Brevet FR2035040A1 — publié le 19701218

La présente invention se rapporte à des appareils de mesures de débits de fluides et a trait plus particulièrement à un procédé et un appareil pour contrôler la précision de tels débit-mètres pendant leur fonctionnement sur le lieu d'installation. 5 Une commande correcte de la fourniture de fluides, par exemple de la fourniture de carburant et de produits chimiques dans des installations de traitement, nécessite que les appareils de dosage utilisés pour indiquer le volume débité soient périodiquement contrôlés ou vérifiés en ce qui concerne la précision. Ces 10 appareils de mesure sont sujets à une usure, à un mauvais fonctionnement dû à la.crasse, etc ... et à une manipulation brutale et ils nécessitent souvent un ré-étalonnage pour rétablir leur précision. Jusqu'à maintenant, le contrôle de tels débitmètres nécessitait soit un débranchement de l'appareil par rapport à 1'-15 installation et son transport jusqu'à Tin laboratoire en vue du réétalonnage, soit une interruption de l'écoulement de fluide dans le conduit où était branché le débitmètre et l'établissement de conditions normales d'écoulement en vue de la vérification du débitmètre. Dans l'un ou l'autre cas, il était nécessaire de per-20 turber le'fonctionnement normal de l'installation comportant le débitmètre. En outre, les procédés connus ne permettent pas une surveillance continue du fonctionnement de l'appareil qui, comme cela sera mis en évidence par la.suite, constitue la meilleure procédure pour détecter un mauvais fonctionnement. 25 Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 2 906 121 délivré à la demanderesse, on décrit un type de débitmètre qui a été largement utilisé ces dernières années.' Ce débitmètre utilise ce qu'on appelle le principe du vortex pour fournir Une indication précise du débit volumétrique de fluide le traversant. Spécifique-30 ment, le canal d'écoulement du débitmètre est muni d'une chambre intérieure, d'une forme approximativement demi-cylindrique et partiellement excentrée par rapport au canal principal, cette chambre produisant un écoulement à vortex à côté du courant principal. Il est prévu dans la chambre une roue ou cage, du type cage d'écu-35 reuil, qui est agencée pour être entraînée en rotation par l'écoulement à vortex. La roue à vortex contribue à maintenir un écoulement à vortex et fournit également un moyen d'indication du débit du fluide passant dans l'appareil, la vitesse de rotation de la roue étant liée par une relation linéaire à la vitesse du fluide 40 le long du trajet d'écoulement. La section de passage du trajet BAD ORIGINAL 70 09522 2" 2035040 d'écoulement étant connue et restant constante, l'appareil peut ê-tre gradué en unités volumétriques, par exemple en litres ou en mètres cubes. Un indicateur à lecture directe peut être accouplé mécaniquement ou magnétiquement à la cage tournante de façon à 5 fournir une indication visible» Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique ÏT° 3 091 118 délivré également à la demanderesse, on a décrit un mode perfectionné de réalisation d'un débitmètre à vortex dans lequel le trajet d'écoulement principal traversant le débitmètre est divisé par une 10 cloison. Un des trajets d'écoulement traversant le débitmètre, d'une section de passage relativement faible par comparaison à celle du trajet principal, sèrt de conduit d'étalonnage dans lequel sont prévus des moyens d'étalonnage. Ces derniers comprennent simplement un tampon dont le degré de pénétration dans le conduit d'é-15 talonnage peut être.réglé, par exemple à l'aide d'une clé ou d'un tournevis. Il en résulte une variation de la section totale de passage du débitmètre et, par conséquent, une variation du nombr» de tours de la cage tournante dans le conduit principal d'écoulement représentant une unité volumétrique de débit.-20 L'invention concerne un procédé et un appareil de con trôle de la précision d'un débitmètre du type à écoulement divisé dans les conditions d'utilisation .effective, sans débrancher le débitmètre ou sans interrompre le fonctionnement de 1'installation dans laquelle il est monté. 