Brevet FR2246846A1 — publié le 19750502

Ba présente invention concerne un débitmètre linéaire destiné à mesurer le débit d'un fluide. Elle concerne plus particulièrement un débitmètre d'un type base sur les lois de la thermodynamique. Ces appareils fonctionnent selon le principe suivant : une source de chaleur,placée sur le parcours du fluide émet des calories qui sont entraînées par ce fluide proportionnellement à son débit et à sa capacité calorifique. La mesure de l'accroisse- ment de température due au transfert des calories, effectuée à ltaide de deux capteurs de température situés de part et d ? autre de la source de chaleur,permet d'en déduire le débit du fluide. Un des principaux défauts de ces appareils est que leur réponse nTest pas linéaire. Or le signal obtenu à la sortie des capteurs doit être linearisé afin dtetre exploité dans de bonnes conditions. La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients et concerne un débitmètre pour la mesure du débit deux fluide du type comportant une source de chaleur capable de fournir des calories au fluide, deux sondes de température situées de part et d autre de cette source et fournissant un signal en fonction de la quantité de calories entraînées par ledit fluide, caractérisé en ce que la position de la seconde sonde en aval de la source de chaleur est déterminée pour que la température mesurée par cette seconde sonde, en 11 absence du fluide soit la plus voisine possible de celle qui est mesurée par la première sonde située en amont de la source de chialeur, en présence du fluide. Ce résultat peut être obtenu par exenple, en rendant dissymétrique la position des doux sondes et en particulier en écartant suffisamment la seconde sonde, de la source émettrice de chaleur. On peut également disposer un écran protecteur entre cette source ct la seconde sonde ou combiner ces deux moyens. Pans ces conditions, on obtient aux bornes des deux sondes, montées on opposition, un signal proportionnel à l?élévation de température du fluide sous effet de la source émettrice de chaleur et, si cette dernière fournit une quantité constante de calories, ce signal est également proportionnel au débit du fluide, objet de la mesure. L'invention sera mieux comprise à l'aide des explications qui vont suivre et des figures 1 et 2 qui représentent respectivement deux modes de réalisation d'un dispositif conforme à l'in vention 'les mêmes éléments portent les mêmes références dans toutes les figures. La figure 1 représente schématiquement une première réalisation d'un dispositif, (débitmètre), conforme à l'invention dont les principaux éléments sont constitués par une canalisation se présentant, par exemple, sous la forme d'un cylindre creux à travers lequel s1 écoule le fluide qui dans l'exemple décrit est un flux gazeux l dont on doit mesurer le débit. A l'intérieur de cette canalisation 2, ouverte à chacune de ses extrémités, sont disposés un certain nombre d'organes. Tout d'abord une source émettrice de chaleur 3 telle qu'une résistance chauffante alimentée au moyen d'un système de régulation 40 assurant lté- mission d'un nombre de calories constant par unité de temps au niveau de cette source 3 durant toute la durée de la mesure. Des résistanc ainsi régulées sont bien connues de l'homme de l'art. Be flux gazeux 1 dont on veut mesurer le débit est schématisé par une flache indiquant, à l'entrée A et à la sortie R de la canalisation 2, le sens de l'écoulement. A l'intérieur de la canalisation 2, sont également disposées, de part et d'autre de la source de chaleur 3,une première sonde thermométrique 4 située en amont de cette source 3 et une seconde sonde thermométrique 7 située en aval de cette meme source de chaleur 3. Ces sondes 4 et 7 sont des capteurs de température capables de fournir un signal électrique fonction de la température à laquelle ils sont soumis.Il peut s'agis, plus particulièrement, de deux thermocouples tels que schématisés sur la figure. Etant donné leur faible encombrement, les thermocouples présentent, en effet, l'avantage de pouvoir être placés directement dans le flux gazeux sans pour cela le perturber de façon notable. De plus, les thermocouples sont bien connus pour leur faible inertie thermique et leur grande sensibilité de détection. Enfin,ils sont facilement protégés dans des gaines inertes qui ne risquent donc pas de réagir sur le gaz dont on veut mesurer le débit. Lcs thcrmocouples 4 et 7 possèdent respectivement des premières sorties 5 et 8 d'une première polarité, et des secondes sorties 6 et 9 de polarité opposée.Ces derniers, comme le montre la figure 1, sont montés en opposition : les deux premières sorties 5 ct 8 de mêmepolsrité sont reliées au meAme plot de connexion 50, tandis que le signal de sortie #V est recueilli aux bornes des deux sorties 6 e. 9. Be signal t V est une fonction de la diffé- rence de température existant entre les deux thermocouples.La mesure à réaliser avec précision, dans le cadre de l'invention, est celle du débit de gaz effectuée au moyen d'une mesure précise de l'élévation de température du thermocouple 7 situé en aval de la source émettrice de chaleur 5,élévation de température essentiellement provoquée par les calories qui sont entraînées par le flux gazeux au contact de la source de chaleur. T quand tité de calories ainsi entrainée est précisément proportionnelle au débit de gaz lui-meme. Pour être significative, l'élévation de température du thermocouple 7, qui est effectivement mesurée, doit donc correspondre exclusivement à l'élévation de température définie ci-dessus. Pour obtenir ce résultat, les différents éléments constituant