Brevet FR2415811A1 — publié le 19790824

La présente invention se rapporte d'une façon générale aut - appareils électror.lagnétiques de mesure d'écoulement de fluides et concerne, plus particulièrement, un appareil de mesure d'é couleraient qui ne comporte aucun élément en saillie dans le fluide en circulatien. Au cours du developpement des app?reils électromagnétiques de mesure d'écoulement de fluide, un certain nombre de solutions ont été adoptées, toutes basées sur le fait que, si deux électrodes sont en contact électrique avec un fluide en circulation et qu'il existe une composante d1un champ électromagllétique perpendiculaire à cette circulation de fluide, un potentiel électrique est développé entre les électrodes, proportionnel à la vitesse du fluide qui passe devant les clectrodes et l'in- tensité du champ magnétique.La configuration la relus courante d'un dispositif qui met en oeuvre ce principe physique est de- crite dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique no 2 969 673 et n 3 677 082. Dans les appareils de ce genre, le champ électromagnétique est développé par un électro-aimant placé dans une tige ou une sonde plongée dans le fluide en écoulement lui-même et qui, dans le cas du premier des brevets précités, constitue un élément suspendu sous la coque d'un navire. Les électrodes sont montées sur les cotés de la tige et sont en contact avec l'eau qui passe devant elles Bien que ces appareils fonctionnent de façon satisfaisante, la structure de la tige elle-même pose des problèmes en ce qu'elle fait saillie sous la coque du navire, ce qui est particulièrement indesirable pour les petits bateaux. Unc autre solution qui a éta adoptée consiste à monter les électrodes de manière qu'elles affleurent pratiquement avec la surface devant laquelle le fluide s'écoule et à produire un champ électromagnétique similaire entre les électrodes. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 119 960 décrit une solution des ce genre. Selon ce brevet, le champ électromagnétique est produit par un électro-aimant de type relativement courant qui impose des techniques spéciales de montage car l'ensemble est relativement encombrant. Bien que le montage des appareils de mesure antérieurs convienne dans certains cas, les dispositifs de montage élaborés qui sont normalement nécessaires font qu'ils ne conviennent pas pour certains navires comme des bateaux de plaisance qui imposent une installation et un entretien relativement simple. L'appareil de mesure selon l'invention répond à un besoin ancien d'un appareil de mesure électromagnétique d'coulement de fluide pour ces applications. L'appareil électromagnétique de mesure d'écoulement de fluide selon l'invention constitue un transducteur électroma gnétique à montage affleurant qui répond aux configurations de montage classique des transducteurs et qui n'impose aucun mode opératoire spécial d'installation. Selon un mode de réalisation, deu=* électrodes sont montées dans un boîtier et sont espacées l'une de l'autre le long d'un plan qui, en fonctionnement, est perpendiculaire à l'écoulement du fluide. les contacts des électrodes sont en contact avec le fluide et les conducteurs qui y aboutissent sont maintenus parallèles dans le plan suivant la longueur du corps du transducteur. Un champ magnétique perpendiculaire à l'écoulement du fluide est produit par un électro-aimant positionné entre les électrodes espacées de manière qu'un pôle soit positionné entre les électrodes et que son axe soit dans le même plan que leurs conducteurs. L'uniformité du champ électromagnétique produit est obtenue grâce à des enroulements bifilaires d'une forme allongée, et en attaquant l'électro-aimant d'une manière symétrique. Bien que le champ électromagnétique puisse être produit par un courant de toute forme d'onde voulue, dans le présent mode de réalisation, cette forme d'onde est rectangulaire et sature le noyau de ltélectro-aimant, ce qui réduit la nécessité d'une régulation précise du courant d'attaque car le champ électromagnétique développé est pratiquement constant malgré des variations mineures du courant d'attaque. En plus, les courants d'attaque du présent mode de réalisation consistent en des impulsions espacées, ce qui réduit le courant moyen du circuit et économise de la puissance. Selon un autre mode de réalisation, deux autres contacts sont prévus dans un plan parallèle à la direction d'écoulement du fluide pour détecter tout écoulement perpendiculaire à la direction supposée, perpendiculaire elle-même aux premières é- lectrodes. Les vecteurs de vitesse qui en résultent peuvent entre traités par tout moyen classique pour obtenir les paramètres voulus qui sont le résultat des deux quantités vectorielles. D'autres