FR3104708A1 - Capteur de niveau de liquide du type analogique - Google Patents

Abstract

Dispositif de détection en continu du niveau d'un liquide présent dans un réservoir comprenant un flotteur (51) susceptible d'être en contact avec ledit liquide en fonctionnement, un aimant (53) et un support (7) pour une pluralité d’éléments magnéto-résistifs (70) disposés de manière adjacente le long du support, caractérisé en ce qu'il comporte une tige (5) dont une extrémité distale (50) est reliée audit flotteur (51), ledit aimant (53) étant fixé sur la tige à proximité de son extrémité proximale (52), ainsi que des moyens de guidage de la tige, grâce auxquels celle-ci peut coulisser selon une direction longitudinale, et en ce que ledit support (7) est fixé dans le dispositif pour s'étendre selon cette même direction longitudinale, en regard d’au moins une partie de la course de l’aimant, de telle sorte qu’en fonctionnement, le champ magnétique créé par ledit aimant est susceptible d'être détecté par lesdits éléments, lesquels génèrent en continu un signal représentatif du niveau du liquide dans le réservoir. Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

CAPTEUR DE NIVEAU DE LIQUIDE DU TYPE ANALOGIQUE

L'invention concerne le domaine technique des capteurs de niveau de liquide.

De nombreux capteurs sont déjà connus et utilisés dans l'industrie.

Ils peuvent être du type TOR (tout ou rien), ces capteurs étant calibrés par rapport à un seuil critique déterminé et ouvrant ou fermant un circuit électrique lorsque ce seuil est atteint.

Ils peuvent également être du type analogique et fournir alors en continu un signal représentatif du niveau de liquide.

L'intérêt de tels capteurs analogiques est de pouvoir suivre l'évolution du niveau de liquide et de décider d’actions préventives ou correctives avant qu'un seuil critique ne soit atteint.

De nombreux capteurs analogiques ont déjà été proposés.

On peut notamment citer un capteur à membrane, par exemple celui commercialisé par la société Rosemount ou encore un capteur présentant la forme d'une canne dans laquelle est prévue une succession d'éléments magnéto-résistifs et qui est entourée d'un flotteur comprenant des aimants, tel que celui décrit dans le document EP3499196.

Ces capteurs sont fiables et d’un usage répandu.

Cependant, leur utilisation dans des environnements sévères tels qu'un environnement nucléaire s'avère difficile, voire impossible.

En effet, dans un réservoir d’huile associé à une pompe d'un réacteur nucléaire, le liquide a une température comprise entre -20°C et 85°C, voire 110°C, avec une pression de l'ordre de 30 bars. Les capteurs utilisés dans cet environnement doivent répondre à des exigences de tenue non seulement aux conditions de service mais également à des conditions dites accidentelles (séismes et irradiation principalement).

Les capteurs connus du type « cannes avec flotteur » qui seraient directement placés dans ce réservoir ne sont pas éprouvés et qualifiés pour de telles conditions de température et de pression avec une durée de vie importante (de l’ordre de 40 ans), ni pour des conditions accidentelles.

Par ailleurs, il a été envisagé d'installer des capteurs à membranes dans un réservoir associé à une pompe du circuit primaire d'un réacteur nucléaire. Cependant, cette installation nécessite de percer le réservoir à plusieurs endroits supplémentaires pour permettre le raccordement du capteur. Dans la mesure où ces perçages augmentent le risque de fuites, un carénage supplémentaire est nécessaire autour des zones de raccordement, ce qui complexifie l'installation de ces capteurs.

L'invention a donc pour objet de pallier ces inconvénients en proposant un capteur de niveau fournissant en continu des mesures fiables et précises et dont la mise en place est simple, ce capteur pouvant, de surcroît, résister à des conditions extrêmes de température et de pression.

