Brevet FR2390710A1 — publié le 19781208

La présente invention porte sur un débitmètre à induction comportant au moins un électro-aimant produisant un champ magnd- tique alternatif dans la zone d'écoulement et une paire d'élec- trodes reliées à un circuit d'exploitation, ce circuit d'exploitation comportant deux mémoires d'exploration de tension qui sont chargées à des moments différents par la tension de mesure, à laquelle peut être superposée une tension perturbatrice, et dont les signaux de sortie sont envoyés à un amplificateur différentiel Les debitmètres de ce type fonctionnent selon la loi de Faraday, d'après laquelle -un mouvement de porteurs de charge dans un champ magnétique produit une tension électrique.Ceci est réalisé dans la pratique en plaçant à proximitéimmédiate d'un tuyau dans lequel circule le liquide à mesurer un electro-aimant dont le champ magnétique traverse transversalemen le tuyau Sur le tuyau sont placées deux électrodes en vis-à-vis auxquelles on prend la tension à exploiter. Cette tension Utile est proportionnelle à l'induction magnétique B, à la vitesse d'écoulement v et au diamètre d du tube, ce qui peut s'exprimer par la relation suivante Utile Bo v do Cela suppose que les veeteurs représentant la tension UUtiless l'induction B et la vitesse d'é-coulement v sont perpendiculaires entre eux. Malgré la simplicité du principe physique debate, la réalisation pratique de ces débitiètres soulève de grosses difficultés, car la tension de mesure Utile est faussée par une série de tensions perturbatrices. Quand l'électro-aimant fonctionne en courant alternatif, on a les tensions perturbatrices suivantes 1.- Tensions perturbatrices inductives produites par couplage inductif des bobines d'électro-aimant avec le circuit des électrodes0 2.- Courants perturbateurs capacitifs dus aux capacités entre les électrodes et le système magnétique0 Ces perturbations dépendent entre autres de la conductivité entre les électrodes (conductivité du liquide, degré d'encrassement)0 3.- Tensions de polarisation dues aux potentiels différents qui se créent au contact du liquide avec la paroi du tube et les électrodes0 4Q- Courants vagabonds produits par exemple par induction dans le liquide0 Ces courants ont en général la fréquence du réseau (50 Hz ou 16,66 Hz). Ces tensions se superposent à la tension utile Utile' de sorte que pour obtenir une grande précision de mesure du signal utile, il est indispensable de les éliminer. En dehors des débitmètres classiques fonctionnant à 50 Hz, on connatt déjà un débitmètre à induction dont l'électro-aimant produit un champ continu rythmé à une faible fréquence, c 'est-à- dire établi et coupé périodiquement. Comme la variation dans le temps du courant de l'aimant correspond approximativement à une fonction rectangulaire, il se produit à chaque établissement- ou coupure des phénomènes transitoires dont il faut attendre la disparition pour faire la mesure. La mesure de la tension utile se fait pendant donc un court instant, en établissant la différence entre les valeurs instantanées déterminées pendantles périodes d'existence et d'absence du champ magnétique.On sépare la tension continue perturbatrice, qui peut être mille fois la tension utile, de la tension du réseau en formant la différence de deux tensions presque égales, ce qui est difficile du point de vue de la précision d'exploitation. L'emploi d'un champ continu rythmé offre l'avantage que les tensions perturbatrices inductives et capacitives sont nulles. Si l'on utilise au contraire un champ alternatif sinusoldal, il est très difficile de séparer les tensions perturbatrices inductives et capacitives du signal utile. Par ailleurs, l'emploi d'un champ alternatif offre l'avantage que les tensions de polarisation sont éliminées. Selon une proposition non encore publiée, on prévoit un débitmètre à induction qui permet l'emploi d'un circuit d'exploitation très simple et avec lequel le signal utile peut être dé barrassé de toutes les tensions perturbatrices, afin que la précision susceptible outre atteinte soit relativement grande. De menue, il convient