Brevet FR2037212A1 — publié le 19701231

, ' ' Vj> f, .. ' - ; La présente invention concerne des perfectionnements aux débitmètres massiques destinés à la mesure du:débit massique des fluides. On connaît des débitmètres de masse dans lesquels les 5 débits se déduisent de la force- requise pour modifier la vitesse de rotation d'un flux de fluide•traversant un carter. Cette force est indiquée par le retard angulaire. que. prend une turbine de réaction accouplée élastiquement à une turbine d'entraînement actionnée par le-fluide. On mesure le retard angulaire à l'aide 10 d'une base de temps, en mesurant l'intervalle de temps qui sépare le passage d'un point de chacune des turbines devant un point fixe du carter. Cet intervalle de temps reste constant si la vitesse d'écoulement reste constante, même si la vitesse- de la turbine d'entraînement varie. L'intervalle de temps1 petit être mesuré par 15 un moyen optique en plaçant autour de la turbine de réaction un écran lié à la turbine d'entraînement, cet écran comportant une fente qui découvre plus ou moins une surface réfléchissante. Ce type de débitrnètre a l'inconvénient de cesser de donner des mesures exactes lorsque la turbine d'entraînement prend une 20 vitesse exagérée sous l'action du courant de fluide. Pour remédier à cet inconvénient, le débimètre object de l'invention comporte une turbine d'entraînement comprenant au moins une ouverture de dérivation du fluide près de laquelle est placé un système pour découvrir progressivement lesdites ouvertures 25 en fonction du retard angulaire de la turbine de réaction. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif, et illustrée par les figures jointes en annexe, qui représentent s La Fig. 1 est une vue simplifiée d'un débitrnètre conforme 30 à l'invention; • - • La Fig. 2 est une vue en coupe longitudinale d'une forme de réalisation du débitrnètre conforme à l'invention; Les Figs. 3 et 4 sont des vues en coupe transversale suivant les plans 3-3 et 4-4 de la Fig. 2; 35 La Fig. 5 est une vue de la partie du débitrnètre sur laquelle des mesures sont effectuées; La Fig. 6 est une vue en coupe longitudinale d'une autre forme de réalisation du débitrnètre suivant l'invention; La Fig. 7 est une vue en coupe transversale suivant le 40 plan 6-6 de la Fig. 6; 70 09451 2037212 La Fig. 8 est une partie de la turbine d'entraînement prise approximativement dans le plan de coupe 8-8 de la Fig. 7. Tel qu'il est représenté- suivant une forme de réalisation sur la Fig. 1, le débitrnètre conforme à l'invention 10 est incor- 5 -poré dans-un système .de mesure 12 comprenant un indicateur de débit 14. Le débitrnètre :10 comprend un carter tubulaire 16 dont les extrémités 18 et 20 constituent respectivement une entrée et une sortie. Une turbine de réaction 22 entourée d'aubes 24 peut tourner autour dfun arbre 26 monté sur des paliers 28 et supporté dans le 10 carter 16 par des flasques ajourés 30. L'adjectif ajouré signifie que des ouvertures sont prévues pour laisser passer le fluide à un travers les flasques. Un écran tubulaire 32 soutenu par/flasque ajouré 34 est monté sur l'arbre 26.à distance de la turbine 22. L'écran 32 tourne en même temps que la turbine d'entraînement 22 15 sous l'action du fluide qui traverse le carter 16, en raison de l'inclinaison des aubes 24. - . Une turbine de réaction 36 est montée sur l'arbre 26 de façon à pouvoir tourner autour de cet arbre. La turbine 36 comporte un téton 40 qui est relié à l'extrémité extérieure d'un 20 ressort spiral 38 dont l'extrémité intérieure est attachée à l'arbre 26., Donc, par l'intermédiaire du ressort 38, la turbine d'entraînement 22 en rotation, entraîne la turbine de réaction 36 à la même vitesse, mais avec un retard angulaire que l'on appellera simplement "retard" à certaines occasions. 