Indicateur de niveau de liquide
L'invention a pour objet un indicateur de niveau de liquide.
Pouf maints usages, les indicateurs de niveau de liquide doivent être capables de résister r à l'action très défavorable de leurs milieux ambiants. On peut ainsi rencontrer des températures extrêmes, et une grande solidité mécanique est souvent importante.
Dans plusieurs cas, l'indicateur doit fonctionner pendant de longues périodes sans surveillance, ou bien une panne peut avoir des inconvénients sérieux. En conséquence, la sécurité est importante, et spéciale- ment un fonctionnement sûr dans une grande variété de conditions ambiantes. De plus, la simplicité et un bas prix de revient sont désirables.
La présente invention est conçue de façon à réaliser un indicateur de niveau de liquide qui soit sûr, robuste et comparativement bon marché, en même temps qu'il offre un facteur élevé de sécurité vis-à-vis des variations des conditions de fonctionnement et qu'il n'exige pas des tolérances de fabrication excessives.
L'indicateur selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend un transducteur comportant un diaphragme et un élément magnétostrictif de forme allongée fixé sur ce dernier pour provoquer son oscillation, ledit diaphragme étant disposé extérieurement de façon à entrer en contact avec le liquide dont le niveau doit être contrôlé pour provoquer un amortis sement des oscillations de l'élément t magnétostrictif, ce diaphragme et l'élément fixé sur celuici formant un ensemble résonnant mécaniquement, des bobines transmettrices et réceptrices séparées entourant ledit élément magnétostriotif et étant espacées le long de celuici pour produire des oscillations dans celuici et pour répondre à ces oscillations respectivement,
un aimant entourant l'élément magnétostrictif pour produire une sollicitation magnétique dans celuici, un amplificateur ayant une entrée reliée à la bobine réceptrice et une sortie reliée à la bobine transmettrice de façon à former une boucle réactive comprenant ledit élément magnétostrictif dans lequel la fréquence propre d'oscillation est déterminée essentiellement par la fréquence de résonance mécanique dudit ensemble résonnant mécaniquement, le gain de l'amplificateur étant prédéterminé de façon à se situer entre les gains nécessaires pour produire l'oscillation dudit diaphragme lorsqu'il est en contact et hors d contact avec le liquide,
des moyens de blindage dans ledit transducteur pour réduire les couplages électromagnétiques entre lesdites bobines autres que le oeu- plage entre cellesci à travers l'élément magnétostric- tif lorsque le diaphragme est en contact avec le liquide, et des moyens pour déterminer la présence ou l'absence d'oscillations dans ladite boucle réactive.
Avec le transducteur placé dans l'air ou un autre milieu gazeux, l'élément mécanique est relativement libre d'osciller. Toutefois, lorsqu'il entre en contact avec un liquide, son mouvement est fortement amorti.
De préférence, le fonctionnement se trouve dans la gamme des fréquences ultrasoniques, permettant ainsi de construire un transducteur de petites dimensions, en offrant simultanément d'autres avantages de fonctionnement.
Avec cette disposition, le transducteur peut devenir le principal facteur déterminant la fréquence de l'oscillation, de telle sorte que des variations de température, de pression, etc., affectant la fréquence de résonance du transducteur sont automatiquement réparties. De plas, avec les moyens de transmission et de réception dans le transducteur couplés seulement par l'élément oscillant mécaniquement, il y a une grande différence entre les gains nécessaires pour produire l'oscillation lorsqu'il est en contact ou hors de contact avec le liquide.
Ainsi, des variations con sidérales dans les paramètres du transducteur et de Pamplifizateur sont possibles sans fausser le fonctionnement. On obtient ainsi un fonctionnement satisfaisant dans des conditions très largement variables. égaiement, ce facteur combiné avec la grande simplicité de l'appareil permet une fabrication économique.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution particulière de l'indicateur faisant l'objet de l'invention:
la fig. 1 montre le transducteur en position pour contrôler le niveau un liquide dans un réservoir;
la fig. 2 est une vue détaillée du transducteur en coupe longitudinale, avec les éléments du circuit as soucié, et
la fig. 3 est une coupe suivant la ligne 3-3 de la fig. 2.
