FR2725521A1

FR2725521A1 - Dispositif pour determiner l'impedance caracteristique complexe en cisaillement des fluides

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Publication number: FR2725521A1
Application number: FR9412135A
Authority: FR
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-10-06
Filing date: 1994-10-06
Publication date: 1996-04-12
Anticipated expiration: 2014-10-06
Also published as: FR2725521B1

Abstract

Le dispositif comprend un résonateur de torsion (1-2) constitué d'un transducteur piézo-électrique (1) et d'un guide d'onde (2). Leurs longueurs respectives ont un rapport contrôlé permettant un fonctionnement du dispositif en basse tension, à l'intérieur d'une bande passante allant des basses aux hautes fréquences de la gamme des 10**3 Hz. Un noeud de vibration est créé à l'interface entre le transducteur (1) et le guide (2) par un rapport contrôlé de leurs diamètres, ou par un disque d'encastrement (3). Une enceinte thermostatée (14) enveloppe ensemble le résonateur (1-2) et une cellule à fluide (10) amovible à l'intérieur de l'enceinte. Le dispositif utilise une chaîne de mesure de faible coût, mesurant l'impédance électrique du résonateur (1-2). Le dispositif est destiné à la caractérisation viscoélastique linéaire des fluides, dans un but de recherche, de développement, et de contrôle.

Description

DISPOSITIF POUR DETERMINER L'IMPEDANCE CARACTERISTIQUE
COMPLEXE EN CISAILLEMENT DES FLUIDES
A. Indication du domaine technique de l'invention
Les capteurs d'impédance caractéristique complexe en cisaillement des fluides constituent le domaine technique de la présente invention.

L'impédance caractéristique complexe en cisaillement d'un fluide est définie par la quantité

où G* et p sont respectivement le module de cisaillement complexe et la masse volumique du fluide.

Les capteurs d'impédance caractéristique complexe en cisaillement sont caractérisés par une surface oscillante soumettant le fluide à tester à un cisaillement périodique de petite amplitude. Les fréquences de cisaillement de ces capteurs varient entre 1 Hz et 109 Hz.

Dans la gamme allant de 103 Hz à 106 Hz, les capteurs ont, en générai, une géométrie cylindrique à base circulaire.

Le cisaillement périodique du fluide est créé par une vibration acoustique de torsion. La vibration acoustique est générée par effet électromagnétique, magnétostrictif ou piézoélectrique.

Le paragraphe suivant décrit les différentes réalisations antérieures de capteurs d'impédance caractéristique complexe en cisaillement fonctionnant dans la gamme de 103 Hz à 106 Hz.

B. Etat de la technique antérieure
Les réalisations antérieures de capteurs d'impédance caractéristique complexe en cisaillement ont pour dénominateur commun deux caractéristiques, d'une part la bande passante, et d'autre part, la chaîne de mesure.

Les réalisations de capteurs à effet électromagnétique ou magnétostrictif mettent en oeuvre des ondes stationnaires ou des ondes progressives.

La littérature spécialisée fournit, par exemple, les références : G.M.Glover et al. Journal of Scientific
Instruments, 2 (1), p.383, 1968; B.J.Cooke et al. Journal of the Chemical Society, 72, p.679, 1976; M.Oosterbroek et al.

Rheologica Acta, 19, p.497, 1980; T.Nakken, Dissertation,
University of Trondheim, Norwegian Institute of Technology,
Norway, 1994.

L'élément magnétostrictif est en général un tube de
Nickel, et l'élément électromagnétique, un aimant. La bande passante de ces capteurs est comprise entre 20 103 Hz et 100 103 Hz. La chaîne de mesure des capteurs à tube de Nickel comporte, soit une seule bobine servant d'émetteur et de récepteur de l'effet magnétostrictif, et deux circuits électriques, l'un étant destiné à générer et recueillir l'effet magnétostrictif, l'autre transportant un signal de référence, soit deux bobines, l'une étant chargée de générer l'effet magnétostrictif, l'autre de le recueillir, et un seul circuit électrique. La chaîne de mesure d'un capteur à aimant [T.Nakken) comporte une bobine chargée de générer l'effet magnétique, et un système optique destiné à détecter l'amplitude de la vibration engendrée par l'effet.Les auteurs des réalisations de capteurs à tube de Nickel déplorent une décroissance de l'effet magnétostrictif dans le temps, nécessitant une magnétisation du tube périodiquement.

Les réalisations de capteurs à effet piézo-électrique sont stables dans le temps par rapport à la piézo-électricité.

Ces capteurs se rencontrent sous la forme d'un transducteur piézo-électrique, seul ou associé à un guide d'onde.

Le transducteur piézo-électrique le plus souvent utilisé est un cristal de Quartz dans une géométrie cylindrique à base circulaire, et d'axe longitudinal parallèle à l'axe cristallographique [100]. La propriété de transducteur de torsion du Quartz est décrite dans plusieurs ouvrages de la littérature spécialisée, par exemple, dans la référence : M.P.Mason "Piezoelectric Cryptais and their
Applications to Ultrasonics", D. Van Nostrand Compagny, Inc, 1949, et dans plusieurs brevets, par exemple, dans la référence : H.J.McSkimin et al. US 2 707 391, 1955.