Ainsi, l'invention concerne un dispositif de détection en continu du niveau d'un liquide présent dans un réservoir comprenant un flotteur susceptible d’être en contact avec le liquide en fonctionnement, un aimant et un support pour une pluralité d'éléments magnéto-résistifs disposés de manière adjacente le long dudit support,
caractérisé en ce qu'il comporte une tige dont une extrémité distale est reliée audit flotteur, ledit aimant étant fixé sur la tige à proximité de son extrémité proximale, ainsi que des moyens de guidage de la tige, grâce auxquels celle-ci peut coulisser selon une direction longitudinale, et en ce que ledit support est fixé dans le dispositif pour s'étendre selon cette même direction longitudinale, en regard d’au moins une partie de la course de l’aimant, de telle sorte qu’en fonctionnement, le champ magnétique généré par ledit aimant est susceptible d'être détecté par lesdits éléments magnéto-résistifs, lesquels génèrent en continu un signal représentatif du niveau du liquide dans le réservoir.

Le dispositif selon l'invention peut également comporter l'une des caractéristiques suivantes, considérée isolément ou en combinaison avec d'autres :

les éléments magnéto-résistifs sont équidistants les uns des autres.

Les éléments magnéto-résistifs sont des interrupteurs à lames souples.

Les éléments magnéto-résistifs et ledit support sont enrobés dans une couche de résine.

Le dispositif comprend un convertisseur et une unité d'alimentation qui sont fixés sur le support.

Le convertisseur et l'unité d'alimentation sont enrobés dans la couche de résine.

Le dispositif comporte également un tube de guidage placé selon une direction longitudinale dans le dispositif, dans lequel la tige est montée coulissante.

Le support est fixé sur le tube de guidage.

Le dispositif comporte au moins un capteur de seuil, susceptible de générer une alarme.

Ledit au moins un capteur de seuil est fixé sur le tube de guidage

L’aimant est annulaire.

Le dispositif comporte un boîtier avec un fond comportant une ouverture pour le passage de la tige, la tige étant montée coulissante dans le boîtier selon une direction longitudinale, entre une position basse où la distance entre le fond du boîtier et le flotteur est maximale et une position haute où la distance entre le fond du boîtier et de flotteur est minimale

Le dispositif comporte une embase disposée sous le fond du boîtier et permettant la fixation du boîtier sur le réservoir de fluide.

L’invention concerne également un ensemble comprenant un dispositif tel que caractérisé précédemment et un réservoir contenant un liquide dont le niveau est susceptible d’être détecté en fonctionnement par ledit dispositif, ce dernier étant fixé sur ledit réservoir de telle sorte que ledit support est situé à l’extérieur dudit réservoir tandis que ledit flotteur est situé à l’intérieur dudit réservoir.

De préférence, lorsque le dispositif comporte un boitier, l’ensemble comprend une embase disposée sous le fond du boîtier et permettant la fixation du boîtier sur le réservoir de fluide.

L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celles-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit et qui est faite au regard des dessins annexés sur lesquels :

La figure 1 est une vue schématique en coupe illustrant le dispositif de détection de niveau selon l'invention mis en place sur un réservoir.

La figure 2 est une vue en perspective illustrant partiellement le dispositif de détection selon l'invention.

La figure 3 illustre le détail A de la figure 1.

La figure 4 est une vue en perspective partiellement coupée illustrant un état de fonctionnement du dispositif de détection selon l'invention.

La figure 5 est une vue en perspective partiellement coupée illustrant un état de fonctionnement, différent de la figure 4, du dispositif de détection selon l'invention.

La figure 6 est une vue schématique illustrant le champ magnétique généré par l’aimant du dispositif et le support des éléments magnéto-résistifs.

La figure 7 illustre une utilisation particulière du dispositif selon l’invention.

Les éléments communs aux différentes figures seront désignés par les mêmes références.

La figure 1 illustre un dispositif de détection selon l'invention 1, fixé sur un réservoir 2 (partiellement représenté), par l'intermédiaire d'une embase 3.

Le niveau du liquide dans le réservoir est désigné par L. Le flotteur 51 est posé sur la surface du liquide, son déplacement étant identique à celui du niveau du liquide.

Le dispositif 1 comporte un boîtier 4 avec un fond 40 placé sur l'embase 3.

Ce fond 40 est percé d'une ouverture 41, laquelle coïncide avec une ouverture 30 prévue dans l'embase 3.

