Brevet FR2491208A1 — publié le 19820402

L'invention concerne un appareil permettant de mesurer le débit d'un fluide à l'aide d'un thermocouple. L'invention a pour objectif la réalisation d'un appareil de mesure du débit d'un fluide, utilisant plusieurs tubes métalliques minces dont certains sont chauffés dectriquement, les autres n'étant parcourus par aucun courant électrique de manière à n'être pas chauffés, et qui sont disposés dans le fluide de dont le débit est à mesurer, la différence entre les températures de ces tubes étant évaluée au moyen de thermocouples placés dans chaque tube. L'invention a aussi pour objectif de mesurer le débit du fluide à partir des signaux de sortie des thermocouples. L'invention a également pour objectif de mesurer le débit du fluide à partir de la mesure d'un courant électrique qui, appliqué aux thermocouples, permet de maintenir b une valeur constante la caractéristique de sortie des thermocouples. L'invention a encore pour objectif la mise au point d'un procédé permettant d'obtenir des caractéristiques de débit correctes même si les composants du fluide considéré sont modifiés. La suite de la description se réfère aux dessins annexés qui représentent : Figure 1, un appareil de base dans lequel l'invention est mise en oeuvre ; Figure 2, un appareil perfectionné à partir de l'appareil de base illustré Figure 1. On a représenté en 1 et 2, Figure 1, des tubes métalliques minces de auelques millimètres de diamètre qui sont placés cyans le fluide dont le débit est à mesurer perpendiculairement au sens de circula tion de ce fluide. Aux deux extrémités du tube métallique 1 sont montés des organes de support 3 et 3' en matériau isolant. Aux deux extrémités du tube métallo que 2 sont montés des organes de support 4 et 4' en matériau conducteur. IJn thermocouple 5 permet de déceler la différence entre les température des tubes métalliques 1 et 2. Le thermocouple 5 comporte deux parties 5a, 5b pénètrant respectivement dans chacun des tubes métalliques 1 et 2. Ces deux parties du thermocouple 5 sont raccordées de manière à déceler la différence entre les températures des tubes métalliques I et 2. Un matériau isolant 6 permet d'isoler le thermocouple du tube métallique. Les conducteurs 7 et 7' permettent d'envoyer un courant électrique dans le tube métallique 2, le conducteur 7 étant raccordé à l'organe de support 4, ét le conducteur 7' étant raccordé à l'organe de support 4'. Une source d'alimentation fournit les courants nécessaires sur les conducteurs 7,7'. On expliquera maintenant la théorie sur laquelle est basée la mesure de débit conforme à l'in- vent ion. D'après ce qui précède, on remarquera que le tube métallique mince 1 n'est pas chauffé, et quten conséquence sa température est la même que celle du fluide. Le tube métallique mince 2 est chauffé par le courant électrique fourni par la source d'alimentation 8 et fournit donc, par effet Joule, de la chaleur, le thermocouple 5 décelant la différence entre les températures des tubes I et 2, soit la différence entre la température du fluide et celle du tube 2. Lorsque le tube métallique mince chauffé est placé dans le fluide dont le débit est à mesurer, la puissance thermique dissipée par unité de temps par ce tube sera fonction du débit du fluide et de la différence entre sa température et celle du fluide. Par ailleurs, la chaleur due à l'effet Joule et créée lorsqu'un courant électrique parcourt le tube métallique est fonction de la valeur de ce courant électrique. On remarquera dans ces conditions que, si le tube métallique se trouve dans un état d'équilibre par rapport à la température, la puissance calorifique sera équivalente à la chaleur dissipée. Donc, > débit sera fonction du courant électrique et de la différence de temporature. En conséquence, le débit peut être évalué à partir du courant électrique si la différence de température est maintenue constante, soit si le courant électrique est appliqué de manière à maintenir à une valeur constante le signal de sortie du thermocouple. Mais il est également possible d'évaluer le débit en maintenant à une valeur constante le courant électrique, à partir de la différence de température au niveau du thermocouple, soit à partir du signal de sortie de ce