Brevet FR2296840A1 — publié le 19760730

La présente invention est relative a un débitmètre ou un anémomètre ionique permettant de mesurer le débit en masse d'un écoulement gazeux quelconque ou éventuellement la vitesse d'écoulement de ce gaz en utilisant la déviation d'un jet d'ions créé dans un cylindre de mesure. Dans ce type d'appareil, la mesure du débit massique ou de la vitesse du gaz est obtenue en tenant compte de la modification de trajectoire des ions créés entre une source d'ions et des électrodes collectrices planes ou cylindriques. Le jet d'ions créé peut être tel que le faisceau traverse l'écoulement gazeux de manière sensiblement perpendiculaire à la direction de cet écoulement. L'obtention du jet d'ions peut se faire en ionisant le gaz lui-même soit au moyen d'une source radioactive, soit d'un corps conducteur porté à un potentiel électrique suffisamment élevé pour créer une décharge en couronne. Après leur création, les ions se déplacent dans le champ électrique qui règne dans le cylindre de mesure entre la source d'ions et les électrodes collectrices. Le gaz circulant dans le cylindre de mesure oppose une résistance au mouvement des ions et l'on peut admettre que la vitesse de ceux-ci est proportionnelle au champ électrique, la constante de proportionnalité étant appelée la mobilité des ions. L'expérience montre que la valeur moyenne de la mobilité des ions dépend toutefois des impuretés qui sont contenues dans le gaz.Ces impuretés, qui peuvent être constituées par drues traces sous forme de poussières, ou, par exemple dans le cas de la mesure d'un débit d'air atmosphérique, de molécules de vapeur d'eau, provoquent en effet des agglomérations d'ions qui ont alors tendance à se former en charges électriques agglutinées aux molécules constituant les impuretés, telles que les molécules d'eau dans le cas d'air atmosphérique. I1 en résulte que la mobilité moyenne des ions n'est plus une constante comme dans le cas d'un gaz rigoureusement pur, mais au contraire une fonction dépendant notamment du champ électrique dans le dispositif de mesure. On comprendra que ce phénomène qui va en augmentant plus le temps de vol des ions est important, entraîne une imprécis dans la mesuree C'est la raison pour laquelle on a de-JA tente de réaliser des débitmètres ioniques fournissant une mesure indépendante de la mobilité des ions ou qui ne soient pas affectés par la-présence de traces d'impuretés dans l'écoulement gazeux dont on mesure le débit massique ou la vitesse. C'est ainsi que l'on a déjà préconisé d'adjoindre à un tel débitmètre ionique un générateur de fonction susceptible de corriger la mesure à l'aide d'un coefficient inversement proportionnel à la mobilité des ions de façon à rendre celle-ci indépendante de cette mobilité. On a également pensé à agir sur la densité des ions créés en la rendant suffisamment faible pour que l'effet des impuretés présentes dans le gaz soit négligeable. Tous ces dispositifs de l'art antérieur présentent cependant l'inconvénient d'être d'une réalisation relativement complexe. La présente invention a pour objet de réaliser un débitmètre ionique fonctionnant à l'aide de la mesure de la déviation d'un jet d'ions créé dans un cylindre de mesure, la structure du dispositif de l'invention étant telle que la mesure obtenue soit effectivement sensiblement indépendante des impuretés que peut contenir ltécoulement gazeux dont on mesure le débit ou la vitesse. L'invention a également pour objet la réalisation d'un tel dispositif de mesure qui soit de réalisation particulièrement simple. La présente invention repose sur la constatation expérimentale qu'il est possible de compenser les variations de mobilité des ions créés dans le cylindre de mesure pendant le fonctionnement du dispositif. On a constaté en effet que le pourcentage d'ions agglutinés c'est-à-dire formant des agrégats autour des molécules que constituent les impuretés, ledit pourcentage étant rapporté au nombre d'ions non agglutinés, est une fonction du champ électrique régnant dans le cylindre de mesure entre la source d ions et les électrodes collectrices. On constate en effet que ce pourcentage d'ions agglutinés est faible lorsque le champ électrique- est important, ce pourcentage diminuant constamment lorsque l'on augmente le champ électrique. Par ailleurs, on sait que la mobilité de ces ions agglutinés créés dans le dispositif de mesure croit lorsque le champ électrique augmente. L'idée inventive qui est à la base de la présente invention consiste alors à déterminer une configuration du cylindre de mesure pour laquelle le champ électrique qui règne entre la source d'ions et les électrodes cellectrices permette, pour une précision donnée, de compenser de façon suffisante la variation de la mobilité