Brevet FR2301808A1 — publié le 19760917

La présente invention a trait de façon générale aux débitmètres pour les liquides ou les gaz et plus particulièrement aux débitmètres du type à induction de vortex et aux capteurs pour ces débitmètres. n est bien connu que, dans certaines circonstances, la présence d'un obstacle dans une conduite d'écoulement donne lieu à des vortex périodiques. Dans le cas de petits nombres de Reynolds l'écoulement est de nature-laminaire, mais quand le nombre de Reynolds augmente il se forme des plages régulières de vortex, Ces pl ages sont connues sous le nom de couloirs de vortex de Karman. La fréquence d'induction des vortex dans un couloir de vortex de Karman est fonction de la vitesse d'écoulement. C'est ce phénomène qui est utilisé pour concevoir un débitmètre. On connaft aussi un perfectionnement de débitmètre vortex dans lequel le signal produit par l'oscillation du fluide est relativement fort et stable pour fournir un rapport favorable signal/bruit, assurant une information précise sur la vitesse d'écoulement dans une gamme étendue Dans ce débitmètre un organe en forme d'obstacle est monté dans la conduite d'écoulement, l'organe étant constitué par un bloc placé en travers de la conduite, son axe longitudinal étant L 900 par rapport à la direction d'écoulement du fluide. De la meme façon une plaque est montée en travers de la conduite, derrière le blbc. Elle est située à une certaine distance du bloc pour délimiter un espace servant ê capter des vortex de Karman et à renforçer et stabiliser le couloir de vortex. Ce couloir est équipé de capteurs de façon à produire un signal dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse d'écoulement. Le capteur de ce dispositif est une thermistance qui est chauffée par courant continu et refroidie par les oscillations du fluide La thermistance a un important coefficient de température négatif, ce qui a pour résultat une variation périodique de sa résistance interne suivant les oscillations du fluide.Le 8i- gnal électrique qui résulte des variations périodiques de résistance est transmis à un indicateur calibré en terme de vitesse d'écoulement. L'utilisation d'une thermistance comme capteur a plusieurs incinvénients. La thermistance a une masse relativement importante et manifeste une inertie thermique qui fait que l'amplitude du signal émis par la thermistance a tendance à diminuer quand la fréquence du signal augmente. Cet inconvénient peut etre éliminé par un correcteur de signal, adapté pour compenser la courbe de réponse en fréquence de la thermistance et donc pour fournir un signal dont l'amplitude est essentiellement constante dans toute la gamme utile des fréquences. Mais l'installation d'un tel correcteur s'ajoute au coût du système.De plus les thermistances et autres types connus de capteurs d'écoulement tels que ceux sensibles à la pression ou à la force ont tendance à capter une quantité impor tante turbulence étrangère à l'intérieur de l'écoulenaent. Ceci peut etre partiellement pallié en agrandissant le capteur mais l'augmentation de la taille du capteur agit de façon défavorable sur l'hydraulique du couloir de vortex. De plus ces capteurs sont sujets à des forces de tiraillement associées à l'écoulement et ils sont aussi susceptibles d'etre endommagés par l'impact des particules de matières contenues dans le fluide mesuré. Ceci est un inconvénient majeur quand le fluide mesuré est le produit très pollué d'un effluent industriel. De ce qui a été dit précédemment il découle clairement que l'objectif principal de la présente invention est de fournir à bas prix un débitmètre pratique à vortex dans lequel l'organe-obstacle monté dans la conduite d'écoulement est capable de générer des oscillations de fluide fortes et stabilisées susceptibles de faire vibrer à une vitesse correspondante une partie déviable de l'organe. Les vibrations sont captées de façon à émettre un signal dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse d'écoulement du fluide qui passe dans la conduite. Plus précisément, l'objectif de cette invention est de fournir un débitmètre du type indiqué ci-dessus dans lequel l'organe-obstacle est constitué d'une partie avant fixée à l'intérieur de la conduite et d'une partie arrière suspendue en porte à faux de façon résiliente ou élastique pour que la partie arrière puisse entre légèrement déviée et se mette à vibrer sous l'influence des oscillations du fluide générées dans la conduite d'écoulement. Un autre objet de cette invention réside dans la possibilité de fournir un débitmètre à vortex dans lequel les vibrations de la partie arrière déviable sont captées par une ou plusieurs jauges de contrainte pour produire des changements périodiques de résistance électrique donnant un signal dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse de vibration de la partie arrière et donc à la vitesse d'écoulement du fluide. Une caractéristique significative de l'invention réside dans le fait que le capteur à jauge de contrainte n'a pas besoin d'etre exposé aux oscillations du fluide pour fonctionner et qu'il peut etre caché dans l'organe- obstacle de façon à ce que le capteur soit protégé des particules de matière ou de constituants corrosifs de fluide qui pourraient le dégrader ou le détruire. Un troisième objectif de cette invention est de fournir un débitmètre à vortex apte à fonctionner dans un conduit d'échappement pour déceler la concentration en polluants dans les gaz qui passent dans le tuyau, le capteur du débitmètre et les sorties de détecteurs étant combinés pour émettre un signal qui enregistre ou indique le débit de polluant intégré pendant une période de temps prédéterminée. En résumé, ces objectifs sont atteints dans un débitmètre comprenant une conduite d'écoulement formant un passage qui permet au fluide d'être mesuré et un organe-obstacle monté à l'intérieur de la conduite incorporant un capteur de vibrations. L'organe est constitué par une partie avant dont la section transversale a une forme propre à épouser la section de la conduite, de préférence uniforme dans tout son axe longitudinal, la partie avant étant montée de façon fixe en travers de la conduite, à 90" de l'axe d'écoulement de celle-ci. Placée de la meme façon en travers de la conduite, derrière la partie avant, il y a une partie arrière à une certaine distance de la première à laquelle elle est attachée au moyen d'un soutien résilient, pour créer un vide qui sert à capter des vortex de Karman. La partie arrière a une forme profilée qui interfère et sert à renforcer et stabiliser le couloir de vortex. Du fait que la partie arrière est légèrement déviable, les vortex l'induisent en vibration à une fréquence proportionnelle à la vitesse d'écoulement du fluide. Le mouvement vibratoire de la partie arrière est capté par une jauge de contrainte qui est de préférence située à l'intérieur de la suspension en porte à faux, de manière à émettre un signal qui indique la vitesse d'écoulement. Pour augmenter le mouvement vibratoire de la partie arrière un élément en forme de queue peut entre ajouté en aval de cette partie. Puisque le phénomène utilisé dans cette invention peut être exploité pour mesurer l'écoulement d'une rivière ou la vitesse du vent, il n'est pas nécessaire que le courant à mesurer passe par une conduite. La présente invention sera mieux comprise à la description qui va autre faite de formes particulières de réalisation, en relation avec les figures des planches annexées dans lesquelles La Fig. 1 est une coupe longitudinale d'un débitmètre de l'invention. La Fig. 2 est une vue de face du meme. La Fig. 3 est une vue en perspective d'un obstacle. La Fig. 4 est un schéma électrique de mesure à partir de jauges de contraintes. Les Fig. 5, 6 et 7 sont des représentations de différentes formes d'obstacles. La Fig. 8 montre une seconde forme préférée de réalisation d'un débitmètre de l'invention. La Fig. 9 est une coupe d'un débitmètre de l'invention monté dans une conduite en vue de mesure de polluants. En relation avec les Fig. 1 à 3 un débitmètre vortex selon l'invention comprend une conduite d'écoulement 10, un organe en forme d'obstacle indiqué dans sa généralité par la référence 11 et un capteur constitué par des jauges de contrainte 12 et 13 comprises dans l'organe. La conduite 10, dont la section transversale sur le dessin est un cercle mais qui peut se présenter également sous d'autres formes, comprend une entrée 10 A dans laquelle on introduit un fluide à mesurer. L'écoulement rencontre l'obstacle qui a pour effet de le partager, produisant des perturbations du fluide en forme de couloirs de vortex de Karman. Les oscillations de fluide qui en résultent en aval, indiquées grossièrement par le tracé 14, sont captées par les jauges de contrainte 12 et 13 de façon à émettre un signal électrique qui est transmis à un indicateur ou enregistreur pour indiquer la vitesse d'écoulement. L'obstacle 11 est formé d'une partie avant 16 et d'une partie arrière 17 montée derrière la partie avant au moyen d'un support en porte à faux constitué par une paire d'aiguilles résilientes 18 et 19. La partie avant 16 est un bloc aux angles arrondis dont la section transversale a la forme d'un triangle uniforme selon l'axe longitudinal du bloc, cet axe étant perpendiculaire à l'axe d'écoulement de la conduite. Les deux bouts de la partie avant sont attachés à la paroi de la conduite de façon à ce que la partie avant soit maintenue fixe à l'intérieur de la conduite. Le sommet du bloc est tourné face au fluide qui entre et ses cOtés inclinés