Brevet FR2366547A1 — publié le 19780428

a présente invention est du domaine des appareils de mesure et notamment des mesures des débits des fluides au moyen de débitmetres à induction de vortex et elle a plus précisément pour objet un nouveau capteur à couplage magnétique. On conna6Lt notamment par de précédentes demandes de brevet de la demanderesse, des débitmètres à induction de vortex dont l'organe essentiel est un obstacle composite constitué d'une partie avant frontale destinée à partager le fluide en écoulement et à créer dans celui-ci des vortex, et d'une partie arrière reliée en porte-à-faux à la partie avant au moyen d'un support flexible incorporant des jauges de contrainte. Dans des capteurs de ce type les vibrations de la partie arrière sont détectées par des modifications des caractéristiques électriques d'organes tels que les jauges de contrainte prétendant de la partie avant à la partie arrière, les connexions électriques étant faites aux extrémités de ces organes allongés. L'idée qui a guidé la présente invention a été de loger dans la pièce relativetnent massive que constitue la partie avant du capteur, les connexions de l'organe sensible avec les autres dispositifs de trai ement de signaux, tels qu'amplificateurs par exemple, éloignés du capteur ; une autre idée qui a guidé la présente invention a été de dissocier mécaniquement une partie fixe de l'organe sensible, de sa partie oscillante de façon que cet organe sensible subisse le moins de contraintes mécaniques possible. Selon l'invention et en considération des deux idées sus-indiquées, un capteur sans contact pour un débitmètre à induction de vortex comportant un obstacle composite monté dans un tube d'écoulement,pour partager le fluide en écoulement et donner naissance à des vortex pour entrainer en vibration la partie arrière oscillante à une fréquence proportionnelle à la vitesse d'écoulement du fluide, est caractérisé en ce quil comporte, pour coopérer, un organe magnétosensible qui, lorsqu'il est soumis à un champ magnétique variable, produit une grandeur électrique variable correspondante, et un élément de;;proximité couplé mécaniquement à ladite partie oscillante et vibrante, ledit élément étant disposé au voisinage dudit organe, mais sans contact, et étant adapté pour modifier le champ magnétique auquel l'organe est soumis, en fonction desdites vibrations, ce par quoi l'organe produit un signal indicateur de ladite vitesse d'écoulement ainsi ainsi et selon une caractéristique générale de l'invention, l'obstacle composite étant constitué par une partie frontale fixe et une partie arrière oscillante, étant supportée en porte-à-faux par la partie frontale, ladite partie frontale est pourvue d'une cavité pour loger le ou lesdits organes magnéto-sensibles, tandis que la partie arrière oscillante contient ledit élément de proximité. Selon une première forme de réalisation, ledit élément de proximité est un aimant permanent en forme de tige, dont l'une des extrémités est fixée à ladite partie oscillante, l'autre extrémité étant voisine dudit organe pour soumettre ledit organe à un champ magnetique variable, et ledit organe magnéto-sensible est une magnétorésistance ; selon une variante de cette première forme, ledit organe magnéto-sensible est un organe à effet Rail. Selon une seconde forme de réalisation, un capteur de l'invention comporte, pour coopérer, une paire d'organes magnéto-sensibles et un élément de proximité constitué par un aimant permanent dont l'un des p8les peut être alternativement voisin de l'un ou l'autre des organes magnéto-sensibles. Selon une troisième forme de réalisation, ledit élément magnéto-sensible est placé entre les p8les opposés de deux aimants permanents et ledit élément de proximité est une tige d'un matériau ferro-magnétique, dont une extrémité libre est située au voisinage des pôles et dont l'autre extrémité est solidaire de la partie oscillante du capteur, d'où il résulte que l'extrémité libre, lorsqu'elle se rapproche des pièces en fer doux, court-circuite le champ magnétique établi entre ces pièces, d'où il résulte enfin une variation de tension de l'élément magnéto-sensible de de préférence ledit matériau ferroemagnétique consti- tuant ladite tige est du fer doux ; de préférence encore des pièces en fer doux prolongent chacun des p8les des aimants permanents, d'où il résulte une plus grande variation du champ magnétique sur l'élément magnétosensible lorsque l'élément de proximité s' approche ou s'éloigne desdites pièces en fer doux. La présente invention sera mieux comprise et des détails supplémentaires en relevant apparaitront à'Ia description qui va sistre faite de formes préférées de réalisation en relation avec les figures des planches annexées dans lesquelles : La Fig. 1 A est une vue d'ensemble et en perspective diun débitmètre de l'invention La Fig. 1 B est une illustration schématique des phénomènes mis en jeudans le fonctionnement