Brevet FR2147780A1 — publié le 19730311

La présente invention a pour objet une sonde à induction permettant la mesure de la vitesse ce fluides conducteurs, notamment dans les canalisations de forte section. Le principe de cette sonde est fondé sur la loi de Faraday concernant l'induction électromagnétique, selon laquelle, si un fluide conducteur s'écoule à travers un champ magnétique suivant une direction normale à ce champ, une force électromotrice est induite dans le fluide, cette force étant proportionnelle à l'intensité du champ magnétique et à la vitesse du fluide et étant dirigée perpendiculairement au champ magnétique et au sens de l'écoulenjent du fluide. Les dispositifs connus de ce genre sont généralement appelés débitmètres électromagnétiques. Un aimant permanent, du type en fer à cheval, est par exemple monté directement sur une canalisation et placé de façon que l'axe de cette canalisation soit à angle droit avec le champ magnétique. L'écoulement du liquide à travers la canalisation coupe les lignes de force engendrées par l'aimant. La force électromotrice qui en résulte est recueillie par deux électrodes en contact avec le fluide. L'inconvénient de tels dispositifs provient du fait 'on ne mesure T une une qu ne mesure qutune vitesse moyenne, c'est-à-dire vitesse intégrée sur toute une section droite de la canalisation. I1 en résulte que ces dispositifs sont peu précis pour les canalisations de forte section. L'invention fournit une sonde correspondant mieux que les dispositifs de l'art antérieur aux exigences de la pratique, notamment en ce quelle permet d'effectuer une mesure de la vitesse locale des fluides dans une canalisation et donc de reproduire les profils de vitesse de ces fluides. A cette fin, l'invention propose une sonde à induction permettant la mesure de la vitesse de fluides conducteurs, caractérisée par le fait quelle comporte un noyau magnétique cylindrIque, des moyens disposés autour dudit noyau et engendrant un champ magnétique normal à la direction d'écoulement desdits fluides, et deux électrodes d'écartement déterminé placées à l'une des extrémités ducit noyau magnétique, lesdites deux électrodes étant reliées à un appareil de mesure et situées dans un plan à angle droit à la fois avec l'axe d'écoulement desdits fluides et avec l'axe dudit champ magnétique. Suivant une première forme de réalisation de l'invention lesdits moyens engendrant le champ magnétique sont constitués par un solénoïde bobiné autour dudit noyau magnétique et relié à une source de courant alternatif. Suivant une deuxième forme de réalisation lesdits moyens engendrant le champ magnétique sont constitués par un aimant permanent cylindrique. On remarque immédiatement que dans la disposition suivant l'invention, on crée localement le champ magnétique nécessaire. La possibilité de miniaturisation qui en résulte permet une mesure de la vitesse locale des fluides conducteurs à l'intérieur d'une canalisation. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant, à titre explicatif mais nullement limitatif, une forme de réalisation de l'invention. Sur ces dessins - la figure 1 représente très schématiquement une sonde suivantinvention, b anch ~sur une source de courant et en position de fonctionnement dans une canalisation - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale de la sonde de la figure 1, et - la figure 3 est une vue en coupe détaillée suivant un plan de section droite de cette sonde. La descripti s ci-aprèi se Apporte à la première forme de réalisation de l'invention, c'est-à-dire l'utilisation d'un solénoïde pour engendrer le champ magnétique nécessaire. Quant à la seconde forme de réalisation énoncée plus haut (c'est-à-dire du type à aimant permanent) elle se déduit aisément de cette description. La mise en oeuvre de l'invention consiste à créer au moyen d'une sonde 1, dans un fluide circulant dans une canalisation 2, un champ magnétique qui engendre dans le fluide une force électro-motrice mesurée au moyen de cette sonde. Celle-ci traverse la paroi 18 de la canalisation 2, par des orifices ménagés dans cette dernière, la liaison étanche entre la sonde 1 et la paroi de la canalisation étant assurée par au moins un joint torique 3. Pour lui permettre de créer un champ magnétique dans le fluide conducteur circulant dans la canalisation 2, on relie la sonde 1 à une source de courant alternatif 4, par l'intermédiaire de conducteurs 5. Par ailleurs, les électrodes 6 de ladite sonde sont reliées, à un appareil de mesure de tension, ici un voltmètre 7, par l'intermédiaire de conducteurs 8 et d'un amplificateur 9. La sonde 1 comprend un noyau magnétique 10 pourvu le long de deux de ses génératrices diamétralement opposées, de deux fentes 11 s'étendant tout au long dudit noyau 10 et recevant chacureun des conducteurs de liaison 8. Un écran électrostatique 12, formant une spire non fermée, empoche les interactions avec le circuit d'alimentation. L'écran 12 est mis à la masse électrique. Autour du noyau magnétique 10 et de l'écran 12 est située une bobine 13 dont les extrémités sont reliées par l'in- termédiaire des conducteurs 5 à une source de courant alternatif 4. L'extrémité du noyau 10 pénétrant dans le fluide dont on désire connaître la vitesse, supporte deux électrodes 6 dont les conducteurs de liaison 8 sot effacés dans les fentes Il du noyau 10. Lesdites électrodes 6 sont placées dans un plan perpendiculaire à la fois avec l'axe d'écoulement desdits fluides dans la canalisation 2 et l'axe du champ magnétique créé par le solénoïde 13. Le noyau 10, le bobinage supporté par celui-ci et les conducteurs de liaison 5-8 sont contenus dans un tube support 14 fendu à son extrémité en regard du noyau 10, d'une fente 15 qui s'étend suivant une génératrice du tube 14 sur une longueur au moins égale à celle du noyau 10 pour empecher