Brevet FR2494432A1 — publié le 19820521

i 2494432 La présente invention concerne un dispositif pour mesurer le débit unitaire de liquide,et notamment d'eau, en particulier pour des installations de chauffage. De façon plus spécifique, le dispositif selon la présente invention réa- lise une mesure du débit unitaire indirect, en mesurant la vitesse moyenne du liquide (par exemple de l'eau) à l'intérieur d'un morceau de tuyau compor- tant une section calibrée. La mesure est effectuée en mettant en oeuvre la loi de Lorentz avec un champ magnétique perpendiculaire à l'écoulement du liquide, et avec des électrodes de détection perpendiculaires à la fois aux lignes de flux du champ magnétique et aux lignes d'écoulement du liquide. Selon la présente invention, le champ magnétique est obtenu à l'aide d'une paire de bobines disposées sur la portion de tuyau ayant une section ca- librée, ces bobines étant excitées par un courant alterné, afin d'éviter la pro- duction du phénomène de polarisation sur les électrodes recueillant la tension produite dans la zone de mesure. Selon une autre caractéristique de cette invention, l'excitation des bo- bines qui produisent le champ magnétique est réalisée à l'aide d'éléments de commutation à l'état solide, notamment de redresseurs contrôlés à semicon- ducteurs (thyristors) excités à une fréquence qui est un sous-multiple de la fréquence principale, dans un circuit d'auto-coupure, lesdites bobines étant alimentées en courant constant. Le signal présent sur les électrodes immergées dans le fluide est amplifié à l'aide d'un amplificateur à impédance d'entrée très élevée, lorsqu'il a été redressé et intégré afin d'obtenir une tension représentant le débit. De préférence, on ajoute au signal provenant des électrodes un signal pris inductivement à partir des bobines, afin de réaliser un champ magnétique dépourvu de signaux parasites induits dans le circuit de mesure. D'autres caractéristiques et avantages de cette invention ressortiront de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés, qui en il- lustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les dessins: - laFigure 1 illustre de façon schématique la disposition géométrique d'une unité de mesure comprenant les moyens pour engendrer le champ magné- 2 249443 1 tique et les électrodes de détection - la Figure 2 représente le schéma du circuit de commande des bobines engendrant le champ magnétique alterné; et, - la Figure 3 illustre le circuit de traitement du signal présent sur les électrodes afin d'obtenir un signal de sortie proportionnel au débit unitaire. En se référant à la Figure 1, on voit que le dispositif de mesure selon la présente invention comprend une portion de tuyau 1 en un matériau diélec- trique, comportant une section libre calibrée dans laquelle s'écoule le fluide (par exemple de l'eau) dont on veut mesurer la vitesse, et, par conséquent, le débit unitaire. On suppose que le vecteur vitesse du liquide est perpendiculaire au plan du dessin. Dans la portion de tuyau 1 sont montées les électrodes 2, 3, celles-ci étant disposées diamétralement. Les électrodes 2 et 3 sont réalisées en un matériau électriquement conducteur, inerte vis-à-vis du fluide dans lequel elles sont immergées. A titre d'exemple d'un tel matériau, on peut citer: l'acier inoxydable de nuance AISI 316, qui convient particulièrement bien. Des conducteurs sont reliés aux deux électrodes, afin de délivrer au circuit de la Figure 3 la tension produite conformément à la loi de Lorentz. Sur la paroi sensiblement cylindrique de la portion de tuyau 1 sont mon- tées des bobines 4, 5 et 6, 7. Les bobines 4 et 5 sont montées de façon clas- sique afin d'obtenir une distribution sensiblement uniforme des lignes de force du champ magnétique, ces lignes de force étant sensiblement perpendiculaires, d'une part à l'axe défini par les électrodes 2, 3, et, d'autre part, à l'axe géo- métrique de la section cylindrique de portion de tuyau 1. Les bobines 6 et 7 sont coaxiales aux bobines 4 et 5. Sur les bobines 6 et 7, une tension de compensation est engendrée, cette tension étant antagoniste au champ magnétique produit par les bobines 4 et 5. Le circuit magnétique constitué par les bobines mentionnées ci-dessus est fermé par un enroulement de matériau magnétique 8, par exemple de l'acier au silicium, ou tout autre matériau magnétique présentant une perméabilité élevée, afin de réduire autant que possible la réluctance, et donc d'augmenter l'induction magnétique dans la zone de mesure. On se réfère maintenant à la Figure 2, qui illustre le circuit de com- mande pour engendrer le champ magnétique. 