thermocouple. On remarquera que le procédé conforme à l'invention, défini à partir de ce premier exemple de réalisation, aboutit sur des moyens qui permettent une mesure précise de débit à partir de la différence entre les températures des tubes métalliques minces 1 et 2. On remarquera également que les moyens de mesure conformes à l'invention peuvent être utilisés de manière durable, sans être affectés par la pression du fluide, même si le débit est rapide, en raison de la structure rigide constituée par les tubes métalliques minces qui sont placés dans le fluide considéré. On se reportera maintenant à la Figure 2 qui illustre un autre exemple du procédé de mesure de débit faisant appel à des moyens supplémentaires de compensation, lesquels permettent d'obtenir une mesure précise même si les composants du fluide considéré sont modifiés. On a représenté en 21, 22, 23 et 24 des tubes métalliques minces. Le diamètre du tube 21 est plus grand que celui des autres tubes. Par ailleurs, les tubes métalliques 21, 22 et 23 sont parcourus par un courant électrique et fournissent donc de la chaleur par effet Joule. On a représenté en 25, 26 et 27 des thermocouples qui sont raccordés l'un à l'autre de telle sorte que la différence entre les températures des tubes 21 et 24 peut être décelée par l'intermédiaire du thermocouple 25, que la différence entre les températuresdes tubes 22 et 24 peut être décelée par l'intermédiaire du thermocouple 26, et quelea différence entre les températures des tubes 23 et 24 peut être décelée par l'intermédiaire du thermocouple 27. On a représenté en 28, 28', 29, 29', 30, 30' des conducteurs raccordés à la source d'alimentation 31. Les conducteurs 28, 28' sont par ailleurs raccordés au tube 21, les conducteurs 29, 29' sont par ailleurs raccordés au tube 22, les conducteurs 30, 30' sont par ailleurs raccordés au tube 23. Les tubes 21 t 22 sont placés dans le fluide dont le débit est à mesurer, perpendiculairement au sens de circulation de ce fluide. Le tube 23 est monté dans une enveloppe 32 et est placé dans le fluide perpendiculairement à son sens de circulation. De petits trous tels que 33a, 33b sont pratiqués dans l'enveloppe 32 de manière à pouvoir maintenir aisément dans un état constant le fluide à son niveau. Le tube 24 est également placé dans le fluide. On expliquera maintenant la théorie du procédé mis en oeuvre dans cet exemple de réalisation. Un courant électrique est fourni par la source d'alimentation 31 aux tubes 21, 22 et 23 de ma nière à créer de la chaleur par effet Joule. Le tube 24 n'est pas chauffé, de sorte que sa température est la même que celle du fluide. Les différences entre la température du fluide et les températures des tubes 21, 22 et 23 seront décelées par les thermocouples 25, 26 et 27. Le taux du transfert de chaleur des tubes cylindriques minces placés dans le fluIde, soit i taux de transfert de chaleur des tubes 21, 22 est exprimé dans la formule suivante : ( : Nu r (aReO'5 + b) Pr 1/3 (a,b : constantes)(1) où : Nu , hXd Nu - hd # Re = Ud Pr = K h I taux de transfert de chaleur - conductibilité thermique 9 = coefficient de viscosité cinématique K I conductibilité de la température U - débit d I diamètre de tube Par ailleurs, le taux de transfert de chaleur par convection libre d'un tube vertical, soit le tube métallique mince 23, est exprimé dans la formule suivante (2) Nu = a0 (Or Pr)1/4 (a0: constante) , (2) où: Nu = hl g = accélération due à la pesanteur p = coefficient de dilatation cubique différence entre températures du fluide-et du tube métallique mince 1 - longueur du tube métallique mince. Dans le cas où le tube métallique mince est en état d'équilibre par rapport à la température, la puissance calorifique due à l'effet Joule sera à la chaleur dissipée, à l1équation par rapport à la température du tube métallique mince sera la suivante RI2 -#dl#T ........................................