Brevet FR2479978A1 — publié le 19811009

Mesureur de débit émetteur d'impulsions pour fluides conducteurs et application à l'étalonnage de compteurs. La présente invention est relative à la mesure de débit de fluides conducteurs, et plus particulièrement à un mesureur de débit équipé d'un émetteur d'impulsions électriques. I1 existe différents moyens pour transmettre à distance les informations sur le nombre de tours effectués par le rotor d'un mesureur de débit tel qu'un compteur de vitesse par exemple, ces moyens consistant généralement à adjoindre au mesureur un capteur de rotation qui peut être de type photoélectrique ou magnétique, ou encore un dispositif auto-générateur de signaux de type électromagnétique. L'adjonction d'un tel capteur de rotation implique de modifier le mesureur pour incorporer au rotor ou à l'équipage mobile un élément supplémentaire destiné à coopérer avec un élément fixe du détecteur de rostation, la modification étant encore plus importante dans le cas d'un auto-générateur. L'invention vise un mesureur de fluide conducteur dont les inconvénients ci-dessus sont minimisés en mettant à profit la conductibilité du fluide pour détecter de façon simple les mouvements de rotation d'un rotor électriquement isolant. Le mesureur, suivant l'invention, dans lequel un rotor à pales en ma- tière électriquement isolante est monté pour être entrainé en rotation à une vitesse fonction du débit de fluide à mesurer, est caractérisé en ce qu'il comporte - deux électrodes isolées disposées au voisinage du passage des pales du rotor et reliées en fonctionnement, à une source de potentiel électrique de telle sorte que la rotation des pales produise des va riations périodiques de la résistance électrique du fluide entre les deux électrodes, et des moyens de détection et des moyens de comptage desdites variations périodiques de résistance. Une application particulière de l'invention concerne les compteurs d' eau dits compteurs de vitesse dont la turbine est par construction, suivant la technologie actuelle, réalisée le plus souvent en matériau plastique isolant. La résistivité de l'eau étant de l'ordre de 2 à 3000 Rcm, il suffit de disposer à proximité du passage des pales de la turbine du compteur deux électrodes traversant la boite d'injection en matériau isolant électriquement, par exemple s'il s'agit d'un compteur multijets, pour recueillir sur deux fils reliés à ces électrodes des variations périodiques de résistance électrique à une fréquence proportionnelle à la vitesse de rotation du rotor, c'est-à-dire au débit. En effet, la nappe du liquide conducteur située entre les électrodes possède une géométrie variable avec la position relative des pales de la turbine isolante.Comme ces pales, au nombre de N, sont régulièrement distribuées sur l'arbre de la turbine > la résistance électrique R mesurée entre les deux électrodes est la meme pour toutes les positions angulaires de la turbine espacées de 2 rI/N. La modulation relative LLR est en outre indépendante de la résistivité du fluide, R et d'autant plus grande que les pales isolantes de la turbine masquent plus complètement une électrode vis-à-vis de l'autre. On a pu ainsi obtenir des variations 6 R de l'ordre de 5 à 30 % suivant le mode R de réalisation adopté. Un circuit de traitement des signaux électriques recueillis entre les électrodes permet de convertir les variations de résistance périodiques en impulsions qui peuvent être envoyées sur un totalisateur éloigné tout en ne nécessitant qu'une consommation très faible de l'ordre de quelques dizaines de microampères, ce qui donne la possibilité d' utiliser une pile à longue durée rendant le mesureur autonome. Dans le cas où la chambre dans laquelle tourne le rotor du mesureur est partiellement métallique, tel que par exemple le boitier d'un compteur d'eau à jet unique, les électrodes peuvent être montées sur une paroi isolante de la chambre, par exemple sur la platine généralement en matériau plastique isolant fermant la chambre, en un emplacement éloigné autant que possible des masses