des débitmètres de l'invention La Fig. 2 est une représentation en coupe selon un plan vertical médian, du capteur du débitmètre de la Fig. 1 conformément à une première forme de réalisation de l'invention La Fig. 3 est un diagramme illustrant la réaction d'organes magnéto-sensibles tels que celui de la Fig. 2 en fonction du déplacement de l'élément de proximité ; La Fig. 4 est une illustration schématique d'un capteur à deux organes magnéto-sensibles selon une seconde forme de réalisation de l'invention ; La Fig. 5 A est une coupe d'un obstacle d'un capteur de l'invention comportant un organe magnéto-sensible conforme à une troisième forme de réalisation de l'invention -; La Fig. 5 B est une illustration détaillée de l'organe de la figure précédente in se référant aux dessins 1A, 1 B et 2, un débitmètre à induction de vortex incorpore une forme préférée de réali- sation d'un capteur sans contact selon l'invention ; le débitmètre incorpore un tube d'écoulement 10 à travers lequel est conduit le fluide dont on veut mesurer la vitesse d'écoulement.Le tube 10 est pourvu, à son entrée, dune collerette Il de large diamètre extérieur. L'entrée 11 A du tube d'écoulement est chanfreinée pour-donner un écoulement doux à partir du tube amont. Un boîtier 13 contenant des organes de mise on forme du signal est monté à la verticale de la collerette 11 au moyen d'un tube en acier t'stub' 12, les organes de mise en forme du signal étant reliés à travers le tube 12 au capteur se trouvant à l'intérieur du débitmètre. On rappelle que ce genre de débitmètre peut être mis en place sur une conduite entre une section amont et une section aval de celle-ci, le débitmètre se raccordant aux sections amont et aval par un montage à collerette par exemple. Le débitmètre est mis en place on introduisant télescopiquemenu le tube 10 dans la section aval et en pinçant la collerette Il du débitmètre entre les brides des sections de conduite amont et aval au moyen des écrous de bridage ; ainsi le débitmètre se trouve centré dans la cage que forme la conduite aval ; des joints comprimés entre la collerette du débitmètre et les brides des sections do conduite assurent l'étanchéité du montage. Un obstacle composite formé par une partie frontale å extrémités arrondies 14 et une partie arrière 15 en forme de T située en porte-à-faux à partir de la partie frontale par un support creux 16 qui est légèrement flexible est monté dans le tube d'é- écoulement. La partie frontale 14 est un bloc allongé à extrémités arrondies ayant une section sensiblement triangulaire ou en forme de delta, qui est uniforme tout au 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 14 sont assujetties aux parois du tube d'écoulement 10 et de ce fait la partie frontale est calée de façon fixe dans le conduit, tandis que la partie arrière 15 de 'obstacle composite est libre en oscillation. Le sommet du bloc 14 fait face au fluide entrant, les cotés inclinés formant des déflecteurs qui sont balayés par le fluide en écoulement pour eréer une série de vortex alternés par rapport à l'arête de la section frontale. Comme les vertex se détachent eux-mêmes de la partie frontale, des zones de basse pression sont crées et se déplacent d'un côté à l'autre, produisant une poussée oscillante derrière la partie frontale et entraînant la partie arrière déviable en vibration à une fréquence qui est linéairement proportionnelle à la vitesse du fluide entrant. La fonction du capteur est de capter cette fréquence pour produire un signal qui est traité par l'organe 13 de mise en forme de signal en vue de fournir un signal de sortie indicateur de la vitesse d'écoulement volumétrique. Le capteur, selon l'invention, comprend un organe magnéto sensible et un élément de proximité constitué d'un aimant permanent 18 en forme de tige, l'extrémité arrière de celui-ci étant ancrée dans la queue 15 A de la partie arrière 15, la tige magnétique s'étendant à travers l'intérieur creux de l'élément 16, son extrémité avant aboutissant dans une chambre 14 A formée à l'intérieur de la partie avant 14. A l'intérieur de la chambre 14 A se trouve lto- gane 19 magnéto-sensible qui est fixé sur l'extrémité d'un montant creux. 20 s'étendant depuis une embase 21 insérée dans un trou latéral 22 de la collerette 11 du tube d'écoulement, le trou communiquant avec la chambre 14 A dans la partie avant. Les connexions de l'organe 19 passent à travers le montant et I'embase, et dans le boîtier de l'or- gane de mise en forme du signal. Le dispositif de montage pour l'organe 19 est tel qu'il peut être aisément inséré dans le débitmètre ou retiré de là pour remplacement. L'organe magnéto-sensible peut être une magnéto-résistance telle que l'on en connait actuellement sur le marché, du type indium-antimoine/nîokel-antimoine et ayant une résistance de base d'approximativement 115 ohms. Un aimant permanent au voisinage de la magnéto-résistance agit pour influencer la résistance de telle sorte qu'elle agisse dans la portion linéaire de sa courbe caractéristique. Ainsi le capteur a une faible impédance.