Brevet FR2467389A1 — publié le 19810417

La présentue inivent ion concerne des débitmiètres magnétiques et, en particulier, une famille de débitmè- tres présentant la caractéristique nouvelle d'utiliser la même puissance d'attaque de bobinages et de fournir pratiquement la même tension de sortie pour un débit moyen donné dans un large intervalle de dimensions allant d'un diamètre inférieur à 50,8 mm à un diamètre de plus de 508 mm. Dans un débitmiètre électromagnétique, les bobi- nages d'un électro-aimant, disposés autour d'un tube d'écoulement, sont excités par un circuit d'attaque pour créer un champ magnétique en travers de ce tube. Ce champ magnétique engendre à son tour une tension dans un fluide s'écoulant dans le tube. Cette tension,qui est proportionnelle au débit, est détectée par deux électro- des entrant en contact avec le fluide, et elle est ampli- fiée par un amplificateur différentiel en vue d'émettre un signal dépendant du débit et qui est amplifié par un système de traitement de signaux en vue d'engendrer un signal de sortie proportionnel au débit. En règle géné- rale, les bobinages comportent un noyau en une matière ferro- magnétique, soit sous forme d'une culasse extérieure, soit sous forme du corps du tube de mesure de débit lorsque ces bobinages sont placés à l'intérieur de ce dernier. Le circuit d'attaque et le système de traitement de signaux sont généralement des éléments séparés qui doivent néan- moins être conçus séparément pour des débitmètres de diffé- rentes dimensions. Par exemple, le circuit d'attaque peut consommer une puissance d'environ 25 watts pour un débit- lu mètre d'un diamètre de 76,2 mm, alors qu'il exige une puissance d'environ 150 watts pour un débitmè- tre d'un diamètre de 762 min. Un des objets de la présente invention est de fournir une famille de débitmètres magnétiques d'une di- mension se situant entre moins de 152,4 mm et plus de 508 mm, tous ces débitmètres consommant une puissance infé- rieure à celle des dLéb itinièt les connus jusqu'à présent, cependant qu'ils peuvent être alimentés par la même sour- ce de courant. Un autre objet est de fournir une famille de débitmètres produisant généralement la même tension de sortie pour un débit moyen particulier du fluide à mesu- rer, quelle que soit la dimension du débitmètre. Un autre objet encore est de fournir une fa- mille de débitmètres pouvant être aisément caractérisés lu par une constante d'étalonnage quantitative, de façon à permettre l'étalonnage des systèmes de traitement de si- gnaux sur la base de cette constante. D'autres objets de la présente invention appa- raîtront à l'homme de métier à la lecture de la descrip- tion ci-après'donnée en se référant aux dessins annexés. Suivant la présente invention, on prévoit, d'une manière générale, une famille de débitmètres magné- tiques de différentes dimensions comprenant chacun un corps conçu pour être raccordé dans un système d'écoulement pré- vu pour mesurer le débit d'un fluide s'écoulant au tra- vers, des bobinages destinés à créer un champ magnétique dans le fluide s'écoulant à travers ce corps, un circuit d'attaque conçu pour engendrer un courant d'excitation dans ces bobinages, deux électrodes montées dans le corps du débitmètre pour émettre un signal dépendant du débit et qui est fonction du champ électrique créé dans le flui- de s'écoulant à travers le champ magnétique, ainsi que des éléments de traitement de signaux destinés à ampli- fier le signal dépendant du débit pour émettre ensuite un signal de sortie dépendant de ce dernier signal, chaque débit- mètre appartenant à cette famille engendrant pratiquement le même signal de sortie pour un débit moyen donné, tout en consommant pratiquement la même puissance d'excitation, tandis que les bobinages de chaque débitmètre sont des bo- binages à air, le circuit d'attaque pour les bobinages de chaque débitmètre produisant un courant continu d'exci- 2467389. tation pulsé idenltique; en outre, les bobinages de cha- que débitmètre sont calibrés de telle sorte que l'inten- sité du champ magnétique soit inversement proportionnelle à l'écartement des électrodes. De préférence, le corps de chaque débitmètre est tubulaire et chacun des bobina- ges est réalisé sous forme d'un rectangle défini sur ce corps tubulaire. De préférence également, les bobinages ont chacun le même nombre de spires avec une géométrie identique par rapport au corps du débitmètre, leur diamè- I) tre se situant dans l'intervalle allant d'une valeur aus- si réduite qu'au moinis environ 152,4 iimi à une valeur aussi élcvéc qu'au moins environ 508 mm. En modifiant la géométrie des bobinages, la gamme de dimensions des débitmètres est aisément étendue à moins de 50,8 mm. Chacun des bobinages est conçu de telle sorte que la même alimentation engendre le même flux de courant. En raison de la géométrie des bobinages et de l'absence d'un noyau ferromagnétique, ces bobinages créent un champ magnétique exactement proportionnel au cou- rant, tandis que la valeur du signal de sortie