forment des bords d'attaque qui sont balayés par l'écoulement du fluide pour former des vortex. n doit etre compris que la présente invention n'est pas limitée aux obstacles de cette forme particulière. La partie arrière 17 se présente sous la forme d'un corps non profilé qui, dans cette réalisation, est en forme de plaque et est maintenu par les aiguilles 18 et 19 à un certain intervalle par rapport à la section avant, la surface de la plaque étant parallèle à la base plate du bloc. La forme de la partie arrière est conçue pour interférer avec le couloir de vortex et l'espace ou cavité 20 créé entre le bloc de la partie avant et la partie arrière tend à capter les vortex et à renforcer et stabiliser le couloir de vortex ainsi produit.Bien que ce soit une plaque qui soit représentée derrière le bloc inducteur de la partie avant de la figure, on doit bien comprendre que l'invention se rapporte à n'importe quelle partie arrière dont la forme et le diamètre sont conçus pour faire entrave au couloir de vortex, par opposition à un volet ou à une autre forme profilée qui, tout en étant touchée par le couloir de vortex, n'interfèrerait pas avec lui. La partie arrière 17 étant suspendue en porte à faux par des aiguilles résilientes, elle peut prendre un mouvement d'oscillation. Les aiguilles, bien que servant de charnières, sont suffisamment rigides pour ne permettre qu'une légère déviation ou oscillation de faible amplitude de la partie arrière. Du fait des oscillations du fluide produites à l'intérieur de la conduite, la partie arrière est induite en vibration à une vitesse correspondant à la fréquence des oscillations.La résonance naturelle de la partie arrière oscillante étant suffisamment éloignée de la gamme normale des fréquences métriques, il n'existe pas de sommets de résonance mécanique et l'amplitude du mouvement vibratoire reflète de façon précise l'amplitude des oscillations du fluide. De plus, le système oscillant étant relativement rigide, le déplacement total de la partie arrière est minime, même lors des plus fortes amplitudes d'oscillation du fluide, ce qui fait que la fatigue du métal des aiguilles de soutien résultant de l'action vibratoire est réduite au minimum et que meme après une utilisation prolongée il n'y a pas de défaillance. 1l faut souligner que l'ampleur de déviation n'est pas de première importance car les indications sur la vitesse d'écoulement sont données par la fréquence, non par l'amplitude de la vibration. n s'ensuit que, bien que l'ampleur de cette déviation soit rendue infime pour fournir un niveau acceptable, ceci ne nuit pas à une émission claire de fréquence variable. Selon la relation de base du nombre de Strouhal pour les corps inducteurs de vortex, la fréquence d'oscillation est approximativement égale à 0, 22 x V / D (V étant la vitesse de passage devant le corps et D la largeur du corps). Avec un débitmètre pratique de 10 cm, D pourrait mesurer 2 > 5 cm et V 300 cm/s, ce qui donnerait une fréquence d'émission d'environ 25 Hz. Dans le cas d'une utilisation continue cela fait approximativement 700 millions de cycles par an. Donc pour prolonger la vie du débitmètre il faut qu'il soit conçu de façon à supporter des déviations et des contraintes très réduites. La partie arrière de l'obstacle pourrait être normalement conçue pour une déviation maximum de 50 microns à une vitesse d'écoulement maximale.Puisque la déviation est fonction de la pression dynamique dans le cas d'un débitmètre dont la gamme de fréquence va de 15 à 1, il faudrait donc capter la fréquence d'une déviation dynamique d'une amplitude d'environ 0, 25 micron. En plus de ses limitations en matière de fatigue, une conception qui demanderait une déviation trop importante a également des inconvénients en ce sens que la linéarité du débitmètre dépend de la régularité de la largeur du couloir de vortex. Des mouvements importants ont tendance à produire des changements dans la largeur des couloirs de vortex avec des changements dans la fréquence, introduisant par là une non-linéarité. Les jauges de contrainte s'étendent entre les parties avant et- arrière, le long des aiguilles de soutien et sont périodiquement soumises à des tensions lorsque la partie arrière déviable se met à vibrer, ce qui produit des changements correspondants dans la résistance. Si l'on relie en séries les deux jauges de contrainte 12 et 13 dans un circuit de pont 22 comme indiqué sur la Fig. 4 les variations périodiques de résistance sont transformées en un signal électrique dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse d'écoulement. De telles jauges utilisent un fil ou une grille dont la résistance électrique subit des changements en fonction de la contrainte qui leur est imposée ; car lorsqu'un fil est tendu sa valeur Ohmique