Brevet FR2218554A1 — publié le 19740913

La présente invention concerne un dispositif de comp- tage et de régulation d'un débit gazeux1 en particulier d'un débit gazeux important tel que celui débité en permanence par une source haute pression de gaz combustible destiné à l'alimentation d'un réseau de distribution. Il est connu que la méthode couramment utilisée1 consis- tant à mettre en oeuvre plusieurs appareils distincts, un premier appareil régulant la pression et de ce fait le débit et un deuxième mesurant ledit débit, peut etre avantageusement remplacée par un seul dispositif. Ce dispositif est essentiellement caractérisé en ce qu'il comporte au moins une tuyère à régime sonique, c'est-à-dire une tuyère dont le col est traversé par le gaz à une vitesse égale à celle du son dans ledit gaz dans les conditions physiques regnant à cet endroit. L'utiLisation d'un dispositif à tuyère sonique présente d'incontestables avantages pour le comptage par rapport aux dispositifs précédents : simplicité mécanique et insensibilité~aux perturbations dans l'écoulement en aval. Malheureusement, une telle tuyère sonique ne peut fonctionner qu1à l'intérieur diune gamme de débits très réduite1 d'où la nécessité de recourir, dès que l'on veut pouvoir bénéficier d'une gamme de débits plus étendue, à des systèmes compliqués de dérivations, chaque dérivation comportant une tuyère sonique et étant commandée par une vanne, les différentes vannes étant ensuite ouvertes ou fermées à partir dtun central de commande1 en fonction du débit désiré. Il s'ensuit donc d'une part, un accroissement de la complexité du circuit de commande allant de psr avec un risque accru de pannes et d'erreurs, et, d'autre part, une sensible augmentation du cott et de l'encombrement dudit dispositif. La présente invention a donc pour but de pallier ces divers inconvénients en proposant un dispositif présentant non seulement les avantages des tuyères soniques classiques, mais en outre celui de permettre un élargissement considérable de la gamme des débits mesurables par une seule tuyère. Ce but est atteint, conformément à la présente invention au moyen d'un dispositif de comptage et de régulation d'un débit gazeux dispositif caractérisé en ce qu il comporte une tuyère, utilisée en régime sonique, dont le col est un col à section variable, un moyen de commande de ladite section piloté par un organe de mesure de la pression du gaz en aval de ladite tuyère, et des organes de repérage appropriés des variations de l'aire de ladite section, de la pression et de la température du gaz en amont de ladite tuyère. Il est en effet connu que la vitesse de passage d'un gaz déterminé à travers le col d'une tuyère de dimensions fixées devient sonique dès l'instant que le rapport de la pression dudit gaz en aval de ladite tuyère à celle dudit gaz en amont de cette dernière devient inférieur ou égal à une valeur limite déterminée inférieure à 1, et ne dépendant essentiellement que de la forme de ladite tuyère, de la température du gaz en écoulement ainsi que de la nature dudit gaz. I1 est ainsi possible de réaliser des tuyères convergentesdivergentes à régime sonique dans lesquelles la perte de charge est minime attendu que la valeur limite précédente peut se situer à une valeur supérieure à 0,95 et que le régime d'écoulement d'une telle tuyère sera donc sonique pour toute valeur de la pression aval inférieure à 0,95 fois la pression amont. Ainsi apparaît la possibilité de faire varier le débit d'une tuyère en modifiant la section de son col tout en conservant une vitesse sonique des gaz traversant ce dernier, le rapport des pressions aval et amont dudit gaz restant toujours inférieur à la valeur limite correspondant à chacune des positions de la section variable dudit col. Ceci permet donc de limiter à un seul le nombre des tuyères nécessaires, avec tous les avantages que cette possibilité entraîne : plus grande simplicité, encombrement moins important, coût réduit D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante de différents modes de réalisation, donnés à titre indicatif mais non