Brevet FR2081224A1 — publié le 19711203

L'invention concerne les débit-mètres et autres appa relis à hélice servant à mesurer le déoit ou le volume d'un fluide liquide ou gazeux qui s'écoule dans une canalisation. Un débit-mètre à hélIce est constitué essentiellement par une hélice à plt,sieu s pales montée à libre rotation, coa xialement aans un élément de canalisation. L'hélice est mise en mouvement par le fluide qui s'écoule dans l'élément de canalisation,, et sa vitesse de rotation fournit une mesure du débit du fluide. Dans les modes de réalisation classiques, l'hélice est généralement solidaire d'un rotor qui tourne dans des paliers montés dans des supports situés respectivement en amont et en aval de l'hélice, et la vitesse de rotation est mesurée par un capteur magnétique associé à un ou plusieurs airant permanents solidaires du rotor. les débit-mètres classiques ne sont généraleLlent pas très précis, parce que l'écoulement du fluide est perturbé par les supports. De plus, le fluide charrie souvent des impuretés qui risquent d'encrasser les paliers, ce qui exclut praticue- ment l'emploi de paliers à billes. Conformément à la présente invention, L'hélice est placée dans un conduit sensiblement cylindrique précédé d'un convergent d'adaptation et suivi a'un divergent de récupération elle est montée à rotation libre sur une tige supportée en porte-à-faux, coaxialement au conduit, par des bras dirigés radialement fixés en aval du divergent ou à la sortie -de celui-ci. Grâce au convergent et à la disposition du support à la sortie du divergent l'hélice se trouve dans une région exempte de perturbations, de sorte que sa vitesse de rotation fournit une mesure précise du débit de fluide. De plus, le convergent provoque une accélération de l'écoulement, de sorte que la ces sion statique du fluide est moindre dans la veine cylindrique où est placée l'hélice qu'en amont du convergent.Cette difié- rence de pression statique peut être mise à profit, selon une particularité de l'invention, pour créer dans le palier de l'né- lice une circulation de fluide filtré afin de le nettoyer et d'en chasser les impuretés éventuellement présentes (dans le i~ui- de qui circule dans la canalisation. A cet effet, une tuyaxterie, pourvue d'un filtre et partant ae la canalisation en amont du convergent, communioue avec des canaux pratiqués dans un bras et dans la tige du support et conauisant aux paliers. le moyeu de l'hélice peut donc être monté sur roule- ments à billes, ce qui permet d'alléger l'hélice et de lui aonner une plus grande liberté de rotation. De même l'emploi ae paliers et butée fluides est possible sans difficulté grâce à cette disposition. Cependant le rotor du débit-mètre selon l'invention, ainsi limité à des pales d'hélice et à un court moyeu évidé, pourrait difficilement supporter un aimant permanent destiné à mesurer sa vitesse de rotation par le moren classicue. Selon une autre particularité de l'invention, on mesure la vitesse de rotation de l'hélice en détectant le rythme de réception d'un rayonnement, de préférence ultrasonore, réfléchi ou occulté par un élément~de l'hélice pendant sa rotation. Dans un mode de réalisation, le moyeu de l'hélice est pourvu d'une ou plusieurs facettes propres à réfléchir un rayonnement ultrasonore inciaent vers un appareil récepteur, dans une position angulaire déter ntinée de l'hélice. Il va de soi que si on désire connattre le volume de fluide qui s'coulpe dans la canalisation en un temps donné et non pas son débit, on peut aussi mesurer le nombre de tours faits par l'hélice pendant ce temps. La description qui va suivre en regard des iessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif, permettra de bien comprendre-les avantages de l'inventior et l'art de la réaliser, toutes particularités oui ressortent tant du dessin oe du texte faisant, bien entendu, partie de ladite