Brevet FR2487972A1 — publié le 19820205

La présente invention est relative à des dispo- sitifs de mesure de débit de, liquides; elle vise, plus particulièrement, des débitmètres comportant un passage de fluide dont les extrémités opposées présentent respec- tivement des orifices coaxiaux d'entrée et de sortie, en- tre lesquels est placé un rotor à ailettes de mesure de débit dont l'axe de rotation de ce rotor se trouve dans la direction d'écoulement. Les ailettes peuvent être de forme hélicoïdale ou, en variante, planes et inclinées par rapport à la direction d'écoulement. Les appareils de mesure du type ci-dessus existent sous différentes formes, par exemple sous forme d'hélice, de propulseur, de spirale, de turbine, sous forme d'appareils de mesure du type des tachymètres ou du type par inférence, et ils peuvent fonc- tionner mécaniquement ou électromécaniquement de manière à fournir une lecture de débit et/ou de quantité de fluide. La précision de fonctionnement d'un appareil de mesure, à un débit spécifique, peut être déterminée en faisant passer un liquide pendant un temps donné dans une capacité étalonnée, de façon à déterminer le débit réel et à le comparer avec l'indication du débitmètre. La dif- férence entre le débit mesuré et le débit réel, exprimée en pourcentage du débit réel, représente le pourcentage d'erreur pour ce débit particulier. Le fonctionnement du débitmètre peut être vérifié de la même façon dans tou- te la gamme de fonctionnement et on obtient une courbe de précision lorsqu'on reporte sur un graphique le pour- centage d'erreur en fonction du débit. Afin de réduire les erreurs de lecture dans les débitmètres, on étalonne ce dernier pour diminuer la différence entre la mesure réelle et l'indication observée dans toute la gamme de fonctionnement et pour amener la courbe de précision dans toute la mesure du possible à l'intérieur des limites spé- cifiées pour l'appareil de mesure. Les deux principales sources d'erreurs sont, comme décrit de façon plus détaillée plus loin, le frottement qui tend à réduire la vitesse du rotor, en particulier aux faibles débits, et le fait qu'à des vitesses d'écou- lement laminaire le liquide au centre du profil de répar- tition transversale des vitesses se déplace plus vite que la vitesse moyenne, ce qui a pour effet d'augmenter la vitesse de rotation du rotor. Dans les débitmètres connus dans l'Art antérieur, les effets combinés de ces erreurs s'annulent mutuellement en partie, en sorte qu'avec un étalonnage approprié on obtient un pic dans la courbe d'erreur, dans la zone d'écoulement laminaire, qui se trouve à l'intérieur des limites de la spécification nor- male de précision, de l'ordre d'une erreur de 5 % pour de tels débits, l'erreur étant plus petite dans la zone d'écoulement turbulent et à l'intérieur d'une exigence de précision de 2 %. Toutefois, on dispose maintenant de matières et de technologies qui permettent de diminuer sensiblement les effets de frottement mais, si on utili- sait des paliers à faible frottement avec les débitmètres de type connu, le pic de la courbe d'erreur dans la zone d'écoulement laminaire ne se situerait pas dans les spé- cifications de précision exigées ci-dessus. La présente invention a pour but de pourvoir à un débitmètre de liquide, du type ci-dessus, qui comporte un rotor monté dans des paliers à faible frottement et qui peut fonctionner dans les limites des spécifications de précision normales pour un débitmètre usuel à haut niveau de frottement du même type. Le débitmètre de liquide conforme à la présente invention est caractérisé en ce qu'il comporte un passage de fluide qui présente à ses extrémités opposées respec- tives des orifices coaxiaux d'entrée et de sortie, un rotor à ailettes de mesure de débit monté entre ces ori- fices dans des paliers à faible frottement et disposé de telle manière que son axe de rotation se trouve dans la direction d'écoulement, et un étranglement situé dans le passage en amont du rotor. Le passage de fluide est de section transversale constante de part et d'autre de l'étranglement, lequel comprend une partie principale de section transversale constante, inférieure à celle du pas- sage de fluide, qui débouche à son extrémité aval direc- tement dans le passage au voisinage du rotor,tandis que son extrémité amont comporte une partie convergente de raccor- dement de la partie principale de l'étranglement avec le