Brevet FR2250981A1 — publié le 19750606

La présente invention concerne une jauge permettant de mesurer le débit massique ou la vitesse d'un écoulement gazeux au moyen d'un jet d'ions sensiblement parallele à l'écoulement. Il cet 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- tion 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 etre un disque, une pointe, un fil > et sont récoltés sur des électrodes métalliques planes ou cylindriques, de celle suite que le faisceau dtions traverse l'écoulement de gaz de manière sensiblement perpendiculaire à la direction de cet écoulement.Tous ces débitmètres présentent l'inconvénient dtêtre 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 le passage du gaz litée à quelques centimètres afin de ne pas avoir à appliq > ier une-tension d'ionisation beaucoup trop élevée, et, outre part, de conserva- une précision suffisante des les mesures. Dans les dispositifs connus précités la précision de ia 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 compos,r- ionisables différents, ceux-ci ne subissent pas la mSme déviation que les ions du gaz principal. Le but de la présente invention est donc de créer un débitsetre permettant de mesurer le débit d'un écoulement gazeux dans lequel la source d'ions ne participe pas à la mesure, c'est-à-dire que ses fluctuations n'af- fectent pas la mesure. La présente invention a encore pour but de réaliser la masure du débit d'un écoulement gazeux sans que cette mesure soit affectée par des éventuelles pollutions du gaz dues par exemple à des particules d'eau qui risqueraient de se combiner aux ions créés ou à des impuretés contenues dans le gaz La présente invention a encore pour but de réaliser la mesure du débit d'un écoulement gazeux indépendamment des dimensions de la section de passage du dispositif de mesure. Selon la présente invention, les buts précités sont atteints grâce à une jauge dans laquelle le gaz dont on veut déterminer les caract- ristiques d'écoulement traverse une électrode conductrice, des ions étant créés dans le gas, en amont de cette électrode conductrice ; la masure consiste à mesurer le flux des ions ayant pu traverser la susdite électrode sous l'effet de l'écoulement gazeux dont on veut connattre le débit, cette électrode étant par la suite appelée "grille transparente". Grace ce dlspositif, on obtient une mesure de grande stabilité qui n'est plus perturbée par les fluctuations de la source, la détermination de la proportion d'ions traversant l'électrode étant indépendante du flux d'ions incident. Grave au procédé de la présente invention, la source d'ions peut être très proche du réseau ou grille transparente (leur distance ntest pratiquement limitée que par la rigidité diélectrique entre la source d'ions et cette grille transparente), et ainsi, les ions du gaz à mesurer n'ont pratiquement plus la possibilité de se combiner avec les polluants, et en outre, la tension à appliquer entre la source et la grille transparente est indépendante de la section de la veine gazeuse, ce qui permet donc d'utiliser dans tous les cas une tension de fonctionnement faible. Selon une autre caractéristique de a présente invention, on mesure le flux d'ions ayant traversé la grille transparente grace à une électrode collectrice se présentant également sous forme de grille OU réseau et située en aval de cette grille transparente par conséquent, on réalise une mesure moyenne des ions apparaissant sur- cette électrode collectrice, et les diverses fluctuations de la source (bruits d'émission dAs à la condensation des produits lourds, tels que poussières et fumées, se condensant sur la source, provoquant ainsi une dispersion de la décharge) ne peuvent plus per- turber la mesure. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description dQ- taillée de plusieurs modes de réalisation pris comme exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé sur lequel - la figure-l est une illustration schématique du dispositif de mise en oeuvre du procéde de la mesure -avec une source dotions radioactive, - la figure 2 est une illustration schématique du dispositif de mise en oeuvre du procédé de-la mesure avec une source d'ions par effet corona, - la figure 3 est une illustration schématique du dispositif de la figure 2, avec une régulation de la tension et du courant de la source d'ions, - et la figure 4 est une illustration schématique du dispositif de mise en oeuvre du procédé de la mesure avec une source d'ions par effet corona et une mesurer du courant débité par l'électrode collectrice. La jauge à source d'ions radioactive de la figure 1 est essentiellement constituée par trois électrodes sous forme de grilles ou réseaux métalliques de mesure 1, 2 et 3 disposées pratiquement perpendiculairement à 1'é- coulaient gazeux à l'intérieur d'une conduite 4 et électriquement isolées entre-elles, les électrodes occupant pratiquement toute la section de passage de la conduite 4. L'électrode 1 est recouverte d'un revêtement radioactif. non représenté. On brancbe une source de tension 5 entre l'électrode 1 et l'elec- trode 2, de manière à créer un champ électrique entre ces deux électrodes de telle façon que les ions créés se déplacent de l'électrode 1 vers l'électrode 2.On dispose d'autre part un appareil de mesure de courant 6 entre la source de tension 5 et l'électrode 2, et un autre appareil de mesure de courant 7 entre l'électrode 3 et le point commun de la source 5 et de l'appareil de mesure 6. Le gaz s'écoule dans le sens de la flèche 8. On règle la source de tension 5 de telle façon que sa valeur soit suffisante pour que l'on puisse collecter des ions dès que la vitesse du gaz n'est plus nulle. Soit ss la valeur du champ électrique au voisinage des fils de l'électrode 2, et la mobilité des ions dans le gaz considéré (généralement exprimée en cm2/V.s). Lorsque la vitesse du gaz est nulle, la vitesse des ions èst, en tout point de l'espace, 7* = - , et presque tous les ions '1 sont collectés par l'électrode 2, puisque presque toutes les lignes de force aboutissent à cette électrode 2. Dès que le gaz a une vitesse non nulle s~ , la vitesse t des ions est Pour tous les points de l'espace pour lesquels les ions quittent les lignes de force et sont entraînés au-delà de l'électrode 2 et sont collectés par l'électrode 3. Le courant de l'électrode 3, indiqué pa l'appareil de mesure 7, est donc une fonction bien définie de la vitesse d'en traînement: #o du gaz en mouvement. Appareil de mesure de courant 6 indique le courant des ions collectés par l'électrode 2. Le rapport des courants 13 et I2 correspondant respectivement aux ions collectés par les électrodes 3 et 2 respectivement n'est fonction que des caractéristiques d'écoulement du gaz. La distance entre les électrodes 1 et 2 est choisie suffisamment petite pour réduire la recombinaison des ions créés avec, par exemple, des molécules de vapeur d'eau, la limite inférieure de cette distance étant pra tiqueraient déterminée par la tension de claquage entre les électrodes 1 et 2. Cette distance est de façon avantageuse de l'ordre de 5 mm. La distance entre les électrodes 2 et 3 est choisie du meme ordre de grandeur que le pas du réseau constituant i'électrode 1, sa limite inférieure étant la distance pour laquelle les lignes de force traversent l'électrode 2 lorsque le gaz est au repos, juste sans atteindre la grille 3 (si les lignes de force atteignaient llelectrode 3, on pourrait lire sur l'appareil de mesure 7 un courant même lorsque le gaz est au-repos). On choisit le pas du réseau constituant l'électrode'2 du wame ordre de grandeur que la distance entre l'électrode 2 et l'électrode 3, de prEfFrence de l'ordre de 1 mm. La figure 2 représente un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel la source d'ions est une décharge corona. Le tube de mesure 4 comporte toujours les trois électrodes de mesure 1, 2 et 3, mais l'électrode 1 n1 est plus recouverte d'un revêtement radioactif. L'appareil de mesure de courant 7 est remplacé par un voltmètre 10 à grande impédance d'entrée, cette impédance d'entrée étant choisie de façon que le courant traversant ledit voltmètre soit très faible par rapport au courant de fonctionnement de la source et la source de tension 5 a une valeur telle quelle produise une décharge corona sur l'électrode 1. L'appareil de mesure de courant 6 a été supprimé et remplacé par une résistance 11. Les ions engendrés sur l'électrode 