Les Sillénites, notamment l'oxyde de Bismuth et de
Germanium Bi12GeO20 sont également des transducteurs de torsion dans une géométrie cylindrique à base circulaire, et d'axe longitudinal parallèle à l'axe cristallographique [001] des cristaux. La propriété de transducteur de torsion de l'oxyde de Bismuth et de Germanium est décrite dans la littérature spécialisée, par exemple, dans la référence : R.Gaglione et al. "Generation of a pure torsional vibration in Bi12GeO20 crystals", poster presented at the "Topical Meeting on Photorefractive Materials, Effects and
Devices", Aussois, France 17-19 january, 1990 et dans le brevet français : A.Soucemarianadin et al. FR 2 683 322, 1993.

Le guide d'onde est, en général, une tige métallique à base d'un alliage de Fer et de Nickel, ou une tige non cristalline à base de Silice amorphe.

Les capteurs à transducteur piézo-électrique seul utilisent des ondes stationnaires. La littérature spécialisée fournit, par exemple, les références W. : W.P.Mason et ai.

Transactions of the A.S.M.E. 69, p.359, 1947; A.J.Barlow et al. Laboratory Practice, 10, p.786, 1961; A.Sakanishi et al.

Japanese Journal of Applied Physics, 12(9), p.1410, 1973;
H.Yoshizaki, Polymer Journal, 25(6), p.553, 1993. Un capteur à
Quartz fait également l'objet d'un brevet international déposé en priorité en Allemagne : B.Bode et al. WO 91/17421, 1991.

La fréquence de résonance de ces capteurs n'est pas inférieure à 20 103 Hz. La chaîne de mesure comporte, en général, un circuit électrique unique, et peut transporter une tension d'entrée et une tension de sortie faibles, inférieures à quelques volts efficaces. Un de ces capteurs [B.Bode] est adapté pour les fluides conducteurs de l'électricité.

Les capteurs qui associent un transducteur piézoélectrique et un guide d'onde utilisent des ondes stationnaires ou progressives.

Les capteurs à ondes stationnaires utilisent un cristal de Quartz et une tige longue de Silice amorphe. La littérature spécialisée fournit, par exemple, les références : H.Nakajima et al. Polymer Journal, 5(3), p.268, 1973; N. Ookubo et al.

Biopolymers, 15, p.929, 1976; T.M.Stokich et al. Rheological
Research Center Report 139, University of Wisconsin-Madison,
Madison, USA, January 1994.

Ces capteurs couvrent en une seule et même réalisation les basses et les hautes fréquences, typiquement de 5 103 Hz à 500 103 Hz. Un de ces capteurs possède ainsi une bande passante allant de 2,2 103 Hz à 530 103 Hz [H.Nakajima]. La chaîne de mesure de ces capteurs comporte deux circuits électriques, dont l'un sert à transporter un signal de référence. Le circuit électrique alimentant le cristal de
Quartz comporte un amplificateur de la tension d'entrée du cristal, qui peut être de l'ordre de 1000 volts efficaces, et comporte un amplificateur de tension à gain élevé à la sortie du cristal piézo-électrique. Le circuit électrique de référence comporte des éléments, par exemple, un synthétiseur de fréquences, qui permettent de comparer le signal au signal recueilli par le circuit alimentant le cristal.

Un brevet européen, déposé en priorité en Suisse, décrit un capteur à ondes stationnaires utilisant deux transducteurs piézo-électriques et une tige longue métallique [Dual et al.

EP 0 297 032, 1988]. Chaque transducteur est constitué de deux demi-anneaux céramiques polarisés perpendiculairement à leur plan, et réunis par collage en opposition de polarisation. Le capteur fonctionne à une fréquence unique, égale à sa fréquence fondamentale.

Un capteur à ondes stationnaires utilise deux cristaux de
Quartz et une tige courte de Silice amorphe [W.H. Robinson,
Journal of Applied Physics, 49(3), p.1070, 1978]. Ce capteur fonctionne à une fréquence unique égale à 40 103 Hz. La chaîne de mesure comprend un voltmètre associé en parallèle avec chaque cristal, et peut transporter une tension d'entrée jusqu'à 1000 volts efficaces.

Les capteurs à ondes progressives ont une bande passante qui atteint dans certains cas 500 103 Hz. La littérature spécialisée fournit, par exemple, les références
H. J.McSkimin, The Journal of the Acoustical Society of
America, 24(4), p.355, 1952; A.J.Barlow et al. Laboratory
Practice, 10, p.786, 1961; S.K.Poddar et al. Ind. Eng. Chem.

