Brevet FR2081835A1 — publié le 19711210

La présente invention concerne un dêbitmètre à induction pour liquide et un procédé pour déterminer électromagnétiquement le débit d'un liquide. Un dêbitmètre à induction pour liquide de l*art antérieur comprend une paire dfélectrodes disposées sur la 5 paroi interne d'une canalisation permettant le passage du liquide .de manière à se trouver en face l'une de l'autre selon une direction perpendiculaire audit passage et des moyens pour engendrer un flux magnétique selon une direction perpendiculaire à celle selon laquelle les électrodes se font face mutuellement. On ob-10 tient, sur les électrodes, une tension résultant de la force électromotrice engendrée qui présente une certaine relation fonctionnelle avec le débit du liquide et la dite tension est utilisée pour déterminer le débit. Un autre dêbitmètre de l'art antérieur comprend trois solénoîdes disposés avec un même espacement le 15 long du passage du liquide. Le solénoîde central est excité pour engendrer un flux magnétique et on détecte les tensions'différentes induites dans les solénoîdes des deux extrémités par le dit flux magnétique et la différence entre les dites tensions différentes est utilisée comme référence pour mesurer le débit du li-20 quide. Les types de débitmètres conventionnels ci-dessus mentionnés fournissent des débits mesurés sous la forme d'une énergie électrique, ce qui offre effectivement un avantage pour effectuer un enregistrement et une commande automatique, déclencher des 25 alarmes et fournir des indications numériques. Avec les types de l'art antérieur, toutefois, une correction est toujours nécessaire parce que la détermination est effectuée indirectement. Si on détermine le débit d'un liquide, par exemple de -l* eau, qui ne présente pas de difficulté ou de danger pour sa mani-30 pulation, on peut en pratique effectuer facilement la correction ci-dessus. Toutefois lorsque la mesure doit être effectuée sur le débit d'un liquide, par exemple du sodium liquide utilisé de façon accrue au cours des années récentes comme réfrigérant dans • un réacteur à neutrons rapides, qui est extrêmement actif et 35 dont la manipulation présente des dangers sérieux, il faudra alors un travail et des frais considérables pour effectuer la dite correction. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients ci-dessus mentionnés et a pour objet de fournir un nouveau 40 type de dêbitmètre basé sur un principe de fonctionnement entière ^ „ 2 2081835 71 08305 * ment différent de celui du dêbitmètre de l'art antérieur. On décrira tout d'abord le principe fondamental sur lequel est basé le dêbitmètre conforme à la présente invention. La présente invention résulte de l'étude du principe de fonctionnement 5 d'une pompe à induction linéaire utilisée pour faire circuler un liquide conducteur, c'est-à-dire qu'elle utilise le glissement du champ magnétique à décalage engendré dans une pompe à induction linéaire par rapport à la vitesse à laquelle le liquide circule à travers un passage, en déterminant ainsi si on le désire le 10 débit du dit liquide sans "aucune correction. La pompe à induction linéaire comprend en général une paire de dispositifs engendrant un champ magnétique, dispositifs se faisant face en travers du passage du liquide, chacun de ces dispositifs comportant des bobines électromagnétiques triphasées 15 disposées dans les encoches d'un noyau en fer. Ces dispositifs générateurs sont alimentés en triphasé pour engendrer un champ magnétique à décalage de manière à faire circuler le liquide conducteur. Avec une distance entre les pôles adjacents désignée par 20 A cm, la puissance efficace P nécessaire pour faire passer le liquide à travers un passage défini entre les dits pôles adjacents peut être exprimée par l'équation ci-après : AHp2*3 P= • f s .......(1) 2xl016p 25 Dans laquelle î 2 A = une constante en cm fonction de la surface de la section transversale du passage du liquide Hp = intensité du champ magnétique exprimée en oersted f = résistivité spécifique du liquide -CL cm 30 s = le glissement (sans dimension) Etant donné que la longueur totale d'une pompe à induction linéaire est naturellement un multiple entier n de X , la puissance efficace PQ de la pompe dans son ensemble peut être donnée par 35 r0=Kf2s (2) 08305 3 2081835 dans laquelle : AHp2>? K = n • — Watt sec2/H 2 2xlO p P Les équations ci-dessus montrent que la puissance P ou Pq est 5 proportionnelle au carré de la fréquence f et également au glisse ment £. La vitesse V du liquide dans le passage peut être donnée par V = Af(l-s) (3) Si la fréquence f de la puissance appliquée sur l'électrode est 10 modifiée pour rendre Af (qui correspond à la vitesse de synchro nisation Vs) égale à la vitesse V du liquide de manière que : V = Af (4) alors le glissement s^ sera nul et l'équation suivante résultera de l'équation (2) î 15 P = O (5) On verra en conséquence que si, on se basant sur le principe de la pompe à induction linéaire ci-dessus mentionnée, on introduit à travers la dite pompe un liquide dont on désire déterminer le débit et si la fréquence de la puissance alimentée 20 au dispositif engendrant le champ magnétique est modifiée pour déterminer la fréquence f^ pour laquelle la puissance ainsi alimentée est ramenée à zéro, on pourra alors utiliser ladite fréquence fQ pour mesurer le débit. Si le liquide en cause est du type qui ne présente aucune 25 difficulté pour la correction, le débit dudit liquide peut être déterminé à partir de la puissance effective mesurée en fixant la fréquence de la puissance alimentée au dispositif générateur de champ magnétique de la pompe à induction linéaire. Dans ce cas, la puissance effective P de la pompe à in-30 duction et le glissement £ présentent la relation P = K«s (6) dans laquelle : K = Kf2 L'introduction dans l'équation (6) ci-dessus de la valeur 35 mesurée de la puissance alimentée au dispositif générateur de champ magnétique permet de déterminer le glissement £. Lorsque la 71 08305 2081835 . valeur du glissement s_ ainsi déterminée est introduite dans 1* équation 3, on obtient la vitesse du liquide. Comme on le voit d'après la description qui précède, un but de la présente invention est de fournir un dêbitmètre à induc-5 tion pour liquide dans lequel la fréquence de la puissance alimentée à un dispositif pour engendrer un champ magnétique se décalant le long du passage du liquide, est modifiée et la fréquence de la dite puissance est détectée lorsque cette puissance atteint une valeur donnée, ce qui permet de calculer le débit du 10 liquide à partir de la fréquence ainsi détectée. Un autre but de l'invention est de fournir un dêbitmètre à induction pour liquide dans lequel la puissance fournie à un. dispositif engendrant un champ magnétique se décalant le long du passage du liquide, est mesurée pour déterminer le débit du li-15 quide à partir de l'importance mesurée de la puissance. L'invention sera décrite plus en détail ci-après avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels ï Figs 1 sont des vues en coupe d'un dêbitmètre à induction pour liquide selon un mode de réalisation de la présente 20 invention, la figure 1A en étant une vue en coupe transversale et la figure 1B une vue en coupe longitudinale; Fig. 2 est une vue en coupe longitudinale d'un dêbitmètre à induction pour liquide selon un autre mode de réalisation de l'invention; 25 Fig. 3 est un schéma bloc du circuit du dêbitmètre à in duction pour liquide conforme à l'invention; Fig. 4 est un graphique illustrant la relation entre la fréquence de la source de puissance et la puissance effective P alimentée à un dispositif générateur de champ magnétique, d*ùne 30 part, et la valeur de référence R, d'autre part; Fig. 5 représente un dêbitmètre à induction pour liquide selon un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel le dispositif engendrant le champ magnétique est disposé dans le passage pour le liquide; 35 Fig. 6 est un schéma bloc détaillé du circuit de figure 3. Se référant à la figure 1, l'unité de détection du débit est constituée par une paire de dispositifs 3 engendrant un champ magnétique, ces dispositifs étant disposés en face l'un de l'autre* de part et d'autre d'une canalisation pour le liquide, de manière 40 à engendrer un décalage du champ magnétique le long du passage 08305 5 2081835 pour le liquide. Chaque dispositif générateur 3 est constitué par une pluralité de bobines triphasées 5a, 5b, 5c (par exemple 6 à 8) logées dans les encoches _d'un noyau de fer 4. La périphérie externe de la canalisation 2 pour le liquide est recouverte avec une \ 5 couche 6 formant isolant thermique pour empêcher l'élévation de •température dans celle-ci. Le dispositif 3 engendrant le champ magnétique peut être disposé, comme représenté dans la figure 2, seulement sur un des côtés de la canalisation 2 pour le liquide. On décrira maintenant avec référence au schéma bloc du 10 circuit de figure 5, le fonctionnement d'un dêbitmètre à induction pour liquide conforme à la présente invention. Une source de puissance 7 à fréquence variable alimente en puissance le s bobines électromagnétiques triphasées de l'ensemble détecteur de débit ou dispositif générateur de champ magnétique 1. La puissance est 15 mesurée par un wattmètre 8 et le débit mesuré est alimenté en réaction à un dispositif de commande 9 qui est utilisé pour contrôler la fréquence de la source de puissance 7 en comparant le dit débit envoyé en réaction à ce dispositif de commande avec la valeur de .référence R décrite ci-après. La fréquence de la puis-20 sànce alimentée au dièpositif générateur de champ magnétique doit de préférence être de l'ordre de 5 à 100 Hz. Une fréquence trop élevée produit un champ magnétique étroit et en conséquence le dit dispositif générateur fournit un débit de détection faible, ce qui entraîne des difficultés pour mesurer le débit du liquide. 