Brevet FR2468106A1 — publié le 19810430

La présente invention, due à Messieurs Pierre CALVET, Gil-CHING et Philippe ROLLAND du Centre d'Etudes et de Recherches de Toulouse C.E.R.T. établissement de 1'O.N.E.R.A., a pour objet un débitmètre volumique pour fluides utilisant la formation d'un vortex. Elle concerne plus particulièrement un débitmètre volumétrique comprenant une chambre à symétrie de révolution autour d'un axe, munie à sa périphérie de moyens d'introduction tangentielle de fluide et, en son centre,de moyens d'échappement axial du fluide, disposés de façon à provoquer l'apparition d'un vortex,et un détecteur de vitesse. On connait déjà des débitmètres volumiques conçus pour que s'y organise un vortex présentant, au moins loca- lement, une vitesse de rotation sensiblement proportionnelle au débit et comprenant un capteur de vitesse de rotation. mais la plu- part des dispositifs existants de ce genre présentent plusieurs des inconvénients suivants: ils imposent aux fluides une perte de charge importante; leur réponse n'est pas suffisamment linéaire; ils sont sensibles aux fluctua- tions erratiques de débit; ils utilisent des éléments mobiles. La présente invention vise à fournir un dispositif répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il est de constitution simple, ne comporte que des éléments statiques et in- sensibles aux vibrations, aux chocs et aux fluctuations rapides du débit. Dans ce but, l'invention propose notamment un dispositif du genre cidessus défini dont le détecteur de vitesse comporte au moins un thermoélément émetteur et un thermoélément récepteur décalés angulairement autour de l'axe et situés dans une zone o la vitesse circonférentielle du vortex est sensiblement proportionnelle au débit, des moyens pour appliquer au thermoélément émetteur des impulsions électriques brèves de chauffage et des moyens pour détecter la venue en contact du fluide chauffé par impulsion avec le 24 68106 -2- thermoélément récepteur. Le débitmètre se compose avantageusement d'un boltier interposé sur le trajet du fluide dont le débit est à mesurer et une électronique annexe. Le boîtier peut ménager, autour de la chambre, une enceinte annulaire de trarquillisation amont et deux enceintes de tranquillisa- tion aval dans lesquelles la chambre s'ouvre axialement par deux convergents. Pour organiser le vortex dans la chambre, l'enceinte de tranquilisation amont communique avec celle-ci par au moins une fente parallèle à l'axe ou par des trous dirigeant le fluide suivant une direction ayant une composante tangentielle. Les thermoéléments seront généralement portés par un corps axial cylindrique isolant qui déborde de la chambre et traverse les enceintes de tranquillisation aval. Les diamètres respectifs de la chambre et du corps axial et la distance qui sépare le corps des thermoéléments, avan- tageusement constitués par des fils parallèles à l'axe, sont choisis de façon qu'il y ait une proportionnalité au moins approchée entre le débit et la vitesse de balayage des thermoéléments par le fluide. Les moyens pourront comporter un circuit de mesure de l'intervalle de temps entre application des impulsions électriques et détection par le thermoélément récepteur. Dans ce cas, les impulsions seront généralement appliquées à fréquence constante, déterminée par une horloge. L'électronique peut être prévue pour appliquer une impulsion électrique de chauffage en réponse à la détec- tion, la fréquence des impulsions de chauffage étant alors proportionnelle à la vitesse de rotation et, donc, au débit. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation du dis- positif particulier donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins, dans lesquels: - la figure 1 est un schéma montrant la partie mécanique du débitmètre, en coupe suivant un plan passant par l'axe de révolution de la chambre de formation de vortex, -.3- - la figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne II-II de la figure 1, - la figure 3 est un schéma d'une électronique pouvant être associée à la partie mécanique montrée en figures 1 et 2 pour constituer le débitmètre, - la figure 4 est un chronogramme montrant la forme des signaux qui apparaissent aux points du schéma de la figure 3 désignés par la lettre référence qui est repro- duite sur chaque ligne de la figure 4, - la figure 5, similaire à la figure 3, montre une variante de réalisation, - la figure 6, similaire à la figure 4, est un chro- nogramme montrant les signaux qui apparaissent aux points du schéma de la figure 5 désignés par la lettre référence qui est reproduite sur chaque