Brevet FR2065567A1 — publié le 19710730

L'invention concerne les mesures de débit des métaux à l'état liquide passant dans un conduit,au moyen d'un dispositif incorporant une boucle de réaction compensatrice ayant pour objet de maintenir constante en valeur relative la distribution du "flux 5 magnétique dans le conduit. En bref, conformément à l'invention, un dispositif pour la détection de champs magnétiques continus et une paire de bobines électromagnétiques, produisant un champ magnétique* sont placés, relativement l'un à l'autre, dans des conditions tel-10 les que le dispositif de détection de champs magnétiques engendre un signal qui est fonction de toutes variations de l'induction magnétique dans le conduit, dans la région voisine de la limite extrême du champ magnétique le long de l'axe d'écoulement du métal à l'état liquide. Le signal en cause agit. sur un servoméca— 15 nisme de commande, lequel produit un signal de commande proportionnel à la variation du champ magnétique le long de l'axe d'écoulement causée par l'effet magnéto-hydrodynamique résultant du mouvement du métal en fusion» Deux bobines compensatrices excitées par le servomécanisme et couplées magnétiquement aux bobines en-20 gendrant le champ, sont polarisées de façon à donner à l'induction magnétique dans la région extrême de ce champ magné-tique, une valeur sensiblement constante, valeur correspondant à un débit nul du fluide, en vue" de fournir une lecture linéaire du- débit indépendante du courant électrique circulant dans le fluide constitué 25 par le métal en fusion. Dans la suite du texte, le métal en fusion sera appelé fluide métallique, par simplification. L'invention vise plus particulièrement un débitmètre électro-magnétique appartenant au type dans lequel un signal électrique est induit dans un fluide conducteur se déplaçant dans 30 un champ magnétique sensiblement constant, le dit signal électromagnétique induit étant calibré afin de donner une lecture linéaire du débit volumétrique du fluide. L'invention est particulièrement bien adaptée à la résolution du problème consistant à obtenir une lecture linéaire 35 du débit volumétrique' du sodium à lrétat liquide et sera décrite plus spécialement dans ce cas précis ; mais il faut bien comprendre que le domaine de l'invention est en réalité beaucoup plus 70 38822 2 2065567 étendu et qu'elle s'appliquerait dans le cas où par exemple, des mesures sont à faire sur des fluides métalliques de caractéristiques différentes et où la température d'un quelconque fluide métallique varie, entraînant une variation de sa conductibilité au 5 cours des mesures de- débit. Jusqu'à présenty les débitmètres électro-magnétiques comportaient un conduit d'écoulement, des moyens excitateurs pour engendrer un champ- magnétique sensiblement perpendiculaire à la direction de l'écoulement du fluide, des moyens de lecture pour 10 lire le sign-al. électrique induit par le champ magnétique dans le fluide en mouvement et des moyens sous la dépendance des moyens de lecture pour fournir une indication du débit du fluide® Dans un tel débitmè'tre, les moyens excitateurs pour engendrer le champ magnétique sont du type à courant contin-u ou 15 à courant alternatif» Les excitateurs du type à courant continu produisent, un champ magnétiqu-e ayant une direction et une amplitude unipolaire, la tension continue induite dans le fluide ayant une amplitude instantanée directement proportionnelle au taux d'écoulement volumétrique des fluides non métalliques dans cer-20 tains, appareils de l'art antérieur. Au contraire, les excitateurs de type à courant alternatif produisent un champ magnétique alternatif en amplitude et en direction, une tension alternative de même fréquence étant induite dans le fluide» Pour cette raison que les moyens de lecture, cfest-à— 25 dire les électrodes, se polarisent sous l'effet d'une accumulation de charges électriques lorsqu'on utilise des moyens excitateurs du type à courant continu, et que cette accumulation des charges électriques sur les électrodes limite considérablement la précision des débitmètresr on préféré généralement avoir recours à 30 ceux qui sont du type à courant -alternatif. Ce" problème de l'accumulation des charges rr' existe pratiq.uemen-t pas lorsqulil s'agit de mesurer le débit des fluides métalliques puisque ces derniers entraînent les charg.es des électrodes. L'utilisation de moyens excitateurs à courant continu est en conséquence un. procédé viable 35 dans le cas des débitmètres à métal liquide. Les moyens, excitateurs du type à courant alternatif, au reste, ne sont pas d'un emploi bien approprié dans le cas des débitmètres à ra.étal liquide 70 38322 3 2065567 en raison des courants de Foucault qu'ils développent dans la masse liquide. Il y a également le phértomèrïë supplémentaire dit effet de peau, qui entraîne une limitation à la pénétration du champ à l'intérieur du fluide à des degrés divers. 5 Deux principaux problèmes inhérents au fonctionnement des débitmètres électro-magnétiques," quand on les utilise pour mesurer le taux"d'écoulement volumétrique de métaux liquide^ résultent de la distorsion du champ magnétique et également de son déplacement en aval, suivant l'axe d'écoulement, sous l'influ— 10 ence du fluide en mouvement. Les causes de ces variations de champ magnétique ont été attribuées, par les spécialistes en la matière, aux courants circulant dans le fluide métallique en mouvement, en particulier par : HARTMAN J. et LAZARUE F., dans un article intitulé : "Thêory of the Laminar Flow of an Electrically Conduc-15 tive Liquid in a Homogeneous Magnetic Field" (Théorie de l*écoule-ment laminaire d'un liquide conducteur à l'intérieur d'un champ magnétique), Kg-dynamics I (1937) ; Math-fys, Medd. 15, M2 7, et SHERCLIFF, J.A., "Edge Effects in Electromagnetic Flowmeters" (effets de bords dans les débitmètres électromagnétiques), Journal 20 of Nuclear Energy I (1956), Vol. 3, pp. 305 — 311, Pergamon Press. Itd, Londres. Ces deux articles prévoient la non linéarité du signal de sortie des débitmètres électro-magnétiques et nous renseignent sur elle'; ils montrent que ce phénomène résulte de la conjonction de plusieurs facteurs. Parmi des facteurs inter-dé-25 pendants qui contribuent à rendre non linéaire le signal de sortie, on peut citer : (1) les dimensions et la répartition du champ magnétique d'excitation traversant le conduit d'écoulement ; (2) le rapport du champ au diamètre du conduit d'écoulement ; (3) la distorsion et le déplacement du champ,"par rapport à celui qui 30 existe quand le fluide est au repos, du fait des courants Foucault engendrés en amont et en aval des moyens de lecture (c'est-à-dire les électrodes), quand le fluide est en mouvement ; (4)_ la répartition des farces électromatrices engendrées en tout point'du fluide en mouvement à l'intérieur du champ qui contribue pondéralement 35" (fonction de"pondération) aii signal total dé sortie disponible aux électrodes ; et, (5) la conductibilité électrique du fluide en tant qu'elle est en premier chef déterminée par sa composition! 