Brevet FR2188143A1 — publié le 19740118

la présente inventionkoncerneun débine tre pour liquides. On sait que les débitmètres existant actuellement sur le marché sont basés sur la mesure de la dépression dans un tube de Pitot plongé dans le liquide dont le débit est à déterminer, ou de la dépression dans une canalisation à l'intérieur de laquelle est placée une partie terminale conique d'unconduit alimenté en le fluide dont le débit est à mesurer, ladite partie conique débouchant, par sa petite base, dans ladite canalisation. Ces dépressions peuvent être mesurées par tous moyens appropriés tels que par exemple la hauteur d'un flotteur à la surface libre d'une colonne de liquide tranquille soumise à ladite dépression. De tels débitmètres ne permettent cependant pas une lecture directe du débit, pouvant donner rapidement, d'une manière simple, la valeur du débit le débitmètre de la présente invention remédie à cet inconvénient, car il peut donner rapidement, par lecture directe, une valeur du débit qui est suffisamment précise dans la plupart des cas. Ce débitmètre présente en outre l'avantage de pouvoir fournir aisément une information à distance produisant par exemple un affichage lUmineux du débit, un signal d'alarme, un enregistrement, etc, ou actionnant des moyens de commande d'un processus désiré pouvant être d'un type quelconque, notamment un processus de régulation du débit de liquide, par exemple par actionnement d'une vanne de régulation. Ce débitmètre est caractérisé en ce qu'il comprend un corps creux déterminant une chambre longitudinale reliée à l'une de ses extrémités à des moyens d'alimentation en liquide dont le débit est à déterminer et à l'autre extrémité à des moyens de décharge dudit liquide, et dont la section transversale est prograsivecroissante de l'extrémité d'alimentation à l'extrémité de décharge, une masselotte mobile dans cette chambre t guidée longindinalement dans celle-ci, et des moyens de détection de la position de ladite masselotte lors du passage du liquide à travers ladite chambre. Conformément au mode de réalisation préféré de la présente invention ce débitmètre comprend, pour le guidage de la masselotte précitée, une tige-guide fixe disposée longitudinalement et axialement à l'intérieur de la chambre précitée, ladite tige-guide traversant la partie centrale de ladite masselotte; de préférence cette chambre a une forme conique (ce terme englobant également ici la forme tronconique) à section circulaire et la masselotte possède une forme de révolution, généralement cylindrique, par rapport à l'axe géométrique longitudinal de la chambre précitée D'autres caractéristiques de la présente invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente une vue en coupe axiale longitudinale d'un débitmètre selon le mode de réalisation préféré de la présente invention; - la figure 2 représente une vue en élévation, selon II-II de la figure 1 de ce débitmètre; - la figure 3 représente un schéma de principe auquel il sera fait appel à propos des considérations théoriques exposées plus loin. le débitmètre représentXsur les figures 1 et 2 est constitué par un corps parallélépipèdique I, en verre ou en matière plastique transparente telle que celle connue par exemple sous la nOrnixntion comnerciale "-Plexig]ass'- un ensemble amovible 2 et des raccords filetés 3 et 4 susceptibles d'être reliés respectivement à une canalisation d'amenée -de liquide et à une canalisation de décharge de liquide; ces raccords 3 et 4 sont vissés respectivement à l'intérieur de passages taraudés 5 et 6, communiquant respectivement avec les extrémités d'une chambre longitudinale 7, de forme tronconique à section circulaire, à l'intérieur de laquelle est axialement disposé l'ensemble amovible 1 précité; l'axe géométrique 8 de cette chambre est parallèle augaretes, et par conséquent aux faces,du corps 2 Dbnsemble amovible 2 comprend un bouchon fileté 9, vissé dans une chambre cylindrique 10 prolongeant axialement la chambre 7 et débouchant sur la face d'extrémité 2a du corps 2, une tige-guide 11 fixée dans le bouchon fileté 9, dans l'axe des chambres 7 et 10, et engagée dans un petit conduit borgne 12 communiquant avec la chambre 7, un manchon tubulaire 13 solidaire de la tige-guide 11 et traversé axialement par celle-ci, et une masselotte 14, susceptible de coulisser le long de la tige-guide 11, cette masselotte ayant une nature et/ou une surface externe telle que ladite masselotte soit visible à travers le corps transparent 2, ce qui permet de repérer la position de ladite masselotte. La masselotte 14 est par exemple métallique; de préférence, comme illustré sur les figures 1 et 2, elle possède une forme de révolution autour de l'axe géométrique longitudinal 8 de la chambre 10; cette masselotte est ici constituée par un ensemble monobloc formé de deux parties cylindriques à section circulaire 14a et 14b, la partie 14a, située en aval de la partie 