ligne de la figure 6. Le débitmètre schématisé en figures 1 et 2 comprend un boîtier 10 en plusieurs pièces assemblées dans lequel est ménagée une chambre annulaire 11 à symétrie de révolu- tion, dont la paroi latérale est munie de moyens d'intro- duction tangentielle de fluide constitués par une fente d'injection 12. Cette fente, qui peut être remplacée par des trous d'injection tangentielle de fluide régulièrement répartis autour de l'axe, est alimentée par une enceinte de tran- quillisation amont14 également ménagée dans la chambre. La conduite 15 véhiculant le fluide dont on veut mesurer le débit débouche dans cette enceinte 14. Les parois terminales de la chambre 11 sont cons- tituées par deux flasques 17 disposés symétriquement par rapport au plan médian de la chambre, munis chacun d'un orifice central de sortie 18 dont les bords forment avantageusement un convergent, comme illustré sur la figure 1. Les flasques 17 délimitent, avec les faces terminales 16 du boîtier 10, deux enceintes de tranquillisation aval reliées à une conduite 19 d'évacuation du fluide. Un corps central cylindrique 21 coaxial aux enceintes 20 et à la chambre 11 les traverse de part en part. Ce corps 21 porte le détecteur de vitesse, constitué par deux thermo- éléments rectilignes 22 et 23 disposés parallèlement à l'axe, à distance e du corps 21 et à distance angulaire O -4- (figure 2). Ces thermo- éléments 22 et 23 seront généralement constitués par deux fils thermo- résistifs rectilignes portés chacun par deux broches radiales métalliques 24. L'ensemble constitué par le corps 21 et le détecteur de vitesse sera avantageusement monté de façon amovible. Dans le mode de réalisation illustré, il est muni d'une bride 25 susceptible d'être fixée de façon étanche sur l'ure des faces 16. Les fils de connexion entre les thermo- éléments 22 et 23 et les moyens de mesure pourront être noyés à l'intérieur du corps 21. La hauteur axiale de la chambre 11, le diamètre des orifices de sortie 18, le diamètre du corps 21, la longueur de la fente 12 ou le nombre et la disposition des trous qui la remplacent, la distance e des thermoéléments 22 et 23 au corps central 21 sont choisis en fonction du rayon r de la chambre 11 de façon que la vitesse circonfé- rentielle du fluide qui balaie les thermo-éléments 22 et 23 soit proportionnelle à chaque instant au débit mesuré. Ces dimensions peuvent être déterminées par l'expérience sans difficulté. Dans ces conditions, lorsque du fluide passe de la conduite 15 à la conduite 19, une couche limite de rotation entretenue par la quantité de mouvement issue de la fente 12 se développe contre la paroi de celle-ci. L'écoulement dans cette couche limite est tridimensionnel, étant donné que les filets doivent prendre un mouvement hélicoïdal pour sortir par les orifices 18. Une fraction importante du débit issu de la fente 12 longe la paroi latérale de la chambre 11, puis les flasques 17 avant de s'échapper par les orifices 18. Une autre fraction du débit est entraînée hélicoidalement vers le corps central 11, dans la partie centrale d'un écoulement ayant un mouvement de giration, o viscosité et turbulences ne se manifestent que faible- ment. Dans cette région centrale, on peut, à proximité du plan médian de la chambre 11, assimiler l'écoulement à un vortex dans lequel la vitesse circonférentielle, qui ne s'accompagne que de faibles vitesses radiales et 2 4 6 8 1 0 6 _5- longitudinales, est approximativement inversement propor- 1ionne]]p à la di-tance à l'axe de rotation. Contre la paroi du corps central 21 apparait une couche limite hélicoïdale symétrique par rapport au plan médian. Pour que les thermo- éléments 22 et 23 soient balayés par du fluide dont la vitesse est proportionnelle au débit, ils doivent être placés à l'extérieur de la couche limite, ce qui implique une valeur appropriée de e. Si les dimensions de la chambre et des orifices sont correctement proportionnées, les couches limites sur la paroi latérale de la chambre 11 et contre le corps 21 sont de faible épaisseur et la vitesse circonférentielle du fluide au niveau des thermo-éléments 22 et 23 est stable, ces thermo-éléments étant placés dans une zone d'écoulement potentiel hors des couches limites. Par un réglage approprié de la largeur de la fente ou des fentes 12, on obtient une proportionnalité satisfaisante entre la vitesse de balayage et le débit volume du fluide pour une large plage de débits et de viscosités. La fente 12 a évidemment un rôle essentiel pour ce qui est du comportement de la couche limite le long de la paroi latérale de la chambre 11. Mais, de plus, elle