Brevet FR2080762A1 — publié le 19711119

x 2080762 La présente invention concerne les dispositifs de mesure du débit des fluides et, plus particulièrement, un débitmètre à turbine de grande précision ayant une gamme de réponse linéaire étendue pour des pertes de charge minimes. Dans le passé, les débitmètres à turbine comportaient un rotor de positionne-5 ment. Dans ces dispositifs le rotor tourne sur un arbre sur lequel 11 peut égalemen coulisser axialement. Eh conférant au dispositif une forme appropriée, la pression sur la partie d'amont du rotor s'abaisse au dessous de celle qui s1 exerce sur sa partie d'aval. Ainsi, le rotor est suspendu entre deux paliers de butée fluides, pour des débits constants,et il n'en résulte aucune perte sensible par frottement 10 des paliers. Du fait que les paliers de butée sont fluides, il n'y a aucune usure et seulement de faibles pertes par frottement. Ces débitmètres selon la technique antérieure ont été décrits dans les brevets américains n° 2 683 224, 2 709 366, 2 709 755, 3 091 964, et 3 238 776. Mais les débitmètres de la technique antérieure décrits ci-dessus lorsqu'ils 15 fonctionneit dans un fluide dont la viscosité est égale à un centième du poise, par exemple, présentent une erreur d'indication de débit de plus, ou moins 1/2 % sur une gamme de 10 : 1 avec une perte de charge de 560 à 1400 g/cm . L'erreur est importante, la gamme peu étendue et la perte de charge excessive. L'erreur entraine naturellement une limitation de la précision de la mesure du débi 20 La restriction de la gamme restreint les possibilités de l'instrument. La perte de charge élevée nécessite l'utilisation d'une énergie excessive pour pomper un fluide à travers le débitmètre. La gamme ne peut être étendue qu'en surmultipliant l'appareil. Ceci provoque une perte de charge supplémentaire. Ainsi l'accroissement de la gamme ne peut être obtenu qu'en augmentant la puissance nécessaire pour pomper 25 un fluide à travers l'appareil. Le dispositif prévu selon l'invention permet d'éliminer ces inconvénients de la technique antérieure, grâce à un passage prévu à travers le rotor de la turbine. Un avantage remarquable de l'invention réside en ce qu'avec un passage prévu dans la partie rotative du rotor, la précision sur une gamme linéaire est accrue 30 davantage du fait que le fluide en circulation y est accéléré angulairement. Cette accélération confère au rotor un entraînement qui augmente la linéarité du compteur pour des débits unitaires faibles. De plus, cet entraînement est diminué pour des débits unitaires élevés du fait que le rotor se rapproche du diffuseur placé en amont et s'oppose au débit dans le passage. Une grande précision du débit unitaire 55 est ainsi réalisée. Un autre avantage de l'invention réside en ce que l'erreur du compteur est réduite à un dixième pour cent sur une gamme de 15 à 1 avec une perte de charge de p 250 g/cm environ pour une viscosité du fluide égale par exemple à l/100èroe du poise. Ainsi, l'erreur rencontrée dans les dispositifs de la technique antérieure 40 est réduite de 80 pour cent, la gamme est dilatée de 50 pour cent et en dépit de 71 06453 2080762 2 cette gamme dilatée, la perte de charge est réduite (plutôt qu'augmentée), d'un facteur de 5° pour cent. Un autre avantage du débit-mètre selon l'invention est d'être un appareil universel qui ne présente qu'une faible erreur lorsqu'il s'agit de mesurer de l'eau 5 ou des fluides présentant des degrés de viscosité sensiblement plus élevés ou plus faibles que celui de l'eau. Un autre avantage de l'invention réside dans le fait que le rotor est placé comme précédemment. Ainsi, le frottement des paliers de butée est évité. La présente invention confère à l'instrument une gamme extraordinalrement étendue. Ceci 10 est vrai en raison du même effet restrictif décrit précédemment. En d'autres termes, l'amorçage de la pression en amont du rotor par suite de l'étranglement es-pêche audit rotor de venir au contact du diffuseur d'amont. Les objets et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, laàits 15 description étant faite jn relation avec les dessins cl-annsxes dans lesquels : La figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d'un débitmètre à turbine. La figure 2 est une vue en élévation d'extrémité d'une grille utilisée pour supporter le rotor du compteur*. 