Comme on le voit notamment sur la figure 2, l'embase 3 présente la forme d'un disque et l'ouverture 30 est située sensiblement au centre de l'embase 3.

Le dispositif 1 comporte également une tige 5 sur laquelle est fixé, à son extrémité distale 50, le flotteur 51 et, à proximité de son extrémité proximale 52, un aimant 53.

On comprend par « situé à proximité de son extrémité proximale », le fait que l’aimant est situé à une distance comprise entre 3 mm et 15 mm de l’extrémité proximale 52 de la tige 5.

Comme le montrent les figures 1 et 3, l’aimant 53 est un aimant annulaire qui présente un évidement central 530 pour le passage de la tige 50.

Il convient à cet égard de souligner que le dispositif 1 comporte un seul aimant qui est, de préférence, de forme annulaire pour augmenter la précision du dispositif de détection.

Dans l'exemple illustré sur les figures, la tige 5 est montée coulissante à l'intérieur d'un tube de guidage 6.

Ce tube 6, de forme cylindrique sur la figure 3, est fermé par une paroi à son extrémité distale 60 et il est ouvert à son extrémité proximale 61. L'ouverture 62 du tube coïncide avec les ouvertures 41 et 30, respectivement du fond du boîtier 40 et de l'embase 3. Bien entendu, le diamètre de l’aimant est inférieur au diamètre interne du tube 6. Il peut venir en contact avec la paroi interne du tube 6.

Le dispositif comporte également un support 7 pour une pluralité d’éléments magnéto-résistifs 70 disposés de manière adjacente le long de ce support 7.

De préférence, chacun de ces éléments 70 est un interrupteur du type REED (dans la terminologie anglaise, encore dénommé interrupteur à lames souples). De façon connue, un tel interrupteur est constitué de deux lames en matériau magnétique scellées à l'intérieur d'un tube de verre contenant un gaz neutre. Les lames sont disposées avec un léger recouvrement au niveau des contacts à l'intérieur du tube de verre et sont espacées l'une de l'autre de quelques centièmes de millimètres.

Lorsqu’un tel interrupteur est placé dans un champ magnétique, notamment produit par un aimant, les deux lames s’aimantent par influence et s’attirent mutuellement jusqu'au contact, ce qui provoque la fermeture de l'interrupteur. Par ailleurs, la suppression du champ magnétique provoque la séparation des lames et donc l'ouverture de l'interrupteur.

Ces éléments sont reliés d'une part, à un convertisseur qui permet de fournir un signal indiquant quel interrupteur est fermé sous l'influence d'un champ magnétique et d'autre part, à une unité d'alimentation.

Dans l'exemple illustré à la figure 2, le support 7 est fixé sur le tube de guidage 6, de façon à s'étendre longitudinalement, c'est-à-dire selon l'axe de révolution du tube 6. Ainsi, la tige 5 est susceptible de coulisser dans le tube 6, le support 7 étant parallèle au déplacement de la tige 5.

L'invention n'est cependant pas limitée à ce mode de réalisation. En l'absence d'un tube de guidage, le support 7 sera fixé dans le boîtier de façon à toujours s'étendre longitudinalement.

La distance entre la tige 5 et le support 7 est de préférence comprise entre 10,1 mm et 10,3 mm.

Dans une variante de réalisation illustrée à la figure 1, le dispositif 1 peut également comprendre deux détecteurs de seuil (capteurs tout ou rien) 81 et 82.

Il s'agit de détecteurs magnétiques classiques, notamment commercialisés par la société Celduc.

Ces deux capteurs 81 et 82 sont fixés sur le tube 6 notamment par l'intermédiaire de brides 83, 84.

L'invention n'est cependant pas limitée à ce mode de réalisation. Ainsi, en l'absence d'un tube de guidage, d'autres moyens seraient prévus pour fixer les deux capteurs 81 et 82 à proximité de la tige 5.

Le support 7 présente de préférence la forme d'une plaque de faible épaisseur, étroite et allongée, la largeur de cette plaque étant supérieure à la longueur des éléments magnéto-résistifs qu'elle supporte et notamment celle d’interrupteurs REED.