25 Suivant le principe de l'invention, on effectue deux me sures de pression différentielle dans chaque conduit d'un débitmètre à écoulement divisé, la pression différentielle dans le trajet principal d'écoulement étant prise de part et d'autre de l'ensemble de mesure et dans le conduit d'étalonnage, de part et d'autre 30 de l'ensemble d'étalonnage. Ces valeurs sont ensuite utilisées dans une relation spécifique en vue de calculer un résultat représentant le pourcentage d'écart de réponse du débitmètre par rapport à sa valeur d'étalonnage en usine. Dans le cas où l'écart dépasse une plage pré-déterminée de tolérances, on peut effectuer un 35 rê-étalonnage approprié ou bien des réparations si cela s'avère nécessaire. Pour obtenir les mesures de pressions nécessaires, chaque trajet d'écoulement du débitmètre est muni de deux prises de pression situées respectivement en amont et en aval de la chambre 40 de mesures. Un transducteur convertissant une valeur de pression bad orjginal 70 09522 3. 2035040 en valeur de résistance électrique est branché entre chaque paire de prises de pression en vue de produire un signal électrique lié aux pressions différentielles. Ces résistances sont utilisées dans un circuit à pont de Wheatstone de façon à calculer directement le 5 pourcentage d'écart. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non-limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels : 10 Fig. 1 est tine coupe longitudinale partielle d'un débit mètre à vortex du type à écoulement divisé, montrant l'agencement de mesure de pression; Figo 2 est une coupe transversale de la chambre de mesures de la îig. 1, suivant la ligne 2-2, et 15 3Tig. 3 est un schéma du circuit à pont de Wheatstone permettant de calculer le pourcentage d'écart. En référence aux Eig. 1 et 2, le carter extérieur du débitmètre est désigné dans son ensemble par la référence 10. Le conduit d'écoulement dans le débitmètre est délimité par la sec-20 tion 12 en forme de tuyau, qui est munie de raccords filetés 14 et 16 à chaque extrémité, en vue de la liaison avec les tronçons de tubes 18 et 20 constituant la canalisation de fluide dans laquelle le débitmètre est branché. La chambre excentrée 22 communique avec la section 12 du 25 débitmètre et sa section droite dans la direction d'écoulement du fluide est approximativement semi-circulaire. La chambre excentrée constitue un carter pour la cage tournante 24 qui est formée de deux éléments circulaires d'extrémité 26 et 28 (Eig. 2) entre lesquels sont montées plusieurs palettes 30, qui peuvent avoir un 30 profil incurvé (comme représenté) ou plan. Le rotor est monté à rotation dans des paliers 32,~ 34 solidaires des parois latérales opposées de la chambre 22. Le conduit d'écoulement 12 traversant le débitmètre est divisé à l'aide d'une cloison métallique plane 40 en tôle en un 35 conduit supérieur ou principal C et un conduit inférieur ou d'étalonnage P. Un tampon d'étalonnage 42 monté de façon réglable dans la paroi de fond du débitmètre peut être placé dans une position variable à l'intérieur du conduit d'étalonnage P à l'aide de la tige filetée 44. 40 Comme le montre la ïig. 2, la cage 24 du rotor est ac 70 09522 4. 2035040 couplée par l'intermédiaire du palier 32 à un mécanisme de lecture servant â compter et à indiquer le nombre de tours de la cage. L'élément d1accouplament 46 peut être une tringlerie mécanique, tel qu'un train d'engrenages, comme indiqué dans le Brevet précité 5 ÎT° 2.906.121, ou bien un accouplement magnétique qui convertit la rotation de la cage en signaux électriques. L'indicateur 48 entraîné par le dispositif d'accouplement 46 peut être d'un type approprié et fournissant une lecture visible au travers de la fenêtre transparente 50. Lorsqu'un signal électrique est fourni à la 10 sortie, l'indicateur peut se présenter sous forme d'un appareil de mesures électriques, d'un enregistreur graphique, d'une