25 Le retard est fonction à la fois.de la vitesse et de la masse du fluide qui s'écoule, dans .le carter 16. En d'autres termes, le retard augmente d'une part à cause de l'inertie de la turbine d'entraînement lorsque la vitesse d'écoulement du fluide augmente, et, d'autre part, à cause de la force supplémentaire, que le ressort 30 38 doit développer pour entraîner la turbine de réaction lorsque la masse de fluide augmente. O.n- peut démontrer mathématiquement que, à tout moment, le débit massique est: proportionnel au retard. Ainsi, sur les turbines 22 et 36, on choisit-deux' points qui sont . axiallement alignés lorsque les turbines sont au Kpos.v On choisit 35 également un. point fixe sur le carter 16* Le point de la turbine de / réaction prendra, un retard angulaire sur le point de la turbine d'entraînement lorsque le fluide s'écoulera dans le carter. Ce retard correspond au temps T qui sépare le passage des points choisis sur les turbines devqnt le point choisi sur le carter. On peut -40 écrire : dm/dt = KT, K étant une constante, et dm/dt le débit 70 09451 o 2037212 massique. Cela montre que la mesure du temps T donne en permanence la mesure du débit massique indépendamment de la vitesse de rotation de la turbine d'entraînement 22. 5 Sur la Fig. 1, la mesure du temps T est effectuée en permanence au moyen d'un dispositif optique 42 monté sur le carter 16 et électriquement connecté à un circuit 44 qui convertit la mesure de temps et une lecture sur l'indicateur 14. Le dispositif optique 42 est logé dans un boîtier 46 en face d'une fenêtre 10 transparente 48 obturant de façon étanche une ouverture 50 du carter 16. L'ouverture 50 est en regard d'une fente 52 de l'écran 32, et en regard de bandes réfléchissantes 54 prévues sur le pourtour de la turbine de réaction 36. Sur la Fig. 5, on voit que les bandes réfléchissantes 54 alternent avec des bandes non-réflé-15 chissantes 56', et qu'elles sont en regard d'une bande réfléchissante 58 accolée à une bande non-réfléchissante 60 prévues sur le pourtour de l'écran 32. Un faisceau lumineux provenant d'une source 62 logée dans le boîtier 46 traverse en permanence la fenêtre 48. Lorsque la fente 52 de l'écran 32 est en face de la 20 source de lumière 62, la lumière réfléchie par les bandes 54 tombe sur deux cellules photoélectriques 64. La longueur de bande que les cellules 64 peuvent voir à travers la fente 52 augmente à mesure que le retard de la turbine de réaction augmente. Par suite, les cellules 64 produisent une impulsion dont la durée est 25 à la fois fonction du retard angulaire et de la vitesse de rotation, donc fonction du débit massique. On peut expliquer le fonctionnement du système optique 42 en considérant le cas de deux bandes visibles à travers la fente 52, par exemple les bandes 54 et 56 (Fig. 5} qui sont en regard 30 de la bande réfléchissante 58 de l'écran 32. La lumière émise par la source 62 se réfléchit sur la bande 54 et tombe sur la cellule 64. On admettra que la partie de la bande non réfléchissante 56 visible à travers la fente 52 est nulle pour un débit nul, d'environ 20 % pour un débit de 20 % et de 100 % pour un débit de 35 100 La source de lumière 62 et la cellule 64 sont disposées de telle façon que, à chaque tour de là turbine de réaction 22, une impulsion se produise pendant le passage de la partie de la bande non réfléchissante 56 visible par la cellule 64 à travers la fente 52. La durée de cette impulsion est directement proportionnelle 40 au retard angulaire de la turbine de réaction, et inversement 70 09451 4 2Q37212 proportionnelle à la vitesse de rotation. Le même mode de fonctionnement s'applique lorsque l'on permute des bandes réfléchissantes et non réfléchissantes 54 et_56, auquel cas la durée de l'impulsion est proportionnelle à la longueur de la bande réflé-5 chissante 54 et visible à travers la fente 52. Sur la Fig. 1 , le dispositif 42 comprend deux cellules photoélectriques 64 utilisant deux bandes en alternance. L'avantage de ce double système réside dans le fait que les signaux de de sortie des cellules 64 peuvent être utilisés dans un circuit 