métalliques avec lesquelles le fluide est en contact pour éviter l'influence du court-circuit créé par ces masses métalliques. Si la place disponible le permet, on peut aussi monter sur l'arbre du rotor du mesureur un petit rotor auxiliaire en matériau isolant à pales planes et prévoir deux électrodes disposées l'une en face de l'autre de manière que les pales du rotor auxiliaire passent périodiquement entre ces électrodes au cours de leur rotation. I1 est intéressant de noter que les modifications à apporter au rotor du mesureur sont nulles, ou peu importantes dans le cas du rotor auxilinaire, et que celles à opérer sur la partie fixe du mesureur se bornent au montage de deux électrodes isolées, ce qui peut etre réalisé sans difficultés, par exemple par perçage. L'invention permet ainsi la réalisation d'un compteur de débit et d'un transmetteur de ses indications à distance sous une forme peu encombrante, facilement adaptable aux mesureurs existants et dont la faible consommation d'énergie électrique permet, à l'aide d'une pile, de rendre son installation autonome. Une autre application de l'invention vise à réduire la durée d'étalonnage de compteurs d'eau à jets multiples dans lesquels la première aiguille du totalisateur tourne à vitesse lente en raison de la démultiplication importante intercalée entre celle-ci et l'arbre de la turbine du compteur. En prévoyant l'adaptation temporaire, lors de l'etalonnage, d'un détecteur de rotation à électrodes directement sur la turbine du compteur, il est possible de diminuer la durée d'étalonnage dans un rapport notable. L'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui va suivre en relation avec le dessin annexé qui représente, à titre d'exemples non limitatifs, différents modes de réalisation conformes à l'invention. Sur ce dessin - la fig. 1 représente un mode d'application de l'invention à un comp teur d'eau de type multijets. - la fig. 2 représente un autre mode d'application de l'invention à un compteur d'eau du type à turbine axiale. - la fig. 3 est une vue en plan du rotor auxiliaire de la figure pré cédente. - la fig. 4 est un exemple de circuit de traitement des signaux élec triques recueillis aux bornes des électrodes. - la fig. 5 montre un autre mode d'application de l'invention à un compteur d'eau de type à jet unique. - les fig. 6 et 7 représentent schématiquement le montage de plusieurs paires d'électrodes dans des circuits en pont. - la fig. 8 représente schématiquement une application de l'invention à l'étalonnage d'un compteur multijets. Sur la fig. 1 , on a représenté schématiquement en coupe transversale la botte d'injection 10 d'un compteur d'eau à jets multiples (figuré en traits interrompus) à l'intérieur de laquelle est monté un rotor 11 à pales radiales droites 12 pour tourner-autour d'un axe 13. La botte d'injection 10 est en matériau plastique isolant et dans l'espace séparant deux canaux d'injection ou d'évacuation 14 sont montées sur la paroi interne deux électrodes 15,16, par exemple de quelques dixièmes de mm de diamètre et à une distance l'une de l'autre de l'ordre de plusieurs mm. Ces électrodes sont reliées par des fils isolés 17 passant à travers des perçages dans la boîte 10 à un circuit de traitement 18 dans le corps du compteur, ou extérieur au compteur, dont un exemple de réalisation sera donné plus loin à la fig. 4. On voit que dans la position du rotor 11 représentée en traits pleins sur la figure où une pale 12 se trouve dans l'espace séparant les deux électrodes 15,16, cette pale isolante introduit une résistance supplémentaire sur le trajet à travers le liquide conducteur entre ces deux électrodes, alors que dans la position du rotor 11 figurée en traits interrompus, il existe un trajet conducteur direct à travers le liquide entre les électrodes. On obtient ainsi, en reliant les électrodes à une source de potentiel comprise dans le circuit 18, des variations relatives de la résistance aux bornes de ces électrodes qui se produisent au rythme de passage des pales 12 du rotor 11, c'est-à-dire proportionnelles à la