25 Comme mentionné ci-dessus, la présente invention consiste à faire varier la fréquence de la source de puissance 7, à détecter la fréquence fQ lorsque la puissance P fournie par la dite source 7 est annulée et à calculer la vitesse V du liquide à partir de la dite fréquence f^. Cependant ceci est une discussion 30 théorique. Etant donné qu'en fait il se produit une certaine perte d'énergie en fonction du matériau constitutif de, par exemple, le noyau 4. ci-dessus mentionné, il est difficile de réaliser P = O. La puissance P est en conséquence exprimée en général par : 35 P = afb + Kf2 (7) dans laquelle af*3 désigne la perte d'énergie ci-dessus mentionnée (a et b sont des constantes ; b.^:2), ou la puissance lorsqu'aucun liquide ne circule dans la canalisation 2. La valeur de référence R de la figure 3 est égale à la partie perdue af*3 de 71 08305 6 2081835 la dite puissance et varie avec la fréquence de la source de puissance 7. Se référant à la figure 4, la courbe 10 désigne la perte de puissance ci-dessus mentionnée, c'est-à-dire la valeur de référence R et la courbe 11 représente la puissance efficace 5 P. Lorsque la fréquence fQ à l'intersection des courbes 10 et 11, c'est-à-dire celle pour laquelle la puissance effective P devient égale à la valeur de référence R, est substituée dans l'équation 4 ci-dessus, la vitesse V du liquide se trouve déterminée. La • fréquence fQ est détectée à partir du dispositif de commande 9 10 et utilisée pour régler la fréquence de la source de puissance 7, Le dispositif de commande 9 peut être muni d'un circuit de calcul pour calculer la vitesse V du liquide à partir de la fréquence fQ. La description qui suit concerne le cas où le débit du liquide a été déterminé en faisant varier la fréquence de la sour-15 ce de puissance 7. Lorsque la fréquence est fixée, la puissance P peut être donnée par : P = Kq + K's (K= une constante en watts) .....(8) Si, en conséquence, le glissement s^ du champ magnétique à décalage est déterminé à 1'avance pour différentes vitesses de liquide 20 en utilisant l'équation s P - K0 s= (9) K' le débit du liquide peut alors être calculé en déterminant la vitesse V du liquide à partir de l'équation î 25 V = Vs (1 - s) (10) On décrira plus en détail ci-après, avec référence à la figure 6, le mode de réalisation de la figure 3. En ce qui concerne le circuit RQ pour engendrer une valeur de référence R, les circuits mémoires R^ et Rg emmagasinent des constantes a et b 30 respectivement. Le débit fb fourni par un circuit R_ assurant b une fréquence f est multiplié par la constante a emmagasinée dans le circuit mémoire R^ en utilisant un multiplicateur R^. Le débit du dit multiplicateur R4 forme la valeur de référence R. En ce qui concerne le dispositif de commande 9, une valeur 35 P mesurée par le compteur de puissance 8 est comparée avec la valeur de référence R dans un comparateur 91. Sur la base du résultat de la dite comparaison, un autre comparateur 92 détermine si la fréquence f doit être accrue ou réduite. Sur la base de la 71 08305 7 2081835 dé te rtri nation par l'autre comparateur 92 j la fréquence f d'un circuit 93 est augmentée ou réduite. Dans ce cas, l'accroissement ou la réduction de la fréquence f du dit circuit 93 s'effectue à partir de la fréquence constante fs d'une source à fréquence cons-5 tante 99. Le débit du circuit 93 engendrant la fréquence f est alimenté à une source de puissance 7 à fréquence variable. D'autre part, la fréquence de sortie f du dit circuit 93 est utilisée dans un circuit 96 de calcul du débit sur la base de la relation entre la constante X94 et une autre constante D 95, toutes les deux 10 utilisées pour déterminer le débit. Ce résultat de l'opération est affiché sur un indicateur 97 et enregistré par un enregistreur 98. * En ce qui concerne la source de puissance 7, une entrée 73 de courant alternatif est transformée en un débit de courant 15 continu par un convertisseur 74. Le débit en courant continu est transformé en un débit alternatif ayant la fréquence•désirée par un inverseur 72 sur la base du débit d'un générateur d'impulsions à déclenchement 71 pour- produire des impulsions déclenchées en fonction de la fréquence f ci-dessus mentionnée du circuit 93. 