Comme l'illustre la figure 3, lorsque des interrupteurs REED sont utilisés, ceux-ci sont disposés de façon à s'étendre transversalement par rapport à la direction longitudinale dans laquelle s'étend le support 7.

Le support est fixé dans le boitier de manière à s’étendre parallèlement à la course de la tige et de l’aimant dans le boitier ou d’au moins une partie de la course de l’aimant dans le boitier, c’est-à-dire à l’extérieur du réservoir. Ainsi, le champ magnétique créé par l’aimant est susceptible d'être détecté en fonctionnement par l’un des éléments, le convertisseur générant en continu un signal représentatif du niveau du liquide dans le réservoir.

Pour cela, un calibrage des éléments magnéto-résistifs est nécessaire et la position du support par rapport à la course de l’aimant est déterminée en conséquence.

Par ailleurs, le support 7 est disposé perpendiculairement au plan défini par l’aimant 53 et perpendiculairement à la tangente au cercle défini par l’aimant dans ce plan.

La figure 6 illustre l’aimant annulaire 53 ainsi que le champ magnétique qu’il génère. L’interrupteur 70a sera fermé sous l’influence de ce champ magnétique, tandis que les autres interrupteurs resteront fermés.

De préférence, les éléments magnéto-résistifs fixés sur le support 7 sont enrobés dans une couche de résine. Par ailleurs, ces éléments peuvent être fixés sur le support par l’intermédiaire d’une barrette (non illustrée).

De préférence, ce convertisseur et cette unité d'alimentation sont également fixés sur le support 7 et ils sont avantageusement enrobés dans la même couche de résine que les éléments 70. Ils peuvent également être fixés sur la barrette lorsque celle-ci est prévue.

La figure 2 illustre le dispositif 1, en l'absence de l’intégralité du boîtier 4. Bien entendu, dans une utilisation industrielle, ce boîtier 4 sera prévu. Cependant, il n'est pas nécessaire au fonctionnement du dispositif de détection selon l’invention.

En pratique, il suffit que le dispositif comporte des moyens de guidage pour la tige. Ceux-ci peuvent être de réalisations très diverses, par exemple une simple ouverture dans un élément, tel que le fond 40 ou l'embase 3 et/ou un tube de guidage tel que le tube 6.

Le fonctionnement du dispositif de détection selon l'invention va maintenant être décrit en référence aux figures 4 et 5.

Dans les deux cas, le dispositif 1 selon l'invention a été fixé sur le réservoir de liquide 31, par l'intermédiaire de l’embase 3, de telle sorte que l'extrémité distale 50 de la tige 5, avec le flotteur 51 est placée à l'intérieur du réservoir 31, tandis que le boîtier 4 est situé à l'extérieur du réservoir 31. Les figures 4 et 5 montrent que l'embase 3 est située entre le fond 40 du boîtier et la partie supérieure 32 du réservoir 31.

Ces deux figures montrent que le dispositif selon l’invention peut être monté sur le réservoir en lieu et place d’un dispositif déjà présent et monté de manière similaire, notamment par l’intermédiaire d’une embase. Ceci simplifie considérablement sa mise en place puisqu’aucun nouveau perçage n’est en particulier nécessaire.

Ainsi, seule une partie de la tige 5, comprenant son extrémité distale et le flotteur, est susceptible d'être présente dans le réservoir 31, le reste de la tige 5 étant présent dans le tube de guidage 6. Ce dernier, comme le support 7 et les capteurs 81 et 82 sont dans le boîtier 4 et restent donc à l'extérieur du réservoir 31.

Cet agencement permet donc de soumettre le support 7 et les éléments magnéto-résistifs 70 ainsi que les capteurs 81 et 82 à des conditions de température et de pression qui sont celles de l'ambiante. Ils sont donc protégés des conditions de température et de pression qui existent à l'intérieur du réservoir 31 et qui peuvent être très sévères, notamment dans un environnement nucléaire puisque la pression peut alors atteindre 30 bars et la température peut être comprise entre -20°C et 110°C.

La figure 4 illustre une position relativement haute du flotteur 51 dans le réservoir 31, une partie importante de la tige 5 est donc présente à l'intérieur du tube de guidage 6.

