Brevet FR2492972A1 — publié le 19820430

Il existe dans différents domaines techni- ques un besoin pour un débitmètre simple et peu coûteux qui soit néanmoins précis et fiable. Un exemple caracté- ristique des domaines dans lesquels il existe un besoin d'un tel débitmètre est les maisons d'habitation, par ap- partement ou les ensembles de maisons familliales indi- viduelles, dans lesquels se manifeste une nécessité d'é- conomie et d'une répartition équitable des frais de com- bustible entre les différents consommateurs, à la suite de l'augmentation importante des prix du mazout et des autres combustibles dans les récentes années. Ces deman- des ne sont pas satifaites par les débitmètres connus comportant un certain nombre d'organes rotatifs. Par ail- leurs des impératifs de simplicité sont satisfaits par des débitmètres qui comportent un organe analogue à une aube ou volet qui est entraîné suivant un mouvement os- cillant par l'action du milieu qui s'écoule à son contact, la fréquence de ce mouvement étant mesurée et convertie en une mesure du débit. La présente invention est relative à un dé- bitmètre de cette dernière catégorie.. Cependant, les débitmètres connus de ce type présentent un certain nom- bre de limitations importantes, dont la principale est que la plage des mesures dans laquelle la précision de la mesure présente un ordre de grandeur acceptable est relativement étroite. Ceci s'applique principalement aux faibles débits, c'est-à-dire aux faibles valeurs du nom- bre de Reynolds, ce qui constitue une situation qui est caractéristique d'un système de distribution de l'eau dans les installations de chauffage central. Un autre inconvénient est que les forces d'actionnement qui en- trainent l'organe mobile des débitmètres connus, sélon un mouvement oscillant sont si faibles que l'on doit utiliserdes dispositifs qui sont fragiles et par consé- quent qui ne sont pas appropriés à cet usage pour con- vertir la fréquence d'oscillation en une mesure du dé- bit. Un exemple d'un tel appareil est décrit dans le bre- vet des ETATS UNIS D'AMERIQUE Nô 2.453.376 dans lequel un bras relié à l'axe d'oscillation passe entre une source lumineuse et une cellule photoélectrique. Il existe donc un besoin pour un débitmètre dans lequel l'organe oscil- lant serait actionné par des forces assez imvortantes pour que la transmission des signaux puisse s'effectuer d'une autre façon, par exemple par un dispositif à induc- tion. Le but de l'invention est de fournir un dé- bitmètre qui combine toute les caractéristiques avanta- geuses précitées. Ainsi, le débitmètre doit être de forme simple et peu coûteux à fabriquer, il doit présenter une large plage de mesure et un degré élevé de précision de mesure dans toute l'étendue de cette plage. Cette derniè- re condition signifie en d'autres termes que le compteur doit pouvoir fonctionner, par exemple dans une plage de débits dont la limite supérieure est d'environ 200 fois plus élevée que la limite inférieure, et pour des va- leurs du nombre de Reynolds comprises entre environ 200 et 106. Tous ces impératifs sont satisfaits dans un débitmètre suivant l'invention dont les principales ca- ractéristiques sont qu'il comporte deux saillies situées l'une en face de l'autre et qui sont reliées à la paroi délimitant un passage et définissent un étranglement lo- cal de la section efficace du passage, de sorte qu'il se produit une séparation et que le courant devient alors turbulent sur la totalité de la plage de mesure du comp- teur, l'organe oscillant comprenant une partie situé dans un plan, ou proche d'un plan, qui est parallèle à son axe d'oscillation et qui passe par lesdites saillies, et une partie située dans un plan qui contient l'axe d'oscil- lation et qui est parallèle à la direction principale de l'écoulement du milieu dont on doit mesurer le débit, de sorte que lorsque l'organe oscille entre ses positions li- mites, des changements de direction simultanés se produi- sent dans la même direction dans les deux branches du cou- rant passant entre l'organe mobile et chacune desdites saillies, grâce à quoi ladite partie de l'organe mobile qui est parallèle à la direction principale de l'écoule- ment est soumise à des composantes de force transversales à la direction principale de l'écoulement, qui amplifient les mouvements oscillants dudit organe. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre faite en se référantaux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemples et dans lesquels: la Fig. 1 est une vue en perspective d'un débitmètre suivant un premier mode de réalisation de l'in- vention la Fig. 2 est une vue en section transver- sale du débitmètre suivant la ligne II-II de la Fia. 1 la Fig. 3 est une vue en coupe suivant la ligne III-III de la Fig. 2, l'élément oscillant étant re- présenté dans sa position intermédiaire ou centrale; la Fig. 4 est une vue analogue à celle de la Fig. 3 mais montrant l'organe oscillant dans l'une de ses deux positions limites ou voisines de celle-ci; La Fig. 5 est une vue en perspective montrant un organe oscillant suivant un second mode de réalisation de l'invention; la Fig. 6 est une vue analogue à celle de la Fig. 3 mais montrant un troisième mode de réalisation de l'invention. Le débitmètre comprend un corps 1 qui com- porte à ses extrémités des écrous de liaison 2 et 3 per- mettant de le relier dans une conduite dans laquelle s'écoule le milieu dont on doit mesurer le débit. Le corps 1 porte un émetteur 4 pouvant être relié par des conduc- teurs 5 à un circuit (non représenté) adapté pour conver- tir des impulsions électriques en une mesure de la valeur du débit. Le convertisseur peut être d'un type quelconque connu ou approprié et ne sera pas décrit ici du fait qu'il ne fait pas partie de l'invention. On indiquera cependant que les impulsions électriques provenant de l'émetteur 4 sont engendrées de façon appropriée par un dispositif à induction, par exemple du fait que l'émetteur contient un bobinage qui produit un champ électromagnétique à 1'in- térieur de l'appareil. Lorsque l'organe mobile du débit- mètre, qui sera décrit de façon plus détaillée dans la suite, se déplace dans le champ magnétique, il se produit des variations cycliques d'intensité dans ce champ et ces variations sont captées par l'émetteur. La fréquence de ces variations est directement proportionnelle à la fré- quence d'oscillation de l'organe mobile. Comme représenté aux Fig. 2 à 4, deux sail- lies 6 et-7 sont fixées contre deux parties opposées de la paroi délimitant le passage d'écoulement du débitmètre. Ces saillies produisent un étranglément local de la sec- tion efficace d'écoulement du passage. L'organe oscillant 8 du débitmètre est voisin de ces saillies, l'axe d'os- cillation de cet organe mobile étant désigné par la réfé- rence 9. Suivant l'invention, l'organe 8 présente en sec- tion, vu dans un plan perpendiculaire à l'axe d'oscilla- tion 9, une forme à peu près en T. Il comprend une partie 8a, située dans un plan parallèle à l'axe d'oscillation ou voisine d'un tel plan, et perpendiculaire à la direc- tion d'écoulement du milieu-dont on doit mesurer le dé- bit. En aval de cette partie, l'organe oscillant comporte une partie 8b qui est située dans un plan contenant l'axe d'oscillation et qui est parallèle à la direction d'écou- lement du milieu dont on doit mesurer le débit. Suivant le premier mode de réalisation de l'invention représenté aux Fig. 3 et 4, la partie 8a et l'axe d'oscillation se trouvent dans un plan qui passe par les saillies 6 et 7. Cette position de l'organe os- cillant 8 s'est révélée avantageuse mais n'est pas obli- gatoire. Ceci sera commenté de façon plus détaillée dans la suite. Les Fig. 3 et 4 montrent également que les sail- lies 6 et 7 ont leurs faces amont situées dans un plan à peu près perpendiculaire à la direction d'écoulement dans le débitmètre, (indiqué par une flèche aux Fig. 3 et 4) et que le profil de chacune desdites saillies pré- sente la forme d'une lame de couteau dont le sommet ou arête se trouve sur sa face dirigée vers l'amont. Le fonctionnement du débitmètre décrit ci- dessus est le suivant. L'étranglement de la section ef- ficace d'écoulement du passage, qui est produit par les deux saillies 6 et 7, à pour résultat une séparation en un point proche de ces saillies, de sorte que l'écoule- ment à travers le débitmètre devient turbulent dans une zone qui commence légèrement en amont des saillies et s' étend à une distance considérable en aval de celles-ci. Il en résulte les deux effets favorables suivant. L'une des conséquences de la turbulence produite dans les deux branches du courant franchissant l'organe 8 est que la configuration de l'écoulement est constante jusqu'à