moyenne des ions créés par-celle du pourcentage du nombre d'ions agglutinés créés dans le dispositif de mesure. Le dispositif de mesure du débit massique ou de la vitesse d'écoulement d'un gaz selon l'invention permet une mesure dans une région limitée d'un conduit de section quelconque au moyen de la déviation d'un jet-d'ions créé électriquement dans-un cylindre de mesure comportant une source d'irons et au moins deux électrodes collectrices. Selon la présente- invention, la source d'ions est telle que le jet d'ions présente une largeur constante et une symétrie cylindrique à axe confondu avec la direction de l'écoulement gazeux. Le dispositif de l'invention comporte des moyens pour alimenter la source d'idns à courant-constant de telle sorte que le champ électrique entre la source d'ions et les électrodes collectrices soit suffisamment élevé pour que l'augmentation du pourcentage d'ions agglutinés pendant le temps de vol soit compensée par l'augmentation de la mobilité moyenne des ions, le diamètre du cylindre de mesure étantcependant tel que le potentiel explosif ne soit pas atteint. On obtient ainsi une mesure indépendante des traces d'impuretés que peut contenir le gaz. Dans un mode de réalisation- préféré, le cylindre de mesure comporte un fil métallique fin tendu suivant l'axe du cylindre et porté à un potentiel électrique continu positif ou négatif suffisamment élevé pour entretenir une décharge en couronne produisant le jet d'ions précité. Dans le cas de la mesure d'un débit massique ou d'une vitesse d'écoulement d'air, on a constaté que la compensation de la mesure était correctement obtenue lorsque le diamètre du cylindre de mesure était inférieur à 50 mm et de préférence inférieur à 50 mm. Les résultats les meilleurs ont été obtenus pour un cylindre de mesure d'un diamètre compris entre 10 et 25 mm. Grace au choix particulier du diamètre du cylindre de mesure, on obtient ainsi un potentiel qui varie entre le potentiel d'ionisation susceptible d'entretenir la décharge en couronne et le potentiel explosif qui provoquerait une étincelle ou un claquage à l'intérieur du cylindre de mesure. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux adapté notamment au cas où l'on mesure le débit massique ou la vitesse d'écoulement d'un gaz chargé d'impuretés condensables tel que l'air atmosphérique, le cylindre de mesure comprend des moyens permettant d'éliminer les effets néfastes dus à la condensation par exemple d'eau-sur les électrodes collectrices, condensation qui pourrait nuire à l'isolement électrique desdites électrodes. Selon l'invention, les électrodes collectrices sont électriquement isolées les unes des autres au moyen de pièces cylindriques en saillie suivies d'un décrochement de façon à créer une dépression qui évite la condensation précitée. Le cylindre de mesure selon la présente invention est, de préférence, réalisé à l'aide d'un assemblage de manchons cylindriques réalisés avantageusement en une matière ayant un très faible coefficient de dilatation thermique et revêtus intérieurement d'une couche conductrice. L'assemblage est réalisé par brasage des manchons les uns aux autres avec interposition d'anneaux isolants. La source d'ions, qui peut être avantageusement un fil métallique fin tendu suivant l'axe du cylindre de mesure est supportée au moyen de pièces réalisées également de préférence en un matériau à très faible coefficient de dilatation thermique. On obtient de cette manière un dispositif de mesure qui ne risque pas de délivrer des indications faussées par des dérives dues aux dilatations thermiques des éléments mécaniques qui le constituent. La présente invention sera mieux comprise à l'étude d'un mode de réalisation particulier donné à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins, sur lesquels la fig. 1 est une vue schématique en coupe du cylindre de mesure d'un débitmètre conforme à la présente invention, les principales connexions électriques s ayant également été schématiquement représentées; et la fig. 2 est une vue partielle en coupe montrant la paroi du cylindre de mesure à l'endroit séparant les deux. électrodes collectrices d'un débitmètre conforme à une variante de la présente invention. Comme on peut le voir sur la fig. 1, le dispositif de mesure conforme à la présente invention, tel qutil est représenté, comprend un cylindre de mesure 1 à travers lequel peut s'écouler un gaz dans un sens ou dans l'autre, le cylindre de mesure 3. étant disposé à l'intérieur d'un conduit non représenté de section quelconque coaxial au cylindre de mesure, de telle sorte qu'il existe un rapport sensiblement constant et connu entre les débits passant dans le conduit et dans le cylindre de mesure. Le cylindre de mesure 1 est réalisé à-l'aide de deux manchons cylindriques