caractristlues et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels La fig. 1 est une coupe du boîtier du transducteur électromagnétique de vitesse monté dans un dispositif classique de traversée de coque, La fig. 2 est une coupe suivant la ligne 2-2 de la fig. 1, La fig. 3 est une vue de dessous de la coque d'un navire montrant le dispositif de traversée de coque et le bottier de transducteur électromagnétique qui y est monté, La fig. 4 est une coupe d'un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel le boîtier de transducteur est monté de façon permanente, La fig. 5 est une coupe à plus grande échelle suivant la ligne 5-5 de la fig. 1, La fig. 6 représente schématiquement le début d'un enroulement bifilaire de .l'électro-aimant de l'appareil selon l'invention, La fig. 7 est une autre vue schématique d'un autre enroulement inversé de l'électro-aimant de la fig. 6, La fig. 8 est un schéma siniplifiQ des circuits électriques nécessaires pour produire un signal de vitesse à partir du potentiel électrique développé entre les électrodes du transducteur selon l'invention, et La fig. 9 est un schéma des circuits électriques utilisés dans le présent mode de réalisation de l'invention. La fig. 1 est donc une coupe d'un transistor selon l'invention, monté dans un dispositif classique de traversée de coque d'un navire. En particulier, le dispositif de traversée de coque comporte une coquille de montage cylindrique 2, filetée, et dont l'extrémité inférieure porte une collerette biseautée 4 ajustée dans un logement 6 de la coque 8 d'un navire. L'étanchéité de la collerette sur la coque peut être assurée par tout moyen classique, par exemple une bague torique 10. La coquille 2 est généralement maintenue en position au moyen d'un écrou de maintien 12. La coquille 2 compnrte un alésage cylin drique 14 de réception de transducteur qui, en l'absence d'un transducteur en position, constitue une ouverture entre i'int6- rieur du navire et l'eauoeusla coque. Le bottier 16 du transducteur a une forme générale cylindrique et il remplit l'alésage 14 lorsqu'il est en position. Tout moyen peut convenir pour assurer l'étanchéité de l'alésage avec la surface extérieure du bottier de transducteur, par exem- ple la bague torique 18. le bottier de transducteur est maintenu en position dans l'alésage 14 au moyen d'un capuchon 20. Corme le montre la fig. 2, la partie supérieure de la coquille 2 et du boîtier de transducteur 16 comporte des encoches 22 et des languettes 24 correspondantes gui assurent l'orientation correcte du bolier de transducteur par rapport à la coquille qui peut être alignée avec l'axe longitudinal du navire. Bien que le boiter de transducteur 16 puisse contenir un transducteur de vitesse de toute configuration qui répond aux dimensions du boîtier, le transducteur selon l'invention est de nature électromagnétique et il comporte, disposé au centre du boîtier, un électro-aimant allongé 26 avec un pale 28 près du fond du boîtier.Mais il faut noter que le pOle de l'électro- aimant lui-meme est isolé de l'eau par une petite section 30 du boîtier lui-mme. Comme cela apparaîtra plus en détail par la suite, dans le but de simplifier la construction du transducteur, les conducteurs de ltélectro-aimant 26 sont tous terminés à la partie supérieure de ltélec-tro-aimant et sont connectés par plusieurs conducteurs électriques 32 à un câble sous gaine 34 connecté lui-meme au circuit d'attaque d'électro-aimant qui sera décrit par la suite. les électrodes de détection 36 qui réagissent avec le champ magnétique développé par l'électro-aimant 26 et l'eau en mouvement sont disposées à la partie inférieure du boîtier 16 et sont en contact avec l'eau. Les électrodes 36 sont disposées symétriquement de chaque coté~de l'électro-aimant 26, tandis que la coquille 2 et le transducteur sont orientés de manière que la vitesse de l'eau qui s 1écoule le long du navire soit perpendiculaire à une ligne qui coupe les électrodes 36. Par ailleurs, une électrode 39 d'équilibre à la masse est placée au fond du boîtier 16, également en contact avec l'eau (fig. 3). la fig. 3 montre la position d'un second groupe d'électrodes en ligne 37 qui sont alignées avec la direction d'écoulement du fluide. Ces électrodes peuvent être utilisées pour détecter un mouvement et une vitesse de côté, et fonctionnent de la mâme manière que les électrodes 36. Dans le but d'éviter un couplage en quadrature ou par transformateur du champ électromagnetique de l'électro-aimant 26 avec les conducteurs 42 vers les électrodes, les conducteurs sont placés dans des trous 40 qui sont orientés symétriquement, parallèlement à l'alésage qui contient l'électro-aimant 26. Pour réduire les parasites dans les