Fun dam . 17(2), p. 123, 1978; R.Gaglione et al. Review of scientific Instruments, 64(8), p.2326, 1993. Un capteur utilisant un cristal de Quartz et une tige en alliage de Fer et de Nickel fait l'objet d'un brevet américain : H.J.McSkimin et al. US 2 707 391, 1955. Un capteur utilisant un cristal d'oxyde de Bismuth et de Germanium et une tige également en alliage de Fer et de Nickel fait l'objet d'un brevet français : A.Soucemarianadin et al. FR 2 683 322, 1993.

Dans la zone des basses fréquences, ces capteurs sont limités en général à 50 103 Hz. Une réalisation rapporte une limite en basse fréquence de 10 103 Hz [A.J.Barlow]. La chaîne de mesure engendrant et recueillant les vibrations du cristal produites par l'effet piézo-électrique comporte un ou deux circuits électriques, l'un servant, dans ce deuxième cas, de circuit électrique de référence. Le circuit électrique alimentant l'élément piézo-électrique comporte un amplificateur de la tension d'entrée de l'élément, et un amplificateur de la tension de sortie de l'élément. Le circuit électrique de référence comporte, en général, un atténuateur et un retardateur de phase, qui permettent de comparer le signal avec le signal recueilli par le circuit alimentant le cristal.

Le problème principal que révèle l'état de la technique antérieure des capteurs d'impédance caractéristique complexe en cisaillement des fluides est donc celui du fonctionnement d'un seul et même capteur à effet stable dans le temps, caractérisé par une bande passante allant des basses fréquences jusqu'aux hautes fréquences de la gamme des 103 Hz, typiquement de 5 103 Hz à 500 103 Hz, et par une chaîne de mesure comportant un circuit électrique unique et alimentant l'élément oscillant du capteur en basse tension. Ce capteur doit, en second lieu, être adapté aux fluides conducteurs ou non de l'électricité.

Le paragraphe suivant expose les caractéristiques de l'invention qui apportent une réponse au problème technique principal décrit précédemment. Dans ce paragraphe et les suivants, sont décrites d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention.

C. Exposé de l'invention
Le but de l'invention est un dispositif pour déterminer l'impédance caractéristique complexe en cisaillement des fluides dont le fonctionnement est caractérisé par une bande passante des fréquences de mesure allant des basses fréquences aux hautes fréquences de la gamme des 103 Hz, typiquement de 5 103 Hz à 500 103 Hz, et par une chaîne de mesure comportant un circuit électrique unique transportant une tension inférieure à quelques volts efficaces.

Le dispositif met en oeuvre un capteur à ondes stationnaires. I1 est constitué d'un résonateur de torsion, comportant un transducteur piézo-électrique et un guide d'onde. Le guide d'onde, qui est isolé électriquement du transducteur piézo-électrique, est destiné à être immergé partiellement par un fluide à tester. L'acuité et la position des pics de résonance du résonateur de torsion sont à la base de la détermination de l'impédance caractéristique complexe en cisaillement du fluide.

La première caractéristique technique de la présente invention est un résonateur de torsion constitué d'un transducteur piézo-électrique et d'un guide d'onde, tous les deux cylindriques à base circulaire, ayant des longueurs respectives Lt et Lg dans un rapport contrôlé permettant au dispositif de fonctionner à la fois en basses et hautes fréquences et en basse tension.

Le contrôle du rapport des longueurs Lt et Lg s'effectue à l'aide de résultats théoriques décrits dans la littérature spécialisée, par exemple, dans la référence : M.P.Mason "Piezoelectric Crystals and their Applications to
Ultrasonics", D. Van Nostrand Compagny, Inc, 1949.

D'une part, le rapport Lg/Lt détermine le fonctionnement du dispositif en basse tension par le coefficient de couplage électromécanique K du résonateur de torsion. Ce coefficient, qui mesure le rendement piézo-électrique du résonateur de torsion, est proportionnel au facteur

(formule 1)
Ainsi, K augmente lorsque Lg/Lt diminue par valeurs plus grandes que l'unité.

D'autre part, la fréquence fondamentale fus(0) du résonateur de torsion, qui est aussi la fréquence la plus basse de la bande passante du dispositif, suit la relation

(formule 2) où ft(O) est la fréquence fondamentale du transducteur piézoélectrique libre. Ainsi, ft(O) diminue lorsque Lg/Lt augmente par valeurs plus grande que l'unité. Le dispositif requiert donc un rapport Lg/Lt contrôlé, limité par valeur supérieure pour fonctionner en basse tension, et limité par valeur inférieure pour posséder une fréquence fondamentale volontairement basse.

L'intervalle de contrôle du rapport Lg/Lt est fixé typiquement entre 2 et 5. A l'intérieur de ces deux limites, le facteur de proportionnalité entrant dans l'expression du coefficient de couplage électromécanique est compris entre 0,1 et 0,5. Ces valeurs garantissent le fonctionnement du dispositif en basse tension, typiquement entre 0,3 et 3 volts efficaces. De même, la longueur du transducteur est comprise entre 1/12 et 1/6 de la longueur d'onde du mode fondamental du résonateur de torsion. Ces valeurs divisent de 3 à 6 fois la fréquence de résonance du transducteur libre, et garantissent le fonctionnement du dispositif en basse fréquence avec une longueur utile du cristal acceptable au plan technologique.

