique (pi) d’un liquide (200) sursaturé en gaz, tel que du vin ou de la bière en fermentation, comprenant les étapes suivantes :
- immerger dans le liquide un premier flotteur (110a) de surface (Si) et volume (V-i) connus et comportant une première pièce magnétique (112a) ;
- immerger dans le liquide un deuxième flotteur (110b) de surface (S2) et volume (V2) connus et comportant une deuxième pièce magnétique (112b), les premier et deuxième flotteurs présentant des rapports surface sur volume différents ;
- coupler au premier flotteur une première bobine (130a) capable d’interagir avec la première pièce magnétique pour exercer sur le premier flotteur (110a) une force d’attraction magnétique (Fm1(!)) en direction de la première bobine ; - coupler au deuxième flotteur une deuxième bobine (130b) capable d’interagir avec la deuxième pièce magnétique pour exercer sur le deuxième flotteur (110b) une force d’attraction magnétique (Fm2(l)) en direction de la deuxième bobine ;
- alimenter en courant la première bobine (130a) et déterminer un premier courant d’équilibre (h), tel que la force d’attraction magnétique (Fmi(li)) s’exerçant sur le premier flotteur (110a) compense une force verticale résultant du poids du premier flotteur, de la poussée d’Archimède et des effets surfaciques subis par le premier flotteur ;
- alimenter en courant la deuxième bobine (130b) et déterminer un deuxième courant d’équilibre (l2), tel que la force d’attraction magnétique (Fm2(l2)) s’exerçant sur le deuxième flotteur (110b) compense une force verticale résultant du poids du deuxième flotteur, de la poussée d’Archimède et des effets surfaciques subis par le deuxième flotteur ; - calculer la masse volumique (pi) du liquide à partir des premier et deuxième courants d’équilibre (h, !2), de la surface (Si) et du volume (V-i) du premier flotteur, et de la surface (S2) et du volume (V2) du deuxième flotteur.
10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel la détermination du premier courant d’équilibre (h) comporte les opérations suivantes :
- amener le premier flotteur (110a) contre une butée (170), en position basse ;
- diminuer par paliers successifs le courant (I) alimentant la première bobine (130a) jusqu’à atteindre une première valeur de courant (h) à laquelle le premier flotteur quitte sa position basse ; et
- relever la première valeur de courant (h) ;
et dans lequel la détermination du deuxième courant d’équilibre (l2) comporte les opérations suivantes :
- amener le deuxième flotteur (110b) contre une butée (170), en position basse ;
- diminuer par paliers successifs le courant (I) alimentant la deuxième bobine (130b) jusqu’à atteindre une deuxième valeur de courant (l2) à laquelle le deuxième flotteur quitte sa position basse ; et
- relever la deuxième valeur de courant (l2).
11. Procédé selon la revendication 9, dans lequel la détermination du premier courant d’équilibre (h) comporte les opérations suivantes :
- amener le premier flotteur (110a) contre une butée (120a), en position haute ;
- augmenter par paliers successifs le courant (I) alimentant la première bobine (130a) jusqu’à atteindre une première valeur de courant (h) à laquelle le premier flotteur quitte sa position haute ; et
- relever la première valeur de courant (h) ;
et dans lequel la détermination du deuxième courant d’équilibre (l2) comporte les opérations suivantes :
- amener le deuxième flotteur (110b) contre une butée (120b), en position haute ;
- augmenter par paliers successifs le courant (I) alimentant la deuxième bobine (130b) jusqu’à atteindre une deuxième valeur de courant (l2) à laquelle le deuxième flotteur quitte sa position haute ; et
- relever la deuxième valeur de courant (l2).
12. Procédé selon l’une quelconque des revendications 9 à 11 , dans lequel la première bobine (130a) et la deuxième bobine (130b) sont traversées simultanément par un même courant (I).
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