Brevet FR2465207A1 — publié le 19810320

La présente invention a trait d'une ma- nière générale aux débitmètres électro-magnétiques-et elle vise plus particulièrement un débitmètre sans bride dont les composants sont intégrés pour former une unité de grande compacité et de faible coût, qui puisse être facilement installée sur une condui- te d'écoulement, ladite unité pouvant être serrée entre les ex- trémités à brides de tuyaux amont et aval, et étant capable de supporter des forces de serrage élevées. Les débitmètres magnétiques tels que ceux décrits dans les brevets américains 3,695,104; 3,824,856; 3,783,687 et 3,965,738 sont spécialement adaptés à la mesure volu- métrique de l'écoulement des fluides qui p1ésentent des difficul- tés de manutention, comme par exemple les produits corrosifs, pa- teux ou pollués. Par le fait que de tels appareils laissent l'écou- lement libre ils n'ont pas tendance à s'obstruer ou à s'encrasser; ces appareils peuvent être utilisés pour la mesure des liquides en dépit de leur hétérogénéité de consistance. Un avantage supplémentaire d'une concep- tion de construction sans obstruction est que les pertes de pression sont réduites à celles rencontrées dans des diamètres de tuyaux de diamètre égal et de longueur équivalente, ce par quoi, comparativement aux autres techniques de mesure la mise en oeuvre d'un tel débitmètre permet de réduire ou de conserver les besoins en source de pression sur les conduites nouvelles ou existantes sur lesquelles sont montés les débitmètres. Dans un débitmètre magnétique, on engen- dre un champ électromagnétique dont les lignes de flux sont si- multanément perpendiculaires à l'axe longitudinal du tube dans lequel le fluide soumis à la mesure est conduit, et perpendiculai- res à un axe transversal sur lequel se trouvent des électrodes diamé- tralement opposées par rapport au tube. Le principe de fonctionne- ment est basé sur la loi d'induction de Faraday qui établit que la tension induite aux bornes d'un conducteur qui se meut perpendicu- lairement à un champ magnétique est proportionnelle à la vitesse de déplacement dudit conducteur. Le fluide mesuré se comporte ef- fectivement comme une série de conducteurs se déplaçant dans le champ magnétique; plus la vitesse d'écoulement est rapide, plus grande est la valeur instantanée de la tension qui s'établit en- tre les électrodes. Le type même de tels débitmètres électro- magnétiques commercialement disponibles, est l'appareil fabriqué par la Compagnie FISCHER & PORTER à Warminster Pennsylvanie, dont le modèle 10D1430 est décrit dans le Bulletin d'Instruction 10D1430A-1-revision 4. Ce débitmètre consiste en un cylindre d'a- cier au carbone comportant des brides à chacune de ses extrémités et ayant la fonction d'un corps de mesure. Des bobines magnéti- ques conformées en selle sont fixées sur les côtés opposés de la surface intérieure du corps de mesure, le cylindre magnétiquement perméable se comporte comme un noyau ou guide de retour pour les lignes du champ magnétique généré par les bobines. Les bobines selon une forme connue sont en- robées dans une résine époxy; un chemisage intérieur de néoprène, ou autres semblables matériaux d'isolation,est inséré à l'inté- rieur du cylindre et est rabattu à ses extrémités contre les fa- ces des brides d'accouplement. Deux électrodes cylindriques sont disposées dans des positions diamétralement opposées dans la par- tie médiane du corps de mesure, les électrodes étant isolées du cylindre, une face de chacune des électrodes étant au ras de la surface intérieure du cylindre et venant en contact avec le flui- de mesuré. Un pré-amplificateur et des organes de calibrage sont reliés à ces électrodes et logésdans un boitier extérieur au cy- lindre. Pour installer un débitmètre magnétique classique du type précité, on interpose le débitmètre entre les tuyaux amont et aval d'une conduite, chaque tuyau ayant une ex- trémité à brides; les brides d'accouplement du débitmètre sont boulonnées sur les brides de la conduite. Il est bien sur essen- tiel que les trous de boulons des brides d'accouplement du débit- mètre correspondent à ceux des brides de la conduite. Dans un débitmètre magnétique le tube d'é- coulement est soumis à la même pression de fluide que le conduit; le tube d'écoulement doit par conséquent être constitué d'un maté- riau tel, et d'une épaisseur suffisante pourqu'il puisse suppor- ter la pressionmême si sa résistance doit être sans rapport avec sa fonction de mesure. Cette