14b étant celle qui possède le plus grand diamètre. Cette masselotte définit ici un diamètre d'obturation partielle du passage du liquide dans la chambre 7, ce diamètre a étant ici celui de la partie 14a qui impose, pour une position donnée de la masselotte le long de la tige-guide 11, le degré d'obturation du passage de liquide dans la chambre 7. La forme adoptée ici pour la masselotte permet d'avoir, pour le poids jugé le plus judicieux, une longueur de guidage suffisant pour un bon fonctionnement. On voit, sur la figure 2, que la face latérale 2b du corps 2 comporte une graduation qui est étalonnée endébit de liquide, pour un liquide de nature et de température constantes ou pouvant être considérées comme suffisamment constantes; l'échelle comporte par exemple une graduation en l/h (à gauche sur la figure 2) et une graduation en 1/mon (à droite); on remarque que, pour des débits supérieurs à 240 l/h, l'échelle est linéaire; la valeur du débit, le débitmètre étant supposé placé verticalement comme montré sur la figure 2, est celle correspondant- à la position de la face inférieure 14'a de la partie: 14a de la masselotte 14, lorsque cette masselotte, sous l'action de forces opposées devenues égales, en l'occurrence son propre poids et la force de frottement ascendante exercée par le liquide, occupe une position intermédiaire ou position d'équilibre, laquelle peut être conservée pendant un temps déterminé ou fluctuer sans cesse selonque le débit du liquide est constant ou varie. On remarque que, pour les faibles valeurs du débit, la linéarité du débit en fonction du niveau de la masselotte 14 n'est qu'approchée, de sorte que la partie inférieure de la graduation doit être nécessairement effectuée par étalonnage; par contre, l'établissement de la partie moyenne et de la partie supérieure de la graduation peut se faire en effectuant seulement un étalonnage pour deux valeurs du débit, les autres valeurs du débit pouvant être inscrites par extrapolation et/ou intrapolation; bien entendu, si,dans une mesure, le niveau détecté se situe entre deux repères de la graduation, .il sera facile d'obtenir immédiatement la valeur de la mesure, par une simple intrapolation, du fait de la linéarité précitée. On remarque que le bouchon fileté 9 constitue une butée supérieure pour la masselotte 14 et le manchon tubulire 13 une butée inférieure pour cette masselotte; le rôle de cette dernière butée est d'éviter de coincement de la masselotte 14 dans la partie inférieure de la chambre 7. La mise en oeuvre des moyens de guidage constitués par la tige-guide 11 est essentielle pour une lecture précise du débit (position déterminée unique de la surface de la masselotte opposée à la progression du fluide) et pour que ce soit toujours la meme surface de ladite masselotte qui soit opposée à ladite progression, ce qui ne serait pas le cas si l'axe de la masselotte pouvait prendre un angle variable par rapport à l'axe géométrique de la chambre du débitmètre. On pourrait cependant conserver les avantages susmentionnés en n'utilisant pas de moyens de guidage de la masselotte, à condition d'utiliser une masselotte sphérique; cependant, dans un tel cas, le réglage du poids de la masselotte, pour un diamètre d'obturatitn partielle donné, en fonction de la gamme de débits mesurables, serait compliqué .Au contraire, en mettant en oeuvre une masselotte conique ou cylindrique, guidée axialement, on peut régler facilement le poids de la masselotte, sans modifier le diamètre d'obturation partielle, notamment dans le cas d'une masselotte cylindrique. Conformément à la présente invention, la masselotte du débitmètre pourra donc être éventuellement de poids réglable, pour s'adapter à une gamme différente de débits, notamment par adjonction de parties supplémentaires à ladite masselotte, sans modifier son diamètre d'obturation partielle; selon une variante, on pourra également prévoir, pour un appareil donné, un jeu de masselottes de poids différents, de préférence de mêmes formes et dimensions, mais de masses spécifiques différentes. Conformément à la présente invention, on peut aussi adapter l'appareil à des gammes de débits différentes en prévoyant différentes formes possibles pour la masselotte et/ou différents états de surface pour celle -ci (surface lisse ou au contraire surface munie d'ase rites). Pour que le débitmètre selon l'invention soit très sensible, il y a intérêt à ce que l'angle au sommet du cône soit suffisamment petit pour que la surface d'écoulement croisse lentement par déplacement ascendant de la masselotte, ce qui a pour effet d'augmenter la longueur relative de ce déplacement lors de l'augmentation du débit; conformément à la présente invention, cet angle au sommet est de préférence de l'ordre de 5 à 400 et, dans le cas d'un appareil particulièrement sensible, de l'ordre de 5 à 150. On donne ci-dessous, en référence à la figure 3, quelques éléments théoriques qui rendent compte de la -loi de variation du débit en fonction de la position de la masselotte dans le débitmètre selon la présente invention; on suppose que ce débitmètre est placé verticalement, comme montré sur les figures 1 et 2, l'arrivée du liquide dont le débit est à mesurer se faisant par la partie inférieure de la chambre du débitmètre. La force de frottement exercée de bas en haut sur la masselotte, par le liquide passant dans la chambre du débitmètre est proportionnelle au carré de la vitesse linéaire V du fluide et répond à la formule: F = pf .