Brevet FR2327519A1 — publié le 19770506

La présente invention est relative à un procédé de mesure du débit d'un courant de matières contenant plusieurs gha- ses constituées par un solide pulvérulent, un gaz et/ou un liquide. I1 y a toute une série de procédés et d1sppa- reils de mesure du débit de courants de milieux fluides dans lesquels on mesure la masse qui sécoule par unité de temps à travers une section déterminée. On sait par exemple mesurer le débit dfa7n courant de matières en vrac sortant d'un réservoir par pesée cQntinue et différentiation de la perte de poids en fonction du temps On peut utiliser pour cela des dispositifs de pesée les plus variés, mais la précision des mesures dépend beaucoup des influences extérieures, notamment des secouses, qu'il est précisément difficile d'éviter lors du transport et du chargement des matières en vrac. I1 sty ajoute que le signal déclenché par la pesée n'arrive pas directement, mais avec un certain retard et que, par conséquent, le réglage du débit n'est possible qu'avec un certain décalage. De plus, du point de vue technique, il est extraordinairement désavantageux de manipuler pour une pesée des récipients contenant et pesant des tonnes. Pour l'élaboration de l'acier par affinage de la fonte, par exemple, il faut plusieurs récipients pour les additions et les éléments d'alliage les plus divers. On sait encore mesurer par une méthode volumétrique les courants de matières en vrac ou les courants contenant plusieurs phases en utilisant un dispositif comportant un récipient qui se remplit de matières en vrac et se vide ensuite. C'est ce principe que l'on applique par exemple dans les appareils de dosage à roues à augets dans lesquels le débit se mesure d'après le nombre de récipients remplis par unité de temps. C'est d'après un principe analogue que fonctionnent les vis et bandes transporteuses et les laques rotatives.Cependant, ces appareils ne permettent une précision de mesure suffisante que si les caractéristiques des matières en vrac et notamment leur densité ne changent paso Cependant, précisément dans le cas des matières en vrac, la densité ou la densité en vrac n'est pratiquement pas constante car les parti cules des matières en vrac ont généralement des densités, des grandeurs et des formes différentes. Enfin, les dépôts et l'usure inévitable des appareils de mesure Mmitent encore la précision des mesures. Le but de l'invention est de présenter un procédé qui permette, par des moyens simples, de mesurer avec une grande précision le débit de courants comprenant plusieurs phases et de matières en vrac, mdme dans des conditions de fonctionnement sévères et pour des matières de nature variable La solution de ce problème est fondée sur le phénomène physique qui consiste en ce qu'une particule en mouvement semble subir une accélération et s'écarter de sa trajectoire lorsque son mouvement dd à des forces d'inertie est associé à la rotation d'un corps de référence. La force d'inertie qui intervient dans ce cas est généralement désignée sous le nom de force de Coriolis; elle est proportionnelle à la masse de la particule en mouvement et est donc utilisable pour des mesures de masses ou de débits. L'invention consiste plus spécialement en ce que, dans un procédé du type initialement indiqué, le courant des masses matérielles arrive à peu près parallèlement à l'axe sur la surface, munie d'éléments de guidage, d'un corps de référence animé d'un mouvement de rotation et qu'on mesure le moment d'entrat- nement du corps ou une grandeur physiquequi en dépend. Le moment de rotation du corps de référence en rotation varie en fonction de la force de Coriolis, la variation du moment de rotation étant proportionnelle à la masse du courant de matières à mesurer et permettant une mesure très précise des masses ou des débits. Le courant de masses matérielles, constitué par exemple par une matière en vrac transportée pneumatiquement ou par écoulement, comme la chaux pulvérulente ou les fines de minerai, doit en principe frapper parallèlement à l'axe, par exemple verticalement la surface du corps de référence en rotation munie d'éléments de guidage.En pratique, cependant, de faibles déviations n'ont aucune importance, à condition que la composante résultant d'un impact oblique du courant de