1 par décharge corona se déplacent vers l'électrode 2 2 sous l'effet du champ électrique établi par la source de tension 5. Lorsque le gaz à mesurer est au repos, les ions sont pratiquement tous collectés par l'électrode 2. Lorsque le gaz à mesurer a une vitesse non nulle, et se déplace dans la direction de la flèche 8, les ions sont entraînés au-delà de l'électro- de 2 et atteignent l'électrode 3 Etant donné que le voltmètre 10 a une granda impédance d'entrée, il apparat sur l'électrpde 3 une tension créant un çhamp dlectrique qui s'oppose à l'arrivée des ions sur l'électrode 3. Soit E1 le champ électrique entre les électrodes 2 et 3, > 'la mobilité des ions et #s la vitesse du gaz à mesurer ; lorsque les ions n'atteignent plus l'électrode 3. La tension électrique qui s'établit sur l'électrode 3 est donc fonction uniquement des caractéristiques d'écoulement du gaz, et il est donc facile de mesurer la vitesse d'écoulement du gaz ou son débit massique par une méthode de zéro : le champ électrique est tel que pratiquement tous les ions sont captés par la grille transparente 2, c'est-à-dire de façon telle que le courant apparaIssant sur l'électrode 3 est pratiquement nul, et ce, gr8ce b la résistance très élevée du voltmètre 10 qui fait que, malgré le très faible nombre d'ions arrivant sur l'électrode 3, la tension entre cette électrode et l'électrode 2 est suffisante pour repousser les ions. En revenant au montage de la figure 1, on détermine I3 =K. I2 #.# (1) V I3 étant le courant sur l'électrode collectrice 3, K une constante qui dépend de la géométrie du dispositif, I2 le courant circulant dans l'élec- trode 2, e la densité du fluide, # sa vitesse, et V la différence de poten tiel entre la source 1 et la grille transparente 2. On voit donc que pour mesurer la vitesse ou le débit massique du gaz, il est nécessaire de tenir compte de la valeur du courant 12 et de la différence de potentiel V. Afin d'obtenir une mesure directe de la vitesse L du fluide à 2 mesurer, on peut utiliser une alimentation régulée telle que I2 = constante. V Dans ce cas, la relation (1) devient 13 = C. AP K. étant une autre constante égale à K. 12 e C étant une autre constante égale à Un montage permettant de réaliser cette mesure est schématiquement représenté sur la figure 3. L'électrode 1 est alimentée par une source de haute tension 12, par exemple un convertisseur de tension à oscillateur. Entre l'é- lectrode 1 et la masse on branche en série deux résistances 13 et 14 formant pont diviseur, la tension aux bornes de la résistance 14 étant envoyée sur l'entrée (+) d'un amplificateur différentiel 15 dont l'autre entrée (-) reçoit la tension aux bornes de la résistance 11 qui est branchée entre l'électrode 2 et la masse. La sortie de l'amplificateur différentiel 15 est reliée à une entrée de régulation de la source de tension 12.L'électrode 3 est reliée à un amplificateur 16 permettant de régler de façon connue l'annulation du courant résiduel gracie à un potentiomètre 17 branché sur une tension auxiliaire u , ce courant résiduel pouvant éventuellement apparaître sur l'électrode 3 lorsque la vitesse du gaz à mesurer est nulle et lorsque les électrodes 2 et 3 sont très rapprochées. k la sortie 18 de l'amplificateur 16 on recueille une tension proportionnelle à la vitesse d'écoulement du gaz à travers la jauge, ou à son débit massique. Soient V la tension entre l'électrode 1 et la masse, R11, R13 et R14 les valeurs respectives des résistances 11, 13 et 14 ; la régulation de la tension de la source 12 a lieu de telle façon que l'on ait V R14 = R11 I2 R13 + R14 c'est-à-dire lorsque les tensions aux deux entrées (+) et (-) de l'amplificateur 15 sont égales. Pour cette condition, on a I2 ~ R14 V - R11 (R13 + R14) Cela veut dire que le rapport I2 est constant pour des valeurs v déterminées des résistances 11, 13 et 14, la précision de cette valeur dépendant directement du gain de l'amplificateur 15, que l'on peut rendre aussi élevé que nécessaire. La figure 4 represente un autre mode de réalisation de l'invention utilisant une source d'ions corona et une mesure du courant de la grille collectrice. Dans cette réalisation, on a-ajouté une électrode 19 symétrique de