Les densimètres numériques sont utilisés dans différentes industries et applications variées. Bien que la configuration de base et les opérations soient les mêmes pour tous les instruments de laboratoire, il y a de grandes différences par rapport à divers éléments de base qui son dûs aux applications et aux fonctionalités de l'instrument. L'article suivant se concentre sur les éléments de base d'un densimètre numérique ainsi que sur les opérations fondamentales.
Technologie de tube en U dans des densimètres numériques de laboratoire
Configuration de l'instrument
Le cœur d'un densimètre numérique moderne est le capteur de mesure (oscillateur), généralement un tube en forme de U qui est électriquement excité pour osciller à sa fréquence caractéristique. La fréquence caractéristique change en fonction de la densité de l'échantillon. La densité réelle de l’échantillon peut être calculée en déterminant précisément la fréquence caractéristique. Divers types d'oscillateurs ainsi que des méthodes d'évaluation sont présentés dans les chapitres suivants.
Type d'oscillateur (forme du capteur)
Il existe plusieurs types d'oscillateurs (capteurs) qui sont nommés en fonction de leur direction d'oscillation : oscillateurs Y, oscillateurs X et oscillateurs W.
Oscillateur en Y
Figure 1 : oscillateur Y
Les densimètres de laboratoire courants utilisent un oscillateur en Y ("tube en U"). Son pli se déplace de haut en bas. Cette configuration est compacte et permet une régulation précise de la température. La partie la plus sensible est la courbure du tube en U car l'amplitude atteint son maximum ici. Ce type d'oscillateur est très sensible et permet des mesures très précises. Cependant, les vibrations nuisibles doivent être éliminées par un contrepoids auquel le tube en U est fermement fixé. Cette contre-masse a une connexion flexible au reste du densimètre et découple ainsi l'oscillation du tube en U de toute vibration environnementale.
Oscillateur en X
Figure 2 : oscillateur X
Un oscillateur X est un tube en U avec un coude fixe (contrairement à l'oscillateur Y). Les pièces mobiles sont donc les tubes droits qui se déplacent l'un vers l'autre dans des directions opposées. Ce sont les parties les plus sensibles de ce type de tube en U. La fréquence caractéristique de l'oscillateur X est beaucoup plus élevée et donc l'influence de la viscosité (provenant de l'effet d'amortissement de l'échantillon sur le mouvement du tube en U) est plus grande que pour les autres types. Cependant, l'oscillateur X n'est pas sujet aux vibrations mécaniques et ne nécessite donc pas de contrepoids.
W-oscillateur
Figure 3 : oscillateur W
Un oscillateur W (également appelé oscillateur double-Y) se caractérise par un total de trois courbures. Le premier et le dernier pli oscillent l'un vers l'autre dans des directions opposées, ce qui en fait les parties les plus sensibles. Ce type d'oscillateur peut être utilisé dans des instruments à précision limitée, par ex. instruments portables qui n'ont ni contrepoids ni régulation de température.
Matériau du capteur
Le capteur (oscillateur, cellule) peut être en verre, par exemple en verre borosilicate 3.3, en métaux ou en alliages métalliques, selon l'application et la résistance à l'échantillon et aux agents de nettoyage.[1] Deux des matériaux les plus courants sont décrits ci-dessous.
Verre
Le verre borosilicate 3.3 est le matériau le plus courant pour les densimètres de laboratoire. L'avantage le plus évident d'une cellule de mesure en verre est la possibilité de voir l'échantillon et donc de vérifier la justesse du processus de remplissage (c'est-à-dire la présence de bulles ou de particules qui falsifieraient la densité mesurée). La résistance chimique du verre borosilicate est satisfaisante pour de multiples applications ; cependant, des substances telles que l'acide hydrofluorique (HF) et le sulfure d'hydrogène (H2S) attaquent le capteur en verre et ne doivent donc pas être remplies dans une cellule en verre. La plupart des instruments de laboratoire les plus précis sont équipés d'un oscillateur en verre, en raison du coefficient de température favorable et de la sensibilité basée sur son faible poids spécifique. Un capteur de mesure en verre est souvent enfermé dans un boîtier en verre (cellule de mesure) qui protège le capteur des influences ambiantes et qui est rempli d'un gaz spécial pour établir un bon contact thermique avec une unité de régulation de température.
Métal, alliages de métal
Les oscillateurs en métal ou les oscillateurs en alliages métalliques (par exemple, Hastelloy) montrent une grande durabilité et une résistance à la fracture face aux contraintes mécaniques. Des cellules métalliques ou des cellules en alliages métalliques peuvent également être utilisées si des substances qui attaquent le verre, telles que l'acide hydrofluorique (HF) ou des bases, doivent être analysées. Un oscillateur en métal se caractérise par sa robustesse, résistant à des pressions élevées (jusqu'à 500 bar) et offrant une large plage de températures (de -10 °C à +200 °C). Les cellules en métal ou en alliages métalliques peuvent être utilisées dans des appareils portables, de table ou des densimètres de processus.