masses perpendiculaire à l'axe de rotation soit faible par rapport à la composante parallèle à l'axe de rotation Comme la masse de la phase lourde d'un courant de masses, constituée par le solide, est très grande par rapport à la masse du gaz contenu dans le courant de masses et constitué, par exemple, par de l'air ou du gaz transporteur on peut négliger la masse du gaz lorsqu'on mesure les débits d'après les variations du moment de rotation. Comme le moment de rotation à vide est également connu et essentiellement constant, on peut déterminer le débit de matières en vrac par une simple lecture sur une échelle convenablement étalonnée dont le point zéro correspond au moment de rotation à vide. Les avantages particuliers du procédé de mesn- re suivant l'invention consistent en ce que les variations du moment de rotation dépendent exclusivement de la masse des matières à mesurer dans le courant de masses constitué par les matières à mesurer et par un gaz et que, de ce fait, le débit effectif est facile à mesurer. La relation entre le débit et la variation du moment de rotation est tellement nette qu'il n'est pas nécessaire d'étalonner le dispositif de mesure et qu'on peut déterminer sans difficulté par le calcul une courbe ou échelle de mesure. Pour illustrer le mécanisme du procédé suivant l'invention, on se propose de mettre en évidence ci-dessous par le calcul la relation existant entre la masse du produit mesuré dans le courant de masses à mesurer et la variation du moment de rotation. Un éliment de masse dm du courant de masses matérielles qui se trouve,sur le disque, i une distance du centre du disque ( corps de référence) comprise entre et rtdr subit l'action de la force de Coriolis imprimée par les pales directrices et définie, du point de vue physique, par ldgnlité expression dans laquelle dk est la partie de la force de Ooriolis due à cm 63 , le vecteur de la vitesse annulaire et fi , le vecteur de la vitesse relative des particules sur le disque. Comme, conformément à ltinvention, 9 et cs sont perpendiculaires l'un à l'autre, on a Comme k n'a qu'une composante tangentielle, k est perpendiculaire à r. Par conséquent, pour le calcul de dk comme pour relut du moment de rotation, on peut renoncer aux vecteurs et on a dans ce cas dk = 2 dm .M V L'élément de masse dm se définit de la manière suivante: si l'on désigne par q la section d'écoulement du courant contenant plusieurs phases sur le corps de référence à la distance r du centre, dm est donné par l'égalité : dm = q . d . dr d étant la densité du courant de masses, car q . dr est l'élément de volume et d la densité du courant contenant plusieurs phases dans cet élément de volume et le produit des deux est l1 élément de masse dm. On a donc : dk = 2 . q . d . v .63. dr Nais q . d O v n'est autre que le courant de masses cherché qui, puisqu'il sort autant de masse d'un élément de vo volume qu'il y en est entré, est forcément indépendant du rayon. On a donc t dk = 2. m. #. dr et m = X = le courant de masses cherché. dk produit un moment de freinage du disque égal à = 2 . m . . r. dr Le moment de freinage global s'obtient par in tégration par rapport au rayon r du disque IL étant le rayon extérieur du disque. La relation existant entre le courant de masse i et le moment de rotation X s'exprime donc par l'équation extrOme- ment simple t X, On constate que, dans le procédé suivant llin- vention, il suffit de mesurer le moment d'entraînement du corps de référence en tenant compte du moment de rotation à vide ou la variation du moment de rotation entre l'état de marche à vide et l'état de marche en charge. On peut y arriver par exemple, au niveau de l'arbore d'entrainement du corps de référence, au moyen de jauges à fil résistant. Du fait que la mesure directe du débit du courant de masses s'effectue indépendamment de sa densité et de sa vitesse, le procédé suivant l'invention convient particulièrement à des mesures de débit de courants gazlsolide, liquide/solide ou gaz/liquide/solide pour la détermination de la phase lourde (solide ou solide et liquide). Les dépits qui peuvent se produire dans les canalisations d'amenée ne présentent dans ce cas aucun inconvénient et les dépits qui se produisent sur le corps de référence n'ont aucune influence notable sur le résultat des