Brevet FR2145387A1 — publié le 19730223

la présente invention concerne un dispositif de mesure du débit massique d'un fluide liquide ou gazeux en écoulement dans une conduite, la masse volumique et le débit volumique dudit fluide étant susceptibles de varier dans de grandes proportions. I1 existe ddjà un certain nombre d'appareils de mesure de débits massiques, Ces appareils comportent géncralement divers types de capteurs (systèmes de mesure de masses volumiques, organes déprimogènes, compteurs volumétriques) fournissant simultanément des informations que l'on traite de façon convenable pour obtenir la valeur du débit massique0 Certains appareils sont constitués par des turbines ou des roues à aubes ménagées de façon appropriée. I1 existe d'autres appareils basés sur l'utilisation de l'effet Coriolis. Ces appareils sont, en général, de réalisation délicate, les forces de Coriolis n'apparaissant que dans des systèmes de référence en mouvement relatif de rotation. On fait alors parcourir au fluide un trajet de forme gnérale circulaire situé dans un plan soumis à un mouvement de rotation. Les couples de renversement qui se manifestent swr ces boucles mobiles sont proportionnels au débit massique désignant la masse volumique du fluide, et dV/dt le volume débité par unité de temps, On sait qu'un corps mobile de masse élémentaire dm, animé d'une vitesse relative # mesurée dans un référentiel mobile soumis à la rotation instantanéeb-, est soumis à une accélération de Coriolis dont la valeur est donnée par la relation : 2 = 2t1NQ 13 I1 s'exerce donc sur dm une force dF de valeur :: dF = 2 Ainsi toute particule du fluide est soumise à une accélération F perpendiculaire à sa vitesse relative- et à l'axe de rotation instantanéet~donc normale à la paroi de la conduite dans laquelle 2 le fluide s'écoule. Avec les vites eus de rotationQùusuelles auxquelles on peut pratiquement soumettre la conduite, les différences de pression il p qui arparaissent dans la direction de sont de très faible amplitude. ainsi avec un débit massique Q canalisé dans une conduite de diamètre d, on obtient une différence de pression t = p = 2 # Q d avec Q = 1 kg/s = I rad/s d = 0,1 m on trouve : A p = 20 Pa soit une dénivellation d'une colonne d'eau de 2 mm environ. Si l'on recherche une précision de lo-3, il est nécessaire de pouvoir apprécier des différences de pression de l'ordre du micron de colonne d'eaux il est, dtautre part, avantageux d'utiliser une conduite plate, la différence de pression p étant inversement proportionnelle à l'épaisseur de la conduite De toute façon, les différences de pression Ap demeurent faibles, et doivent astre mesurées avec un micromanomètre ultra-sensible.On utilise à cet effet le micromanomètre différentiel décrit dans le brevet français n 1.499.382 L'appareil conçu comme il vient d'être indiqué présente un certain nombre d'inconvénients résultant de la nécessité de communiquer à la conduite un mouvement de rotation instantanée uniforme il est tout d'abord nécessaire d'utiliser des joints spéciaux permettant d'obtenir une rotation continue. il en résulte un accroissement de la complexité de l'appareil et un manque de fiabilité. D'autre part, la différence de pression-,p engendrée est continue et se traduit, dans le cas de l'utilisation du micromanomètre différentiel dont il est question ci-dessus, par la production d'un courant électrique continu i proportionnel à - pO Un mauvais alignement des sondes de prise de pression provoque en outre l'apparition d'une différence-de pression ' pO provenant d'une perte de charge, et existant même en l'absence de rotationur, La présente invention a surtout pour but d'éviter les inconvénients susmentionnés0 Elle consiste essentiellement à utiliser une rotation instan tanée # variable, ladite rotation étant obtenue par un mouvement d'oscillation d'un élément tubulaire faisant partie de la conduite dans laquelle s'écoule le fluide0 L'invention a pour objet un dispositif de mesure du débit massique d'un fluide liquide ou gazeux en écoulement dans une conduite caractérisé en ce qu'il comporte, d'une part, un tube disposé à l'intérieur de la conduite, coaxialement à celle-ci dont il est rendu solidaire par une cloison sur laquelle il est encastré, et des moyens imposant audit tube un mouvement oscillatoire plan, d'autre part, deux tubulures disposées dans le plan d'oscillation et débouchant dans le tube, lesdites tubulures étant reliées à un dispositif manométrique différentiel très sensible, L'invention sera mieux comprise en se reportant à la description qui suit, faite en regard des dessins annexés, lesquels représentent différentes formes de réalisation données à titre d'exemple non limitatif. Les fig. 1, 2, 3 et 4 