Brevet FR2406809A1 — publié le 19790518

La présente invention est relative à des dispositifs pour la mesure de débits de fluides du type à émission de tourbillons dans lesquels un obstacle placé dans une conduite parcourue par le fluide à mesurer engendre l'émission périodique de tourbillons dont la fréquence est représentative de la vitesse du fluide, et par suite, du débit dans la conduite. La génération d'une allée de tourbillons par un obstacle placé dans une veine fluide est bien connue, et un grand nombre de dispositifs débitmé- triques basés sur cette propriété ont déjà été proposés. On sait en effet, que la fréquence d'émission des tourbillons alternés est liée par une relation linéaire à la vitesse locale d'écoulement du fluide, le coefficient de proportionnalité ne dépendant pratiquement que des dimensions géométriques de l'obstacle émetteur. La mesure de cette fréquence s'effectue généralement au moyen de capteurs sensibles à l'émission ou au passage des tourbillons, intégrés ou non dans l'obstacle, et aptes à détecter les variations alternatives de pression locale qui prennent naissance sur les parois de l'obstacle, le sens des efforts s'exerçant perpendiculairement à la direction de l'écoulement. Un tel dispositif débitmétrique est par exemple décrit dans la demande de brevet français nO 76-20.702 déposée le 7 Juillet 1976 ; suivant cette demande, l'obstacle générateur de tourbillons présente une prise de pression dans chacune des deux zones où prennent alternativement naissance les tourbillons, et ces prises de pression sont reliées à un capteur de pression différentielle extérieur à la conduite qui convertit ces variations alternatives de pression en un signal de fréquence représentative du débit à mesurer. Plus précisément, la relation linéaire liant la fréquence f d'émission v des tourbillons à la vitesse V d'écoulement du fluide s'écrit f = S d s où d désigne la dimension transversale de l'obstacle, et S le nombre de Strouhal dont la valeur est généralement voisine de 0,21. En pratique, on obtient une émission de tourbillons très métrologique, c'est-à-dire la fréquence f est bien proportionnelle à la vitesse V, lorsque la dimension d de l'obstacle est de l'ordre de 1/5 du diamètre de la conduite dans laquelle cet obstacle est monte. L'application de cette relation à de grands diamètres de conduites, par exemple de l'ordre de 1 mètre, fournit une fréquence de 1 Hz pour une vitesse du fluide égale à 1 m/s. Cette fréquence est alors assez basse pour pouvoir être détectée par des capteurs sensibles aux tourbillons d'un type différent de ceux utilisés jusqu'à présent à cet effet. On a en effet proposé d'utiliser des capteurs du genre thermique, pièzo électrique, capacitif, inductif, à ultra-sons, etc ... Ces capteurs, fondamen tapement analogiques, nécessitent un circuit électronique de mise en forme de leurs signaux pour obtenir à l'aide d'un fréquencemètre ou d'un totalisateur d'iiipulsions, le débit instantané ou curule passant dans la conduite. L'invention propose d'utiliser un autre type de capteur capable de fournir directement sous forme numérique et sans traitement électronique particulier, les signaux à la fréquence des tourbillons représentatifs du débit à mesurer. Suivant l'invention, le dispositif comporte un obstacle générateur de tourbillons disposé transversalement dans la conduite et associé à un capteur de pression différentielle relié à des prises de pression dans chacune des deux zones de l'obstacle où prennent alternativement naissance les tourbillons, et il est caractérisé en ce que ledit capteur est constitué par un compteur de fluide ayant un équipage mobile soumis à un entrainement sous l'effet de chaque écoulement du fluide parcourant, au moins dans un sens, le compteur à la suite de émission d'un tourbillon, et associé à des moyens de détection et de comptage desdits entrainements. Par compteur de fluide à équipage mobile, on entend un compteur de vitesse ou de volume, tel qu'un compteur à turbine, à piston rotatif, à disque oscillant, etc ... dans lequel un équipage mobile entraine en rotation l'arbre de sortie du compteur. Ce compteur est donc branché en reliant ses tubulures d'entrée et de sortie aux deux prises de pression existant sur l'obstacle. Le compteur utilisé peut être de deux types - soit réversible, auquel cas son équipage mobile est entrainé dans un sens ou dans l'autre selon le sens de passage du fluide dans ce compteur - soit irréversible, son équipage mobile ne pouvant être entrainé que dans le sens passant qui correspond au passage du fluide de l'entrée du compteur vers sa sortie. L'utilisation d'un compteur de fluide, tel qu'un compteur d'eau domestique, comme détecteur de pression alternative présente, en outre, d'autres avantages - c' est un capteur de pression différentielle très sensible : un calcul simple et approché permet de vérifier qu'un compteur d'eau dont le débit de démar rage est de 10 I/h engendre alors une perte de charge comprise entre 10 2 et lo-1 mbar. On ne trouve pas d'autres capteurs de pression