bande magnétique, etc En fonctionnement, le fluide s'écoulant suivant le trajet principal du débitmètre établit un écoulement en vortex dans 15 la chambre 22 du fait du profil géométrique de cette chambre. La cage 24 du rotor est mise en rotation par le vortex à une vitesse angulaire qui est liée par une relation linéaire à la vitesse d'écoulement du fluide dans le débitmètre. L'indicateur 48 peut, par conséquent, être directement gradué en unités de débit volumétri-20 que puisque la section de passage du débitmètre est constante et connue. Ainsi, la position du tampon 42 dans le conduit d'étalonnage fait varier sa section de passage et, par conséquent, la section globale de passage du conduit d'écoulement traversant le dé-25 bitmètre. Ceci a pour effet d'augmenter ou de réduire la vitesse d'écoulement du fluide dans le débitmètre pour un volume donné d'entrée et permet un réglage du dispositif de lecture du débitmètre, c'est-à-dire que le nombre de tours de la cage de rotor 24 par unité volumétrique de débit de fluide passant dans le débitmè-30 tre est plus grand lorsque la section de passage est réduite et inversement. Il est prévu deux prises de pression 50, 52 dans le trajet principal d'écoulement du débitmètre, à savoir une prise de chaque côté de la cage 24. Des conduits 5^ et 56 permettent l'ap-35 plication des pressions de fluide existant dans ces zones à un dispositif de mesure de pression différentielle 58 qui produit un signal représentant la chute de pression dans le conduit principal de part et d'autre de la cage de rotor 24. . Deux prises de pression similaires 60 et 62 sont prévues 40 de part et d'autre du tampon d'étalonnage 42 du conduit P. Les 70 09522 5. 2035040 pressions sont transmises respectivement par l'intermédiaire des conduits 64, 66 à un autre dispositif de.mesure de pression différentielle 70. Ce dernier indique la chute de pression de part et d'autre du tampon d'étalonnage 42. 5 Suivant l'invention, en mesurant les deux pressions dif férentielles de part et d'autre de 1'ensemble de mesure et en les combinant à une constante caractéristique du débitmètre particulier en concordance avec une relation pré-déterminée, on peut obtenir commodément une valeur représentant l'écart de la réponse de 10 l'appareil par rapport à sa valeur d'étalonnage en usine pendant que le débitmètre est utilisé dans des conditions réelles d'écoulement. En référence à la Pig. 1, la cloison 40 divise la vitesse du fluide d'entrée V. en deux composantes, à savoir Y dans le y C 15 conduit principal et V dans le conduit d'étalonnage du débitmètre . Dans le conduit principals la chute de pression ou perte de charge APc de part et d'autre de la cage du rotor peut être exprimée par la relation suivante % 20 A Pc = K P 2 c c c où E = constante c PQ = densité du fluide dans le conduit principal en amont du rotor Yc = vitesse du fluide dans le conduit prin- 25 cipal en amont du rotor. De la même façon, la chute de pression A P de part et d'autre du tampon d'étalonnage est exprimée par la relation : A P = E P V 2 P P P P où : E = constante P 30 P = densite du fluide dans le conduit d'e- talonnage en amont du tampon d'étalonnage V ~ = vitesse du fluide dans le conduit principal en amont du tampon d'étalonnage. 35 Par transposition et ré-arrangement des termes, le rap port vr des vitesses dans les deux conduits peut s'exprimer par la relation suivante AP E V P P AP E P 40 p p c c y. 3 70 09522 5„ 2035040 Puisque pour toutes les applications pratiques les densités, dans les deux conduits de mesures sont identiques, même pour un fluide compressible tel qu'un gaz, les termes correspondant à une densité s'annulent. En réunissant les constantes sous forme d'une seule constante E^, on peut écrire le rapport de vitesses v de la façon suivante : vr \(f5T (D p Comme indiqué plus haut, le débitmètre à vortex est ca-10 ractérisé par une relation linéaire entre la vitesse angulaire w du rotor à vortex et la vitesse du fluide ^t. En conséquence on ai ' " - Et De façon