Ainsi, la fréquence fondamentale du résonateur est égale à 5 103 Hz dans le cas où le rapport Lg/Lt est égal à 3, et où la longueur du transducteur est de 100 mm pour un cristal de
Quartz, ou de 40 mm pour un cristal d'oxyde de Bismuth et de
Germanium.

La deuxième caractéristique de la présente invention est un résonateur de torsion constitué d'un transducteur piézoélectrique et d'un guide d'onde ayant des diamètres respectifs
Dt et Dg dans un rapport contrôlé permettant de créer un noeud de vibration du résonateur de torsion en son interface entre le transducteur piézo-électrique et le guide d'onde. Le contrôle s'effectue à l'aide de résultats théoriques décrits dans la littérature spécialisée, par exemple, dans la référence : E.Dieulesaint et D.Royer, "Ondes élastiques dans les solides", chap. 7, Masson et Cie, Paris, 1974. Ainsi les diamètres Dt et Dg suivent la relation

(formule 3) où Zt et Zg sont respectivement les impédances acoustiques du transducteur piézo-électrique et du guide d'onde.

La troisième caractéristique technique de la présente invention est un résonateur de torsion possédant un disque d'encastrement reliant entre eux un transducteur piézoélectrique et un guide d'onde. Le diamètre du disque est contrôlé pour lui imposer une déformation de torsion en bloc et permettre ainsi un encastrement efficace par le maintient de la seule zone annulaire périphérique du disque. Le contrôle s'effectue à l'aide de résultats théoriques décrits dans la littérature spécialisée, par exemple, dans la référence
M.Redwood "Mechanical Waveguides", chap. 6, Pergamon Press, 1960.Ainsi le diamètre du disque Dd est fixé par la formule

(formule 4) dans laquelle VT désigne la vitesse de propagation d'une onde transversale dans le disque, et f1)c la fréquence de coupure du premier mode de torsion du disque, égale à la fréquence la plus élevée de la bande passante du capteur.

L'épaisseur du disque est faible devant la longueur d'onde correspondant à la fréquence la plus élevée de la bande passante du capteur. Cette caractéristique protège le disque contre une déformation de torsion en fonction de son épaisseur, et permet donc un encastrement efficace du disque.

La deuxième et la troisième caractéristiques techniques de la présente invention, considérées ensemble ou séparément, ont pour effet de diminuer la longueur utile Lg du guide d'onde du résonateur de torsion. En effet, de tous les états vibratoires de l'interface entre le transducteur piézoélectrique et le guide d'onde, variant depuis le noeud de vibration jusqu'au ventre de vibration, le premier seul permet d'obtenir une même fréquence de résonance fondamentale et un même coefficient de couplage électromécanique avec la longueur utile du guide d'onde la plus courte. Cette réduction de la longueur utile du guide d'onde permet de diminuer, d'une part, le volume de fluide à tester nécessaire pour immerger le guide d'onde, et d'autre part, le temps de stabilisation thermique du dispositif.

La quatrième caractéristique technique de la présente invention est une chaîne de mesure comportant un circuit électronique unique de faible coût, composé d'un générateur de tension électrique alimentant en basse tension et en série le transducteur piézo-électrique, et d'un analyseur de courant électrique recueillant en série le signal de sortie du transducteur piézo-électrique.

La fonction de la chaîne de mesure est de donner accès à l'admittance électrique du transducteur piézo-électrique en fonction de la fréquence du signal périodique, par le rapport de l'intensité du courant électrique donnée par l'analyseur et de la tension électrique donnée par le générateur de tension.

D. Fiqures constituant les dessins de l'invention
La présente invention est décrite à l'aide de 4 figures, notées de 1 à 4.

La figure 1 est une vue en coupe longitudinale du dispositif de l'invention selon un premier mode particulier de réalisation, caractérisé par une enceinte thermique (14) à deux compartiments et une armature intermédiaire (8) servant à encastrer le résonateur de torsion (1-2) par le disque d'encastrement (3).

La figure 2 est une vue en coupe longitudinale du dispositif de l'invention selon un deuxième mode de réalisation, caractérisé par une enceinte thermostatée (14) à compartiment unique à l'intérieur duquel le résonateur de torsion (1-2) peut se déplacer par l'intermédiaire d'un support amovible (18).

La figure 3 représente les éléments de la chaîne de mesure du dispositif selon l'invention.

La figure 4 représente un cercle de l'admittance électrique du résonateur de torsion (1-2) du dispositif selon l'invention au voisinage d'une de ses fréquences de résonance.

Ce cercle possède les points caractéristiques servant à mesurer les grandeurs électriques déterminant l'impédance caractéristique complexe en cisaillement d'un fluide testé par le dispositif.