exigeance contribue de façon signifi- cative à élever le coût d'un débitmètre standard. Les débitmètres existants du type sus décrits, qui sont réalisés à partir de - 246520' composants assemblablessont généralement d'une taille et d'un poids assez importants et ont un coût de fabrication très élevé. En considération de ce qui vient d'être dit l'objectif principal de la présente invention est de proposer un débitmètre électro-magnétique efficace et de grande compacité qui puisse être fabriqué à faible coût et installé rapidement sur une conduite. Plus particulièrement la présente inven- tion a pour objet un débitmètre sans bride du type précité qui est interposable entre les extrémités à brides de tuyaux amont et aval d'un conduit de fluide, en vue de la mesure du fluide passant dans le conduit, ledit débitmètre étant serrable au moyen de bou- lons reliant les brides des tuyaux de façon à réaliser l'étanché- ité au fluide, ledit débitmètre comportant un cylindre métallique central de haute résistance mécanique qui a pour fonctions de constituer un conduit d'écoulement et de rendre le débitmètre ca- pable de supporter aussi bien des forces élevées de serrage que la pression du fluide. La présente invention a aussi pour objet un débitmètre électromagnétique dans lequel un cylindre de métal non magnétique faisant fonction de conduit d'écoulement est entou- ré d'un carter en métal ferro-magnétique qui se comporte comme un moule d'enrobage permettant de noyer une chambre intérieure compri- se entre le cylindre et le carter, et d'enrober les composants contenus dans celle-ci, le carter constituant en outre un moyen de positionnement des divers composants du débitmètre, et servant aussi de moyens pour refermer le flux magnétique sur lui-même puisque les électro-aimants sont solidaires du carter. Un trait caractéristique de l'invention réside dans le fait que le carter se comporte comme une enceinte étanche pour les organes du débitmètre et comme support pour un appareillage de conversion, ou convertisseur, associé au débitmè- tre. Enfin la présente invention a encore pour objet un carter de débitmètre constitué de coquilles assemblables, ce qui simplifie considérablement l'assemblage des composants constituant le débitmètre. 24 65207 Brièvement décrits ces objets de l'inven- tion sont rassemblés en une unité de débitmètre conforme à l'in- vention, qui incorpore un cylindre de métal non magnétique de hau- te résistance mécanique dont la surface intérieure est revêtue d'une garniture de matériau isolant pour constituer un conduit d'écoulement pour le fluide à mesurer, le cylindre servant aussi à supporter les forces de serrage auquel est soumis le débitmètre par le fait de boulons reliant les extrémités à brides des tuyaux amont et aval entre lesquels l'unité est interposée, tout aussi bien qu'à supporter la pression du fluide; de préférence un car- ter cylindrique constitué d'un métal ferro-magnétique entoure concentriquement le cylindre, ledit carter étant préférablement constitué de deux demi-coquilles qui sont assemblables et qui in- corporent des plaques d'extrémité qui peuvent épouser les extrémi- tés correspondantes du cylindre de façon à constituer une chambre intérieure; de préférence encore deux noyaux magnétiques forment corps avec les deux demi-coquilles, et s'étendent de façon diamé- tralement opposée le long d'un axe perpendiculaire à l'axe longi- tudinal du carter cylindrique, les noyaux étant entourés de bobi- nages de façon à constituer des électro-aimants; de préférence encore deux électrodes sont placées sur le cylindre dans des posi- tions diamétralement opposées le long d'un axe transversal perpen- diculaire à l'axe de noyaux avec axe de champ. i de préférence en- fin ladite chambre intérieure est remplie d'un composé d'enrobage destiné à enrober les électro-aimants et les électrodes, le carter constituant un moule à cette fin. De préférence encore ladite garniture est moulée par injection d'un matériau plastique et elle est pourvue de collerettes d'extrémités qui recouvrent les flasques d'extrémi- té du cylindre; la garniture est pourvue de douilles destinées à recevoir et à isoler les électrodes. De préférence aussi ledit cylindre est ré- alisé en acier inoxydable, coulé par exemple. De préférence enfin les extrémités libres desdits noyaux sont emboitées dans des logements alésés dans ledit cylindre de façon à focaliser le flux, à minimiser la réluctance du parcours du flux, et à positionner le cylindre à