(1) dans laquelle p est un facteur de proportionalité qui dépend de la viscosité du liquide, de la forme de la masselotte et de son état de surface. Par ailleurs, pour un débit constant du liquide, tant que l'équilibre du système n'est pas obtenu, la vitesse V de passage du liquide varie en raison inverse de sa section de passage S, le débit D étant toujours donné, en régime laminaire ( le débitmètre de la présente invention étant toujours destiné à être utilisé en régime de Poiseuille) par la formule: D = VS (2) Par conséquent, d'après la formule (1), la force de frottement F décroît au fur et à mesure que crolt la distance h entre le sommet du cone O déterminé par la chambre de passage du fluide et la surface d'obturation partielle s de la masselotte M. En choisissant la masse P de la masselotte M a une valeur tellequ'elle soit comprise entre les valeurs extremes des forces de frottement F correspondant à un intervalle donné de débits et à un débitmètre de caractéristiques de construction par ailleurs déterminées,on conçoit que, quelle que soit la valeur du débit à mesurer, pourvu quteLesoit comprisedans cet intervalle, il existe une valeur de h pour laquelle le poids P de la masselotte équilibre la force de frottement; en d'autres termes, si ce débit est constant, la masselotte M prend une position d'équilibre, caractérisée par une hauteur déterminée constante à l'intérieur de la chambre du débitmètre (supposée disposée verticalement). Des considérations théoriques montrent que, à pression constante, tous les autres facteurs séant supposés suffisamment constants, le débit D du liquide est une fonction croissante f de la distance h précitée, de formule D = f k étant un facteur de proportionalité dépendant de l'angle au sommet 6 du cône (angle d'ouverture), et a représentant le diamètre d'obturation partielle. Dans cette formule: - k est constant par construction - a correspond au diamètre d 'une masselotte de révolution, mobile verticalement,à très faible frottement sur une tige rigide de très faible diamètre passant par l'axe de la masselotte; si la masselotte M possède, transversalement à la chambre de passage du liquide, des sections de diamètres variables, par exemple en raison d'une forme conique ou en raison d'un épaulement cylindrique prolongeant une partie principale cylindrique, a représente.le plus grand diamètre de la masselotte. Il y a intérêt à ce que le diamètre d'obturation partielle a de la masselotte soit aussi grand que possible, pour Débitmètre de caractéristiques constructionnelles par ailleurs déterminées, afinqie l'étranglement de la veine de liquide 2 soit maximal ', de telle sorte que la fonction V soit aussi grande que possible et que par conséquent, comme le montre la formule (1) la force de frottement .entratnant la masselotte soit elle même maximale (obtention d'une plus faible inertie). le débitmètre selon la présente invention, tel que par exemple celui représenté sur les figures 1 et 2, peut être utilisé non seulement en position verticale, comme cela a été précédemment supposé, mais aussi en position oblique, ce qui est permis grâce aux moyens de guidage de la masselotte. En effet, si le débitmètre fait avec le plan horizontal un angle J la composante du poids de la masselotte qui s'oppose à la force de frottement F sera égale au poids de ladite masselotte multipliée par (sin P ), de telle sorte que la même masselotte, pour le même débit, tend à se déplacer d'avantage à partir de la position de butée dans la partie de plus faible section de la chambre de passage du liquide Par ailleurs, la force de frottement F agissant sur la masselotte agit également, non seulement en opposition au poids, mais également en opposition à une force de frottement de la masselotte sur ses moyens de guidage; cette dernière force de frottement qui était pratiquement nulle en position verticale, est maintenant non négligeable; (la valeur de cette force de frottement est proportionnelle à "cos t '). On conçoit que, avec une masselotte en un matériau judicieusement choisi et surtout avec des dimensions soigneusement étudiées, on puisse, pour un petit champ de variation de l'angles , compenser la diminution de l'action de la pesanteur par l'augmentation de la force de frottement de la masselotte sur ses moyens de guidage, de telle sorte que, dans ce cas, les indications du débitmètre