Brevet FR2363784A1 — publié le 19780331

La présente invention est du domaine des appareils de mesure, et notamment de mesure des débits de fluides au moyen de débitmètres dits " à induction de vortex" et elle a plus précisément pour objet un dispositif permettant d'adapter le capteur de ces débitmètres à une plage très étendue de débit. On sait en effet que les débitmètres sus mentionnés eYigent,pour pouvoir fonctionner correctement,que que le fluide soit animé d'une certaine vitesse ; bien entendu on peut toujours concevoir un débitmètre dont l'échelle soit adaptée à une plage de débit, mais on conçoit aussi que multiplier les modèles et les tailles de ces appareils contribue à en augmenter le cott Aussi l'idée directrice qui a guidé la demanderesse dans sa demar, a-t-elle été de concevoir des moyens pour adapter un débitmètre dlune taille donnée à un débit donné, ces moyens devant pouvoir être facilement mis en place, et retirés, dans des débitmètres de dimensions standards, de tels moyens pour, cette raison, seront appelés adaptateurs. Selon la présente invention un adaptateur pour débitmètre à induction de vortex incorporant un tube d'écoulement formant un passage cylindrique à travers lequel peut passer le fluide dont on veut mesurer le débit, et un obstacle compositemonté dans le tube pour créer des vortex dont la fréquence est fonction de la vitesse d'écoulement, le dit obstacle composit::incorporant un bloc disposé en travers du tube perpendiculairement à la direction d'écoulement, est principalement caractérisé en ce quril comprend des moyens pour réduire la section effective de passage, ce par quoi le dit débitmètre rend compte de vitesses d'écoulement qui se trouveraient situées au-dessous de la plage normale de travail du débitmètre, les dits moyens pouvant entre de préférence constitués par une paire de languettes disposées longitudinalement dans le dit tube d'écoulement de part et d'autre du dit bloc ;; de préférence encore les dites languettes sont supportées par une collerette destinée à être appliquée contre une bride de fixation dont est pourvu le tube d'écoulement à son entrée, l'extrémité d'entrée des dites languettes étant ehanfreinée.- ou incurvée pour éviter une transition brutale de la section effective d'écoulement. Le tube d.'écoulement etant un tube cylindritueS deux formes de réalisation desdites languettes sont proposées ; selon une première forme de réalisation lesdites languettes sont des segments longitudinaux de cylindre qui épousent le diamètre du tube d'écoulement, les faces planes desdites languettes s'étendant de façon parallèlle pour former un passage réduit ayant une section sensiblement rectangulaire ; selon une seconde forme de réalisation lesdites languettes ont une section transversale en arc de couronne circulaire qui épouse la p-roi intérieure du tube d'écoulement ;; de préférence lesdites languettes sont constituées d'un matériau passif à l'égard du fluide dont on mesure le débit. La présente invention sera mieux comprise et des détails supplémentaires apparaitront à la description de formes préférées de réalisation, qui va être faite en relation avec les figures de la planche annexée dans laquelle : La Fig. 1 est une coupe longitudinale d'une forme préférée de réalisation d'un débitmètre à vortex pourvu d'un adaptateur. conforme à l'invention. La Fig. 2 est une représentation en perspective d'un adaptateur isolé. La Fig. 3 est une section transversale selon les lignes 3-3 de la Fig. 1. La Fig. 4 illustre comment l'adaptateur de la Fig. 2 peut être mis en place-et, La Fig. 5 est une section transversale d'une variante d'exécution d'un adaptateur de l'invention. Sur les Fig. 1 à 3 apparait une forme connue de débitmètre à induction de vortex, le débitmètre comprenant un tube d'écoulement 10, un obstacle composite désigne d'une façon générale par Il et un capteur 12 qui peut être constitué par des jauges de contrainte supportées par l'obstacle. Le tube d'écoulement 13 comporte des brides de fixation 10 Â et 10 B à chacune de ses extrémités, grâce auxquelles le débitmètre peut entre interposé sur un conduit, les brides respectives étant boulonnées sur des brides complémentaires du conduit amont et du conduit aval. Le tube 10 a une section transversale circul aire et comporte une entrée par laquelle, le fluide dont on veut mesurer le débit, est introduit. Le fluide entrant rencontre un obstacle composite Il qui partage l'écoulement, en produisant des perturbations fluidiques en forme de couloir de vortex de Karman. La nature