en particulier de compenser les dérives de tension continue dues aux amplificateurs nécessaires ou aux tensionsde polarisation. Pour ce faire, on prévoit que l'électro-aimant soit relié à une source de courant qui y produit un champ magnétique périodique croissant et décroissant linéairement, et que les deux mémoires d'exploration de tension soient commandées de façon que la première reçoive dans chaque période de la tension d'électrodes une valeur au voisinage de la valeur de croate supérieure et la seconde une valeur au voisinage de la valeur de crête inférieure. Le champ magnétique croissant et décroissant linéairement apporte les avantages importants suivants 1/- besoin de tension minimum ; 2/- faible puissance absorbée avec un fort courant aux moments d'exploration et grande amplitude de la tension utile ; 3/- le courant est indépendant de la résistance des bobines d'électro-aimant et des conducteurs d'alimentation ; 4/- la tension prenant des valeurs définissables dans le temps une suppression aisée des perturbations est possible. La présente invention a pour but de réaliser un débitmètre à induction du type ci-dessus indiqué permettant de détecter de façon simple les tensions perturbatrices qui se superposent au signal de mesure, et dont la fréquence est de l'ordre de grandeur de la tension de mesure qui varie périodiquement, ou plus élevée afin de supprimer ou d'empêcher l'exploitation de ces tensions perturbatricesJ si elles se présentent, de façon qu'un résultat de mesure, faussé par la tension perturbatrice, ne puisse pas être affiché. Pour atteindre ce but, on prévoit, selon une première variante de réalisation de l'invention, que la tension de sortie de l'amplificateur différentiel soit appliquée à un circuit suppresseur de perturbations qui produit un signal d'arrêt lorsque la composante alternative de ladite tension de sortie dépasse un seuil prédéterminé. ta tension de sortie de l'amplificateur différentiel est une pure tension continue lorsqu'il n'y a pas de tensions perturbatrices. Lorsqu'une composante alternative se superpose à cette tension continue, cette composante est due à des tensions perturbatrices. La détection des tensions perturbatrices se fait alors de façon extrêmement simple par filtrage de la composante alternative de la tension par le signal de sortie de l'amplificateur différentiel. Selon une deuxième variante de réalisation, on prévoit que la tension des électrodes soit appliquée un circuit suppresseur de perturbations qui comporte deux circuits différentiateurs en série et qui produit un signal d'arrêt lorsque le signal de sortie du deuxième circuit différentiateur dépasse un seuil prédéterminé. Lorsque la composante, due à la tension de mesure, de la tension des électrodes crott et décrott linéairement, la dérivée seconde de ce signal doit toujours avoir la valeur 0 pendant les périodes de croissance et de décroissance. Les deux circuits différentiateurs contrôlent que cette condition est bien remplie. Si le signal de sortie du deuxième circuit différentiateur n' a pas la valeur 0 pendant les phases de croissance et de décroissances ceci semble indiquer la présence d'une tension perturbatrice qui se superpose > et dont la dérivée seconde est différente de 0. I1 en résulte une méthode très simple qui permet de reconnattre des tensions perturbatrices dont l'allure s'écarte de l'allure prédéterminée dans le temps du signal de mesure. Pour mieux faire comprendre l'objet de la présente invention, on va en décrire ci-après à-titre d'exemples purement illustratifs et non limitatifs, deux modes de réalisation représentés sur le dessin annexé. Sur ce dessin - la figure 1 montre schématiquement la constitution d'un débitmètre à induction de type connu ; - la figure 2 montre un mode de réalisation d'un circuit d'exploitation, dans lequel la croissance linéaire et la décroissance linéaire du champ magnétique s'effectuent en fonction du temps ; - la figure 3 montre différentes allures de tension et illustre l'élimination de l'influence d'une dérive de tension dans le circuit de la figure 2 ; - la figure 4 montre