de très faibles valeurs du nombre de Reynolds, soit environ 200. En principe la force d'ac- tionnement totale est égale à la somme des deux forces désignées par Fi et F2 à la Fig. 4. La force F2 est la composante transversale de la force qui, par suite de l'effet d'éjection engendré dans la position de l'orga- ne mobile qui eÉt représentée, produit une pression re- lative négative. Dans cette fonction en elle-même est déjà connue. Par ailleurs ce qui est nouveau c'est que la force totale d'actionnement reçoit une contribution provenant de la composante de force F1, engendrée d'une façon correspondante sur l'autre côté de l'organe mobile, o se produit au contraire une pression relative positive. Du fait que la force totale d'actionnement reçoit ainsi des contributions des deux pressions négatives et posi- tive, il se produit un effet de "girouette" qui a pour résultat des mouvements oscillants distincts et, princi- palement d'une force d'actionnement suffisamment grande devient disponible, même pour de faibles débits. En d'au- tres termes ceci signifie que le débitmètre présente une plage étendue de mesure, dont la limite inférieure cor- respond à des valeurs très faibles du nombre de Reynolds. Lorsque l'organe 8 se trouve dans sa position centrale telle que représentée à la Fig. 3, la section efficace -10 d'écoulement présente sa valeur minimale, c'est-à-dire que la vitesse d'écoulement à travers les deux ouvertures situées de part et d'autre de l'organe 8 atteint sa va- leur maximale. Du fait que la pression dynamique se trou- ve alors au maximumx, en combinaison avec le fait que 1' organe oscillant atteint toujours sa position centrale avec une certaine quantité d'énergie cinétique, on est assuré que la configuration de la turbulence est toujours maintenue. Les conditions de pression sont telles que la position centrale est tout à fait instable, c'est-à- dire qu'il n'y a pas de risque quelconque que l'organe oscillant puisse s'arrêter dans cette position, même mo- mentanément. L'autre effet avantageux qui résulte de l'agencement suivant l'invention ne concerne pas l'é- tendue de la plage de mesures, mais la précision de la mesure. La configuration de l'écoulement turbulent donne un profil rectangulaire de vitesse dans la totalité de la section transversale de l'écoulement. Il est vrai que la surface du rectangle varie en fonction de la vitesse de l'écoulement, mais sa forme est maintenue à peu près constante, ce qui est synonyme d'une précision élevée de mesure. La raison principale de ceci est que les cou- ches limites sont réduites. Conjointement avec l'explication des rai- sons de l'augmentation des forces d'actionnement attein- tes par le dispositif suivant l'invention on a indiqué la présence d'une, pression relative négative sur un côté de la partie intermédiaire 8b de l'organe oscillant, et l'existence d'une pression positive sur l'autre face de cet organe. Pour de faibles débits, il existe une tendance pour cette différence de pression s'égalise, en raison de l'écoulement autour des bords supérieur et inférieur de l'organe oscillant. Il est possible d'éviter une telle é- galisation des pressions en concevant l'organe mobile de manière que ses bords supérieur et inférieur soient si- lO tués immédiatement contre la paroi interne du corps.l. Dans le cas o l'on s'attend à ce que le milieu s'écou- lant dans le débitmètre contienne des corps étrangers, par exemple des. grains de sable en suspension dans de l'eau la présence de fentes étroites peut entraîner un risque que de telles particules viennent se coller dans ces fen- tes et provoquent des perturbations de fonctionnement, ou dans le cas le plus défavorable bloquent complètement l'organe mobile. Il est par conséquent plus approprié dans de telles applications de donner à l'organe oscillant la forme représentée à la Fig. 5. Comme on le voit des parties 8c et 8d analogues à des flasques ont été prévues au-dessus et au- dessous des bords longitudinaux de la parties 8b, qui rendent en pratique impossible les débor- dements précités. Suivant le mode de réalisation représenté à la Fig. 6, les saillies 6 et 7 présentent un profil ar- rondi. De plus la surface en amont de l'organe oscillant est convexe. Enfin la partie 8b de l'organe oscillant pré- sente à son extrémité libre la forme d'un bulbe 8e, qui augmente la force positive