vitesse de rotation du rotor et finalement représentatives du débit de liquide traversant le compteur. La fig. 2 représente un autre mode de réalisation applicable à un compteur d'eau à turbine axiale et faisant appel à un rotor auxiliaire en matériau isolant dont les pales passent périodiquement entre deux électrodes. Sur cette figure, on voit dans le corps tubulaire 20 du compteur une turbine 21 qui peut tourner autour d'un arbre 22 coaxial au corps 20 et tenu par deux paliers 23. Ces paliers sont montés dans deux carénages en matière isolante électriquement 24,25 reliés au corps 20 par des nervures 26 de part et d'autre de la turbine 21. A l'intérieur du carénage amont 24 est fixé par exemple à l'extrémité de l'arbre 22 un petit rotor auxiliaire 27 à pales planes 28 en forme de secteur circulaire, par exemple au nombre de trois, comme l'indique la fig. 3 qui est une vue en plan de ce rotor 27.Deux électrodes isolées 30,31 sont également fixées sur le carénage 24 de manière que les pales 28 du rotor 27 passent entre ces deux électrodes au cours de la rotation du rotor 27. Comme précédemment, les électrodes 30,31 sont reliées par des fils isolés passant à travers le corps 20 à un circuit de traitement 32 extérieur au compteur, et détectent les variations de résistance introduites périodiquement par le passage des pales du rotor 27 entre elles. Quoique ce montage nécessite l'adjonction d'un élément supplémentaire sur l'équipage mobile du compteur, il a l'avantage de fournir des variations relatives de résistance plus importantes, de l'ordre de 30 %, que le montage de la fig. 1 en raison du masquage complet des électrodes l'une par rapport à l'autre par les pales du rotor auxiliaire. Si la paroi supportant les électrodes n'est pas elle-même isolante, on peut utiliser un élément porte-électrode en matériau isolant électriquement en forme de U, les électrodes se faisant face sur les branches respectives du U entre lesquelles passe le rotor auxiliaire. La fig. 4 montre un exemple de circuit électrique utilisable pour traiter les signaux de détection de rotation recueillis aux bornes d'une paire d'électrodes et les convertir en impulsions de comptage. Ce circuit de traitement 40 se compose d'un oscillateur 41 fournissant des oscillations par exemple à une fréquence de 1000 Hz, d'un amplificateur opérationnel 42 dans le circuit duquel sont branchées les deux électrodes A, B entre lesquelles existe la résistance variable 43 de liquide conducteur,-d'un circuit redresseur à double alternance 44 et d'un circuit d'amplification et de mise en forme 45 fournissant à sa sortie des impulsions de comptage, ces circuits 44 et 45 étant de conception habituelle et ne nécessitant pas de description particulière. La sortie de l'oscillateur 41 est reliée à l'entrée non-inverseuse de l'amplificateur 42 dont le rôle est de fournir dans un circuit de contreréaction comportant la résistance 43 un courant approximativement constant. L'amplificateur 42 comporte plusieurs liaisons de contreréaction : entre sa sortie et son entrée inverseuse, une première liaison comporte une résistance habituelle 46, et une seconde liaison comprend, outre la résistance 43,due de préférence deux condensateurs 47,48 montés de part et d'autre de cette résistance 43 et destinés à arrêter la composante à courant continu qui, autrement, polluerait les électrodes A,B et tendrait à les endommager, ainsi qu'une autre résistance 49.Une troisième liaison de contreréaction comprenant une résistance réglable 50 et une autre résistance 51, relie la borne commune aux éléments 48,49 à l'entrée non-inverseuse de l'amplificateur 42. L'ensemble de ces liaisons de contreréaction est agencé pour que la résistance variable 43 existant entre les électrodes A,B dans le liquide conducteur soit parcourue par un courant quasi-constant. La résistance 50 permet d'ajuster le gain de l'amplification. On recueille ainsi à la sortie de l'amplificateur 42 une tension 51 sensiblement proportionnelle et bien représentative de la résistance variable 43 entre les électrodes A,B, cette