différents diagrammes de tension destinés à illustrer l'élimination de tensions perturbatrices in inductives et capacitives dans le circuit de la figure 2 - la figure 5 montre une première forme de réalisation du circuit suppresseur de perturbations selon l'invention qui est employé en liaison avec le circuit d'exploitation de la figure 2 ; et - la figure 6 montre une deuxième forme de réalisation du circuit suppresseur de perturbations qui peut également être employée en liaison avec le circuit d'exploitation de la figure 2. Sur la figure 1, contre un tube de mesure 10 en un matériau amagnétique est placée unebobine d'électro-aimant ll qui produit un champ magnétique traversant ce tube 10. A l'intérieur du tube sont placées deux électrodes 12, 13 diamétralement opposées dont la ligne imaginaire de jonction coupe à angle droit le champ magnétique.Ces électrodes 12, 13 sont reliées à l'entrée du circuit d t exploitation 14. la tension de mesure est lue sur l'appareil de mesure 15 raccordé au circuit -14. Pour la production du champ magnétique, la bobine 11 est reliée à un circuit de comme mande 46 qui envoie un courant de forme déterminée dans l'enroule- ment d'électro-aimant et, en outre, selon l'invention, commande les moments d'exploration danse circuit d'exploitation 14. La figure 2 représente un diagramme-bloc du circuit d'exploitation 14 et du circuit de'commande 46. Les conducteurs d'entrée du circuit d'exploitation 14 venant des électrodes 12, 13 sont reliés chacun par l'intermédiaire d'un condensateur de blocage 16, 17 à une borne d'entrée de l'amplificateur 18. La sortie de cet amplificateur 18 est reliée aux deux mémoires d'exploration de tension 20 et 21 par l'intermédiaire d'un filtre passe-bas 19 dont la fréquence de coupure est inférieure à 16 Hz. Avant chacune de ces mémoires est monté un condensateur de garde 22, 23, et le moment d'exploration est commandé par un interrupteur 24 ou 25 commandé depuis le circuit de commande 46. Pour des raisons de clarté, les interrupteurs 24 et 25 sont représentés sous la forme d'interrupteurs mécaniques.Pour la réalisation pratique du circuit, on emploiera cependant des interrupteurs électroniques. Les conducteurs de sortie des mémoires 20 et 21 sont connectés aux entrées d'un amplificateur différentiel 26 après lequel est monté un formateur de moyenne 27. La sortie de ce formateur de moyenne 27 constitue en même temps la sortie du circuit d'ex- ploitation 14, de sorte que le signal de sortie correspondant est envoyé à l'appareil indicateur 15. L'appareil de command 46 fonctionne au rythme de la fréquence du réseau (50 Hz). Pour cela, l'entrée d'un diviseur-de fréquence à plusieurs étages 28 est raccordée à la fréquence du réseau. A la sortie du diviseur de fréquence binaire 28 est prise une tension rectangulaire de fréquence 50/64 Hz = 0,78 Hz. Cette tension rectangulaire est envoyée dans un intégrateur 30 constitué d'un amplificateur de contre-réaction capacitive, de sorte qu'à la sortie de l'intégrateur se forme une tension triangulaire. Cette tension triangulaire est envoyée dans l'amplificateur 31, qui présente une résistance de sortie élevée et il est ainsi à même d'envoyer dans la bobine 11 le courant triangulaire de 0,78 Hz de fréquence. tes interrupteurs 24 et 25 sont commandés par les portes ET 32 et 33. Quand les entrées de ces portes sont pourvues d'un point, il s'agit d'entrées négatives. Les sorties des étages du diviseur de fréquence 28 sont réunies aux entrées des portes 32 et 33 de façon que le signal de sortie de chaque porte 32, 33 n'existe que pendant un court intervalle de chaque période du courant magnétisant triangulaire. Le diviseur de fréquence 28 pourrait aussi être considéré comme un compteur et les fils de sortie des différents étages pourraient aller à un décodeur qui percevrait alors le fonctionnement de l'intégrateur 50. Pour mieux comprendre, en se référant à la figure 3, on supposera d'abord que l'interrupteur 24 se ferme toujours un bref instant par la porte 32 pour la valeur de crête supérieure du courant triangulaire et que l'interrupteur 25 se ferme par la