70 38822 4 2065567 et sa température» La" présente invention est relative à un dispositif nouveau et amélioré"résolvant tous les problèmes ci-dessus cités ainsi que d'autres également ; elle fournit les moyens de réaliser un àébitnièt"re"électrQ-œagnétique permettant dé mesurer d'une façon précise et linéaire le débit volumétrique des métaux, liquides. • Suivant la présente invention, un débitmètre du type précité comporte,en* plus des moyens habituels» des moyens couplés au champ magnétique'produit par les moyens excitateurs pour produire un signal de référence'directement proportionnel à l'induction magnétique d'ans la" région* voisine de la limite extrême du champ magnétique suivant" 1 ' àxe" de" 1 ' écoulement j et des moyens de compensation' pour compenser' l'induction magnétique dans cette région, lès moyens de compensation- étant sous la dépendance du signal de référence pour maintenir l'intensité du champ à une-valeur sensiblement constante, d'où il résulte, aux bornes des moyens de compensation, un signal de mesure linéairement proportionnel au débit du fluide métallique*,' ceci d'une façon sensiblement indépendante des effets magnéto-hydrodynamiques dans le fluide en mouvemento En outre, suivant 1'"invention,' les" moyens pour produire un signal de référence incorporent des* moyens pour détecter un champs continu couplé au champ magnétique produit par les moyens excitateurs tels qu'unie bobine de recherche oscillante, une diode magnétique ou un générateur à effet Hall pourvus" l'un et l'autre d'une isolation thermique. De plus conformément à 1'invention,dans un débitmètre électro-magnétique comme ci-dessus décrit, les moyens de compensation incorporent" des moyens pour maintenir l'induction magnétique, dans la région limite du champ magnétique le long de l'axe d'écoulement, selon une répartition sensiblement identique-à celle qui intervient" quand le" fluide est "au repos dans le conduit, de telle sorte que les' moyens de compensation s'opposent et soient proportionnels au déplacement du champ- magnétique le long de l'axe d'écoulement, déplacement qui est provoqué par les courants électriques circulant dans le fluide en mouvement". 70 38822 5 2065567 . Toujours suivant l'invention, dans un débitmètre électro—magnétique tel que ci-dessus décrit, les moyens pour maintenir le champ magnétique comoortent un premier électro-aimant en aval des moyens de lecture et un second électro-aimant en amont, 5 les deux électro—aimants étant couplés aux moyens excitateurs et polarisés de telle sorte, par rapport à ces moyens excitateurs, que celui situé en aval annule la portion du champ magnétique entraînée en aval sous l'influence du fluide en mouvement, et que celui situé en amont rétablisse sensiblement à cet endroit celui 10 qui intervenait quand le fluide était au repos. Le principal objet de la présente invention vise les moyens de réaliser un débitmètre électro-magnétique qui permette la mesure précise du débit volumétrique de fluidea métalliques. Un autre objet impartant de l'invention est un débit— 15 mètre à boucle de compensation compensant les effets magnéto-hydrodynamiques des fluides métalliques en mouvement dans le champ magnétique d'excitation, en proportion directe avec le débit volumétrique et la température du fluide. Les Figs. la à lf représentent en section transver-20 sale différentes répartitions de fonction de pondération, dans un conduit d'écoulement ainsi que les courbes, caractéristiques qui s'y rattachent,, La Fig. 2 illustre la variation relative le long de l'axe d'écoulement de la répartition du flux magnétique dans 25 le conduit d'écoulement sous l'effet magnéto-hydrodynamique du fluide métallique en mouvement» La Fig.- 3 est une vue en élévation montrant les positions relatives occupées par les bobines montées sur le conduit d'écoulement selon une forme de réalisation de la présente inven-30 tion. La Fig. 4 est une représentation schématique des courants parcourants les bobines de la Fig. 3 et leur sens relativement aux courants parasites engendrés dans le fluide métallique en mouvement. 35 La Fig» 5 est une illustration schématique d'un débit mètre magnétique pour la mesure du taux d'écoulement volumétrique de fluides métalliques selon une forme de réalisation de l'inven 70 38822 & 2065567 tion * La Fig» 5^, est le schéma drun autre dispositif destiné à produire un signal de référence dans le dispositif de la Fig. 5» 5 Se repartant maintenant'à ces figures qui n'ont d'au tre objet que d'illustrer les formes préférées de réalisation de l'invention et non pas bien entendu de les limiter, la Fig. la est une coupe transversale d'un conduit d'écoulement 1.0 incorporant deux électrodes 12 et 12', lesquelles définissent un axe. 10 Un axe vertical 13, 13 1, perpendiculaire à l'axe des électrodes, divise la section circulaire du conduit d'écoulement 10 en quatre secteurs égaux. Deux flèches le long de l'axe 13, 13* indiquent la direction de l'induction magnétique B dont le champ est réparti sur toute la section du conduit 10. 15 La Fig. Xa montre également une pluralité de lignes de niveau avec leur pondération numérique. La signification de ces lignes de niveau et leur pondération en fraction décimaJe, apparaîtra à la lecture de ce qui suit. Dès 1930, on fit une oistinction entre la différence de potentiel entre deux points d'un liquide 20 et la force électromotrice telle qu'on la définit en mesures de débit par des moyens magnétiques. La quantité mesurée çians un débitmètre électro—magnétique est la différence de potentiel entre deux points diamétralement opposés d'un fluide conducteur circulant dans un conduit d'écoulement tel que 10 et qui est lue par 25 des électrodes telles que . 