CA2052530A1 - Mesure du debit d'un filet de materiau fondu - Google Patents
Mesure du debit d'un filet de materiau fonduInfo
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Abstract
BREVET D'INVENTION MESURE DU DEBIT D'UN FILET DE MATERIAU FONDU L'invention est relative à l'amélioration de techniques de mesure de débit d'un filet de matériaux fondus tels que du verre. La technique selon l'invention comprend une mesure du diamètre du filet et une mesure de vitesse, la mesure de vitesse étant établie à partir de la mesure du temps séparant l'apparition successive d'une séquence d'émission en un premier point du trajet du matériau fondu, la détermination d'une séquence d'émission en un second point du trajet, le traitement de ces informations permettant d'établir une corrélation entre les séquences et l'intervalle de temps correspondant au passage des mêmes irrégularités aux deux points choisis et identifiés par cette corrélation.
Description
2 ~
MESUR~ DU DEBIT D'UN FIL~T DE MAIl~KIAU FONDU
L'invention est relative à l'amélioration de techni-ques de mesure de débit d'un filet de matériaux fondus tels que du verre, des basaltes, des laitiers, des céramiques et analogues, matériaux qui, à l'état fondu, sont le siège 20 d'une émission de rayonnement important.
Il est connu de~procéder à la mesure de ces débits par des moyens décrits, notamment, dans le brevet SE 82 036500 Selon ce document, le principe de mesure est le suivant~
Deux détecteurs, sensibles aux radiations émises, sont 25 disposés sur le trajet suivi par le matériau ~ondu à dis-tance l?un de l'autre. L'émission du matériau fondu pré-sente des irrégularités. Les détecteurs sont disposés de manière à recevoir l'émis~sion d'une portion limitée de la section du filet examiné. Les signaux reçus sont sélec-30 tionnés pour ne conserver ~ue ~eux;dépassant un certainseuil. La technigue antérieure consiste à mesurer le temps séparant l'apparition de signaux dépassant le seuil sur chacun des détecteurs, ce~te mesure traduisant la vitesse d'écoulement du matériau. Une mesure de diamètre du filet 35 complète la détermination permettant diatteindre le débit.
La mesure de diamètre est conduite en formant 1'image de la sectio~ du filet sur une caméra linéaire, le nsmbre d'élé-ment~ sensi~les recevan~ une radia~ion suf~isante, corres-pondant à la largeur du filet observé.
. . .
,:
-- 2 - 2 13 ~ ~J j C~
Les dispositions prévues dans la technique antérieure ~épondent, de fa~on imparfaite, aux buts poursuivis. En pratique, les mesures de débit sont principalement uti-lisées comme moyens a~imentant une bouche de régulation.
5 Les mesures sont comparées à des valeurs de consigne choi-sies par l'opérateur et tout écart par rapport à ces con-signes déclenche un ajustement de paramètre comme l'ali-mentation électrique et, par suite, la température de la filière à ~artir de laquelle le matériau s'écoule libre-10 ment. En d'autres termes, la mesure de débit dans ce typed'application doit être effectuée avec précision en perma-nence, faute de quoi le système serait complètement désor-ganisé.
Il est bien entendu possible de prévenir l'effet de 15 mesures aberrantes sur la régulation en excluant toute me-sure qui s'écarterait d'une plage de variations "vraisem-blables" dé~inie de manière expérimentale. Ceci n'est pas entierement satisfaisant. Il en résulte une perte systéma-tique de 1'information utilisée pour cette régulation.
La présence de mesures aberr~ntes est inhérente au système choisi anterieurement qui est basé sur la recon-naissance consécutive par les deux détecteurs de deux si-gnaux dépassant un certain seuilO Dans un tel système, 1'identification des signaux ne peut être parfaite. Le 25 système est pris en défaut dans dif~érents cas, même si d'autres "sécurités" en particulier sur le temps devant séparer deux signaux, permet d'écarter certains risques d'erreurs.
La présente invention a pour but d'améliorer les 30 techniques mises en oeuvre pour la mesure des débits de matériau fondu du type de ceux indiqués précédemment, no-tamment en minimisant, et pratiquement en éliminant les risques d'erreurs dans l'identification des signaux sexvant à déterminer la vitesse d'écoulement.
Selon l'invention et comme précédemment, la mesure de l'écoulement est basée sur les variations de rayonnement du filet de matériau fondu, variations qui sont suivies au moyen de deux détecteurs disposés le long du trajet de l'écoulement. Les difficultés observées précédemment sont ' . ~ ,- ' ' ' : ~ ' . ' .
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MESUR~ DU DEBIT D'UN FIL~T DE MAIl~KIAU FONDU
L'invention est relative à l'amélioration de techni-ques de mesure de débit d'un filet de matériaux fondus tels que du verre, des basaltes, des laitiers, des céramiques et analogues, matériaux qui, à l'état fondu, sont le siège 20 d'une émission de rayonnement important.