porte 33 pour la valeur de crête inférieure de la tension triangulaire. Il faut alors considérer que la variation dans le temps de l'induction magnétique B et la variation dans le temps de la variation de la tension utile Uutile qui apparaît aux électrodes 12 et 13 sont identiques à la variation dans le temps du courant triangulaire produit à la sortie de l'amplificateur 31. Pour expliquer comment les influences perturbatrices dues aux variations lentes du potentiel continu sont éliminées, on supposera pour l'instant qu'il nty a pas de couplages inductifs ou capacitifs, ou qu'ils sont négligeables, et que les courants vagabonds venant de l'extérieur sont arrêtés par le filtre passe-bas 19. Les influences perturbatrices qui subsistent ainsi sont les tensions de polarisation, qui varient très lentement dans le temps, et la dérive de l'amplificateur d'entrée 18. Sur la figure 3, la courbe a) représente la variation du signal de tension utile Utile A ce signal se superpose la tension perturbatrice représentée en b), qui se compose des tensions de polarisation et de la dérive de l'amplificateur et ne varie que très lentement dans le temps. Le signal combiné constitué de la tension perturbatrice et de la tension utile, tel qu'il se présente à la sortie de l'amplificateur 18, est représenté sur la figure 3 par la courbe c). En d) sont indiqués les moments d'exploration auxquels les interrupteurs 24 et 25 se ferment un bref instant afin d'introduire l'amplitude concernée dans la mémoire 20 ou 21, où elle est conservée jusqu'tala fermeture suivante de l'interrupteur correspondant.La partie e) de la figure 3 représente les variations de tension qui se produisent aux deux mé moires 20 et 21 quand le signal d'entrée a l'allure représentée en c). On voit qu'à la sortie des deux mémoires 20 et 21 se forment des courbes en escalier décalées en amplitude et dans le temps. En f) est représentée la variation dans le temps du signal de sortie de l'amplificateur différentiel 26. La différence entre les tensions de sortie des amplificateurs 20 et 21 varie autour de la moyenne 39 à la-manière d'une courbe rectangulaire. Cette moyenne est produite dans le formateur de moyenne arithmétique 27, qui est par exemple un circuit RC.La valeur moyenne 39 est proportionnelle à la tension utile Utile On voit aisément que la courbe rectangulaire sur la figure 3 f) disparate et se transforme directement en la tension constante 39 lorsqu'il n'y a pas de tension perturbatrice variable dans le temps telle que celle représentée en b). Dans ce cas, en effet, la différence entre la valeur de crête supérieure- et la valeur de crête inférieure du signal à exploiter est toujours constante. Comme en raison de la variation dans le temps de la tension continue perturbatrice, on ne -peut pas prendre une fréquence de courant magnétisant bien inférieure à environ 1 Hz, il peut encore exister des tensions perturbatrices inductives et capacitives qui faussent le résultat de la mesure. En a) de la figure 4 est indiquée la variation dans le temps du courant magnétisant qui correspond à la variation dans le temps de l'induction B et du signal utile Uutile. La tension perturbatrice inductive est comme on sait et est donc proportionnelle à la dérivée, par rapport au temps, du courant magnétisant. Comme le courant magnétisant est une fonction triangulaire, la tension perturbatrice inductive est une fonction rectangulaire.La même chose s'applique au courant perturbateur capacitif I, pour lequel on a Ces deux grandeurs perturbatrices, qui sont en phase et toutes deux rectangulaires, peuvent être combinées pour donner la tension perturbatrice Upert représentée en b) sur la figure 4. En c) est représenté le signal combiné tension utile + tension perturbatrice qu-i résulte de la superposition de la ten sion utile triangulaire Utile à la tension perturbatrice rectangulaire Upert. Pour qu'on ne puisse exploiter que la partie utile du signal combiné représenté en c), les moments d'exploration-sont placés, comme on le voit en d), de façon que l'exploitation du, signal combiné se fasse toujours soit uniquement