E. Mode de réalisation de l'invention
E. 1. Structure de l'invention
Le dispositif de la présente invention est constitué d'un résonateur de torsion (1-2), d'une enceinte thermostatée (14), d'une cellule à fluide (10) et d'une chaîne de mesure.

Le résonateur de torsion (1-2) est constitué d'un transducteur piézo-électrique (1) et d'un guide d'onde (2).

Le transducteur piézo-électrique (1) est constitué, par exemple, d'un cristal de Quartz, ou d'un cristal appartenant à la famille des Sillénites, notamment l'oxyde de Bismuth et de
Germanium Bi12GeO20, l'oxyde de Bismuth et de Silicium Biî2SiO20, ou l'oxyde de Bismuth et de Titane Bi12TiO20 . Le cristal est usiné en cylindre à base circulaire, d'axe longitudinal parallèle à l'un de ses axes cristallographiques.

Dans le cas du Quartz, l'axe cristallographique est l'axe [100], et dans le cas des Sillénites, l'axe [001. Les surfaces extrêmes du cylindre, ainsi que sa surface latérale, sont rectifiées et polies. La surface latérale du cristal est recouverte d'un dépôt métallique, par exemple d'Aluminium, ou de Chrome et de Nickel, ou encore d'Or, divisé en quatre domaines par des arcs de séparation parallèles à la direction longitudinale du cylindre. Les arcs de séparation sont perpendiculaires aux axes [010] et [001] du cristal dans le cas du Quartz, et aux axes [110] et [-110] dans le cas des
Sillénites. Les quatre domaines du dépôt métallique définissent les quatre électrodes de polarisation du cristal.

Les connexions électriques (6) des quatre électrodes sont effectuées par des fils fins sans rigidité. Ils sont collés sur les électrodes par une colle conductrice. Les points de colle sont situés à l'extrémité du cristal formant l'interface avec le guide d'onde (2).

Le guide d'onde (2) est une tige métallique en alliage de
Fer et de Nickel. Ce type d'alliage possède un coefficient thermoélastique de torsion susceptible d'être annulé par un traitement thermique de revenu adéquat. Ainsi, à la suite de l'usinage, le guide d'onde (2) est soumis à un traitement de revenu à une température de l'ordre de 3000 Celsius sous une atmosphère inerte, par exemple, d'Azote. La surface latérale du guide d'onde (2) est rectifiée et polie très finement. Elle peut également recevoir un traitement ou un dépôt pour la rendre compatible avec certains fluides, par exemple, le sang ou d'autres fluides biologiques. L'extrémité de la tige opposée à l'interface avec le transducteur piézo-électrique (1) est usinée en cône de faible angle au sommet, pour favoriser l'immersion du guide d'onde (2) dans le fluide à tester (11).

Les longueurs Lt, Lg et les diamètres Dt, Dg du transducteur piézo-électrique (1) et du guide d'onde (2) suivent les caractéristiques développées dans le paragraphe C.

A titre d'exemple, un résonateur de torsion possédant une fréquence fondamentale de résonance égale à 5 103 Hz est obtenu avec un cristal de Quartz, ou avec un cristal d'oxyde de Bismuth et de Germanium, et un guide d'onde à base d'alliage de Fer et Nickel, ayant les dimensions

<tb> cristal <SEP> Lt <SEP> (mi) <SEP> <SEP> Lg <SEP> (mm) <SEP> Dt <SEP> (mm) <SEP> Dq <SEP> (mm) <SEP> Dd <SEP> (mm) <SEP> Ed <SEP> (mm)
<tb> <SEP> Quartz <SEP> 100 <SEP> 140 <SEP> 3,5 <SEP> 4,0 <SEP> 7,5 <SEP> 0,5
<tb> Bil2GeO2o <SEP> 40 <SEP> ~ <SEP> <SEP> 130 <SEP> ~ <SEP> <SEP> 3,1 <SEP> 4,0 <SEP> ~ <SEP> <SEP> 7,5 <SEP> ~ <SEP> <SEP> 0,5
<tb>
Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, le résonateur de torsion (1-2) possède un disque d'encastrement (3) usiné, par exemple, dans le même alliage que le guide d'onde (2), et soumis au même traitement thermique de revenu, pour minimiser son coefficient thermoélastique de torsion. Les deux faces extrêmes sont rectifiées, et leur état de surface est rendu légèrement rugueux, d'une part, pour favoriser la fixation par collage du transducteur piézo-électrique (1) et du guide d'onde (2) sur ses deux faces extrêmes, et d'autre part, pour favoriser l'encastrement du disque (3). A titre d'exemple, le diamètre
Dd et l'épaisseur Ed du disque d'encastrement (3) sont donnés dans le tableau précédent.