l'électrode 2 par rapport à l'électrode 1 et une électrode 20 symétrique de l'électrode 3 par rapport à l'électrode 1. Les électrodes 2 et 19 sont reliées entre elles et réunies à la source de tension 5 par l'intermédiaire d'une résistance ll ; le point commun de la résistance 11 et de la source de tension 5 est relié aux électrodes 3 et 20 respectivement par les résistances 21 et 22, un microampèremètre 9 est branché entre les électrodes 3 et 20. Le montage ainsi réalisé est bi-directionnel.An règle la valeur de la source de haute tension 5 pour provoquer une décharge corona autour de l'électrode 1. Dans ce dernier mode de réalisation, le fonctionnement est sensiblement le même que celui dans le premier dispositif décrit, la résistance 11, traversée par le courant I2, développe une tension entre les électrodes 2 et 3, de façon à améliorer les propriétés de linéarité du dispositif de mesure. Le microampèremètre 9 indique la différence des courants apparaissant sur les électrodes 3 et 20, cette différence étant caractéristique de la vitesse d'écoulement: du gaz. De même que dans le cas précédent, la source de tension 5 est avantageusament réalisée de façon telle que la tension à ses bornes et que le courant qu'elle fournit soient dans un rapport constant, afin d'savoir une mesure directement fonction de la vitesse d'écoulement du gaz. Dans tous les modes de réalisation ci-dessus décrits, on peut régler le fonctionnement de la jauge pour une vitesse des gaz nulle soit en agissant sur la distance des électrodes 2 et 3 gracie à un dispositif mécanique, soit en agissant sur le champ électrique autour de l'électrode 2 gracie w un dispositif de réglage purement électrique, ce qui est préférable. En outre, tous les autres modes de réalisation décrits ci-dessus peuvent etre rendus bi-directionnels si l'on ajoute un jeu de deux électrodes symétriques des électrodes 2 et 3 par rapport à la source 1, et en réalisant les branchements électriques appropriés. On remarquera également que l'on peut canaliser le flux de gaz au niveau de la source par exemple en profilant la surface intérieure de la conduite à ce niveau de façon à y créer un léger renflement périphérique s'étendant vers l'axe de la conduite, afin que le gaz ne traverse que la partie active de l'électrode de source. Les modes de réalisation décrits ci-dessus comportent de préfé- rence des électrodes planes, disposées dans une conduite de mesure, mais il est évident que l'on obtiendrait des résultats comparables avec des électrodes ayant d'autres formes, en respectant simplement la'caractéristique principale de la présente invention, à savoir l'interposition de l'électrode "transpa- rente't entre une source dolions et une électrode colleetrice. On peut par exemple disposer autour de la source des électrodes de forme cylindrique ou sphérique, et effectuer la mesure à l'air libre REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de débit ou de vitesse dBun écoulement gazeux au moyen d'un jet d'ions caractérisé par le fait que l'on fait traverser par le gaz dont on veut déterminer les caractéristiques d'écoulement une électrode conductrice dite "grille transparente", des ions étant créés dans le gaz en amont de cette électrode conductrice, et que l'on mesure la proportion d'ions ayant pu traverser ladite grille transparente et atteindre une troisième électrode conductrice placée en aval de la grille transparente. 2. Procédé de mesure selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on branche entre la deuxième et la troisième électrode un dispositif de mesure de tension à impédance d'entrée très élevée, cette impédance d'entrée étant choisie de façon que le courant traversant ledit appareil de mesure soit très faible par rapport au courant de fonctionnement de la source ionique, et que l'on détermine la valeur du débit ou de la vitesse de l'écoulement gazeux par lecture directe de l'indication dudit appareil de mesure. 3. Procédé de mesure selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on maintient le quotient : courant de la deuxième électrode/tension appliquée sur la source. 