12 et 12'". Cette différence de potentiel est la somme de toutes les farces électromotrices'induites par l'induction magnétique B dans le fluide en mouvement à l'intérieur de ce champ d'induction. Cette distinction fut établie par WILLIAMS, E.J», dans une publication d'avant garde intitulée "The 30 Induction of e.m.f.s in a Moving Fluid by a Hagnetic Field and its Application to an Investigation of the Flow of liquids", (Induction des e.m.f. dans un fluide en mouvement dans un champ magnétique)-, Proc. Phys. Sac., Londres (1930), p 42, p 466. Les forces êlectromatrices induites dans le liquide 35 en mouvement sont en tout point proportionnelles à la vitesse du liquide et à l*intensité* du champ et la tension qui apparait aux électrodes résulte de la combinaison des forces électromotrices 70 38822 7 2065567 engendrées en tous points à l'intérieur du conduit d'écoulement 10, chacune étant le produit vectoriel de l'intensité du champ par la vitesse du fluide. Si on considère la combinaison de ces forces électromotrices élémentaires, il devient alors visible 5_ qu'un tracé tridimensionnel de surfaces de potentiel se forme dans le volume du liquide à l'intérieur du champ d'induction B, chaque élément de volume différentiel du liquide contribuant, avec un certain coefficient de pondération, à engendrer une différence de potentiel élémentaire pour produire.la tension totale apparais-10 sant aux bornes, des électrodes 12 et 12'. les lignes équipatentielles, l'unité de potentiel étant celui du point central, la forme des lignes de niveau résultant du tracé tridimensionnel des surfaces de potentiel. Sur la Fig» la on tient 15 pour vrai la simplification consistant à admettre que la répartition est bidimensionnelle dans le plan des électrodes» Ce concept de fonction de pondération fut la première fois introduit par SHERCLIFF J.A., dans une publication intitulée : nThe Theory of Electromagnetic Flow Measurement" (théorie des mesures de débit 20 électro-magnétiques), Cambridge University Press (1962). Dans la représentation bidimensionnelle de la Fig. lat on suppose, ou bien que le champ d'induction B effectif est sensiblement un champ bidimensionnel dans le plan des électrodes 12 et 12', ou bien que le champ B a une configuration symétrique en amont et en aval de 25 l'axe des électrodes, le long de l'axe d'écoulement du fluide. Dans ces conditions, toutes les surfaces du potentiel apparaissant dans des plans parallèles au plan des électrodes sont répercutées dans ce plan pour donner la configuration indiquée. Une expression de la fonction de pondération de la Fig. la est donnée par 11équa-30 tion s Sur la Fig. la les lignes de niveau chiffrées sont a^ + a^r^cos28 Cl) a^ + 2a^r^cos2S.-.+ r^ 35 ou ï W = coefficient numérique de pondération d'une ligne de niveau exprimé en fraction décimale ; 70 38822 2065567 a = rayon du conduit d'écoulement 10 ; r = distance radiale de tout point de toute ligne de niveau; et B = angle entre l'axe vertical 13» 13' et le vecteur radial. 5 .. Ce concept de fonction de pondération, ainsi que l'é—" quation (l),. ont été introduits par 5HERCLIFF dans la publication de 196,2 ci-dessus 'citée. . Un_.autre concept intraduit par 5HERCLIFF est celui de la sensibilité du débitmètre., Cette, sensibilité se définit comme 10 le rapport de,la.tension apparaissant aux électrodes à la tension .réellement induite par.le champ magnétique. Ce concept de sensibilité tient compte de l'influence des courants induits circulant entre les électrodes.à l'intérieur du conduit_d'écoulement 10. La ..courbe de la Fig* lj-, montre que la sensibilité.atteint.asymptoti— 15. queijîent. la valeur un quand le rapport.de la. longueur où apparait le champ excitateur effectif au diamètre du conduit approche de la valeur 3. Une relation exprimant cette caractéristique se formule de la façon suivante : 2D s = kL. 2aBv 1 - 2. - en' (2> L- JZ 4a. ; J "où s S = sensibilité du déoitmètre ; '' 25 ' A'E = tanà ion disponible aux bornes des électrodes ; • a = rayon du conduit d'écoulement ; •• :-"%- ÎT = 3,1416 1 = longueur effective sur laquelle apparait le champ excitateur d'amont en aval dû plan dés électrodes ; et 30 n = tout nombre entier impair-positif, 1, 3, '5, etc... Sous 11 influence- de ces travaux,la plupart des débitmètres électro-magnétiques- du commerce' furent- conçus avec une structure de champ qui fournissait un r'appdrt de la langueur de' champ "effectif au diamètre du conduit égal au supérieur à 3. 35 - Dah's là' conception des débitmètres électro—magnétiques, à métal liquide, particulièrement ceux à conduit d'écoulement - de 70 38622 9 2065567 grand diamètre, il n'est généralement pas pratique de réaliser une structure de champ qui ait une longueur de champ excitateur égale à trois fois le diamètre du conduit» Pour ces applications, il est généralement plus pratique de réaliser une structure de 5 champ fournissant une langueur effective de champ d'un ordre de grandeur compris entre un ou deux, diamètres de conduit» Il est clair qu'avec une longueur effective du champ aussi courte, la sensibilité du débitmètre variera si, pour une raison ou pour une autre, cette langueur effective du champ varie pendant la mesure 10 d'un débit. Ceci est précisément le problème clef de la mesure des débits de fluides métalliques et an discutera plus amplement de ce problème dans ce qui suit. Dans une publication relativement récente de RUMMEL et KETELSEN (Regelungstchnik, Volume 14 (1966) ), on fait état i.5 des résultats d'une étude sur la fonction de pondération, en répartition tridimensionnelle, line comparaison des Figs. lc et le, qui illustraient cette publication, m,antre comment les lignes de niveau chiffrées varient suivant les plans qu'elles occupent parallèlement à l'axe des électrodes. La Fig. lc montre la fonction 20 de pondération dans le plan des électrodes ; les lignes de niveau sont semblables mais non identiques à celles de la Fig. la» On se souviendra que la fonction de pondération de la Fig. la, repré— sente l'effet cumulé dans le plan des électrodes des fonctions de pondérations dans les plans parallèles au plan des électrodes, 25 dans la zone du champ effectif. La Fig. lçr au contraire, représente la fonction de pondération au plan des électrodes seulement et la Fig. le représente pareillement la fonction de pondération dans un plan parallèle au plan des électrodes et écarté de celui-ci d'un cinquième du diamètre du conduit d'écoulement. 