de ce phénomène est exposée dans un texte de Y. SGHLICBnNG "Boundary layer theory" (Mc Graw-13ill, 1960), Les oscillations fluidiques résultantes dans le sillage aval, représentées schématiquement en 14, sont perçues par une jauge de contrainte ou tout autre capteur en vue de produire un signal électrique.Le signal du capteur est appliqué à un indicateur, ou à un enregistreur, 15 pour donner des lectures de vitesse d'écoulement. L'obstacle composite Il se compose d'une partie frontale 16 et une partie arrière 17 rattachée à la partie frontale par un support en porte-à-faux 18 qui peut être constitué par une paire d'aiguilles résilientes ; la partie frontale 16 est un bloc allongé à extrémités arrondies ayant une section triangulaire, ou en forme de delta, qui est constante tout ad long de l'axe longitudinal du bloc, cet axe étant perpendiculaire à l'axe d'écoulement dans le tube. Les extrémités arrondies de la partie frontale sont assujetties aux parois du tube d'écoulement et de ce fait la partie frontale est calée de façon fixe dans le conduit. Le sommet du bloc fait face au fluide entrant, les côtés inclinés formant des déflecteurs qui sont balayés par le fluide en écoulement pour créer des vortex. 'invention n'est pas limi tée aux seuls obstacles de cette forme mais elle s'étend aux obstacles de formes variées décrits antérieurement. La partie arrière 17 est une forme non profilée qui, dans cette forme de réalisation, est en forme de plaque et elle est maintenue en porte-à-faux par un support 18 solidaire de la partie frontale ; le plan de la plaque est parallèlle au plan de base du bloc. La forme de la partie arrière est telle qu'elle interfère avec le couloir de vortex, la cavité ou vide 19 créé entre la section frontale et la section arrière tendant à piéger les vortex et à renforcer et stabiliser le couloir des vortex produits. Du fait que la partie arrière 17 est soutenue en porte-à-faux au moyen d'aiguilles résilientes, elle peut prendre un mouvement d'oscillation. Les aiguilles bien que fonctionnant comme des 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 du conduit, la partie arrière est excitée en vibration à une fréquence èorrespondant à la fréquence des oscillations. La résonance naturelle de la partie arrière oscillante est telle qu'elle est largement extérieure à la plage normale des fréquences du débitmètre et de ce fait les pics de résonance mécanique sont absents et ltamplitude du mouvement de vibration reflète de façon précise l'amplitude des oscillations du fluide. Du fait que le système oscillant est relativement rigide, l'amplitude maximale de la partie arrière est minime même avec de très grandes amplitudes d'oscillation du fluide, de telle sorte que la fatigue du métal des aiguilles résultant du mouvement vibratoire, est minimisée et des défaillances ne peuvent avoir lieu même après un temps pro long4' d'utilisation. On doit noter que l'amplitude des oscillations de la partie arrière est d'une importance tout-àrfait secondaire puisque la vitesse d'écoulement est fonction de la fréquence et non de l'amplitude de la vibration. Par cons8euent, tandis que l'amplitude de la vibration est choisie la plus petite possible en vue d'assurer une fiabilité acceptable il n'y a pas lieu de craindre une difficulté de lecture lors des variations de la fréquence. Â partir de la relation de base du nombre de Strouhal pour des corps inducteurs de vortex, la fréquence d'oscillation est approximativement égale à 0,22 (l) dans laquelle : V est la vitesse relative du corps D est sa largeur. Les jauges de contrainte s'étendent entre la partie frontale et la partie arrière, le long des aiguilles supports et sont périodiquement sollicitées lors des vibrations de la partie arrière pour produire un changement correspondant de résistance En connectant les deux jauges de contrainte en série dans un montage en pont, le changement périodique de la résistance est converti en un signal électrique dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse d'écoulement. De telles jauges de contrainte peuvent mettre en oeuvre un fil ou autre organe dont la résistance électrique change en fonction de la contrainte qui lui est imposée puisque, par exemple, lorsqu'un fil est étiré sa longueur et son diametre sont modifiés avec comme résultat une modification de sa valeur ohmique.On peut également réaliser les jauges de contrainte selon des techniques de l'état solide tel que techniques des semi-oonducteurs. Dans la pratique on utilisera une seule jauge de contrainte pour fournir