Contre-masse
Une contre-masse est liée au tube de mesure pour réduire les résonances parasites ("oscillations externes") provenant d'autres composants, par exemple des pièces électroniques. Il est lié au boîtier du densimètre par des supports élastiques et agit comme un filtre mécanique pour les oscillations externes. La contre-masse a une fréquence de résonance qui se situe bien en dessous des fréquences utilisées pour la mesure de densité. La contre-masse garantit également que les points nodaux du tube sont constamment en position. Le volume d'échantillon est déterminé par les points nodaux et donc seule la masse change en fonction du fluide rempli tandis que le volume reste stable.[1]. Une masse opposée est nécessaire si un oscillateur Y est utilisé
En cas de capteurs en verre, un oscillateur de référence intégré élimine non seulement les dérives à long terme dues aux effets de vieillissement du matériau, mais aussi les variations de température qui influencent l'élasticité. Un oscillateur de référence permet donc qu'un seul réglage soit nécessaire pour couvrir toute la plage de température et que des balayages de température d'un échantillon puissent également être effectués.[2]
Contrôle de température
La régulation de la température de la cellule de mesure dans un densimètre est effectuée avec des éléments Peltier. Cette technologie avantageuse a maintenant remplacé l'utilisation des bains d'eau. Les éléments Peltier utilisent l'effet Peltier, un flux de chaleur dû au courant électrique : Un côté d'un élément Peltier chauffe tandis que l'autre côté refroidit en fonction de la direction du flux de courant[3]Les éléments Peltier permettent donc à la fois un chauffage et un refroidissement efficaces de la cellule de mesure et fournissent en outre une régulation de température précise et rapide.
Excitation de l'oscillateur
Soit un système d'aimants et de bobines, soit des éléments piézoélectriques peuvent être utilisés pour fournir une excitation électronique du capteur. Bien que les aimants soient relativement peu coûteux, l'inconvénient des aimants est qu'ils ajoutent du poids supplémentaire au capteur oscillant, ce qui a une influence négative sur la précision réalisable. Élément piézo: La méthode la plus précise pour exciter un capteur est d'utiliser un élément piézo, qui est un matériau cristallin ou céramique qui change de dimension sous l'effet d'une tension électrique appliquée. Cependant, cette technologie nécessite certaines mesures de sécurité dans les circuits électroniques car cela nécessite des hautes tensions.
Excitation et évaluation de l'oscillation
Excitation et évaluation de l'oscillation
Capteurs optiques : Les capteurs optiques peuvent détecter un faisceau lumineux qui est interrompu par un revêtement minuscule sur le tube oscillant. Les capteurs enregistrent ensuite la période d'oscillation. Cette technologie est très précise, simple et abordable. Éléments piézo : Les éléments piézo peuvent également être utilisés pour représenter la période d'oscillation si l'effet utilisable de l'élément est inversé. Alors que l'excitation du capteur est activée en appliquant une tension électrique à l'élément piézo, la détection de l'oscillation est également possible : un deuxième élément piézo est alors pressurisé par l'unité de capteur en mouvement périodiquement et génère une tension électrique qui représente la période d'oscillation avec une grande précision. Les aimants peuvent également être utilisés pour mesurer la période d'oscillation. Chaque fois qu'un aimant passe la bobine, un petit courant est induit qui peut être évalué.
Évaluation du motif oscillant
Figure 4: Après avoir atteint une oscillation stable, l'excitation s’arrête et l'oscillation s'estompe librement. La séquence d'excitation et d'évanouissement est répétée en continu. Cette méthode d'excitation pulsée4 brevetée permet à l'instrument de déterminer le facteur de qualité du tube en U oscillant d'une manière sophistiquée qui fournit des informations plus approfondies sur les caractéristiques de l'échantillon comparées à tout autre méthode de tube en U oscillant.[5]
Bien que le traitement analogique du motif d'oscillation soit robuste et abordable, la précision est limitée. De nos jours, les processeurs de signal numérique (DSP) sont à la pointe de la technologie et offrent des avantages significatifs par rapport à la technologie analogique, permettant même la reconnaissance de la perte d'énergie liée à la viscosité de l'échantillon. Ceci est possible grâce à la détermination simultanée non seulement de la fréquence caractéristique mais aussi de sa première oscillation harmonique et du facteur de qualité.