sur la branche ascendante 40, soit uniquement sur la branche descendante 41. Dans le cas présent, on a choisi la branche ascendante 40.Les entrées despotes 32 et 33 (figure 2) sont connectées de façon que les signaux de sortie 42 de la porte 32 se situent toujours 50 ms après le point d'inversion inférieur de la tension triangulaire, tandis que les entrées de la porte 33 sont connectées de façon que le signal de sortie 43 de cette porte se situe toujours 50 ms avant le-point d'inversion supérieur de la tension triangulaire. On est ainsi assuré que l'exploration se fera uniquement sur la branche ascendante 40 du signal global. On voit ainsi que, lors de la formation subséquente de la différence entre les tensions 44 et 45, la tension perturbatrice est supprimée, car elle est toujours la même aux deux moments. L'avantage de l'emploi d'un courant magnétisant triangulaire est que les influences perturbatrices inductives et capacitives sont rectangulaires et peuvent être éliminées par un positionnement approprié des moments d'exploration. En outre, avec la tension triangulaire, on évite à coup sûr les phénomènes transitoires lors de l'inversion de la magnétisation. Enfin, du point de vue technique de montage, la forme triangulaire du courant magnétisant est facile à réaliser et à tirer de la fréquence du réseau, et la commande dans le temps des interrupteurs 24 et 25 peut se faire simultanément avec le circuit de commande 15. Au lieu de la forme triangulaire, on peut utiliser une forme d'onde trapézordale présentant successivement des flancs ascendants, ou des flancs descendants, une amplitude constante pendant un certain temps. La figure 5 montre une première forme de réalisation d'un circuit suppresseur de perturbations qui permet de déceler les signaux perturbateurs qui ne croissent ou ne décroissent pas linéairement avec le temps. Le signal de mesure pris aux électrodes, après avoir traversé le filtre passe-bas 19, est envoyé à un premier circuit différentiateur 51, puis à un second 52. Les circuits différentiateurs 51 et 52 sont constitués de façon connue d'un amplificateur opérationnel couplé rétroactivement par une résis tance, et devant lequel est monté un condensateur. Ils forment chacun la dérivée du signal rappliqué à leur entrée. De cette manière est formée la dérivée seconde du signal des électrodes qui, lorsqu'il n'y a pas de tension perturbatrice, a une allure linéaire.La dérivéeseconde-du signal de-mesure pur doit-donc être nulle si l'on fait abstraction des pointes de tension aux points anguleux de la tension triangulaire ou trapézordale appliquée. Si à la tension de mesure sont superposées des tensions perturbatrices dont la dérivée seconde n'est pas nulle, il apparatt à la sortie du deuxième circuit differentiateur 52 une tension qui est envoyée à une entrée de l'amplificateur différentiel 53. A l'autre entrée de cet amplificateur est appliquée une tension de référence qui indique le seuil au-dessus duquel l'amplificateur différentiel 53 produit un signal de sortie. Le signal de sortie de l'amplificateur différentiel 53 est envoyé par une diode 54, dont la deuxième borne est reliée à la masse par un condensateur 55, à l'interrupteur 56 qui est monté sur la sortie de l'amplificateur différentiel 26.Dans le cas présent, on a représenté, pour des questions de simplification du dessin, l'interrupteur 56 sous forme d'un interrupteur mécanique, mais dansgla pratique, il s'agit d'un interrupteur électronique (transistor à effet de champ)-. Après l'interrupteur 56 est montée une mémoire d'exploration de tension 57 dont la sortie est reliée au formateur de moyenne 27. Si le signal du deuxième circuit différentiateur 52 dépasse le seuil fixé, l'interrupteur 56 s'ouvre par la diode 54 et le flux de signaux allant au formateur de moyenne 27 est interrompu. La dernière amplitude de signal est conservée dans la mémoire 57, de sorte que l'appareil indicateur monté après le formateur de moyenne 27 ne change pas son indication pendant la durée d'ouverture de l'interrupteur 56. Lorsque l'amplitude du signal perturbateur descend au-dessous du