249443? Les deux bobines 4 et 5 sont, d'une part, connectées à une borne com- mune 9, reliée à la sortie d'une source d'énergie en courant continu 10. On préfère utiliser une source de courant continu, afin d'éviter des modifications de résistances des bobines qui pourraient entraîner des changements de la valeur du courant traversant ces bobines, entraînant ainsi une modification du champ magnétique. Comme on l'a déjà précisé ci-dessus, on choisit un champ magnétique alterné (ou alternatif), c'est-à-dire un champ magnétique dont la valeur moyenne est égale à zéro, ceci afin de faciliter l'amplification, ainsi que le traitement, du signal de mesure disponible sur les électrodes 2 et 3. Comme éléments actifs pour la réalisation du circuit magnétique al- terné, on a choisi des commutateurs électroniques constitués par deux re- dresseurs contrôlés au silicium (thyristors) SCR1 et SCR2. Les commuta- teurs SCRI et SCR2 ont leur anode reliée aux extrémités libres des bobines 4 et 5, les cathodes étant connectées à la masse. Entre les anodes des com- mutateurs électroniques SCRI et SCR2, on interpose un condensateur Cl, et des diodes DI, D2, afin de réaliser un circuit de coupure, de type bien connu, pour les commutateurs électroniques, qui ne soit pas commuté en conduction. Les commutateurs électroniques SCR1 et SCR2 sont alternativement commandés sur leurs grilles g, à une fréquence qui constitue un sous- multiple de la fréquence principale. On choisit un rapport de commande qui représente le seizième de la fréquence principale en utilisant un diviseur numérique DV1, actionné à la fréquence principale, et qui produit un signal à 3.125 Hz sur sa sortie. Le signal ainsi présent sur la sortie du diviseur DV1 est appliqué à un élément de séparation Bi et à un inverseur Il. Les sorties de l'élément de séparation Bi et de l'inverseur Il actionnent les deux transistors QI et Q2 en push- pull. Lorsqu'ils sont conducteurs, les transistors Q1 et QZ courtcircuitent les groupes RI-C2 et R2-C3, disposés de façon connue sur l'émetteur des transistors unijonction Ul et U2. Les valeurs des groupes R-C mentionnés ci-dessus sont calculés de manière à produire une vitesse d'oscillation re- -lativement élevée pour les transistors unijonction Ul, U2, afin d'être certain d'obtenir l'allumage des redresseurs contrôlés au silicium SCR1 et SCR2. Une fréquence de l'ordre de 10 kHz s'est révélée convenable. Les transistors unijonction Ul, U2 ont leur première base reliée à l'enroulement primaire des transformateurs d'impulsions TI, T2, dont les secondaires sont reliés aux grilles respectives des redresseurs SCR1 et SCR2 par l'intermédiaire des diodes d'isolation D2 et D3. On se réfère maintenant à la Figure 3, qui représente le circuit de traitement du signal fourni par les électrodes 2 et 3. Le générateur équivalent, produisant la tension de mesure disponible sur les électrodes 2 et 3 (Figure 1), peut être considéré comme un générateur idéal, en série avec une résistance d'une valeur de 200 kilos Ohms environ. En conséquence, le préamplificateur prévu pour ledit signal doit présenter une impédance d'entrée très élevée, de l'ordre de 20 Mégohms, afin de ne pas in- troduire d'erreurs inacceptables. Selon un exemple de mise en oeuvre de cette invention, on a choisi un amplificateur intégré avec entrée à transistor à effet de champ, tel que celui commercialisé sous l'appellation "LF 352 D" par la firme américaine "Natio- nal Semiconductor", Californie. Comme on le comprend de l'examen de la Figure 3, le signal est ap- pliqué aux entrées INI et INZ d'un amplificateur AI, constitué par un circuit intégré LF 352 D, tel que défini ci-dessus. Il demeure bien entendu que l'on peut utiliser d'autres circuits équivalents. L'amplificateur Al est connecté, selon une disposition assurant les performances maximales, à un système de réglage de décalage tel que men- tionné dans le manuel du fabricant. On remarquera que la broche 5, relative à la tension de référence Vref, est connectée au curseur d'un potentiomètre Pl, auquel est appliquée la tension de compensation produite par les bobines 6 et 7 (Figures 1 et 2). Il est néces- saire d'effectuer cette correction, étant donné que les câbles de liaison des électrodes 2 et 3 constituent une boucle fermée induisant des tensions qui sont en quadrature avec le champ magnétique alterné produit par les bobines 4 et 5. Le réglage est effectué en ajustant au zéro la sortie de l'amplificateur AI, avec un débit nul correspondant. Le signal de sortie de l'amplificateur Al, découplé en courant continu avec le condensateur C4, est appliqué à un filtre actif constitué par l'amplifi- 2494432- cateur opérationnel A2 et les condensateurs C5, C6, C7, ainsi que par les résistances R3, R4, R5 