l'intérieur du carter. La présente invention sera mieux comprise et des détails en relevant apparaîtront à la description qui va être faite en relation avec les figures des planches annexées dans lesquelles La fig.l est une coupe transversale d'une forme préférée d'exécution d'un débitmètre électro-magnétique conforme à l'invention, La f ig.2 est une coupe longitudinale du même, La fig.3 est -une élévation extérieure du même monté sur une conduite en vue d'y mesurer la vitesse d 'écou- lement du fluide. Sur les f ig.1 et 2 une unité de débitnmè- tre sans bride, conforme à l'invention, inclut un cylindre métal- lique non magnétique 10 de haute résistance mécanique, de préfé- rence en acier inoxydable, pourvu de flasques d'extrémité 10A et B; le cylindre 10, après adjonction d'une garniture il consti- tue un conduit d'écoulement pour le débitmètre et a un diamètre intérieur inférieur ou égal à celui des tuyaux adjacents. Le cylindre 10,qui a la forme d'une bobine de fil à coudre, est pourvu de nervures externes de renforcement R de façon telle que le cylindre soit capable de supporter non seulement la pression du fluide mesuré mais aussi la force de serrage à laquelle il est destiné à être soumis; cette force est engendrée par les boulons qui relient les brides des tuyaux amont et aval entre lesquels l'unité est interposée. Le cylindre 10 entoure une garniture tubu- laire il d'une matière plastique synthétique pourvue de colleret- tes d'extrémité 11A et 11B qui recouvrent les flasques d'extrémi- té du cylindre; la garniture est de préférence moulée par injec- tion d'un matériau tel que Kynar et comporte des douilles Si et S2 diamétralement opposées destinées à recevoir les électrodes métalliques du débitmètre; les électrodes s'étendent sur un axe X perpendiculaire à l'axe longitudinal Z d'écoulement. Un carter constitué de deux demi-coquilles 12U et 12L hémicylindriques entourent concentriquement le cylin- dre 10, les bords longitudinaux des coquilles étant pourvus de rebords 13 et 14; ces rebords sont soudés, vissés, ou assemblés l'un contre l'autre de toute autre manièrede façon à refermer le carter; les coquilles 12U et 12L sont réalisées en acier mou- lé ou en tout autre métal ferro-magnétique doux. Des noyaux magnétiques 15 et 16 consti- tués du même acier doux que les coquilles font corps avec elles; les noyaux sont diamétralement opposés et s'étendent le long d'un axe Y perpendiculaire à l'axe longitudinal Z,l'axe Y étant per- pendiculaire à l'axe X des électrodes, de telle sorte que ces trois axes sont perpendiculaires entre eux. Les extrémités libres des noyaux 15 et 16 sont emboitées dans des logements alésés dans la bobine 10; il résulte de cette disposition que le cylindre est positionné de façon précise par rapport aux pièces du carter. Les noyaux 15 et 16 sont entourés par des bobinages de solenoides 17 et 18 respectivement; la représenta- tion qui en est donnée sur les dessins est schématique, car dans la pratique les bobinages sont préfabriqués de telle sorte qu'ils puissent être enfilés sur les noyaux pour former des électro- aimants. Lorsqu'ils sont excités.ces électro-aimants induisent un champ électromagnétique dont les lignes de flux sont perpen- diculaires à la direction d'écoulement du fluide; il en résulte que le fluide passant dans le cylindre intercepte ce champ et qu'une tension est induite dans le fluide, tension qui est perçue par des électrodes pour générer un signal qui est fonction de la vitesse d'écoulement. Les conducteurs des électrodes ainsi que ceux des électro-aimants sortent du carter pour aller dans le convertisseur associé en passant dans des trous 19 et 20 de la demi coquille supérieure 12U. Les extrémités opposées du carter démon- table sont pourvues de plaques annulairesd'obturation 21 et 22 dont la périphérie interne permet l'encastrement de la périphérie externe des flasques d'extrémité 10A et lOB du cylindre de façon à faire une chambre fermée de l'espace compris entre le cylindre et les coquilles. Une plateforme extérieure 23 destinée à recevoir un boitier 24 de convertisseur (voir fig.3) fait corps avec la demi-coquille supérieure 12U du carter et est constituée de la même matière que ce dernier. Le boitier précité contient les circuits électroniques d'excitation de l'électro-aimant, les circuits de conditionnement du signal dérivé des électrodes et tous les autres circuits normalement associés à un débitmètre électromagnétique pour fournir un signal de sortie convenable