peut être prédite avec une tolérance de plus ou moins 10% sans au- cun étalonnage. Dans les dessins annexés: la figure I est une vue en perspective d'un dbl)itmnètre magnétique faisant partie d'une famille sui- vant la présente invention; et la figure 2 est une élévation schématique en bout du débitmètre illustré en figure 1. En se référant à présent à ces dessins et, en particulier, à la figure 1, le chiffre de référence 1 dé- signe un système de débitmètres magnétiques représentant une famille de débitmètres suivant la présente invention. Ce système I comprend un tube d'écoulement 3, deux bobina- ges électromagnétiques 5 disposés face à face et excités par une source de courant continu 7 via un générateur d'impulsions 8, ainsi que deux électrodes 9 qui détectent 4 2467389 utilec t es i on t.igClldl ée p;a r 1 'éc oulelient d'un fluide LouiIduc- tllur d'électricité à tl rav:e: le champ magnétique créé par les bobinages 5 en travers du tube 3. La tension aux bor- nes des électrodes 9 est amplifiée par un amplificateur différentiel 11, pour être ensuite convertie en un signal de sortie par une chaîne de traitement de signaux 13. l'excitation des bobinages et le fonctionnement de cette chaîne de traitement de signaux 13 sont commandés par un séquenceur 15. Suivant la présente invention, les bobinages 5 sont des bobinages à air dont la configuration est étu- diée pour leur permettre d'engendrer un signal de sortie d'un niveau acceptable avec une faible consommation de puissance. De préférence, le système d'attaque à courant continu pulsé.prévu pour ces bobinages émet un train d'im- pulsions de la même polarité, mais il peut également émettre un train d'impulsions à polarité alternative ou un signal alternatif à "onde carrée". Toutefois, l'utilisa- tion d'un système d'attaque à courant continu est impor- tante pour la mise en oeuvre de la présente invention. L'équation de travail pour le système de débit- mètres 1 est la suivante: V = U/SdB o V est le débit moyen du fluide, U est la différence de potentiel aux électrodes, d est l'écartement des électro- des, B est une valeur représentative de la densité du flux magnétique et S est une constante dépendant de la géoie- trie du tube d'écoulement et du champ magnétique. I1 a été déterminé expérimentalement que la configuration du champ magnétique n'exerçait aucune in- fluence sur la linéarité du signal de sortie pour des écoulements symétriques par rapport à l'axe, mais qu'elle pouvait toutefois influencer la valeur de S. Dans une famille de débitmètres dont les dimen- sions se situent dans un large intervalle, il pourrait être souhaitable d'utiliser un groupe commun d'unités élec- S troi iques de tra i t ement 1I. lii tranuspobant l' équation ci-dessus cormme suit: U/V - SdB, on lpeut constater que le signal de sortie pour Iun débit- mètre de n'importe quelle dimension aura la même ampli- tude si SdB est une constante. La valeur de S ne chan- gera pas aussi longtemps que la géométrie du tube d'écou- lement et du champ magnétique reste inchangée. Le pro- blème qui se pose alors, consiste à maintenir constant le produit de d et B. On a constaté qu'en maintenant la géométrie relative du bobinage et du tube d'écoulement et en utili- sant le même flux de courant magnétique pour créer le champ magnétique, on obtenait une valeur B permettant de maintenir constant le produit de d et B. Etant donné que le circuit magnétique est dé- pourvu de matières ferromagnétiques, B est ptopurtionnel à NI, o N est le nombre de spires du bobinaelc et I est le courant passant à travers ce dernier. Il est particu- lièrement avantageux d'utiliser le même nombre de spires pour chaque bobinage dans une famille de débitmètres et de donner la même résistance électrique aux bobinages en choisissant un calibre de fil approprié pour une dimen- sion de bobinage particulière. Dans la forme de réalisation illustrée, les bobinages 5 ont une configuration rectangulaire et sont enroulés sur l'extérieur du tube d'écoulement 3 en étant raccordés électroniquement en série. Chaque bobinage 5 a une longueur axialeintérieure A d'environ 0,7D (D étant le diamètre extérieur du tube d'écoulement 3) et une lar- geur intérieure C (à plat) d'environ 7D/3. Comme le Jinon- tre la figure 2, chaque bobinage 5 entoure ainsi la cir- conférence du tube 3 sur 120 . Chaque bobinage 5 renfer- me nominalement 400 spires de fil. Etant donné que les dimensions A et C sont choi.sies de telle sorte qu'elles soient proportionnelles au diamètre D du tube d'écoule- (0} 2467389'. miint, la Iongeu ir tota Ile dt1 I 1 de chaque bobinage est égalemcnt proportl uoniellt I à. L.e calibre du fil est choisi de façon à maintenir une résistance électrique totale de 15 ohms pour les deux bobinages. Comme on le comprendra, si le diamètre du fil pour un débitmètre d'une dimension donnée est W, l'épaisseur t du bobinage sera alors de 20W, puisqu'aussi bien ce dernier est constitué d'un fil formant, en section transversale, un carré de 20 x 20. Id On a constaté empiriquement