Le collage du transducteur piézo-électrique (1) sur une face du disque d'encastrement (3), et du guide d'onde (2) sur l'autre face, est réalisé à l'aide d'une colle à fort module de cisaillement, par exemple une colle époxyde. La colle est choisie pour assurer une stabilité du module sur une plage de température la plus grande possible. Si aucune colle ne convient pour un intervalle de température désiré, notamment pour un fonctionnement du dispositif à hautes températures, par exemple supérieures à 100 degrés Celsius, la fixation est assurée par soudure à l'aide d'un mélange métallique fusible à relativement basse température.

Selon un mode particulier de réalisation, une enceinte thermostatée (14) enveloppe ensemble le résonateur de torsion (1-2) et une cellule à fluide (10) destinée à recevoir le fluide à tester (11). L'avantage que procure l'enceinte thermostatée (14) pouvant contenir ensemble le résonateur de torsion (1-2) et la cellule à fluide (10) est la réduction des variations de température du résonateur, lors de l'immersion partielle du guide d'onde par le fluide à tester (11).

L'enceinte thermostatée (14) est constituée de deux compartiments cylindriques à base circulaire, maintenus par une armature inférieure (7) et une armature supérieure (9), et possédant chacun un orifice d'entrée (16) et un orifice de sortie (17) pour permettre la circulation du fluide caloporteur (19). Les deux compartiments sont réalisés dans un matériaux transparent, par exemple, le plexiglass ou le verre.

Un disque rigide servant d'armature intermédiaire (8) entre les deux compartiments de l'enceinte thermostatée (14) est ouvert en son centre, pour laisser passer le résonateur de torsion (1-2). Un logement est usiné dans l'armature intermédiaire (8) pour recevoir et centrer le disque d'encastrement (3) du résonateur de torsion (1-2). Le blocage du disque est assuré par une rondelle de serrage (4) superposée au disque d'encastrement (3), et fixée à l'armature intermédiaire (8) par les vis (5).

Selon un autre mode particulier de réalisation, l'enceinte thermostatée (14) est constituée d'un compartiment unique cylindrique à base circulaire, maintenu par une armature inférieure (7) et une armature supérieure (9), et possédant un orifice d'entrée (16) et un orifice de sortie (17) pour permettre la circulation du fluide caloporteur (19).

Un support amovible (18), cylindrique à base circulaire, et percé en son centre d'une lumière, permet de loger et de centrer le transducteur piézo-électrique (1) et le disque d'encastrement (3) du résonateur de torsion (1-2). Le blocage du disque est assuré par une rondelle de serrage (4) superposée au disque d'encastrement (3), et fixée au support amovible (18) par les vis (5). Le support amovible (18) est pourvu d'un système lui permettant d'être déplacé à l'intérieur de l'enceinte thermostatée (14).

Le fluide caloporteur (19) de l'enceinte thermostatée (14) est , par exemple, l'eau ou un fluide à spectre calorifique plus large, en fonction de la gamme des températures d'utilisation du dispositif. Une sonde de température (15) est placée à l'intérieur de l'enceinte thermostatée (14) permettant de contrôler la température avec une incertitude de l'ordre de +/- 0,01 degré Celsius. Le dispositif dans son ensemble peut être isolé du milieu extérieur par une seconde enveloppe à paroi adiabatique, permettant de minimiser les variations de température à +/0,005 degré Celsius.

Selon un mode particulier de réalisation, une cellule à fluide (10) est amovible à l'intérieur de l'enceinte thermostatée (14). La cellule à fluide (10) est constituée d'un cylindre à base circulaire, percé en son centre d'un réservoir destiné à contenir le fluide à tester (11).

Le matériaux de la cellule est transparent, par exemple, le verre. Le réservoir peut être de différents diamètres, permettant ainsi une contenance adaptée à la quantité disponible de fluide à tester (11). La paroi du réservoir est susceptible de traitement ou de dépôt pour la rendre compatible avec certains fluides, par exemple le sang ou d'autres fluides biologiques. Les pertes par évaporation des fluides à base de solvants volatiles sont réduites par la faible surface offerte par le réservoir avec l'air extérieur.

La cellule à fluide (10) est pourvu d'un système lui permettant d'être déplacée à l'intérieur de l'enceinte thermostatée (14). L'introduction et le déplacement de la cellule sont effectués par l'ouverture inférieure de l'enceinte thermostatée (14). Le caractère amovible de la cellule à fluide (10) permet de réduire le volume mort dû aux conduits d'alimentation.

Une règle graduée (13) est fixée sur la paroi extérieure de l'enceinte thermostatée (14) permettant de mesurer la hauteur d'immersion du guide d'onde (2).

E. 2. Fonctionnement de l'invention
Le fonctionnement du dispositif de l'invention comporte un mode opératoire et une méthode de mesure de grandeurs électriques.

Le mode opératoire du dispositif comporte tout d'abord le remplissage de la cellule à fluide (10) par le fluide à tester (11), par exemple, au moyen d'une seringue. Ensuite la cellule à fluide (10) est introduite dans la partie inférieure de l'enceinte thermostatée (14), dans la position permettant de ne pas immerger le guide d'onde (2). Le résonateur de torsion (1-2) non immergé par le fluide à tester (11) est dans son état de référence, à la température imposée par l'enceinte thermostatée (14).

