Brevet FR2393311A1 — publié le 19781229

L'invention concerne un procédé pour mesurer la vitesse d'écoulement massique d'un courant de fluide, qui peut être un gaz ou un liquide, dans un conduit, et des débitmètres pour effectuer ces mesures. L'invention est applicable à la mesure d'une large gamme de courants de fluides. Par exemple, elle peut être associée à un moteur à combustion interne pour mesurer ltecoulement massique à l'admission d'air du moteur, dans des conditions variables de température et de pression. Cette mesure peut être utilisée pour le contrôle du mélange air/combustible introduit dans la chambre de combustion, c'est-à-dire pour contrôler soit la vitesse d'injection, soit la quantité de pétrole injectée en fonction du courant d'air mesuré, de façon à fournir un mélange ayant la richesse voulue, avec la possibilité de régler cette richesse pendant certaines parties du cycle de fonctionnement. L'invention fournit un débitmètre simple qui peut être utilise pour le contrôle du système d'injection d'un moteur à combustion interne, en permettant de contrôler directement la vitesse ou la quantité de combustible en fonction de la consommation d'air du moteur, plutôt que par mesure d'un paramètre indirect tel que la fréquence de rotation du moteur, la vitesse de l'air ou le taux volumique d'écoulement avec la correction nécessaire de la pression et de la température au collecteur. Dans sa plus large conception, l'invention consiste à imprimer un moment transversal au courant de fluide sur la quasitotalité de la section transversale du conduit,au moyen d'un rotor animé d'un va-et-vient linéaire dont les oscillations de va-et-vient sont transversales à la direction de l'écoulement du fluide, et à mesurer l'énergie dissipée dans le courant de fluide par le va-etvient du rotor lorsqu'il imprime le moment transversal précité au fluide. On peut voir que le taux de dissipation de l'énergie est proportionnel à la vitesse d'écoulement massique du courant de fluide ainsi déplacé. Ainsi, suivant un aspect de l'invention, un procédé pour mesurer la vitesse d'écoulement massique d'un courant de liquide ou de gaz (appelé ci-après simplement "fluide") qui s'ecoule dans un conduit, au-moyen d'un rotor en forme de grilleiterposé dans le trajet d'écoulement du fluide dans le conduit, la quasi-totalité du courant de fluide traversant la surface d'écoulement délimitée par la périphérie de la grille-rotor, consiste à obliger le rotor à se déplacer linéairement en va-et-vient dans le conduit, transversalement au sens d'écoulement du fluide, d'une manière et dans une direction telles qu'on imprime un moment transversal à la quasitotalité du courant de fluide lorsqu'il traverse le rotor, à mesurer continuellement ou de façon intermittente l'énergie dissipée dans le courant de fluide par le va-et-vient du rotor, et à dériver de cette mesure d'énergie une mesure de la vitesse correspondante d'écoulement massique du fluide. La mesure de l'énergie dissipée par le va-et-vient du rotor peut être faite en soumettant ce dernier à une oscillation forcée, à une fréquence et à une amplitude de va-et-vient contrôliées, et en mesurant l'énergie nécessaire pour maintenir cette oscillation forcée. Le rotor est de préférence suspendu élastiquement et entraîné à une fréquence contrôlée qui correspond à la fréquence résonnante d'oscillation de la masse du rotor et de son système de suspension pour des oscillations de ce genre. Dans un autre mode de réalisation, le rotor suspendu élastiquement est excité par intermittence afin de se déplacer en va-et-vient, dans une oscillation non forcée, à la fréquence naturelle de sa masse et de son système de suspension, et la mesure de l'énergie est faite en permettant à l'oscillation ainsi produite de s'affaiblir et en mesurant le taux d'affaiblissement de l'oscillation lorsqu'il est amorti par le courant de fluide, ce taux étant en rapport avec l'énergie imprimée au courant de fluide par le vaet-vient du rotor. D'après un autre aspect de l'invention, un débitmètre pour mesurer la vitesse d'écoulement massique d'un courant de fluide à travers un conduit, comprend un rotor en forme de grille place dans le conduit de façon a s 'étendre sur la quasitotalité de la surface d'écoulement du conduit, afin que la quasitotalité du courant de fluide traverse le rotor, des moyens pour obliger le rotor à se déplacer linéairement en va-et-vient dans le conduit, transversalement au sens d'écoulement