20 La figure 3 montre une vue en coupe agrandie du rotor. La figure 4 représente une vue en coupe longitudinale d'une variante de l'invention. La figure 5 est un graphique illustrant les caractéristiques de rendement du débitmètre. 25 La figure 6 est un graphique représentant le facteur de frottement en fonte-.ion du nombre de Reynolds. Les figures 7,8 et 9 sont des graphiques illustrant les caractéristiques do rendement des débitmètres de la technique antérieure. La figure 1 représente un débitmètre à turbine 10 comprenant un tube 11 fait 30 d'un matériau non magnétique dans lequel un rotor 12 est supporté par des grillas ' 13 et 14. Les grilles 13 et 14 sont identiques. La grille 13 se compose de quatre cylindres 15 soudés entre eux et à un cylindre 16. La grille 14 comprend également quatre cylindres 17 soudés entre eux et à un cylindre 18. Les cylindres 17 et 18 sont re-55 présentés à la figure 2. Les cylindres 15 et 17 sont faits d'un métal à ressort de manière à s*adapter étroitement à l'intérieur du tube 11. Des rondelles 19 sont placées aux extrémités opposées des grilles 13 et 14. Un arbre 20 traverse l'assemblage dans sa totalité à partir d'un écrou 21 jusqu'à un 40 écrou 22 qui y sont vissés. Les écrous 21 et 22 sont serrés de manière à maintenir bad original 71 06453 2080762 3 J.'arbre 20 en tension permanente. Un diffuseur d'amont 23 est pressé contre un diffuseur d'aval 24 entre les rondelles de métal 19. Le diffuseur 23 présente un siège 25 tandis que le diffuseur 24 présente un siège 26. Les diffuseurs 23 et 24 sont séparés par un cylindre 27. Le cylindre 27 est maintenu en compression axiale par les sièges 25 et 26 et il est ainsi maintenu dans une position fixe sur l'arbre 20. En d'autres mots, le cylindre 27 ne peut ni se déplacer axialemenx. le long de l'arbre 20, ni tourner autour de lui. Le rotor 12 est fait d'un morceau de métal pratiquement massif sauf comme décrit ci-après. Le rotor 12 comporte un moyeu 28 auquel sont fixées des pales de turbine 29. Le moyeu 28 présente un prolongement cylindrique 30,capable de coulisser dans un évidement cylindrique 31 du diffuseur 23- Un cylindre massif 32 est fixé à l'intérieur du moyeu 28 pour constituer un palier pour le cylindre fixe 27. Le cylindre 27 présente un évidement central interne 33. Le diffuseur 23 comporte une lèvre 34 qui s'étend au-dessus de la périphérie du moyeu 28 en 35• Le diffuseur d'aval 24 présente une lèvre identique à la lèvre 34. On remarquera que le débitmètre selon l'invention est parfaitement symétrique par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe de l'arbre 2C passant par le centre des pales 2?. De plus', sauf en ce qui concerne les pales 29,1e débitmètre 10 présente une symétrie pratiquement parfaite par rapport à l'axe de l'arbre 20, à l'exception d'un perçage 37 ménage h travers le moyeu de rotor 28 ainsi que le montre la figure 3. On remarquera également à. la figure 3 que le cylindre 27 présente des portions d'extrémité 38 et 39. En ce qui concerne le fonctionnement du débitmètre 10, des moyens sont prévus pour détecter le passage de chaque pale 29 devant une ou pli. sieur s positions autour du tube l1 . On peut utiliser pour cela des moyens classiques. Far exemple^si les pales 29 sont faites d'un matériau ferromagnétique, un capteur magnétique peut, être utilisé. Dans ce cas, le nombre des impulsions engendrées sera proportionnel à la vitesse du fluide circulant dans le tube 11 eu au débit unitaire