30 Tervant compte de ces études préalables, l'inventeur a visé plus loin et a cherché à déterminer à quelle distance du plan des électrodes lea fonctions de pondération convergent vers zéro ou deviennent négligeables. Les résultats de cette étude sont indiqués sur les Figs. 1^ et lf. Le graphique de la Fig» lf mon— 35 tre que la valeur de la fonction de pondération au centre du conduit décroit rapidement le long de l'axe d'écoulement, à mesure que le rapport de la distance comptée à partir du plan des élec 70 38822 1Q 2065567 trodes au diamètre diu conduit â'accroit. La Fig. lf nr.et en évidence une décroissance analogue, de la fonction de pondération à partir de la valeur numérique 2 sur l'axe du plan des électrodes correspondant à l'une des lignes de niveau circulaire de la Fig. lc. 5 Les travaux de l'inventeur ont montré que toutes les fonctions de pondération, quelle que soit leur origine dans le plan des électrodes, convergent rapidement vers zéro quand elles ont atteint une distance d'environ les 3/4 "du diamètre du conduit comptée à partir du plan des électrodes. Les considérations qui précédent 10 sur la fonction de pondération et la sensibilité en tant qu*elles s'appliquent aux débitmètres électro-magnétiques, nous permettent de comprendre et d'analyser leur fonctionnement et chose plus importante encore, elles fournissent une base de départ pour mieux comprendre la présente invention. 15 Comme déjà dit, les forces électromotrices différen tielles induites dans le fluide en mouvement sont proportionnelles à la vitesse du liquide et à'l'intensité du champ ; de plus une différence de potentiel existe entre les éléments de volumie du fluide situés dans des plans parallèles au plan des électrodes. 20 En- raison des différences de potentiel existant entre les plans parallèles à l'intérieur du champ magnétique, résultant de la variation de la fonction de pondération d'un plan à l'autre, des courants de circulation en boucle fermée prennent naissance à la fois en amoxrfc et en aval du plan des électrodes sous l'action du fluide 25 en mouvement. Ces boucles de courant ont leur plus grand effet aux deux bords extrême du champ magnétique, là où l'intensité du champ magnétique tom.be d'une valeur élevée- à une valeur plus basse. Ces courants seront également directionnels, par exemple dans- le sens contraire des aiguilles d'une montre à l'extrémité amont et dans 30 le sens inverse à l'extrémité aval, ceci étant, dû à l'inversion des gradientë de potentiel drun bord du champ à l'autre. Bans les fluides très conducteurs, les courants engendrés par les gradients de potentiel aux bords du champ sont d'une amplitude relativement grande, si bien qu'il se produit une 35 distorsion considérable du champ magnétique d'excitation pour les champs propres à ces courants de circulation. 5HERCLIFF a donné une expression de l'amplitude de ces courants par une équation qui 70 38822 11 2065567 figure dans sa publication de 1956 citée précédemment r J = 0,37 v Ha6" (3) où : J = densité de courant en ampères par centimètres cube ï v = vitesse de l'écoulement du fluide en centimètres par 5 seconde ; B = intensité du champ magnétique en gauss ; a = rayon du tube d'écoulement en centimètre ; Une mesure de la tendance des courants circulant dans 10 -un fluide, conducteur d'entraîner le champ magnétique en aval est donnée par ce que l'on nomme le nombre magnétique de REYNOLDS ; cette mesure s'exprime par la relation t R = 4 rr JJ 6- a v (4) où : R = nombre magnétique de REYNOLDS 15 H = Pe:Çméabilité magnétique du fluide (celle du vide pour les fluides non magnétiques) et, les autres symboles comme ci-dessus définis» Une valeur approximative du rapport de la distorsion du champ dÛe aux courants de circulation dans le fluide en mauve— 20 ment est donnée par l'équation (5) avec les mêmes symboles que dans les équations précédentes : Myi = 0,37 R Q 25 . L'expression de R dans -1'équation (4) montre que sa valeur croit proportionnellement avec le rayon du conduit, d'écoulement et de la vitesse d1 écoulement.» • La-densité de courant des courants de cir culation donnée par l'équation (3) montre que la vitesse de l'écou 30 lement du fluide et la conductivité sont les variables dynamiques critiques en ce qui concerne la formation des courants de circulation, puisque le rayon du conduit d'écoulement a pour un débitmètre donné une valeur bien - définie» . Se repartant maintenant à la Fig. 2, la variation de 35 l'induction magnétique en aval sous l'influence de. l'écoulement du fluide métallique est illustrée par la courbe en trait pointillé. On peut voir que la variation du champ en aval provoque l'appari 70 38822 12 2065567 tion d'un accroissement de l'induction magnétique sur le bord aval du champ comme indiqué par + & B, et une diminution de l'amplitude de cette même induction." sur' le' bord amont comme indiqué par - A B. La courbe en trait plein de la Fig. 2 illustre la position relati— 5 ve du champ magnétique quand le fluide est au repos dans le conduit» Pour autant que la répartition du"champ magnétique est symétrique par rapport au plan des électrodes, 'comme indiqué par la courbe en trait plein de la Fig. 2, 'une certaine valeur 10 moyenne du débit volumétrique sera mesurée aux électrodes et pour autant aussi que la vitesse du fluide dans le conduit d'écoulement ait un profil symétrique suivant son axe. Un profil de vitesse symétrique suivant l'axe signifie que la vitesse du fluide est constante sur la périphérie de tout cercle ayant un rayon arbi— 15 traire compté à partir de l'axe d1 écoulement, dans urï plan perpendiculaire à celui-ci et dans une région située à l'intérieur du champ magnétique effectif. Si le fluide n'a pas de profil de vitesse symétrique suivant son axe, cela donnerait lieu à une autre - distorsion du champ magnétique» 20 En supposant que la forme du champ d'un bord à l'au tre rte varie pas sensiblement bais soit seulement entraînéeen aval proportionnellement au débit du fluide métallique, un accroissement proportionnel des erreurs par défaut résultera de l'augmentation du débit. L'accroissement des erreurs par défaut sera dû à 25 la variation en amont du champ magnétique - IS B comme indiqué à la Fig. 2t et de la sorte la contribution ' totale " des forces élec.