du fluide et d'une manière et dans une direction telles qu'il imprime un moment transversal à la quasi-totalité du courant de fluide qui le traverse, et des moyens pour mesurer l'énergie dissipée dans le courant de fluide par le va-et-vient du rotor et pour en dériver une mesure de la vitesse correspondante d'écoulement massique du fluide. Le rotor peut comprendre une grille formée d'aubes minces disposées de champ par rapport au courant de fluide. Les aubes peuvent être rectilignes et parallèles, et séparées les unes des autres en formant une série à angle droit avec-le sens de vaet-vient linéaire.du rotor, ce va-et-vient se faisant dans le plan général de la grille du rotor. En variante, les aubes peuvent avoir une structure alvéolaire. Dans le cas ou le. rotor va èt vient en continu à une fréquence et une amplitude contrôlées, un mode d'entraînement ap proprié peut être du type électromagnétique comportant un circuit conjoncteur-disjoncteur, et l'énergie électrique consommee par la commande pour maintenir l'oscillation peut être mesurée. Des débitmètres suivant le principe de l'invention peuvent être utilisés dans un grand nombre de domaines, par exemple 1- pour mesurer la vitesse d'écoulement massique de 1' air à l'admission d'un moteur à combustion interne, dans des conditions variables de température et de pression 2 - pour mesurer l'écoulement d'un gaz dans un environnement hostile, par exemple pour mesurer la vitesse d'écoulement massique des gaz d'échappement d'un moteur 3 - comme débitmètre pour une masse gazeuse, en usage commercial dans l'industrie pétrochimique 4 - comme débitmètre à potentiel pour mesurer des écoulements biphasés. L'invention peut être mise en oeuvre en pratique de dif férentes façons, et l'on va décrire ci-après certains modes de réalisations spécifiques, à titre d'exemples et avec référence aux dessins annexés, sur- lesquels Les figures A et 1B sont des schémas montrant, respectivement en coupe longitudinale et en coupe transversale à travers l'écoulement de gaz, le principe général d'un débitmètre suivant l'invention. Les figures 2A et 2B sont--respectivement des vues de face et de profil d'un type rotor. La figure 3 est un graphique montrant le coefficient d'entraînement du rotor en fonction de la fréquence de l'amplitude; La figure 4 -est un graphique donnant la vitesse d'écoulement massique mesurée d'un courant d'air, en fonction d'une tension de commande à transducteur dans un essai expérimental simple. La figure 5 est un schéma de blocs d'un autre débitmètre suivant l'invention. Comme le montrent les figures 1A et 1B, le principe de base du débitmètre de masse suivant l'invention implique 1 'exis- tence d'un rotor approprié, représenté schématiquement en 10, ayant un certain nombre d'aubes parallèles minces 11 qui forment une grille à profil circulaire s'étendant sur la quasi-totalité de la section d'écoulement d'un gaz dans un conduit 12, par exemple l'admission d'air à un moteur. Le rotor 10 est monté de façon mobile, dans le conduit 12, à un dispositif de suspension 13, avec ses aubes 11 disposées de champ par rapport au courant gazeux, le conduit 12 permettant le va-et-vient linéaire du rotor dans une direction à angle droit avec les longueurs des aubes 11, et à angle droit avec la longueur du conduit 12 et du courant de gaz qui s'y produit.Les aubes parallèles 11 ont leur largeur parallè- le à la direction de l'écoulement tranquille du gaz dans le conduit, qui est indiquée par les flèches 16. Par exemple, le rotor peut être monté aux extrémités d'une paire de ressorts en lames 13. Un transducteur de commande 14, de préférence à contrôle par réaction de l'amplitude, est associé au rotor 10 pour l'entraîner en oscillations linéaires à mouvement harmonique simple, dans la direction représentée par la flèche double 15, c'est-à-dire à angle droit avec l'écoulement du gaz, et à une fréquence prédéterminée et à une amplitude constantecontrôlée. L'énergie nécessaire pour maintenir cette -oscillation correspond à l'énergie dissipée par le rotor pour imprimer un moment linéaire transversal au courant de gaz qui franchit les aubes du rotor en va-et-vient transversal. L'énergie nécessaire pour actionner le rotor dans ces conditions est directement proportionnelle à l'écoulement massique de gaz. Si : M = vitesse d'écoulement massique, v = vitesse instantanée du rotor, V = vitesse maximale du rotor, t = temps, T = durée du cycle du rotor, et w = fréquence angulaire du rotor en mouvement harnique simple, en supposant alors un mouvement sinusoidal, v = V sin wt (1) et wt = 2 7t (2), le taux instantané de l'énergie cinétique du fluide avec le rotor en va-et-vient est 1 Mv2. 