Brevet FR2331778A1 — publié le 19770610

L'invention se rapporte aux débitmètres et plus particulièrement à des débitmètres comprenant des turbines contrarotatives indépendantes. Nombre de débitmètres utilisant des turbines rotatives sont connus dans l'état de la technique. Un appareil de ce type est intercalé dans la conduite où il s'agit de mesurer l'écoule- ment; on mesure la vitesse angulaire de la turbine entratnée par l'écoulement de fluide et on déduit de cette mesure la vitesse d'écoulement. Dans les appareils connus de ce type, des perturbations affectant en amont le régime d'écoulement produisent une vitesse de rotation non-linéaire par rapport à la vitesse d'écoulement réelle. Cette non-linéarité diminue la préeision et restreint le domaine d'utilisation de ces appareils, ou conduit à prévoir une compensation électronique additionnelle pour obtenir une précision et une étendue de mesure acceptables. On connais aussi plusieurs appareils dans lesquels une turbine additionnelle ou un stator en forme de turbine est interposé dans le chemin d'écoulement à l'intérieur de l'appareil. Dans un tel dispositif connu, divulgué par le brevet américain n0 9 241 366, on a ajouté une turbine ou un rotor contra-rotatif en amont du rotor de mesure. Ce rotor amont a simplement pour rôle de diriger ltécoulement du fluide sur les aubes du rotor principal ou rotor de mesure. Ce rotor amont, dénommé "rotor de compensation", exige un aimant et des goujons pour infliger une tramée magnétique au rotor de compensation, qui peut être aJustée pour étendre la précision du rotor de mesure sur une plus large gamme de vitesses d'écoulement. Selon ce brevet antérieur, seul le rotor aval est un rotor de mesure et ses courbes caractéristiques sont sensiblement similaires à celles qui seront décrites et illustrées plus loin pour un rotor ou turbine aval. Le rotor de compensation étend simplement la gamme de mesure dans le domaine des faibles écoulements. L'appareil selon la présente invention, dans lequel, comme on le verra, les deux turbines sont des turbines de mesure, offre une structure plus simple permettant des mesures au moins aussi sûres et comprend en outre des moyens d'auto-contrAole et de détection de mauvais fonctionnement. Le brevet américain nO 3 135 116 révèle un appareil à double turbine dans lequel les deux rotors tournent dans le même sens, l'un étant monté autour de l'arbre rotatif de l'autre. Un aubage redresseur est interposé entre les deux turbines et agit, contrairement au dispositif de la présente invention, pour découpler fluidiquerent les rotors. Le brevet américain nO 138 657 divulgue un appareil de mesure comportant un agencement à double vis en forme de foret, dans lequel la vis amont est statiomna-lre et la vis aval tourne en réponse à l'e'coulement traversant l'appareil. te brevet américain n 470 814 concerne un agencement similaire comprenant une turbine fixe et une turbine rotative dont les aubes respectives présentent des obliquités inverses. Le brevet américain nQ 3 710 622 divulgue un appareil de mesure à double rotor dans lequel les rotors ont des caractéristiques différentes, tournent dans le mbeme sens et ne sont pas couplés fluidiquement. L'appareil selon l'invention est différent dans sa conception et dans son fonctionnement des dispositifs connus mentionnés ci-dessus. I1 s'agit en effet d'un appareil de mesure d'écoulement fluide comprenant essentiellement a) un canal de passage pour le fluide; b) un premier support d'arbre monté dans ledit canal; c) un second support d'arbre monté dans ledit canal; d) un premier arbre monté axialement sur ledit premier sup port d'arbre; e) un second arbre monté axialement sur ledit second support d'arbre; f) une première turbine comportant une pluralité d'aubes et tournant dans ledit canal sur ledit premier arbre;; g) une seconde turbine comportant une pluralité d'aubes et tournant dans ledit canal sur ledit second arbre, cette seconde turbine étant montée à proximité et en aval de la première turbine et étant libre de répondre à toute aber ration fluidique développée par la première turbine, la dite seconde turbine étant agencée pour tourner en sens opposé par rapport à ladite première turbine; h) un