Brevet FR2304903A1 — publié le 19761015

La présente invention concerne un débitmètre destiné à mesurer le débit d'un fluide dans un tube. Différents dispositifs destins à mesurer le débit d'un fluide dans un tube sont d4jà connus, voir par exemple les brevets des Etats-Unis d'Amérique n 2 453 376 ; 1 935 445 3 193 816 et 3 605 741. Ces dispositifs antérieurs présentent certains inconvénients tels que l'imprécision, la complexité, les conditions d'orientation, etc... Le besoin existe donc d'un débitmètre simple, robuste, souple, précis et peu cofteux et ne présentant aucun des inconvénients précités. L'invention concerne donc un débitmètre extrtmement robuste et simple (une seule pièce mobile) qui est à la fois précis et peu coûteux, et qui peut fonctionner dans n1 importe quelle orientation. Ce débitmètre consiste simplement en une conduite tubulaire pour la circulation du fluide (liquide ou gaz) à mesurer, une bille placée dans le tube et dont le dinmètre est inférieur au diamètre intérieur du tube, une butée destinée à empocher la bille de se déplacer suivant la longueur du tube avec le courant de fluide mais lui permettant de se déplacer librement dans la direction latérale par rapport au tube sous l'effet des forces qu'elle subit et qui sont développées en accord avec le théorème de Bernoulli, et un dispositif destiné à détecter et à mesurer ce mouvement latéral de la bille.Ce dispositif peut par exemple comprendre une source lumineuse, un détecteur à cellule photoélectrique et un compteur électronique. D'sucres caractéristiques et avantages de l'invention apparattront au cours de la description qui va suivre. Au dessin annexé donné uniquement à titre d'exemple nullement limitatif la Fig. 1 est une vue en élévation du débitmètre suivant l'invention, le tube étant représenté en coupe, la Figu-2 est une coupe suivant la ligne 2-2 de la Fig. 1 et, la Fig. 3 est une vue semblable à celle de la Fig. 2 mais montrant le dispositif destiné à détecter et à mesurer le mouvement de 1R bille provoqué par le mouvement de fluide. Le débitmè-tre selon l'invention comporte donc une conduite tubulaire lo, une bille mobile 12, une butée 14 et un dispo sitif 16 destiné à détecter le mouvement de la bille. Le tube 10 peut être en verre, en matière plastique ou autre matière transparente s'il y a lieu de détecter optiquement le mouvement de la bille. Mais le tube pourrait entre en toute autre matière si les mouvements de la bille devaient entre détectés par des capteurs magnétiques, capacitifs ou à vibrations. La bille 12 est sphérique et son diamètre extérieur est inférieur au diamètre intérieur du tube 10, d'une quantité suffisante pour permettre la circulation du fluide autour de la bille. La butée comporte une surface située au centre, plane de préférence, et dont le diamAtre est à peu près égal ou suparieur à la différence entre le diamètre du tube et celui de la bille. Cette butée 14 à surface plane peut titre fixée à la paroi du tube par tout moyen approprié qui ne gêne pas de façon notable la circulation du fluide. Quand le fluide circule, comme le montre la flèche sur la Fig. 1, la plus grande partie de llécoulement passe à droite de la bille qui est représentée en contact avec la paroi gauche du tube. I1 n'apparat bien entendu aucun écoulement là où la bille est en contact avec le tube. D'après le théorème de Bernoulli, cela amène une réduction de pression à la droite de la bille qui se déplace donc vers la droite. Lorsqu'elle s'est déplacée jusqu'au ctté droit du tube, dans la position représentée en pointillés, la situation est inversée. La pression réduite apparat t maintenant à gauche de la bille qui est donc entraînée à revenir vers la gauche, dans a position initiale. La Fig. 2 est une vue suivant l'axe du tube, dans la direction de l'écoulement,et montre également le mouvement aller et retour de la bille en travers du tube, pour les raisons indiquées ci-dessus. En raison de la masse de la bille, des turbulences et autres facteurs, le système est instable et il n'existe aucune possibilité que la bille trouve une position centrale et y reste immobile. En outre, dans le débitmètre décrit ci-dessus, il n'existe aucune contrainte au mouvement de la bille dans le tube de sorte que le simple mouvement diamétral en travers de ce tube ne pourrait se maintenir En l'absence de ces contraintes, le dispositif se comporte comme le montre la Fig. 3 sur laquelle la flèche indique qu'en fait la bille roule sur la surface intérieure du tube. Par suite du frottement entre la paroi du tube et la bille, cette dernière tourne également sur elle-même autour de son axe vertical. En l'absence de toutes