du fluide dans ce tube. Lorsque le débitmètre 10 fonctionne, la lèvre 34 provoque un abaissement de la pression sur la partie de gauche du moyeu 28 au dessous de la pression qui s'exerce sur sa partie de droite. Ceci résulxe du fait que la pression, dans un plan transversal à l'axe de l'arbre 20, dans la position de la lèvre 34, n'est pas uniforme. La lèvre 34 provoque une augmentation rapide de la vitesse du débit de fluide de gauche à droite si l'on considère la figure 1. Au moment où le fluide parvient à la droite du moyeu 28, la pression s'est élevée jusqu'à être pratiquement uniforme. Cependant, la lèvre 30 peut encore élever la pression. Pour des débits unitaires nuls, ou des débits presque nuls, le rotor 12 se déplace jusqu'à 71 06453 2080762 4 .sa position d'extrême droite même si la pression dans la partie du moyeu 28 située en amont est inférieure à celle qui règne sur sa partie de droite. Ceci résulte du fait qu'il existe une différence de pression insuffisante à travers le moyeu 28 pour contre-balancer 1'entrainement de frottement élevé du rotor 12. A mesure que le débit augmente, la différence de pression augmente et " le rotor 12 se déplace vers la gauche alors que le débit augmente vers la droite. En l'absence du perçage 37, le moyeu 28 ou le cylindre 32 viendrait au contact de l'extrémité de droite du difJuseur 23 et entraînerait un fonctionnement défectueux du compteur. Cependant, le perçage 37 permet à la pression croissante à la partie de droite, ou d'aval, du moyeu 28 de le traverser et empêche audit moyeu 28 ou au cylindre 32 de venir au contact, du diffuseur 23 ou du siège 25. On remarquera que le mouvement de rotation du rotor 12 peut être très important par rapport à son déplacement axial ou à celui du cylindre 27. Le déplac ment axial du rotor 12 sur le cylindre 27 ne se produit que lorsque le débit unitaire du fluide varie. On obtient une linéarité accrue pour des débits unitaires faibles du fait que l'eau circulant en amont ou en aval à travers le perçage 37 doit être accélérée angulairement. Ceci impose un entraînement critique au rotor 12. Cependant, une précision permanente pour des débits unitaires élevés est préservée du fait qu'à mesure que le moyeu 28 se rapproche du diffuseur 23, le débit à travers le perçage 37 est plus réduit. La réduction résulte du fpit que le. moyeu 28 se rapproche du diffuseur 23. Il est alors difficile au fluide de s'écouler facilement du perçage 37 et de l'espace entre le moyeu 28 et le diffuseur 23. Ensuite, la quantité de fluide par unité de temps qui doit être accélérée angulairement est moindre. Le débit unitaire à travers le perçage 37 est réduit en raison de l'étranglement . . Un autre avantage de la présente invention résulte du fait que le rotor 12 ou le moyeu 28 ne viennent pas au contact, ni du diffuseur 23, ni du diffuseur 24. Les paliers de butée fluides effectifs entraînent le faible frottement recherche. Une autre caractéristique.di l'invention réside également dans le fait que le cylindre 30 occupe une position contigiïe à celle de la cuvette 31 qui enveloppe le diffuseur 23. Ainsi, à mesure .que le rotor se déplace vers la gauche,le débit du fluide antre le diffuseur 23 et le cylindre 30 est encore plus réduit et il est proportionnel au déplacement du rotor 12 vers le diffuseur 23. Bien que l'on ait décrit le fonctionnement du débitmètre 10 pour ur fluide circulant de gauche à droite selon la figure 1, sa symétrie pratiquement parfaite permet de l'utiliser pour mesurer le débit d'un fluide circulant de droite à gauche si l'on considère la figure 1. le perçage 37 peut être utilisé seul si on le désire. Spécifiquement un seul perçage 37 est prévu, mais on peut cependant en prévoir un plus grand nombre si cela est nécessaire. ■- . . . 