centraux 2 et de deux manchons cylindriques d'extrémité 3 de même diamètre que les précédents. Chacun de ces manchons est de préférence réalisé en un matériau à très faible coefficient de dilatation thermique. D'excellents résultats peuvent par exemple être obtenus en réalisant ces manchons en céramique. Les manchons cylindriques centraux 2 sont revêtus sur la totalité de leur surface intérieure d'une couche métallique conductrice 4 qui, dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure, constitue les électrodes collec triceps; comme on le verra plus loin. La couche conductrice peut par exemple être revêtue par évaporation sous vide ou dans une atmosphère inerte de façon à créer un revêtement d'épaisseur uniforme. Le métal choisi pour les couches 4 est tel qu'il présente également un très faible coefficient de dilatation thermique. On comprend que les électrodes pourraient parfaitement être réalisées- différemment, par exemple sous la forme d'éléments distincts des manchons. Les manchons 2 présentent des bords frontaux chanfreinés de façon à permettre leur assemblage par brasage sur des anneaux isolants 5, 6, par exemple en alumine. Les couches métalliques conductrices 4 s'étendent également sur les bords frontaux des manchons 2, de telle sorte qu'elles viennent en contact, lors de l'opération de brasage, avec les anneaux isolants précités. Les couches conductrices 4 comportent un prolongement localisé sur la surface extérieure des manchons 2, de façon à-permettre une liaison électrique avec l'extérieur au moyen des connexions 7. De la même manière-que les manchons centraux 2, les manchons d'extrémité 3 comportent également une couche métallique conductrice 8 qui revêt toutefois seulement partiellement la surface interne desdits manchons d'extrémité 3 Ceux-ci comportent également sur leur bord frontal dirigé vers les manchons centraux 2 un chanfrein périphérique revêtu de la couche conductrice 8 qui vient, de cette manière, en contact avec l'anneau isolant respectif 6 lors d'une fixation par brasage des manchons d'extrémité 3 sur les manchons centraux 2 par l'intermédiaire des anneaux isolants 6. Les couches conductrices 8 se prolongent également en un point précis sur la surface extérieure des manchons d'extrémité 3, de façon à permettre de relier les couches conductrices 8 à la masse par l'intermédiaire de la connexion extérieure 9. En vue d'améliorer lrisolement élactrique, les manchons d'extrémité présentent des ondulåtiong 10. On notera que les anneaux isolants 5 et 6 se présentent sous la forme de tores de section triangulaire, le sommet dudit triangle faisant saillie à l'intérieur du cylindre de mesure 1 de façon à réaliser un rebord interne en saillie séparant à la fois les deux électrodes collectrices 4 entre elles et les électrodes collectrices 4 des couches conductrices 8 reliées à la masse et jouant le rôle d'anneaux de garde. De cette manière on obtient, quel que soit le sens d'écoulement du gaz à l'intérieur du cylindre de mesure 1, une dépression en aval desdites saillies créées par les anneaux isolants 5 jet 6.Cette dépression élimine pratiquement toute possibilité de condensation par exemple de vapeur d'eau qui risquerait de réduire les caractéristiques isolantes en perturbant ainsi la mesure. La fig. 2 montre une variante de réalisation dans laquelle les parois frontales des manchons centraux réfe- rencés 11 présentent un décrochement 12 créant un vide à l'intérieur du cylindre de mesure entre les couches conductrices 13 qui f-orment les électrodes collectrices et l'anneau central isolant 14. Dans cette variante, on voit que l'effet de dépression créé par la saillie de l'anneau isolant 14 lors de l'écoulement -du gaz à l'intérieur du cylindre de mesure 1- est encore augmenté par l'existence du creux 12, ce qui réduit encore les possibilités de condensation. Dans tous les cas le cylindre de mesure 1 est disposé de préférence verticalement dans le conduit où s'écoule le gaz dont on désire mesurer le débit massique ou la vitesse, de façon que la condensation qui apparalten l'absence d'écoulement ne perturba pas la mesure au début de l'écou- lement. Comme on le voit sur la fig. 1, le cylindre de mesure 1 comporte selon son axe longitudinal, un fil métallique fin 15 tendu entre deux supports conducteurs 16 et 17 qui sont de préférence réalisés en un matériau ayant un très faible coefficient de dilatation thermique. L'un des supports conducteurs référencé 16 est relié par l'intermédiaire de la connexion électrique 18 à une borne extérieure 19. Le support 16 peut être rendu solidaire de ltun des manchons d'extrémité 3 au moyen d'un montant 20 fixé sur le-bord frontal extérieur du manchon d'extrémité 3. De la même manière, le support 17 ést relié mécaniquement à un montant 