4. Dispositif de mesure d'un écoulement gazeux permettant la mise en oeuvre du procddé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins trois électrodes conductrices disposées sur.le trajet dudit écoulement gazeux et électriquement isolées entre elles, la première électrode rencontrée par l'écoulement gazeux constituant la source ionique, la seconde électrode étant ladite grille transparente, et la troisième électrode constituant ltélectrode collectrice, ce dispositif comportant en outre entre la première électrode et les deux autres une source tension créant un champ électrique tel que les ions produits par la source se déplacent de la prémiere électrode vers la seconde électrodec'est-h-dire dans le sens d'écoulement du gaz. 5. Dispositif de mesure selon la revendication 4, caractérisé par le fait que toutes les électrodes sont disposées dans une conduite de mesure, sensiblement perpendiculairement à son axe, et sont constituées chacune par une grille ou réseau conducteur sensiblement plan et occupant pratiquement toute la section de ladite conduite de mesure. 6. Dispositif de mesure selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la première électrode constituant la source ionique est recouverte d'un revêtement radioactif, qu'il comporte en série avec ladite source de tension et respectivement la seconde et la troisième électrode un appareil de mesure de courant, ladite source de tension -créant un champ électrique entre les deux premières électrodes, de façon que les ions produits par la source se déplacent de la-première électrode vers la seconde électrode, c'està-dire dans le sens d'écoulement du gaz, et cette source de tension étant telle qu'elle suffise à faire circuler un courant dans ladite troisième électrode dès que la vitesse du gaz à mesurer n'est plus nulle. 7. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisé par le fait que la source d'lons est uniquement une décharg corona localisée autour de ladite première électrode, et qu'il comporte un appareil de mesure de tension à grande impédance d'entrée en série avec la troisième électrode, cette impédance entrée étant choisie de façon que le courant traversant ledit appareil de mesure de tension soit très faible par rapport au courant de fonctionnement de la source ionique. 8 Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 4, 5 ou 6, caractérisé par le fait que la source de tension alimentant la première électrode est stabilisée en tension, et que le courant produit par la deuxième électrode est également stabilisé. 9, Dispositif de mesure selon la revendication 8, caractérisé par le fait que la tension produite par le courant de la deuxième électrode aux borne.; de la résistance qui est branchée en série avec cette électrode est envoyée à l'une des entrées d'un amplificateur différentiel, dont l'autre entrée reçoit une tension proportionnelle à la tension appliquée sur la première électrode, et que la tension de sortie dudit amplificateur différentiel est envoyée à une entrée de commande de ladite source de tension d'alimentation de la première électrode. 10. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 4 C 9, caractérisé par le fait qu'il comporte, de chaque coté de l'électrode de source, un jeu d'électrodes, dont les électrodes sont respectivement symétriques des électrodes de l'autre jeu. Il. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 4 à 10, caractérisé par le fait que la distance entre les deux premières électrodes est choisie suffisamment petite pour réduire une recombinaison des ions créés par la première électrode avec des impuretés contenues dans le gaz à mesurer, en particulier avec des molécules de vapeur d'eau. 12. Dispositif de mesure selon la revendication 11, caractérisé par le fait que ladite distance est de l'ordre de 5 mm. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 12, caractérisé par le fait que la distance entre les deuxième et troisième électrodes est choisie telle que les lignes de force traversant la deuxième électrode n'atteignent pas cette troisième électrode lorsque le gaz est au repos, cette distance étant de préférence du même ordre de grandeur que le pas de la deu xième électrode. 14.Dispositif de mesure selon la revendication 13, caractérisé par le fait que ladite distance est de l'ordre de 1 nin.