Il est connu de~procéder à la mesure de ces débits par des moyens décrits, notamment, dans le brevet SE 82 036500 Selon ce document, le principe de mesure est le suivant~
Deux détecteurs, sensibles aux radiations émises, sont 25 disposés sur le trajet suivi par le matériau ~ondu à dis-tance l?un de l'autre. L'émission du matériau fondu pré-sente des irrégularités. Les détecteurs sont disposés de manière à recevoir l'émis~sion d'une portion limitée de la section du filet examiné. Les signaux reçus sont sélec-30 tionnés pour ne conserver ~ue ~eux;dépassant un certainseuil. La technigue antérieure consiste à mesurer le temps séparant l'apparition de signaux dépassant le seuil sur chacun des détecteurs, ce~te mesure traduisant la vitesse d'écoulement du matériau. Une mesure de diamètre du filet 35 complète la détermination permettant diatteindre le débit.
La mesure de diamètre est conduite en formant 1'image de la sectio~ du filet sur une caméra linéaire, le nsmbre d'élé-ment~ sensi~les recevan~ une radia~ion suf~isante, corres-pondant à la largeur du filet observé.
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-- 2 - 2 13 ~ ~J j C~
Les dispositions prévues dans la technique antérieure ~épondent, de fa~on imparfaite, aux buts poursuivis. En pratique, les mesures de débit sont principalement uti-lisées comme moyens a~imentant une bouche de régulation.
5 Les mesures sont comparées à des valeurs de consigne choi-sies par l'opérateur et tout écart par rapport à ces con-signes déclenche un ajustement de paramètre comme l'ali-mentation électrique et, par suite, la température de la filière à ~artir de laquelle le matériau s'écoule libre-10 ment. En d'autres termes, la mesure de débit dans ce typed'application doit être effectuée avec précision en perma-nence, faute de quoi le système serait complètement désor-ganisé.
Il est bien entendu possible de prévenir l'effet de 15 mesures aberrantes sur la régulation en excluant toute me-sure qui s'écarterait d'une plage de variations "vraisem-blables" dé~inie de manière expérimentale. Ceci n'est pas entierement satisfaisant. Il en résulte une perte systéma-tique de 1'information utilisée pour cette régulation.
La présence de mesures aberr~ntes est inhérente au système choisi anterieurement qui est basé sur la recon-naissance consécutive par les deux détecteurs de deux si-gnaux dépassant un certain seuilO Dans un tel système, 1'identification des signaux ne peut être parfaite. Le 25 système est pris en défaut dans dif~érents cas, même si d'autres "sécurités" en particulier sur le temps devant séparer deux signaux, permet d'écarter certains risques d'erreurs.
La présente invention a pour but d'améliorer les 30 techniques mises en oeuvre pour la mesure des débits de matériau fondu du type de ceux indiqués précédemment, no-tamment en minimisant, et pratiquement en éliminant les risques d'erreurs dans l'identification des signaux sexvant à déterminer la vitesse d'écoulement.
Selon l'invention et comme précédemment, la mesure de l'écoulement est basée sur les variations de rayonnement du filet de matériau fondu, variations qui sont suivies au moyen de deux détecteurs disposés le long du trajet de l'écoulement. Les difficultés observées précédemment sont ' . ~ ,- ' ' ' : ~ ' . ' .
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- 3 -écartees en ne se reportant pas à des "pics" correspondant aux irrégularités d'une certaine ampleur - ce qui consti-tue, par ailleurs, une limite d'utilisation si le filet observé ne présente pas ou pas suffisamment d'irrégularités S - mais en comparant l'ensemble des signaux re~us par les deux détecteurs successifs. Selon l'invention il s'agit, en quelque sorte, non plus de comparer un pic instantané mais toute une séquence correspondant à un certain laps de temps d'écoulement. La comparaison des signaux des deux détec-10 teurs permet d'établir guelles sont les séquences les plussemblables ou les mieux corrélées et, cette identification faite, d'en déduire le temps écoulé entre les deux dé-tections.
L'expérience montre que, meme en tenant compte des 15 modifications inévitables de la physionomie des séquences d'émission dans le temps, une corrélation pratiquement certaine pouvait etre établie par ce moyen évitant ainsi toute mesure défectueuse.
Simultanement, le mode de détection utilisé selon 20 l'invention a été amélioré. Nous avons vu précédemment qu'une partie seulement de la section du filet de matériau fondu était utilisée comme source d'émission. Une raison de ce choix était liée a la nécessité de minimiser les causes de variation du rayonnement observé et, par suite, des si-25 gnaux analysés. En centrant l'observation dans la partie médiane, les risques de variations importantes qui se ma-nifestent sur les bords par rapport à l'environnement sont écartés. Cette sélection se traduit néanmoins encore par un appauvrissement des informations disponibles.
A l'inverse, selon l'invention, il est possible et même préférable de traiter un signal aussi "riche" que possible. Plus le signal est complexe, plus la corrélation est sûre. Pour cette raison, on utilise avantageusement des capteurs permettant de recevoir le rayonnement émis par une 35 section complète du filet de matériau ondu.
La suite de la description présente l'invention, de fason plus detaillée, en faisant référence aux planches de dessins dans lesquelles :
la figure 1 est un schéma de principe de la . . " ' 2 Q ~
technique misP en oeuvre, les figures 2a et 2b représentent respectivement, de façon schématique, les parties du filet de matériau observé
selon l'art antérieur et selon l'invention, la figure 3 est un schéma de principe de 1'ensemble de mesure, ~ la figure 4 est un schéma représentant la comparai-son des signaux provenant des moyens de détection des ir-régularités d'émission.