2 L'énergie moyenne dépensée pendant un cycle du rotor est Des équations (1) et (3), il résulte que Energie Mais sîn 2wT = sin 4 # = 0 . Donc : Energie = MV2 ~ MV 4T 4 Ainsi, l'énergie dissipée est directement proportionnelle à la vitesse d'écoulement massique du gaz, et le coefficient - V2 de commande à transducteur est représente par La figure 2 montre une construction pratique du rotor 10, qui peut être moulé par inJection en un matériau plastique, par exemple le polyacétal plastique DELRIN.Le rotor 10 comprend un anneau extérieur 17 ayant la forme d'un tube cylindrique court à paroi mince, avec des bandes de renforcement courbes 18, et les aubes planes rectilignes 11 s'retendent parallèlement sous la forme d'une grille entre l'anneau 17 et les bandes 18, comme représenté. Un arbre central 19 s'étend diamétralement à travers l'anneau 17, qui est moulé avec des saillies de montage 19A diamétralement opposées pour fixation aux ressorts en lames 13. L'ensemble du rotor est moulé en une pièce en matériau plastique, les aubes 11, l'anneau 17 et les bandes 18 ayant tous leur largeur à angle droit avec l'arbre 19. La longueur axiale du rotor, c'est-à-dire la largeur des aubes 11, est de 10 mm, et un rapport hauteur/longueur de 1 à 10 nécessite un espacement de 1 mm entre des aubes paral lèles adjacentes, qui peuvent être épaisses de 0,25 mm. Le rotor a un diamètre extérieur de 50 mm et une masse d'environ 10 grammes. Un tel rotor résiste à des accélérations inverses de 1000 g, et la fréquence naturelle des aubes individuelles peut être maintenue très au-dessus de la fréquence de fonctionnement. Le"passage" de 1 mm entre les aubes a été trouvé suffisamment faible pour qu' un mouvement correct soit imprimé à la masse d'air, plutôt que la production d'ondes de pression. La figure 3 montre le rapport entre la frequence (en Hz) et l'amplitude (en mm) d'oscillations du rotor pour une accélération de 1000 g, mesurées toutes deux en abscisses, et le coeffi cient d'énergie d'entraînement 4 mesuré en ordonnées. Ce graphi 4 czue concerne l'utilisation du débitmètre pour mesurer l'ecoule- ment massique de l'air d'admission à un moteur à essence de 2 litres, en utilisant le rotor 10 des figures 2A et 2B.La fréquence minimale d'oscillation du rotor est fixée au-dessus de 200 Hz, et pour une fréquence choisie de 400 Hz, une amplitude minimale de 3,11 mm donnerait huit balayages par tour de moteur à la vitesse maximale de celui-ci dans. un cas typique, et une énergie d'entraînement du rotor due 10 à 400 mW. I1 ne semble pas qu'un joint étanche mécanique soit nécessaire entre le rotor 10 et la paroi 12, car un faible jeu de 0,25 à 0,5 mm ne laisserait passer qu'une proportion insignifiante de gaz. Le système d'entraînement et de transducteur à réaction peut être du type bobine électromagnétique avec un circuit conjoncteur-disjoncteur, en raison de l'amplitude relativement grande qui est nécessaire, la fréquence naturelle du rotor suspendu 10 servant de base de temps. Dans une réalisation très simple construite uniquement à titre expérimental, le système d'entraînement comprend des circuits conjoncteurs-disjoncteurs "en cloche" qui contrôlent une bobine électromagnétique utilisez pour faire osciller le rotor 10, avec une entrée de tension variable. L'amplitude est dans ce cas maintenue constante à 5 mm, avec un taux d'écoulement de gaz varia ble, par examen optique et réglage manuel de la tension d'entrée, et la courbe résultante est représentée sur la figure 4. On voit c-u'il existe un bon rapport rectiligne entre le carré de la tension de commande à transducteur et la vitesse M d'écoulement massique de l'air. Le rotor peut avoir une construction quelconque autre que celle qui est représentée. Par exemple,-il peut avoir une structure alvéolaire, et comprendre un certain nombre de tubes cylindriques courts ou de tubes à section carrée, triangulaire ou hexagonale, assemblés côte à côte avec un anneau de support les entourant. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, décrit avec référence à la figure 5, l'admission de gaz 12 est de section interne rectangulaire ou carrée, et le rotor 10 a un profil rectangulaire correspondant,-un peu plus petit que l'inte- rieur du conduit, pour lui permettre de s'y déplacer en va-etvient. Le rotor 10 est suspendu axialement sur un seul ressort à lame 20 monté en 20 A à une extrémité du conduit d'admission 12, et il est excité par intermittence de façon à se déplacer linéairement en va-et-vient à travers le conduit 12 sous l'action d'un arbre de rotation 21 entraîné par un moteur et possédant une seule dent qui frappe par intermittence 11 extrémité libre 20B du ressort en lame 20 pour amorcer un cycle d'oscillation à la fré quence naturelle du rotor suspendu.Le taux d'affaiblissement de l'oscillation, amortie par le courant de fluide, est mesuré et rapporté à l'énergie dissipée par le rotor en grille 10 dans le courant de gaz, et, enconséquence, est rapporté à la vitesse d' écoulement massique du gaz. Les déviations du rotor 10 ou du ressort 20 sont mesurées par un transducteur approprié 23 à capacite ou du type électromagnétique. En variante, le rotor 10 peut être excité parintermit- tence par une impulsion électromagnétique régulièrement rythmée. L'équation du mouvement du rotor est d2s ds m dt2 + M dut + Ks = 0, ou : s = déviation du rotor depuis sa position centrale, K = élasticité du ressort 20, m et M ayant les significations indiquées precedemment. La solution de cette équation est où A est déterminé par Les conditions initiales, et B est une autre constante rapportée au décalage de phase, S représentant l'oscillation décroissantei L'oscillation S mesurée par le transducteur 23 de la figure 5 est une courbe exponen-tielle rectifiée en 24 et lissée par un filtre passe-bas 25,eut qui traverse ensuite un amplificateur logarithmique 26, en produisant un signal en dents de scie dont la pente est - M . Ce signal est envoyé à un amplificateur Ta différentiel 27 qui émet un courant continu de sortie proportion- nel à l'écoulement massique du gaz dans le conduit 12. Ce signal de sortie peut être lu sur un compteur 28. Pendant -la période d'excitation, quand l'amplificateur est excité par la dent de l'arbre 21, cet état est détecté par un capteur de contact électrique 29 associé à l'arbre 21, et la sortie du circuit du transducteur est conservée en 30 jusqu a ce que l'oscillation libre recommence. A titre d'exemple, pour un rotor dont la masse est de 4 grammes et qui résonne à 100 Hz, une oscillation qui diminue de 90% en 0,1 seconde correspondrait à une vitesse d'écoulement d'air de 188 g/sec. Pour une décroissance de seulement 5% en 0,1 seconde, la vitesse est de 4 g/sec. Le compteur peut ainsi avoir un rapport fortement réduit. Un autre procédé pour exciter et mesurer l'oscillation de la grille consiste à utiliser un cristal piezo-électrique relié à un point voisin du pivot 20A du ressort en lame 20. Le jeu existant en X entre l'extrémité du-rotor vibrant et la paroi du conduit 12 qui le reçoit doit être aussi faible que possible, afin d'éviter une fuite de gaz qui ne rencontrerait ainsi pas le rotor. En variante, on pourrait prévoir un soufflet très flexible ou un joint étanche analogue. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour mesurer la vitesse d'écoulement massique d'un courant de fluide, qui peut être un gaz ou un liquide, circulant dans un conduit, et caractérisé en ce qu'on imprime un moment transversal au courant de fluide sur la quasi-totalité de la section transversale du conduit, au moyen d'un rotor animé d' un va-et-vient linéaire dont les oscillations de va-et-vient sont transversales à la direction de l'écoulement du fluide, et qu'on mesure l'énergie dissipée dans le courant de fluide par le va-etvient du rotor. 2.- Procédé pour mesurer la vitesse d'écoulement massicue d'un courant de liquide ou de gaz (appelé ci-après simplement "fluide") qui s'écoule dans un conduit, au moyen d'un rotor en forme de grille placé dans le trajet d'écoulement du fluide dans le conduit, la quasi-totalité du courant de fluide traversant la surface d'écoulement délimitée par la périphérie de la grillerotor, et caractérisé en ce que : a) on oblige ie rotor à se déplacer linéairement en va-et-vient dans le conduit , transversalement au sens d'écoulement du fluide, d'une manière et dans une direction telles qu'on imprime un moment transversal à la quasitotalité du courant de fluide lorsqu'il traverse le rotor ; b) on mesure continuellement ou de façon intermittente l'énergie dissipée dans le courant des fluide par le va-et-vient du rotor ; et c) l'on dérive de cette mesure d'énergie une mesure de la vitesse correspondante d'écoulement massique du fluide. 