Brevet FR2348476A1 — publié le 19771110

La présente invention est relative à un compteur indiquant le produit d'un débit volumique de fluides par une fonction d'une grandeur physique paramétrique, et plus particulièrement un compteur de quantités de calories, ladite grandeur étant représentée par une différence de température. De nombreux dispositifs de mesure de débits de fluides doivent souvent être associés à des organes capteurs de grandeurs physiques telles que : masse volumique, pression, température etc.. en vue d'obtenir une mesure du débit fluide, instantanée et/ou intégrée en fonction du temps, corrigée en fonction de la grandeur physique considérée. A titre d'exemple, on peut citer la mesure du débit massique d'un fluide à partir du produit du débit volumique instantané par la masse volumique, le produit volumique d'un gaz supposé parfait par sa pression et l'inverse de sa température absolue, ou la mesure d'un débit calorimétrique dans un circuit d'utilisation à partir du produit du débit volumique par la différence des températures à l'entrée et à la sortie du circuit. Le traitement des informations représentatives de ces grandeurs fournies par le compteur volumétrique et par les capteurs associés est le plus souvent effectué au moyen de circuits électroniques de calcul, mais cette solution entraîne l'inconvénient que le dispositif de mesure est tributaire d'une source d'énergie électrique auxiliaire et ne peut être autonome. La présente invention a pour objet un compteur permettant d'obtenir le produit d'un débit de fluide par une grandeur physique paramétrique dans lequel l'inconvénient précité n'existe pas et qui effectue la correction et l'intégration du débit dans le temps de façon entièrement autonome. Suivant l'invention, le compteur comporte - un capteur sensible à ladite grandeur physique, et dans une conduite généra lement cylindrique, - des moyens générateurs de tourbillon permettant de communiquer à l'écoulement fluide une composante de vitesse non axiale ayant un moment non nul par rap port à l'axe de la conduite, - une turbine coaxiale à la conduite, disposée en aval dans la zone d'action desdits moyens générateurs et associée à des moyens de comptage et de tota lisation du nombre de tours de son rotor, et il est caractérisé en ce que lesdits moyens générateurs sont commandés par le capteur sensible à la grandeur physique de façon à modifier l'amplitude de ladite composante de vitesse non axiale en fonction de cette grandeur. L'invention part du principe qu'un compteur du type à turbine débitmétrique parcouru par un débit volumique Q de fluide est soumis à un couple moteur C tendant à l'entraîner en rotation où R est le rayon moyen de la turbine > la masse volumique du fluide, cz l'angle d'inclinaison des pales de la turbine avec l'axe, S la section de passage du fluide SL la vitesse de rotation angulaire de la turbine. Si en amont de la turbine > on crée, par des moyens déflecteurs appropriés, un tourbillon faisant avec l'axe de la turbine un angle ! s le couple moteur reçu par la turbine devient et la vitesse de la turbine est Si,par exemple, on choisit N' = o, c'est-à-dire une turbine à pales radiales parallèles à l'axe, et si on néglige les frottements résistants de sorte que le couple C est nul, il vient En réalisant les moyens déflecteurs générateurs de tourbillon de façon telle que tg/3, soit proportionnelle à la grandeur physique considérée, la vitesse de la turbine est ainsi rendue proportionnelle au produit du débit Q par cette grandeur. Suivant un premier mode de réalisation, les moyens générateurs de tourbillon sont réalisés sous forme de canaux d'injection dont l'inclinaison par rapport à l'axe peut être modifiée par un capteur sensible à la grandeur physique considérée. Suivant un autre mode de réalisation, les moyens générateurs de tourbillon comportent une dérivation branchée de part et d'autre d'un diaphragme suivi d'un tranquilliseur, cette dérivation débouchant sensiblement sous incidence normale par rapport à l'axe de la conduite et comportant un dispositif de vannage commandé par ladite grandeur. Les moyens générateurs de tourbillon agissant ainsi sous l'effet de la grandeur physique sur le moment par rapport à l'axe des forces utiles entraf- nant la turbine, la vitesse de rotation de celle-ci pour un débit volumique constant du fluide, est modifiée en fonction de la grandeur considérée et le débit corrigé est ainsi obtenu directement par comptage et totalisation du nombre de tours de la turbine. Bien que dans la description qui va suivre l'invention soit appliquée à la mesure d'un débit calorifique, en prenant comme grandeur physique une différence de température, il va de soi que l'invention n'est en rien limitée à cette application particulière et qu'elle peut s'étendre à la mesure d'un débit de fluide corrigé en fonction d'un paramètre physique quelconque : masse volumique, pression, etc... L'invention sera mieux comprise en se référant à la description suivante et au dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif et représentant deux modes de réalisation de compteurs suivant l'invention. Sur ce dessin La fig. i. est une coupe axiale d'un compteur de débit calorifique suivant un premier mode de réalisation de ltinvention. La fig. 2 montre schématiquement la commande des canaux d'injection. La fig. 3 