limitatif du présent dispositif, description faite en référence au dessin annexé sur lequel la figure 1 représente une vue de face en coupe axiale du dispositif selon un premier mode de réalisation, - la figure 2 représente une vue de face en coupe axiale d'un second mode de réalisation du dispositif, et - la figure 3 représente une vue de face en coupe axiale d'un troisième mode de réalisation du dispositif. Comme on peut le voir sur la figure l, le dispositif se compose d'un tube en matière rigide présentant à l'écoulement du gaz une section d'entrée circulaire 2. La section du tube 1 reste circulaire sur toute la longueur dudit tube mais diminue légèrement à partir d'un plan de section 3 pour passer par un minimum et augmenter progressivement jusqu'à redevenir au moins égale, dans un plan de section 4, à la section d'entrée 2 puis reste constante jusqu'à la sortie des gaz, les centres des cercles étant tous alignés sur un axe de révolution 5. A l'intérieur du tube 1 et dans la zone correspondant à la section minimale de--- ee Xdernier, est placé un boudin de révolution 6 en matière souple élastique, par exemple en caoutchouc synthétique. Le boudin 6 a son axe confondu avec ledit axe de révolution 5. -La base circulaire aval 7 du boudin 6 est accolée sur toute sa surface contre la base amont d'unejbutée-support 8, approximativement conique, placée aval dudit boudin 6 et solidaire du tube 1 auquel ledit support 8 est rattaché au moyen de plaques radiales 9 fixées audit tube 1 en amont du plan de section 4. Sur toute la surface de la base circulaire amont du boudin 6 vient appuyer un piston 10 mobile suivant l'axe 5 par rapport à un support de guidage ll solidaire du tube l auquel il est rattaché par des plaques radiales 12 fixées audit tube l en amont du plan de section 3.Ledit support li a la forme d'un obus, d'axe confondu avec l'axe de révolution 5 et dirigé la pointe vers l'amont, obus dont le piston 10 constituerait le culot mobile en translation dans la direction dudit axe 5, par glissement de sa surface cylindrique intérieure lOa sur la surface cylindrique extérieure aval lla du support 11. Ce glissement est provoqué vers le sens aval par la mise sous pression par un fluide 13 d'une chambre 14 comprise entre le piston 10 ét son support 11, glissement qui entrasse l'écrasement du boudin élastique 6, tandis que le glissement vers le sens amont est provoqué, lors d'une diminution de la pression dans le fluide 13 par le retour élastique dudit boudin 6 verssa forme d'origine. Le fluide 13 est mis sous pression par un servomoteur 15 raccordé à la chambre 14 par une conduite 16 perçée dans ltépais seur d'une des plaques 12. Le servomoteur 15 est actionné par un pilote de régulation 17, lui-meme commandé par une prise 18 de la pression du gaz débité en aval du pan de section 4 de la tuyère. Deux capteurs 19 et 20, plaçés en amont de la tuyère mesurent l'un la pression, l'autre la température du gaz arrivant à la tuyère. Un capteur de déplacement21 est placé solidairement au tube 1, dans un plan de section du col de la tuyère de façon à ce que sa tige de mesure 21a, plaçée dans ledit plan1 dans une direction radiale, vienne au contact du boudin élastique 6 et repère la variation dudit boudin. Ainsi, le dispositif selon l'invention est apte à assurer simultanément les deux fonctions suivantes : d'une part, la régulation du débit en fonction de la demande, et, d'autre part, le mesurage dudit débit. En effet, la tuyère étant alimentée par une conduite de gaz à pression sensiblement constante P, supposons qu'une augmentation de la consommation en aval de la tuyère y fasse baisser légèrement la pression du gaz débité, cette baisse de pression est immédiatement détectée par le pilote de régulation 17 qui commande une diminution de la pression communiquée par le servomoteur 15 au fluide 13, d'où un recul vers le sens amont du piston 10.Le recul du piston 10 entraîne une diminution du rayon du boudin dans le plan de section du col de la tuyère, c'est-d-dire une diminution du rayon de la circonférence délimitant le pourtour interne de la couronne