premier capteur de vitesse angulaire de ladite pre mière turbine; i) un second capteur de vitesse angulaire de ladite seconde turbine. arbre Le premier/et le second arbre peuvent titre confondus en un arbre unique commun, monté axialement sur un unique support. Dans tous les cas, les turbines peuvent zetre individuellement solidaires ou non de l'arbre qui les supporte > pourvu quelles puissent tourner indépendamment Itune L'invention concerne ainsi un débitmètre utilisant deux turbines contra-rotatives indépendantes dont chaeune est une turbine de mesure afin de remédier à la non-linéarité des appareils à turbine unique résultant de perturbations amont dans l'écoulement fluide. De telles perturbations sont décrites ou classées de différentes manières selon qu t elles correspondent à un écoulement turbulent, à un écoulement visqueux, à une distorsion du profil de vitesse, à un tourbillon amont positif ou négatif ou à la viscosité du fluide. La distorsion de profil de vitesse affecte le fonctionnement des appareils à turbines et peut accélérer ou ralentir la vitesse angulaire des turbines par rapport à la vitesse linéaire moyenne du fluide. Elle affecte ainsi le calibrage de l'appareil et peut conduire à des mesures inexactes. Dans l'appareil selon la présente invention toute variation de la vitesse angulaire de la première turbine cause une variation égale et opposée de la vitesse angulaire de la seconde turbine. Ainsi, en faisant la moyenne de la vitesse angulaire des deux turbines, on élimine les inexactitudes causées par la distorsion du profil de vitesse et on obtient une précision de mesure raisonnable dans des limites prédéterminées.De mime, une augmentation de la viscosité impose des forces d'effets inverses sur les turbines, l'une tendant à augmenter la vitesse angulaire ainsi qu'on lta mentionné plus haut, et l'autre tendant à abaisser la vitesse angulaire due à la tratnée visqueuse des aubes de turbines. La tratnée visqueuse ralentit chaque turbine, indépendamment de son sens de rotation. Cependant, selon la présente invention,lorsque la première turbine est ralentle par 1' effet de tratnée, le fluide quitte les aubes de celle-ci avec une composante de vitesse angulaire qui accrott la vitesse de la seconde turbine. Ainsi, en faisant la moyenne des vitesses angulaires des deux turbines, on atténue la plus grande partie des effets Les turbines sont préférablement dtégales dimensions, mais de pas opposés, les aubes de l'une étant agencées pour engendrer une rotation dans le sens des aiguilles d'une montre, tandis que les aubes de l'autre produisent une rotation dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Les turbines sont montées à proximité dans le canal, de manière qu une varIation de la vitesse angulaire de la première, en raison d'une perturbation amont, produit une variation opposée sur l'autre. En additionnant la valeur absolue des deux vitesses angulaires et en mettant à 1'échelle la somme résultante, on obtient une mesure très sûre de la vitesse d'écoulement, indépendante de toute perturbation amont. Les signaux de vitesse angulaire peuvent aussi betre comparés en vue d'obtenir l'indication d'un défaut affectant l'une ou l'autre des turbines, dû à un frottement de palier, à un encrassement ou à un autre phénomène perturbateur. Cette comparaison est effectuée de préférence à laide de circuits électroniques. Si l'un des signaux de sortie excède l'autre d'une quantité prédéterminée durant la comparaison continue, il y a indication de mauvais fonctionnement. Des systèmes d'alarme ou d'avertissement peuvent Aetre associés au circuit de comparaison pour alerter le personnel de surveillance et le prévenir du fait que les mesures sont probablement fausses en raison d'une défaillance mécanique ou électronique. Pour expliquer le fonctionnement de l'appareil de mesure selon l'invention, on appellera W1 et W2 les vitesses angulaires respectives des turbines, avec Wt = W1 + W2; si K est le coefficient de proportionnalité et V la vitesse d'écoulement, on a K = V/Wt. Les résultats sont extrAemement sûrs, du fait qu'une perte d'étalonnage peut être aisément détectée et qu'un circuit de sécurité peut aisément astre prévu. En outre, ils sont relativement