Brevet FR2251807A1 — publié le 19750613

La présente invention concerne un débitmètre permettant de mesurer le débit ou la vitesse d'un écoulement gazeux au moyen d'un jet d'ions parallèle à l'écoulement. Il est connu de mesurer le débit d'un écoulement gazeux au moyen d'un jet d'ions perpendiculaire à l'écoulement et dont on mesure la déforma tison du trajet dans l'espace, le jet d'ions étant créé par effet corona brevets Durbin, Obermaier, Nadot. Dans ces débitmètres connus, les ions sont créés autour d'une source qui peut être un disque, une pointe, un fil, et sont récoltés sur des électrodes métalliques planes ou cylindriques, de telle sorte que le faisceau d'ions traverse l'écoulement de gaz de manière sensiblement perpendiculaire à la direction de cet écoulement. Tous ces débitmètres présentent l'inconvénient d'être extrêmement sensibles à la nature des porteurs de charge électrique (ions) créés aux environs immédiats de leur source ainsi qu'aux variations de leur vitesse de transfert pour aller de la source aux électrodes de collection. De plus, ces débitmètres connus ont une section de passage du gaz limitée à quelques cen timètres afin de ne pas avoir à appliquer une tension d'ionisation beaucoup trop élevée, et, d'autre part, de conserver une précision suffisante dans les mesures. En outre, dans tous ces débitmàtres connus, la précision de la mesure est affectée par toutes les sources de pollution * si, par exemple le gaz est humide, les ions peuvent, au cours de leur parcours, se recombiner avec les molécules d'eau, et si le gaz dont on mesure la vitesse comporte des composants ionisables différents, ceux-ci ne subissent pas la même déviation que les ions du gaz principal. La présente invention a donc pour but de réaliser la mesure du débit massíque ou de la vitesse d'un écoulement gazeux sans que cette mesure soit affectée par des éventuelles pollutions du gaz dues par exemple à des particules doleau qui risqueraient de se combiner aux ions créés, ou à des impuretés contenues dans le gaz. Un autre but de la présente invention est de réaliser la mesure du débit massique ou de la vitesse d'un écoulemnt gazeux de façon pratiquement indépendante du diamètre de la section de passage dudit écoulement gazeux. Selon la présente invention, les buts précités sont atteints grâce à un appareil de mesure dans lequel le mouvement des ions est sensiblement parallèle au mouvement du fluide, et dans lequel l'électrode de collection ainsi que la source d'ions ont une géométrie plane sensiblement perpendiculaire à la direction de l'écoulement gazeux. Selon la présente invention, cette jauge ou débitmètre possède uns structure symétrique par rapport au champ électrique existant dans l'espace inter-électrodes. Selon une autre caractéristique de la présente invention, l'espace inter-électrodes est fixé d'une manière invariante quelle que soit la dimension de la section de passage de l'écoulement gazeux à travers la jauge. Grâce à cette disposition, le champ électrique inter-électrodes devient un paramètre constant pour ce type de j a u g e, une fois déterminée la valeur de la différence de potentiel appliquée à la source d'ions. Par conséquent, la jauge de l'invention fonctionne indépendamment de la section de pas sage de l'écoulement gazeux Ainsi, on n'utilise qu une source de tension relativement basse, d'un faible prix de revient, et la précision de la mesure, pour une source de tension donnée, est pratiquement la même quelle que soit cette section de passage du flux de gaz.Un autre avantage, et plus particu lièr-ent pour de grandes sections de passage de flux gazeux, est que, grace cette source de tension de faible valeur, l'isolement électrique des électrodes de la jauge est facile à réaliser. Un autre avantage de la jauge de l'invention est de posséder une source d'ions à très faible densité de porteurs de charges électriques dans son environnement immédiat. Dans les jauges de l'art antérieur, la densité des ions créés est très importante, ce qui a pour conséquence immédiate de perturber le champ électrique inter-électrodes dès qu'une petite variation de cette densitê d'ions apparatt. Ces variations apparaissent nécessairement dès que le gaz traversant les jauges contient quelques impuretés. Dans le cas de l'air atiiosphérique, par exemple, de la vapeur d'eau ou des fumées Sont en suspension dans ce gac. I1 en résulte une dépendance extrêmement critique des mesures de vitesse ou de débit faites sur ce gaz par les jauges de l'art antérieur. Selon la présente