circulaire, trace du col de ladite tuyère dans son plan de section, et don, la circonférence extérieure de ladite couronne circulaire restant fixe, une augmentation de la section laissée au passage du gaz. Ainsi, le débit gazeux réaugmente pour satisfaire à la demande et la pression aval reprend -la valeur désirée. Réciproquement, dans le cas où une baisse de la consommation en aval de la tuyère entraîne une surpression dans la zone correspondante de la conduite, cette surpression est immédiatement détectée par le pilote de régulation 17 qui commande une augmentation de la pression communiquée par le servomoteur 15 au fluide 13, augmentation de pression qui provoque un déplacement vers l'aval du pistonlO. Ce déplacement- entraîne donc une compression supplémentaire du boudin 6 et par conséquent une augmentation de son rayon extérieur dans le plan de section du col de la tuyère, dlod finalement une diminution de la section laissée libre au passage des gaz. Ainsi, le débit gazeux diminue-t-il et la pression aval reprend-elle la valeur désirée. Le mesurage du débit gazeux peut être effectué soit à l'aide d'abaques, soit au moyen d'un petit calculateur de type connu, le dispositif ayant été préalablement étalonné, grace aux positions relevées sur les trois organes de mesure 19, 20 et 21. I1 est en effet une caractéristique connue des tuyères utilisées en régime sonique d'avoir, pour un gaz donné, un débit Q v fonction des seules variables suivantes : la pression A du gaz en amont de la tuyère, la température absolue TA du gaz en amont de la tuyère et la section S du col de la tuyère.Le débit volumique c d'une tuyère utilisée-en régime sonique- est exprimé, dans les conditions de pression et de masse volumique amont, par la relation PA : pression amont masse volumique amont C : coefficient de débit m S : section du col c pua soit en utilisant l'équation d'état ~ = Z.r.TA avec Z : facteur de compressibilité dans les conditions et r : constante des gaz parfaits pour 1 g de gaz Finalement on peut écrire dans laquelle K représente un coefficient de proportionnalité faisant intervenir d'une part, la masse spécifique du gaz débité, et, d'autre part, les caractéristiques géométriques de la tuyère utilisée, coefficient que l'on mesure en étalonnant lfappareil avec des débits connus. ZA est fonction de A et TA et, pour un gaz connu, est donné par des tables. Selon un autre mode de réalisation représenté sur la figure 2, le dispositif se compose d'un tube 1 à l'intérieur duquel est placé, suivant l'axe de révolution 5 dudit tube, un corps allongé 2 profilé à ses deux extrémités. Le corps 2 est rendu rigidement solidaire du tube 1 par des plaques radiales 9 et 12 fixées audit tube 1. Les plaques 9 sont fixées au corps 2 près de son extrémité aval et les plaques 12 près de son extrémité amont. Sur la surface intérieure du tronçon de conduite 1 situe entre les plaques 9 et les plaques 12, est placée une manchette déformable 23. Un espace est prévu entre le tube 1 et la manchette 23 dans lequel est introduit un fluide 13. Le fluide 13 est mis sous pression par l'intermédiaire d'une conduite 16 perçée dans le tube 1 et raccordée à un servomoteur 15 actionné par un pilote de régulation 17 lui-m8me commandé par une prise 18 de la pression du gaz débité en aval de-la tuyère. Ainsi, le col variable de la tuyère ,est-il constitué par la couronne circulaire comprise entre une-circonférence intérieure constituée par le contour intérieur de la section du corps solide 2 et une circonférence extérieure constituée par le contour intérieur de la section de la manchette déformable 23 par- un plan perpendiculaire à l'axe de révolution 5. On obtient ainsi une tuyère à col annulaire de section variable, la variation de ladite section qui était obtenue dansa le mode de réalisation précédent par une variation de rayon de la circonférence intérieure de la couronne circulaire de section- étant obtenue ici par une variation du rayon de la circonférence exté-; rieure de ladite couronne Comme précédemment, deux capteurs 19 et 20 placés en amont de la tuyère mesurent l'un