invention. La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un débitmètre selon l'invention, l'hélice et son support étant représentés partiellement en élévation la figure 2 est une vue en coupe partielle selon la ligne II-II de la figure 1. Le -débit-mètre représenté est contenu dans un tronçon de tuyauterie c-ylindrinue 1 pourvu de brides la, lb qui permettent de le raccorder en amont et en aval à des éléments 2, S d'une canalisation -destinée à véhiculer un fluide circulant dans le sens de ia flèche ffi Le tronçon de tuyauterie 1 est pourvu extérieurement, du coté de sa sortie, de trois bossages 4 espacés angulairement à 1200. - A l'intérieur du tronçon de tuyauterie 1 est enfilée une pièce 5 comprenant une paroi annulaire O et un support 7 pour une hélice 8.La paroi 6 est recourbée de façon que sa surface intérieure forme, de l'amont vers l'aval, un convergent 9, un conduit cylindrique 10 et un divergent 11. Les bords extérieurs amont et aval aa, ob de cette paroi/'ada;ptent pratiquement sans jeu dans le tronçon de tuyauterie 1. le support 7 comprend un manchon cylindrique 12 supporté par trois bras profilés dirigés radialement et espacés de 100, 13, 14, 15, qui se raccordent à l'extrémité aval de la cloison 6.Le bras 13 est traversé dans toute sa longueur par un canal 16 oui débouche d'un coté dans l'alésage 12a du manchon et de l'autre coté dans un taraudage 17 qui se prolonge jusqu'au bord 6b. Une vis 18 est vissée dans le taraudage 17 à travers un alésage 19 d1un des bossages 4 et écrase un joint d'étanchéité 20, de manière à fixer le bras 13 au tronçon de tuyauterie 1 en empêchant les fuites vers l'extérieur. les bras 14 et 15 sont fixés de façon analogue par des vis (non vues) qui traversent respectivement les deux autres bossages 4.La vis 17 est percée d'un canal 21 qui est raccordé par un épaulement 21a à un taraudage 22 pratiqué dans la t8te de la vis, afin de permettre de raccorder un tuyau 23 aux canaux 21 et 16 au moyen d'un raccord 2ia dans un but qui sera indiqué plus loin. L'alésage 12a du manchon 12 est contre-alésé à un plus grand diamètre en 12b à son extrémité amont et se poursuit à l'extrémité aval du support 7 par un alésage de plus petit diamètre 12c. Ce manchon 12 sert à supporter une tige creuse 24 sur laquelle est montée l'hélice 8. La tige 24 comprend, de l'amont vers l'aval, une portion cylindrique 24a supportant le palier de l'hélice et raccordéepar un épaulement 24b à un premier élargissement 24c, puis un second élargissenent 24d engagé sans jeu dans le contre-alésage 12b et raccordé par un épaulement 24e à une portion cylindrique 24f engagée avec un jeu important dans l'alésage 12a du manchon 12, enfin un renflement cylindrique 24 l'alésage1e0t engagé sans jeu dans terminé par un filetage 24h. Une ogive 25 taraudée en 25a est vissée sur ce filetage 24h de façon à bloquer l'épaulement 24e contre le fond 12d du contrealésage 12b. La tige 24 est ainsi fixée solidement en porte-àfaux au support 7. Elle est percée de trous 26 qui font communiquer le canal 16 du bras 13 avec l'alésage 27 de la tige 24. L'hélice 8 comprend des pales 8a solidaires d'un moyeu 8b dont une portion 8c est en saillie vers l'aval des pales. Cette portion 8c est alésée à un diamètre un peu plus grand que le diamètre de I'élargissement 24c de la tige 24, et le reste du moyeu 8 est alésé à un plus grand diamètre. L'hélice est montée sur la portion cylindrique 24a de la tige par un palier comprenant deux roulements à billes 28, 29 dont les bagues intérieures et extérieures sont maintenues écartées, respectivement, par des entretoises 30, 31. La bague intérieure du roulement 28 est maintenue en butée contre l'épaulement 24b par une ogive 32 qui appuie sur la bague intérieure du roulement 29 et qui est fixée à la tige 24 par une vis 32a vissée dans l'extrémité taraudée de l'alésage 27.L'ensemble des bagues extérieures des roulements 28 et de l'entretoise 31 est maintenu