similaire, la vitesse angulaire w de la cage 15 est liée linéairement à la vitesse du fluide dans le conduit principal par la relation suivante : - = E Y ° c En conséquence : 20 w = Yj. = Y K c o w II Et E. 0 vt - Tc et Yj. = Y„ — ' = Yc Kg (2) Sans tenir compte de la compressibilité du fluide dans 25 le débitmètre et de légères variations de section, on peut écrire; A. Y. = A Y + A_, Y_ t o o p p où A^, Aq et Ap désignent les sections de passage dans l'entrée du débitmètre dans le conduit principal et dans le conduit d'étalonnage . En divisant par A^_ et en simplifiant les constantes, on 30 peut écrire cette relation de la façon suivante : -Kx Y0 + K2 Tp En remplaçant Y^ par la valeur tirée de l'équation (2) et en transposant, on obtient : Ks \ - K1 \ ■ K2 Tp 35 T0 (Es - Kl) = x2 yp Iç . fg (3) Tp L'équation 3 montre que le rapport de vitesses v^ est 40 une constante, qui sera désignée dans la suite E^. COPY 70 09522 7" 2035040 On a démontré plus haut que, pour un débitmètre dont le nombre de tours par volume unitaire de fluide débité est constant, son rapport de vitesses v^ et la racine carrée du rapport des pressions différentielles sont constants indépendamment de la den-5 sité de fluide, puisqu'on déduit de l'équation (1) : vr = Kr = Kf U Pp Pour établir cette relation, on a supposé que le débit-10 mètre en question fonctionne de façon que le rapport nombre de tours/imité de volume, transmis par l'intermédiaire de l'accouplement 46, produise' une lecture précise sur l'indicateur. On va supposer pour simplifier que le rapport de vitesse est réglé à une valeur égale à l'unité, c'est-à-dire que V = V , et que ces con-✓ 15 ditions représentent un écart de O % par rapport à la condition désirée. On a alors : (Er - 1) 100 = °/o d'écart = E (5) ou en remplaçant Kr par la valeur trouvée plus haut 20 E {%} = (Kf \| A P - 1) 100 (6) La constante qui peut être appelée le facteur de sécurité du débitmètre, est déterminée en usine avant que l'appareil soit installé, en opérant de la manière suivante. Du fluide à un 25 débit et à une pression connus est fourni à l'entrée du débitmètre et on calcule l'écart E du rapport nombre de tours/volume unitaire à partir de la valeur théorique de construction. Les' pressions A Pc et A Pp sont également enregistrées. Cette opération est répétée pour un nombre suffisant de valeurs de volume et de 50 pression et, pour chaque opération, on calcule le facteur à partir de la formule : T E = ( + D\ — * (7) 1 100 * A P A c 35 et la formule dérivée de l'équation (6) est résolue en fonction du facteur de sécurité. En supposant qu'une plage admissible d'écarts ne doit pas être supérieure à + 1 %, on effectue la moyenne de tous les fscteurs de sécurité calculés qui sont obtenus dans les conditions 40 où E est comprise dans cette plage, pour arriver au facteur de sé— COPY 70 09522 8" 2035040 curité E^ correspondant à l'appareil particulier contrôlé. On pré-détermine par conséquent le facteur de sécurité de chaque débitmètre avant son installation et, en combinant E^ aux pressions différentielles mesurées sur place comme décrit plus 5 haut, on peut déterminer l'écart ou erreur dudébitmètre. Un calcul de l'écart E peut être exécuté mentalement par l'opérateur ou automatiquement par le circuit de la Pig. 3» Sur la Pig» 3, des résistances variables 72, 74, 76 et 78 sont branchées, comme indiqué sur la figure dans un circuit à 10 pont de Wheatstone de type connu, un ampèremètre 80 est connecté entre les bornes communes des résistances 72, 74 et 76, 78. Une source de tension continue, telle qu'une batterie, est branchée entre les bornes 82. Les résistances 72, 74 peuvent être utilisées directe-15 ment en utilisant des dispositifs de mesures de pression 58, 70 du type convertissant des valeurs de pression en valeurs de résistances. Ces dispositifs se présentent sous différentes formes mais comprennent généralement un élément sensible à la pression tel qu'un soufflet, qui déplace un contact le long d'un élément résis-20 tant lorsqu'il se