Après la stabilisation de la température à l'intérieur de l'enceinte thermostatée (14), la chaîne de mesure effectue un balayage des fréquences de résonance du résonateur de torsion (1-2) dans l'état de référence. Puis la cellule à fluide (10) amovible à l'intérieure de l'enceinte thermostatée (14) est déplacée pour immerger le guide d'onde (2) d'une hauteur donnée. La valeur de la hauteur est lue sur la règle graduée (13). Dès que la température à l'intérieur de l'enceinte thermostatée (14) est à nouveau stabilisée, la chaîne de mesure effectue le balayage des fréquences de résonance du résonateur de torsion (1-2) partiellement immergé.Le temps de stabilisation de la température de 1 'enceinte thermos tatée (14), après l'immersion partielle du résonateur de torsion (1-2), est minimum grâce à la thermostatation ensemble du résonateur de torsion (1-2) et de la cellule à fluide (10) contenant le fluide à tester (11). Plusieurs hauteurs peuvent se succéder pour augmenter la hauteur totale d'immersion du guide d'onde (2). A la fin du mode opératoire, la cellule à fluide (10) est retirée de l'enceinte thermostatée (14). Après la récupération du fluide à tester (11), la cellule à fluide (10) contenant un fluide de rinçage est à nouveau introduite dans l'enceinte thermostatée (14), pour nettoyer la partie immergée du guide d'onde (2).

Le balayage en fréquences, effectué par la chaîne de mesure, identifie les fréquences de résonance du résonateur de torsion (1-2) dans l'état de référence, et dans l'état d'une immersion partielle. A chaque fréquence de résonance, caractérisée par son ordre harmonique n, la chaîne de mesure explore plus finement le voisinage de la résonance et mesure, en fonction de la fréquence, l'admittance électrique du résonateur de torsion (1-2), égale au rapport entre le courant reçu par l'analyseur, et la tension électrique générée par le générateur. Dans le plan complexe, où la partie réelle, respectivement imaginaire, est portée par l'axe des abscisses, respectivement l'axe des ordonnées, l'admittance électrique décrit un cercle appelé cercle d'admittance.

Ce cercle présente les points caractéristiques suivants
- le maximum de la partie imaginaire de l'admittance, correspondant à la fréquence fl(n)
- le minimum de la partie imaginaire de l'admittance, correspondant à la fréquence f2(n)
- le maximum de la partie réelle de l'admittance, correspondant à la fréquence fs(n)
- la différence entre le maximum et la minimum de la partie réelle de l'admittance, égale à l'inverse de la résistance électrique R.

Les points caractéristiques du cercle d'admittance électrique dépendent de l'état du résonateur de torsion (1-2).

Entre l'état de référence et l'état d'immersion partielle par une hauteur h de fluide, les grandeurs fl(n), f2(n) fs(n) et R subissent, à la même température imposée par l'enceinte thermostatée (14), des variations proportionnelles à l'impédance caractéristique complexe en cisaillement z = Rm + i Xm du fluide.

La partie imaginaire Xm de Z* engendre une variation afs(n)) de la fréquence fs(n)

(formule 5) où K est la constante de proportionnalité

(formule 6) dans laquelle pg, Lg, et Dg sont respectivement la densité, le diamètre, et la longueur du guide d'onde (2).

La partie réelle Rm de Z* engendre une variation de la constante de temps du résonateur de torsion (1-2) :

(formule 7) où K est la constante de proportionnalité décrite précédemment, et t(n) la constante de temps du résonateur de torsion (1-2) déterminée par les fréquences fl(n), f2(n) et fs(n) :

(formule 8)
La partie réelle Rm de Z engendre également une variation AR de la résistance électrique

(formule 9) où K est la constante de proportionnalité décrite précédemment.L'inductance L du résonateur de torsion (1-2) est déterminée par les fréquences fl(n), f2("), fs(n), et la résistance électrique R du résonateur de torsion (1-2), dans l'état de référence du capteur

(formule 10)
L'expression analytique de la constante de proportionnalité K peut être vérifiée expérimentalement par un étalonnage du dispositif. Les variations des grandeurs fs(n), t(n), et R sont comparées aux valeurs des parties réelle et imaginaire de l'impédance caractéristique complexe en cisaillement de fluides données dans la littérature. La comparaison est effectuée pour chaque fréquence de résonance n du résonateur de torsion (1-2), et pour différentes hauteurs d'immersion. Les fluides d'étalonnage sont choisis parmi les solvants usuels.Le caractère en général purement visqueux de ces fluides leur confère une impédance caractéristique complexe en cisaillement dans laquelle les parties réelle et imaginaire sont égales. Cette propriété permet de contrôler l'unicité de la constante K, et de déterminer la précision relative des variations des grandeurs fs(n), t(n), et R.