21 fixé sur le bord frontal extérieur de l'autre manchon d'extrémité 3. Bien entendu, les supports 20 et 21 présentent une épaisseur suffisamment faible pour ne pas perturber ltécoulement gazeux qui traverse l'intérieur du cylindre de mesure 1. Pour permettre un réglage initial de la position exacte et centrée du fil métallique 15, l'extré- mité du support conducteur 17 est filetée-et traverse un trou pratiqué dans le montant 21. Un écrou 22 permet un blocage en position du support 17 après réglage. Le dispositif de mesure comporte de plus un dispositif de régulation 23 susceptible d'alimenter en haute tension continue positive ou négative à courant constant le fil métallique 15 formant source d'ions. Les courants électriques respectifs I1 et I2 recueillis par les électrodes collectrices 4 sont introduits dans un module électronique 24 de type classique réalisant une sommation et fournissant à sa sortie un courant qui constitue la grandeur d'entrée du dispositif de régulation 23. Un module électronique 25 de type connu en soi, forme la différence des courants I1 et I2 qui constitue la mesure de la déviation du jet d'ions et de laquelle on peut déduire le débit massique ou la vitesse d'écoulement du gaz traversant le cylindre de mesure 1. On peut en effet montrer que lorsque le fil métallique 15 est alimenté par une haute tension fournissant un courant électrique constant au moyen du dispositif de régulation 23, la mesure du débit massique de gaz qui traverse le cylindre de mesure 1 peut être représentée, si l'on admet que la pression du gaz est constante, par la formule YVg K (- ( I 2) où K est une constante, Z la densité moyenne du gaz, V la g vitesse d'écoulement du gaz, I1 et I2 les courants apparaissant sur les électrodes collectrices. Afin de rendre la mesure indépendante des impuretés que pourrait contenir le gaz s 'écoulant à l'intérieur du cylindre de mesure 1, le diamètre de celui-ci est choisi conformément à la présente invention de façon à réaliser une compensation entre l'augmentation du pourcentage d'ions agglutinés pendant le temps de vol et l'augmentation de la mobilité moyenne des ions. Si l'on imagine que dans l'exemple représenté sur les figures, on cherche à mesurer un débit massique ou une vitesse d'écoulement d'air atmosphérique contenant des traces d'impuretés et notamment de la vapeur d'eau, le diamètre du cylindre de mesure sera choisi inférieur à environ 30 mm et de préférence compris entre 10 et 25 mm. Le dispositif de mesure de la-présente invention fonctionne de la manière suivante. Lorsque le fil métallique 15 source d ions est alimenté en haute tension continue à un potentiel suffisant pour créer une décharge en couronne > le gaz qui s'écoule à l'intérieur du cylindre de mesure î se trouve ionisé au voisinage du fil 15 qui est tendu selon l'axe du cylindre de mesure 1.Le fil métallique 15, de faible longueur par rapport aux électrodes collectrices, est disposé à l'intérieur du cylindre de mesure de façon que son point médian soit exactement situé dans le plan de symétrie du cylindre de mesure 1 et ce, quelles que soient les variations de température auxquelles peuvent être soumis les différents congtituants du cylindre de mesure, ceci pouvant être obtenu selon l'invention en réalisant ces constituants à l'aide de matériaux présentant des coefficients de dilatation thermique très réduits. De cette manière, le nombre d'ions arrivant sur chacune des électrodes collectrices 4 est le même lorsque le gaz à l'intérieur du cylindre de mesure n'est pas en mouvement. Dans le cas au contraire où le gaz est en mouvement dans le cylindre de mesure, le jet d'ions créé par le fil 15 présente, compte tenu de la configuration allongée du fil 15 selon l'axe du cylindre, une géométrie cylindrique et une largeur rigoureusement constante définie par la longueur du fil métallique conducteur 15. Dès leur formation, les ions créés ont tendance à s'agglutiner au contact des molécules constituant les impuretés et en particulier des molécules de vapeur d'eau. Ces agglomérats provoquent une diminution de la mobilité moyenne des ions de telle sorte que la somme des courants li et I2 recueillis par les électrodes 4 a tendance à diminuer. Cette valeur introduite dans le régulateur 23 provoque une augmentation du potentiel-d'alimentation du fil 15 puisque la haute tension fournit, grâce d ce régulateur, un courant électrique constant. L'augmentation du champ électrique qui en résulte entre le fil métallique source d'ions 15 et- les-Electrodes 4 provoque une augmentation de la mobilité moyenne des ions qui compense la diminution précédente. Grâce'au choix particulier du diamètre intérieur du cylindre de mesure 1, le potentiel explosif ne peut pas être atteint, et l'on obtient finalement a la sortie