- tes magnéto-résistances sont des résistances semi-conductrices, magnéto-sensibles, faites en indium-antimoine/nickel antimoine. Leur résistance est directement proportionnelle à l'intensité du champ ; ainsi l'intensité d'un champ magnétique peut-elle être traduite en tension électrique et en courant. Dans le dispositif de capteur monté en Fig. 2, les lignes magnétiques de flux amanant de l'extrémité intérieure ou de la tête de l'aimant en tige 18 sont perpendiculaires au plan contenant la magnéto-résistances quand la section déviable 15 de l'obstacle composite est stationnaire. Mais lorsque cette section vibre, les lignes de flux oscillent de part et d'autre de la magnéto-résistance, ce qui produit des variations de résistance de fréquence égale à celle des vibrations de la partie arrière. Les variations de résistance peuvent être converties en tension alternative dont la fréquence est proportionnelle au débit, en insérant la magnéto-résistance dans un circuit en pont qui est équilibré pour fournir une sortie nulle quand la section déviable est immobile. tes tolérances mécaniques exigées pour obtenir un couplage magnétique réel entre l'élément de proximité 18 et la magnéto-résistances 19 sont relativement larges et, au moins éloignées du seuil critique. De ce fait il n'y a pas d'exigences critiques dans le dispositif de l'élément magnéto-sensible à l'intérieur du débitmètre. Le colt des capteurs à magnéto-résistance, particulièrement lorsqu'on considère les dépenses comprises dans sa mise en place, est beaucoup plus faible que celui d'un capteur à jauge de contrainte. A la place d'une magnéto-résistance, on peut utiliser un capteur à effet Hall, tels que ceux disponibles actuellement sur le marché. De tels capteurs caractérisent des sorties linéaires avec des tensions à haute sortie et des courants à basse alimentation car ils fonctionnent entre seulement 3.5 et 4.8 milliampères et peuvent entre directement connectés à une alimentation entre 4 et 10 VDC sans composant supplémentaire. L'effet Hall correspond à la génération d'une tension à travers les côtés opposés d'un conducteur électrique conduisant du courant et placé dans un champ magnétique. A cause de l'effet Hall, une variation du champ magnétique relative au conducteur changera en conséquence la tension de sortie. Ainsi, tel que cela a été montré par la courbe de la Fig. 3, quand un aimant en forme de tige est déplacé d'un côté à l'autre d'un dispositif à effet Hall fonctionnant sous 8 V, ce mouvement est traduit par une variation de tension de sortie. Dans l'exemple de la figure, un pic de plus de 40 mV est atteint pour un déplacement d'environ un millimètre, et la tension à partir du dispositif tombe brusquement si on se déplace de l'autre côté de ce point. il est donc évident que le dispositif à effet Hall est un capteur très sensible. A la place d'une seule magnéto-résistance ou d'un seul dispositif à effet Hall, on peut, comme cela apparait sur la Fig. 4, monter une paire de tels dispositifs 23 et 24 à l'intérieur d'une cavité 25 ménagée dans un obstacle composite ayant unepartie déviable. On doit comprendre qu'un coapteur, selon l'invention, n'est pas limité dans son application aux débitmètres à vortex du type décrit dans ce texte, mais qu'il peut être utilisé avec n'importe quel débitmètre à induction de vortex. dans lequel une vanne, un diaphragme ou tout autre élément est mis en vibration par les oscillations du fluide à une vitesse proportionnelle à la vitesse d'écoulement du fluide. Les dispositifs 23 et 24 fonctionnent de façon différentielle par rapport au barreau aimanté 26 qui est couplé mécani- quement à l'élément vibrant de l'obstacle de sorte que, lorsqu'un pale de l'aimant approche un des dispositifs au cours d'une vibration, le pôle opposé est simultanément éloigne de autre dispositif. La sortie de ces dispositifs peut être appliquée à un amplificateur différentiel pour produire un signal proportionnel à la vitesse d'écoulement. En Fig. 5 apparait un autre assemblage à l1in- térieur duquel l'élément de proximité 27 assujetti à une de ses estré- mités à la partie déviable, au lieu d'être un aimant permanent, est une tige faite en matière ferro-magnétique telle que le fer doux. Monté de façon adjacente à un côté de l'extrémité intérieure vibrante de l'élément 27 se trouve un capteur comprenant un dispositif magnéto-sensible 28, qui peut être une magnéto-résistance ou un dispositif à effet Hall, intercalé entre une paire de pièces 29 et 30 en fer doux ; une paire de barreaux magnétiques 31 et 32 est assujettie à ces pièces 29 et 30 ; tous ces eomposants sont reliés ensemble pour former une structure unitaire qui peut être installée sans difficulté dans la cavité 33. Les lignes de flux s'étendant entre les aimants 31 et 32 et passant à