circuits des électrodes, les conducteurs 42 sont placés dans des câbles blindés et les blindages 38 sont connectés en comntm au blindage d'un câble à deux conducteurs, également blindés ; les conducteurs 42 des électrodes sont connectés par le cable bifilaire 44 au circuit de mesure qui sera décrit par la suite.La fig. 5 montre l'orientation des cabales blindés d'électrodes par rapport à l'électro- aimant 26. il n'est pas nécessaire que l'électrode de masse 39 soit blindée, elle est simplement connectée par un conducteur de ma se 41 passant par un trou 43, avec les blindages 38, en haut du boîtier. La fig. 4 représente un autre mode de réalisation du dispositif de montage du transducteur électromagnétique selon l'invention. Dans certaines applications, il n'est pas nécessaire que le transducteur lui-même puisse être démonté de la coque du navire, auquel cas une autre variante de boîtier de transducteur 46 peut être utilisée, ce boîtier étant onté directement dans la coque 8, dans un logement 49, et lsaintenu en position par un écrou 12. L'orientation de l'álectro-aimant 26, des électrodes 36 et des conducteurs 42 est la même que celle décrite ci-dessus. il s'est avéré, dans le présent mode de réalisation,qu'il était préférable d'attaquer les électro-aimants,d'une manière symétrique, ce qui, cependant, impose un enroulement à prise médiane. Dans le but d'obtenir des caractéristiques électromagnétiques uniformes de chaque côté de l'enroulement à prise mé- diane, tout en faisant sortir tous les fils de l'enroulement en haut du boîtier 16 du transducteur, l'enroulement est bobiné en bifilaire conne le montrent les fig. 6 et 7. Pour représenter schématiquement cette configuration de L'enroulement de l'élec- tro-aimant, des conducteurs parallèles 48 et 50 sont enroulés ensemble autour du noyau 52, tout d'abord sur toute la longueur du noyau 52 comme le montre la fig. 6, puis en retour jusqu'au début comme le montre la fig. 7.Cette configuration permet d'obtenir deux enroulements identiques sur-le noyau 52 et un fil de chacun des deux enroulements peut être connecté à l'autre pour former la prise médiane du circuit d'attaque symétrique. les conducteurs sont choisis de manière que le champ électromagnétique produit par l'enroulement soit inversé pour chaque moitié du circuit symétrique afin d'éviter le problème bien connu de polarisation des électrodes 36 pendant la détection. Comme cela a été expliqué ci-dessus, le dispositif de détection de vitesse selon l'invention peut foncticnner d'une ma- nière intermittente, avec un courant moyen faible, et les circuits de détection ne fonctionnent donc que si le champ électromagnétique est présent. Par conséquent, un dispositif de détection synchrone est utilisé pour la mesure, dans lequel le signal développé entre les électrodes 36 n'est traité qu'en présence des lignes de force électromagnétique dues au champ d'attaque réelle. Par conséquent, et comme le montre le schéma du circuit de traitement des signaux de la fig. 8, le signal électrique entre les électrodes 36 est transmis par les conducteurs 42 aux entrées opposées d'un amplificateur différentiel 54 dont l'impédance d'entrée est extrêmement élevée.La haute impédance d'entrée et la charge minimale qui suit permettent d'utiliser le dispositif en eau douce ainsi qu'en eau de mer qui ont des conductibilités différentes. Ainsi, ce n'est que la tension entre les électrodes 36 produite par le mouvement de l'eau dans le champ électromagnetique qui influence le fonctionnement de l'amplificateur et cette tension est pratiquement indépendante du courant électrique qui circule entre les électrodes. La sortie de l'alaplificateur différentiel 54 est connectée par le conducteur 56 à une entrée d'un détecteur synchrone 58 dont une autre entrée reçoit par le conducteur 60 un signal produit par le signal qui développe le champ électromagnétique. Par conséquent, les deux signaux qui sont appliqués au détecteur synchrone 58 sont limités dans le temps, au moment où le champ électromagnétique est développé par le signal d'attaque de bobine. La sortie du détecteur synchrone 58 sur le conducteur 62 délivre une tension continue directement proportionnelle au po- tentiel électrique développé entre les électrodes 36 par l'action mutuelle du champ électromagnétique et de l'eau en mouvement. Par conséquent, le signal continu sur le conducteur 62 est directement proportionnel à la vitesse de l'eau ou à la vitesse du navire. Avec les composants des circuits existants, le signal continu sur le conducteur 62 présente généralement une faible amplitude et il est appliqué à un amplificateur 64 dont la sortie est connectée par le conducteur 66 à une résistance d'étalonnage 68 et à un conducteur 70 