contracte et se dilate sous l'effet de la pression variable. Des bornes appropriées sont sorties du transducteur de façon à permettre sa connexion à un circuit extérieur tel qu'une résistance variable. Par une conception appropriée de l'élément résistant du transducteur, sa courbe de réponse pression-ré-25 sistance peut être rendue linéaire, exponentielle, etc ... De tels transducteurs sont par exemple fabriqués par la Société dite "Computer Instruments Corporation". Par utilisation d'un transducteur présentant une caractéristique de réponse exponentielle appropriée, les résistances 30 72, 74 peuvent être proportionnelles à la racine carrée des pressions différentielles A Pc et A P^, c'est-à-dire qu'on obtient : Ec = kl Rp = k2 \J A Pp Les relations obtenues avec le pont de Wheatstone per-35 mettent d'écrire : S: „ 2* H R p s mais on sait également que : /—p— 40 Kr = Ef \/^ (4) A P P ctopv 70 09522 9. 2035040 ou fr \ A Pc Kf "Y A Pp 5 En conséquence : _ fx ïii Ep " Es ICf Puisque est fixe et connu pour le débitmètre contrô-10 lé, R peut être réglé à une valeur proportionnelle à Kf. Sn con- S i séquence, R^ devient directement proportionnel à On voit par conséquent que, si R^. (résistance 78) est réglé de façon à équilibrer le pont (c'est-à-dire à réduire le courant passant, dans l'ampèremètre à une valeur nulle), sa valeur 15 pour la condition d'équilibre est proportionnelle à Kr qui est lui-même lié à l'écart E par la formule : E (g) = (Kr - 1) 100 (5) et un simple abaque d'étalonnage permet d'obtenir la valeur de E à partir de la valeur de Rx indiquée. 20 En variante, on pourrait; laisser R^. constant pour la va leur nulle de l'écart et l'ampèremètre 80 serait gradué de façon à pouvoir lire directement en pourcentage l'écart E puisque le courant passant dans l'ampèremètre est proportionnel à Kr. La description qui précède montre que l'écart mesuré 25 sur place et obtenu de la manière décrite plus haut permet d'informer rapidement l'opérateur de la relation existant entre la lecture donnée par l'appareil de mesure et le débit réel de fluide. Si le débitmètre ne donne pas une lecture précise dans 30 les limites prescrites, le tampon d'étalonnage peut être réglé jusqu'à ce que l'écart soit suffisamment réduit. Toutes les mesures et réglages peuvent être exécutés sans débrancher le débitmètre ou sans perturber autrement le fonctionnement de l'installation dans laquelle il est utilisé. En outre, puisque la relation mathématique utilisée dans le procédé et l'appareil décrit plus haut ne dépend pas de la densité du fluide, elle est particulièrement avantageuse dans des circuits d'écoulement de gaz ou de mélanges gaz-liquide dans lesquels il risque de se produire des variations de densité. 40 L'écart E peut être contrôlé de façon continuç si désiÇOPY 70 09522 10. 2035040 ré, ou bien on peut effectuer des mesures à des intervalles périodiques. Les dispositifs de détection de pression 58, 70 et leurs conduits et raccords associés peuvent être commodément démontés en prévoyant des soupapes de sûreté dans chacune des pri-5 ses du carter du débitmètre qui sont ouvertes lorsque les raccords sont fixés. De même, le circuit de calcul peut être transporté en même temps que l'appareil de mesure de pression en vue de constituer un ensemble complètement mobile. Bien que l'invention ait été décrite en référence à un 10 appareil de mesures de débit à vortex, il va de soi que ces principes sont applicables à d'autres formes d'appareils de mesures de débit, par exemple des débitmètres à orifice et à écoulement divisé, c'est-à-dire comportant des conduits principaux ou de mesures et des conduits d'étalonnage. 70 09522 ii. 2035040 RiSMJDICATIOUS. 