tension étant modulée sur porteuse à 1 kHz fournie par l'oscillateur 41. Le circuit de redressement à double alternance 44 supprime l'oscillation porteuse et produit à sa sortie des oscillations basses fréquence 52 - proportionnelle à la vitesse du rotor mesurée - qui sont ensuite converties dans le circuit 45 en impulsions aptes à être totalisées dans un dispositif d' affichage, par exemple à cristaux liquides, qui peut être éloigné du circuit 40 et sur lequel on lit le débit ou la consommation de liquide mesuré. te circuit 40 est avantageusement réalisé sous forme de microcircuit incorporé dans le boitier du compteur de liquide considéré. La fig. 5 montre encore une variante de la disposition des électrodes de la fig. 1 dans le cas d'un compteur à jet unique 60, où le rotor 61 tourne dans une enceinte métallique 62, mais fermée par une platine en matériau isolant 63. Les électroces 64,65 sont montées sur cette platine 63 dans une zone pas trop rapprochée de la masse métallique de 1' enceinte, de manière que les pales du rotor influencent le trajet conducteur entre les électrodes comme dans le cas de la fig. 1, par exemple symétriquement par rapport à un plan diamétral de l'enceinte 62 et à une distance de l'axe de rotation de l'ordre des 2/3 du rayon. Des électrodes trop rapprochées de l'enceinte métallique ne seraient plus sensibles aux variations de résistance dues aux pales du rotor en raison du trajet de court-circuit créé par cette enceinte à leur voisinage. D'autres modes de de mise en oeuvre de l'invention peuvent encore consis- ter en l'utilisation de deux paires d'électrodes diamétralement dispo sées par rapport à l'axe du rotor du mesureur considéré, et alternativement masquées et démasquées l'une vis-à-vis de l'autre par les pales d'un rotor isolant. Sur la fig. 6, deux paires d'électrodes 71 et 72 sont respectivement montées en face l'une de l'autre sur les branches de deux supports en forme d'étrier 73,74. Le rotor 75 dont les pales planes passent alternativement au ours de leur rotation entre les électrodes de chaque paire 71,72 est un rotor isolant du genre de celui de la fig. 3, à nombre de pales impair. Les résistances entre ces deux paires d'électrodes sont branchées dans les bras d'un circuit en pont 76 avec deux autres résistances fixes 77,78 extérieures au liquide 70, par exemple un pont de Wheatstone ou de Kohlrausch, alimenté sur une diagonale par une source de courant alternatif 79, et les signaux de détection de rotation sont recueillis aux bornes de l'autre diagonale du pont.La résistance du liquide étant alors maximale entre la paire d'électrodes masquées alors qu'elle est minimale entre la paire d'électrodes démasquées, on obtient de cette manière une profondeur de modulation de 1' onde porteuse alternative sensiblement double de celle fournie par une paire d'électrodes seule. Sur le montage représenté à la fig. 7, on utilise une première paire d'électrodes 81,82, ces électrodes étant disposées de préférence symétriquement de part et d'autre d'un rotor isolant 83, calé comme précé- demment sur l'arbre du mesureur, mais non à proximité immédiate des pales de ce rotor, par exemple à une distance de l'ordre du centimètre. Chaque électrode 81,82 est en fait une électrode double, c'est-à-dire portée à un meme potentiel, mais constituée de deux électrodes ponctuelles 811,812 et 821,822 séparées par une gaine isolante 84,85 respectivement. A proximité immédiate du rotor 83, c'est-à-dire à une distance de l'ordre du millimètre, sont disposées deux autres électrodes 86,87 de part et d'autre des pales de ce rotor, par exemple, mais pas nécessairement, alignées à peu près avec les électrodes 811,821 et 812,822 dans le liquide 80.Les électrodes 81 et 82 sont comme dans le cas précédent, reliées à une source de potentiel alternatif 88, et les résistances suivantes, à l'intérieur du liquide 80 R1 (fixe) entre les électrodes 811 et 86 R2 (fixe) entre les électrodes 822 et 87 R3 (variable) entre les électrodes 812 et 87 R4 (variable) entre les électrodes 821 et 86 constituent un pont de