assure un filtrage efficace à l'égard des fluctuations d'origine amont par l'accélération qu'elle impose à l'écoulement tranquilisé dans l'enceinte 14. Les orifices 18 jouent un rôle similaire à l'égard des fluctuations provenant de l'aval, par la survitesse locale qu'ils imposent. Les moyens de mesure associés aux thermo-éléments 22 et 23 sont prévus pour évaluer la vitesse tangentielle à distance e du corps 21 par thermo-convection. Les moyens appliquent au thermo-élément émetteur 22 des impulsions périodiques de chauffage par effet Joule. Le fluide en rotation transporte l'énergie calorifique ainsi produite et une fraction en est recueillie par le thermo-élément récepteur 23 utilisé en thermomètre. Le temps de transit séparant l'application de l'impulsion de chauffage de la réception fournit une indication inversement propor- -6- tionnelle à la vitesse du fluide. Les moyens de mesure sont susceptibles de nombreu- ses variantes de réalisation. Dans le mode d'exécution montré en figure 3, ces moyens sont prévus pour fournir un signal analogique d'amplitude proportionnelle au temps de transit et donc inverse du débit. Les moyens de mesure illustrés en figure 3 sont de nature électronique et peuvent être considérés comme comprenant:un circuit de puissance destiné à fournir les impulsions de chauffage du thermo-élément émetteur 22; un circuit analogique de détection et d'amplification du signal fourni par le thermo-élément récepteur 23; des circuits logiques de séquencement et de synchronisation des impulsions et de détermination du temps de transit des bouffées de chaleur;et, enfin, un système indicateur Le circuit de puissance 26 peut être constitué par un Darlington précédé d'un transistor d'adaptation d'impédance. Il reçoit sur son entrée des impulsions de commande provenant du circuit logique de synchronisation et fournit, sur sa sortie, des impulsions de chauffage du thermo-élément 22 de même durée que les signaux qu'il reçoit. Le circuit 26 peut être associé à un circuit de protection destiné à éviter la destruction du thermo- élément 22 par surcharge. Le circuit de protection 27 comprend un comparateur 28 qui reçoit, sur une entrée, une tension de référence V0 et, sur l'autre entrée, la tension de chauffage du thermo-élément 22. Le comparateur 28 relié au circuit logique de synchronisation interrompt l'impul- sion de chauffage dès que la tension aux bornes du thermo- élément dépasse une valeur déterminée. Le circuit de détection et d'amplification 29 comprend un pont de W4eatstone alimenté sous une tension +VA stabilisée et filtrée pour éviter les perturbations dues à l'appel de courant pendant le chauffage. Dans la pratique, avec des thermo-éléments constitués par des fils courants, la sensibilité du pont sera, en sortie, de l'ordre du mV/oC. La tension de diagonale du pont est appliquée à un amplifi- cateur 49 qui attaque à son tour un comparateur 40. Ce dernier comprend un réseau résistance-capacité et un ampli- 2468 106 -7- ficateur 41. La fréquence de coupure du filtre constitué par la résistance 42 et la capacité 43 est choisie pour que les variations lentes de tension de sortie de 29 (dues par exemple aux variations de température du fluide) soient transmises sans atténuation. Par contre, les variations rapides, dues à la réception de l'impulsion thermique par le thermo-élément récepteur 23, sont atténuées par le filtre: le déséquilibre ainsi produit se traduit par un basculement du comparateur 40. Les circuits logiques comprennent une partie séquencement et synchronisation.Celle-ci comprend une horloge 32 à fréquence fixe. Les signaux de sortie d'horloge sont appliquée, par l'intermédiaire d'un circuit de mise en forme comprenant une porte OU EXCLUSIF 33 et une porte ET 34, à un monostable 35 dont la durée de maintien dans l'état instable fixe la durée d'application de l'impulsion de chauffage. La sortie de ce monostable est reliée à l'entrée du circuit de puissance 26. Un circuit dérivateur 36 est interposé sur son entrée de façon que le monostable bascule en réponse au front arrière des impulsions provenant du circuit ET 34. La sortie du circuit de protection 27 est reliée à l'entrée de remise à zéro du monostable. La partie des circuits logiques destinée à la détermination du temps de transit comprend une bascule 37 de type D qui reçoit les impulsions de chauffage pro- venant du circuit 35 sur son entrée D et les impulsions provenant du circuit de détection 29 sur son entrée d'hor- loge. Une porte OU 39,dont la seconde entrée est reliée à la sortie du monostable 35, est interposée entre le circuit 29 et