agissant sur l'organe. Le débitmètre suivant l'invention peut e- tre modifié dans une mesure importante en ce qui concerne les formes des détails de ses différents organes. Il est avantageux mais pas nécessaire que la partie 8a de l'or- gane oscillant ait à peu près la même épaisseur que les saillies 6 et 7. De même on obtient souvent des conditions optimales de fonctionnement lorsque ladite dernière par- tie de l'organe oscillant dans sa position de symétrie, se trouve à peu près dans le même plan que les deux sail- lies. Cependant, du fait que la condition d'ensemble est que l'organe oscillant se trouve à l'intérieur de la zo- ne dans laquelle les saillies provoquent un écoulement turbulent, on comprend que l'axe d'oscillation de l'orga- ne puisse être situé légèrement en amont ou en aval des saillies. D'une façon correspondante l'étendue de la par- tie 8b dans le sens de l'écoulement ne doit pas nécessaire- ment coincider avec celle de la zone 'turbulente, mais peut être soit plus courte soit plus longue. L'idée inventive est atteinte à partir du moment o, avec l'aide des sail- lies ou de moyens équivalents, se produit un étranglement qui provoque une zone d'écoulement turbulent dans laquel- le est disposé un organe oscillant, dont la force totale d'actionnement est constituée par l'action combinée des pressions positive et négative de part et d'autre de cet organe. Le débitmètre suivant l'invention est utile dans toutes les liaisons dans lesquelles on désire obte- nir une précision élevée de mesure dans une plage de me- sure étendue, et en particulier lorsque la limite infé-- rieure de cette plage correspond à de faibles valeurs du nombre de Reynolds. On peut mentionner les mesures de débit dans l'industrie du traitement des produits a- limentaires comme un autre exemple d'un champ d'applica- tion. Dans ce cas la forme simple du débitrmètre est par- ticulièrement avantageuse et est telle qu'il est facile de le maintenir propre. REVENDICATIONS 1 - Débitmètre comprenant un organe (8) analogue à une aube ou un volet, disposé dans un passage d'écoule- ment pour un milieu dont le débit doit être mesuré, et agencé pour osciller autour d'un axe (9) qui est perpendi- culaire au sens de l'écoulement dudit milieu, et des moyens (4) pour convertir la fréquence d'oscillation de l'organe oscillant en une information conoernant la valeur du débit, débitmètre caractérisé en ce qu'il comprend deux saillies (6,7) situées l'une en face de l'autre et faisant saillie sur la paroi interne du passage, ces saillies étant agencées pour produire un étranglement local de la section efficace d'écoulement du passage, de manière à produire une séparation de l'écoulement et que celui-ci devienne turbulent sur la totalité de la plage de mesure du débbitmtrep, ledit organe oscillant (18> comprenant une première partie(8a) située dans un plan parallèle à son axe d'oscillation (9) ou au voisinage de ce plan, et pas- sant par lesdites saillies, et une seconde partie (8b) située dans un plan qui contient l'axe d'oscillation (9) et qui est parallèle à la direction de l'écoulement principal audit milieu dont on doit mesurer le débit de telle sorte que lorsque ledit organe oscille entre ses positions limites il se produise dans les deux branches de l'écoulement passant entre ledit organe oscillant et chacune des saillies (6,7) des variations directionnel- les simultanées dans le même sens de telle façon que la- dite seconde partie (8b) de l'organe oscillant soit sou- mise à des composantes de forces qui sont orientées trans- versalement à la direction de l'écoulement principal, grâce à quoi les mouvements oscillants dudit organe sont amplifiés. 2 - Débitmètre suivant la revendication 1, carac- térisé en ce que chacune desdites saillies (6,7) a sa face amont située dans un plan à peu près perpendiculai- re à la direction principale de l'écoulement. 3 - Débitmètre suivant l'une quelconque des re- vendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le profil de chacune desdites saillies (6,7) présente la forme d'une lame de couteau dont l'arête est proche de sa face amont. 4 - Débitmètre suivant l'une quelconque des re- vendications précédentes, caractérisé en ce que lesdi- tes saillies (6,7) et ladite première partie (8a) de l'organe oscillant ont à peu près la nmêe épaisseur, me- surée dans la direction de l'écoulement.