10 en pont de façon à compenser des variations analogues telles que des variations de 1'éclairement, du coefficient de réflexion, ou de la sensibilité des cellules avec la température. Ainsi, le signal délivré par le dispositif 42 est appliqué à l'entrée d'un élément de commutation 45 du circuit 44. L'élément 45 commande la 15 sortie d'un oscillateur pilote 47 en lui permettant de délivrer des impulsions à un compteur 49 pendant la durée du signal. Ainsi, le nombre d'impulsions dénombrées par le compteur à la fin du signal correspond au retard angulaire de la.turbine de réaction par rapport à la turbine d'entraînement. Un circuit de sortie 51 20 transmet directement des informations du compteur 49 à l'indicateur 14. Cet indicateur permet de lire le débit massique directement, en kilogrammes par heure par exemple. Le débitrnètre 10 est reprédenté de façon plus détaillée sur les Figs. 2 à 4. La turbinede réaction est montée derrière une 25 tuyère 66 qui comporte des fentes 68 à travers lesquelles le fluide arrivant par l'entrée 18 se dirige vers les aubes 24 de la turbine 22. Intérieurement à la couronne d'aubes 24, la turbine 22 comporte une surface plane 70 percée d'une série d'ouvertures 72 que l'on appellera orifices de dérivationr car le fluide peut "traverser les 30 orifices 72 en évitant les aubes 24. Une plaque de fermeture 74 placée contre la surface plane 70 est reliée par un arbre creux 76 à la turbine de réaction 36. Lfarbre creux 76, qui supporte la turbine de réact:on 36 et la plaque de fermeture 74, est monté par 1*intermédiaire de paliers 78 sur l'arbre 26 de la turbine d'en- 35 traînement. Aux faibles débits, la plaque de fermeture 74 obture / les orifices de dérivation 72. A mesure que" le débit augmente, et avec l'augmentation du déphasage, des ouvertures 80 prévues dans la plaque 74 intersectent progressivement les orifices 72 de façon à les découvrir pour permettre au fluide de passer. Donc, les 40 orifices 72 qui se découvrent progressivement permettent de dériver 70 09451 5 2037212 un flux d'autant plus important que le débit est élevé. On peut donner aux ouvertures 72 des formes diverses.qui permettent au débitrnètre 10 de fonctionner dans des gammes de débit très différentes. Cela élimine les problèmes qui peuvent résulter d'une 5 variation trop grande de la vitesse de rotation de la turbine 22. ' ' . . Le fluide qui arrive par l'entrée 18 et dépasse la turbine d'entraînement 22 soit à travers les aubes 24, soit à travers les orifices 72, s'écoule autour d'une chemise 82 pour 10 se dirriger.vers la turbine de réaction 36. Les Figs. 2 et 4 montrent que la turbine de réaction est entourée d'une série d'ailettes 84 qui s'étendent radialement entre la chemise 82 et .le carter 16, de telle sorte que le fluide doit passer entre ces ailettes. L'écran tubulaire 32, interposé entre le bout des 15 ailettes 84 et le carter 16, est très proche de ce carter afin d'éviter que le fluide contourne la turbine de réaction 36. De cette façon, la totalité du fluide qui s'écoule dans le carter 16 passe par la turbine de réaction 36. Ensuite, le fluide quitte le débitrnètre 10 en s'écoulant par la sortie-20 du carter 16. 20 Pour décrire le fonctionnement du débitrnètre 10, on admettra d'abord que le débit massique est faible, donc que le retard est faible. Dans ces conditions, les orifices 72 de la turbine d'entraînement sont bouchés. A mesure que le débit aug-. mente,.la force requise pour entraîner la turbine de réaction 36 25 agumente; par suite, le retard augmente, et cela amène la plaque de fermeture 74 dans une position pour laquelle les orifices 72 sont au moins partiellement découverts et laissent passer le fluide de même que les ouvertures 80 de la plaque 74. Cela réduit le flux de fluide agissant sur les aubes 24 de la turbine d'entraî-30 nement 22 et évite une augmentation excessive de la vitesse de rotation de cette turbine. Pendant que tournent l'écran 32 et la turbine de