invention, la densité des porteurs de charges électriquen créés est, au contraire, très faible, comparée aux jauges de l'art antérieur, dans un rapport 10 à 100 fois plus faible. I1 apparaît alors évident que les variations de cette densité dans le type de jauge de la présente en valeur absolue invention serontiplus faibles dans le même rapport, et les effets sur les mesures effectuées deviennent alors pratiquement négligeables, et de toute façon inférieures aux précisions exigées. Une autre conséquence de cette caractéristique concerne le vieil l e ent ou la fiabilité de la source d'ions. En effet, les sources d'ions des jauges de l'art antérieur, du fait de la densité élevée des porteurs de charges électriques créés se trouvent etre bombardés intensément par ces porteurs, d'où une détérioration rapide du matériau utilisé.Bien au contraire, pour les sources d'ions du type de jauge de la présente invention, ces sources sont très peu bombardée, Ainsi, à matériau identique, le vieillissement ou détérioration s'en trouve diminué dans des proportions suffisantes pour leur utilisation intensive ou pour une très longuc durée. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description detail- lée d'un mode de réalisation pris comme exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé sur lequel : la figure unique est une illustration schématique du procédé de la masure. On dispose deux électrodes planes sous forme de grilles ou réseaux en fils nétalliques 1 et 2 symétriquement par rapport à une autre électrode plane 3 servant de source ionique et se présentant également sous forme de grille ou réseau, å l'intérieur d'une conduite de mesure 4. Les électrodes 1 et 2 sont reliées entre elles par le circuit série formé de deux résistances 5 et 6. On branche la source de tension 7 entre l'électrode 3 et le point commun des deux résistances 5 et 6. D'autre part, on branche un appareil de mesure de courant 8 entre les électrodes 1 et 2. Le sens d'écoulement du fluide å mesurer est indiqué par la flèche 9. Les trois électrodes 1, 2 et 3 sont sensiblement perpendiculaires l'écoulement du fluide gazeux, l'électrode 2 étant réalisée en fil métallique de faible diamètre, de manière pouvoir servir de source d'ions par décharge corona sous l'effet de la source de tension 7. L'appareil de mesure 8, qui est ici un micro-ampèremètre, mesure la différence des courants ioniques I1 et 12 collectés respectivement par les électrodes 1 et 2. Les résistances S et 6 servent k fixer le potentiel des électrodes 1 et 2. En l'absence de mouvement du fluide gazeux, la décharge corona est symétrique de part et d'autre de l'électrode 3 servant de source, et les courants collectés I1 et 12 sont égaux, et appareil de mesure 8 ne dévie pas. Lorsque le fluide se déplace dans le sens de la flèche 9, les ions sont entrat- nés dès leur création vers l'électrode 2, et ce, d'une manière proportionnelle a la vitesse d'écoulement du fluide. La différence des courants I2 - Il indi quée par l'appareil de masure 8 constitue alors une indication de la vitesse d'entraînement du fluide.Cette différence I2 - I1 est proportionnelle, d'une part, b l'intensité des courants I1 et I2, donc à la sonne Iî + I2, d'autre part, au produit de la vitesse du fluide v par sa masse volumique t > et elle est inversement proportionnelle à la tension de fonctionnement V de la source I2 - I1 = K. (I1 + I2) . # . v V la masure de # . v se trouve simplifiée lorsque l'alimentation 7 est réalisée de telle sorte que le quotient I1 + I2 soit maintenu constant. Dans V ce cas on a : #.v =K'(I2 - I1). K' est-ici une constante dépendant : du gaz à mesurer, du quotient I1 + I2 et de la géométrie de la conduite de masure. V Dans la jauge ainsi réalisée, il se crée des charges d'espace sur chacune des deux électrodes collectrices 1 et 2, la charge d'espace cré6e près de l'électrode 2 dotant inférieure b celle créée près de l'électrode 1, étant donné que les ions sont surtout entraînés vers l'électrode 2. Ces charges d'espace dépendent de la valeur de la tension de la source 7, qui doit autre supérieure à une certaine valeur, car Si elle est trop faible, la charge d'espace est elle-mne trop faible, et les ions sont entraînée au-deF-de l'électrode 2. La mesure se fait principalement gracie aux ions dont le trajet est oblique par rapport à l'écoulement du gaz, les ions dont le trajet est parallèle à cet écoulement étant peu affectés par le flux, surtout pour une faible charge d'espace, à cause du champ électrique relevé, et les