la pression, l'autre la température du gaz arrivant à la tuyère. Un capteur de déplacement 21 est placé radialément à l'intérieur du corps 2, dans le plan de section du col de façon à ce que sa tige de mesure 21a,placée dans ledit plan dans une direction radiale vienne au contact de la manchette souple 23 et repère le rayon intérieur variable de ladite manchette. Le fonctionnement du dispositif selon ce second mode de réalisation est sensiblement le même que celui du dispositif selon le premier, une augmentation ou une diminution de -la pression dans le fluide 13 se traduisant ici respectivement par une diminution ou une augmentation du rayon de la circonférence extérieure de la couronne circulaire du col et donc de Xa section de ce dernier. Selon un troisième mode de réalisation représenté sur la figure 3, le dispositif de l'invention comporte un premier tube d'arrivée de gaz 1 qui est cylindrique et fixe et sur lequel cou- lisse une des extrémités 22a d'un second tube cylindrique 22. L'autre extrémité 22b du tube 22 constitue la circonférence extérieure de la couronne circulaire du col de la tuyère dont la circonférence intérieure est constituée par le contour de la section par le plan de ladite extrémité 22b d'un corps profilé 24. Le corps profilé 24 est fixé par l'intermédiaire de plaques radiales 9 à l'intérieur de la partie 25a ayant une forme bombée d'une conduite 25. L'ensemble de ce qui précède présente une symétrie autour d'un axe de révolution 5. Un cylindre 26 est monté coaxialement autour de la partie bombée 25 au moyen d'une couronne circulaire 27. Une couronne circulaire 28 formant piston est fixée autour du tube 22 et coulisse dans le cylindre 26 tandis que l'extremité 22b dudit tube 22 coulisse simultanément dans une ouverture circulaire 25b ménagée à l'extrémité de la partie bombée 25a du tube 25, ouverture 25b dans laquelle un joint annulaire 29 assure l'étanchéité entre le tube 22 et la partie 25L. Un fluide 13 est introduit dans la chambre constituée par le tube 22, la partie 25a, la couronne 27, le cylindre 26 et le piston 28. Le fluide 13 est mis sous pression, par l'intermédiaire d'une conduite 16 perçée dans ie cylindre 26 par un servomoteur 15 actionné par un pilote de régulation 17 lui-meme commandé par une prise 18 de la pression du gaz débité en aval de la tuyère. Ici encore deux capteurs 19 et 20 placés sur le tube 1 mesurent l'un la pression, l'autre la température du gaz arrivant à la tuyère. Un capteur de déplacement 21 est fixé solidairement au chassies, non représenté, de façon que sa tige de mesure 21a soit ,.,., .n. parallèle à l'axe 5 et au contact du piston 28 dont il.rapère donc les déplacements. Le fonctionnement de ce troisième mode de réalisation est sensiblement le meme que celui des deux précédents, le fonctionnement du pilote de régulation 17 étant inversé par rapport aux modes de réalisation précédent. Ainsi, une diminution ou une augmentation de la pression du fluide en aval du dispositif de régulation se traduit respectivement par une augmentation ou une diminution de la pression dans le fluide 13, ce qui entraîne un dépècement vers l'amont ou vers l'aval, respectivement, du tube 22 qui est rappelé vers l'aval par un ressort de rappel 30. Ces déplacements ont respectivement pour effet d'augmenter ou de diminuer la section du col de la tuyère. En effet, celle-ci a, comme précédemment, la forme d'une couronne circulaire dont la circonférence extérieure est constante puisque égale à la section intérieure du tube 22 et dont la circonférence intérieure diminue lorsque le tube 22 va vers l'amont et augmente si ce dernier va vers l'aval, compte tenu de la forme sensiblement conique, évasée vers l'aval, donnée à cet endroit, au corps 3 dont la section par le plan-de l'extrémité 2-2b du tube 22 constitue la circonférence intérieure de ladite couronne circulaire. I1 reste bien entendu que les modes de réalisation du dispositif ci-dessus décrits ne sont donnés qu'à titre purement indicatif et nullement limitatif et que l'on se réserve la pos- sibilité d'y apporter, sans sortir du cadre de l'invention, un certain nombre de modifications, en particulier en ce qui concerne la forme géométrique exacte de la tuyère et surtout le moyen de pression du cylindre élastique, moyen qui peut être remplacé, par exemple, par un système mécanique afin de minimiser le temps de réponse du dispositif et d'éviter de ce fait, le phénomène connu sous le nom de pompage. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesurage et de régulation d'un débit gazeux dans une conduite, comportant une tuyère convergentedivergente utilisée en régime sonique, caractérisé en ce qu'il comporte une tuyère dont le col, qui est donc traversé par le gaz à une vitesse égale à celle du son dans ledit gaz dans les conditions physiques régnant à cet endroit, est un col à section variable, un moyen de commande de ladite section piloté par un organe devmesure de la pression du gaz, en aval de ladite tuyère, et des organes de repérage appropriés de la surface de ladite section, de la pression et de la température du gaz en amont de la tuyère. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section du col de la tuyère g la forme d'une couronne circulaire, la variation de ladite seJtionAétant obtenue par une modification du rayon d'au moins une des',' circonférences délimitant ladite couronne. 3. Dispositif selonla revendication 2, caractérisé en ce que la circonférence extérieure de la section est réalisée en une matière rigide placée extérieurement par rapport à ladite circonférence et constituant approximativement un tube dans lequel passe le gaz, tandis que la circonférence intérieure est réalisée par un boudin en matière souple et élastique, boudin axé sur l'axe dudit tube,dont le diamètre au repos est inférieur à celui de ladite circonférence extérieure, et sur au moins une des bases duquel vient appuyer un moyen de pression apte à provoquer l'écrasement dudit boudin , et par conséquent l'augmentation de son diamètre. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen de pression comprend un organe susceptible d'entre soumis à une pression de fluide agissant en direction du boudin, et mobile par rapport à un support de guidage solidaire du tube à l'intérieur duquel il est placé et auquel il est rattaché par au moins une branche radiale, l'ensemble formé par le boudin souple et élastique et que l'ensemble support de guidage-organe mobile placé à 11 intérieur du tube a un contour profilé destiné à faciliter le passage du gaz à travers la tuyère. 5. Dispositif selon-la revendication 3, caractérisé en ce que le boudin élastique bort, sur toute la surface de sa base aval, contre une butee-support également solidaire du tube. 6. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la circonférence intérieure de la section est réalisée en une matière rigide placée intérieurement par rapport à ladite circonférence et constituant un corps dont le contour profilé facilite le passage de gaz tandis que la circonférence extérieure est réalisée par une manchette en matière souple située autour de ladite circonférence extérieure et à l'intérieur de la conduite dans laquelle circule le gaz, un liquide étant introduit entre ladite manchette et ladite conduite, dont la mise sous pression assure la déformation de ladite manchette et donc la variation des ladite section. 7. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les circonférences intérieure et extérieure de la section sont réalisées par deux solides de révolution coaxiaux, l'un d'entre eux au moins ayant une section variable le long d'une de ses génératrices de sorte qu'un déplacement axial de l'un desdits solides par rapport à l'autre entraîne une variation de l'aire comprise entre les contours de leur section par le plan, perpendiculaire à axe de révolution, dans lequel cette aire est la plus petite. 8. Dispositif selon la revendication 1 et l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que l'organe de repérage de la surface de la section du col est constitué par au moins un capteur de déplacement solidaire du tube et dont la tige de mesure vient radialement en contact avec le boudin élastique.