l'entrée d'horloge de la bascule 37. Ainsi, cette entrée d'horloge reçoit, d'une part, les impulsions de détection de passage de fluide chaud fournies par le cir- cuit 29, d'autre part, les impulsions de commande d'im- pulsion de chauffage. Afin d'assurer l'initialisation du dispositif lors de la mise sous tension du circuit, l'entrée de remise à zéro de la bascule 37 est associée à une porte OU EXCLUSIF 44 dont l'une des entrées est reliée à la tension +VA. La partie de mesure de temps de transit des circuits logiques comprend de plus un circuit 45 de mise en forme à base de portes OU EXCLUSIF et ET reliées aux sorties Q et Q de la bascule 37. La sortie de ce circuit de mise en forme 45 attaque à son tour le système indicateur. Une solution simple consiste à utiliser comme signal de sortie, soit les signaux apparaissant sur la sortie Q de la bascule 37, constitués de créneaux dont la durée est égale au temos de transit de l'impulsion calorifique, donc inversement proportionnelle au débit à mesurer, soit les signaux de sortie du circuit de mise en forme 45 dont la fréquence est inversement proportion- nelle à ce débit. L'indicateur peut alors être très simple. Dans le mode de réalisation illustré en figure 3, le système indicateur 46 fournit une tension analo- gique proportionnelle au temps de transit. Ce système 46 comprend un intégrateur analogique constitué par un amplificateur 47 attaqué par l'intermé- diaire d'une résistance 48 et bouclé sur un condensateur 50. Ce circuit intégrateur génère une rampe linéaire pendant la durée du temps de transit, c'est-à-dire pendant toute la durée o le transistor à effet de champ 51 est débloqué par la sortie Q de la bascule 37. La remise à zéro est effectuée à l'aide d'un transistor 52 commandé par le créneau de sortie de la porte 34. A la fin de chaque mesure, la tension de rampe est mémorisée jusqu'à la mesure suivante par un circuit échantillonneur- bloqueur comprenant un transistor à effet de champ 53, commandé par le circuit de mise en forme 45, un conden- sateur 54 et un amplificateur de sortie 55. Le fonctionnement du dispositif de la figure 3 apparait sur le chronogramme de la figure 4 dont chaque ligne montre les signaux qui apparaissent aux points du schéma de la figure 3 désignés par la même lettre. Dans la variante de réalisation montrée schématiquement en figure 5, o les composants corres- pondant à ceux déjà décrits portent le même numéro de référence, la sortie du circuit de détection et d'ampli- -9- fication 29 est rebouclée sur la partie séquencement des circuits logiques, de façon à appliquer une nouvelle impulsion de chauffage au thermo-élément 22 dès qu'il y a eu réception d'un signal. Ainsi, la fréquence de répéti- tion des impulsions de chauffage est directement propor- tionnelle au débit à mesurer. Toutefois, cette fréquence est limitée par l'inertie thermique du thermoélément émetteur 22 qui doit revenir à une température proche de celle du fluide pour pouvoir délivrer une impulsion thermique identifiable. Si l'on utilise les composants actuellement disponibles, il est difficile de dépasser une fréquence de répétition de l'ordre de 10 Hertz. Cependant un tel mode de fonctionnement est intéressant du fait qu'il donne une indication linéaire en fonction du débit. Parmi les applications possibles, on peut citer la réalisation d'un totalisateur de consomma- tion pour moteur à combustion interne. Dans le mode de réalisation illustré en figure 5, on retrouve un circuit de détection et d'amplification 29 qui attaque une porte OU 56 dont l'autre entrée reçoit les impulsions de commande de chauffage fournies par le déclencheur commandé 57, constitué par un monostable. La porte OU transmet à l'entrée d'horloge H d'une bascule 58, de type D, les impulsions reçues sur l'une ou l'autre de ses entrées. L'entrée D de la bascule est reliée à la sortie du déclencheur 57 de façon à être positionnée à chaque début d'impulsion de chauffage. Sa sortie Q est reliée à un circuit multiplicateur de retard tenant compte de l'impossibilité d'allonger la durée de transit de l'impul- sion thermique, l'écart angulaire O entre thermo-élément émetteur 22 et thermo-élément récepteur 23 ne pouvant être augmenté exagérément. Ce multiplicateur de retard com- prend un condensateur 60 associé à un circuit qui le charge linéairement pendant la durée du transit de l'impulsion thermi- que. Ce circuit comprend une résistance 61 et un transis- tor 62 débloqué pendant la durée du créneau apparaissant sur la sortie Q de la bascule 58. La sortie du 2468106.X - 10 - multiplicateur de retard attaque un comparateur 