insensibles aux changements de viscosité et de profil de vitesse et aux tourbillons fluides. De plus, le fonctionnement de l'appareil de mesure est étroitement relié à différents facteurs tels que la traRnée de palier, l'angle d'incidence -des aubes et la continuité interne. Un appareil est calibré avant son installation pour déterminer le coefficient de proportionnalité K. Pour que l'appareil soit utilisable en pratique, il doit pouvoir fonctionner entre certaines limites prédéterminées. L'utilisation d'une paire de turbines contra-rotatives indépendantes dont chacune est une turbine de mesure, placées à proximité l'une de l'autre pour permettre une interaction fluidique, permet de surmonter ces problèmes. Tout ralentissement de la première turbine dû à la traSnée ou à la flexion de ses aubes a pour effet d'augmenter la vitesse-angulaire de la seconde turbine. Un ralentissement de la seconde turbine pour les mimes raisons minimise les erreurs puisque seule la moitié de l'écart apparaitra dans le résultat de mesure. Ainsi, le problème du mauvais fonctionnement est plus aisément résolu dans l'appareil selon l'invention. Une divergence entre W1 et W2 est déterminée durant le calibrage. Toute divergence supplémentaire significative peut être décelée en surveillant les signaux des capteurs; si nécessaire, la détermination d'une divergence dépassant une limite définie au préalable peut Btre effectuée électroniquement et appliquée à un système dsalar- me et/ou de commande. Les partieularités de l'appareil selon l'invention eontribuent essentiellement à sa fiabilité, avec réduction de la complexité de compensation nécessaire dans les appareils connus, de sorte qu'on obtient un appareil plus satisfaisant à moindre coût. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés à titre d'exemples non limitatifs, permettra de bien comprendre comment la présente invention peut titre mise en pratique. La figure 1 représente une coupe,selon la ligne A-A de la figure 2,d'un débitmètre selon l'invention. La figure 2 représente en bout l'appareil de la figure I. La figure 3 représente un diagramme schématique du circuit électrique associé à l'appareil. La figure 4 est une représentation graphique du débit mesuré par l'appareil soumis à un écoulement turbulent. La figure 5 est une représentation graphique du débit mesuré par l'appareil soumis à un écoulement visqueux. La figure 6 est une représentation graphique du débit mesuré par 1 appareil soumis à un tourbillon amont positif. La figure 7 est une représentation graphique de la moyenne composite du débit mesuré sur deux turbines contrarotatives indépendantes selon l'invention. La figure 1 montre une forme d'exécution d'un appareil selon l'invention, qui comprend un canal formé par des supports annulaires d'arbre 12 et 14 comportant des nervures supports respectives 16 et 18 et un anneau 20 formant ehambre de turbinage et joint aux supports d'arbre par des bagues annulaires 22 et 24. Les supports d'arbre et l'anneau formant chambre de turbinage sont fermement réunis par un anneau extérieur 26 et des brides 28 et 30 reliées aux supports 12 et 14 par des vis 32 et 34. Les brides 28 et 30 sont en outre utilisées pour relier l'appareil aux portions amont et aval de la conduite (non représentée), dlune manière classique. A cet effet, des sillons 36 et 38 sont réalisés dans les supports d'arbre 12 et 14 pour recevoir des bagues annulaires de jonction aux brides des tronçons amont et aval de la conduite. Les nervures 16 et 18 portent des supports 40 et 42 qui, comme les nervures, sont effilés pour éviter toute turbulence du fluide dans le canal. L'arbre 44 des turbines peut titre laissé libre de tourner dans les supports ou peut titre solidarisé dans les corps de supportes, ou peut & re divisé en deux arbres séparés, un par turbine. Si on utilise un seul arbre, il peut titre du type à double appui ou du type en porte-à-faux; dans ce dernier cas > il peut titre pourvu soit d'un support amont, soit d'un support aval.Si l'on utilise deux arbres, chacun peut être du type à double appui ou du type en porte-à-faux; dans ce dernier cas, chacun peut astre pourvu soit d'un support amont soit d'un support aval. Une première turbine 