1. Procédé pour contrôler la précision d'un débitmètre du type à écoulement divisé, en cours d'utilisation, le débitmètre comportant un trajet principal d'écoulement dans lequel sont pré-5 vus des éléments de mesures et un trajet d'étalonnage placé en parallèle et dans lequel sont prévus des éléments d'étalonnage pour régler la réponse des éléments de mesure, ce procédé étant caractérisé en ce qu'on mesure la chute de pression due aux éléments de mesure dans le trajet principal d'écoulement dans des conditions 10 réelles d'écoulement, en ce qu'on mesure la chute de pression due aux éléments d'étalonnage dans le conduit d'étalonnage dans des conditions réelles d'écoulement, en ce qu'on calcule l'écart entre la mesure fournie par le débitmètre et une valeur pré-déterminée en concordance avec la relation : ce que les opérations de mesure, de calcul et d'indication sont 30 exécutées simultanément et de façon continue dans des conditions réelles d'écoulement en vue d"1 obtenir un enregistrement continu de l'écart. ce.que la constante du débitmètre est déterminée en introdui-35 sant dans le débitmètre un fluide d'une densité fixe sous une pression et un débit contrôlés, en faisant varier par échelons distincts à la fois la pression et le débit, en mesurant pour chaque couple pression-débit les chutes de pression respectivement dans les éléments de mesure et les éléments d'étalonnage ainsi 40 que l'écart entre la valeur réelle de débit et la valeur indiquée, 25 du débitmètre dans des conditions contrôlées à l'entrée, et en ce qu'on affiche l'écart calculé. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en 3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en 70 09522 12. 2035040 en calculant pour chaque groupe de mesures la valeur de la constax> te Kj, conformément à la relation suivante : f E = ( + 1) 5 1 100 et en faisant la moyenne des valeurs de dérivées d'écarts tombant dans une plage acceptable. 4. Débitmètre du type à vortex dans lequel le passage du fluide est divisé en un conduit principal et un conduit d'étalon-10 nage, caractérisé en ce qu'il comprend des éléments de mesure sensibles à la vitesse du fluide dans le conduit principal pour indiquer le volume de fluide s'écoulant dans le trajet principal et des éléments d'étalonnage prévus dans le conduit d'étalonnage pour régler la réponse des éléments de mesure, des moyens pour vérifier 15 la précision du débitmètre par rapport à une valeur de référence prédéterminée pendant qu'il est en service et comprenant deux prises de pression prévues dans le conduit principal respectivement en amont et en aval des éléments de mesure, deux prises de pression 'prévues dans le conduit d'étalonnage respectivement en amont 20 et en aval des éléments d'étalonnage, un dispositif de mesure de pression différentielle branché entre les deux prises de pression du conduit principal en vue de fournir une première mesure de pression représentant la différence de pression de part et d'autre des éléments de mesure de débit, un dispositif de mesure de 25 pression différentielle branché entre les prises du conduit d'étalonnage en vue de fournir une seconde mesure de pression représentant la différence de pression de part et d'autre des éléments d'étalonnage et un dispositif de calcul utilisant les première et seconde mesures de pression pour produire un signal de sortie re-30 présentant le pourcentage d'écart E entre la valeur fournie par le débitmètre et la valeur de référence prédéterminée, conformément à la relation : E a (E- Xi - 1) 100 35 V A Pp où A P représente la première mesure de pression. A Pp représente la seconde mesure de pression, et E^ est une constante représentant le fonction nement du débitmètre dans des conditions 40 d'entrée déterminées. 70 09522 2035040 5- Débitmètre suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif de mesure de pression différentielle comprend des résistances dont la valeur ohmique est variable avec la pression différentielle. 5 6. Appareil suivant la revendication 5, caractérisé en ce que ladite valeur ohmique varie comme la racine carrée de la pression différentielle. 7. Débitmètre suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif de calcul comprend un circuit à pont de 10 T/heatstone dont deux branches contiennent des résistances appartenant au dispositif de mesure de pression différentielle.