représentent chacune de façon schématique une forme de réalisation particulière. La fig0 5 représente un dispositif annexe permettant de régler avec précision l'alignement des tubulures de prise de pression0 Sur la figo 1, on voit le tube cylindrique 1 à axe horizontal disposé à l'intérieur de la conduite 2, coaxialement à celle-ci. Le tube 1 est encastré dans une cloison 3 solidaire de la conduite 2. Le fluide circule dans le sens indiqué par les flèches, passant de la conduite 2 dans le tube 1, et sortant ensuite de ce dernier pour circuler à nouveau dans la conduite 2o Le tube 1 est susceptible d'osciller dans un plan horizontal, le mouvement d'oscillation étant obtenu par un moyen quelconque (came, force magnetique, ou autre) non représenté.L'oscillation peut être forcée ou non, le tube 1 oscillant alors à sa fréquence de résonance propre, En tout point du tube 1, il existe un vecteur rotation7l~, éventuellement variable en grandeur avec la position du point sur le tube t. Le fluide circulant avec une vitesse relativeÉdans le tube 1, est soumis en tout point à un effet Coriolis. il en est ainsi aux points A et B diamétralement opposés, au niveau desquels débouchent deux tubulures 4 et 5 disposées face à face dans un même plan horizontal passant par l'axe du tube 1. Il existe entre les points A et B une différence de pression\ p que l'on peut mesurer avec un micromanomè- tre différentiel très sensible 6 relié respectivement aux tubulures 4 et 5 par les tuyaux 7 et 8. Le micromanomètre 6 est disposé en un point quelconque à l'intérieur de la conduite 2 par exemple sur le tube 1 au voisinage de la cloison 3 (comme cela est représenté sur la figure). Le mouvement oscillatoire du tube 1 à l'intérieur de la con ite 2 peut se produire sans faire appel à un joint spécial, en utilisant simplement l'élasticité de l'articulation à l'encastrement dudit tube sur la cloison 3. On peut même donner au tube 1 un profil spécial au voisinage de 11 encastrement de manière à réduire sa raideur, Sur la fig. 2 où les mêmes repères ont été utilisés pour désigner les éléments correspondant à ceux de la fig. 1, on a représenté un tube 1 aplati au voisinage de l'encastrement. De même, à l'extrémité du tube 1, au niveau des points A et B où s'effectue la mesure de la différence de pression L p, est prévu un aplatissement dudit tube 1 dans une direction perpendiculaire à celle de l'aplatissement à l'encastrement, de manière à augmenter l'effet Coriolis. Sur la fig0 3, le micromanomètre 6 est disposé à l'extérieur de la conduite 2. les tuyauteries 7 et 8 débouchent aussi à l'extérieur de ladite conduite pour se raccorder au micromanomètre 6. Ce dernier est toujours soumis à la pression moyenne du fluide à l'intérieur du tube 1, et ntenregistre que les différences de pression existant entre les points A et B, Sur la fig. 4, la cloison 3 est constituée par une membrane autorisant une certaine déformation. Be tube 1 est rendu solidaire de la conduite 2 au moyen de ladite membrane qui se raccorde dans sa partie centrale à la paroi du tube 1 qui la traverse, le raccordement étant effectué dans la partie médiane du tube 1 La membrane n'est soumise qu'à une faible différence de pression provenant uniquement de la perte de charge dans le tube 1.On peut obtenir une rotation7alternative du tube 1 qui sera ainsi la même en tout point dudit tube à un instant donné, En particulier, au voisinage de l'articulation souple constituée par le raccordement du tube 1 à la membrane, il existe une rotation pure, et c'est à ce niveau que l'on installe de préférence les tubulures 4 et So La disposition prévue rend le dispositif parfaitement symétrique0 Le fluide peut donc s'écouler indifféremment dans un sens ou dans l'autre. Une variante peut être prévue en utilisant un soufflet en remplacement de la membrane0 Sur la fig. 5 est représenté un dispositif annexe permettant de régler avec précision l'alignement des tubulures 4 et 5.L'une de ces tubulures, la tubulure 4 par exemple, dont l'extrémité est munie d'un T, est raccordée au tube 1 par l'intermédiaire de deux coudes 4a et-4b à branches d'équerre débouchant dans le tube 1, l'un en amont, l'autre en aval de la tubulure 50 'les branches des coudes 4a et 4b se raccordant à la tubulure 4 constituent un tube parallèle au tube lo il existe à l'intérieur de ce tube un point où la pression est identique à celle régnant à l'entrée de la tubulure So On règle la position de ce point en face de ladite tubulure au moyen de soufflets 4' et 4" montés respectivement sur les branches des coudes 4a et 4b parallèles au tube 1.Ces soufflets permettent une déformation élastique suffisante pour obtenir l'alignement recherché. Une fois cet alignement réalisé, les soufflets 