Brevet FR2488994A1 — publié le 19820226

Procédé et dispositif de mesure de la masse volumique d'un fluide L'invention, développée au Centre d'Etudes et de Recherches de Toulouse (C.E.R.T), établissement de l'O.N. E.R.A, concerne la mesure de la masse volumique d'un fluide et notamment d'un gaz. On sait que cette mesure avec une précision élevée, de l'ordre de 10 3, présente un grand intérêt dans de nombreux domaines. A titre d'exemples non limitatifs, on peut citer la distribution des gaz combustibles, notamment du gaz naturel, où la mesure du débit massique doit souvent etre complétée par celle de la masse volumique, qui permet à son tour de déterminer la composition et donc le pouvoir calorifique du gaz. Une autre application est constituée par la mesure indirecte de la pression p qui règne dans une enceinte. Dans le cas d'un gaz parfait, la pression p est en effet reliée à la masse volumique P par l'équation P ~. = rt P t étant la température. Si la température est maintenue constante, la pression est proportionnelle à la masse volumique. On connait déjà divers dispositifs de mesure de la masse volumique d'un gaz, dont certains utilisent l'inertie du gaz. On peut notamment citer un dispositif comportant un récipient allongé dans lequel le gaz circule à faible vitesse et qui est soumis à un mouvement alternatif de rotation autour d'un axe perpendiculaire au sens d'écoulement. Des moyens mesurent la force de Coriolis résultante, fonction de la masse volumique. La présente invention vise à fournir un procédé et un dispositif de mesure utilisant également l'inertie d'un fluide contenu dans un récipient, répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu' ils sont simples et permettent néanmoins d'atteindre une précision élevée. Dans ce but, l'invention propose notamment un procédé suivant lequel on imprime au récipient contenant le fluide un mouvement rectiligne alternatif, on mesure l'accélération du mouvement et la composante alternative de la différence de pression entre deux points situés à distance l'un de l'autre dans la direction du mouvement rectiligne, et on déduit la masse volumique des deux mesures. On peut notamment donner au récipient un mouvement alternatif sensiblement sinuscldal, mesurer les valeurs efficaces de l'accélération et de la composante alternative et en faire le rapport.Le fluide peut être mis en circulation permanente lente dans le récipient, parallèlement à la direction du mouvement rectiligne alternatif. Pour que le fluide se déplace par tranches planes, le récipient a avantageusement une forme cylindrique et allongée. La pression peut alors être mesurée entre les fonds du récipient. L'invention propose également un dispositif qui comprend des moyens pour imprimer au récipient contenant le fluide un mouvement rectiligne alternatif suivant une direction déterminée, des moyens pour mesurer l'accélération du mouvement, des moyens pour mesurer la composante alternative de la différence de pression entre deux points du fluide situés à distance l'un de l'autre suivant ladite direction et des moyens pour faire le rapport des deux mesures. Les moyens de mesure de différence de pression sont avantageusement constitués par un micro-débitmètre à faible temps de réponse, compatible avec la fréquence du mouvement alternatif, disposé entre les deux points du fluide. Ces deux points peuvent notamment être prévus dans les fonds du récipient, qui est avantageusement de forme cylindrique à génératrices horizontales. Ainsi, en plaçant les deux points au même niveau, le débit mesuré n'aura qu'une composante alternative, dans la mésure où le débit qu'on fait passer à travers le récipient ne se traduit que par une différence de pression négligeable entre les fonds de ce récipient. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un dispositif qui en constitue un mode particulier de réalisation et du procédé qu'il met en oeuvre. La description se réfère à la figure unique qui l'accompagne et qui montre schématiquement les éléments matériels principaux, en coupe, ainsi qu'un synoptique de l'électronique associée. Le dispositif montré sur la figure est destiné à la mesure de la masse volumique du gaz circulant dans une conduite 10. Il est monté sur un circuit de fuite à partir de la conduite 10, comportant un volume de détente et d'amortissement 11. Le dispositif comporte un récipient 12 qui contient le volume de gaz sur lequel la mesure sera effectuée. L'écoulement lent du gaz dans le récipient 12 devant s'effectuer de façon uniforme et par tranches planes, on donne au récipient une forme cylindrique dont la section peut être quelconque. Le gaz arrive dans le récipient par une tubulure d'admission 13 reliée au volume 11 et s'en échappe par une tubulure de sortie 14 reliée à un conduit 15 d'échappement muni d'une vanne de réglage 16. L'obtention d'une précision élevée de mesure exige que le gaz circule à débit constant et faible, sous une pression également contrôlée. Dans plupart des cas, la présence du volume détendeur 11 suffit à remplir ces conditions. Toutefois,si nécessaire, on peut prévoir une régulation de commande de la vanne 