le débitmètre sont, conEormément à l'invention, disposés de manière à rendre la température dl thermocouple 7, situé cn aval, quand il n'est pas soumis à l'influence du flux gazeux, égale à la température mesurée par le thermocouple 4 situé en amont lorsqu'il est lui-m8me soumis à l'influence du flux gazeux. C'est grâce à cette combinaison que le débitmètre selon l'invention présente une réponse parfaitement linéaire. En effet T4 et T7 étant respectivement les températures des thermo couples 4 et 7 en présence du flux gazeux, T la température du thermocouple 7 (aval) en e l'absence du flux gazeux, ?0 la température du gaz à ltentrée du débitmètre, T la température de la source émettrice de chaleur 3 (cette température est maintenue constante durant toute la durée de la mesure) la quantité de chaleur emportée par le débit de gaz pondant l'unité de temps est égale à #Q = #m Cg (T - T0) dm étant le débit du gaz et Cg la capacité calorifique de ce gaz. Une fraction #Q de cette quantité de chaleur sert à chauffer le thermocouple 7 selon la relation = = Mth (T7 - Te) (Mth est la valeur en eau du thermocouple) Le signal électrique #V recueilli aux bornes 6 et 9 des deux thermocouples montés en opposition est la différence de tension existant aux bornes 6 et 9 des deux thormoceuples 4 et 7. Cette différence dc tension NV est proportionnelle à T7 - T4 soit, selon les équations précédentes Pour que /'V mit propertionel au débit, c'est-à-dire à #m il faut que (Te - T4) soit négligeable devant le premier terme. Cette condition est réaliséc selon l'invention, comme cela a été dit précédemment, grave à l'agencement particulier des thermocouples par rapport à la source émettrice de chaleur 3. Dans la première variante représentée sur la figure 1, le premier thermocouple 4 est situé cn amont dé la source émet trie e de chaleur 3 à une distance dI relativement pcu critique car le thermocouple 4 peut être considèré comme étant la source froide, en quelque sorte la source de référence dans la mesure considèrée. Comme il s'agit d'unc mesure différentielle, la valeur absolue de cette température est relativement peu impor- tante. En revanche, le thermocouple 7, situé en aval de la source émettrice de chaleur, doit te positionné avec 'un soin tout particulier qui doit principalement tenir compte du rayonnement de la source émettrice de chaleur.La distance d2 de ce thermocouple 7 par rapport à la source émettrice de chaleur 3 est choisie de telle sorte que la température affichée par cc thermocouple, en l'absence de flux gazeux, soit la morne que celle du thermocouple 4 quand ce dernier est soumis à l'influence du flux gazeux. Be thermocouple 7 peut être considèré commc la source chaude de la mesure, par opposition à la source de référcnce (thermocouple 4). Pour diminuer les dimensions du débitmètre tout en mainte- nant la caractéristique de l'invention, selon une seconde variante de réalisation, et comme le montre la figure 2, un écran thermique 10 est interposé entre la source émettrice de chaleur 3 et le thermocouple 7. Te positionnements la forme et les dimensions de cet écran 10 sont adaptés à la fonction qu'il doit remplir, à savoir, abaisser l'échauffement par rayonnement du thermocouple 7,sans pour cela créer de turbulence au scin de 1' écoulement du flux gazeux. Cet aménagement permet dc gagner de la place en réduisant de façon notable la distance d2 par rapport à ce qu'elle doit eAtre en l'absence d'écran. Comme le montre la relation (a) ci-dessus, le signal tV obtenu aux bornes 6 et 9 des thermocouples 4 et 7 est proportionnel au débit h m pour un gaz de nature déterminée quelle que soit la valeur de la température T de la source chaude. il est donc possible de faire varier la sensibilité de la mesure en faisant varier la température de la source émettrice de chaleur. L'étalonnage du débitmètre conforme à l'invention, en fonction de la nature du gaz faisant ltobjét de la mesure est réa- lisé au moyen d'un dispositif étalon. 'la qualité essentielle des débitmètres, objet de l'invention, réside dans la parfaite linéarité de l'appareil obtenu grace au positonnement et à l'aménagement de la sonde thermométrique situé naval de la source émettrice de chaleur. Un tel débitmètre peut être utilisé dans tous les appareillages nécessitant une mesure précise et linéaire du débit d'un fluide qui y circule. REVENflI CATIONS 1. débitmètre linéaire destiné à mesurer le débit d'un fluide du type comportant : une canalisation dans laquelle circule ledit fluide ; une source de chaleur fournissant, par unn- té de temps, une quantité constante de calories audit fluide une première et une seconde sonde- thermométrique situées respectivement en amont et en aval de ladite source, caractérisé en ce que ladite seconde sonde est positionnée en aval de ladite source de chaleur à une distance telle que la température de ladite seconde sonde soit égale, en l'absence dudit fluide, à celle de ladite première sonde, située en amont de ladite source, quand ladite première sonde est en présence dudit fluide. 2. Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit fluide est un gaza 3. Débitmètre selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdites première et seconde sondes sont constituées par deux thermocouples montés en opposition. 4. Débitmètre selon l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce qutun écran thermique est interposé entre ladite source et ladite seconde sonde thermométrique. 5. 5. Appareillage comportant un dispositif de mesure de débit d'un fluide, caractérisé en ce que ledit dispositif est un débitmètre selon l'une des revendications précédentes.