un signal représentatif de la vitesse d'écoulement. Selon une forme préférée de réalisation, le capteur est un cristal piézoélectrique ou un détecteur électrostrictif qui est disposé le long ou à l'intérieur des aiguilles de telle façon qu'il soit périodiquement sollicité pour produire un signal de sortie dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse d'écoulement.Le type partie culier d'obstacle composite et la nature du capteur ne font pas l'objet de la présente invention mais sont décrits à seule fin de la mieux situer et l'on doit comprendre que l'adaptateur est utilisable atec n'importe quel type connu de débitmètre à induction de vortex. PIoekIERE FOUIE DE EAT.TSI DE LE L'ADAPTATEUR- - Selon cette première forme de réalisation de l'aMaptateur tel que représenté sur les figures 1 et 2, l'adaptateur selon l'invention, référencé dans son ensemble par 20, est constitué par une paire de languettes massives 21 A et 21 B ayant la forme de segments longitudinaux de cylindre. Pour faciliter l'insertion des languettes à l'intérieur du tube d'écoulement 10 du débitmètre, les languettes sont solidaires à leurs extrémités d'entrée d'une collerette 22 dont les dimensions correspondent à la bride 10 A du tube d'écoulement. Ainsi lorsque les languettes sont insérées à l1inté- rieur du tube d'éeoulenent la collerette 22 prend appui contre la bride 10 A, un joint étant inséré, tel que décrit plus loin. La forme cylindrique de laquelle ont été tirées les languettes 21 A et 21 B épouse le passage cylindrique à l'intérieur du tube d'écoulement 10. Les languettes 21 A et 21 B sont ainsi disposées de telle façon que ls face plane de chacune soit parallèle à celle de l'autre, les languettes occupant des positions diamétralement opposées dans le passage d'écoulement au-dessus et audessous du bloc 16 de l'obstacle composit.Les languettes sont constituées de préférence d'un métal ou d'une matière plastique de bonne résistance mécanique et qui est passif à l'égard du fluide qui circule. Ainsi le passage d'écoulement qui normalement est de section transversale circulaire est ramené par les languettes à un passage réduit ayant une section transversale sensiblement rectangulaire. La réduction de section dépend bien entendu de la géométrie des languettes insérées dans le passage. En utilisant des languettes qui sont des segments plus importants on peut créer une plus grande réduction de passage. La fonction des languettes 21A et 213 est de modifier la section de passage du fluide dans le tube d'écoulement au droit de l'obstacle ; de ce fait,pour un débit donné, plus la section de passage est petite, plus la vitesse du fluide au droit du conduit est grande ; ainsi grâce à la presence d'un adaptateur on peut mesurer des débits faibles qui normalement ne s'inscriraient pas dans la plage d'utilisation du débitmètre. En dotant un débitmètre d'un assortiment de tels adaptateurs ayant des languettes de différentes sections transversables, il devient possible d'effectuer des changements de plage de fonctionnement efficace d'un débitmètre et de ce fait le débitmètre et son assortiment d'adaptateurs constituent un débitmètre multi-pla ges, ce qui est plus avantageux qu'un débitmètre ayant une plage de travail déterminée par le diamètre du tube d'écoulement. Les extrémités d'entrée des languettes 21A et 213 sont chanfreinées, ou arrondies, pour éviter une variation brutale de la section transversale du passage d'écoulement d'où il résulte une transition doucie de l'écoulement entre le tube amont auquel le débitmètre est couplé et le passage dans le tube d'écoulement dont la section est réduite 3 cette convergence de l'entrée évite toute turbulence ou modification indésirable du profil des vitesses du fluide entrant dans le tube d'écoulement. On a cependant constaté que la forme sensiblement rectangulaire de la section du passage réduit améliore les caractéristiques dtinduction du corps inducteur puisque ce corps réagit aux parois planes parallèles des languettes qui entrainent un écoulement de largeur uniforme alors qu'avec les parois habituelles arquées du tube d'écoulement il se créait un passage de largeur non uniforme au droit du cowpsinducteur. INSTÂILATl0E iT IISE EN PILOTE L1 ADAPTATEtIR - Dans son installation normale, le débitmètre à induction de vortex est interposé entre une partie amont et une partieaval d'une conduite, les brides 10 A et 10 B du débitmètre étant boulonnées axiz brides correspondantes des sections de conduites. La figure 4 montre seulement la section amont 23 de