différentielle aus si rustiques et aussi bon marché qui présentent une telle sensibilité - ce capteur possèdant la propriété évidente d'être intégrateur, il est donc pratiquement insensible aux chocs et vibrations parasites de fréquences éle- vées. L'écoulement alternatif prenant naissance dans les prises de pression à la suite de émission d'un tourbillon, à chaque alternance, sur une face de l'obstacle entraine l'équipage mobile et fait tourner l'arbre de sortie du compteur dans un sens donné, et ltenissien du tourbillon consécutif sur la fa- ce opposée de l'ebstacle le fait tourner en sens inverse si c'est un compteur réversible, ou ne l'entraine pas si c'est un compteur irréversible. Dans le premier cas (compteur réversible), les moyens de détection sont prévus pour détecter les entrainements de l'équipage mobile qui se produisent alternativement dans un sens et dans l'autre, quelque soit le sens d'écoulement du fluide dans ce compteur.Dans le second cas (compteur irréversible), les moyens de détection sont prévus pour détecter les entrainements de son équipage mobile qui se produisent chaque fois que le sens d'bcoulem-t du fluide dans ce compteur est passant, c'est-à-dire pour la catégorie de tourbillons provoquant un écoulement allant de son entrée vers sa sortie. Dans les deux cas, il est cependant visible que la fréquence des entrainements de l'équipage mobile du compteur est soit la fréquence même d'émission des tourbillons si le compteur est réversible, soit la fréquence moitié s'il est irréversible, et qu'elle est donc bien représentative du débit instantané du fluide à mesurer dans la conduite, la totalisation de ces entrainements étant aussi représentative du débit cumulé. Comme moyens de détection des entrainements de l'équipage mobile du compteur, on peut utiliser divers types de détecteurs : électriques, magnétiques, optiques, etc ... Il n'est pas nécessaire que l'arbre de sortie du compteur exécute-un grand nombre de tours à chaque alternance, puisque, en fait, c'est le nombre de démarrages de l'équipage mobile qui est significatif, et non le nombre de tours lui-meme exécuté par l'arbre de sortie. A titre d'exemples non limitatifs, ces moyens peuvent être constitués par des butées mécaniques limitant à un angle déterminé inférieur à 3600 la rotation d'un bras solidaire de l'arbre de sortie du compteur, chacune de ces butées étant associée à des "contacts", ou capteurs de proximité, disposés à son voisinage et ayant pour rôle de fournir un signal quand le bras atteint une rotation limite.Ces contacts sont par exemple - soit électriques (micro-interrupteurs) - soit magnétiques (aimant porté par un bras calé sur l'arbre de sortie et actionnant deux relais à lames souples ou des sondes à effet Hall, etc...) - soit optiques (volet réfléchissant monté sur un bras calé sur l'arbre de sor tie et renvoyant un faisceau lumineux sur un photorécepteur) - soit des détecteurs de proximité (inductifs, capacitifs, etc S'il s'agit de moyens de détection des entrainements unidirectionnels de l'arbre de sortie du compteur, ces moyens peuvent etre constitués par une seule paire de contacts associée à l'une des butées précédentes limitant la déviation angulaire de l'arbre quand le compteur est parcouru par l'écoulement du fluide dans le sens passant, cet arbre étant normalement ramené dans une position de référence par un ressort de rappel en l'absence d'écoulement dans le compteur. L'invention sera mieux comprise en se référant à la description et au dessin annexé qui représente à titre d'exemple non limitatif un mode de mise en oeuvre de l'invention. Sur ce dessin - la fig. 1 est une vue schématique d'un dispositif conforme à l'invention ; - la fig. 2 montre schématiquement un exemple de détecteur d'inversion de sens de rotation utilisable avec le dispositif de la fig. 1. Sur ce dessin, on voit en 10 la conduite parcourue par le fluide à mesurer et représentée en coupe transversale suivant la ligne moyenne de l'obs- tacle 11 monté dans cette conduite. L'obstacle 11 servant de générateur de tourbillons a une section quelconque, mais de préférence rectangulaire ou tra pézoidale appropriée à la génération de tourbillons francs. Cet obstacle est fixé sur la conduite par des moyens tels qu'un boulon 12, la conduite 10 présentant des logements prévus avec des faces d'appui complémentaires d'épaulement réalisés sur I'obstacle, comme cela est décrit dans la demande de brevet français précitée. Le fluide s'écoule dans la conduite perpendiculairement au plan de la figure, et des tourbillons prennent alternativement naissance dans les zones 13, 14 adjacentes aux faces latérales 15, 16 de l'obstacle 11. Des ouvertures 17, 18 pratiquées sur l'obstacle dans les faces 15, 16 constituent des prises de pression qui, par des conduits internes 19, 20 et des conduits externes 21, 22, sont reliées à un capteur de pression différentielle 23, permettant de détecter les apparitions de pressions alternatives dues à l'émission tourbillonnaire. Suivant l'invention, le capteur de pression différentielle 23 est constitué