qu'en faisant pas- ser un courant pulsé de 1 ampère à travers des bobinages ayant cette configuration, ces derniers engendraient, aux électrodes, une tension de sortie constante d'envi- ron 246 microvolts par mètre et par seconde de vitesse d'écoulement,.quel que soit le diamètre intérieur d (se situant entre 152,4 mm et 762 mm ou plus) du tube 3 du débitmètre. La tension de sortie aux électrodes du débit- mètre varie de plus ou moins 10% maximum par rapport à cette valeur nominale et cette variation peut être compen- sée au tube d'écoulement moyennant un étalonnage dans la chaîne de traitement de signaux 13. On constatera que la consommation de puissance des bobinages de tous les débit mètres de la famille est d'environ 15 watts. L'intervalle de dimensions de la famille de débitmètres donnée à titre d'illustration peut être pro- longé vers le bas jusqu'à 38,1 mm, tout en conservant le même circuit d'attaque pour les bobinages et les mêmes unités électroniques de traitement. Toutefois, dans le cas de débitmètres de plus petites dimensions, plusieurs facteurs exigent des modifications dans les géométries des bobinages et le nombre de spires de ceux-ci. Les bobina- ges deviennent alors volumineux, étant donné qu'un fil de petit calibre ne peut supporter le courant requis. L'épaisseur du tube d'écoulement et l'épaisseur t des bo- binages deviennent également importantes, tandis que la dimension des électrodes limite la largeur C des bobina- 2467389. gus. Jill conséquence, 1 l tngleultt ax ile A des bIol, ila!',: est quelque peu accrue, tandis que le calibre du fil dont sont constitués les l)obiinages,et le nombre de spires de ces derniers sont modil'iés pour maintenir constant le rap- port U/V. A la lumière de la description ci-dessus, l'honl- me de métier comprendra que de nombreuses modifications peuvent être apportées dans la famille de débitmètres de la présente invention, sans se départir du cadre des re- lu vendications ci-après. C'est ainsi que, simplement à ti- tre d'exemple, la dimension et la configuration des bobi- Inges peuvent être différentes, tandis que la puissance d'excitation de ces derniers peut être légèrement modifiée. Ces modifications sont données simplement à titre d'illus- tration. RIILNI) I CAIXI ()NS 1. Famil le de débi tmèt res magnétiques de diffé- icntIctb dimensions comprenant chacun Ull corps conçu pour êt re raccordé dans un systéem d'écoulement prévu pour me- surer le débit d'un fluide s'écoulant au travers, des bo- binages destinés à créer un champ magnétique dans le flui- de s'écoulant à travers ce corps, un circuit d'attaque conçu pour engendrer un courant d'excitation dans ces bo- binages, deux électrodes montées dans le corps du débit- mètre pour émettre un signal dépendant du débit et qui est fonction du champ électrique créé dans le fluide s'écoulant à travers le champ magnétique, ainsi que des éléments de traitement de signaux destinés à amplifier ce signal dépendant du débit pour émettre ensuite un signal de sortie dépendant de ce dernier signal, caractérisée en 1b ce que chaque débitimiètre appartenant à cette famille en- gendre pratiquement le même signal de sortie pour un dé- bit moyen donné, tout en consommant pratiquement la même puissance d'excitation, tandis que les bobinages de cha- que débitmètre sont des bobinages à air, le circuit d'at- taque pour les bobinages de chaque débitmètre produisant un courant continu d'excitation pulsé identique et les bobinages de chaque débitmètre étant calibrés de telle sorte que l'intensité du champ magnétique soit inversement proportionnelle à l'écartement des électrodes. 2. Famille de débitmètres suivant la revendica- tionI 1, caractérisée en ce que le corps de chaque débit- witre est tubulaire, tandis que chacun-des bobinages est réalisé sous forme d'un rectangle défini sur ce corps tu- bulaire. 3o 3. Famille de débitmètres suivant la revendica- tion 1, caractérisée en ce que les bobinagescomportentchacun pratiquement le mêmenombrede spires et ont pratiquement la mê- me géométrie par rapport au corps du débitmètre. 4. Famille de débitmètres suivant la revendica- tion 1, caractérisée en ce que le corps de chaque débit- mètre est tubulaire, les CUirl)p., des débitmè tres apparte- nant à cette famille ayant un diametre se situant dans l'intervalle allant dt'une valeur aussi réduite qu'au moins environ 152,4 mm à une valeur aussi élevée qu'au moins en- viron 508 mnm. 5. Famille de débitîjiètres suivant la revendica- tion 4, caractérisée en ce que les corps des débitmètres appartenant à cette famille ont un diamètre se situant dans un intervalle allant jusqu'à une valeur aussi rédui- te qu'au moins environ 50,8 mm. 6. Famille de débitmètres suivant la revendica- tion 3, caractérisée en ce que le corps de chaque débit- mètre est tubulaire, les corps des débitmètres apparte- nant à cette famille ayant un diamètre se situant dans l'intervalle allant d'une valeur aussi réduite qu'au moins environ 152,4 mm à une valeur aussi élevée qu'au moins en- viron 508 min.