établies pour l'emploi en position verticale restent valables si le débitmètre est utilisé en position oblique, d'autant plus ge,en général, on ne demande pas à ce genre d'appareil une grande précision. Bien entendu, on peut directement établir, par le calcul et/ou par étalonnage, une échelle de graduation pour les débit, qui corresponde exactement à une position oblique déterminée une fois pour toute L'appareil de la présente invention peut comporter, au lieu de, ou en plus de ;La graduation donnant le débit par repérage visuel de la position de la masselotte par rapport à ladite graduation,des moyens de détection de la position de cette masselotte, ces moyens étant par exemple magnétiques ou faisant par exemple appel à des rayonnements électromagnétiques (rayonnement infrarouge , ultraviolet ou gamma) ou bien à des émissions corpusculaires, ces deux derniers types pouvant etre conjugués par la mise en oeuvre d'éléments radio-actifs portés par la masselotte ou bien dont l'émission est interceptée par celle-ci; ces moyens de détection peuvent être reliés à des moyens de commande d'un processus quelconque désiré, par exemple un processus de fabrication impliquant la mise enoeuvre du liquide dont le débit est mesuré, notamment à des moyens de régulation de ce même débit de fluide (commande d'une vanne de régulation dudit débit). Dans un mode de réalisation, ladite masselotte porte un élément magnétique susceptible de modifier la perméabilité magnétique d'au moins un niveau transversal de la chambre de passage du liquide du débitmètre, par exemple en complètant ou modifiant un circuit magnétique dont les éléments fixes possèdent des parties logées dans le corps du débitmètre, à proximité de la ligne de déplacement de la masselotte. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée au mode d'excution décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées selon l'esprit de l'invention REVENDICATION S 1.- Débitmètre pour liquides, caractérisé en ce qu'il comprend un corps creux déterminant une chambre longitudinale reliée à l'w.ede ses extrémités à des moyens d'alimentation en liquide et à l autre extrémité à des moyens de décharge dudit liquide, et dont la section transversale est progressivement croissante de llextrémité d'alimentation à l'extrémité de décharge, une masselotte mobile dans cette chambre et guidée longitudinalement dans celle-ci, et des moyens de détection de la position de ladite masselotte lors du passage du liquide à travers ladite chambre. 2.- Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, pour le guidage de la masselotte précitée, une tige-guide fixe disposée longitudinalement et axialement à l'intérieur de ladite chambre, ladite tige-guide traversant la partie centrale de ladite masselotte. 3.- Débitmètre selon la revendication I ou 2, caractérisé en ce que ladite chambre à une forme tronconique à section circulaire. 4.- Débitmètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite masselotte à une forme de révolution, généralement cylindrique, autour de l'axe longitudinal de la chambre précitée. 5.- Débitmètre selon l'une des revendication 2 à 4, caractérisé en ce que, à chacune des extrémités de la chambre précitée, la tige-guide possède des moyens de butée limitant le déplacement de la masselotte et, à l'extrémité de plus faible section, empochant le coincement de cette masselotte. 6.- Débitmètre selon leune des revendication 3 à 5, caractérisé en ce que l'angle au sommet de la chambre précitée est compris entre 5 et 400, de préférence entre 5 et 150. 7.- Débitmètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps creux précité est constitué par un bloc allongé de verre ou de matière plastique rigide et transparente, permettant d'observer visuellement la position de la masselotte dans la chambre précitée. 8.- Débitmètre selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte, sur une face dudit bloc parallèle à la direction de déplacement de la masselotte, une échelle graduée donnant, pour un liquide donné, de viscosité déterminée, une lecture directe du débit. 9.- Débitmètre selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens, par exemple magnétiques ou faisant appel à des rayonnements ou à des émissions corpusculaires, de détection. de la masselotte précitée. 10.- Débitmètre selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite masselotte constitue elle-même ou porte au moins un élément magnétique susceptible de modifier la perméabilité magnétique à au moins un niveau transversal du débitmètre, par exemple en complètant ou modifiant un circuit magnétique dont la partie fixe comprend au moins un élément magnétique logé dans le corps précité, à au moins un niveau transversal de celui-ci à proximité de la ligne de déplacement de ladite masselotte. 11.- Débitmètre selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de régulation du débit du liquide, reliés auxdits moyens de détection.