Brevet FR2478309A1 — publié le 19810918

L'invention concerne un appareil de mesure des viscosités et de la densité de fluides. Il est connu d'utiliser un pont hydraulique com- prenant deux éléments qui produisent un écoulement laminaire, et deux éléments qui produisent un écoulement turbulent. Lorsqu'un tel pont est maintenu en équilibre par réglage du débit de fluide s'y écoulant, des relations simples rendent possible de tirer des mesures des viscosités du fluide en fonction de constantes de l'appareil, de la chute de pression et du débit volumétrique dans le pont. La difficulté princi- pale est de réaliser une mesure suffisamment précise de l'écoulement parcourant le pont lorsque les caractéristiques du fluide varient. On a découvert qu'en associant à un tel pont un second pont hydraulique totalement turbulent, il est possible d'effectuer des mesures précises et fiables permettant de déterminer les viscosités et la densité d'un fluide. L'invention concerne donc un appareil de mesure des viscosités d'un fluide comprenant (1) une première pompe reliée à l'alimentation en fluide, (2) un premier pont hydraulique parcouru par le fluide provenant de la première pompe et comportant deux éléments diamétralement opposés, dans lesquels le fluide est soumis à un écoulement laminaire, et deux autres éléments diamétralement opposés, dans lesquels le fluide est soumis à un écoulement turbulent, et un dispo- sitif pouvant comparer les pressions régnant en deux points situés entre un élément laminaire et un élément turbulent, ce dispositif commandant la première pompe afin de maintenir l'équilibre en faisant varier le débit d'écoulement du fluide pénétrant dans le premier pont hydraulique, (3) un second pont hydraulique pouvant être parcouru par le fluide qui provient du premier pont et comportant quatre éléments identiques dans lesquels le fluide peut subir un écoulement turbulent et une seconde pompe montée entre un point situé entre deux éléments ladjacents et un point situé entre les deux autres éléments adjacents, (4) un dispositif de mesure de différence de pres- sion à travers le premier pont hydraulique, et (5) un dispo- sitif de mesure de la différence de pression à travers le second pont hydraulique. Comme décrit ci-après, il est possible de mesurer les différences de pression à travers les deux ponts pour calculer la densité, la viscosité dynamique et la viscosité cinématique du fluide parcourant l'appareil. La première pompe peut être du type à débit va- riable, auquel cas elle doit être commandée par un capteur de pression afin d'assurer l'équilibre du premier pont hydrau- lique. La première pompe peut être une pompe volumétrique à débit constant, auquel cas elle est reliée à un déversoir variable, commandé par un capteur de pression afin qu'un dé- bit correspondant à l'équilibre de ce pont soit maintenu dans le premier pont. Dans le premier pont hydraulique, les éléments produisant un écoulement laminaire peuvent être un montage à tube simple ou à plusieurs tubes provoquant une chute de pression suffisant à l'obtention d'un nombre de Reynolds assez bas pour assurer un écoulement laminaire réel, ou bien un type quelconque de matière poreuse causant une chute de pression proportionnelle au débit de fluide la traversant. Les éléments d'écoulement turbulent peuvent être de simples ajutages donnant un nombre de Reynolds de l'écoulement suffi- samment élevé pour assurer un écoulement turbulent réel. Il est essentiel que les éléments turbulents soient diamétralement opposés, de même que les éléments laminaires. Le pont doit être équilibré automatiquement par réglage du débit d'écoulement de fluide; autrement dit, la chute de pression se produisant dans tout élément laminaire doit être égale à la chute de pression se produisant dans tout élément turbulent. Un dispositif compare la pression au point opposé du pont, ce dispositif pouvant être un détec- teur de pression différentielle nulle. Le fluide sortant du premier pont hydraulique pénètre dans le second pont hydraulique. Ce dernier comporte quatre éléments identiques, un dans chaque branche du pont, parcourus par le fluide en écoulement turbulent. Une pompe, placée dans ce second pont hydraulique produit un écoulement de fluide transversal au pont. Cette pompe doit être une pompe volumétrique à débit constant. Enfin, un dispositif est destiné à mesurer les différences de pression à travers le premier pont hydraulique et un dispositif est destiné à mesurer les différences de pression à travers le second pont hydraulique. Les disposi- tifs effectuant ces mesures sont, par exemple, des transduc- teurs de pression différentielle de tout type convenable, suffisamment précis et disponibles dans le commerce. Dans une forme préférée, mais non exclusive, de réalisation, les deux pompes sont des pompes volumétriques à débit constant et elles sont commandées par un moteur élec- trique commun à vitesse constante. Dans ce cas, le débit d'écoulement total du fluide dans le premier pont et dans le second pont hydraulique est réglé par un déversoir régulé par le détecteur de pression différentielle nulle du premier pont hydraulique. Le déversoir est convenablement monté dans un conduit de dérivation reliant l'entrée du premier pont à la sortie du second pont. L'appareil selon l'invention convient à divers usages, par exemple à la fabrication d'un produit correspon- dant à des spécifications données lorsque divers composants doivent être mélangés; il peut également être utilisé, par exemple, pour déterminer les réglages d'un moteur thermique ou d'un brûleur à mazout afin de les adapter aux caractéris- tiques variables des fluides utilisés. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel la figure unique est un schéma d'une forme préférée de l'appareil selon l'invention. Un fluide provenant d'une pompe 1 pénètre dans un premier pont hydraulique I. Ce pont comprend deux éléments 2 et 3 à écoulement laminaire et deux éléments 4 et 5 à écou- lement turbulent. La différence de pression entre des points b et d de ce pont I est mesurée par un détecteur 6 et réglée à zéro au moyen d'un déversoir 7 auquel le détecteur est relié électriquement. La pression totale a1 Pl à travers le premier pont I est déterminée par le transducteur 8 de pression dif- férentielle. Un second pont hydraulique II comporté quatre éléments identiques 9, 10, 11 et 12 à écoulement turbulent, et une pompe volumétrique 13 à débit constant. La différence de pression totale A P2 à travers le second pont hydraulique est mesurée par un transducteur 14 de pression différen- tielle. -Le premier pont hydraulique I doit être équilibré automatiquement par réglage du débit de fluide parcourant l'appareil. Ce résultat est obtenu au moyen du déversoir 7 qui peut être du type à bobine ou à commande par moteur, régulé par le détecteur 6. Le fonctionnement de l'appareil est le suivant: Le pont I reçoit un débit volumétrique Q prove- nant de la pompe 1. Cet écoulement est divisé en deux parties Q/2 qui sont égales si le pont est en équilibre. La chute de pression provoquée par les éléments laminaires 2 et 3 est Pa - Pb = Pd - Pc = k1 t Q (dimension ML _1T 2) (1) o Pa, Pb, Pc et Pd sont les pressions régnant aux jonctions a, b, c et d, respectivement, et k1 est une constante de l'appareil (ayant une dimension L 3), 4t est la viscosité dynamique (dimension ML 1T 1), et Q est l'écoulement volumé- trique pénétrant dans le pont (dimension L-3T 1). La chute de pression dans les éléments turbulents 4 et 5 est: Pa - Pd = Pb - Pc = k2d ( 2 2 -4 o k2 est une autre constante de l'appareil (dimension L) 2 -3 et d est la densité du fluide (dimension ML). Lorsque le pont I est équilibré, c'est-à-dire Pb = Pd, par réglage du débit Q le parcourant, en effectuant la soustraction des deux équations précédentes (1) et (2), on a alors k1 t = k2 2 ou, si \ est. la viscosité cinématique (dimension L2T-1): ' k1 2 Q (4) Ainsi, en additionnant les équations (1) et (2), on a: l P1 = Pa - Pc = (k1 1+ k2 d 2) Q ou, de l'équation (3): A dP1 = k1 tQ = (k2 d Q2) (5) Dans le pont II, deux débits existent (1) le débit Q qui provient du pont I, et (2) le débit q qui est une constante et qui est supé- rieur au débit Q, produit par la pompe 13. Le débit de fluide dans les éléments turbulents 9 et 10 est: Cr + 2 2 2 et, par conséquent, la chute de pression est: PA - PB = PD - PC = k4 d (+ q2)2(dimension ML-1T'1) (6) o PA' PB' PC et PD sont les pressions aux jonctions A, B, C et D, respectivement, et k4 (L) est une autre constante de l'appareil. De la même manière, le débit d'écoulement dans les éléments 11 et 12 est 2 - Q et, par conséquent, la chute 2 2 de pression est: PD PA c P- PB = k4 d (2+Q)2 (7) En soustrayant l'équation (7) de l'équation (6), on a: a Àa PA PC = k d ( 2) _ (2)0 = k4d q Q = k3 d Q (8) o k3 = q k4 est une autre constante (dimension L-1T-1), car k est maintenu à une valeur constante. On tire de l'équation (8) q = P2 k3d (9) Cette valeur donne, avec les équations (3) et (4): k2 d = - 2 p (10) k1 2k1 k3 ) =7 = P1 = k3 AP1 (11) k1d kldQ kl ZA P2 d= 2'Al = k2..(p2) (12) rkzQ 2k2 Si les constantes kl, k2 et k3 sont connues à partir de la conception de l'appareil et si ij P1 et à P2 sont mesurés sous la forme de signaux électriques, les équa- tions (10), (11) et (12) permettent de calculer les trois variables 4t., ' et d au moyen d'un-circuit électronique anologique ou numérique constitué de composants disponibles dans le commerce tels que des multiplicateurs, des diviseurs et des éléments d'affichage ou d'enregistrement. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées à l'appareil décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Appareil de mesure des viscosités et de la densité de fluides, caractérisé en ce qu'il comporte un pre- mier pont hydraulique (I) comportant deux éléments diamé- tralement opposés (2, 3) parcourus par un écoulement lami- naire de fluide, et deux éléments diamétralement opposés (4, ) parcourus par un écoulement turbulent de fluide, un dispo- sitif (6), pouvant détecter l'état d'équilibre du pont, étant monté entre une jonction (b) d'un premier élément laminaire et d'un premier élément turbulent et une jonction hydraulique (II) pouvant être parcouru par le fluide qui pro- vient du premier pont et comportant quatre éléments identi- ques (9, 10, 11, 12) dans lesquels le fluide provenant du premier pont s'écoule de manière turbulente, et une pompe volumétrique (13) à débit constant, montée entre un point (B) situé entre deux éléments adjacents, et un point (D) situé entre les deux autres éléments adjacents, l'appareil compor- tant également un dispositif (8) de mesure de la chute de pression à travers le premier pont hydraulique, et un dispo- sitif (14) de mesure de la chute de pression à travers le second pont hydraulique. 2. Appareil selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il comporte un dispositif électronique ou élec- trique constitué de multiplicateurs et de diviseurs et conçu pour calculer les valeurs des viscosités et de la densité, et un élément d'affichage ou d'enregistrement de ces valeurs. 3. Appareil selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la première pompe (1) est une pompe volumétrique à débit constant dont une partie du débit est dérivée par un déversoir (7) commandé par le détecteur (6) d'état d'équilibre du premier pont hydraulique, afin de régu- ler le débit de fluide introduit dans le premier pont et de maintenir ce dernier en état d'équilibre. 4. Appareil selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que les deux pompes (1 et 13) à débit constant sont commandées par un moteur élec- trique commun à vitesse constante..