(3) où R = résistance électrique du tube métallique mince I = courant électrique Le courant électrique sera converti en tension, via la résistance ou analogue, comme la formule suivante (4) VI = CI ................................. (4) où C représente le coefficient de transformation. Par suite, la caractéristique de débit V1, V2 de chacun des tubes métalliques minces 21, 22 peut être exprimée, en fonction des formules (1), (3) et (4), par les formules (5) et (6) suivantes Par ailleurs, la caractéristique V3 du tube métallique mince 23 peut être exprime, en fonction des formules (2), (3) et (4), par la formule (7) suivante Dans le cas où, dans la source dlallmen- tation 31, on utilise des moyens pour maintenir la différence de température entre le fluide et les tubes métalliques minces 21, 22, 23 à un taux constant de AT1, AT2, AT3, respectivement, par exemple pour compenser des variations des divers composants du fluide, la formule sera la suivante Lorsque C1, C2 ou T1, T2 sont fixés pour une opération (V12 - V2) / V3, afin d'obtenir le résultat de la formule (8), on obtiendra, à partir des formules (5), (6), (7) et (8), le résultat suivant Puisque A est une constante ne comportant pas de valeur propre de composant comme reprd- senté dans la formule (10), cette dernière sera comme suit Dans la formule (9), l'influence de la valeur propre de composant est seulement exprimée par Pr/12, e t la valeur P r reste constante par rapport à presque tous les gaz ; il sera possible de mesurer le débit sans que la mesure soit affectée par les valeurs propres des composants du fluide, à condition de sortir le signal représenté Dar : : Il est entendu que la description a été faite à titre d'exemple non-limitatif et que des variantes peuvent être envisagées sans, pour cela, sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Appareil pour mesurer le débit d'un fluide, caractérisé en ce qutil comporte (a) des tubes minces en métal électriquement conducteur (21,22) de diamètres différents, placés dans le fluide dont le débit est à mesurer, un courant électrique étant envoyé dans chacun des tubes, et un thermocouple (25,26) étant monté dans chaque tube, (b) un tube métallique mince (23) placé en un endroit non directement influencé par le débit du fluide, un thermocouple (27) étant monté dans le tube, et un courant électrique étant envoyé dans ce tube, et (c) un tube métallique mince (24) placé dans le fluide dont le débit est à mesurer, un thermocouple (34) étant monté dans le tube, et aucun courant électrique n'tant envoyé dans ce tube. 2 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube métallique mince (23) placé à l'endroit non influencé directement par le débit du fluide est monté dans une enveloppe (32) pourvue d'une ouverture. 3 - Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'enveloppe (32) comporte une ouverture (33a) dans sa partie supérieure et une ouverture (33b) dans sa partie inférieure. 4 - Appareil pour mesurer le débit d'un fluide, caractérisé en ce qu'il comporte (a) des tubes minces en métal électriquement conducteur (21,22), de diamètres différents, placés dans le fluide dont le débit est à mesurer, un courant électrique étant envoyé dans chacun des tubes, et un thermocouple (25,26) étant monté dans chaque tube, (b) un tube métallique mince (23) placé en un endroit non directement influencé par le débit du fluide, un thermocouple (27) étant monté dans le tube, et un courant électrique étant envoyé dans ce tube,. (c) un tube métallique mince (24) placé dans le fluide dont le débit est à mesurer, un thermocouple (34) étant monté dans le tube, et aucun courant électrique n'étant envoyé dans ce tube, (d) et des moyens pour mesurer le courant électrique envoyé dans les tubes métalliques minces raccordés à une source d'alimentation (31). 5 - Appareil pour mesurer le débit d'un fluide, caractérisé en ce qu'il comporte (a) des tubes minces en métal électriquement conducteur (21,22) de diamètres différents, placés dans le fluide dont le débit est à mesurer, un courant électrique étant envoyé dans chacun des tubes, et un thermocouple (25,26) étant monté dans chaque tube, (b) un tube métallique mince (23) placé en un endroit non directement influencé par le débit du fluide, un thermocouple (27) étant monté dans le tube, et un courant électrique étant envoyé dans ce tube, (c) un tube métallique mince (24) placé dans le fluide dont le débit est à mesurer, un thermocouple (34) étant monté dans le tube, et aucun courant électrique n'étant envoyé dans ce tube, (d) et des moyens pour mesurer le signal en sortie de chaque thermocouple.