ions obliques étant facilement entraînés. De préférence, on choisit la distance entre l'électrode 3 et les électrodes 1 et 2 du aS",e- ordre de grandeur que le pas du réseau constituant l'électrode 3. De façon avantageuse, ces distances sont de l'ordre de 5 mm. On a dêja dit que les jauges de l'art antérieur sont sensibles aux effets des polluants du gaz mesurer, en particulier à la vapeur d'eau qu'il peut contenir, et dont les molécules peuvent se recombiner avec les ions créés par la source. En effet, dans ces jauges, le trajet des ions entre leur source et les électrodes de collection est relativement grand, et il y a beaucoup de risques de recombinaison (on considère généralement que ces risques de recombinaison apparaissent lorsque la durée du trajet des ions est supérieure à environ 10-4 secondes). Par contre, gr ce au dispositif de la présenteinvention, le trajet des ions entre la source 3 et les électrodes de collection 1 et 2 est très faible, et il n'y a pratiquement plus aucun risque de recombinaison. Un autre avantage de ce dispositif réside dans le fait que, grace à la proximité des électrodes de collection 1 et 2 de la source 3, la tension de la source 7 peut autre faible, quelle que soit la section de la conduite dans laquelle passe le fluide à mesurer Un autre avantage réside dans le àit que, plus particulièrement dans le cas des conduites a forte section d'écoulement, gracie à cette faible tension de la source, il n'y a pas de probleme d'isolement électrique des électrodes. Il est évident que si l'on inverse le sens d'écoulement du fluide, l'indication de l'appareil de mesure 8 sera inversée (on peut avantageusement utiliser un appareil à zéra central ou à inversion de polarité). REVENDIGATIONS 1 - Procédé de mesure du débit massique ou de la vitesse d'un écoulement gazeux au moyen d'un jet d'ions produit dans une conduite de mesure, caractérisé par le fait que ledit jet d'ions est créé par une électrode plane sensiblement perpendiculaire à la direction de l'écoulement gazeux, les ions étant émis sensiblement dans la direction parallèle à l'écoulement gazeux. 2 - Procédé de mesure selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on utilise une source d'ions par décharge corona, et que l'on mesure le courant provoque par les ions émis dans le sens de l'écoulement gazeux et dans le sens contraire gracie à deux électrodes conductrices planes disposées dans ladite conduite de mesure, sensiblement perpendiculairement à l'écoulement gazeux et symétriquement par rapport à la source. 3 - Procédé de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'on détermine la vitesse d'écoule- ment du fluide ou son débit massique en effectuant la différence des courants mesurés sur chacune des deux dites électrodes symétriques. 4 - Procédé de mesure selon la revendication 3, caractérisé par le fait que l'on maintien constant le quotient de la somme des deux courants des deux dites électrodes symétriques par la tension appliquée sur-la source ionique 5 - Dispositif de mesure permettant de mesurer le débit massique ou la vitesse d'un écoulement gazeux au moyen d'un jet d'ions, caractérisé par le fait qu'il comporte, dans une conduite de mesure, une électrode plane, disposée pratiquement perpendiculairement à l'écoulement gazeux, et servant de source ionique et, disposées symétriquement par rapport å cette première électrode, deux autres électrodes planes conductrices également sensiblement perpendiculaires à l'écoulement gazeux et occupant pratiquement toute la section de ladite conduite de mesure, ces deux électrodes symétriques étant reliées entre elles par le circuit série formé de deux résistances, qu'il comporte entre la première électrode et le point de commun des deux dites résistances une source de tension pouvant provoquer une décharge par effet corona sur l'électrode de source, et qu'il comporte enfin aux bornes des deux électrodes symétriques un appareil de mesure de courant. 6 - Dispositif de mesure selon la revendication 5, caractérisé par le fait que lesdites électrodes sont constituées par un réseau ou grille conductrice et que la distance entre la première électrode et les deux électrodes symétriques est du meme ordre de grandeur que le pas du réseau constituant l'électrode de source. 7 - Dispositif de mesure selon la revendication 6, caractérisé par le fait que la distance entre ladite première électrode et les deux dites électrodes symétriques, ainsi que le pas du réseau constituant l'électrode de source, sont de l'ordre de 5 mm.