Dans cette position, le champ magnétique créé par l’aimant 53 provoque la fermeture d'un des interrupteurs REED 70 situé du côté du support 7 le plus éloigné de l’embase 3, la fermeture de cet interrupteur générant par l’intermédiaire du convertisseur un signal indiquant la hauteur du fluide dans le réservoir, grâce à un étalonnage préalable. La sortie du convertisseur est désignée par la référence 71 sur les figures 4 et 5.

Dans l'exemple illustré, ce signal conduit à l'affichage d'une mesure sur un écran 9, ici une hauteur de 85 % du déplacement maximum prévu.

La figure 5 illustre une autre situation dans laquelle le niveau du fluide dans le réservoir est plus bas que celui illustré à la figure 4, la partie de la tige 5 qui est présente dans le réservoir est ainsi plus importante.

Dans cette position, le champ magnétique de l’aimant 53 porté par la tige provoque la fermeture d'un autre interrupteur situé plus près de l’embase. Cette fermeture est détectée par le convertisseur qui le transforme en un signal indiquant le niveau du fluide dans le réservoir 31, lequel se traduit par un affichage sur l’écran 9. La hauteur mesurée du fluide est ici de 10 % du déplacement maximum possible.

La figure 7 illustre une utilisation particulière du dispositif selon l’invention dans laquelle, à un réservoir 9, est raccordée au moins une cuve 90 par l’intermédiaire de deux conduits 91 et 92, le conduit 91 débouchant dans la partie basse du réservoir et de la cuve et le conduit 92 débouchant dans la partie haute du réservoir et de la cuve. Le dispositif 1 est fixé sur la cuve 90 par l’intermédiaire de l’embase 3.

Avec un tel agencement, il est possible de surveiller le niveau du liquide contenu dans le réservoir 9, par l’intermédiaire du dispositif 1 fixé sur la cuve 90. En pratique, deux cuves peuvent être prévues.

Ainsi, la structure du dispositif selon l'invention permet de protéger tous les éléments sensibles de conditions de température et de pression qui seraient susceptibles de les dégrader. Ils sont également protégés de tout contact avec le fluide présent dans le réservoir.

Il convient également de souligner que ce dispositif est conçu pour être extrêmement robuste et pour ne nécessiter pratiquement aucune maintenance.

En effet, le fonctionnement de ce dispositif ne nécessite tout d'abord aucun logiciel. Il n'existe donc aucun risque lié à un défaut de fonctionnement du logiciel ou aucune nécessité de maintenance d'un logiciel.

Par ailleurs, le support 7 et les éléments magnéto-résistifs qu’il supporte sont calibrés avant le montage du support 7 dans le boîtier 4, de telle sorte que l'activation d'un de ces éléments, notamment la fermeture d'un interrupteur dans l'exemple illustré, génère un signal de mesure de résistance auquel correspond un niveau de fluide dans le réservoir. Ainsi, une fois que le support 7 est disposé dans une position appropriée par rapport à la tige, dans le boîtier 4, aucune autre action n'est nécessaire.

Enfin, le fait que l'ensemble des composants soit enrobé dans une couche de résine résistante aux conditions d’utilisation renforce encore leur fiabilité et leur robustesse.

On estime ainsi que, pour le dispositif selon l’invention, le temps moyen entre pannes ou durée moyenne entre pannes (MTBF (mean time between failures) dans la terminologie anglaise), est de 50 ans à une température de 80°C.

Le dispositif selon l’invention permet de fournir des signaux avec une précision de +/- 2,5 mm correspondant à la distance entre deux interrupteurs ou, de façon générale entre deux éléments magnéto-résistifs.

Comme indiqué précédemment, le dispositif de détection selon l'invention comporte également, de préférence, des détecteurs de niveau en tout ou rien. De préférence, il s’agit de détecteurs bi-stables.

Ainsi, le capteur 82 permettra de détecter la position basse de la tige 5 et donc du liquide dans le réservoir, dans laquelle la distance entre le fond 40 du boîtier et le flotteur 51 est maximale.

Ce capteur 82 sera activé grâce au champ magnétique généré par l’aimant 53 et cette activation déclenchera avantageusement une alarme.