travers des pièces en fer doux 29 et 30 et le dispositif sensible 28 influencent de manière permanente ce dispositif. L'élément de proximité 27, qui est constitué de fer doux, sé rapproche et s'éloigne d'une face de 11 organe sensible ; lorsque l'élément 27 s'approche de l'organe sensible, des lignes du flux magnétique, au lieu de passer à travers le dispositif sensible 28, sont déviées par l'élément 27 qui agit à la manière d'un court-circuit, ce qui, par conséquent, diminue le champ magnétique auquel est assujetti le dispositif 28 et change de ce fait sa tension de sortie. En pratique, à la place des pièces 29 et 30 en fer doux, on peut utiliser des pièces d'un matériau isolant de telle sorte que le dispositif sensible 28 soit disposé dans des vides du champ magnétique. Le montage de la Fig. 5 est relativement insensible aux mouvements rectilignes par rapport aux aimants puisque ce mouvement n'altère pas substanciellement les vides duchamp. Ceci est souhaitable puisqu'un tel mouvement rectiligne ne reflète pas l'action des vortex. Grace à l'invention, lors de la construction d'un débitmètre à induction de vortex, toutes les opérations de fabrication peuvent être réalisées avant que le capteur magnéto-sensible soit mis en place. Ceci est un avantage appréciable car on peut soumettre, sans cependant causer de dommage au capteur, le corps du débitmètre, au cours de sa fabrication, aux températures élevées pouvant être nécessitées par, par exemple, des opérations telles que traitement thermique, soudage, revêtement au tantale, etc..., pour améliorer l'aptitude du débitmètre à supporter des fluides corrosifs, ou à des températures cryogéniques. il doit enfin être compris que des changements ou des modifications peuvent être apportées aux formes d'exécution ci-dessus décrites, sans sortir du cadre de l'invention dont l'étendue est définie par les revendications qui suivent. R E V E N D L C A T I O S S 1-. Capteur pour débitmètre à induction de vortex comportant un obsta cle composite constitué d'une partie avant frontale et d'une partie arrière oscillante, la partie avant étant destinée à partager le fluide en écoulement et à donner naissance à des vortex pour entrai ner en vibration la partie arrière oscillante à une fréquence pro portionnelle à la vitesse d'écoulement du fluide, caractérisé en ce qu'il comporte a > - un organe magnéto-sensible qui, lorsqu'il est soumis à un champ magnétique variable, produit une grandeur électriq-ue variable correspondante, et b - un élément de proximité couplé mécaniquement à ladite partie oscillante et vibrante, ledit élément étant disposé au voisinage dudit organe, mais sans contact, et étant adapté pour modifier le champ magnétique auquel l'organe est soumis, en fonction desdites vibrations, ce par quoi l'organe produit un signal indi cateur de ladite vitesse d'écoulement. .. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que : - la partie frontale est pourvue d'une cavité pour loger le ou lesdits organes magnéto-sensibles, tandis que - la partie arrière oscillante contient ledit élément de proximité. 3-. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément de proximité est un aimant permanent en forme de- tige, dont l'une des extrémités est fixée à ladite partie oscillante, l'autre extrémité étant voisine dudit organe pour soumettre ledit organe à un chanp magnétique variable. 4-o Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit organe magnéto-sensible est une magnéto-résistance. 5-. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit organe magnéto-sensible est un dispositif à effet Hall. 6-. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en outre par une paire d'organes magnéto-sensibles et, en ce que ledit élément de proximité est un aimant permanent, dont l1un des p8les peut être alternativement voisin de l'un ou de l'autre desdits organes magnéto-sensibles. 7-o Capteur selon la revendication 1, caractérisé : on ce que ledit élément magnéto-sensible est placé entre les pèles opposés de deux aimants permanents, et en ce que ledit élément de proximité est une tige d'un matériau ferro-maDGnétique dont une extrémité libre est située au voisinage des pôles et dont l'autre extrémité est soli daire de la partie oscillante du capteur, d'où il résulte que 11 extrémité libre, lors qu'elle se rapproche des pièces en fer doux, court-circuite le champ magnétique établi entre ces pièces et dtoù il résulte enfin une variation de tension de l'élément magnéto-sensible. 8-. Capteur selon la revendication 7, caractérisé : en ce que ledit matériau ferro-magnétique constituant ladite tige est du fer doux. 9-o Capteur selon la revendication 7, caractérisé par des pièces en fer doux prolongeant chacun des pèles des aimants permanents, d'où il résulte une plus grande variation du champ magnétique sur l'élément magnéto-sensible lorsque l'élément de proximité s'approche ou s'éloigne desdites pièces en fer doux.