contraintes sur la bille 12 autres que la surface plane de la butée 14 contre laquelle elle est poussée par l'écoulement du fluide, dans le cadre de la présente description du mouvement de la sphére dans un tube cylindrique, la terminologie ci-après sera utilisée : l'expression mouvement de rotation désignera lla rotation de la sphère sur elle-même autour de son axe@ due au moins en partie au frottement sur la paroi du tube, l'expression mouvement de révolution désignera le mouvement circulaire de la sphère avec l'axe du tube comme centre@ Le mouvement de la bille commence à des débits très faibles pour la structure examinée, et la vitesse du mouvement de révolution devient rapidement une fonction linéaire de la vitesse d'écoulement. Le mouvement de la bille à l'intérieur du tubo peut être détecté de différentes manières. Si le tube est transparent et que le liquide est modérément transparent, le simple procédé illustré par la Fig. 3 est très efficace. Selon ce procédé, la lumière d'une source 18 traverse le fluide sur un côté du tube. Quand la bille passe dans le faisceau lumineux, elle l'interropompt. Les variations d'insensité lumineuse. sont captées par une cellule photoélectrique 20. Un dispositif 22 de lecture numérique est prévu. Du fait que la lecture est numérique et indique la fréquence avec laquelle la bille interrompt le faisceau lumineux, un circuit extrêmement simple (une source et une résistance) suffit pour obtenir un aignal d'entrée qui convient à un compteur de fréquence du commerce. Ce compteur de fréquence donne alors des indications instan- tanées (selon sa fréquence d'échantillonnage) sur la fréquence du mouvement de révolution et par conséquent, avec un facteur d'étalonnage approprié, sur la vitesse d'écoulement du fluide. En outre, le débit massique peut être déterminé en comptant le nombre de fois que la bille interrompt le faisceau lumineux pendant une certaine triode, Il faut remarquer que cette indication numérique assure entièrement que l'équipement de mesure extérieur au tube ne a aucun effet sur la précision des mesures. Plusieurs dispositifs selon l'invention ont été réalisés et essayés. Ils fonctionnent bien de la manière décrite ci dessus Le tube est réalisé en perçant un trou d'un diamètre intérieur de 6,9 millimètres dans un bloc de Plexiglas. La bille consiste en une bille en Nylon du commerce d'un diamètre de 6,3 millimètres. Le support de la bille consiste en une tige d'acier inoxydable de 2,4 millimètres disposée transver salement à l'intérieur du tube et dont la courbure n'a apparemment que peu d'effet sur le mouvement de la bille. La source lumineuse consiste en une lampe à incandescence subminiature placée dans la position appropriée et sans aucun système optique collimateur ou concentrateur.Le détecteur consiste en un photo-détecteur Fairchild FPM100 placé de façon appro prie pour recevoir la lumière et aliment sous 4 volts continus en série avec une résistance de 10 000 ohms. Un compteur de fréquence du commerce est connecté directement aux bornes de la résistance de 10 000 ohms. L'éoran est réalisé sous forme d'une fente étroite fraisé et remplie avec une matiere opaque. Cette réalisation simpli- fiés destinée à mesurer un débit donne une linéarité excellente, particulièrement dans la plage de 400 à 800 millilitres à la minute, la valeur maximale correspondant au débit maximal de la pompe utilisée. Le fluide est de l'eam.Dans le cas d'une bille en Nylon, le poids de cette bille semble n'avoir que peu d'effets et la lecture n'est pas modifiée de façon notable si l'ensemble est placé horizontalement au lieu de verticalement. Au cours de l'expérience décrite ci-dessus, la fréquence du mouvement de révolution est 340 Hz pour un débit de 810 millilitres à la minute. Le rapport entre le débit et la fréquence de révolution est fonction de la différence de diamètre entre la bille et le tube.Cela offre un moyen commode d'étalonner et/ou de régler le facteur de proportionnalité du débitmètre@ A cet effet, le tube est réalisé sous une forme légèrement cênique et la butée de la bille est disposée de manière à pouvoir entre déplacée suivant l'axe du ctne tandis que le dispositif de détection est agence de manière à suivre la bille quand la butée est déplacée. Si l'application l'impose, le débitmètre peut entre étalonné de façon très précise par ce moyen. Les paramètres de l'ensemble comprennent, sans y titre limités, le diamètre du tube, le diamètre de la bille, la masse de la bille, la manière dont elle est supportée, et la visco situé du fluide. Il n'est pas nécessaire que le dispositif soit orienté de manière que l'écoulement se fasse vers le