A la ~igure 1, le filet de matériau fondu est repré-senté par le segment cylindre 1. Un tel écoulement se trouve dans de nombreuses applications, notamment de 1'in-dustrie verrière et céramique. A titre d'exemple, les di-vers modes de transformation aboutissant à la production de 15 fibres minérales d'isolation comportent un tel écoulement entre la zone de ~usion et celle de transformation propre-ment dite, qu'il s'agisse d'une technique de centrifugation au moyen d'un rotor faisant, en même temps, office de fi-lière ou qu'il s'agisse d'une centrifugation dite externe à
20 partir de la périphérie d'une série de roues.
Dans ces exemples évoqués précédemment, le matériau fondu, verre, basalte, laitier... s'écoule librement sur une certaine distance sous forme d'un filet de section cy-lindrique. Il se trouve à une température élevée et est la 25 source d'un rayonnement intense. Toujours dans le cas de ces exPmples, le filet de matériau fondu comporte un nombre relativement important d'inhomogéneites constituées, de façon presque exclusive, par des bulles gazeuses. D'autres inhomogénéités peuvent provenir de particules infondues ou 30 insuffisamment fondues. Dans tous les cas, ces inhomogénéités introduisent dans le rayonnement des varia-tions qui peuvent être détectées.
Le rayonnement émis par le filet de matériau fondu 1 est passé dans un système optique représenté symboliquement 35 en 2. Dans le plan image 3~ se situent les détecteurs qui servent à la mesure du débit. Ces détecteurs sont, respec-tivement :
~ deux photodétecteurs 4 et 5 qui servent à l'analyse du rayonnement émis à partir de deux zones espacées sur le ~ , , . :; - .
.
'~ ` ' ,' . : ' ' filet 1, ~ un système de détection de type caméra linéaire, dite "CCD" ("Charged Coupled Device") 15.
Les figures 2a et 2b montrent, de manière comparative, 5 les observations du filet 1 de matériau fondu dans les modes antérieurs et, de fason préférée, selon l'invention.
Dans chacun des deux modes les zones observées, res-pectivement 6 et 7, 8 et 9, sont espacées le long du trajet du filet. Les défauts, générateurs d'inhomogénéités, sont 10 représentés par des bulles 10.
Les d~fauts 10 se distribuent de manière aléatoire dans le filet. Cette particularité explique déjà une dif-iculté qui accentue 1'incertitude des techniques anté-rieures. Sur la figure 2al on compxend qu'une partie des 15 défauts ne soit pas détectée car n'entrant pas dans les zones observées 6 et 7. La richesse des signaux en est donc diminuée. Il est encore plus gênant que certains défauts, situés à la limite des zones observées, puissent être per-çus au passage de l'une des zones et pas dans l'autre, 20 simplement par le fait d'une variation, même minime, dans la position xelative du filet ou du défaut dans ce filet.
Selon l'invention, pour les raisons indiquées ci-dessus, on préfère, comme représenté à la figure 2b, observer des sections complètes du filet. Dans la pratique, 25 pour les filet d'alimentation des installations de produc-tion de fibres d'isolation, la section est de l'ordre de 0,5 à 3 cm et l'observation de la totalité de la section ne soulève pas de difficulté particulière. Cependant, il est commode de modifier l'image analysée par le détecteur qui 30 n'est pas généralemen~ de forme oblongue. Ce mode de tran3formation est avantageusement réalisé en utilisant un guide d'onde optique constitué d'un faisceau de fibres, faisceau qui, à l'extrémité tournée vers le fil:et, présente une section très allongée 11, 1~ et, à l'extrémite tournée 35 vers le détecteur photosensible, une section circulaire 13, 14.
En dehors de l'analyse d'une section de forme géomé-trique, mieux adaptée aux exigences de la mesure considé-rée, l'utilisation d'un yuide d'onde optigue présente , ' ~ X
également l'avantage de permettre de placer les photo-d~tecteurs à une certaine distance des zones exposées de l'installation de production des fibres. Même en prenant certaines préczutions, il est en effet difficile d'éviter 5 une élévation de température du dispositif lorsqu'il est placé à proximité des moyens de distribution de matériau fondu dans les installations industrielles. Il est donc avantageux de pouvoir mettre les instruments fragiles à une certaine distance. L'éloignement de la partie "électroni-10 que" du dispositif de mesure est aussi avantageux quandl'installation de production comprend des moyens de chauffage par induction ~ui génèrent de puissants para-sites. Un autre avantage de l'utilisation des guides d'ondes est, le cas échéant, de procéder à l'analyse de 15 sections du filet localisées dans des endroits dont l'en-combrement ne permettrait pas l'installation de détecteurs à proximité immédiate.
A la figure 1, on a encore représenté le système de mesure du diamètre du filet. Comme indiqué, on utilise 20 avantageusement une caméra linéaire 15 comportant un grand nombre de cellules sensibles ou tout dispositif analogue.
La précision de la mesure dépend, à l'évidence, de la ca-pacité de résolution de la caméra et donc du nombre d~s cellules alignées.
L'ensemble de traitement de 1'information est repré-senté, schématiquement, à la figure 3.