Sur la fig. 1, le transducteur 10 est montré monté dans un réservoir 11 dans lequel le niveau d'un liquide 12 doit être contrôlé. Les éléments transmetteur et récepteur dans le transducteur 10 sont con bectés par des conducteurs 32 et 33 à un élément 15 contenant t un amplificateur et d'autres circuits desti- nés à produire une réponse lorsque le liquide 12 atteint le niveau de la face 16 du transducteur. Cette réponse est appliquée à travers le conducteur 17 à un indicateur adéquat tel qu'un signal d'alarme ou une lumière rouge, ou à un circuit de commande, etc.
Sur la fig. 2, le transducteur est montré comme comportant un boîtier 21 avec un diaphragme 22 fixé sur son extrémité frontale par un organe annu- laire mince 22'. La périphérie du diaphragme 22 est venue de fabrication avec un organe tubulaire 23 dont la longueur et le diamètre sont choisis de façon à empêcher un mouvement de la périphérie du diaphragme dans la direction axiale, comme cela est décrit dans le brevet suisse N 375755.
En bref, l'extrémité arrière 23' étant libre de se mouvoir comme on le voit, la longueur de 23 peut être d'un quart (ou approximativement) de la longueur d'onde des ondes se propageant longitudinalement sur cet organe à la fréquence de fonctionnement, et le diamètre et l'épaisseur des parois sont choisis de manière à entretenir un mode annulaire d'oscillation à une fréquence qui soit t pratiquement le double de celle de fonctionnement.
Comme cela est expliqué dans le brevet précité, cette construction bloque effectivement la périphérie du diaphragme contre tout mouvement axial, et le mode de montage du boîtier 21 dans une enveloppe n'a qu'un faible effet sur le fonctionnement du transducteur. Toutefois, si cela est désirable, d'autres moyens de blocage du diaphragme peuvent être utilisés.
Un tube 24 en matière magnétostrictive a une de ses extrémités libre et l'autre fixée à la partie centrale du diaphragme 22. Deux bobines 25 et 26 en tourent t le tube 24. L'une sert de bobine transmet- trice pour produire l'allongement et la contraction des parties voisines du tube, en réponse à un cou rant électrique alternatif qui lui est appliqué. Ceci engendre des oscillations élastiques se propageant longitudinalement par rapport au tube 24 provoquant ainsi l'oscillation du diaphragme 22. L'autre bobine sert de bobine réceptrice sensible aux oscillations élastiques dans le tube 24 et, par suite, dans le diaphragme 22, de façon à produire un courant électrique de sortie correspondant.
Dans cette forme d'exécution, la bobine 26 eslt la bobine réceptrice. Un aimant permanent 27 crée une sollicitation magnétique tendant à établir un point de fonctionnement tel que les demién.odes positive et négative du courant appliqué à la bobine 25 produisent des forces oppo- sées dans le tube 24 et obligent le diaphragme 22 à osciller à la fréquence fondamentale du courant alternatif dans la bobine 25. Cette sollicitation provoque des oscillations élastiques dans le tube 24 de façon à créer une tension dans la bobine 26, tension qui possède la même fréquence fondamentale.
Le brevet précité décrit en détail, les dimensions et le fonctionnement du tube magnétostrictif du diaphragme et de l'organe de blocage, et on peut s'y référer au cas où un complément d'information est nécessaire.
Dans le but d'éliminer pratiquement le couplage électromagnétique entre les bobines 25 et 26, I'ai- mant 27 est placé entre les deux et la bobine 26 est située à l'intérieur r de l'organe de blocage 23. Comme l'aimant 27 possède une perméabilité importante, il agit t comme un blindage magnétique entre les bobines 25 et 26. L'organe de blocage 23 peut être en acier, laiton ou autre métal suivant l'application voulue.
S'il est en acier, la perméabilité magnétique aide au blindage des bobines l'une vis-a-vis s de l'autre. S'il est en laiton ou autre métal non magnétique, la conductivité entraîne un degré utile de protection contre les champs magnétiques ayant des périodes variables.