passage. Ainsi, le profil de la répartition des vitesses transversalement au passage, au niveau du rotor, qui est obtenu dans le cas de débits d'écoulement laminaire, n'est pratiquement-pas affecté par la présence de l'étranglement alors que le profil de répartition des vitesses dans la section transversale du passage au ni- veau du rotor, qui est obtenu dans le cas de débits d'écoulement turbulent, est modifié par la présence de l'étranglement. De préférence, le passage de fluide et l'étrangle- ment ont une section transversale circulaire. Outre les dispositions qui précèdent, l'invention comprend encore d'autres dispositions, qui ressortiront de la description qui va suivre. L'invention sera mieux comprise à l'aide du com- plément de description qui va suivre, qui se réfère aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 représente schématiquement, en coupe longitudinale latérale, un débitmètre de liquide conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne II-II de la figure 1; - les figures 3 à 5 sont des courbes de réparti- tion transversale des vitesses pour un débitmètre sans étranglement - la figure 6 est une courbe de précision pour un débitmètre sans étranglement ou sans paliers à faible frottement; - la figure 7 est une vue partielle du débitmètre de la figure 1, illustrant le diagramme d'écoulement aux débits d'écoulement laminaire; - la figure 8 représente la courbe de répartition transversale des vitesses au niveau du rotor, dans une partie du passage représenté sur la figure 7, aux débits d'écoulement laminaire; - la figure 9 est une vue partielle du débitmètre de la figure 1, illustrant le diagramme d'écoulement aux débits d'écoulement turbulent; - - la figure 10 représente le profil de répartition transversale des vitesses au niveau du rotor, dans une partie du passage représenté sur la figure 9, aux débits d'écoulement turbulent, et - la figure 11 représente des courbes de précision dont l'une se rapporte au mode de réalisation du débitmètre conforme à la présente invention et dont l'autre se rap- porte à un débitmètre semblable sans étranglement. Il doit être bien entendu, toutefois, que ces des- sins et les parties descriptives correspondantes, sont don- nés uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'in- vention, dont ils ne constituent en aucune manière une limitation. Les figures 1 et 2 représentent unèbbitmètre de liquide, globalement désigné par la référence 11, conforme à un mode de réalisation de l'invention. Ce débitmètre comporte un passage de fluide 13, de section transversale circulaire constante et de diamètre D, qui présente à ses extrémités opposées respectives des orifices coaxiaux 15, 17 d'entrée et de sortie. Le passage de fluide comprend trois parties: une partie d'entrée 14, une partie de mesure 16, et une partie de sortie 18 raccordées ensemble coaxialement. Un rotor de mesure de débit 19, à ailettes hélicoidales, est placé à l'intérieur du passage, entre les orifices 15 et 17, dans la partie de mesure 16. L'axe de rotation du rotor est disposé dans la direction de l'écoulement,,indiquée par une flèche 21, qui correspond à l'axe du passage. Les différentes formes de rotor qui peuvent être uti- lisées dans des débitmètres du type décrit, sont connues des hommes de l'Art. Le type représenté comprend un corps cylindrique plein 23, solidaire d'un arbre 25 qui est supporté à ses extrémités opposées respectives dans des paliers à faible frottement, non représentés. Les paliers sont logés dans des bottiers 27, 29 de forme sensiblement conique dont les scaniets sont éloignés du rotor et se trou- vent sur l'axe du passage de fluide. Une façon d'obtenir de faibles forces de frottement entre l'arbre 25 et les paliers consiste à supporter l'arbre, qui est de préfé- rence en carbure de tungstène, dans des paliers à manchons en matière plastique composite contenant du polytétra- fluoroéthylène. En variante, l'arbre qui est également de préférence en carbure de tungstène, peut être maintenu dans des portées en pierres précieuses synthétiques. Une plura- lité d'ailettes hélicoïdales 31 sont disposées le long du corps 23 du rotor, vers l'extérieur de ce dernier, dans un canal annulaire 33 formé entre le corps 23 et la paroi cylindrique 37 du passage 13. L'angle du boîtier conique 27, du côté amont du rotor est choisi de telle manière que le liquide pénètre dans le canal annulaire 33 suivant un angle