résistances "liquides" dont les électrodes 86,87 forment les bornes de la diagonale de sortie. Le montage est tel que le pont est déséquilibré en permanence. Le rotor 83 possède dans ce cas un nombre de pales pair de manière que les résistances variables avec le passage des pales du rotor varient en phase. I1 est à remarquer que si au lieu de disposer les électrodes 86,87 de part et d'autre du rotor 83, on les dispose d'un meme ctté de ce rotor, par exemple à la partie supérieureD il convient alors d'utiliser un rotor à nombre de pales impair pour que la résistance R4 augmente quand la résistance R2 diminue, et vice versa. Dans les deux cas, on obtient un pont de résistances dans lequel les résistances "liquides" étant toujours proportionnelles à la résistivité du liquide, le signal recueilli à la sortie est ainsi beaucoup moins dépendant de la résistivité du liquide conducteur. Une autre application de l'invention consiste dans l'étalonnage de compteurs d'eau à jets multiples, (du meme genre que celui de la fig.l) et notamment de compteurs à totalisateur sec, mais dont une partie importante de la démultiplication mécanique commandant ce totalisateur est noyée dans le liquide afin que l'arbre de sortie qui attaque la première aiguille du totalisateur à travers un presse-étoupe ait un couple suffisant. I1 en résulte que dans ce genre de compteurs, la première aiguille tourne à faible vitesse, meme aux forts débits, et que l'étalonnage prend de ce fait un temps très long.L'utilisation d' un détecteur de rotation à électrodes permet de prendre l'information du nombre de tours directement sur la turbine elle-meme qui tourne à une vitesse dans un rapport bien supérieur à celle de la première aiguille du totalisateur, et par conséquent de réduire la durée d'étalonnage du compteur dans le meme rapport. A cet effet, il est prévu comme représenté schématiquement sur la fig.8, de percer dans la boite d'injection 91 du compteur 90 deux petits orifices supplémentaires 92 distants de quelques mm. (mais dont un seul est visible sur la vue de profil de la fig. 8) dans un plan perpendiculaire à l'axe de la turbine 93 en face par exemple de la tubulure de sortie 94 du compteur. Une tige 95 contient deux conducteurs isolés 96 se terminant par deux broches métalliques 97 qui jouent le rôle d'électrodes et qui peuvent être introduites dans les orifices 92 pour détecter la rotation de la turbine 93. Ces conducteurs 96 passent de façon étanche à travers un manchon 98 permettant de relier par un flexible la sortie du compteur à la décharge du liquide, et sont connectés à un circuit 90 de traitement et de comptage des signaux électriques détectés par les électrodes 97. Lors de l'étalonnage, il est donc facile d'introduire les électrodes 97 dans leur logement 92 à travers la tubulure 94, de monter ensuite le manchon 98 sur la tubulure 94 et de procéder à l'étalonnage du compteur par réglage de la vis-pointeau habituelle. Une fois cette opération terminée, le manchon 98 avec la tige 95 et les électrodes 97 sont démontés, et le compteur 90 prêt pour fonctionner normalement dans les conditions habituelles. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux seuls modes de réalisation qui ont été décrits à titre d'exemples. En particulier, les électrodes d'une même paire ne sont pas nécessairement disposées suivant une position priviligiée symétriquement par rapport à un plan diamétral ou transversal à l'axe du mesureur, mais peuvent occuper des positions quelconques, le passage des pales du rotor produisant dans tous les cas une modulation décelable et représentative de sa rotation. De même, le rotor auxiliaire peut prendre d'autres formes que celle à pales planes indiquée à la fig. 3 et peut être par exemple réalisé sous la forme d'une cloche cylindrique crénelée suivant la place disponible existante dans le mesureur, ou toute autre forme de révolution présentant des découpures (dentelures ou orifices) régulièrement réparties pour passer entre deux électrodes. REVENDICATIONS 1 - Mesureur de débit émetteur d'impulsions électriques