A gauche de la figure, sont représentés llimage 16 du filet, la caméra 15 et les deux guides d'ondes 17 et 18.
Les rayonnements reçus par ces guides d'on~es sont 30 conduits à des photodiodes 19, 20. Les signaux sont ensuite amplifiés et conduits, après passage dans un convertisseur analogique numérique 21, 22, à une unité centrale de calcul 23. Des filtres 24, 25 peuvent être introduits de manière usuelle pour éli~iner les fréquences parasites.
La mesure de diamètre est faite à partir de la camera linéaire 15, le signal est egalement converti et envoyé à
l'unité centrale 23.
La figure 4 montre le type de signaux analogiques correspondant à u~ mesuxe. Les deux diagrammes distincts I
' . - .
. . . .
2 ~ J ~ ~ ~
et II proviennent des deux photodiodes. Dans ce schéma, on constate à des modifications limitées une identité des profils enregistxés si l'on décale la courbe II pax rapport à la courbe I d'un intervalle correspondant au temps sé-S parant le passage devant les deux détecteurs situés 1'unen-dessous de l'autre. La principale corrélation correspond à la détermina-tion automatique de l'intervalle de temps séparant deux séquences analogues observées par les deux détecteurs. La 10 connaissance de ce temps, associée à celle de la distance séparant les deux zones observées, permet d'établir la vi-tesse d'éc~ulement du filet de matériau fondu.
La détermination du diamètre de l'écoulement doit te-nir compte doit tenir compte des variations de luminance du 15 matériau en fusion. La largeur du signal issu de la caméra dépend de la luminance. Si l'on fixe un seuil caractéris-tique d'un pixel "éclairé", des filets de même diamètre et de luminances différentes paraîtront avoir des diamètres différents.
Pour éviter cette erreur systématique, on s'efforce de travailler à amplitude de signal constante. Ceci est obte-nu, selon l'invention, en asservissant le temps d'exposi-tion de la caméra à la luminance moyenne de filet. Cet as-sexvissement se fait au moyen du logiciel de gestion de la 25 caméra. L'algorithme utilisé permet d'obtenir un signal dont l'amplitude se situe juste en-dessous du niveau de sortie maximum de la caméra et de profiter de toute sa dy-namique. L'amplitude du signal peut varier du fait de la progression du temps d'exposition pas à pas. La qualite de 30 la mesure est également améliorée en asservissant la valeur du seuil servant à mesurer la largeur du signal à l'ampli-tude maximale de celui-ci. La mesure s'effectue à
mi-hauteur du signal.
En dehors de la précision de la mesure liée à la 35 luminance, il faut aussi faire en sorte que des écarts de position du filet ou de son imag face à la caméra ne per-turbent pas 1~ mesure. Pour tenir compte des changement latéraux d'ampleur limitée, le détecteur doit présenter une dimension suf~isante. Dans la pratique, pour les ''' ~' "
, , utilisations dans les machines de production de ~ibrés Qi nerales, on choisit, par exemple, de faire en sorte que l'image du filet ne recouvre pas plus de 60 % de la largeur du détecteur. Néanmoins, pour un détecteur donné, il est 5 préférable que l'image mesurée représente une part impor-tante de la largeur sensible pour maintenir une résolution satisfaisante et, par suite, une bonne précision.
Les essais de ces techniques de mesure ont été réa-lisés dans des installations de production de fibres 10 d'isolation. Deux séries d'essais ont été effectuées : la première sur une installation de production de laine de verre, la seconde sur une installation de laine de roche (basalte ou laitier de hauts-fourneaux).
Dans la production de laine de verre, le matériau 15 fondu provient d'un four de fusion fonctionnant en continu.
Le matériau, après acheminement par un avant-corps, est délivré par une filière réglable en température ~et, par suite, en débit) à l'appareil de centrifugation. Dans une installation de ce type, le verre fondu présente un spectre 0 d'émission généralement très riche par suite d'un affinage limité entraînant la présence d'une quantité importante de bulles.
Sur des essais con~uits avec un débit variant entre 10 et 30 tonnes par jour, soit de 400 à 12000 kgih, la préci-25 sion atteinte selon l'invention est de l'ordre de 0,3 ~ oumoins dans la configuration indiquée precédemment.
I1 faut souligner que, dans cette détermination, la précision relative sur les mesures de vitesse d'écoulement et de diamètre du filet sont du même ordre de grandeur. Par 30 ailleurs, un gain supplémentaire de precisiQn dans la me-sure serait de conséquence limitée sur les capacités de régulation de l'installation.
Dans l'installation, les sections visees pour la me-sure de vi~esses sont distantes de S0 mm et la vitesse du 35 filet est de l'ordre de 2 m/s. Le temps d'acquisition entre chaque mesure est de l'ordre de quelques secondes~ mais peut être abaissé si cela est nécessaire. L'expérience montre cependant/ qu'en régime stationnaire, les variations de débit sont très lentes et qu'une mesure plus rapide ,,~ ,.................................... .
:
' 9 2 ~
n'aurait pas d'incidence sur les capacités de régulation compte tenu de l'inertie thermique du système.
Dans les essais conduits, le temps complet corres-pondant a un échantillonnage était d'environ 2 secondes. La 5 moyenne est effectuée dans ce temps sur une dizaine de me-sures réduisant encore le risque d'errQur.