cette conduite et sa bride 24, la collerette 22 de l'adaptateur 20 interposée entre la bride 24 de la section de conduites et la bride 10 Â du débitmètre, ces trois pièces pouvant etre boulonnées ensemble/ au moyen de boulons 25. Un premier joint d'étanchéité 26 est destiné à être comprimé entre la bride 24 et la collerette 22 et un second joint d'étanchéité 27 est destiné à être comprimé entre la collerette 22 et la bride 10 AS de façon à faire un assemblage étanche. On con çoit ainsi qu'il est très simple d'installer un adaptateur sur le débitmètre. Les trous qui sont prévus dans la collerette de l'adaptateur et dans lesquels passent les boulons d'assemblage servent à positionner correctement les languettes dans le tube d'écoulement. SECONDE FORME DE REALISATION DE L'ADAPTATEUR On doit noter que bien que l'adaptateur, selon sa forme preférée de réalisation, se présente sous la forme de languettes s'étendant longitudinalement à l'intérieur du tube d'écoulement pour en reduire la section de passage, une réductionpanrait etre créépar un diaphragme plat disposé dans l'entrée du tube d'écoule- ment ; mais une telle réduction brutale créerait une turbulence dans le flot entrant eteffaiblirait quelque peu les performances de l1ap- pareil Dans 1' adaptateur montré en figure 3 la réduction de passage est réalisée par une paire de languettes Ri et R2 ayant des sections en arc de couronne circulaire et pouvant être constituées par des segments de tube dont les dimensions sont telles qu'elles épousent la paroi interne du tube d'écoulement ; de ce fait la réduction du passage d'écoulement est déterminée par ltépaisseur de ces sections sans cependant altexer la configuration de la section transversale du passage. Ainsi les languettes réduisent le diamètre effectif du passage circulaire et en dotant le débitmètre d1un assortiment de tels adaptateurs de différentes tailles on peut disposer d'un débitmètre multi-plages. Bien que l'on aitdécrit et montré des formes préférées de réalisation de débitmètres à induction de vortex multi-plages, on devra comprendre que des modifications peuvent leur. être apportées sans pour autant sortir du cadre de l'invention, par exemple, au lieu de languettes montées dans le tube d'écoulement au moyen d'un support en collerette, les languettes pourraient tout aussi bien y être maintenues par tout autre moyen tel que vis passant à travers les parois du conduit. R E V E N D I C A g I O N S 1-. Adaptateur pour débitmètre à induction de vortex incorporant un tube d'écoulement formant un passage cylindrique à travers lequel peut passer le fluide dont on veut mesurer le débits et un obstacle com positzmonté dans le tube pour créer des vortex dont la fréquence est fonction de la vitesse d'écoulement, le dit obstacle composiincor- porant un bloc disposé en travers du tube perpendiculairement à la direction d'écoulement, caractérisé s en ce qu'il comprend des moyens pour réduire la section effective de passage ce par quoi le dit débitmètre rend comp te de vitesses d'écoulement qui se trouveraient situées au-dessous de la plage normale de travail du débitmètre 2-.Adaptateur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les dits moyens sont constitués par une paire de languettes disposées longitudinalement dans le dit tube d'écoulement de part et d'autre du dit bloc ; 3-. Adaptateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dit tube ayant à son entrée une bride de fixation, les dites languettes sont supportées par une col lerette appliquée contre la dite bride de fixation; 4-. Adaptateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'extrémité d'entrée des dites lan guettes est chanfreinée ou incurvée pour éviter une transition bru tale de la section effective d'écoulement ; 5-. Adaptateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dit tube d'écoulement est un tube cylindrique ; 6-. Adaptateur selon la revendication 5 caractérisé en ce que les dites languettes sont des segments longitudinaux de cylindre qui épousent le diamètre du tube d'écoúle- ment cylindrique, des faces planes des dites languettes s'étendant de façon parallèle pour former un passage réduit ayant une section sensiblement rectangulaire; 7-. Adaptateur selon la revendication 5f caractérisé en ce que les dites languettes ont des sections en arc de couronne circulaire, qui épousent la paroi intérieure du tube ; 8-. Adaptateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les dites languettes sont constituées d'un matériau passif à l'égard du fluide dont on mesure le débit.