Oscillation constante
Lévaluation du motif d'oscillation est effectuée en maintenant la cellule de mesure en oscillation continue à la fréquence caractéristique. En enregistrant cette oscillation constante, non seulement la fréquence d'oscillation mais aussi l'amortissement peuvent être mesurés.la méthode excitation pulsée
Le dernier développement dans l'évaluation du motif d'oscillation pour les tubes U oscillants inclut une interruption de la fréquence caractéristique qui conduit à une disparition naturelle de l'oscillation. Cette procédure est répétée en continu et permet également d'évaluer le comportement de disparition de l'oscillation. Une série de valeurs est obtenue simultanément, ce qui entraîne des avantages supplémentaires qui ne sont pas seulement notables dans la mesure de la viscosité et la correction de la viscosité, mais aussi dans une meilleure répétabilité du résultat de densité et une détection améliorée de l'hétérogénéité des échantillons (par exemple, des bulles de gaz). De plus, cette nouvelle technologie permet la surveillance de l'état de la cellule de mesure.[4]Opérations de base pour obtenir des résultats corrects et précis
Le principe de mesure d'un densimètre à oscillation est basé sur la corrélation entre la densité $\rho$ d'un fluide rempli et la période d'oscillation correspondante $\tau$ (1 divisé par la fréquence d'oscillation f) selon la formule :
$\rho = A \tau^2 - B$
Équation 1 : La densité d'un échantillon $
ho$ peut être calculée en utilisant les constantes de l'instrument (A, B) et la période d'oscillation mesurée $ au$
Constantes d'ajustement et d'instrument (constantes d'appareil)
Figure 5
Pour obtenir les constantes de l'instrument A, B à partir des valeurs de fréquence correspondantes, au moins deux liquides de référence avec des densités connues doivent être remplis dans la cellule. Les constantes de l'instrument comprennent le volume de la cellule et sa masse ainsi que la constante du ressort.[6] Régler les constantes de l'instrument d'un densimètre s'appelle l'ajustement. Un ajustement est une opération visant à amener l'instrument (densimètre) dans un état dans lequel il est adapté à l'utilisation, en réglant ou en ajustant les constantes de l'instrument. Les écarts de mesure systématiques sont éliminés dans la mesure nécessaire pour les mesures d'échantillons ultérieures.[2] Lors d'un ajustement, deux étalons sont généralement mesurés (Figure 5), par exemple de l'air sec et de l'eau pure (par exemple, de l'eau dégazée bi-distillée). Connaître les valeurs de référence de densité des normes signifie que les valeurs de densité peuvent être liées à une période d'oscillation spécifique afin d'établir une relation linéaire entre la densité et la période d'oscillation. Sur la base de cette relation, des densités inconnues de différents échantillons peuvent être définies en mesurant leur période d'oscillation.
Étalonnage
Une calibration est un ensemble d'opérations pour établir une relation entre la densité de référence d'une norme de densité et la lecture de densité correspondante de l'instrument. Aucune intervention n'est effectuée qui modifie de manière permanente l'instrument.[2] Un étalonnage est effectué pour valider la qualité des mesures et des ajustements.
Comment la viscosité affecte la lecture de la densité
Lors de la mesure avec un densimètre numérique, par exemple, la fréquence d'oscillation mesurée dépend non seulement de la densité de l'échantillon rempli mais aussi de sa viscosité. En raison de l'oscillation du tube (voir ici pour plus d'informations sur la technologie utilisée), des forces de cisaillement (une sorte de friction) se produisent entre le fluide et la paroi du tube et entraînent un amortissement. L'amortissement est favorisé avec l'augmentation de la viscosité de l'échantillon, ce qui entraîne une surestimation de la densité (la valeur de densité affichée est trop élevée).[7] Une force pour compenser l'amortissement peut être appliquée en mode décalé de phase pour certaines plages de viscosité afin de tenir compte de l'erreur de viscosité. Les densimètres modernes compensent cet effet et effectuent automatiquement une correction de viscosité en utilisant une technique spéciale dans laquelle deux modes d'oscillation différents sont appliqués.[2] Après que l'amortissement soit mesuré dans l'oscillation fondamentale et dans l'oscillation harmonique de 1re , la viscosité est interprétée et évaluée à l'aide d'une courbe d'étalonnage de viscosité.
Conclusion
Bien que le principe des densimètres numériques soit toujours le même, la variation de la configuration, des technologies sous-jacentes ou des éléments permet de couvrir une grande variété d'applications et de répondre à différentes caractéristiques d'échantillons. Les densimètres modernes offrent une grande commodité par rapport aux équipements plus anciens (par exemple, correction de viscosité, oscillateur de référence) ou aux méthodes traditionnelles.
Références
- EN ISO 15212-1 : 1999 Densimètres à oscillation – Partie 1 : Instruments de laboratoire
- Fritz et al. Applications de la densitométrie, des mesures de graines ultrasoniques et de la viscosimétrie à faible cisaillement pour les fluides aqueux. J. de Phys.Chem. B Vol 104, No 15, 3463–3470, 2000
- www.researchgate.net/publication/262179901_Effet_Peltier_dans_les_Sémiconducteurs(dernière visite le 26.03.2018)
- AT 516420 (B1)
- Anton Paar DMA™ 4100 M, 4500 M, 5000 M Guide de référence, version du logiciel de l'instrument : à partir de 2.93 (XDLIB016EN-B), 2018
- H. Fehlauer et H. Wolf Liquides de référence de densité certifiés par l'Institut fédéral de métrologie Meas.Sci.Technol. 17 (2006) 2588–2592
- ftp://ftp.unicauca.edu.co/Facultades/FIET/DEIC/Materias/Instrumentacion%20Industrial/Instrument_Engineers__Handbook_-_Process_Measurement_and_Analysis/Instrument%20Engineers%27%20Handbook%20-%20Process%20Measurement%20and%20Analysis/1083ch6_8.pdf (dernière visite le 12.12.2017)