par un compteur de fluide, par exemple un compteur d'eau domestique du type à turbine et réversible, c'est-à-dire que sa turbine est entrainée en rotation alternativement dans un sens et dans l'autre sous l'effet des variations alternatives de pression précédentes. Les entrainements alternatifs dans un sens et dans l'autre de la turbine du compteur 23 sont détectées par des moyens de détection 24 associés au compteur pour fournir à un fréquencemètre 25 et à un totalisateur 26 des signaux représentatifs de la fréquence d'émission tourbillonnaire, et par conséquent du débit dans la conduite 10. Le fréquencemètre 25 affiche ainsi le débit de fluide instantané, tandis que le totalisateur 26 affiche le débit cumulé. On a représenté sur la fig. 2 une vue de dessus de la botte mesurante du compteur, sur laquelle est disposé un détecteur pouvant constituer les moyens 24. L'arbre de sortie de la turbine du compteur 23 est désigné par 30, et sur cet arbre est calé un bras 31 dont le débattement angulaire est limite par deux butées mécaniques 32, 33. Associés à chacune de ces butées, des contacts 34, 35 de l'un des types précédemment énumérés par exemple des microinterrup teurs normalement ouverts, sont disposés à leur voisinage de manière à être actionnés lorsque le bras 31 vient au contact mécanique de l'une des butées 32, 33. Ces contacts 34, 35 sont reliés électriquement aux dispositifs 25, 26 de la fig. 1 par des conducteurs 36. En fonctionnement, lorsqu'un débit de fluide s'écoule dans la conduite 10, il est alors clair que chaque tourbillon prenant naissance sur une face de l'obstacle, par exemple la face 15 (fig. 1), entraine sur celle-ci une variation de pression positive qui, à son tour, provoque dans le circuit fluide formé par les conduits 19, 21, le compteur 23, les conduits 22 et 20 un écoulement de fluide qui traverse le compteur. Sous l'effet de cet écoulement, la turbine du compteur tourne alors jusqu'à ce que le bras 31 soit arrêté par la butée, par exemple 32, position dans laquelle les contacts associés 34 sont fermés et émettent un signal électrique vers les dispositifs 25 et 26. Lors de la génération du tourbillon suivant, l'écoulement dans le circuit 19, 21, 23, 22 et 20 se produit en sens inverse du précédent, de sorte que la turbine du compteur 23 est entrainée aussi en sens inverse. Le bras 31 est ainsi amené au contact de l'autre butée 33, actionnant les contacts 35 et fournissent un nouveau signal aux dispositifs 25, 26, et ainsi de suite pour chaque nouveau tourbillon émis. Dans le cas où le compteur 23 est du type irréversible, l'équipage mobile du compteur ne peut être entrainé par l'écoulement du fluide que dans un sens, par exemple celui amenant le bras 31 contre la butée 32. L'autre paire de contactes, c'est-à-dire 35, est alors supprimée et remplacée par un ressort qui, en l'absence d'écoulement dans le compteur, rappelle le bras 31 contre la butée 33. De cette manière, seules les déviations correspondant à un écoulement effectif dans le compteur sont comptées, c'est-à-dire, en fait, une alternance de la fréquence d'émission ou un tourbillon sur deux. I1 va de soi que les moyens de détection ne sont pas limités à l'exemple qui vient d'être décrit et qu'ils peuvent être de tous types, et éventuellement jouer le roule des butées mécaniques s'ils sont suffisamment robustes. REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour la mesure de débit d'un fluide en écoulement dans une con duite, comportant un obstacle générateur de tourbillons disposé transver salement dans la conduite et associé à un capteur de pression différen tielle relié à des prises de pression dans chacune des deux zones de l'obs tacle où prennent alternativement naissance les tourbillons, caractérisé en ce que ledit capteur est constitué par un compteur de fluide ayant un équi page mobile soumis à un entraînement sous l'effet de chaque écoulement du fluide parcourant, au moins dans un sens, le compteur à la suite de l'é- mission d'un tourbillon, et associé à des moyens de détection et de comp tage desdits entrainements. 2 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit compteur est de type réversible. 3 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit compteur est de type irréversible. 4 - Dispositif suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens comportent un bras calé sur l'arbre de sortie de l'é- quipage mobile dudit compteur, au moins une butée mécanique délimitant la rotation dudit bras et au moins un capteur de proximité au voisinage de cette butée pour fournir un signal quand ledit bras vient au contact de la butée. 5 - Dispositif suivant les revendications 2 et 4, caractérisé en ce que lesdits moyens comportent deux butées mécaniques délimitant un angle inférieur à 3600 et deux capteurs de proximité respectivement associés à ces butees. 6 - Dispositif suivant les revendications 3 et 4, caractérisé en ce que lesdits moyens comportent en outre un ressort de rappel maintenant, en absence d'é coulement dans le compteur, le bras contre une seconde butée.