mesures. Enfin, un autre avantage du procédé suivant l'invention consiste en ce que la relation directe entre le moment de rotation utilisé comme signal de mesure et le débit des masses permet une sommation simplifiée et une détermination facile de la masse totale. Le corps de référence est constitué de préférence par un disque muni de pales directrices orientées dans le sens radial et ces pales directrices projettent les matières à mesurer, liquides, pulvérulentes ou en grains, de préférence dans une direction perpendiculaire à leur direction d'arrivée, c'est-àdire essentiellement dans une direction perpendiculaire à l'axe de rotation. Le corps de référence ou disque peut Btre entraîné par un moteur électrique et on peut, pour une vitesse de rotation constante, mesurer la consommation d'énergie du moteur électrique due à la force d'inertie. La mesure de la consommation d'énergie est très simple et peut s'effectuer, par exemple, en déterminant la consommation de courant puisque la tension est normalement constante.La consommation de courant représente alors un signal dépendant du débit et on peut également, lorsque ltentratnement est assuré par un moteur électrique, maintenir constante la consommation d'énergie et mesurer la variation de la vitesse de rotation, bien que celle-ci ne soit pas linéaire Dans la mesure où l'on ne veut ou ne peut pas mesurer le courant de matières total, il suffit de dériver du courant principal un courant partiel déterminé et d'en mesurer le débit par le procédé qui fait l'objet de l'invention0 Un simple calcul permet alors de déterminer le débit du courant total à partir du débit du courant partiel. Un appareil pour l'application du procédé qui fait l'objet de l'invention peut être constitué par exemple par une chambre de mesure associée à une canalisation d'amenée du courant des matières à mesurer et à un corps de référence placé devant l'orifice de la canalisation d'amenée et animé d'un mouvement de rotation pour la détermination du moment de rotation ou d'une gran deur * sique qui en ddpend.Le corps de référence est constitué de préférence par un disque muni de pales directrices orientées dans le sens radial, le moteur électrique entrnant le disque pouvant etre placé à l'txtérieur de de la chambre de mesure pour qu'il ne soit pas exposé à l'action des matières à mesurer.Les bords extérieurs des pales directrices, disposées de préférence les unes au-dessous des autres et à la mdme distance les unes des autres, peuvent alors entre parallèles à l'axe de rotation du disque. Pour pouvoir recevoir tout le courant de masses ou le courant partiel, il faut en principe que le diamètre du corps de référence soit plus grand que le diamètre du courant de masses ou de la canalisation d'amenée. L'invention est décrite d'une manière plus dé taillée au moyen du dessin qui représente un exemple de réalisation. La figure est une coupe d'un appareil conforme à l'invention représenté schématiquement. La figure 2 est une représentation graphique de la relation existant entre le débit et la consommation de courant électrique pour deux courants de masses différents. L'appareil de mesure qui fait l'objet de l'in- vention est constitué par une-chambre de mesure 1 associée à une canalisation d'amenée 2 du courant de masses 3. Devant l'orifice de la Danalisation d'amenée 2 se trouve un corps de référence ayant la forme d'un disque 4 qui est monté à l'extrémité d'un arbre entrané par un moteur électrique 6. Le moteur 6 est relié, par l'intermédiaire d'un appareil de mesure 7, pour la mesure de la consommation d'énergie, par exemple d'un ampèremètre, à une source de tension. L'arbre de moteur 5 traverse la paroi de la chambre de mesure en passant dans un manchon 8 assurant une étanchéité complète aux poussières et/ou aux liquides. Les matières dont on doit mesurer le débit ou matières à mesurer qui viennent par la canalisation d'amenée 2 arrivent directement, au niveau de l'orifice de la canalisation 2, dans la chambre de mesure 1, sur des pales directrices 9 du disque 4, qui reçoivent les matières à mesurer et les projettent radialement dans le sens de la flèche 10; ce mouvement est facilité par une forme convenable de la surface de réception du disque; c'est ainsi que la surface du disque peut être conique ou concave, ce