La mesure de di~nètre est faite à partir d'une caméra linéaire comprenant 1728 pixels pour des diamètres d'image du filet qui ne dépassent pas, ordinairement, 10 mm per-10 mettant une mesure de diamètre avec une précision de l'or-dre de 1 micromètre en moyQnnant les mesures successives.
La précision peut, bien entendu, être accrue en augmentant le nombre de pixels de la caméra. En pratique, cependant, ceci n'est pas nécessaire lorsque llon moyenne les mesures 15 et ceci d'autant plus que la rapidité d'acquisition permet un nombre très important de mesures dans un intervalle très court (de l'ordre d'une centaine par seconde). Par suite pour cette mesure egalement, l'intervalle de temps entre deux mesures succes~ives est maintenu inférieur à 5 s.
Sur l'installation de production de laine de roche, la mesure s'effectue dans des conditions analogues. L'intérêt de cette mesure est d'autant plus marqué que le mode d'alimentation en matériau fondu est d'ordinaire beaucoup moins stable que dans le cas précédent, ceci en raison du 25 fait que l'on utilise des "cubilots" pour fondre les ma-tières premières.
Par ailleurs, une difficulté particulière des roches et laitiers fondus tient au fait gue, contrairement au verre qui à la température de fusion reste semi-transpa-30 rent9 ces matériaux sont opaque~. Autrement dit, si avec leverre on peut déceler les irrégularités d'émission en pro-venance de l'intérieur du filet qui s'écoule, ceci n'est pas possible dans le cas des roches et laitiers. La seule émission analysable est celle qui provient de la surface du 35 filet. Pour cette raison encore, il est avantageux de pro-céder selon le mode proposé par l'invention consistant à
analyser une section complète du filet de matériau.
Pour la mesure effectuée sur l'installation de pro-ductfon de laine de roche, la distance séparant les deux ... ..
- 10 - '~
points de détection était réduite à environ 25 mm pour des raisons pratiques tenant à la géométrie de l'ensemble. La précision atteinte sur la vitesse d'écoulement (qui reste de l'ordre de 1 à 2 m/s3 est néanmoins à peu près du même 5 ordre que celle de la mesure effectuée sur le verre fondu.
En dépit d'une stabilité latérale du filet de matériau fondu très incertaine, le diamètre a pu être mesuré avec la même précision que précédemment dans le cas du verre. Glo- -balement, le débit est obtenu avec une erreur relative qui 10 ne dépasse pas 0,5 % pour des débits allant de 5 à
25 tonnes/jour.
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L'expérience montre que, meme en tenant compte des 15 modifications inévitables de la physionomie des séquences d'émission dans le temps, une corrélation pratiquement certaine pouvait etre établie par ce moyen évitant ainsi toute mesure défectueuse.
Simultanement, le mode de détection utilisé selon 20 l'invention a été amélioré. Nous avons vu précédemment qu'une partie seulement de la section du filet de matériau fondu était utilisée comme source d'émission. Une raison de ce choix était liée a la nécessité de minimiser les causes de variation du rayonnement observé et, par suite, des si-25 gnaux analysés. En centrant l'observation dans la partie médiane, les risques de variations importantes qui se ma-nifestent sur les bords par rapport à l'environnement sont écartés. Cette sélection se traduit néanmoins encore par un appauvrissement des informations disponibles.
A l'inverse, selon l'invention, il est possible et même préférable de traiter un signal aussi "riche" que possible. Plus le signal est complexe, plus la corrélation est sûre. Pour cette raison, on utilise avantageusement des capteurs permettant de recevoir le rayonnement émis par une 35 section complète du filet de matériau ondu.
La suite de la description présente l'invention, de fason plus detaillée, en faisant référence aux planches de dessins dans lesquelles :
la figure 1 est un schéma de principe de la . . " ' 2 Q ~
technique misP en oeuvre, les figures 2a et 2b représentent respectivement, de façon schématique, les parties du filet de matériau observé
selon l'art antérieur et selon l'invention, la figure 3 est un schéma de principe de 1'ensemble de mesure, ~ la figure 4 est un schéma représentant la comparai-son des signaux provenant des moyens de détection des ir-régularités d'émission.
A la ~igure 1, le filet de matériau fondu est repré-senté par le segment cylindre 1. Un tel écoulement se trouve dans de nombreuses applications, notamment de 1'in-dustrie verrière et céramique. A titre d'exemple, les di-vers modes de transformation aboutissant à la production de 15 fibres minérales d'isolation comportent un tel écoulement entre la zone de ~usion et celle de transformation propre-ment dite, qu'il s'agisse d'une technique de centrifugation au moyen d'un rotor faisant, en même temps, office de fi-lière ou qu'il s'agisse d'une centrifugation dite externe à
20 partir de la périphérie d'une série de roues.
Dans ces exemples évoqués précédemment, le matériau fondu, verre, basalte, laitier... s'écoule librement sur une certaine distance sous forme d'un filet de section cy-lindrique. Il se trouve à une température élevée et est la 25 source d'un rayonnement intense. Toujours dans le cas de ces exPmples, le filet de matériau fondu comporte un nombre relativement important d'inhomogéneites constituées, de façon presque exclusive, par des bulles gazeuses. D'autres inhomogénéités peuvent provenir de particules infondues ou 30 insuffisamment fondues. Dans tous les cas, ces inhomogénéités introduisent dans le rayonnement des varia-tions qui peuvent être détectées.