montre le schéma d'un second mode de réalisation du compteur conforme à 1 r invention. En se reportant à la fig. 1, on voit le circuit d'utilisation 10 dans lequel le débit calorifique d'un fluide caloporteur s'écoulant suivant le sens des flèches est à mesurer. Sur la conduite d'arrivée 11 et à l'entrée 12 du circuit 10 est disposée une sonde de température chaude 13. Après avoir cédé dans le circuit 10 une partie de son énergie thermique, le fluide refroidi sort en 14 et passe dans une conduite de retour 15 sur laquelle est branché un compteur à turbine 16.A l'entrée du compteur, re fluide baigne une sonde de température froide 17 avant de traverser le générateur de tourbillon constitué dans cet exemple par une série de canaux d'injection 18 (dont un seul est visible sur la figure) dans lesquels il est dévié par rapport à l'axe de la conduite, et d'entraîner en rotation une turbine qui, dans ce cas particulier, est une roue à pales droites 19 parallèles à l'axe, coaxiale à la conduite. La roue 19 entraîne à son tour un totalisateur 20 du nombre de tours effectués par celle-ci. Une inclinaison variable des canaux 18 par rapport à l'axe pour créer le tourbillon en amont de la roue 19 est obtenue en fonction de la différence des températures des sondes chaude 13 et froide 15 de la façon suivante : en se référant à la vue partieIle de la fig. 2, les canaux 18 sont montés, à la manière C'entretoises, entre deux disques 21 et 2-2, leurs extrémités arrondies venant se loger dans deux séries d'ouvertures 23 régulièrement réparties sur une couronne des disques. Ces disques peuvent respectivement tourner autour d'un arbre commun 24 et sont maintenus en contact sur les canaux 18 à l'aide d'un ressort 25 monté entre l'un des disques 22 et une partie fixe du compteur; ils peuvent être entraînés en rotation par des cables 26 27 respectivement maintenus tendus entre des ressorts 28, 29 et des soufflets de dilatation 30, 31 qui sont reliés aux sondes 13, 17 par des capillaires 3?, 33 (fig. 1). Ces sondes sont des réservoirs en matériau faiblement dilatable renfermant un liquide dilatable sous l'effet d'une élévation de température, tel que huile, pétrole, xylène, etc.. La dilatation (ou la contraction) de ce liquide, quand la température des sondes varie, provoque une variation de volume des soufflets 30, 31 et un déplacement des câbles 26, 27 entraînant la rotation des disques 21, 22. Si les températures des deux sondes restent égales, les disques 21 et 22 tournent d'un même angle et les canaux 18 restent parallèles à l'axe dans leur position initiale de référence. La roue 19 ne reçoit alors aucune composante de vitesse non axiale : elle reste immobile sans entraîner son totalisateur 20, puisque le moment par rapport à l'axe des forces fluides agissant sur ses pales est nul. Au contraire, Si les températures des deux sondes sont différentes, l'un des soufflets 30, 31 se dilate ou se contracte plus que l'autre avec pour effet de donner aux canaux 18 une inclinaison par rapport à l'axe d'autant plus prononcée que la différence de température est plus grande. La roue 19 recevant ainsi une composante de vitesse non axiale est entraînée en rotation. On peut s'arranger, par un dimensionnement convenable de l'ensemble, pour que l'inclinaison des canaux 18 soit proportionnelle à la différence de rotation des deux disques pour des valeurs allant jusqu'à 30O d'angle. De cette façon, la vitesse de rotation de la roue 19 est, à débit volumique constant, proportionnelle à l'inclinaison des canaux 18 et par suite au débit calorifique du fluide dans le circuit 10. Un autre mode de réalisation permettant d'influencer la vitesse de rotation de la turbine par un tourbillon en relation avec une différence de température est représenté schématiquement fig. 3, où les éléments analogues à ceux de la fig. 1 portent les mêmes numéros de référence. La roue à pales droites 19 est, dans ce cas, précédée en amont d'un diaphragme 35 suivi d'un tranquilliseur 36 fournissant à sa sortie des filets fluides parallèles à l'axe de la conduite. Une dérivation 37 est branchée de part et d'autre des éléments 35, 36 et elle comporte une vanne 38 dont l'obturateur est commandé en position au moyen d'un soufflet 39.Cette dérivation débouche, sous incidence sensiblement normale par rapport à l'axe,à l'amont de la roue 19 dans la zone d'action du tranquilliseur mais dans un plan extérieur à cet axe pour agir sur le moment par rapport à l'axe des forces utiles entraînant cette roue en rotation. La vanne 38 est commandée par le soufflet 39 en fonction de la différence de température des deux sondes 13 et 7 de la manière suivante : la sonde chaude 13 dont l'enveloppe est en matériau faiblement dilatable renferme, comme dans le premier mode de réalisation, un liquide dilatable; elle est reliée par un tube capillaire 40 à la sonde froide 17 dont l'enveloppe, au contraire, est réalisée en matériau portement dilatable, mais renferme en son intérieur un noyau 41 a très faible ooefficient de température.Ce noyau est fixé sur une des parois de l'enveloppe et délimite un faible volume libre pour le liquide dilatable. Enfin, la sonde 17 est en communication par un capillaire 42 avec le soufflet 39 qui manoeuvre la vanne 38. Dans le cas où les températures des deux sondes sont égales, la dilatation du liquide dans l'une des sondes