71 06453 2080762 5 A la figure 4, un rotor 50 peut tourner dans les diffuseurs 51 et 52. Le rotor 50 comprend un arbre 53 qui en est solidaire. Un perçage 54 prévu dans l'arbre 53 joue le même rôle que le perçage 37. On remarquera que l'arbre est solidaire du rotor 50. En variante, il peut être fixé aux diffuseurs 51 et 52 comme le rest du dispositif. Si l'arbre 53 est fixe, il peut également comporter un perçage 54 qui le traverse. Ainsi qu'on l'a indiqué précédemment,le dispositif selon l'invention ne comporte qu'une erreur moindre sur une gamme linéaire plus étendue que les débitmètres de la technique antérieure. Le dispositif selon l'invention présente également une perte de charge plus faible que les compteurs de la technique antérieure. Un autre avantage de l'invention réside dans le fait que le débitmètre prévu est universel et peut être utilisé pour des fluides présentant des gammes étendues de viscosités. La façon dont ces avantages apparaissent est illustrée ci-après. La figure 5 représente en 55 la courbe caractéristique d'un débitmètre de la technique antérieure. Un e autre courbe caractéristique d'un débitmètre est représentée en 56. La ccurbe 56 est celle du débitmètre prévu selon l'invention. L'ordonnée R représente le nombre de révolutions par voluaro unitaire. On a représente en abscisse, Q. le débit unitaire en volume par unité da tsmps, par exemple tï. litres par minute. Une ligne horizontale 57 représente ce qui serait 1 a courbe idéale pour tout débitmètre. Cette courbe montre que la mesure donnée par le débitmètre est pratiquement dénuée d'erreur. On notera cepér.dtr.c-que la valeur de R sur la ligne 57 n'est pas égaie à zéro. Les lignes 58 et 59 représentent l'erreur admissible recherchés. On remarquera que les courbes 55 -st 56 peuvent être pratiquement identiques sauf sur une certaine plage de Q légir-i-ment supérieure à B1. On remarquera que la courbe 55 présente un renflement zC h l'extérieur de la marge d'erreur souhaitée. Ce renflement résulte d'un phénomène qui peut être expliqué par une courbe 6l représentée à la figura 6. A la figure 6, f désigne le facteur de frottement et est le horabre de Reynolds. La courra ri 6l présente une région A qui représente un écoulem-snt la-ninaire, une région 1- qui représente un écoulement de transition et une région C qui représente un écoule^.;-.. turbulent. Les régions A, E, et C sont formées en divisant l'abscisse positive par les lignes 62 et 63. hh - 7T^ W où r' = densité V = vélocité D = diamètre du tuyau et ,u & viscosité / augmente avec V. Cette augmentation de V provoque une diminution de f dans la Pour un fluide et m tuyau donné c. , D et Jà. sont constants. Ainsi, bad original 71 06453 6. 2080762 région A, du fait que augmente en même temps que V. L'entraînement F qui s'exerce sur le rotor du débitmètre est donnée par F = Kn g V2 2 s où Kp est fonction de f et g est l'accélération due à la pesanteur. Ainsi, Kp diminue à mesure que f diminue et que V et augmentent dans la région A. L'entraînement décroissant entraîne une augmentation de la vitesse de rotation du rotor et le renflement 60 sur la courbe 55. Les régions A', B' et C' de la figure 5 correspondent aux régions A, B et C respectivement, de la figure 6. Le fluide circulant dans le perçage Jf est accéléré angulairement. Ceci impose un entraînement au rotor 28. L'entraînement réduit la vitesse du rotor à celle figurée par la courbe 56 de. la figure 5• Aucune réduction de la vitesse ne se produit pour les valeurs élevées de Q sur la courbe 56 du fait que le rotor 28 se rapproche du diffuseur 23 quand il tourne à vitesse élevée et que le courant principal est de gauche à droite, selon la figure 1. Ainsi le fluide dans le perçage 37 ne peut s'écouler aisément dans le sens radial vers l'extérieur entre le rotor et le diffuseur 23 en raison de l'étranglement produit, c'est-à-dirs l^étranglsasat résultant du fait que le rotor 28 se rappoche du diffuseur 23. Les figures 7, 8 et 9 représentent respectivement les courbes 62, 63 et 6«-„ La courbe 