qui, à son tour, est connecté à un appareil de mesure de vitesse 72. Selon les habitudes courantes, l'appareil de usure 72 peut indiquer différentes gammes de vitesses qui sont déterminées au moyen d'un signal d'expansion d'échelle appliqué sur le conducteur 74 vers l'amplificateur 64. il faut noter que, lorsqu'un signal de vitesse est présent, il peut être intégré pour produire un signal de distance. Par conséquent, et comme le trait pointillé 76, le signal de vitesse du conducteur 70 peut être appliqué un intégrateur 78 qui délivre sur un conducteur 80 un signal appliqué à un appareil logarithmique 82 qui indique la distance franchie, en fonction du signal de vitesse du conducteur 70. Le signal d'attaque d'enroulement utilisé dans le dispositif de mesure de vitesse selon l'invention provient d'un oscillateur 84 qui peut produire toute forme d'onde voulue, en fonction de l'application. il faut noter que l'oscillateur 84 produit généralement un signal rectangulaire pour que l'électro- aimant soit saturé, ce qui élimine la nécessité d'une rdgula- tion précise du courant appliqué à cet électro-aimant 26. Il faut également noter que l'oscillateur 84 délivre des impul- sions de courte durée séparées par un intervalle relativement long, ce qui réduit le courant moyen de l'ensemble et diminue la puissance consommée. l'oscillateur 84 délivre un signal d'attaque d'enroulement sur le conducteur 86 qui est appliqué à un circuit d'attaque 88 ; ce dernier consiste essentiellement en un amplificateur de puissance qui attaque l'électro-aimant 26 d'une manière symétrique, ce qu'indiquent les deux conducteurs de sortiè 90 et 92 et le conducteur central 94. Etant donné que l'ensemble du fonctionnement du détecteur synchrone 58 dépend des niveaux des signaux provenant de l'am- plificateur d'électrode 54 et du signal d'attaque d'enroulement provenant du circuit d'attaque 88, un signal d'attaque d'enroulement sur le conducteur 100 est appliqué, par l'intermédiaire d'un amplificateur d'attaque de détecteur 102, sur le conducteur 60 qui délivre le signal synchrone d'attaque d'enroulement qui est utilisé avec les signaux d'électrode du conducteur 56 dans le détecteur synchrone 58. La fig. 8 est un schéma simplifié illustrant le fonctionnement de base du circuit de traitement des signaux du capteur de vitesse selon l'invention, mais le schéma réel du circuit utilisé dans le présent mode de réalisation est celui représenté sur la fig. 9. Ce circuit est réalisé en utilisant des composants du commerce, qui sont clairement indiqués sur le schéma. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art à l'appareil qui vient d'être décrit et illustré à titre d'exemple nullement limitatif sans sortir du cadre de l'invention. RE'VI'fl)ICATI0NS 1 - Transducteur de mesure d'écoulement de fluide, caractrissé en ce qu'il comporte un glectro-iniant dont l'axe est perpendiculaire à la direction d'écoulement du fluide et une pièce polaire d'extrémité voisine mais isolée du fluide, ledit électro-aimant étant allongé et comportant un enroulement bifilaire dont les conducteurs se terminent au niveau dune pièce polaire opposée à celle qui est voisine dudit fluide, deux électrodes montées près du pole d'extrémité et en contact avec le fluide, la direction d'écoulement du fluide entre lesdites électrodes étant perpendiculaire à une ligne entre lesdites électrodes, et deux conducteurs aboutissant auxdites électrodes, parallèles audit axe dudit électro-aimant et équidistant de cet axe près dudit électro-aimant. 2 - Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'attaque qui délivre un signal d'attaque dudit électro-aimant de manière à attaquer d'une façon symétrique ledit enroulement bifilaire dudit électro-aimant avec un signal de forme rectangulaire, ledit signal d'attaque ayant une durée relativement courte comparée au temps qui s'écoule entre chaque signal d'attaque, ledit signal d'attaque faisant passer ledit électro-aimant à l'état de saturation. 3 - Appareil de mesure d'écoulement de fluide, caractérisé en ce qu'il comporte un boîtier dont l'axe est perpendiculaire à une surface le long de laquelle le fluide circule, ledit boîtier comportant une surface d'extrémité qui affleure avec ladite surface le long de laquelle le fluide s'écoule, un électro-aimant allongé monté dans ledit boîtier et dont l'axe est parallèle audit axe dudit boîtier, ledit axe dudit électroaimant étant perpendiculaire à ladite surface le long de laquelle le fluide s'écoule, ledit électro-aimant comportant une pièce polaire d'extrémité voisine de ladite surface le long de laquelle le fluide s'écoule, Liais en en étant isolée, deux électrodes montées dans ladite surface d'extrémité dudit boîtier et en contact avec