change en meme temps que sa longueur et son diamètre. On peut encore utiliser des jauges de contrainte semi-conductrices.En pratique on peut utiliser une seule jauge pour fournir un signal qui représente la vitesse d'écoulement. Les aiguilles qui soutiennent les parties arrières peuvent etre faites d'un tubage creux pour recevoir les jauges de contrainte, cachant ainsi celles-ci et les protégeant contre les éventuels agents contaminants du fluide. Les câblages de ces jauges sont de préférence prolongés à l'intérieur de la partie avant et, de là > à l'extérieur de la conduite. Bien que le mouvement vibratoire soit ici décrit comme étant capté par des jauges de contrainte, il est évident que d'autres formes de détectueurs, comme des transducteurs à captage de mouvement électromagnétique, peuvent entre utilisés dans le meme but. Le mouvement vibratoire peut être augmenté, comme indiqué sur la Fig. 1 en dotant la partie arrière 17 d'une queue 23, la queue étant tournée vers l'aval. En pratique, les parties avant et arrière pourraient etre reliées rigidement entre elles et la queue rendue oscillante par rapport aux deux parties. La partie aval de l'organe a deux fonctions car cette partie qui sert d'entrave à l'écoulement non seulement le stabilise pour augmenter sa facilité de détection, mais son mouvement vibratoire donne également lieu à l'émission du signal. Les obstacles peuvent prendre une variété d'autres formes, telles que celles indiquées sur les Fig. 5, 6 et 7 mais dans chaque cas la forme de la partie avant (F1, F2 et F3) doit entre conçue de façon à créer un couloir de vortex et la forme de la partie arrière (R1, R2 et R3) doit entre nonprofilée de façon à faire entrave à ce couloir et à en stabiliser l'écoulement. Dans les réalisations décrites antérieurement la vibration de la partie arrière est captée à l'intérieur de la conduite. n est également possible, comme indiqué sur la Fig. 8, de capter la vibration depuis l'extérieur. Dans cette réalisation la partie arrière 35 est maintenue fixée à la partie avant par deux étais 37 et 38, l'un à l'intérieur du tube d'écoulement 39, et l'autre à l'extérieur du tube. Dans ce cas la jauge de contrainte est placée sur l'étai extérieur 38 ou encore sur un bras 40 relié à cet étai, le mouvement de bras étant lui-même détecté. Dans les méthodes pour capter les émissions d'électricité il faudrait inclure l'utilisation d'un aimant attaché au bout du bras mobile qui occasionnerait des changements de flux dans la bobine associée 41. Un débitmètre du type de cette invention peut aussi etre utilisé en - meme temps que des détecteurs de concentration de pollution pour contrôler les émissions des conduites d'échappement industrielles, des centrales thermiques et autres conduites qui servent à décharger des gaz d'échappement dans l'atmosphère. L'inquiétude croissante du public à l'égard de la pollution de l'environnement a créé le besoin d'un détecteur de pollution efficace et à bas prix. Bien que plusieurs techniques aient été jusqu'ici mises au point pour déterminer la quantité de pollution déchargée dans l'atmos phère, tels que l'anhydride sulfureux, les oxydes d'azote, la suie et autres particules de matière, elles ne sont pas permanentes et demandent des processus de mesures très complexes.Par exemple, une technique connue consiste à mesureur, au niveau de l'échantillonage, la vitesse d'émission d'une conduite dans un tube pilote et de mesureur, en meme temps, la concentration de polluants dans l'émission. L'écoulement total des polluants dans une période donnée est ainsi calculé sur la base des données obtenues sur la vitesse et la concentration de l'échantillon. L'invention décrite ici fournit un élément simple qui est insérable dans la conduite et qui permet de mesurer, de façon continue, à la fois la vitesse d'écoulement et la concentration des polluants. Comme indiqué sur la Fig. 9, l'ensemble est constitué par un débitmètre désigné, dans son ensemble, par 25, soutenu par un trépied approprié 26 fixé de façon concentrique dans une conduite d'échappement 27. Le débitmètre 25 comprend une conduite 28 dans laquelle est monté un obstacle du type indiqué à la Fig. 1 et qui consiste en une partie avant 29 et en une partie arrière 30 soutenue, derrière la partie avant, par des aiguilles 31. Les oscillations du fluide produites à l'intérieur du tube d'écoulement par l'obstacle sont captées par un capteur à jauge de contrainte 32.Mais, à la différence de la partie avant de l'obstacle de la Fig. 1, le corps de la partie avant 29 est creux et contient une paire de détecteurs 33 et 34 dont les tettes sont disposées sur les bords d'attaque de la partie avant. Le détecteur 33 est sensible à des polluants, tels que l'anhydride sulfureux par exemple, et produit un signal