4' et 4" doivent être bloqués en position0 le dispositif fonctionne d'une façon analogue à un potentiomètre0 Quelle que soit la forme de réalisation, le mouvement oscillant toire du tube 1 conduit à une rotation variable (sinusoidalement ou non) dans le temps, l'écoulement d'un débit massique Q se traduit par une information, fournie sous la forme d'un courant i, proportionnelle à p donc à lv e Cette information est de forme oscillatoire.On ne mesurera donc que la partie variable du courant i en filtrant la composante continue correspondant à un éventuel mauvais alignement des tubulures 4 et 5, soit par exemple sinkit t représentant la pulsation du tube 1, on a t i = k x A p soit :: avec Le courant efficace i eff est proportionnel au débit masse QO Une simple intégration fournit la masse débitée M = dt La différence de pression continue due au nonalignement des tubulures 4 et 5 fournit, d'autre part, une indication du débit volumique, Dans le cas où l'on utilise la vibration propre entretenue du tube, que l'on sait réaliser par des moyens connus, il importe que la valeur moyenne efficace de la vitesse, qui est sinusofdale, soit aussi indépendante que possible des conditions extérieures telles que la température, l'alimentation en énergie du dispositif engendrant la vibration et l'alimentation en fluide du tube oscillant. A cet effet, la valeur moyenne efficace de la vitesse instantanée de vibration sera mesurée par des moyens connus (bobine se déplaçant dans le champ magnétique d'un aimant permanent par exemple), et comparée à une référence fixe, l'écart étant utilisé pour faire varier l'amplitude de vibration dans un sens tel qu'une régulation de cette amplitude srensuive, ce qui assure l'indépendance souhaitée, Dans le cas de vibrations forcées, ces précautions sont remplacées par la condition de constance de la valeur moyenne de la vitesse. REVENDICATIONS 1/ Dispositif de mesure du débit massique d'un fluide liquide ou gazeux en écoulement dans une conduite, caractérisé en ce qu'il comporte d'une part, un tube disposé à l'intérieur de la conduite, coaxialement à celle-ci dont il est rendu solidaire par une cloison sur laquelle il est encastré, et des moyens imposant audit tube un mouvement oscillatoire plan, d'autre part, deux tubulures disposées dans le plan d'oscillation et débouchant dans le tube, lesdites tubulures étant reliées à un dispositif manométrique différentiel très sensible, Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les tubulures sont disposées rigoureusement dans le prolongement l'une de l'autre et débouchent en deux points diamétralement opposés du tube. 3/ Dispositif suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le dispositif manométrique différentiel est disposé à l'intérieur de la conduite. 4/ Dispositif suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le dispositif manométrique différentiel est disposé sur le tube, au voisinage de la cloison sur laquelle ledit tube est encastré. 5/ Dispositif suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le dispositif manométrique différentiel est disposé à l'extérieur de la conduite. 6/ Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif manométrique différentiel est disposé sur la conduite0 7/ Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le tube est aplati dans la atone située au voisinage de la cloison sur laquelle il est encastré, l'aplatissement étant effectué dans une direction perpendiculaire au plan d'oscillation. 8/ Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le tube est aplati à son extrémité opposé à l'encastrement, dans la zone de mesure de la pression différentielle, l'aplatissement étant effectué dans une direction parallèle au plwn d'oscillation. 9/ Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le tube est aplati à la fois dans la zone d'encastrement et dans la zone de mesure de la pression différentielle, les deux aplatissements étant effectués dans des directions perpendiculaires. 10/ Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la cloison d'encastrement du tube est une cloison souple. 11/ Dispositif suivant la revendication précédente, caractérisé en ce que le tube est fixé en sa partie médiane sur la cloison souple. 12/ Dispositif suivant l'une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que la mesure de pression différentielle s'effectue au niveau du raccordement de la cloison souple sur le tube, 13/ Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'une des tubulures, munie d'un T à son extrémité, est raccordée au tube au moyen de deux coudes à branches d'équerre débouchant dans le tube, l'un en amont, l'autre en aval de l'autre tubulure, chaque branche parallèle au tube étant munie d'un soufflet.