et R6, en une configuration passe-bas du type "Butte- worth", avec trois pâles et une fréquence de coupure d'environ 10 H z. Le but de ce filtre est d'éliminer les composantes de fréquence indésirées, et en par- ticulier la fréquence principale de 50 H z, qui, présente avec le signal utile, rendrait la lecture non fiable. La sortie de l'amplificateur opérationnel A2, découplée en courant continu à l'aide du condensateur C8, est amplifiée par l'amplificateur opérationnel A3, connecté en filtre passe-bas avec le groupe R7-C9, avec une pente d'octave 6 décibels, également centré sur 10 Hz. Le signal est encore amplifié par un amplificateur opérationnel A4, pourvu d'un réglage de décalage obtenu par l'intermédiaire du potentiomètre P2 et du circuit constitué par les résistances R8, R9, RlO et RlI. Sur la borne de sortie a4, on recueille un signal en courant alternatif proportionnel à la vitesse du fluide dans le tuyau l (Figure 1) . Etant donné que ce tuyau est calibré, le signal obtenu est proportionnel au débit unitaire. Il est alors nécessaire de prévoir la transformation de ce signal en courant alternatif en un signal en courant continu. Cette opération est réa- lisée à l'aide des circuits associés aux amplificateurs opérationnels A5 et A6. L'amplificateur A5, avec le circuit associé et les diodes D5, D6, se comporte comme un redresseur de précision demi-onde. L'amplificateur opérationnel A6 transforme ce redresseur en un redresseur pleine-onde. Le condensateur CIO assure une égalisation de la tension sur la sortie de l'amplificateur opé- rationnel A6, étant donné qu'il introduit une constante de temps importante, bien plus grande que la période de la composante alternée du signal redressé. Le potentiomètre P3 fonctionne comme un diviseur de tension sur la sortie de l'amplificateur opérationnel A6, si bien que, sur la borne S, on ob- tient le niveau désiré pour un éventuel traitement ultérieur. Il demeure bien entendu que cette invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit et représenté ici, mais qu'elle en englobe toutes les va- riantes. REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour mesurer le débit unitaire de liquides, et notamment d'eau, en particulier pour des installations de chauffage, caractérisé en ce qu'il comprend: une portion de tuyau (1) munie d'une section calibrée; des moyens pour mesurer la vitesse du liquide dans cette portion de tuyau à section calibrée, ces moyens comportant un système (4, 5) pour engendrer un flux magnétique présentant des lignes de flux perpendiculaires aux lignes d'écoulement du liquide, et une paire d'électrodes (Z, 3) perpendiculaires aux lignes de flux ainsi qu'aux lignes d'écoulement du liquide, de manière à pro- duire une force électromotrice sur lesdites électrodes, conformément à la loi de Lorentz, et des moyens pour amplifier ladite force électromotrice afin d'obtenir un signal utile proportionnel à la vitesse d'écoulement du liquide, et, par conséquent, à son débit. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le sys- tèrne pour engendrer le champ magnétique comprend une paire de bobines (4, ) entourant sensiblement ladite portion de tuyau (1) présentant une section calibrée, ces bobines étant excitées par un courant alternatif dont la fréquence est, de préférence, un sous-multiple de la fréquence principale. 3 - Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits moyens d'amplification comprennent un préamplificateur (AI) ayant une impédance d'entrée très élevée, des amplificateurs de niveau (A2... A6) et un convertisseur courant alternatif- courant continu. 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il com- prend des moyens pour compenser les tensions parasites induites, ces moyens comprenant des bobines auxiliaires (6, 7) couplées magnétiquement aux bobines (4, 5) engendrant le champ magnétique de mesure, la tension induite sur les- dites bobines auxiliaires étant soustraite du signal utile dans ledit préamplifi- cateur (Ai). - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les bo- bines (4, 5) engendrant le champ magnétique de mesure sont excitées par une paire de redresseurs contrôlés au silicium (SCRI et SCR2) connectés en mon- tage push-pull, et excités à une fréquence qui constitue un sous-multiple de la fréquence principale, obtenue par une division numérique de la fréquence de référence principale. 6 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit système de bobines (4, 5) et de redresseurs contrôlés au silicium (SCR1 et SCR2) est alimenté en courant constant, afin que le champ magnétique ne varie pas avec les changements de résistance des bobines, induits par les variations de température.