proportionnel à la -concentration en polluant. Le détecteur 34 réagit par exemple à la température du fluide mesuré.Les émissions respectives des capteurs 32, 33 et 34 passent par un câble commun 35, sortant de la conduite vers un calculateur36 où les données sur la vitesse d'écoulement, la concentration des polluants et la température sont combinées pour fournir un signal qui indique l'écoulement intégré des polluants dans une période prédéterminée, pour qu'on puisse mesurer la quantité totale de polluants et pas simplement leur concentration. En effet, c'est la masse totale des polluants déchargés dans l'atmosphère pendant une période donnée qu'il est préférable de connaStre plutôt que leur concentration à un moment donné. Par exemple, une grosse conduite de 30 cm de diamètre opérant à grande vitesse pourrait bien émettre 50 fois la quantité totale de polluant d'une conduite de 10 cm de diamètre (si on prend en compte les différences de vitesse), meme si la concentration en polluants pendant la meme période était identique dans les deux cas. Ce résultat est atteint en combinant la vitesse d'écoulement et la concentration pour qu'il soit possible, selon une échelle appropriée, d'indiquer le poids total des polluants déchargés pendant une période donnée (% de polluant x débit : poids de polluant). Dans le cas d'une cheminée l'ensemble est monté de préférence dans la partie haute de celle-ci pour qu'il ne soit pas nécessaire de corriger la pression pour transformer l'information volumétrique qui vient du capteur à vortex en vitesse d'écoulement de la masse. Seule une correction de la température est nécessaire. Dans les cheminées et autres types de conduites la partie arrière de l'obstacle pourrait etre constituée à la fois d'éléments oscillants et non oscillants situés vers la queue du corps. Dans les cas où il se produit une variation importante de vitesse à travers la coupe transversale de la conduite, tel que dans un écoulement laminaire, ce type de construction pourrait etre utilisé pour capter uniquement la région plus uniforme du centre, améliorant ainsi le rapport signal/bruit. Dans une cheminée ou un grand tuyau les éléments non oscillants pourraient rendre possible l'élimination de la conduite 28 en écartant les éléments de la queue du corps suffisamment loin de la région à mesurer. On peut aussi utiliser une paire de jauges de contrainte situées de part et d'autre de l'attache par rapport à sa ligne de flexion, par exemple au dessus et au dessous, de façon à ce que la flexion de l'attache vers le bas donne lieu à une contrainte de tension sur la jauge du dessus et une contrainte de compression sur la jauge du dessous, et vice-versa quand la flexion s'exerce vers le haut. Donc l'une des deux jauges augmente en résistance tandis que l'autre diminue d'une quantité équivalente. En placant ces jauges dans des branches parallèles d'un pont de Wheatstone il se produira une émission importante comme résultat de l'action des flexions. REVENDICATIONS 1 - Débitmètre à vortex incorporant un obstacle pour induire des vortex dans au moins un couloir de Karman à une fréquence fonction de la vitesse de passage d'un fluide caractérisé - en ce que le dit obstacle incorpore une partie déviable(oscillante)sous l'action des vortex,interférant avec le dit couloir de Karman et - par des moyens pour capter les oscillations de la dite partie déviable. 2 - Débitmètre selon la revendication 1 caractérisé - en ce que la dite partie déviable est une partie non profilée située à l'arrière du dit obstacle. 3 - Débitmètre selon la revendication 2 caractérisé - en ce que la dite partie non profilée incorpore une plaque séparée de la partie avant de l'obstacle, cette disposition permettant de capteur, renfor cer et stabiliser le couloir de vortex. 4 - Débitmètre selon la revendication 3 caractérisé - par au moins une attache flexible réunissant la partie arrière et la partie avant de l'obstacle. 5 - Débitmètre selon la revendication 1 caractérisé - en ce que les dits moyens pour capter les oscillations sont constitués par au moins une jauge de contrainte. 6 - Débitmètre selon les revendications 4 et 5 caractérisé - en ce que la dite jauge de contrainte est située le long de la dite attache flexible. 7 - Débitmètre selon les revendications 4 et 5 caractérisé - en ce que la dite jauge de contrainte est située à l'intérieur de la dite attache flexible. 8 - Débitmètre selon la revendication 3 caractérisé - en ce que la dite plaque est pourvue d'un prolongement en forme de queue. 9 - Débitmètre selon la revendication 5 incorporant au moins deux jauges de contraintes caractérisé - en ce que les dites jauges de contraintes sont disposées de part et d'autre de l'attache et en ce que les dites jauges sont alors connectées en pont de Wheastone.