— trorootrices dans la partie amont du champ sera moindre qu,;elle l'était lorsque le fluide était au repos et que lé champ magnétique n'était pas dérangé. Les Figs 1^ et 1^ doivent nous rappeler que 3D la contribution en amont de la fonction de pondération dans des plans parallèles au plan des électrodes devient significative pour des distances approchant les 3/4 du diamètre du conduit. La partie du champ magnétique entraînée en aval ne produit cependant pas une variation sensible du champ magnétique comme le prouve la va— 35 riation relativement faible du flux magnétique +- A B. Ainsi donc, l'augmentation du champ en aval du plan des électrodes entraîne une contribution relativement faible du signal caractéristique du 70 38822 13 2065567 débit. Le problème des lectures non linéaires dans les débit mètres électro-magnétiques quand on les utilise pour mesurer les débits volumétriques de fluides métalliques est étroitement lié 5 à la modification de la répartition du flux magnétique apparaissant avec l'accroissement des vitesses d'écoulement. La solution à ce problème, suivant l'invention, est d'utiliser un champ magnétique compensateur pour éliminer les effets de variation du champ sur le signal caractéristique du débit délivré par les électrodes. 10 Se reportant maintenant à la Fig. 3» deux électro-ai mants 14, 14r disposés symétriquement par rapport à l'axe des élec trodes 12, 12' enfourchent le conduit d'écoulement de façon à y faire régner un champ magnétique vertical. Le conduit d'écoulement est en acier inoxydable résistant aux hautes températures ou en 15 tout autre matériau non magnétique résistant à la chaleur. Un revêtement tubulaire 10' en matière thermiquement isolante, dtépais-seur appropriée, recouvre la surface extérieure du conduit d'écoulement 10 en vue de protéger des effets de la chaleur les électroaimants 14, 14' et autres composants se trouvant à l'extérieur. 20 Le revêtement tubulaire 10* est en matière semblable à du caoutchouc contenant en suspension des particules céramiques non magnétiques. Cette matière peut s'appliquer au pinceau sur le conduit d'écoulement jusqu'à l'obtention de l'épaisseur désirée, par exemple 12,5 m/m qui, après durcissement, isolera des différences de 25 température de l'ordre de mille cent degrés E. La langueur des électro-aimants excitateurs 14, 141% dans la.direction de l'axe d'écoulement, est telle qu'elle fournis se une langueur effective de champ d'environ 3/2 fois le diamètre du conduit, 3/4 fois le diamètre du conduit de chaque cSté du plan 30 des électrodes^ Une paire d'électro-aimants de compensation 16, 16 est disposée en amont du plan des électrodes et une autre paire d'électro-aimants de compensation 18, 16' est disposée en aval de ce plan. Un dispositif moniteur du champ en amont 20 et un dispositif moniteur du champ en aval 22 sont placés contre le revête-35 ment tubulaire 101 isolateur de chaleur sur le conduit 10 dans la région qui avoisine la limite extrême du champ magnétique effectif Les dispositifs moniteurs 20 et 22 sont conçus pour réguler la va 70 38822 14 2065567 leur du courant parcourant les bobines des électro—aimants compensateurs 16, 16* et 18, 18' par l'intermédiaire d'une boucle de réaction, circuit qui sera décrit en liaison avec la Fig. 5. Ce circuit de réaction sert à éliminer les effets dûs à la variation du 5 champ magnétique» Cette solution au problème de variation de champ, suivant la forme de réalisation montrée sur la Fig. 3, a pour base le- fait, que les électro-aimants 14, 14 r ont leurs ampères-tours disposés dans des plans parallèles au courant circulant dans le 10 liquide en mouvement à l'intérieur du conduit 10. (Jne liaison magnétique existe; entre l'enroulement parcouru par les ampères-tours et les courants de circulation comme cela est prouvé par le fait que la distorsion du champ survient dans le champ magnétique lorsque le débit augmente. L'apport d'ampères-tours additionnels par 15 des électro-aimants de compensation ayant une dimension géométrique appropriée et disposés convenablement relativement aux ampères-tours principaux, annule les courants de circulation parasites. On. y parvient en polarisant convenablement les courants dans les babines compensatrices et en rendant leur amplitude fonction du débiifc. 20 Les ampères-tours additionnels fournis par les électro-aimants de compensation restituent au champ sa valeur initiale avec pour résultat d'éliminer l'effet des courants de circulation parasites» Se reportant maintenant à la Fig. 4, on y voit les directions relatives des courants circulant dans les électro-ai-25 mants de la Fig. 3 et des courants de circulation parasites dans le fluide métallique en mouvement» Les électro-aimants excitateurs 14, 14' transportent les ampères-tours du courant Ipj dans le sens des aiguilles d'une montre. Les électro-aimants de compensation 16, 161" transportent les ampères tours du courant *Ct dans le sens 30 epntraire des aiguilles d'une montre pour annuler l'effet des courants parasites Ig.-j circulant dans le sens inverse en amont du plan des électrod&s. De la même façon, les électro-aimants de compensation 18, 18', sont parcourus par les ampères-tours du courant Iq2 dans le sens des aiguilles d'une montre pour annuler l'effet 35 des courants parasites 1B£ circulant dans le sens inverse en aval du plan des électrodes. Les babines monitrices 2o, 22. comme indiqué à la Fig. 3» ont pour objet d'agir sur le champ magnétique 70 38822 xs 2065567 dans la frange située aux bords du champ excitateur pour que l'induction magnétique et. sa répartition relative soient sensiblement Jes raêmsque lorsque le fluide est au repos» Se reportant maintenant à la Fig. 5, on y voit le 5 schéma d'un débitmètre électro-magnétique pour" métaux liquides conforme .à l'invention» Ce dispositif est plus particulièrement conçu pour fournir à sa sortie une indication linéaire de la vitesse ..d'écoulement volumétrique du sodium, liquide ou tous autres fluides métalliques dont la conductibilité est grande à densité égale. 