Les conducteurs allant aux bobines sont disposés de façon à éviter un couplage important entre eux, par des moyens qui sont t bien connus dans la technique.
Les s bobines peuvent être bobinées ou montées sur un tube 28 en matière isolante de préférence, et des disques 29, 29' de matière semblable sont t fixés sur les extrémités des bobines. Ceci permet le montage correct de la bobine et de l'aimant. Un produit de remplissage 30 peut être introduit pour les fixer en place, le disque 29' servant d'arrêt pour le produit de remplissage.
La bobine réceptrice 26 est connectée à l'entrée d'un amplificateur 31 et la bobine trams, mettrice 25 est connectée à la sortie de l'amplificateur. On emploiera de préférence des câbles blindés, comme indiqué en 32 et 33, pour éviter ainsi un couplage extérieur entre la sortie et l'entrée de l'amplificateur.
Dans maintes installations, une longueur considérable de câble est nécessaire entre le transducteur et l'amplificateur. On peut se procurer du câble qui se compose essentiellement de deux câbles coaxiaux blindés dans une seule garniture et qui convient par faitement t à ce but. Ainsi que cela est indiqué, les conducteurs extérieurs des câbles 32 et 33 sont con nectés au conducteur r 34, et doivent en pratique être mis à la terre. Des connexions peuvent être fixées sur l'enveloppe 21 pour y fixer les câbles, mais ne sont pas indiquées puisqu'elles sont bien connues dans la pratique.
Si cela est désirable, les câbles 32, 33 peuvent avoir des paires torsadées de conducteurs dans des blindages respectifs, évitant ainsi la nécessité d'une mise à la terre commune pour un des conducteurs de chaque paire, et donnant plus de liberté dans la réalisation de l'amplificateur.
Les bobines 25, 26 et l'amplificateur 31 sont connectés en liaison réactive. A cet effet, les connexions des bobines à l'amplificateur sont choisies de telle sorte qu'une sortie de la bobine 25, couplée à la bobine 26 par les ondes élastiques dans le tube ma gnétostrictif 24, constitue une entrée dans l'amplificateur qui renforce la sortie initiale. En conséquence, pour un gain suffisant dans l'amplificateur, il se produit des oscillations continues du diaphragme 22.
Le gain nécessaire pour produire des oscillations continues avec le diaphragme dans l'air ou un autre milieu gazeux est beaucoup plus faible que le gain néces, saire lorsque le diaphragme est amorti par le contact avec un liquide. Dans une des formes d'exé caution, on a noté un rapport de 1 : 30 entre l'air et l'eau. Des rapports plus élevés peuvent être obtenus avec du soin dans la construction.
Les liquides autres que l'eau peuvent avoir des effets d'amortissement quelque peu différents sur le diaphragme, mais en général le gain nécessaire pour d., oscillations continues est plusieurs fois celui nécessaire pour l'oscilla- lion dans l'air. En conséquence, en choisissant un gain de l'amplificateur en un point approprié entre ces deux limites, des oscillations réactives existeront lorsque le diaphragme est hors de contact avec le liquide, mais pas quand il y est en contact.
Pour nombre d'applications, un gain égal à la moyenne des deux vaTleurs-limites est un choix judicieux, puisqu'il permet une marge élevée de sécurité pour des variations de gain dans chaque direction.
Par exemple, si un gain de 7,6 est nécessaire dans l'air et un gain de 30 X 7,6 = 228 228 lorsque le transducteur est en contact avec l'eau, comme cela s'est trouvé le cas dans une exéoution particulière, un amplificateur ayant un gain de
EMI3.1
est un choix judicieux. Cela donne un facteur de sécurité de 5,5 à 1 pour la variation de gain dans chaque direction.
Une telle variation de gain peut résulter de variations dans les conditions de fonctionnement, spécialement des variations de température. Lorsque l'écart par rapport aux conditions normales ou celles pré- vues par le bureau d'étude peut être supposé plus grand dans une direction que dans l'autre, le gain de l'amplificateur peut se situer du côté de la valeur moyenne qui procure un facteur de sécurité plus élevé pour des écarts dans cette direction.