62 est du même type que la courbe 55 en ce qui concerne l'eau. La courbe 63 est celle dsun fluide dont la viscosité et la den ité som; inférieures à celle de l'eau. La courbe 64 est celle d'un fluide dont la viscosité est beaucoup plus grande que celle de l'eau tandis que sa densité est beaucoup plus faible que celle de cette dernière. On remarquera que le débitmètre de la figure 1 est pr tiquement un appareil universel, Autrement dit, il peut être utilisé pour mesurer des fluides dont les viscosités sont extrêmement variables. Ceci résulte du fait qu'un grand nombre de-fluides dont la viscosité diffère de celle de l'eau ont des densités inférieures à celle de l'eau. Ainsi, quand ces fluides passent dans le perçage 36, le rotor est soumis à un entraînement moins important résultant de l'accélération du fluide-Dans ce cas, il existe à un moment quelconque line masse moindre dans le perçage 37. Un autre facteur de compensation est que pour les viscosités très elevees, 1 ' écoulement dans le perçage ~J[ est plus lent et le débit sous lequel 1! énergie est transférée au fluide dans le perçage 3T depuis le rotor 28 est plus faible que » pour des viscosités faibles. L'entraînement est ainsi moindre. Ces deux facteurs - faible densité et viscosité élevée. - font que le dispositif selon l'invention est particulièrement utile pour une gamme étendue de viscosités. Grâce à l'invention, le renflement à l'extrémité à faible vitesse de la courbe 62 s'abaisse à un niveau plus précis. Cependant, elle ne provoque pas une chute des courbes 63 ou 64. BAD ORJG'AMI. COPY 71 Û64S3 ■ 2080762 7 On remarquera que le débitmètre selon l'invention présente une erreur plus faible sur une gamme linéaire plus étendue du fait due la courbe 56 de la figure 5 qui constitue la caractéristique totale de l'appareil à partir d'un point. 65 la fait s'abaisser entre les lignes 58 et 59. Une caractéristique marquante de l'invention réside dans le fait que la gamme de précision du compteur augmente pour les débits unitaires faibles. Par exemple, si la gamme de la courbe 55 est d'environ C1 = 12 : 7 = 1,7 : 1 (3) A' + B' la gamme de la courbe 56 est donc d'environ B> 2.C' = 17 : 2 = 8,5 : 1 (4) On notera qu'une amélioration aux débits faibles entraîne une augmentation importante de la gamme linéaire. Si cette gamine est initialement de 10 : 1, •une augmentation de 5^ de la gamme à l'extrémité basse entraîne un rapport de 20 : 1. Dans le passé, une gamme accrue ne pouvait être obtenue qu'au prix d'une perte de charge accrue, c'est-à-dire en surmultipliant le compteur à la partie haute. Le dispositif selon l'invention ne récessite aucun accroissement de la perte de charge du fait que la gamme est étendue pour des débits unitaires faibles. Ceci constitue un avantage car une perte de charge accrue nécessite plus d'énergie pour pomper le fluide dans le compteur. Cn peut utiliser l'une quelconque des caractéristiques de l'invention avec ou sans une ou plusieurs des autres caractéristiques . Le rotor 12 peut être équilibré dynamiquement si on le désire. Dans les cylindres 13 et 14, on peut utiliser trois cylindres 15 et 17 au lieu de quatre. On remarquera que, sauf en ce qui concerne la surface cylindrique 31 dans le cylindre 30, toutes les surfaces entre le diffuseur 23 et le moyeu 28 constituent un étranglement pour le fluide circulant dans l'un quelconque ou plusieurs des perçages Jusqu'en un point situé radialement à l'extérieur entre le diffuseur 23 et le moyeu 28. Les lèvres 34 et 36 peuvent être de mène diamètre si cn le désire. De plus, les lèvres 34 et 36 peuvent présenter des diamètres supérieurs égaux ou inférieurs à celui du moyeu 28. Bien que les principes de la présente invention aient été décrits ci-dessus en relation avec des exemples particuliers de réalisations, en comprendra clairement que ladite description est fait-e seulement à titre d'exemple et ne limite pas la portée de l'invention. BAD ORIGINAL copy 71 06453 s 2080762 REVENDICATIONS 1. Débitmètre à turbine caractérisé en ce qu'il comprend : un rotor des premiers moyens pour réduire la valeur de la pression du fluide adjacent au rotor en amont,au-dessous de la valeur de la pression du fluide en son aval, des seconds 5 moyens pour ménager la mise en communication avec le fluide des deux côtés du rotor par un passage permettant audit fluide de passer d'un côté à l'autre. 