10 La position relative des électro-aimants excitateurs 14, 14' et du conduit d'écoulement 10 est semblable à celle représentée sur la Fig. 3 et la conception de ces électro-aimants peut être telle que l'asymétrie des profiles d'écoulement par rapport à l'axe soit réduite au minimum. L'emploi de l'isolement thermique tubu— 15 laire 10* est préférable mais non pas absolument nécessaire dans cette forme de réalisation du dispositif. Comme le montre la Fig. 5, deux électro-aimants de compensation seulement 16 et 18 sont utilisés et il ne fait pas de doute d'après ce qui a été dit plus haut, que 11 électro-aimant de 20 compensation 16 est à lui seul suffisant pour éliminer dans sa plus grande partie la non-linéarité du signal indicateur de sortie» Cette propriété caractéristique ressort de l'examen de la Fig. 2 et des considérations qui suivent s'y rapportant, à savoir la variation relativement plus grande de l'induction magnétique dans 25 l'importante région marginale du champ magnétique en amont du plarv des électrodes en comparaison de cella relativement plus petite à la .même distance en aval. Une source d'alimentation en courant alternatif est appliquée aux bornes 24, 24* de l'enroulement primaire d'un trans-30 formateur 26, comportant trois enroulements secondaires 28, 30, 32, l'enroulement 30 étant utilisa pour alimenter un redresseur de courant pleine-onde convenablement filtrée 34 afin d'obtenir une tension de sortie continue d'une amplitude déterminée. Cette tension de sortie continue est transmise aux électro-aimants 35 excitateurs 14, 14' pour les alimenter par les barres omnibus 36, 36'. Les électro-aimants excitateurs 14, 141 sont dotés de noyaux magnétiques (non représentés) de dimensions suffisantes pour créer 70 38822 16 2065567 un champ magnétique continu à l'intérieur du conduit d'écoulement 10, ce champ ayant une longueur totale effective d'environ 3/2 fois le diamètre du conduit. Une paire d'électrodes 12, 12' est sertie dans les parois du conduit à m'i-chêmin entre les limites du champ afin d'entrer en contact "avec le fluide et ces électrodes sont reliées à un amplificateur magnétique 38 par des fils de connexion 35, 35'. L ' a'mplif icateur magnétique 38 est un convertisseur de courant continu en courant continu ayant des caractéristiques linéaires telles qu'il puisse délivrer un signal de sortie directement proportionnel à la vitesse d'écoulement du fluide. L'amplificateur magnétique, en jouant le rôle de séparateur, a également pour effet d'isoler électriquement le signal de sortie du reste du dispositif. Eorme dans tous les débitmètres utilisant une excitation par bohine magnétique pour la production du champ magnétique, les variations de l'intensité du champ causées par les fluctuations de l'alimentation doivent être réduites au minimum. En vue de rendre la lecture du signal de sortie indépendante des variations du courant d'alimentation, un dispositif diviseur de tension comportant une résistance variable 43 en série avec un potentiomètre 44 est connecté sur les barres omnibus 36, 36* en parallèle avec les électro-aimants excitateurs. Le contact mobile 46 du potentiomètre 44 est commandé mécaniquement en vue d'obtenir aux bornes du potentiomètre une tension de référence variable. La tension disponible aux bornes de sortie dd l'amplificateur magnétique'38 est mise en opposition-série avec la tension existant entre le contact mobile 46 et la barre omnibus 36' pour fournir une tension d'entrée à un enregistreur à entraînement asservi 40. Eet enregistreur à entraînement asservi 40 est pourvu d'une liaison- mécanique 42 destinée à positionner le contact mobile 46 de telle sorte que l'indication de. l'enregistreur 40 ne soit .en rien affectée par les variations du courant d'alimentation. La résistance variable 43 est ajustée de telle sorte que le contact mobile 46 atteigne la position extrême sur le potentiomètre lorsque le taux d'écoulement volumétrique est à son maximum. Une bobine monitrice 21 située en amont et une bobine monitrice 23 située en aval sont placées en parallèle à l'entrée 70 38822 17 2065567 d'un redresseur linéaire 52» Puisque le rôle de la bobine de compensation 16 située en amont est sensiblement plus important que celui de la bobine de compensation 18 située en aval, la même chose peut être dite des bobines monitrices et la bobine monitrice 23 5 pourrait être supprimée» L'enroulement secondaire 32 du transformateur 26 alimente un maître oscillateur ou vibrateur 48 mécaniquement couplé par une liaison 50 aux bobines monitrices; 21, 23. La liaison mécanique 50 du vibrateur est conçue de telle sorte qu'elle puisse faire osciller oui entraîner en rotation à une vitesse déter-10 minée les bobines monitrices situées à l'intérieur des zones marginales du champ magnétique des électro—aimants excitateurs» Cette oscillation dans un champ magnétique continu est telle qu'elle induise dans les bobines 21, 23 une tension directement proportionnelle à la vitesse qui lui est imprimée et à l'induction magnétique» 15 Un redresseur linéaire 52 convertit la tension alternative apparaissant aux bornes des bobines monitrices en une tension continue qui lui est directement proportionnelle et cette tension est appliquée, par l'intermédiaire d'un fil de connexion 56, à un servo-mé-canisme 54. 20 Un circuit diviseur de tension incorporant une résis tance variable 60 en série avec un potentiomètre 62 est également connecté en dérivation sur les barres omnibus 36, 36'» Le potentio— * mètre 62 a un contact mobile 64 couplé mécaniquement par toute liaison appropriée 58 à un servo-mécanisme 54 qui en commande le 25 déplacement. Ce servo-mécanisme 54 délivre'une tension d'erreur /commande qui est transmise par un fil de connexion 66 à un redresseur à de phase SB, ce dernier étant alimenté par l'enroulement secondaire 28 du transformateur 26» En réponse à la phase de la tension délivrée par le servo-mécanisme 54, le redresseur 68 fournit une ten— 30 sion de sortie continue destinée à alimenter, par l'intermédiaire d'un fil de connexion 70, les électro-aimants de compensation 16, 18. Les enroulements des électro—aimants de compensation 16, 18 dont les noyaux magnétiques n'ont pas été représentés, fournissent des ampères-tours destinés à s'opposer aux effets dûs aux courants 35 de circulation parasites engendrés en amont et en aval du plan des électrodes. La résistance variable 60 est réglée de telle sorte que le contact mobile 64 du potentiomètre 62, commandé par le servo- 70 38822 2065567 mécanisme 54, occupe sur l'étendue de sa course une position moyenne quand le fluide est au repos dans le conduit d1écoulement 10 et qu'à partir de cette position, des déviations proportionnelles contrôlées puissent correspondre à des taux d'écoulement volumé-5 trique croissants. A mesure que la vitesse d'écoulement augmente à partir de zéro, le champ magnétique commence à se distordre et à se déplacer en aval pour des raisons diverses dÛes aux effets magnéto-hydrodynamiques engendrés par le fluide métallique en mouvement. 