ledit fluide, la direction d'écoulement du fluide étant perpendiculaire à une ligne entre lesdites électrodes, deux conducteurs d'électrode aboutissant auxdites électrodes sur une surface d'extrémité opposée dudit boîtier, les dits conducteurs étant parallèles audit axe dudit électroaimant et éRuidistants de cet axe près dudit électro-aimant, un dispositif d'attaque qui délivre un signal d'attaque pour ledit électro-aimant de manière qu'un champ électromagnétique soit produit dans ledit fluide, autour desdites électrodes quand Ledit signal d'attaque est appliqué audit électro-aimant, et un dispositif de détection du potentiel électrique développé entre lesdites électrodes par suite de l'action mutuelle dudit champ électromagnétique et de l'écoulement dudit fluide, ledit dispositif de détection produisant un signal de vitesse proportionnel à la vitesse d'écoulement dudit fluide. 4 - Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit signal d'attaque présente une forme rectangulaire avec une durée relativement courte comparée au temps qui s'écoule entre chaque signal d'attaque, ledit signal d'attaque faisant passer ledit électro-aimant à l'état de saturation. 5 - Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit électro-aimant est bobiné en bifilaire et comporte des conducteurs de connexion qui se terminent L la surface d'extrémité opposée dudit boîtier et qui sont connectés à un enroulement à prisemédiane, ledit signal d'attaque étant appliqua auxdits conducteurs de connexion afin d'attaquer d'une façon symétrique ledit enroulement à prise médiane dudit électroaimant bobiné en bifilaire. 6 - Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit boîtier comporte une partie fi:e permettant le nontage en positinn fixe sur ladite surface le long de laquelle le fluide s'écoule, et une partie amovible qui contient ledit électro-aimant, lesdites électrodes et lesdits conducteurs d'électrode. 7 - Appareil selon la revendicaticn 3, caractérisé en ce que ledit dispositif de détection comporte un amplificateur connecté auxdits conducteurs d'électrode, ledit amplificateur présentant une icipedance d'entrée élevée, ledit dispositif de détection comportant en outre un détecteur synchrone qui reçoit lé signal de sortie dudit araplificateur et qui reçoit ledit signal d'attaque de manière à comparer lesdits signaux et produire un signal de vitesse à partir de ces signaux, ledit si gnal de vitesse étant proportinnnel & . v la la vitesse dudit fluide le lone de ladite surface. 8 - Appareil selon la revendication 7, caractèrisé en ce que ledit signal d'attaque présente une forme d'onde rectangu laire, et ayant une durée relativement courte comparée au temps qui s'écoule entre chaque signal d'attaque. 9 - nppareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit électro-aimant est bobiné en bifilaire et comporte des conducteurs de connexion qui se terminent à ladite surface d'extrémité opposée dudit boîtier, et connectés en enroulement à prise médiane, ledit signal d'attaque étant appliqué auxdits conducteurs de connexion de manière à attaquer d'une façon symétrique ledit enroulement à prise médiane dudit élec tro-aimant bobiné en bifilaire. 10 - Appareil selon la revendication 9, caractérisé en-ce que ledit boîtier comporte une partie fixe destinée à être montée de façon fixe sur ladite surface le long de laquelle le fluide s'écoule et une partie amovible qui contient ledit électro-aimant, lesdites électrodes et lesdits conducteurs d'électrode. 11 - Transducteur de mesure d'écoulement de fluide, caractérisé en ce qu'il comporte un électro-aimant dont l'axe est perpendiculaire à la direction d'écoulement du fluide et une pièce polaire d'extrémité voisine mais isolée du fluide, deux électrodes montées près de la pièce polaire d'extrémité et en contact avec le fluide, la direction d'écoulement du fluide entre lesdites électrodes étant perpendiculaire à une ligne entre lesdites électrodes, ladite ligne entre lesdites électrodes étant perpendiculaire audit axe dudit électro-aimant, deux conducteurs aboutissant auxdites éLectrodes, lesdits conducteurs étant parallèles audit axe dudit électro-aimant et en en étant équidistants près dudit électro-aimant, et un dispositif d'attaque qui produit un signal d'attaque pour ledit électro-aimant de manière qu'un champ électromagnétique soit produit dans ledit fluide autour desdites électrodes quand ledit signal d'attaque est appliqué audit électro-aimant, ledit signal d'attaque ayant une forme d'onde rectangulaire et ayant une durée relativement courte comparée au temps qui s'écoule entre chaque signal d'attaque, l'application dudit signal d'attaque audit électro-ai- mant faisant passer ce dernier à l'état de saturation.