46 comportant des aubes 48 est montée sur l'arbre 44 et agencée pour tourner en réponse à l'écoulement fluide à travers l'appareil. Une seconde turbine 50 comportant des aubes 52 d'obliquité inverse par rapport aux aubes 48 est montée sur l'arbre 44 et agencée pour tourner en sens inverse de la turbine 46. L'une ou l'autre des turbines peut être fixée à l'arbre si celui-ci est libre de tourner dans les supports 40 et 42 et si l'autre turbine peut tourner sur l'arbre. En variante, les deux turbines peuvent titre laissées libres de tourner sur arbre au moyen de paliers 54 et 56 comme le montre la figure 1. I1 peut y avoir une interaction fluidique entre les turbines du fait de leur proximité dans le canal. En les agençant de cette manière, on a constaté qu'elles réagissaient inversement aux perturbations amont, c'est-à-dire que lorsque la vitesse d'une turbine tombe au-dessous de la valeur représentant le débit réel de fluide, la vitesse de l'autre augmente par réaction audessus de cette valeur. Des capteurs 58 et 60, par exemple des capteurs magnétiques, permettent de compter le nombre d'aubes défilant devant eux lorsque les turbines tournent; ils émettent des signaux f1 et f2, sous forme d'impulsions, qui sont transmis par des lignes 62 et 64 à un circuit électronique de traitement représenté sur la figure 3. Ce circuit permet de déterminer le débit total, la vi- tesse d'écoulement et les défaillances éventuelles de l'appareil de mesure ou débitmètre 13, qui est interposé entre la partie amont 66 et la partie aval 68 de la conduite. Les capteurs 58 et 60 délivrent des impulsions de fréquences fl et f2 représentant les vitesses angulaires des turbines.Les impulsions sont additionnées dans un circuit à anticoincidence 70 et mises à ltéchelle dans un circuit 72. La sortie du circuit 72 est appliquée à un indicateur totalisateur 82 et à un indicateur de vitesse d'écoulement 86 par l'intermédiaire d'un circuit convertisseur impulsions/tendbn continue. L'indicateur totalisateur 82 et ltindicateur de vitesse d'écoulement 86 donnent une mesure précise du débit réel de fluide à travers l'appareil 10 comme le montre la figure 7. Eventuellement, les signaux fl et f2 peuvent Xetre appliqués à des circuits convertisseurs impulsions/tension continue 74,76 où les impulsions provenant de chaque capteur 58,60 sont converties sous forme de signaux analogiques. Ces signaux sont appliqués à un comparateur d'alarme 78 qui fait fonctionner un indicateur de mauvais fonctionnement 80 lorsque l'un des signaux s'écarte sensiblement de autre. Comme décrit ci-dessus, les vitesses angulaires des turbines 46,50 varient l'une par rapport à l'autre en plus ou en moins pour compenser les perturba tions d'écoulement, mais aucune ne doit varier au-delà d'une limite prédéterminée qui est détectée par le comparateur d'alarme 78.Lorsqu'une variation excessive est constatée, elle indique que l'une des turbines ou que les circuits électroniques traduisent inccrrectement l'écoulement du fait d'un encrassement, d'un frottement de palier ou d'une autre irrégularité, et que les mesures délivrées sont probablement inexactes. On a également indiqué sur la figure 1 deux lignes de profil de vitesse, une ligne 90 pour un écoulement de fluide visqueux et une autre ligne 92 pour un écoulement de fluide turbulent. Les courbes des figures 4,5,6 et 7 illustrent la réponse des turbines et de l'appareil de mesure à des perturbations amont variées. Chacune de ces figures montre clairement qu'il y a compensation mutuelle des turbines indépendantes tournant en sens inverses lorsqu'elles sont soumises à une perturbation amont. Lorsqu'une turbine accélère, l'autre ralentit et lton obtient l'indication d'écoulement moyenne indiquée sur les figures. - RE-NDICATIONS 1.