est, grâce à un dimensionnement convenable.des éléments, absorbée par la dilatation correspondante de l'enveloppe de l'autre sonde de sorte qutil n'en résulte aucune variation de volume du soufflet 39 et que ce dernier maintient la vanne 38 en position de fermeture sur la dérivation 37. Celle-ci ntest alors parcourue par aucun courant et ne peut fournir aucune composante de vitesse non axiale à la roue 19 qui reste alors immobile. Si les températures sont différentes, la dilatation du liquide dans la sonde 13, peu dilatable par construction, ne peut être absorbée complètement par la dilatation de la sonde 17. l'excédent de volume se trouve alors obligatoirement transmis au soufflet 39 qui > en se dilatant, manoeuvre l'obturateur de la vanne 38 pour l'ouvrir en fonction de la différence de température constatée. Une composante de vitesse non axiale d'amplitude variable est introduite dans le fluide en amont de la roue 19, provoquant la rotation de celle-ci et l'entraînement de son totalisateur 20. l'ensemble est dimensionné pour satisfaire lléquation S.dx = eC (v.d61 + tV Vd#2) - de2 où S désigne la surface active du soufflet, x sa course, ov et K les coefficients de température respectifs du liquide dilatable et de l'enveloppe de la sonde chaude, 61 et 92 les températures des deux sondes, et v et l V les volumes du liquide dans les deux sondes, respectivement V - lys V le volume du noyau. Pour que la variation de volume S.dx soit proportionnelle uniquement à la différence des températures 61 - 92 ss et indépendante des autres parametres, on doit donc avoir, en identifiant les coefficients de d#1 et dG2 A titre d'exemple, la sonde 13 et le noyau 41 peuvent être avantageusement en invar et en silice, et la sonde 17 en zinc. Le profil de 11 obturateur de la vanne 38 peut aussi être déterminé pour corriger la linéarité du nombre de tours de la roue 19 en fonction de la course du soufflet. REVENDICATIONS 1Compteur indiquant le produit d'un débit de fluide qui le traverse par une grandeur physique paramétrique, comportant - un capteur sensible à ladite grandeur physique, et dans une conduite généralement cylindrique, - des moyens générateurs de tourbillon permettant de communiquer à llécou- lement fluide une composante de vitesse non axiale ayant un moment non nul par rapport à l'axe de la conduite, - une turbine coaxiale à la conduite, disposée en aval dans la zone d'ac tion desdits moyens générateurs et associée à des moyens de comptage et de totalisation du nombre de tours de son rotor, caractérisé en ce que lesdits moyens générateurs sont commandés par le cap teur sensible à la grandeur physique de façon à modifier l'amplitude de ladite composante de vitesse non axiale en fonctinn de cette grandeur. 2. Compteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens générateurs comportent au moins un canal d'injection parcouru par le fluide, dont l'inclinaison par rapport à l'axe peut être modifiée par le capteur sensible à la grandeur physique considérée. 3. Compteur suivant la revendication 2 appliqué à la mesure d'un débit calo rifique dans un circuit d'utilisation, caractérisé en ce que ledit canal d'injection est monté entre deux disques respectivement mobiles autour d'un axe coaxial à celui de la conduite, la position angulaire de chaque disque étant commandée par l'une-de deux sondes de température disposées respectivement à l'entrée et à la sortie dudit circuit de manière à faire varier l'inclinaison dudit canal par rapport à l'axe en fonction de la différence des températures des deux sondes. 4; Compteur suivant la revendication 3, caractérisé en ce que chaque disque est entraîné par un cible E tournant partiellement et tendu entre un res- sort et une sonde de température à dilatation. 5. Compteur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que, entre la sonde de température et le cabale, sont intercalés un capillaire et un soufflet dont la course est transmise audit cabale. 6. Compteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens générateurs comportent une dérivation branchée de part et d'autre d'un diaphragme suivi d'un tranquilliseur, cette dérivation débouchant sensi blement sous incidence normale par rapport à l'axe de la conduite mais dans un plan extérieur à cet axe, et comportant un dispositif de vannage commandé par le capteur de ladite grandeur. 7. Compteur suivant la revendication 6, appliqué à la mesure d'un débit ca calorifique dans un circuit d'utilisation, caractérisé en ce que ledit dispositif de vannage est manoeuvré par un soufflet relié à deux sondes de température à dilatation disposées respectivement à l'entrée et à la sortie dudit circuit, de telle sorte que la course du soufflet soit pro portionnelle à la différence des températures des deux sondes. 8. Compteur suivant la revendication 7, caractérisé en ce que l'une des sondes est en matériau à faible coefficient de température et que l'autre sonde est en matériau à fort coefficient de température et renferme un noyau à coefficient de température approximativement nul; l'ensemble renfermant un liquide dilatable sous l'effet de la température. 9. Compteur suivant la revendicaticn 8, caractérisé en ce que ledit ensemble est dinensionné de telle sorte que la variation de volume du liquide dila table est dépendante uniquement de la différence de température des deux sondes.