2. Débitmètre tel que défini à la revendication 1, caractérisé en ce que les-dits premiers moyens comprennent un diffuseur d'amont en forme de cuvette placé en avant dudit rotor, lequel comporte un moyeu cylindrique muni de pales, ce diffuseur 10 ayant un diamètre extérieur croissant dans le sens de l'écoulement présente sur son pourtour une lèvre radiale extérieure à son extrémité adjacente audit rotor, ladite lèvre ayant un diamètre extérieur supérieur à celui dudit moyeu, en ce que ledit moyeu présente une portion centrale plus longue que sa portion extérieure, ladite portion centrale comprenant un cylindre capable de coulisser de façon conti» 15 gtfe à l'intérieur dudit diffuseur, lequel présente un évidement cylindrique destiné à recevoir ledit cylindre, en ce que ledit moyeu présente un perçage cylindrique, un axe fixe par rapport au diffuseur, placé dans ledit perçage, lequel moyeu peut tourner autour dudit arbre et coulisser axialement le long de celui-ci, ledit arbre comportant des rainures pour permettre l'écoulement du fluide entre lui-même et 20 ledit perçage, une portion centrale dudit arbre ayant un diamètre inférieur à ses portions d'extrémité, chaque portion d'extrémité présentant trois rainures en spirale, ladite portion extérieure du moyeu étant traverséepar m perçage espacé du diamètre extérieur dudit moyeu. 3. j)ébitmètre tel que défini à la revendication 1 caractérisé en ce que les-25 dits seconds moyens comprennent un arbre, ledit passage étant placé entièrement à l'intérieur de cet arbre et occupant pratiquement toute la longueur. 4. Débitmètre tel que défini à la revendication 3, caractérisé en ce que ledit arbre est fixé audit rotor. 5. Débitmètre tel que défini à la revendication 3, caractérisé en ce que ledit 30 arbre est fixe, ledit rotor pouvant coulisser axialement le long dudit arbre et tourner autour de lui. 6. Débitmètre tel que défini à la revendication 1, caractérisé en ce que ledit rotor comporte un moyeu auquel sont fixées des pales radiales qui se prolongent à partir dudit moyeu vers l'extérieur, ledit passage comprenant un perçage traversant 35 ledit moyeu, lequel perçage est placé totalement à l'intérieur dudit moyeu sur toute la longueur dudit perçage, lequel occupant une por-ition excentrique par rapport à l'axe dudit moyeu. 7. Débitmètre tel que défini à la revendication 1, caractérisé en ce que les-dits premiers moyens comprennent un diffuseur présentant un évidement cylindrique 40 adjacent audit rotor"qui présente une portion centrale cylindrique plus longue copy 71 06453 2080762 q qu'une portion extérieure de manière à s'adapter étroitement dans ledit évidement. 8. Débitmètre tel que défini à la revendication 1, caractérisé en ce qu'un diffuseur est placé de chaque côté du rotor, qui présente tin moyeu comportant un perçage, un cylindre creux dans ledit perçage et un arbre traversant lesdits 5 diffuseurs et ledit cylindre. 9. Débitmètre tel que défini à la revendication 8, caractérisé en ce que un ecrou visse ledit arbre est fileté à chaque extrémité et comporte à chacune desdites extrémités/ qui maintient lesdits diffuseurs étroitement pressés contre ledit cylindre pour empêcher sa rotation. 10 10. Débitmètre tel que défini à la revendication 8* caractérisé en ce que des moyens sont prévus pour maintenir étroitement lesdits diffuseurs contre les extrémités dudit cylindre et empêcher le déplacement axial et la rotation de celui-ci. copy