pour fluide électriquement conducteur dans lequel un rotor à pales en matière électriquement isolante est monté pour être entrainé en rotation à une vitesse fonction du débit de fluide à mesurer, caractérisé en ce qu'il comporte - au moins une paire d'électrodes disposées sur un support isolant au voisinage du passage des pales du rotor et reliées, en fonc tionnement, à une source de potentiel électrique de telle sorte que la rotation des pales produise des variations périodiques de la résistance électrique du fluide entre les deux électro des, et - des moyens de détection et des moyens de comptage desdites va riations périodiques de résistance. 2 - Mesureur suivant la revendication 1, comportant un rotor monté dans une botte d'injection en matériau électriquement isolant, caracté risé en ce que les deux électrodes sont montées sur la paroi in terne de ladite botte d'injection. 3 - Mesureur suivant la revendication 1, comportant un rotor monté dans une enceinte métallique fermée par une platine en matériau électriquement isolant, caractérisé en ce que les électrodes sont montées sur ladite platine. 4 - Mesureur suivant la revendication 3, caractérisée en ce que les é lectrodes sont montées à une distance suffisamment éloignée de 1' enceinte métallique pour éviter l'influence du court-circuit créé par celle-ci. 5 - Mesureur suivant la revendication 1, dans lequel le rotor porte à l'intérieur du fluide un rotor auxiliaire en matériau électrique ment isolant, de forme de révolution présentant des découpures ré gulièrement réparties, caractérisé en ce que les électrodes sont disposées l'une par rapport à l'autre pour être périodiquement masquées et démasquées par le passage des découpures dudit rotor auxiliaire entre elles. 6 - Mesureur suivant la revendication 5, comportant dans un corps tu bulaire un rotor coaxial monté entre deux carénages en matériau électriquement isolant, caractérisé en ce que les électrodes sont montées sur l'un desdits carénages. 7 - Mesureur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de détection des variations de résistance comportent le mon tage en série d'un générateur d'une onde porteuse7 d'un amplifica teur opérationnel agencé pour fournir un courant sensiblement cons tant sur une voie de contreréaction dans laquelle sont branchées lesdites électrodes, un circuit de redressement éliminant l'onde porteuse, et un circuit amplificateur de conversion en impulsions. 8 - Mesureur suivant la revendication 7, caractérisé en ce que ladite voie de contreréaction comprend au moins un condensateur branché en série avec les électrodes. 9 - Mesureur suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'il com porte deux paires d'électrodes montées de manière que les électro des d'une paire soient masquées par le rotor auxiliaire quand les électrodes de l'autre paire sont démasquées, et en ce que lesdites paires d'électrodes sont branchées dans un circuit en pont avec deux résistances auxiliaires. 10 - Mesureur suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'il com porte une première paire d'électrodes doubles disposées de part et d'autre à une première distance du rotor auxiliaire isolant et une seconde paire d'électrodes disposées à une seconde distance du rotor plus faible que la première distance, les quatre résistances fluides entre les électrodes respectives les plus voisines des deux paires constituant un montage en pont dans lequel les élec trodes de la seconde paire sont les bornes de la diagonale de sor tie. 11 - Application à l'étalonnage de compteur de liquide du type à jets multiples comportant un rotor en matériau électriquement isolant tournant dans une boite d'injection en matériau électriquement isolant, caractérisée en ce que la boite d'injection est percée de deux orifices supplémentaires en face d'une des tubulures du compteur, ces deux orifices étant destinés à recevoir temporaire ment, lors de l'étalonnage, deux broches jouant le rôle d'électro des reliées à des moyens de détection et de comptage pour en dé duire le débit mesuré par ledit compteur.