- Appareil de mesure a) un canal de passage pour le fluide; b) un support d'arbre monté dans ledit canal; c) un arbre monté axialement sur ledit support d'arbre; d) une première turbine comportant une pluralité d'aubes et tournant dans ledit canal sur ledit arbre; e) une seconde turbine comportant une pluralité d'aubes et tournant dans ledit canal sur ledit arbre, cette seconde turbine étant montée à proximité et en aval de la première turbine et étant libre de répondre à toute aberration fluidique développée par la première turbine, ladite se conde turbine étant agencée pour tourner en sens opposé par rapport à ladite première turbine; f) un premier capteur de vitesse angulaire de ladite première turbine;; g) un second capteur de vitesse angulaire de ladite seconde turbine. s,, Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la première turbine est solidaire dudit arbre, celuici tournant sur ledit support, la seconde turbine tournant sur ledit arbre. ).- Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la seconde turbine est solidaire dudit arbre, celuici tournant sur ledit support et la première turbine tournant sur ledit arbre. 4.- Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les capteurs délivrent des signaux électriques et sont associés à des moyens d'addition de ces signaux engendrant une indication de la vitesse d'écoulement du fluide à travers l1appa- reil de mesure. 5. - Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les capteurs délivrent des signaux électriques et sont associés à des moyens de comparaison de ces signaux engendurant une indication de mauvais fonctionnement. 6. - Appareil selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens de comparaison desdits signaux engendrant une indication de mauvais fonctionnement. 7. - Appareil selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens d'alarme couplés avec les moyens de comparaison desdits signaux et engendrant un avertissement de mauvais fonctionnement. 8.- Appareil selon la revendication 6, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens d'alarme couplés avec les moyens de comparaison desdits signaux et engendrant un avertissement de mauvais fonctionnement. 9.- Appareil de mesure d'écoulement fluide, caractérisé par le fait qu'il comprend a) un canal de passage pour le fluide; b) un premier support d'arbre monté dans ledit canal; c) un second support d'arbre monté dans ledit canal; d) un premier arbre monté axialement sur ledit premier sup port d'arbre; e) un second arbre monté axialement sur ledit second support d'arbre; f) une première turbine comportant une pluralité d'aubes et tournant dans ledit canal sur ledit premier arbre; g) une seconde turbine comportant une pluralité d'aubes et tournant dans ledit canal sur ledit second arbre, cette seconde turbine étant montée à proximité et en aval de la première turbine et étant libre de répondre à toute aber ration fluidique développée par la première turbine, la dite seconde turbine étant agencée pour tourner en sens opposé par rapport à ladite première turbine;; h) un premier capteur de vitesse angulaire de ladite pre mière turbine; i) un second capteur de vitesse angulaire de ladite seconde turbine. 10.- Appareil selon la revendication 9, caractérisé par le fait que la première turbine est solidaire du premier arbre, celui-ci tournant sur le premier support, la seconde turbine tournant sur le second arbre. 11.- Appareil selon la revendication 9, -earactérisé par le fait que la seconde turbine est solidaire du second arbre, celui-ci tournant sur le premier arbre. 12.- Appareil selon la revendication 9, caractérisé par le fait que les capteurs délivrent des signaux électriques et sont associés à des moyens d'addition de ces signaux engendrant une indication de la vitesse d'écoulement du fluide à travers l'appareil de mesure. 13.- Appareil selon la revendication 9, caractérisé par le fait que les capteurs délivrent des signaux électriques et sont associés à des moyens de comparaison de ces signaux engen dorant une indication de mauvais fonctionnement. 14.- Appareil selon la revendication 12, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens de comparaison desdits signaux engendrant une indication de mauvais fonctionnement. X Appareil selon la revendication 13, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens d'alarme couplés avec les moyens de comparaison desdits signaux et engendrant un avertissement de mauvais fonctionnement. 16.- Appareil selon la revendication 14, caractérise par le fait qu'il comprend des moyens d'alarme couplés avec les moyens de comparaison desdits signaux et engendrant un avertisse ment-de mauvais fonctionnement.