3 - Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, ca ractérisé en ce que la mesure de l'énergie dissipée dans le courant de fluide est réalisée en soumettant le rotor à une oscillation forcée, à une fréquence et à une amplitude de va-et-vient contrôliées, et en mesurant l'énergie nécessaire pour maintenir cette oscillation forcée. 4 - Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le rotor est suspendu de façon élastique et en ce qu'on entraîne ce rotor à la fréquence résonnante d'oscillation de la masse du rotor et de son système de suspension pour des oscillations de ce genre. 5 - Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caracterisé en ce que : a) le rotor est suspendu de façon élastique; b) la mesure de l'énergie dissipée dans le courant de fluide est obtenue en excitant par intermittence le rotor pour l'obliger à se déplacer en va-et-vient, dans une oscillation non forcée, à la fréquence naturelle de sa masse et de son système de suspension ; c) l'on permet à l'oscillation de décroitre ; et d) on mesure le taux d'affaiblissement de l'oscillation lorsqu'elle est amortie par le courant de fluide. 6 - Débitmètre pour mesurer la vitesse d'écoulement massique d'un courant de liquide ou de gaz- (appelé ci-après simplement "fluide") à travers un conduit, caractérisé en ce qu'il comprend : a) un rotoren forme de grille placé dans le conduit de façon à s'étendre sur la quasi-totalité de la section d'écou- lement du conduit, afin que la quasi-totalité du courant de fluide traverse le rotor ; b) des moyens pour obliger le rotor à se déplacer linéairement en va-et-vient dans le conduit, transversalement au sens d'écoulement du fluide et d'une manière et dans une direction telles qu'il imprime un moment transversal à la quasi-totalité du courant de fluide qui le traverse ; et c) des moyens pour mesurer 1 r energie dissipée dans le courant de fiuide par le va-et-vient du rotor et pour en dériver une mesure de la vitesse correspondante d'écoulemènt massique du fluide. 7 - Débitmètre suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens pour produire le va-et-vient linéaire du rotor le soumettent à une oscillation forcée, à une fréquence et à une amplitude contrôlées, et en ce que les moyens pour mesurer l'énergie dissipée dans le courant de fluide comprennent des moyens pour mesurer l'énergie utilisée pour maintenir cette oscillation forcée. 8 - Débitmètre suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le rotor est suspendu élastiquement dans le conduit, et en est entraîné à la fréquence résonnante de sa masse de son système de suspension pour des oscillations du type précité. 9 - Débitmètre suivant l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que les moyens pour entraîner le rotor comprennent une commande électromagnétique avec un circuit conjoncteurdisjoncteur et avec un contrôle d'amplitude par réaction. 10 - Débitmètre suivant la revendication 6, caractérisé en ce que : a) le rotor est suspendu élastiquement ; b) les moyens pour produire le va-et-vient lineaire du rotor comprennent des moyens pour obliger par intermittence le rotor à osciller librement à la fréquence naturelle de sa masse et de son système de suspension et pour permettre à cette oscillation de décroitre et c) les moyens pour mesurer l'energie dissipee dans le courant de fluide comprennent des moyens pour mesurer le taux d'affaiblissement de l'oscillation lorsqu'elle est amortie par le courant de fluide. 11 - Débitmètre suivant l'une=des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que le rotor est constitué par une grille formée d'aubes minces disposées de champ par rapport au courant de fluide. 12 - Débitmètre suivant la revendication 11, caractérisé en ce que les aubes sont rectilignes et parallèles et sont espacées les unes des autres en formant une série qui s'étend à angle droit avec la direction duva-et-vient linéaire du rotor. 13 - Débitmètre suivant l'unie des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que le rotor est constitué par une grille à structure alvéolaire. 14 - Débitmètre suivant la revendication 13, caractérisé en ce que la grille du rotor est constituée par un ensemble de tubes à extrémités ouvertes assemblés côte à côte les uns aux autres de façon à former une matrice 15 - Debitmètre suivant lrune des revendications 10 à 14, caractérisé en ce que la grille du rotor est enfermée à 1' intérieur d'un anneau périphérique de support.