De même, le capteur 83 permettra de détecter la position haute de la tige et donc du liquide dans le réservoir, dans laquelle la distance entre le fond 40 du boîtier et le flotteur 51 est minimale.

Là encore, le capteur 83 sera activé par le champ magnétique créé par l’aimant 53 et cette activation, sera de préférence, associée à une alarme.

La présence de ces deux capteurs 81 et 82 permet de combiner une détection en continu du niveau du liquide dans le réservoir 31 avec une fonction de sécurité, les positions haute et basse de la tige correspondant à des niveaux du liquide dans le réservoir qui peuvent s'avérer dangereuses pour le fonctionnement global de l'installation.

Comme il va de soi et comme il résulte de ce qui précède, la présente invention n’est pas limitée aux modes de réalisation plus particulièrement décrits. Elle en embrasse au contraire toutes les variantes et notamment celles où les éléments magnéto-résistifs sont constitués par des capteurs à effet Hall ou des capteurs à magnétorésistance, où l’embase est omise et où l’aimant présente une autre forme, par exemple une forme carrée ou rectangulaire, dans la mesure où il génère un champ magnétique précis et suffisamment puissant.

Claims (14)

1. Dispositif de détection en continu du niveau d'un liquide présent dans un réservoir comprenant un flotteur (51) susceptible d'être en contact avec ledit liquide en fonctionnement, un aimant (53) et un support (7) pour une pluralité d’éléments magnéto-résistifs (70) disposés de manière adjacente le long du support, caractérisé en ce qu'il comporte une tige (5) dont une extrémité distale (50) est reliée audit flotteur (51), ledit aimant (53) étant fixé sur la tige à proximité de son extrémité proximale (52), ainsi que des moyens de guidage de la tige, grâce auxquels celle-ci peut coulisser selon une direction longitudinale, et en ce que ledit support (7) est fixé dans le dispositif pour s'étendre selon cette même direction longitudinale, en regard d’au moins une partie de la course de l’aimant, de telle sorte qu’en fonctionnement, le champ magnétique créé par ledit aimant est susceptible d'être détecté par lesdits éléments, lesquels génèrent en continu un signal représentatif du niveau du liquide dans le réservoir.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments magnéto-résistifs (70) sont équidistants les uns des autres.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les éléments magnéto-résistifs (70) sont des interrupteurs du type REED.
4. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les éléments magnéto-résistifs et ledit support sont enrobés dans une couche de résine.
5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu’il comprend un convertisseur et une unité d'alimentation qui sont fixés sur le support.
6. Dispositif selon revendication 5, caractérisé en ce que le convertisseur et l'unité d'alimentation sont enrobés dans une couche de résine.
7. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’il comporte également un tube de guidage (6) placé selon une direction longitudinale dans le dispositif, dans lequel la tige (5) est montée coulissante.
8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le support (7) est fixé sur le tube de guidage (6).
9. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu’il comporte au moins un capteur de seuil (81,82), susceptible de générer une alarme.
10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit au moins un capteur de seuil (81,82) est fixé sur le tube de guidage (6).
11. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ledit aimant (43) est annulaire.
12. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu’il comporte un boîtier (4) avec un fond (40) comportant une ouverture (41) pour le passage de la tige (5), la tige étant montée coulissante dans le boîtier selon une direction longitudinale, entre une position basse où la distance entre le fond du boîtier et le flotteur est maximale et une position haute où la distance entre le fond du boîtier et de flotteur est minimale.
13. Ensemble comprenant un dispositif selon l’une des revendications 1 à 12 et un réservoir (31) contenant un liquide dont le niveau est susceptible d’être détecté en fonctionnement par ledit dispositif, ce dernier étant fixé sur ledit réservoir de telle sorte que ledit support (70) est situé à l’extérieur dudit réservoir tandis que ledit flotteur (51) est situé à l’intérieur dudit réservoir.
14. Ensemble selon la revendication 13 en ce qu’elle dépend de la revendication 12, comprenant une embase (3) disposée sous le fond (40) du boîtier (4) et permettant la fixation du boîtier sur le réservoir de fluide.