haut comme cela était nécessaire avec certains débitmètres antérieurs. Au contraire, pour les différents débits étudiés, et en utilisant une bille plastique en Nylon ou en Téflon, la lecture est indépendante de la position1 y compris l'inversion complète du débitmètre. Cela résulte clairement de la symétrie du dispositif en raison de laquelle les effets de la gravité sont secondaires dans la mesure où les forces développées par le fluide leur sont très supérieures. Si la bille est réalisée en un matériau dont la densité est égale à celle du fluide mesure, il est bien évident que les effets de la gravité sont nuls. Il faut remarquer que si le mode de réalisation décrit comporte une bille en Nylon ou en Téflon, il peut fonctionner avec de leair- Un autre avantage réside dans le fait qu'aucune liaison mécanique n'est nécessaire avec l'extérieur du tube. Si le tube doit entre opaque, en métal par exemple, le mouvement de révolution de la bille peut entre détecté par différents procédés, comme les effets magnétiques ou les vibrations causées par ce mouvement. Si le tube est opaque et isolant, des procédés par capacité peuvent convenir. Si le fluide est modérément opaque, du sang par exemple, la toute proximité entre la paroi d'un tube transparent et une bille blanche ou réfléchissante peut entre détectée par des procédés optiques. La détection électrique ou optique du mouvement de révolutions de la bille peut également se faire meme si le tube est opaque, en utilisant la butée comme conduite de détection. Par exemple, cette butée peut titre faite en un faisceau de fibres optiques, une '2image" de la bille étant alors détectée à l'extérieur. Si la bille est conductrice, des contacts formés sur la surface de la butée peuvent indiquer le passage de la bille. Si la bille est isolante, les variations de capacité entre les électrodes peuvent indiquer le mouvement de révolution de la bille. La réalisation décrite ci-dessus est d'une simplicité presqu'idéale et l'appareil peut être réalisé facilement à partir de matériaux les plus simples disponibles dans le commerce. REVENDICATIONS 1. Débitmètre destiné à mesurer le débit d'un fluide, caractérisé en ce qu'il comporte un tube pour l'écoulement du fluide à mesurer, une bille sphérique à l'intérieur du tube et dont le diamètre est infériour au diamètre intérieur du tube d'une quantité suffisante pour permettre un écoulement notable du fluide à côté de la bille qui est ainsi mise en mouvement, une butée fixe positionnée dans le tube, en aval de la bille dans le sens de l'écoulgment et interdisant tout mouvement de la bille dans le sens de l'écoulement, l'écoulement du fluide dans lie tube au-delà de la bille n'étant limité que par la butés et les parois du tube, de sorte que la bille est animée d'un mouvement de rotation et d'un mouvement de révolution comportant une composante oscillatoire latérale du mouvement par rapport à l'axe du tube, proportionnelle au débit du fluide, ledit débitmètre comportant également@ anfdispositif destiné à détecter la composante oscillatoire latérale du mouvement de la bille dans le tube sans être relié mécaniquement à la bille. 2. Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube est transparent et que le di@pesitif destiné à détecter le mouvement consiste en un disponitif optique. 3. Débitmètre selon la revendication 2, caractérisé en oe que ledit dispositif optique comporte une cellule photoélectrique et un dispositif de lecture numériqus. 4. Débitmètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif optique comporte une callule phctoélectrique et un dispositif analogique de détermination de fréquence . 5. Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif destiné à détecter le mouvement de la bille consiste en un dispositif électronique capacitif. 6. Débitmètre selon la revendioation 1, caractérisé en ce que la butée de la bille consiste en une pièce positionnée au centre du tube et comportant une aurface plane en contact avec la bille. 7. Débitmètre selon la revendication 6, caractérisé en ce que la surface plane est circulaire, son diamètre étant au moins égal à la différence entre le diamètre du tube et le diamètre de la bille. 8. Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit tube est conique, la butte étant positionnée au centre et étant riglable dans la direction longitudinale, suivant l'axe du cône. 9. Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite butée est susceptible de transmettre des infor- mations optiques. 10. Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des électrodes dans la butée destinées à détecter le mouvement de la bille par capacité ou par con- duction.