sans serrage entre la portion 8c du moyeu 8 et une bague filetée 33 qui est vissée dans l'extrémité taraudée de l'alésage du moyeu et qui sert de butée à la bague extérieure du roulement 29. La longueur axiale du moyeu 8xb est telle que, lorsqu'il est ainsi monté sur la tige 24, ses extrémités amont et aval soient espacées respectivement de l'ogive 32, et du bord arrière du manchon 12 et de l'élargissement 24d de la tige 24. Ces espacements communiquent à travers les roulements 28, 29 34 avec l'espace/compris entre ces roulements, et cet espace com- tunique lui-mtme avec l'alésage 27 de la tige 24 par des perforations 35 pratiquées dans cette tige et dans l'entretoise 30. La longueur de la tige 24 est telle que l'hélice 8 soit située immédiatement en aval du convergent 9, ce qui présente les avantages de régulariser la répartition des vitesses à l'entrée de la veine de mesure qui s'écoule à l'intérieur de la surface cylindrique 10, et de minimiser l'épaisseur de la couche limite-sur les surfaces de corps solides situées dans cette veine de mesure (surface cylindrique 10, surfaces cylin drioues du moyeu 8b et du manchon 12, surface des pales d'hélice 8a).Le montage de l'hélice en porte-à-faux sur le support 7, dont les bras profilés 13, 14, 15 sont situés en aval de la veine cylindrique de mesure, à la sortie du divergent 11, permet de supprimer de façon pratiquement absolue les perturbations hydrauliaeues inhérentes aux supports d'hélice de la technique antérieure qui sont situés en amont de l'hélice, et de réduire les pertes de charge. le divergent ll assure une bonne récupération de l'énergie cinétique du fluide après qu'il a passé dans la veine de mesure, et permet de positionner au mieux les bras 13, 14, 15 du support. I1 convient de remarquer en outre que la forme profilée de l'ogive 32 peut être facilement calculée pour constituer avec la surface 9 un convergent annulaire bien adapté, qui se raccorde à la veine annulaire cylindrique comprise entre la surface 10 et les surfaces ou noyeu 8b et cu manchon 12. De mê- me, la forme profilée de l'ogive c5, qui se prolonge en arrière de la surface divergente 11, peut être calculée pour former avec elle un divergent de récupération ae bonne qualité. La disposition des roulements cS, 29 de l'hélice dans la veine de mesure permet de mettre à profit la chute de pression staticue qui est une conséouence de l'accélération du fluide dans cette veine de mesure, pour créer en permanence une circulation de fluide filtré afin de nettoyer les roulements. A cet effet une tubulure 36, reliée au tuyau 23 par un dispositif filtrant 37, est raccordée à un orifice 38, débouchant dans le tron çon ae conduite 1 en amont de la paroi , par un raccord fileté 39 vissé dans un bossage 33 de ce tronçon de conauite. Le fluide,contenant éventuellement ces impuretés, qui entre par ltorifice 12 dans la tubulure 36 est filtré en 37 de sor- te que le tuyau 23 est alimenté en fluide propre cui pénètre dans l'espace 34 en passant par le canal 1o, les trous 26, l'alésage 27 et les perforations 35, puis sort de cet espace 34 vers l'amont et vers l'aval suivant les flèches f en traversant les roulements 28 et 29. la différence de pression statique créant cette circulation de fluide est proportionnelle à la dif- férence des carrés des vitesses du fluide dans la conduite et dans la région de la veine de mesure où est placée l'hélice 8. Dans la plupart des cas rencontrés dans l'industrie, cette différence ae pression sera suffisante pour que la circulation de fluide propre évite la présence d'impuretés dans les roulements 26 et 29, malgré la perte de charge imposée par le dispositif filtrant 37. Celui-ci peut d'ailleurs comporter, selon une disposition bien connue, ex filtres montés en parallèle et pouvant être nettyés alternativement. Si nécessaire, on peut adjoinre à l'orifice capteur 38 un petit déflecteur 40 (représenté en trait interrompu sur la figure 1) pour récupérer dans cet orifice capteur 38 une partie de la pression dynamique de l'écoulement de fluide.Un tel déflecteur aO de tès faible développement radial ne créera pas de perturbation notable dans l'hélice ainsi montée et placée dans un écoulement non perturbé sera entraînée en rotation par cet écoulement à une vitesse qui, après étalonnage, fournira unene3LLre exacte et précise du débit de l'écoulement. La vitesse de rotation de l'hélice 8 est mesurée par un dispositif qui n'exige, sur l'hélice, que la présence de surfaces réfléchissantes. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2, ces surfaces sont constituées par des méplats 41 pratiqués à la périphérie de la portion 8c du moyeu et formant des faces planes parallèles à l'axe de ce moyeu. Sur lui bossage 42 du tronçon de tuyauterie 1 sont montés un émetteur 'ondes ultrasonores 43 et un détecteur 44. L'émetteur 43, excité par un circuit électrique non représenté, émet un rayonnement ultrasonore dans un guide d'onde 45 qui traverse le bossage 42 et la paroi 6. Un autre guide d'onde 46, décalé an- gulairement par rapport au guide d'onde 45, traverse également la paroi 6 et le bossage 42 et aboutit au détecteur 44.Les guides d'ondes 45 et 46 sont dirigés vers la périphérie de la portion de moyeu & de façon que, quand un méplat 41 vient se placer symétriquement en regard de ces guides d'onde, le rayonnement ultrasonore émis en 43 se réfléchisse sur ce méplat en direction du guide d'onde 46 pour être détecté en 44. Le détecteur 44, recevant ainsi périodiquement les rasons réfléchis sur les méplats 41 pendant la rotation de l'hélice, émet un signal en haute fréquence modulé à un rythme proportionnel à la vitesse de rotation de l'hélice.Ce signal est appliqué à un amplificateur électronique 47 qui transmet le signal amplifié à un circuit changeur de fréquence 48 afin d'obtenir un signal à basse fréquence modulé. Celui-ci peut facilement être transmis par un câble coaxial 4 à un circuit de démodUlation 50 qui émet un signal de sortie électrique en courant alternatif dont la fréquence est proportiomlelle à la vitesse de rotation de l'hélic-e. On a figuré en 43a, 47a et SCa, respectivement, les images schématiques de l'onde ultrasonore émise en 4.3, du signal en haute fréquence modulé émis par l'mapli- ficateur 47 et du signal de sortie du circuit 26. le câble coaxial permet de transmettre à distance le signal en basse fréquence modulé, de sorte que le circuit de démodulation 50 peut être placé à un poste de contre situé à une certaine distance de la conduite. Cependant, si on ne désire pas bénéficier de cette possibilité, le signal en haute fréquence modulé, amplifié en 47, peut aussi être démodulé directement. Dans les deux cas, le signal démodulé, dont la fréquence mesure le débit de la conduite, peut être exploité à la manière habituelle dans des appareils de comptage ou de commanae. La figure 2 montre aussi le montage de l'émetteur et du détecteur de rayonnement ultrasonore dans le tronçon de tu yauterie 1. L'émetteur 43 est supporté par le guide d'onde :5, qui est engagé dans deux trous alignés 51, 52 de la paroi 6 et du bossage 42 et est maintenu par une bague filetée 5n vissée dans un taraudage 54 du bossage Z l'étanchéité est assurée par un joint annulaire plat 55 serré entre la bague 53 et le fond au taraudage 54, et par un joint torique 5s engagé dans une rainure annulaire de la bague 53 et portant contre le guide d'onde 45. Le guide d'onde 46 est monté de façon semblable et supporte le détecteur 44. I1 va de soi que les modes de réalisation décrits ne sont que des exemples et qu'on pourrait les modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du caare de l'invention. En particulier, la mesure de la vitesse de rotation de l'hélice pourrait se'faire non pas par réflexion, mais par occultation d'un rayonnement ultrasonore. On pourrait, par