10 Les bobines monitrices 21* 23 vibrant dans les zones marginales du champ magri-étique réagissent aux variations du champ engendrées par les courants de circulation parasites pour qu'une tension continue correspondante apparaisse aux bornes de sortie du redresseur liné-aire 52. A cette tension continue, le servo-mécanisme 54 répond en 15 réglant le position du contact mobile 64 en conséquence. Une tension d'erreur résulte du servo-mécanisme 54 ; elle sert à ajuster l'amplitude de la tension de sortie du redresseur 68. En réponse à cette tension, les bobines compensatrices I6t 18 engendrent des flux de compensation magnétique en vue d'annuler les effets de 20 champ produits par les courants circulant dans le fluide et le-conduit® On peut prévoir d'autres moyens équivalents pour la production d'un signal de référence directement proportionnel à l'induction magnétique que ceux utilisant les babines monitrices 25 ou chercheuses 21, 23. Ces moyens équivalents comportent soit une diode magnéto-détectriee soit un générateur à effet Hall, l'un et l'autre isolés thermiquement, pour détecter les variations du chanp magnétique. L'isolement destiné à protéger ces dispositifs moniteurs, de la chaleur émanant du conduit d'écoulement 10, est assu— 30 ré par le revêtement thermique tubulaire 10' . La diode m.agnéto-dé-tectrice est pourvue de quatre bornes et est soumise à l'action des champs. Une tension constante est appliquée à deux de ses bornes et la tension délivrée par les deux autres varie en fonction des champs magnétiques variables* 35. Le générateur à effet Hall 20, tel que représenté à la Fig. 5^, se comporte pareillement en quadripÔle et est de la même façon soumis aux champs auxquels il doit répondre» Un courant 70 38822 is 2065567 constant circule entre les pôles 80, 80* d'une plaquette semi-conductrice 81 et la tension de sortie délivrée aux pôles 82, 82' de cette même plaquette varie en fonction des champs magnétiques variables. La plaquette 81 est sensible aux variations du chaimp magnétique B 5 perpendiculaire à sa surface. Le courant constant appliqué aux bornes 80, 80' émane_ d'une source de courant stabilisé de conception traditionnelle 84. Des redresseurs secs ou des valves à vapeur de mercure peuvent aussi être utilisés dans la source de courant 84. Un amplificateur de courant alternatif stabilisé 85 est connecté aux 10 bornes de sortie 82, 82' en vue de produire, à partir du signal produit par le générateur à effet Hall 20, un signal approprié au redresseur linéaire 52 pour l'alimentation du reste du dispositif représenté Fig. 5. Les tensions délivrées soit par le détecteur à effet Hall soit par la diode magnéto—détectrice, servent de signaux de ré— 15 férence pour les moyens de compensation utilisés dans ce dispositif en sorte que celui-ci puisse fournir une lecture linéaire indépendante des effets magnéto-hydrodynamiques induits dans le fluide dont le débit est à mesurer. Le débitmètre décrit présente l'avantage de pouvoir me-20 surer des taux d'écoulement volumétrique de métaux liquides de façon "telle que le signal indicateur de la mesure soit linéaire et ceci indépendemment des variations de tension du secteur, indépendemment aussi des propriétés électriques et de la température des liquides. L'invention a été décrite en se référant à des formes 25 de réalisation particulières. Certaines modifications peuvent cependant y être apportées sans sortir du domaine de l'invention ; on "peut par exemple, remplacer le dispositif comparateur incorporant le servo-mécanisme 54 par un dispositif équivalent capable d'effectuer des comparaisons de tension entre celle fournie par le redresseur linéai-30 re 52 et une fonction de celle appliquée aux bornes des électro-aimants excitateurs 14, 14'0 Du fait que des aimants permanents pourraient être utilisés pour assurer l'une ou l'autre des fonctions d'excitation et de compensation ou bien pour assurer à la fois l'une et l'autre de ces fonctions, la tension délivrée par le redresseur 35 linéaire 52 de la Fig. 5 pourrait servir à contrôler les aimants permanents de compensation et assurer la fonction compensatrice nécessaire en vue de rendre linéaire le signal de lecture. 70 38822 20 2065567 REVENDICATIONS 1,- Débitmètre pour,mesurer la vitesse d'écoulement des.fluides métalliques,- caractérisé en ce qu'il incorpore : - un conduit.d'écoulement définissant un axe d'écoulement, - des moyens excitateurs pour produire un champ magnétique sensi-,5 blement perpendiculaire à la. direction d'écoulement du fluide, - des moyens .pour détecter la tension électrique induite par le mouvement du fluide dans le champ magnétique, . - des moyens de réponse associés aux dits moyens de détection pour fournir un signal de lecture proportionnel à la vitesse d'écoule-10 ment du fluide, ... - des moyens, couplés au champ magnétique produit par les dits moyens excitateurs, pour fournir un signal de référence directement proportionnel à l'induction magnétique dans la région située en bordure du champ magnétique le long de l'axe d'écoulement, et 15 - des moyens de compensation,pour compenser le champ d'induction . magnétique dans la région située en bordure du champ magnétique le long de l'axe d'écoulement, les dits moyens de compensation réagissant au dit signal de référence pour maintenir sensiblement constante l'intensité du champ pour qu'il en résulte, fourni par les 20 dits moyens de réponse., un signal de lecture linéairement proportionnel à la vitesse d'écoulement du fluide, ceci sensiblement .indépendamment des effets magnéto-hydrodynamiques engendrés dans le fluide en mouvement.. . f .. . 