La méthode de mesure des grandeurs électriques peut être pilotée par ordinateur, pour augmenter la facilité d'utilisation et la rapidité d'exécution du dispositif.

F. Applications industrielles de l'invention
Le dispositif selon l'invention permet de déterminer l'impédance caractéristique complexe en cisaillement Z * d'un fluide. La partie réelle Rm et de la partie imaginaire Xm de
Z* donnent accès à la partie réelle G' (w) et la partie imaginaire G" (w) du module complexe de cisaillement G * du fluide

(formule 11) et

(formule 12) où p est la densité du fluide mesurée séparément à l'aide, par exemple, d'un densimètre.

Les modules G'() et G" (w) représentent les propriétés viscoélastiques linéaires du fluide soumis à un cisaillement oscillant de pulsation w. Le module G' (w) mesure le caractère élastique du fluide, le module G"(w), le caractère visqueux.

La connaissance des modules G' (w) et G" (w) est une nécessité pour des activités industrielles confrontées à la mécanique et à la physique des fluides.

Au plan de la mécanique des fluides, les écoulements non stationnaires, c'est à dire dépendant du temps, sont gouvernés par les propriétés viscoélastiques des fluides. De très nombreuses situations pratiques correspondent à des écoulements non stationnaires, que ce soient des régimes transitoires comme les mises en marche et les arrêts, ou des régimes périodiques comme le pompage.

Au plan de la physique des fluides, les propriétés viscoélastiques linéaires sont le reflet de l'organisation interne de ces fluides. Les modules G' (w) et G"(o) sont des révélateurs d'autant plus fidèles que leur détermination expérimentale perturbe d'autant moins la structure du fluide.

La plupart des instruments de mesure des propriétés viscoélastiques de fluides couvrent une gamme de fréquences allant de 10-3 Hz à 103 Hz. Cependant de nombreux fluides ne manifestent leurs propriétés viscoélastiques qu'au delà de 103 Hz. C'est le cas, par exemple, de peintures, d'encres, de colles, d'huiles, de fluides biologiques, etc. Ces fluides représentent des exemples différents de structures, comprenant des solutions, des émulsions, des suspensions de particules colloïdales, des gels, etc.

L'originalité et l'intérêt du dispositif de l'invention résident donc dans la bande passante des fréquences de fonctionnement, mises en oeuvre par une chaîne de mesure de faible coût, et transportant une basse tension. Son champ d'applications industrielles couvre la caractérisation viscoélastique de fluides dans un but de recherche, de développement, et de contrôle.

Claims

REVENDICATIONS

1) Dispositif pour déterminer l'impédance caractéristique complexe en cisaillement des fluides, caractérisé en ce qu'il comprend un résonateur de torsion (1-2) constitué d'un transducteur piézo-électrique (1) et d'un guide d'onde (2) ayant des longueurs respectives Lt et Lg dans un rapport Lg/Lt contrôlé, permettant un fonctionnement du résonateur de torsion (1-2) en basse tension à l'intérieur dune bande passante allant des basses aux hautes fréquences de la gamme des 103 Hz.

2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte thermostatée (14) enveloppant ensemble un résonateur de torsion (1-2) et une cellule à fluide (10) amovible à l'intérieur de l'enceinte thermostatée (14).

3) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend une chaîne de mesure comportant un circuit électronique unique de faible coût, composé d'un générateur de tension électrique alimentant en série un résonateur de torsion (1-2), et d'un analyseur de courant électrique recueillant en série le signal de sortie du résonateur de toison (1-2).

4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le résonateur de torsion (1-2) est constitué d'un transducteur piézo-électrique (1) et d'un guide d'onde (2) ayant des diamètres respectifs Dt et Dg dans un rapport contrôlé, permettant de créer un noeud de vibration du résonateur de torsion (1-2) en son interface entre le transducteur piézo-électrique (1) et le guide d'onde (2)

5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le résonateur de torsion (1-2) possède un disque d'encastrement (3) reliant entre eux un transducteur piézo-électrique (1) et un guide d'onde (2)

D'une part, le diamètre du disque est contrôlé pour lui imposer une déformation de torsion en bloc et permettre ainsi un encastrement efficace par le maintient de la seule zone annulaire périphérique du disque.D'autre part, l'épaisseur du disque est faible devant la longueur d'onde correspondant à la fréquence la plus élevée de la bande passante du capteur.

6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le transducteur piézo-électrique (1) est un cristal de Quartz.

7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le transducteur piézo-électrique (1) est un cristal appartenant à la famille des Sillénites.

8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 ou 5, caractérisé en ce que le résonateur de torsion (1-2), possédant un disque d'encastrement (3), est encastré sur une armature intermédiaire (8) rigide de l'enceinte thermostatée (14).

9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 ou 5, caractérisé en ce que le résonateur de torsion (1-2), possédant un disque d'encastrement (3), est encastré sur un support (18) amovible à l'intérieur de l'enceinte thermostatée (14)