approprié pour engendrer un couple d'entraînement optimal sur les ailettes hélicoïdales 31. Au lieu d'être disposées en hélice, les ailettes peuvent être planes et inclinées suivant un angle déterminé par rapport à l'axe de rotation. Un étranglement 35 de section transversale circu- laire est prévu dans le passage en amont du rotor, à l'extrémité de la partie d'entrée 14 du passage opposée à l'orifice d'entrée 15. L'étranglement 35 comprend une partie principale 39 de diamètre constant d inférieur au diamètre D du passage. A l'extrémité aval 41 de l'étrangle- ment, la partie 39 débouche directement dans le passage au voisinage du rotor 19, sensiblement à une distance D/2 du corps du rotor 23. L'étranglement 35 comprend égale- ment une partie amont 37, de forme tronconique, dont la génératrice est inclinée suivant un angle de 30 environ par rapport à la direction d'écoulement et qui raccorde la partie principale 39 de l'étranglement avec le passage. Le liquide donton veut mesurer le débit pénètre dans le débitmètre à l'entrée 15 et s'écoule, à travers l'étran- glement 35, vers le rotor. Dans le canal annulaire 33, le liquide frappe les ailettes du rotor, ce qui fait tourner le rotor dans ses paliers à faible frottement et engendre une lecture par des moyens connus, mécaniques ou électro- mécaniques, la valeur indiquée dépendant de la vitesse du liquide. La vitesse de rotation du rotor est fondamenta- lement proportionnelle à la vitesse moyenne du liquide mais, comme la courbe de répartition transversale des vites- ses dans le passage au niveau du rotor n'est jamais parfai- tement uniforme, les particules liquides les plus rapides ont l'effet le plus grand,en sorte que les indications du débitmètre sont plus élevées que si la totalité du liquide se déplaçait à la vitesse moyenne. Si la forme de la courbe de répartition des vitesses était la même dans toute la gamme des débits dans laquelle le débitmètre doit fonc- tionner, cet effet pourrait bien entendu être annulé par un étalonnage approprié. Toutefois, la forme de la courbe varie en fait selon le type d'écoulement. Trois courbes de répartition transversale des vites- ses dans le canal annulaire 33 d'un cébitmètre du type représenté sur les figures 1 et 2 mais ne comportant pas d'étranglement 35, sont illustrées aux figures 3, 4 et 5 qui représentent respectivement des courbes de vitesse à des débits d'écoulement laminaire, d'écoulement transitoire de laminaire à turbulent et d'écoulement turbulent. On voit que, pour des débits d'écoulement laminaire, le liquide dans l'axe du canal entre le corps du rotor 31 et la paroi 37 du passage, se déplace à une vitesse sensiblement supé- rieure à la vitesse moyenne. Dans la zone de transition entre l'écoulement laminaire et l'écoulement turbulent, la différence entre la vitesse maximale et la vitesse moyenne est plus petite, et aux écoulements turbulents la vitesse maximale est voisine de la vitesse moyenne. Par conséquent, l'erreur de mesure provoquée par l'effet dé- crit ci-dessus des particules de liquide plus rapides est p3us grande dans la zone d'écoulement laminaire et plus petite pour les débits d'écoulement turbulent. Bien que cet effet provoque des indications de débit anormalement grandes, en particulier aux faibles débits, il existe un autre facteur qui a un effet opposé, qui tend à diminuer la vitesse de rotation du rotor et à ré- duire les valeurs indiquées par le débitmètre. Ce facteur est le frottement qui agit sur les paliers du rotor, ainsi que le frottement entre les roues dentées éventuellement prévues dans le dispositif de mesure. Dans le débitmètre conforme à la présente invention, on utilise des paliers et des pignons à faible frottement, mais dans la plupart des débitmètres usuels, le frottement intervient de façon tout-à-fait notable. On se reporte maintenant à la figure 6 qui représente une courbe de précision pour unffibitmètre semblable à celui représenté aux figures 1 et a mais ne comportant pas d'étranglement ou de paliers à faible frottement. Le débitmètre a été convenablement étalonné, afin d'amener la courbé 38 à l'intérieur des limites des spécifications de précision indiquées par la ligne 39. Le graphique montre l'allure de la variation de l'erreur combinée résultant des deux sources d'erreur, en fonction du débit. Les forces de frottement qui s'opposent à la rotation du rotor sont indépendantes du débit et, par