Le rayonnement émis par le filet de matériau fondu 1 est passé dans un système optique représenté symboliquement 35 en 2. Dans le plan image 3~ se situent les détecteurs qui servent à la mesure du débit. Ces détecteurs sont, respec-tivement :
~ deux photodétecteurs 4 et 5 qui servent à l'analyse du rayonnement émis à partir de deux zones espacées sur le ~ , , . :; - .
.
'~ ` ' ,' . : ' ' filet 1, ~ un système de détection de type caméra linéaire, dite "CCD" ("Charged Coupled Device") 15.
Les figures 2a et 2b montrent, de manière comparative, 5 les observations du filet 1 de matériau fondu dans les modes antérieurs et, de fason préférée, selon l'invention.
Dans chacun des deux modes les zones observées, res-pectivement 6 et 7, 8 et 9, sont espacées le long du trajet du filet. Les défauts, générateurs d'inhomogénéités, sont 10 représentés par des bulles 10.
Les d~fauts 10 se distribuent de manière aléatoire dans le filet. Cette particularité explique déjà une dif-iculté qui accentue 1'incertitude des techniques anté-rieures. Sur la figure 2al on compxend qu'une partie des 15 défauts ne soit pas détectée car n'entrant pas dans les zones observées 6 et 7. La richesse des signaux en est donc diminuée. Il est encore plus gênant que certains défauts, situés à la limite des zones observées, puissent être per-çus au passage de l'une des zones et pas dans l'autre, 20 simplement par le fait d'une variation, même minime, dans la position xelative du filet ou du défaut dans ce filet.
Selon l'invention, pour les raisons indiquées ci-dessus, on préfère, comme représenté à la figure 2b, observer des sections complètes du filet. Dans la pratique, 25 pour les filet d'alimentation des installations de produc-tion de fibres d'isolation, la section est de l'ordre de 0,5 à 3 cm et l'observation de la totalité de la section ne soulève pas de difficulté particulière. Cependant, il est commode de modifier l'image analysée par le détecteur qui 30 n'est pas généralemen~ de forme oblongue. Ce mode de tran3formation est avantageusement réalisé en utilisant un guide d'onde optique constitué d'un faisceau de fibres, faisceau qui, à l'extrémité tournée vers le fil:et, présente une section très allongée 11, 1~ et, à l'extrémite tournée 35 vers le détecteur photosensible, une section circulaire 13, 14.
En dehors de l'analyse d'une section de forme géomé-trique, mieux adaptée aux exigences de la mesure considé-rée, l'utilisation d'un yuide d'onde optigue présente , ' ~ X
également l'avantage de permettre de placer les photo-d~tecteurs à une certaine distance des zones exposées de l'installation de production des fibres. Même en prenant certaines préczutions, il est en effet difficile d'éviter 5 une élévation de température du dispositif lorsqu'il est placé à proximité des moyens de distribution de matériau fondu dans les installations industrielles. Il est donc avantageux de pouvoir mettre les instruments fragiles à une certaine distance. L'éloignement de la partie "électroni-10 que" du dispositif de mesure est aussi avantageux quandl'installation de production comprend des moyens de chauffage par induction ~ui génèrent de puissants para-sites. Un autre avantage de l'utilisation des guides d'ondes est, le cas échéant, de procéder à l'analyse de 15 sections du filet localisées dans des endroits dont l'en-combrement ne permettrait pas l'installation de détecteurs à proximité immédiate.
A la figure 1, on a encore représenté le système de mesure du diamètre du filet. Comme indiqué, on utilise 20 avantageusement une caméra linéaire 15 comportant un grand nombre de cellules sensibles ou tout dispositif analogue.
La précision de la mesure dépend, à l'évidence, de la ca-pacité de résolution de la caméra et donc du nombre d~s cellules alignées.
L'ensemble de traitement de 1'information est repré-senté, schématiquement, à la figure 3.
A gauche de la figure, sont représentés llimage 16 du filet, la caméra 15 et les deux guides d'ondes 17 et 18.
Les rayonnements reçus par ces guides d'on~es sont 30 conduits à des photodiodes 19, 20. Les signaux sont ensuite amplifiés et conduits, après passage dans un convertisseur analogique numérique 21, 22, à une unité centrale de calcul 23. Des filtres 24, 25 peuvent être introduits de manière usuelle pour éli~iner les fréquences parasites.
La mesure de diamètre est faite à partir de la camera linéaire 15, le signal est egalement converti et envoyé à
l'unité centrale 23.
La figure 4 montre le type de signaux analogiques correspondant à u~ mesuxe. Les deux diagrammes distincts I
' . - .
. . . .
2 ~ J ~ ~ ~
et II proviennent des deux photodiodes. Dans ce schéma, on constate à des modifications limitées une identité des profils enregistxés si l'on décale la courbe II pax rapport à la courbe I d'un intervalle correspondant au temps sé-S parant le passage devant les deux détecteurs situés 1'unen-dessous de l'autre. La principale corrélation correspond à la détermina-tion automatique de l'intervalle de temps séparant deux séquences analogues observées par les deux détecteurs. La 10 connaissance de ce temps, associée à celle de la distance séparant les deux zones observées, permet d'établir la vi-tesse d'éc~ulement du filet de matériau fondu.