63 dans lequel la tension de charge du condensateur 60 est comparée à une tension de référence V0. La tension de sortie du comparateur 63 est appliquée à une porte OU 64 dont l'autre entrée est reliée à la sortie Q de la bascule 58. Les impulsions de sortie de la porte OU64 sont appliquées, par l'intermédiaire d'un condensateur , à une porte ET 66. Celle-ci reçoit, sur sa seconde entrée, la sortie Q d'un monostable reconductible 67 dont l'entrée de positionnement reçoit les impulsions de détection fournies par le circuit 29. Une porte OU 68 commande le positionnement du monostable 57 en réponse, soit aux impulsions de sortie de la porte 66 (lorsque le multiplicateur de retard envoie une impulsion alors que le monostable 67 est positionné) soit en réponse aux impulsions provenant d'une porte ET 69 (sur intervention d'un circuit d'initialisation 70 alors que le monostable 67 est revenu à zéro). Les signaux qui apparaissent en différents points du dispositif de la figure 5 sont indiqués sur la figure 6. Le circuit d'initialisation 70 émet par exemple des impulsions avec une périodicité de quelques secondes, trois secondes par exemple. En réponse à chaque impulsion de détection (ligne N), la sortie Q de la bascule 58 revient à zéro (ligne P) et la charge du condensateur 60 cesse (ligne R). Le condensateur se décharge de façon quasi linéaire après s'être chargé de façon linéaire, jusqu'au moment o le comparateur 63 bascule (point 72), provoquant la venue du monostable 57 en position instable et l'apparition d'une impulsion de chauffage (ligne T). La fréquence de sortie pouvant difficilement dépasser10 Hlz, la durée de maintien du monostable 57 en position instable, et donc la largeur des impulsions de chauffage (ligne T) seront générale- ment de quelques millisecondes. L'invention est susceptible de nombreuses applications. En particulier, elle permet de réaliser un dispositif simple de mesure de consommation. Ce dis- positif est peu sensible aux régimes instationnaires, - il - du fait de l'incidence de deux constantes de temps, l'une liée à la durée du parcours des particules à la frontière de la couche limite le long de la paroi latérale 11 et, l'autre, au ralentissement de la masse en rotation d'un écoulement potentiel entre les deux couches limites. Ainsi, les fluctuations de débit à basses fréquences sont filtrées. Par ailleurs, la disposition axiale desdétec- teurspermet, en leur donnant une longueur représentant une fraction notable de la dimension axiale de la chambre 11, d'effectuer une intégration spatiale des irrégularités du champ de vitesses, d'o une amélioration du rapport signal/bruit. - 12 - REVENDICATIONS 1. Débitmètre volumétrique comprenant une chambre à symétrie de révolution autour d'un axe, munie, à sa périphérie, de moyens d'introduction de fluide et, en son centre, de moyens d'échappement axial du fluide, disposés de façon à provoquer l'apparition d'un vortex et un détecteur de vitesse, caractérisé en ce que le détecteur de vitesse comporte au moins un thermoélément émetteur et un thermoélément récepteur décalés angulairement autour de l'axe et situés dans une zone o la vitesse circonfé- rentielle du vortex est sensiblement proportionnelle au débit, des moyens pour appliquer au thermoélément émetteur des impulsions électriques brèves de chauffage, des moyens pour détecter la venue en contact du fluide chauffé par l'impulsion avec le thermoélément récepteur. 2. Débitmetre suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre est entourée radialement par une enceinte annulaire de tranquillisation amont et s'ouvre axialement par deux convergents dans deux enceintes de tranquillisation aval. 3. Débitmètre suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'enceinte de tranquillisation amont communique avec la chambre par au moins une fente parallèle à l'axe ou des trous dirigeant le fluide suivant une direc- tion sensiblement tangentielle. 4. Débitmètre suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les thermoéléments sont portés par un corps axial cylindrique isolant qui déborde de-la chambre.. 5. Débitmètre suivant l'une quelconque des reven- dications 1 à 4, caractérisé en ce que le détecteur de vitesse comprend un circuit de mesure de l'intervalle de temps entre application des impulsions électriques et détec- tion. 6. Débitmètre suivant l'une quelconque des reven- dications 1 à 4, caractérisé en ce que le détecteur comprend un circuit provoquant l'application d'une impulsion élec- trique de chauffage en réponse à la détection et des moyens pour mesurer la fréquence des impulsions de chauffage.