16. Le récipient 12 est lié mécaniquement à un excitateur 17 de nature quelconque, généralement électromécanique ou électrodynamique, capable d'imposer au récipient 12 un mouvement d'oscillation rectiligne parallèlement à l'axe du récipient 12. Ce récipient peut etre guidé dans ses déplacements par des paliers 18 et 19 dans lesquels coulissent deux pions 20 et 21 solidaires des fonds du récipient et dont l'un 20 assure le couplage avec l'excitateur 17. Les paliers 18 et 19 sont généralement placés dans la paroi d'une enceinte d'isolement thermique 22, à l'intérieur de laquelle la température est régulée par un dispositif thermostatique non représenté.Pour permettre au récipient de se déplacer sous l'action de l'excitateur 17 sans entrainer le volume 11 et le conduit 15, ces organes sont raccordés aux tubulures 13 et 14 par l'intermédwaire de soufflets 23. Le dispositif comprend encore des moyens de mesure de la différence entre les pressions qui règnent en deux points écartés l'un de l'autre le long de la direction d'oscillation. Les deux points de mesure sont avantageusement disposés à proximite immédiate des fonds du récipient 12, ainsi que le débouché des tubulures 13 et 14. Les moyens de mesure de la différence de pression utilisent avantageusement un micro-débitmètre de mesure du débit qui parcourt un circuit extérieur au récipient 12 et reliant les points de mesure . Le dispositif illustré sur la figure comporte un tel circuit, muni d'un débitmètre qui a avantageusement la constitution décrite dans la demrncle de brevet français NO 75 11844 de l'organisme demandeur, publiéesous le no 2 308090. L'ensemble du circuit, y compris le micro-débitmètre, est prévu de façon à respecter une symétrie par rapport au plan médian du récipient 12. Le circuit comporte des conduites 24 et 25 munies de soufflets 26 similaires au soufflet 23, reliant l'organe détecteur 27 du micro-débitmètre aux points de mesure. Le micro-débitmètre pouvant avoir l'une des constitutions décrites dans la demande de brevet 75 11844 et son certificat d'addition 79 06014, auxquels on pourra se reporter, seule une description succinte sera donnée ici. L'organe détecteur du micro-débitmètre comporte un fil 28 inséré dans un circuit en pont 29 muni d'une alimentation 30. Le fil est balayé par une circulation de gaz due d'une part, à la différence de pression entre les points de mesure, d'autre part, à l'action d'une membrane oscillante 31 excitée par le signal sinusoidal à fréquence f0 fournie par un oscillateur 32. L'excitation de la membrane 31 peut notamment être réalisée en utilisant un montage similaire à celui des haut-parleurs électrodynamiques. Le signal de sortie du pont, porté à un niveau suffisant par un amplificateur non représenté, est appliqué à deux blocs mémoires 33 et 34. Un bloc déphaseur 35, qui reçoit de l'oscillateur 32 un signal en phase avec les oscillations à fréquence f0 , fournit, à chaque période, deux impulsions successives qui commandent l'une à la mémoire 33,l'autre à la mémoire 34 . Les impulsions fournies par le circuit 35 sont émises avec un déphasage d'une demi-période. Les signaux mémorisés sont appliqués sur les entrées d'un amplificateur différentiel 36 qui fournit sur sa sortie un signal représentatif du débit qui circule dans le circuit reliant les points de mesure. Les accélérations imposées au récipient 12 sont mesurées par un accéléromètre directionnel 37, monté par exemple sur le pion de guidage 21. Cet accéléromètre 37 est disposé de façon que son axe sensible coincide avec l'axe d'oscillation. Les signaux, approximativement sinusoidaux, fournis l'un par l'amplificateur 36 et l'autre par l'accéléromètre 37 doivent etre traités et combinés pour fournir un signal représentatif de la différence de pression QP de la masse volumique. Le circuit de traitement 38 comporte deux circuits passe haut 39 et 40, respectivement reliés à l'amplificateur 36 et à I'accéléromètre 37, qui attaquent chacun un circuit de mesure de la valeur efficace 41 ou 42. De tels circuits sont bien connus et n'ont pas à etre décrits ici. On pourra notamment utiliser des circuits AD 536. Enfin les signaux de sor tie des circuits 41 et 42 sont appliqués à un diviseur 43, constitué par exemple par un circuit AD 433.Le diviseur fournit ainsi la valeur de Ap/g qui est une tension analogique proportionnelle à ph (h étant la distance entre les points de mesure), donc proportionnelle à p. Ce signal de sortie est appliqué à un système d'affichage ou d'enregistrement. Le circuit de traitement peut etre complété par un circuit de prélèvement de la composante continue du signal fourni par l'amplificateur différentiel 36. Cette composante continue est proportionnelle au débit permanent qui traverse l'organe sensible 27 et elle peut être utilisée pour réguler le débit de balayage du récipient 12, par exemple par l'intermédiaire d'un circuit de commande de la vanne 16. Le dispositif qui vient d'être décrit est susceptible de nombreuses variantes de réalisation. En particulier, lorsque l'organe sensible 27 du détecteur est déjà lacé dans un thermostat ou que le micro-débitmètre dans son ensemble