qti donne des résultats particulièrement satisfaisants dans le cas d'un courant de matières ayant tendance à s'agglutiner et à mal s'écouler. Pour les courants de matières très fluides ou pour les liquides on peut, par contre, donner à la surface d'impact une forme convexe.Les pales directrices peuvent également avoir une forme adaptée à la fluidité des matières à mesurer, par exemple hêtre courbes. Le diagramme de la figure 2 représente, sous la forme d'une droite, la relation, déterminée par le calcul, entre le débit et la consommation d'énergie ou de courant et indique par ailleurs, par des points la mOme relation déterminée par des essais effectués en utilisant un courant de grenaille de plomb et un courant d'eau et d'air. On voit qu'il y a concordance exacte entre les valeurs calculées et les résultats des mesures effectuées au cours des essais. D'autres essais ont été effectués en utilisant un appareil de mesure du type représenté par la figure 1. Dans ces essais, le diamètre du disque était de 10 cm et la vitesse de rotation du disque était de 25 tours par seconde, ce qui correspond à une vitesse annulaire de 157. L'appareil de mesure était alimenté par un courant de chaux pulvérulente fluidisée, à raison de 8 kg par seconde, ce qui correspond à une consommation d'énergie, calcul d'aprbs l'équation M = L = . iE 2.sur2 = 1572.8. 0.052, de 502 watts. La consommation d'énergie effectivement mesurée a été de 505 watts et ne s'écarte donc que d'une quantité insignifiante de la valeur calculée. L'essai décrit ci-dessus et le diagramme de la figure 2 montrent avec quelle précision il est possible, en utilisant le procédé suivant l'invention, de mesurer un débit sans qu'il soit nécessaire d'engager des dépenses spécialement importantes. On peut au contraire installer un appareil du type repré senté par la figure 1 pratiquement partout où il s'agit de faire des mesures sur des courants de masses ou de matières en vrac. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure du débit d'un courant de matières comportant plusieurs phases constituées par un solide pulvérulent, un gaz et/ou un liquide, caractérisé en ce que le courant des masses est amené, dans une direction à peu près axiale, sur la surface, munie d'éléments de guidage, d'un corps de référence animé d'un mouvement de rotation et en ce que l'on mesure la variation du moment d'entraitnement du corps de référence ou d'une grandeur physique qui en dépend. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on mesure le moment de rotation au niveau de 11 arbre d'entraSne- ment du corps de référence. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le corps de référence est entraSné par un moteur électrique et que l'on mesure, pour une vitesse de rotation constante, la variation de consommation d'énergie du mateur. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications I ou 2, caractérisé en ce que le corps de référence est entraîné par un moteur électrique et que l'on mesure, pour une valeur constante de la consommation d'énergie, la variation de la vitesse de rotation du moteur. 5. Procédé selon l'une quelconque ou plusieurs des reven diction 1 à 4, caractérisé en ce que l'on dirige sur le corps de référence en rotation une partie déterminée du courant des masses. 6. Appareil pour l'application du procédé selon l'une quelconque des revendications I k 5, caractérisé par une chambre de mesure 1 associée à une canalisation d'amenée 2 2 et à un corps de référence 4, 9 animé d'un mouvement de rotation placé devant l'orifice de la canalisation d'amenée 2 et associé à un appareil de mesure 7. 7. appareil selon la revendication 6, caractérisé par un disque 4 muni de pales directrices 9 orientées dans une direction radiale et commandé par un moteur électrique 6 monté d 11 extérieur de la chambre de mesure 1. 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que les bords extérieurs des pales directrices 9 sont parallèles à phase de rotation du disque 4 et/ou en ce que les pales directrices 9 sont disposées les unes au-dessous des autres et/ou dsune manière régulière. 9. Appareil selon l'une quelconque ou plusieurs des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le diamètre dù corps de ré férence est plus grand que le diamètre du courant des masses 3o