Avec la structure du transducteur indiquée dans la fig. 2, la partie oscillant mécaniquement possède un Q élevé (rapport élevé de réactance mécanique par rapport aux pertes), et par conséquent des largeurs de bandes étroites. Par exemple, on a noté une largeur de bande à la résonance voisine de 260 kilocycles par seconde pour une fréquence de fonc tionnement autour de 37 kilocycles par seconde.
Cette largeur de bande étroite est t désirable parce qu'elle offre un rendement fonctionnel élevé et réduit la possibilité de perturbations extérieures, etc., affectant le fonctionnement. De même, les faibles pertes inhérentes rendent l'amoftissemenlt du liquide plus effectif, c'est-à-dire qu'il existe alors un rapport plus élevé entre l'amplitude d'oscillation du diaphragme en cas de conditions amorties et l'amplitude en cas d'oscillations non amorties.
Il y a avantage à ce que la largeur de bande de l'amplificateur 31 soit beaucoup plus grande que celle du transducteur, de telle sorte que la fréquence de résonance du transducteur soit le facteur principal déterminant la fréquence de l'opération. En consé- quence, des variations de la fréquence de résonance du transducteur, dues à la température ou à d'autres effets, font varier la fréquence de l'oscillation ré active sans affecter le fonctionnement t correct.
Les pertes dans la boucle réactive peuvent aussi varier, spécialement lors de températures extrêmes, mais le facteur important de sécurité assure la continuité du fonctionnement.
Lors de l'emploi, le diaphragme peut s'encrasser, ou des gouttelettes peuvent y adhérer, etc. Si cela cause des variations dans la masse effective ou la rigidité du diaphragme, un certain glissement de la fréquence de fonctionnement peut se produire, mais comme cela a été mentionné ci-dessus, le fonctionne- ment correct continuera. L'encrassage peut introduire quelques pertes, comme lors d'un encrasse- ment visqueux, et dans ce cas le facteur de sécurité élevé pour la variation du gain est important pour maintenir le fonctionnement correct.
Même si la largeur de bande de l'Sarllplificateulr est considérablement supérieure à celle du transducteur, on peut utiliser encore un amplificateur accordé, puisque la largeur de bande des circuits électriques d'accord est en générai beaucoup plus élevée que celle du transducteur, ou peut être facilement. rendue telle. Un tel accord augmente le gain d'étage de telle sorte qu'un amlplificateuf simple suffit. Le e gain de l'amplificateur peut être affecté par la température.
Toutefois, l'amplificateur peut être placé à distance du transducteur, et dans beaucoup de cas peut être soustrait à des grandes variations de température.
Par une étude appropriée et par le choix des éléments, les variations du gain de l'amplificateur peusent être facilement maintenues dans les limites nécessaires.
La présence ou l'absence d'oscillations réactives dans la boucle peuvent être déterminées de toute manière désirable. Pratiquement, on peut y parvenir en appliquant la sortie de l'amplificateur 31 à un détec- teur dans l'appareil 35, et en utilisant le signai détecté pour actionner un relais. Le relais peut servir à donner un signai, à actionner un appareil de commande, etc.
Comrne il a été dit t ci-dessus, les bobines 25 et 26 sont blindées ólectremagnétiquement, et on prend soin d'éliminer tout autre couplage entre la sortie et l'entrée de l'amplificateur autre que le tube magnétostrictif 24 oscillant mécaniquement. De tels couplages extérieurs diminuent le facteur de sécurité du fonctionnement. En général, il est désirable de réduire les couplages extérieurs très au-dessous du couplage entre les deux bobines qui est produit par le tube magnétostrictif lorsque le diaphragme est en contact avec un liquide.
Un transducteur magnétostrictif tel que celui qui a été décrit convient particulièrement bien, car il est simple, sûr et bon marché à fabriquer, et les maté riaux dont il est fait peuvent t être choisis de manière à supporter des variations extrêmes de température.
Bien que le dispositif de blindage soit simple et efficace, il peut être modifié si désiré, et un blindage supplémentaire peut être employé si l'application l'exige.