du module 25 une mesure compensée proportionnelle à la différence des courants I1 et I2, c'est-à-dire proportionnelle au débit massique du gaz traversant le cylindre de mesure 1. On comprendra qu'il soit aisé de mesurer également directement la vitesse d'écoulement du gaz connaissant sa masse volumique moyenne. I1 y a lieu dé noter que les traces d'impuretés éventuellement présentes dans le gaz n'ont qu'une influence pratiquement négligeable sur la valeur de cette masse volumique, de sorte qu'il est effectivement possible en pratique de mesurer directement la vitesse d'écoulement du gaz. La présente invention peut être utilisée pour mesurer les débits massiques ou les vitesses d'écoulement de gaz quelconques et notamment d'air atmosphérique, sans que la mesure puisse être perturbée par les effets éventuels dus à la présence d'impuretés dans le gåz ou encore à la condensation sur les électrodes collectrices. D'autre part, le débitmètre de la présente invention par le choix des matériaux qui le constituent, délivre une mesure qui ne risque pas d'être faussée par les dérives d'ordre mécanique. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure du débit massique ou de la vitesse d'écoulement d'un gaz dans une région limitée d'un conduit de section quelconque au moyen de la déviation d'un jet d'ions créé électriquement dans un cylindre de mesure comportant une source d'onset au moins deux- électrodes collectrices, caractérisé par le fait que la source d'ions est telle que le jet dtions présente une largeur constante et une symétrie cylindrique à axe confondu avec la direction de l'écoulement gazeux et que le dispositif comporte des moyens pour alimenter à courant constant ladite source d'ions de façon que le champ électrique entre la source d'ions et les électrodes collectrices soit suffisamment élevé pour que 1'augmentation du pourcentage d'ions aggîu tinés pendant le temps de vol soit compensée par l'augmentation de la mobilité moyenne des ions, le diamètre du cylindre de mesure étant cependant tel que le potentiel explosif ne soit- pas atteint, la mesure étant ainsi rendue indépendante des traces d'impuretés que peut contenir le gaz. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le cylindre de mesure comprend un fil métallique fin tendu suivant l'axe dudit cylindre et porté à un poténtiel électrique continu positif ou négatif, suffisamment élevé pour entretenir une décharge en couronne produisant le jet d t iops précité. 3. Dispositif selon les revendications 1 ou 2, caraoté- risé par' le fait que les moyens. pour alimenter à courant constant source d'ions comportent un dispositif formant la somme des courants recueillis par les deux électrodes et des moyens pour réguler le champ électrique entre la source d'ions et les électrodes collectrices de façon à maintenir ladite somme constante. 4. dispositif selon les revendications 2 ou 3, caractérisé parole fait que le cylindre de mesure est revetu intérieurement d'une couche conductrice interrompue au droit du milieu du fil précité par un anneau isolant, de façon à définir deux électrodes collectrices telles qu'en l'absence de courant gazeux dans le cylindre de mesure, le même nombre dotions arrive sur chaque électrode. 5. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, particulièrement adapté à la mesure d'un débit massique ou d'une vitesse d'écoulement d'air, caractérisé par le fait que le diamètre du cylindre de mesure est inférieur à 50 mm et de préférence compris entre 10 et 25 mm. 6. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le cylindre de mesure est réalisé à l'aide de manchons en une matière ayant un très faible coefficient de dilatation thermique revêtus intérieurement d'une couche conductrice et brasés les uns aux autres avec interposition d'anneaux isolants. 7. Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé par le fait que lesdits manchons sont réalisés en céramique revêtue intérieurement d'un dépôt métallique les anneaux étant réalisés en alumine. 8. Dispositif selon les revendications 6 ou 7, caractérisé par le fait que le fil source d'ions est tendu entre deux supports réalisés en un matériau à faible coefficient de dilatation thermique. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait qu'il comporte des anneaux de garde constitués par deux manchons d'extrémité partiellement revêtus intérieurement d'une couche conductrice reliée à lamasse et séparés des-manchons portant les électrodes collectrices par des anneaux isolants. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé par le fait que lesdites couches conductrices sont électriquement isolées les unes des autres au moyen de pièces cylindriques en saillie suivies d'un décrochement de façon à créer'une dépression et à éviter la condensation.