que ledit tube ne joue le rôle d'un bobinage secondaire, ce qui perturberait les mesures. Suivant cette première forme de réalisation de l'invention, la bobine 13 est alimentée en courant alternatif sinusoldal. Ceci permet en outre d'éviter les phénomènes de polarisation entre électrodes. Les pertes joules et fer sont évacuées par le fluide dans lequel la mesure est effectuée. il est possibie également, lorsque ces pertes joules deviennent importantes, d'alimenter ladite bobine 13 en courant pulsé. On peut ainsi augmenter le champ magnétique nécessaire tout en jouant sur l'inertie thermique du bobinage. La sonde peut être facilement déplacée dans une canalisation grâce à une vis micrométrique(non représentée) pour y relever les vitesses locales du fluide traversant celle-ci, l'étanchéité étant assurée par le joint torique 3. La sonde est avantageusment alimentée à des fréquences comprises entre 10 Hz et quelques kHz. La tension recueillie aux bornes des électrodes, de l'ordre de quelques millivolts, peut être avantageusement amplifiée jusqu'à une valeur de l'ordre du volt, par liampli- ficateur 9 qui présente avantageusement une haute impédance d'entrée et une faible impédance de sortie permettant d'effectuer les mesures de tensions au moyen d'un voltmètre ordinaire. La figure 3 représente une vue en coupe, détaillée, suivant un plan de section droite d'une sonde selon la première forme de réalisation de l'invention. Les éléments communs aux figures 1 et 2 sont désignés par les mêmes repères. On retrouve ainsi successivement, les conducteurs B reliant les électrodes à l'appareil de mesure, le noyau magnétique 10 muni de ses deux enccches 11, l'écran électrostatique 12, le solénoide 13 et le tube support 14. Le noyau magnétique 10 doit avoir une perméabilité suffisante mais sa nature importe peu (fer doux en basses fréquences ou ferrites en hautes fréquences). Les conducteurs 8 logés dans les encoches 11 sont isolés du noyau par un papier isolant 16, le tout étant fixé dans chaque encoche, par de l'araldite par exemple. il est à remarquer que les électrodes 6 peuvent être simplement formées par le prolongement desdits conducteurs 8 à l'une des extrémités du noyau, ces conducteurs étant alors choisis de bonne qualité (platine). L'écran électrostatique 12, constitué par une feuille d'aluminium isolée au papier7 sépare les conducteurs 8 de la bobine d'induction ou solénoide 13. Ce solénoïde est bobiné sur une carcasse isolante 17 entourant l'écurez électrostatique 12. Le bobinage peut être réalisé à l'aide de plusieurs couches de fils de cuivre émaillé. Enfin, le tube support 14, isolé du solénoïde 13 permet de mettre la sonde ainsi constituée en contact avec le fluide tout en maintenant des capacités de couplage fixes entre les électrodes de mesure et le solénode et ceci quelle soit le longueur de la sonde mouillée par le fluide. On remarque que dans la disposition selon l'invention on crée, contrairement aux dispositifs de la technique antérieure, localement le champ magnétique nécessaire. La possibilité de rniåturisation qui en résulte permet une mesure de la vitesse locale des fluides et même de tracer le profil de vitesse dans une canalisation. il suffit en effet de déplacer la sonde dans le fluide suivant l'axe des X et de repérer les positions correspondant à chaque point de mesure. Une sonde suivant le schéma de la figure 3 a été réalisée à partir d'un noyau magnétique de 2 mm de diamètre, sur lequel était bobiné un solénoïde formé de 1000 spires en fil de cuivre de 6/100 mm; on a obtenu une sonde de diamètre extérieur 3,5 mm environ. Dans ce cas, la distance inter-électrodes était de 2mm environ. La sonde décrite ci-dessus peut entre avantageusement utilisée pour la mesure de vitesse de fluides non homogènes dont la phase continue est conductrice de l'électricité. Dans ce cas, la tension proportionnelle à la vitesse recueillie aux bornes des électrodes est superposée à un signal de bruit dû à la discontinuité du milieu. Les bruits sont totalement éliminés en effectuant l'autocorrélation du signal e recuoffllli, à savoir qu'on utilise un appareil calculant automatiquement la fonction: où t désigne le temps, T l'intervalle tde temps) de mesure et X un retard variable. A la sortie de l'autocorrélateur, on obtient un signal proportionnel au carré de la vitesse. En ce qui concerne la première forme de réalisation on a vu plus haut que le fait d'utiliser un solénoide alimenté en courant alternatif permet d'éviter les rnénomènes de polarisa tion entre les électrodes. Dans le cas, des mesures de vitesses d'un métal liquide (sodium par exemple), ces phénomènes de polarisation ne sont plus à craindre; on remplace ledit solénoïde et son noyau par un aimant permanent cylindrique. Il va de soi que la présente invention a été décrite ci-dessus à titre explicatif mais nullement limitatif et que l'on pourra y apporter toutes modifications de détail sans sortir de son cadre. REVENDICATION Sonde à induction permettant la mesure de la vitesse de fluides conducteurs, comportant un noyau magnétique, un solénoïde bobiné autour de ce noyau et relié à une source de courant alternatif, ce solénolde engendrant un champ magnétique normal à la direction d'écoulement desdits fluides, et deux électrodes d'écartement déterminé placées à l'une des extrémités dudit noyau, ladite sonde étant essentiellement caractérisée par le fait que ledit noyau et ledit solénolde sont enfermés dans un tube fendu au niveau du solénolde afin de ne pas constituer un bobinage secondaire, et que lesdites électrodes sont situées dans un plan perpendiculaire à la fois à l'axe d'écoulement desdits fluides et à l'axe dudit champ magnétique et sont reliées à l'appareil de mesure par l'intermédiaire d'un autocorrélateur Revendication déposée à la suite du premier projet d'avis documentaire