réaction 36, le dispositif optique 42 fournit en permanence sous la forme d'une impulsion: une mesure de temps qui correspond à la .35 mesure du retard angulaire. Cette impulsion est convertie par le circuit 44 en une lecture du débit massique sur l'indicateur 14. Une variante du débitrnètre suivant l'invention est désignée de façon générale par le repère 10a sur les Figs. 6 à 8. Le débitrnètre 10a comprend un carter tubulaire 100 dont les ex-40 trémités constituent respectivement une entrée 102 et une sortie 70 09451 6 2037212 104. Le fluide qui pénètre dans le carter 100 par l'entrée 102 traverse d'abord des ailettes redresseuses 106 qui suppriment les tourbillons et les composantes obliques de la vitesse. Le fluide traverse ensuite une turbine de réaction entourée 1C8 qui tourne 5 à une certaine vitesse. La turbine de réaction 108 comporte des ailettes droites 110 de longueur suffisante pour garantir que la totalité du fluide passant par la turbine acquiert la vitesse angulaire de la turbine avant d'en sortir. La force requise pour accélérer le fluide est alors une fonction précise du débit mas-10 sique. Le débitrnètre 10a comporte aussi une turbine d'entraînement 112 qui est du type "à orifice " plutôt que du type "à lames". Autrement dit, la turbine d'entraînement 112 comporte des orifices ou passages obliques '114 (Fig. 7 et 8) ayant une incli-15 naison convenable pour faire tourner la turbine 112 consécutivement au passage du fluide. Donc, la paroi des orifices 114 et les surfaces avoisinantes de la turbine 112 forment des surfaces d'appui inclinées par rapport à l'écoulement du fluide dans une mesure propre à faire tourner la turbine. Cette turbine d'entraînement 20 112 à orifices est utilisée dans le débitrnètre 10a pour fournir le couple aux faibles débits. Pour les débits élevés, une faible portion du flux de fluide suffit pour entraîner la turbine, et le flux restant s'écoule par un système de valve 116 à orifice de dérivation variable située, au centre de la turbine d'entraînement 25 112. La valve de dérivation 116 utilise des fentes 118 prévues sur le pourtour d'un manchon 119 qui se raccorde à la turbine d'entraînement 112 intérieurement aux orifices 114, ainsi que des fentes prévues dans un manchoh concentrique 122 qui se raccordent 30 à la turbine'de réaction 108. Lorsque le débit est nul, la valve de dérivation 116 est fermée car les fentes 118 et 120 na sont pas en regard. A mesure que le débit augmente, les fentes 118 et 120 -se rejoignent progressivement de façon à permettre au fluide de passer de plus en plus abondamment à travers la valve 116 et à 35 travers les ouvertures 123 de la turbine 112, pour s'écouler par la sortie 104. Cette jonction progressive des ïentes 118 et 120 résulte de ce que la burbine de réaction 108 est reliée à l'arbre 124 de la turbine d'enttaînement au moyen d'un ressort spiral 126 semblable au ressort 38 du débitrnètre 10. A mesure que le débit 40 augmente et que la vitesse de rotation de la turbine d'entraînement COPY 70 09451 7 2037212 112 s'accroît, la turbine de réaction 108 tourne à la même vitesse mais avec un retard angulaire qui augmente progressivement avec la tension du ressort 126. Dans le débitrnètre 10a, les risques d'erreur pouvant résulter de la traînée visqueuse du fluide entre la 5 turbine de réaction 108 et le carter 100 sont éliminés par l'utilisation d'un écran tubulaire 128 placé autour de la turbine de réaction 108 et fixé à la turbine d'entraînement 112. Un dispositif optique semblable au dispositif 42 décrit précédemment peut être monté sur le carter 100 pour fournir en permanence une mesure de 10 temps correspondant au retard angulaire. On voit donc que le débitrnètre 10a comporte un système de ..dérivation variable du flux qui est analogue à celui du débit— mètre-: 10 et permet un fonctionnement précis dans une large plage de débits. Le débitrnètre 10a diffère du débitmètr.e__10 par le fait 15 que le sens