2.- Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé 25 en ce qu'il incorpore en outre.i - des moyens pour protéger ses éléments constitutifs de la chaleur émise parle conduit d'écoulement. .3.- Débitmètre selon la- revendication 1, caractérisé : - en ce que les dits moyens pour fournir un signal de référence 30. comprennent une diode magnétique et des moyens .associés à la dite diode pour la protéger de la chaleur.. 4.- Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé : - en ce que les dits moyens pour fournir un signal de référence comprennent un générateur à effet Hall et des moyens associés au 35 dit générateur pour le protéger , de. la chaleur. 70 38822 21 2065567 5.- Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé : - en ce qire les dits moyens pour fournir un signal de référence comprennent une bobine détectrice oscillante couplée au champ d'induction magnétique engendré par les dits moyens excitateurs. 5 6.- Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé : - en ce que les dits moyens de compensation comportent des moyens de régulation pour conserver au champ d'induction magnétique dans la région avoisinant ses limites extrêmes la même répartition relative de son flux, que celle qui existe quand le fluide est au repos 10 dans le dit conduit, d'où il résulte que les dits moyens de compensation agissent de façon à s'opposer proportionnellement au déplacement du champ le long de l'axe d'écoulement sous l'influence des courants de circulation engendrés dans le fluide en mouvement, pour fournir une tension d'erreur. 15 7.- Débitmètre selon la revendication &, caractérisé : - en ce que les dits moyens de régulation comportent un premier électro-aimant disposé en aval des dits moyens de détection et un second électro-aimant disposé en amont de ces mêmes moyens, les dits électro-aimants étant tous deux couplés aux dits moyens exci- 20 tateurs et polarisé chacun de telle façon, par rapport aux dits moyens excitateurs, que celui situé en aval annule la partie du champ entraînée en aval sous l'effet du fluide en mouvement et que celui situé en amont ait pour rôle de rétablir sensiblement cette partie du champ à la place qu'elle occupe lorsque le fluide est au 25 repos dans le dit conduit d'écoulement. 8.- Débitmètre selon la revendication 6, caractérisé : - en ce que les dits moyens de compensation comportent, en outre, des moyens producteurs d'une tension de sortie continue variable en réponse à la dite tension d'erreur, les dits moyens de régulation 30 du champ magnétique étant reliés directement aux dits moyens producteurs d'une tension de sortie. 9.- Perfectionnements à un débitmètre du type destiné à la mesure de la vitesse d'écoulement de fluides métalliques et comprenant un conduit d'écoulement définissant un axe d'écoulement; 35 des moyens excitateurs alimentés en courant continu pour produire, dans une direction sensiblement perpendiculaire à celle de l'écoulement du fluide, un champ magnétique continu ; des moyens pour 70 38822 22 2065567 détecter le courant- induit par le fluide en mouvement à l'intérieur du champ magnétique, et des moyens pour fournir, en réponse aux dits moyens de détection, un signal indicateur de sortie proportionnel à la vitesse du fluide, les dits perfectionnements étant 5 caractérisés en ce .que le débitmètre incorpore : - des moyens, couplés au champ magnétique produit par les dits moyens excitateurs, pour fournir un signal de référence directement proportionnel à l'induction magnétique dans une région située en bordure du champ magnétique dans l'axe d'écoulement ; 10 - des moyens de comparaison du signal de référence avec une fraction déterminée de la tension fournie aux dits moyens excitateurs, les dits moyens de comparaison délivrant une tension d'erreur, et - des moyens de compensation de l'induction magnétique dans la région avoisinant ses limites extrêmes le long de l'axe d'écoulement, 15 les dits moyens de compensation réagissant à la dite tension d*er-reur pour agir sur l'intensité du champ de manière à le tenir sensiblement constant et pour qu'il en résulte, fourni par les dits moyens en réponse à la dite tension d'erreur, un signal indicateur de sortie linéairement proportionnel à la vitesse d'écoulement du 20 fluide métallique, sensiblement indépendamment des effets magnéto-hydrodynamiques engendrés dans le fluide en mouvement. 1.0.- Débitmètre selon la revendication 9, caractérisé -en ce qu*il comprend en outre : - des moyens pour isoler thermiquement du dit conduit d'écoulement 25 les éléments immobiles, et - en ce que les dits moyens producteurs du signal de référence incorporent une bobine détectrice vibrante couplée au champ magnétique d'induction produit par les dits moyens excitateurs. t1.- Débitmètre selon la revendication 10, earacté- 30- risé : - en ce que les dits moyens pro-ducteurs du signal de référence comportent égalemervk des moyens redresseurs de Eourant destinés à opérer 1s conversion linéaire de la tension aux bornes de la dite bobine détectrice en une tension continue. 35 12.- Débitmètre selon la revendication 11, caracté risé : - en ce que les dits moyens de comparaison incorporent un circuit 70 38822 23 2065567 diviseur de tension connecté sur la tension alimentant les dits moyens excitateurs, le dit circuit diviseur de tension comportant un potentiomètre dont le contact mobile est déplaçable à partir d'une position initiale correspondant au fluide au repos dans le 5 dit conduit, en vue d'obtenir une tension de sortie.continue variable proportionnelle à la tension continue.fournie par les dits moyens redresseurs de courant. 13.- Débitmètre selon la revendication 12, caractérisé : 10 - en ce que les dits moyens de comparaison comportent également des moyens réagissant à la tension fournie par les dits moyens redresseurs de courant pour régler la position du contact mobile du dit potentiomètre selon une caractéristique de calibrage déterminée dépendant du fluide circulant dans le dit conduit, pour en 15 obtenir à la sortie une tension d'erreur devant servir à la régulation du champ produit par les dits moyens de compensation.