pour être transmis à une station éloignée en vue d'indiquer et d'enregistrer le débit mesuré et de permettre les opérations de contrôle du processus. Puisque le cylindre 10 est bloqué entre les noyaux 15 et 16, et puisque les électrodes de mesure sont logées dans les douilles Si et S2, tandis que les bobinages 17 et 18 sont supportés par les noyaux entre le carter et le cylin- dre, toutes les parties du débitmètre sont fixées et logées à leur place convenable dans la chambre intérieure lorsque l'unité est assemblée. Il est alors possible, par l'introduction à tra- vers les trous 19 et 20 d'un composé polymérisable tel que rési- ne Epoxy ou autre matériau isolant de noyer les pièces contenues à l'intérieur de la chambre et de conférer ainsi à l'unité de mesure un fonctionnement fiable et efficace sur une durée prati- quement indéfinie, en dépit par exemple des conditions d'humidi- té. Ainsi le carter a non seulement la fonc- tion de support mécanique pour le montage du convertisseur, mais il constitue aussi un élément pour refermer le champ magnétique sur lui-même; de plus il constitue un moyen de logement et de maintien des sous ensembles tels que cylindre, conducteurs, par- ties magnétiques, etc... Non seulement ce carter constitue une enceinte étanche pour le débitmètre mais il permet aussi le noyage,ou enrobage,de la chambre intérieure. En pratique l'unité peut être pourvue de trous de boulons Hi, H2, H3 et H4 en position quadratique pour recevoircomme montré en fig.3, des boulons BlIB2 etc... qui relient les flasques d'extrémité d'une conduite amont 25 à celles d'une conduite aval 26 entre lesquelles l'unité est blo- quée. En pratique des joints d'étanchéité peuvent être disposés entre les extrémités de l'unité et les flasques. En vue d'avoir une bonne étanchéité vis à vis du fluide, l'unité est soumise à un effort de serrage éle- vé grâce au couple appliqué aux boulons; mais à cause de la forte résistance du cylindre métallique l'unité est capable de sup- porter une telle force; dans les très petites unités il peut être préférable que les boulons qui relient les flasques entou- rent et encagent l'unité plutôt qu'ils passent à travers des trous pratiqués dans l'unité. Bien que l'on ait représenté et décrit une forme préférée de réalisation d'un débitmètre conforme à l'inr- vention, on notera que des changements et des modifications peu- vent lui être apportés sans sortir de l'esprit de celle-ci. Ain- si au lieu d'avoir deux noyaux magnétiques faisant corps avec le carter, chaque noyau peut être partagé pour constituer une paire de noyaux partiels. Ainsi encore, bien que les dessins montrent un carter ayant des plaques d'extrémité qui encastrent les flas- ques du cylindre, on pourra dans certaines tailles de débitmètre, particulièrement dans des grandes dimensions comportant un bou- lonnage extérieur au carter, concevoir que la partie cylindrique du carter sera directement assemblée aux flasques de la bobine afin de constituer la chambre intérieure; ou encore au lieu d'un carter ouvrable comportant des rebords, ces rebords pourront être remplacés par une ligne de soudure. Les électrodes employées avec les débit- mètres peuvent être des électrodes conventionnelles mouillées de petit diamètre ou des électrodes mouillées de grande surface. Al- ternativement des électrodes isolées de grande surface peuvent être utilisées avec ou sans écran; et encore, bien que le débit- mètre représenté comporte des électro-aimants ayant des noyaux ferro-magnétiques, certaines autres formes de réalisation pour- ront comporter des électro-aimants sans noyau. 24652C7 R E V E N D I C A T I O N S 1.- Débitmètre électromagnétique en forme d'unité interposable entre des extrémités à brides de tuyaux amont et aval d'une ligne de conduite d'un fluide dont la vitesse doit être mesu- rée, les extrémités à brides étant reliées par des boulons qui soumettent l'unité à une force de serrage pour réaliser l'é- tanchéité au fluide de ladite unité, caractérisé: en ce que ladite unité comprend -un cylindre ayant sensiblement la forme d'une bobine de fil à coudre, destiné à constituer une conduite d'écoulement, le- dit cylindre étant constitué d'un métal non magnétique ayant une résistance mécanique suffisante pour supporter la pression de fluide et la force de serrage, ledit cylindre étant pourvu de flasques d'extrémité, une garniture isolante intérieure dudit cylindre, - un carter cylindrique formé d'un matériau ferro-magnétique entourant concentriquement ledit cylindre, ledit carter faisant corps avec au moins deux noyaux magnétiques de même matériau disposés de façon diamétralement opposée le long d'un axe per- pendiculaire à l'axe longitudinal d'écoulement du cylindre, et interceptant ce dernier, ledit carter épousant les flasques d'extrémité du cylindre de façon à constituer une chambre in- térieure comprise entre le carter et le cylindre, - des bobinages entourant lesdits noyaux pour former une pai- re d'électro-aimant, et - une paire d'électrodes montées sur ledit cylindre dans des positions diamétralement opposées le long d'un axe perpendicu- laire à la fois à l'axe d'écoulement et à l'axe des noyaux 2.- Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite garniture est moulée par injection d'un matériau plastique et est pourvue de colle- rettes d'extrémité qui recouvrent les flasques d'extrémité du- dit cylindre; 3.- Débitmètre selon la revendication 2, caractérisé: en ce que ladite garniture est pourvue de douilles destinées à recevoir et à isoler lesdites élec- trodes; 4.- Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé: en ce que ladite chambre est remplie d'un composé d'enrobage pour enrober lesdites électrodes et lesdits électro-aimants; 5.- Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé: en ce que ledit cylindre est réalisé en acier inoxydable; 6.- Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé: en ce que ledit cylindre est réalisé en acier inoxydable coulé; 7.Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé: en ce que les extrémités libres desdits noyaux sont emboitées dans des logements alésés dans ledit cy- lindre de façon à focaliser le flux, à minimiser la réluctance du parcours du flux, et à positionner ledit cylindre à l'inté- rieur dudit carter; 8.- Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé: en ce que ledit carter est réalisé par l'assemblage de deux demicoquilles complémentaires; 9.- Débitmètre selon la revendication 8, caractérisé: en ce que lesdites demi-coquilles sont pourvues de rebords permettant leur assemblage; 10.- Débitmètre selon la revendication 9, caractérisé: en ce que l'une desdites demi-coquilles fait corps avec une plateforme destinée à supporter l'appareil de conversion; 11.- Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé - en ce que ledit carter est pourvu de trous s'étendant longitudinalement de façon à permettre le passage desdits boulons 12.- Débitmètre électromagnétique en forme d'unité interposable entre des extrémités à brides de tuyaux amont et aval d'une ligne de conduite d'un fluide dont la vitesse doit être me- surée, les extrémités à brides étant reliées par des boulons qui soumettent l'unité à une force de serrage pour réaliser l'étanchéité au fluide de ladite unité, comprenant: - un cylindre ayant sensiblement la forme d'une bobine de fil à coudre, destiné à constituer une conduite d'écoulement, ledit cylindre étant constitué d'un métal non magnétique ayant une résistance mécanique suffisante pour supporter la pression de fluide et la force de serrage, ledit cylindre étant pourvu de flasques d'extrémité, - une garniture isolante intérieure dudit cylindre, - un carter cylindrique constitué d'un matériau ferro-magné- tique entourant conceritriquement ledit cylindre, ledit car- ter épousant les flasques d'extrémité dudit cylindre de fa- çon à créer une chambre intérieure comprise entre le carter et le cylindre, - des électro-aimants disposés dans ladite chambre intérieure en des positions diamétralement opposées le long d'un axe de champ perpendiculaire à l'axe longitudinal d'écoulement du cylindre et interceptant ce dernier, et - une paire d'électrodes montées sur ledit cylindre dans des positions diamétralement opposées le long d'un axe perpendi- culaire à la fois à l'axe d'écoulement et à l'axe de champ, ladite chambre étant remplie d'un composé d'enrobage de fa- çon à enrober lesdites électrodes et lesdits électro-aimants. 13.- Débitmètre selon la revendication 12, caractérisé en ce que Y les brides d'extrémité des tuyaux amont et aval étant annulaires et étant pourvues d'une série de trous disposés sur un cercle concentrique à l'axe d'écoule- ment, lesdits trous correspondant à des alésages du carter 1 -1 passant longitudinalement à travers le composé d'enrobage, lesdits trous et alésages servant au passage de boulons des- tinés à bloquer le débitmètre entre lesdites brides, lesdits alésages sont disposés de fa- çon à éviter les électroaimants et les électrodes enrobés.