exemple, diriger un appareil émetteur tel que 43, 45 vers un appareil détecteur 46, 44 à travers le tron çon de conduite 1 de façon que le rayonnement allant de l'un à l'autre soit occulté périodiquement, pendant la rotation ae l'hélice, par un ou plusieurs organes solidaires de celle-ci, tels que les pales 8a. Bien que les rayonnements ultrasonores présentent l'avantage de se propager dans un fluide opaque, on ne sortirait pas non plus du cadre de l'invention en employant, pour mesurer la vitesse de rotation de l'hélice, un rayonnement d'une autre espèce, par exemple un rayonnement infrarouge. REVENDICATIONS 1 - Un débit-mètre ou appareil analogue com prennent une hélice montée à libre rotation sur un palier supporté en porte-à-faux, dans un conduit sensiblement cylindrique parcouru par un fluide, par une tige coaxiale à ce conduit, et des moyens pour mesurer la vitesse de rotation de hélice, caractérisé en ce que la tige est supportée en aval du conduit par des bras dirigés radialement fixés en aval d'un divergent ou à la sortie de celui-ci, et que le conduit est précédé d'un convergent0 2 - Un appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tige est enfilée dans un alésage d'un manchon solidaire des bras, ledit manchon ayant une surface extérieure cylindrique qui prolonge vers l'aval le moyeu de l'hélice t qui est terminé par une ogive située au niveau de la sortie du divergent, et que la tige est maintenue dans ledit alésage, en amont de l'hélice, par une ogive vissée située au niveau du convergent0 3 - Un appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le manchon, les bras, le divergent, le conduit sensiblement cylindrique et le convergent forment une seule pièce qui s'adapte dans un tronçon de tuyauterie et peut être fixé dans celui-ci par-une vis radiale ou par un moyen équivalent0 4 - Un appareil selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on met à profit la différence entre les pressions statiques en amont et en aval du convergent pour créer une circulation de fluide dans le palier de l'hélice0 5 - Un appareil selon une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le palier de lthélice,compren- nant avantageusement des billes, est nettoyé par une circulation de fluide amené par des canaux pratiqués dans un bras et dans la tige et débouchant à travers lesdits paliers autour de l'hélice, caractérisé en ce que les canaux sont alimentés en fluide prelevé en amont du convergent par une tuyauterie pourvue d'un dispositif filtrants 6 - Un appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que le prélèvement de fluide en amont du convergent se fait par un orifice associé à un petit déflecteur qui permet de récuperer dans cet orifice une partie de la pression dynamique du fluide0 7 - Un appareil selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on mesure la vitesse de rotation ou le nombre de tours de l'hélice en détectant le rythme de réception d'un rayonnement ultra sonore réfléchi ou occulté par un élément de l'hélice pendant sa rotation0 8 - Un appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que le moyeu de l'hélice est pourvu d'au moins une facettepropre à réfléchir vers un détecteur d'ultra-sons, dans une position angulaire déterminée de l'hélice, un rayonnement ultra-sonore incident produit par un émetteur d'ultrasons0 9 - Un appareil selon la revendication 8, dans lequel le détecteur émet un signal en haute fréquence modulé à un rythme proportionnel à la vitesse de rotation de l'hélice, caractérisé par un circuit changeur de fréquence recevant ce signal en haute fréquence éventuellement amplifié, et le transformant en un signal en basse fréquence modulé propre à etre transmis à distance par un cible coaxial, et un circuit de démodulation recevant le signal en basse fréquence et le démodulant pour émettre un signal de sortie de fréquence proportionnelleà la vitesse de rotation de l'hélice