d'écoulement du fluide est inversé, car le fluide passe d'abord par la turbine de'réaction 108, puis par la turbine d'entraînement 112. Les ailettes redresseuses 106 occupent dans le cartnr 100 une position voisine de la sortie 102 au lieu d'être entre la turbine de. réaction et la turbine d'entraînement comme 20 dans le débitrnètre 10. Cette forme de consturction est plus simple. La turbine d'entraînement 112, de type à orifices, permet dè faire fonctionner la turbine avec une chute de pression plus élevée et avec une section plus faible que ce que permet une turbine à lames. Les manchons concentriques 120 et 122- de la valve -25 de dérivation variable 116 sont fonctionnellement équivalents aux surfaces 70 et- 74 de la valve de dérivation du débitrnètre 10. La description ci-dessus montre que, jrâce au dispositif optique 42, le débitrnètre suivant l'invention fournit une mesure permanente du débit massique. Les ouvertures de dérivation 30 et le réglage de ces ouvertures permettent de régler la vitesse de la turbine d'entraînement dans des limite-s telles qi-e les débitmètres 10 et 10a restent précis pour des débits très divers. 70 0945î 8 2037212 REVENDICATIONS 1. Débitrnètre de masse permettant de mesurer le débit massique d'un fluide, comprenant un carter traversé par le fluide, dans lequel une turbine d'entraînement prévue pour être mise en rotation par le passage du fluide est montée à distance d'une 5 turbine de réaction, les deux turbines étant reliées par un accouplement élastique agissant de façon telle que la turbine deréaction prenne la vitesse de rotation de la turbine d'entraînement, mais avec un retard angulaire dont la valeur est à la fois fonction de la vitesse de rotation des turbines et du débit massique du 10 fluide, caractérisé en ce que la turbine d'entraînement comporte au moins une ouverture de dérivation du fluide près de -laquelle est placé un système pour découvrir progressivement lesdites ouvertures en fonction du retard angulaire de la turbine de réaction. 2. Débitrnètre suivant la revendication 1 , caractérisé 15 en ce que le système pour découvrir progressivement les ouvertures est constitué par un élément de valve placé contre lesdites ouvertures dans une position angulaire qui dépend de la position angulaire de la turbine de réaction. * 3. Débitrnètre suivant la revendication 2, caractérisé 20 en ce que les ouvertures sont prévues dans un premier manchon relié à l'une des turbines, tandis, que l'élément de valve est un second manchon qui s'emboîte dans le premier et se raccorde à l'autre turbine. 4. Débitmète suivant la revendication 2, caractérisé 25 en ce que les ouvertures sont prévues dans une surface plane de l'une des turbines, tandis que l'élément de valve est une plaque qui est accolée à ladite surface plane et se raccorde à l'autre turbine. 5. Débitrnètre suivant l'une des revendications 1, 2, 3 30 ou 4, caractérisé en ce qu'il comprend un système de mesure prévu pour indiquer une durée propartionnelie au retard angulaire de la turbine de réaction et inversement proportionnelle à la vitesse de rotation. 6. Débitrnètre suivant la revendication 5, caractérisé 35 en ce que le système de mesure comprend une source de lumière prévue pour éclairer une surface réfléchissante de la turbine de réaction et au moins une cellule photoélectrique prévue pour capter la lumière réfléchie. 4r) 7. Débitrnètre suivant la revendication 6, caractérisé 70 09451 o s 2037212 en ce que 2a source de lumière et la/les cellules photoélectriques sont logées dans un boîtier fixé sur le carter en regard d'une fenêtre transparente placée de façon à permettre le passage de la lumière vers la surface réfléchissante de la turbine de réaction, et en ce qu'un écran cylindrique muni d'une fente est placé autour de la turbine de réaction pour que la fen e puisse s'interposer entre.la fenêtre et la surface réfléchissante, ledit écran étant lié à -la rotation de la turbine d'entraînement.