La détermination du diamètre de l'écoulement doit te-nir compte doit tenir compte des variations de luminance du 15 matériau en fusion. La largeur du signal issu de la caméra dépend de la luminance. Si l'on fixe un seuil caractéris-tique d'un pixel "éclairé", des filets de même diamètre et de luminances différentes paraîtront avoir des diamètres différents.
Pour éviter cette erreur systématique, on s'efforce de travailler à amplitude de signal constante. Ceci est obte-nu, selon l'invention, en asservissant le temps d'exposi-tion de la caméra à la luminance moyenne de filet. Cet as-sexvissement se fait au moyen du logiciel de gestion de la 25 caméra. L'algorithme utilisé permet d'obtenir un signal dont l'amplitude se situe juste en-dessous du niveau de sortie maximum de la caméra et de profiter de toute sa dy-namique. L'amplitude du signal peut varier du fait de la progression du temps d'exposition pas à pas. La qualite de 30 la mesure est également améliorée en asservissant la valeur du seuil servant à mesurer la largeur du signal à l'ampli-tude maximale de celui-ci. La mesure s'effectue à
mi-hauteur du signal.
En dehors de la précision de la mesure liée à la 35 luminance, il faut aussi faire en sorte que des écarts de position du filet ou de son imag face à la caméra ne per-turbent pas 1~ mesure. Pour tenir compte des changement latéraux d'ampleur limitée, le détecteur doit présenter une dimension suf~isante. Dans la pratique, pour les ''' ~' "
, , utilisations dans les machines de production de ~ibrés Qi nerales, on choisit, par exemple, de faire en sorte que l'image du filet ne recouvre pas plus de 60 % de la largeur du détecteur. Néanmoins, pour un détecteur donné, il est 5 préférable que l'image mesurée représente une part impor-tante de la largeur sensible pour maintenir une résolution satisfaisante et, par suite, une bonne précision.
Les essais de ces techniques de mesure ont été réa-lisés dans des installations de production de fibres 10 d'isolation. Deux séries d'essais ont été effectuées : la première sur une installation de production de laine de verre, la seconde sur une installation de laine de roche (basalte ou laitier de hauts-fourneaux).
Dans la production de laine de verre, le matériau 15 fondu provient d'un four de fusion fonctionnant en continu.
Le matériau, après acheminement par un avant-corps, est délivré par une filière réglable en température ~et, par suite, en débit) à l'appareil de centrifugation. Dans une installation de ce type, le verre fondu présente un spectre 0 d'émission généralement très riche par suite d'un affinage limité entraînant la présence d'une quantité importante de bulles.
Sur des essais con~uits avec un débit variant entre 10 et 30 tonnes par jour, soit de 400 à 12000 kgih, la préci-25 sion atteinte selon l'invention est de l'ordre de 0,3 ~ oumoins dans la configuration indiquée precédemment.
I1 faut souligner que, dans cette détermination, la précision relative sur les mesures de vitesse d'écoulement et de diamètre du filet sont du même ordre de grandeur. Par 30 ailleurs, un gain supplémentaire de precisiQn dans la me-sure serait de conséquence limitée sur les capacités de régulation de l'installation.
Dans l'installation, les sections visees pour la me-sure de vi~esses sont distantes de S0 mm et la vitesse du 35 filet est de l'ordre de 2 m/s. Le temps d'acquisition entre chaque mesure est de l'ordre de quelques secondes~ mais peut être abaissé si cela est nécessaire. L'expérience montre cependant/ qu'en régime stationnaire, les variations de débit sont très lentes et qu'une mesure plus rapide ,,~ ,.................................... .
:
' 9 2 ~
n'aurait pas d'incidence sur les capacités de régulation compte tenu de l'inertie thermique du système.
Dans les essais conduits, le temps complet corres-pondant a un échantillonnage était d'environ 2 secondes. La 5 moyenne est effectuée dans ce temps sur une dizaine de me-sures réduisant encore le risque d'errQur.
La mesure de di~nètre est faite à partir d'une caméra linéaire comprenant 1728 pixels pour des diamètres d'image du filet qui ne dépassent pas, ordinairement, 10 mm per-10 mettant une mesure de diamètre avec une précision de l'or-dre de 1 micromètre en moyQnnant les mesures successives.
La précision peut, bien entendu, être accrue en augmentant le nombre de pixels de la caméra. En pratique, cependant, ceci n'est pas nécessaire lorsque llon moyenne les mesures 15 et ceci d'autant plus que la rapidité d'acquisition permet un nombre très important de mesures dans un intervalle très court (de l'ordre d'une centaine par seconde). Par suite pour cette mesure egalement, l'intervalle de temps entre deux mesures succes~ives est maintenu inférieur à 5 s.
Sur l'installation de production de laine de roche, la mesure s'effectue dans des conditions analogues. L'intérêt de cette mesure est d'autant plus marqué que le mode d'alimentation en matériau fondu est d'ordinaire beaucoup moins stable que dans le cas précédent, ceci en raison du 25 fait que l'on utilise des "cubilots" pour fondre les ma-tières premières.