20 II est de plus prévu un circuit d'alimentation en réaction 76 et un circuit de régulation de la tension 75 pour réduire la déformation du dit débit alternatif. Le débit du dit inverseur 72 est alimenté au dispositif générateur de champ magnétique 1, La puissance en résultant est mesurée par le compteur de puissance 8, la 25 puissance mesurée P étant~al*imentée au dispositif de commande 9» Dans le mode de réalisation de la figure 5 le dispositif générateur de champ magnétique 12 est logé dans une canalisation 13 placée coaxialement dans la canalisation 2 pour le liquide «n étant complètement isolée de l'intérieur de cette canalisation. 30 La canalisation fermée 13 comporte un orifice débouchant à 1» extérieur de la canalisation 2 pour le liquide, la puissance étant alimentée au dispositif générateur de champ magnétique 12 à tra*-vers le dit orifice. ' Le dispositif générateur de champ magnétique de la présen-35 te invention a sensiblement la même construction que celui utilisé pour une pompe à induction linéaire. A la différence de la pompe toutefois, le dêbitmètre de la présente invention engendre un décalage du champ magnétique simplement pour déterminer la vitesse du liquide et non pour propulser le- dit liquide, de sorte qu'il 40 peut être réalisé d'une manière remarquablement compacte* 71 08305 8 2081835 Dans le mode de réalisation de la figure 1, on a utilisé une canalisation à liquide de section circulaire» Toutefois, la présente invention n'est pas limitée à la dite canalisation mais permet l'utilisation d'une canalisation de forme aplatie, carrée 5 ou rectangulaire ou de toute autre forme. De plus, dans les modes de réalisation qui précèdent, on a utilisé une paire de dispositifs générateurs de champ magnétique placés face à face avec la canalisation pour le liquide se trouvant entre eux. Toutefois, les dits dispositifs générateurs peuvent être constitués par un corps ÎO cylindrique formant masse enfermant la canalisation pour le liquide ou de plusieurs ensembles disposés longitudinalement autour de la périphérie externe de la dite canalisation. Le champ magnétique peut être décalé dans la même direction que ou dans la direction opposée à celle selon laquelle s'écoule le liquide. Le 15 dêbitmètre de la présente invention est utilisable pour le sodium, le fer, le bismuth, le lithium, le plomb à l'état liquide et autres liquides à haute conductivité et il est particulièrement adapté pour le sodium liquide. 71 08305 9 2081835 REVENDICATIONS 1,- Un dêbitmètre à induction pour liquide caractérisé en ce qu'il comprend au moins un dispositif disposé le long d,une canalisation pour le liquide de manière à engendrer un champ magnétique à décalage le long de la dite canalisation, une source 5 de puissance à fréquence variable pour alimenter le dispositif générateur de champ magnétique et un dispositif pour faire varier la fréquence de la source de puissance de manière à détecter la fréquence de celle-ci pour., laquelle la puissance alimentée au dispositif générateur de champ magnétique est égale à la perte d* 10 énergie se produisant dans celui-ci^ le débit du liquide étant calculé à partir de la fréquence détectée. 2»- Un dêbitmètre..à induction pour liquide selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dispositif générateur ' de champ magnétique est constitué par une paire d'éléments se 15 faisant face avec la canalisation pour le liquide disposée entre eux» 3»- Un dêbitmètre à induction pour liquide selon la revendication I caractérisé.en.ce que le dispositif générateur de chaap magnétique est du type cylindrique englobant la canalisation 20 pour le liquide. 4»- Un dêbitmètre à induction pour liquide selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dispositif générateur de champ magnétique est logé .dans une canalisation placée coaxiale-ment dans la canalisation pour le liquide, en étant complètement 25 isolée de l'intérieur de cette dernière, avec l'orifice de la dite canalisation fermée débouchant à l'extérieur de la canalisation pour le liquide. 5»- Un procédé pour mesurer électromagnétiquement le débit d'un liquide caractérisé en ce que l'on alimente un courant alter-30 natif à un dispositif pour engendrer un champ magnétique à décalage le long d'une canalisation pour le liquide, on fait varier la fréquence du courant alternatif pour détectervlà fréquence de celui-ci pour laquelle la puissance alimentée au dispositif générateur de champ magnétique est égale à la perte d'énergie se pro-35 duisant dans celui-ci et ..on .calcule, le débit du liquide à partir de la fréquence détectée. 6«- Un procédé pour mesurer électromagnétiquement le débit d'un liquide caractérisé en ce que l'on alimente un courant alternatif à un dispositif pour engendrer un champ magnétique à 71 08305 ÎO 2081835 décalage le long d« la canalisation pour !• liquide, on mesuré la puissance alimenté* au dispositif générateur, on détermine le glissement £ du dit chanp-aagnétique & décalage à partir de la puissance P mesurée en fonction de la relation prédéterminée qui 5 existe entre eux de manière à mesurer ainsi la vitesse V du"liquide, à savoir son débit.