seuil, le signal de sortie de l'amplificateur différentiel 53 disparatt, mais le condensateur55J qui ne peut pas se décharger par la dipode 54J reste-encore chargé pendant un certain temps, de sorte que l'interrupteur 56 se rouvre avec un certain retard. La tension du condensateur 55 est en outre envoyée à un transistor 58 qui alimente une diode électroluminescente 59. Celleci permet un contrôle optique de l'apparition des tensions perturbatrices. La figure 6 représente un autre exemple de réalisation d'un circuit suppresseur de perturbations. On utilise dans cet exemple le fait qu'il n'apparatt une composante de tension alternative à la sortie de l'amplificateur différentiel 26 que lorsqu'il existe des signaux perturbateurs. Le signal de sortie de l'ampli- ficateur différentiel 26 est représenté en f) sur la figure 3. Quand il n'existe pas de signal perturbateur, ce signal est une tension continue. En cas de signaux perturbateurs lentement variables (dérive), il apparatt à la sortie de l'amplificateur différentiel 26 une tension rectangulaire superposée au signal utile en tension continue. S'il existe des tensions perturbatrices de fréquence supérieure, elles ont également un effet de superposition de fréquence supérieure sur le signal de sortie de l'amplificateur différentiel 26. Dans le circuit représenté sur la figure 6, les composantes de tension alternative sont séparées par filtrage par un condensateur 61 et envoyées à un amplificateur de tension alternative 62. On effectue ensuite un redressement dans le redresseur 63.Le signal de sortie de ce redresseur 63 est envoyé à une entrée de l'amplificateur différentiel 64 à l'autre entrée duquel est appliquée une tension de référence. t' amplifica- teur différentiel 64 joue ainsi le rôle de circuit de seuil. Après ce dernier sont montés, de la même façon que dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 5, une diode 65 et un condensateur 66. La tension du condensateur 66 commande de la même manière l'interrupteur 56 qui, comme dans-l'exemple de réalisation précédent, est relié au formateur de moyenne 27 par la mémoire 57. Le circuit suppresseur de perturbations de la figure 6 a l'avantage de permettre la détection et l'élimination non seulement des perturbations à haute fréquence, mais aussi des dérives lentes. Les tensions de dérive peuvent prendre une amplitude telle que la puissance limite admissible des amplificateurs soit atteinte. Comme, dans ce cas, le circuit d'exploitation ne donne plus de résultats exacts, il importe que le circuit suppresseur de perturbations entre en action. R E V E N D I C A T I O N s 1 - Débitmètre à induction comportant au moins un électroaimant produisant un champ magnétique alternatif dans la zone d'écoulement et une paire d'électrodes reliées à un circuit d'exploitation, ce circuit d'exploitation eomportant deux mémoires d'exploration de tension qui sont chargées à des moments différents par la tension de mesure à laquelle peut être superposée une tension perturbatrice, et dont les signaux de sortie sont envoyés à un amplificateur dirférentiel, caractérisé par le fait que la tension de sortie de l'amplificateur différentiel est appliquée à un circuit suppresseur de perturbations qui produit un signal d'arrêt, lorsque la composante alternative de cette tension de sortie dépasse un seuil prédéterminé. 2 - Débitmètre à induction comportant-au moins un électroaimant produisant un champ magnétique alternatif dans la zone d 'écoulement et une paire d'électrodesreliées à un circuit d'exploitation, circuit d'exploitation comportant deux mémoires d'exploration de tension qui sont chargées à des moments différents par la tension de mesure à laquelle peut être superposée une tension perturbatrice, et dont les signaux de sortie sont envoyés à un amplificateur différentiel, caracterisé par le fait que la tension des électrodes est appliquée à un circuit suppresseur de perturbations qui comporte deux circuits différentiateurs en série et qui produit un signal d'arrAt, lorsque le signal de sortie du deuxième circuit différentiateur dépasse ut seuil prédéterminé.