Par ailleurs, une difficulté particulière des roches et laitiers fondus tient au fait gue, contrairement au verre qui à la température de fusion reste semi-transpa-30 rent9 ces matériaux sont opaque~. Autrement dit, si avec leverre on peut déceler les irrégularités d'émission en pro-venance de l'intérieur du filet qui s'écoule, ceci n'est pas possible dans le cas des roches et laitiers. La seule émission analysable est celle qui provient de la surface du 35 filet. Pour cette raison encore, il est avantageux de pro-céder selon le mode proposé par l'invention consistant à
analyser une section complète du filet de matériau.
Pour la mesure effectuée sur l'installation de pro-ductfon de laine de roche, la distance séparant les deux ... ..
- 10 - '~
points de détection était réduite à environ 25 mm pour des raisons pratiques tenant à la géométrie de l'ensemble. La précision atteinte sur la vitesse d'écoulement (qui reste de l'ordre de 1 à 2 m/s3 est néanmoins à peu près du même 5 ordre que celle de la mesure effectuée sur le verre fondu.
En dépit d'une stabilité latérale du filet de matériau fondu très incertaine, le diamètre a pu être mesuré avec la même précision que précédemment dans le cas du verre. Glo- -balement, le débit est obtenu avec une erreur relative qui 10 ne dépasse pas 0,5 % pour des débits allant de 5 à
25 tonnes/jour.
~ :
' .
`:
~ . ,
Claims (7)
1 REVENDICATIONS
1. Procédé de mesure du débit d'un filet de matériau émettant un rayonnement comprenant une mesure du diamètre du filet et une mesure de vitesse, la mesure de vitesse étant établie à partir de la mesure du temps séparant l'apparition successive en deux points distants l'un de l'autre sur le trajet du filet d'irrégularités identifia-bles d'émission, ce procédé étant caractérisé en ce que la mesure de l'intervalle de temps met en oeuvre la détermi-nation d'une séquence d'émission en un premier point du trajet du matériau fondu, la détermination d'une séquence d'émission en un second point du trajet, le traitement de ces informations permettant d'établir une corrélation entre les séquences et l'intervalle de temps correspondant au passage des mêmes irrégularités aux deux points choisis et identifiés par cette corrélation.
1. Procédé de mesure du débit d'un filet de matériau émettant un rayonnement comprenant une mesure du diamètre du filet et une mesure de vitesse, la mesure de vitesse étant établie à partir de la mesure du temps séparant l'apparition successive en deux points distants l'un de l'autre sur le trajet du filet d'irrégularités identifia-bles d'émission, ce procédé étant caractérisé en ce que la mesure de l'intervalle de temps met en oeuvre la détermi-nation d'une séquence d'émission en un premier point du trajet du matériau fondu, la détermination d'une séquence d'émission en un second point du trajet, le traitement de ces informations permettant d'établir une corrélation entre les séquences et l'intervalle de temps correspondant au passage des mêmes irrégularités aux deux points choisis et identifiés par cette corrélation.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel dans la mesure de la vitesse d'écoulement du filet de matériau émissif les points observés sur le trajet de cet écoulement correspondent à des sections transversales complètes de ce filet.
3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendica-tion 2 dans lequel la mesure du diamètre du filet étant effectuée au moyen d'une caméra linéaire recevant l'image du filet, le fonctionnement de la caméra est commandé de manière à asservir le temps d'exposition séquencé, à la luminance moyenne du filet de matériau.
4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel le seuil servant à déterminer la largeur du signal est asservi à l'amplitude maximale du signal.
5. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de mesure du débit d'un filet de matériau selon l'une quel-conque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend deux photodétecteurs disposés e manière à
recevoir l'émission du filet correspondant à deux points distincts sur le trajet d'écoulement du filet, un ensemble pour l'amplification du signal émis par chacun des phot-odétecteurs et un ensemble pour le traitement des signaux amplifiés et mesurant le temps séparant les apparitions de signaux identifiés par les photodétecteurs, dispositif comprenant également une caméra linéaire pour la détermi-nation du diamètre du filet, des moyens de traitement des signaux émis par les photodétecteurs, moyens établissant des corrélations entre des séquences de signaux émis par les photodétecteurs et déterminant l'intervalle de temps séparant deux séquences corrélées.
recevoir l'émission du filet correspondant à deux points distincts sur le trajet d'écoulement du filet, un ensemble pour l'amplification du signal émis par chacun des phot-odétecteurs et un ensemble pour le traitement des signaux amplifiés et mesurant le temps séparant les apparitions de signaux identifiés par les photodétecteurs, dispositif comprenant également une caméra linéaire pour la détermi-nation du diamètre du filet, des moyens de traitement des signaux émis par les photodétecteurs, moyens établissant des corrélations entre des séquences de signaux émis par les photodétecteurs et déterminant l'intervalle de temps séparant deux séquences corrélées.
6. Dispositif selon la revendication 5 dans lequel l'image du filet est conduite aux photodétecteurs au moyen de guides d'ondes optiques.
7. Dispositif selon la revendication 6 dans lequel les guides d'ondes optiques présentent, du côté de l'image du filet de matériau, une section allongée couvrant la tota-lité de la section droite du filet.
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