conséquent, le pourcentage d'erreur 41 est fortement négatif aux faibles débits. Aux débits d'écoulement laminaire, l'effet positif de la vites- se d'écoulement est important et, en dehors des très fai- bles débits, cet effet est prédominant dans la zone d'écoulement laminaire, en sorte que les erreurs s'annu- lent partiellement. Aux débits plus élevés, les deux types d'erreur sont plus faibles et il y a annulation presque complète. On obtient donc la courbe représentée à la fi- gure 6, avec une valeur positive maximale 43 qui se trouve à l'intérieur de la tolérance spécifiée de 5 % dans cette zone d'écoulement laminaire et une courbe aux débits plus élevés qui reste dans une tolérance spécifiée de 2 %. Les figures 7 à 10 illustrent des diagrammes d'écou- lement et des profils de répartition transversale des vi- tesses pour le mode de réalisation du débitmètre conforme à l'invention, représenté aux figures 1 et 2. On voit sur la figure 7, le diagramme d'écoulement d'un liquide qui se déplace suivant un débit laminaire lorsqu'il traverse la partie principale 39 de l'étranglement, puis l'extrémité 41 et contourne le bottier conique 27 pendant son dépla- cement vers le rotor 19. La figure 8 représente la courbe de répartition transversale des vitesses dans le canal annulaire 33. On voit que ce diagramme est du même type que le diagramme d'écoulement laminaire représenté à la figure 3, puisque le diagramme n'est pas sensiblement affec- té par l'étranglement 35. La figure 9 représente le dia- gramme d'écoulement pour un liquide à une vitesse plus grande et dans ce cas, comme on le voit sur la figure 10, la courbe de répartition des vitesses est modifiée par la présence de l'étranglement. Il se produit un effet de "pompe" qui engendre une courbe de répartition des vites- ses non uniforme et qui augmente la vitesse de rotation du rotor pour un débit moyen donné. Cela a pour effet d'augmenter le pourcentage d'erreur positive, précédem- ment faible, des lectures aux débits plus élevés, tout en conservant inchangé le plus grand pourcentage d'erreur positive aux débits d'écoulement laminaire. Des courbes de précision pour des débitmètres avec et sans étranglement mais comportant des paliers et des pignons à faible frottement, sont représentées sur la figure 11. Une courbe 45 pour le débitmètre sans étrangle- ment est représentée en traits discontinus. L'effet plus faible du frottement, par rapport au débitmètre qui donne la courbe représentée à la figure 6, procure une meilleure précision aux très faibles débits d'écoulement mais le pourcentage d'erreur maximale positive 47 dans la zone d'écoulement laminaire est supérieur à 5 % et ne se trouve pas dans les limites des spécifications de précision.La courbe présente également une pente négative importante aux vitesses élevées. La courbe 49 représentée en traits pleins est la courbe de précision pour le mode de réalisation de l'invention représenté aux figures 1, 2, 7 et 9. Cette courbe montre également une bonne précision aux faibles débits, du fait de la contribution négative plus petite de l'erreur due au frottement, mais l'erreur positive maxi- male 51 se trouve bien à l'intérieur des spécifications de la tolérance de 5 %, et pour les débits plus élevés, l'erreur est très petite. Ainsi, pour les débits d'écou- lement laminaire, la courbe de répartition transversale des vitesses dans le passage au niveau du rotor n'est pas sen- siblement affectée par la présence de l'étranglement, mais aux débits d'écoulement turbulent, l'étranglement modifie la répartition transversale des vitesses au niveau du ro- tor, ce qui augmente la vitesse de rotation de ce dernier. Pour améliorer la précision du débitmètre, on choisit le degré d'accroissement de la vitesse du rotor afin de ré- duire la différence entre le pourcentage d'erreur aux débits d'écoulement turbulent et le pourcentage d'erreur positive maximale aux débits d'écoulement laminaire, c'est- à-dire la valeur maximale sur la courbe de précision dans la zone d'écoulement laminaire. Le niveau exact de la courbe par rapport à l'ordonnée (axe des erreurs) est choisi par étalonnage, par exemple par réglage des rap- ports d'engrenages, afin de.minimiser les erreurs dans toute la gamme des vitesses d'écoulement mesurées par le débitmètre. L'emplacement et la configuration de l'étranglement peuvent être choisis de façon à ce que la différence entre le pourcentage d'erreur