est compensé en température, on peut se dispenser de l'enceinte 22 et de sa régulation thermostatique en munissant le récipient 12 d'un capteur de température, qui fournit un signal à ve circuit de correction linéaire de la mesure. La fréquence f et la fréquence fl de l'excitateur 17 doivent évidemment être compatibles. Il faut que la fréquence f1 soit faible par rapport à la fréquence fG et également que 1/fil soit très petit par rapport à la constante de temps du système pneumatique qui est constitué par le récipient et le micro-débimètre et qui est analogue à un circuit pneumatique comprenant une résistance et une capacité. Dans ces conditions, le micro-débimètre alimenté par des débits alternés symétriques se comporte comme un manomètre différentiel de haute sensibilité. A titre d'exemple, on peut indiquer qu'un dispositif destiné à mesurer la masse volumique d'un gaz essentiellement constitué de méthane à la pression atmosphèrique a été réalisé. Le récipient 12 était constitué par un cylindre de métal léger bon conducteur de la chaleur, équipé d'une thermistance et d'un accéléromètre miniature Columbia NO 606-2 . L'excitateur était constitué par pot vibrant type Brüel et Kjaer type 4 809. La fréquence était de 100 Hz.les accélérations pouvaient atteindre 400 m/s2. Les conduites étaient réalisées en tubes métalliques de 0,8 mm de diamètre. L'organe détecteur 27 était constitué par un micro-débitmètre ayant une résolution de 0,1 pg/s d'air à la pression atmosphérique et un seuil de résolution en pression de 0,01 Pa. La bande passante à -3 décibels allait de 0 à 400 Hz.Dans ces conditions, la résolution sur la mesure de p était de 5 x 10 4kg/m3 pour un récipient de 5 cm de long. La précision relative était donc de + 0,08 % pour une alimentation de méthane. L'utilisation d'un micro-débitmètre du genre défini ci-dessus s'accompagne deavantages propres à ce micro-débitmètre, qui sont notamment une grande sensibilité, une bande passante étendue,une une linéarité satisfaisante. Par ailleurs, ce micro-débitmètre n'apporte pratiquement pas de perturbations à l'écoulement puisque le débit transféré à travers le détecteur pendant une demi-période est de l'ordre de 1 mm et n'affecte en rien le remplissage de l'enceinte. Comme on l'a indiqué plus haut, le dispositif selon l'invention est susceptible d'un domaine d'applications étendu. Par exemple, on peut déduire la pression de la masse volumique et en conséquence utiliser le dispositif en manomètre absolu pour les gaz purs, en barométrie et en altimétrie, sous réserve dans ce dernier cas, d'une correction éventuelle d'hygrométrie. REVENDICATIONS 1 - Procédé de mesure de la masse volumique d'un fluide et notamment d'un gaz, contenu dans un récipient, caractérisé en ce que l'on-imprime au récipient contenant le fluide un mouvement rectiligne alternatif, on mesure l'accélération du mouvement et la composante alternative de la différence de pression entre deux points situés à distance l'un de l'autre dans la direction du mouvement rectiligne, et on déduit la masse volumique des deux mesures. 2 - Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'on imprime au récipient un mouvement alternatif sensiblement sinusoidal, on mesure les valeurs efficaces de l'accélération et de la composante alternative de la pression et on fait le rapport des deux mesures. 3 - Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on met le fluide en circulation permanente lente dans le récipient parallèlement à la direction du mouvement rectiligne alternatif. 4 - Dispositif de. mesure de la masse volumique d'un fluide, et notamment d'un gaz, contenu dans un récipient, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (17) pour imprimer au récipient (12) contenant le fluide un mouvement rectiligne alternatif suivant une direction déterminée, des moyens (37) pour mesurer l'accélération du mouvement, des moyens pour mesurer la composante alternative de la différence de pression entre deux points du récipient situés à distance l'un de l'autre suivant ladite direction et des moyens (43) pour faire le rapport des deux mesures. 5 - Dispositif suivant la revendication 4,caractérisé en ce que le récipient est de forme cylindrique à génératrices horizontales et soumis à oscillations suivant l'axe, les deux points étant avantageusement au même niveau et à proximité des fonds du récipient 6 - Dispositif suivant la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que les moyens de mesure des différences de pression sont constitués par un micro--débitmètre à faible temps de réponse, compatible avec la fréquence du mouvement alternatif, disposé entre les deux points. 7 - Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le micro-débitmètre est placé dans un tronçon fixe d'un circuit reliant les deux points, tronçon relié au récipient par l'intermédiaire d'organes déformables tels que des soufflets. 8 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par des moyens pour faire passer, à travers le récipient, un débit suffisamment faible pour que la différence de pression correspondante soit négligeable entre lesdits points. PLANCHE UNIQUE