de mesure aux débits d'écoulement turbulent et le pourcentage d'erreur positive maximale 51 dans la zone laminaire soit aussi faible que possible, pour une construction donnée du débitmètre, afin d'obtenir un appareil de mesure répondant à des exigences très sévères de précision. La courbe 49 représentée à la figure 11 ré- pond par exemple à une tolérance de précision de 2 % dans la zone principale d'écoulement laminaire et de 0,5 % dans la zone d'écoulement turbulent. Une forme appropriée d'étranglement, correspondant à une bonne précision, est représentée sur les figures mais elle peut être modifiée sans sacrifier de façon appréciable la précision: par exemple, la pente de la partie tronconi- que d'entrée 37 peut être augmentée ou diminuée. il Avec la forme d'étranglement représentée, le rap- port du diamètre d de la partie principale de l'étrangle- ment au diamètre D du passage est de préférence de l'ordre de 0,7 à 0,9. De même, avec ce type d'étranglement, le rapport de la distance Li, entre l'extrémité aval 41 de l'étranglement et le corps du rotor 19, au diamètre D du passage, est de préférence de l'ordre de 0,5 à 1,0. La longueur L2 de la partie principale 39 de l'étranglement est de préférence de l'ordre de 0,2 à 0,8 D. La partie de mesure 16 du passage, contenant le rotor et les paliers du rotor, peut être solidaire des parties 14 et 18 d'entrée et de sortiemais elle est géné- ralement constituée par une pièce indépendante qui est in- sérée entre des éléments de passage de dimension appropriée, afin de former un&bitmètre tel que représenté à la figu- re 1. De même, l'étranglement 35 peut être solidaire du passage ou de sa partie d'entrée 14, ou être constitué par une pièce indépendante. Ainsi que cela ressort.de ce qui précède, l'inven- tion ne se limite nullement à ceux de ses modes de réali- sation et d'application qui viennent d'être décrits de façon plus explicite; elle en embrasse au contraire tou- tes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du techni- cien en la matière sans s'écarter du cadre, ni de la por- tée, de la présente invention. REVENDICATIONS 1 - Débitmètre pour liquide, comprenant un passage de fluide,qui présente à ses extrémités opposées respec- tives des orifices coaxiaux d'entrée et de sortie et un rotor à ailettes de mesure de débit monté entre ces orifi- ces dans des paliers à faible frottement et dont l'axe de rotation est disposé dans la direction d'écoulement, lequel débitmètre est caractérisé en ce qu'un étranglement (35) est prévu dans le passage (13) en amont du rotor (31), le passage étant de section transversale constante aux extré- mités opposées de l'étranglement et ce dernier comportant une partie principale (39) de section transversale cons- tante plus petite que celle du passage, l'extrémité aval (41) de ladite partie (39) débouchant directement dans le passage au voisinage du rotor tandis que son extrémité amont présente une forme conique (37) et relie la partie principale de l'étranglement avec le passage, en sorte que la courbe de répartition transversale des vitesses dans le passage à l'emplacement du rotor, qui apparaît aux débits d'écoulement laminaire, n'est pas sensiblement modifiée par la présence de l'étranglement et que la courbe de répartition transversale des vitesses dans le passage à l'emplacement du rotor, qui apparait aux débits d'écoulement turbulent, est modifiée par la présence de l'étranglement. 2 - Débitmètre selon la Revendication 1, caractérisé en ce que le passage et l'étranglement ont une section transversale circulaire. - Débitmètre selon la Revendication 2, caractéri- sé en ce que la génératrice de la partie d'extrémité amont de l'étranglement est inclinée suivant un angle de 30' en- viron par rapport à la direction d'écoulement. - Débitmètre selon la Revendication 2 ou la Reven- dication 3, caractérisé en ce que le rapport du diamètre de la partie principale de l'étranglement au diamètre du passage est de l'ordre de 0,7 à 0,9. - Débitmètre selon l'une quelconque des Revendi- cations 2 à 4, caractérisé en ce que le rapport.entre la distance qui sépare l'extrémité aval de l'étranglement et le rotor, et le diamètre du passage est de l'ordre de 0,5 à 1. 6 - Débitmètre selon l'une quelconque des Revendi- cations 2 à 5, caractérisé en ce que le rapport entre la longueur de la partie principale de l'étranglement et le diamètre du passage est de l'ordre de 0,2 à 0,8.