Brevet FR2504259A1 — publié le 19821022

L'invention concerne d'une manière générale les débitmètres à fluide, et plus particulièrement des instru- ments de mesure qui traduisent le déplacement proportionnel d'un organe à l'intérieur du corps de l'instrument, cet or- gane étant rappelé contre le sens d'écoulement du fluide faisant l'objet de la mesure. Un instrument simple et peu coûteux de ce type comprend un organe à extrémité en forme d'ogive, maintenu contre l'écoulement du fluide par un ressort de compression qui est monté centralement à l'intérieur d'un corps Le dé- placement de cet organe vers l'aval est étalonné et lu à travers une fenêtre ou à travers un tronçon de tube trans- parent Bien que ces dispositifs fonctionnent en général de façon satisfaisante, pour accroître la précision, il faut un ressort plus précis et plus lcng, ce qui expêche parfois leur utilisa- tion pour des raisons d'encombrement De plus, l'économie qu'ils apportent est compromise car le coût des ressorts qui se comportent convenablement augmente en raison géomé- trique de leur longueur. Des instruments de mesure plus complexes de ce type, tels que celui décrit dans le brevet des Stats-Unis d'An O- rique N O 4 041 891, utilisent des organes d'impulsion qui sont rappelés contre le sens de l'écoulement par des res- sorts de torsion Cependant, dans ces dispositifs, les res- sorts sont en général placés à l'extérieur du corps dans lequel le fluide s'écoule, ce qui exige des opérations par- ticulières pour assurer l'étanchéité d'une chambre à res- sort et éléments d'indication, restant au sec, et l'utili- sation d'organes supplémentaires sous la forme de joints, d'éléments de transmission et de diverses pièces mobiles. D'autres instruments de mesure utilisent des or- ganes d'impulsion dont la vitesse de rotation est mesurée, les valeurs mesurées devant également être transférées à l'extérieur par des structures plus complexes qu'une fenêtre ou un tronçon de tube transparent Certaines de ces struc- tures ont pour but de dévier le liquide selon un trajet qui s'écarte de son trajet général d'écoulement, afin que l'organe d'impulsion puisse être orienté perpendiculairement à cet écoulement dévié, une roue de vis sans fin étant utilisée afin que l'organe d'impulsion puisse être orien- té perpendiculairement au trajet général d'écoulement du liquide,et des impulsions électroniques, transmises à travers un corps non conducteur par des éléments ferro- magnétiques portés par l'organe d'impulsion,étant comp- tées Tous ces derniers types de débitmètres permettent d'obtenir une précision relativement bonne dans un espace réduit, mais ils sont également complexes, ce qui demande un coût initial élevé et un entretien onéreux. L'invention a pour objet un débitmètre à fluide perfectionné, comportant peu de pièces mécaniques mobiles, mais permettant d'atteindre un degré de précision relati- vement élevé Le débitmètre selon l'invention occupe un espace réduit bien qu'ayant un degré de précision relati- vement élevé Il n'exige pas la présence de chambres sè- ches séparées destinées à loger des ressorts de rappel et des indicateurs de débit, ni, en variante, de dispositifs électroniques d'affichage coûteux Il n'exige pas non plus un espace latéral supplémentaire pour le montage de cham- bres sèches séparées pour éléments d'indication. Les objets de l'invention, indiqués ci-dessus, ainsi que d'autres objets, sont obtenus par fixation, à l'intérieur d'un tronçon de tube utilisé comme corps d'instrument de mesure, d'une structure de support à l'ex- trémité de sortie du corps sur laquelle une turbine peut tourner axialement en réponse à l'écoulement d'un fluide. Cependant, un ressort de torsion est fixé par son extrémité périphérique à la structure de support et par son extrémité centrale à la turbine, le déplacement circonférentiel de cette dernière indiquant le débit d'écoulement relatif du fluide Par conséquent, on dispose d'une circonférence dont la longueur est sensiblement égale à la circonférence in- terne du conduit d'écoulement de fluide pour l'étalonnage de l'instrument par une échelle ee débits d'écoulement. D'autres formes de réalisation de l'invention permettent un déplacement angulaire de la turbine sur plus de 3600, ce qui accroît encore plus la précision (multi- ples de la circonférence du conduit d'écoulement) pour un accroissement relativement minime de la longueur du corps de lrinstrument Dans l'une de ces formes de réalisation, la turbine peut exécuter un mouvement axial ainsi qu'un mouvement de rotation grace à la présence supplémentaire d'un ressort de compression monté entre la turbine et la structure de support Lorsque le débit d'écoulement augmente, la turbine se déplace axialement ainsi que circonférentiel- lement, ce qui permet un étalonnage de plus de 3600 sur une échelle de forme géométrique hélicoïdale Dans une variante de cette forme de réalisation, dans laquelle le ressort de torsion n'est pas utilisé, le ressort de compression est as- socié à un filetage de pas de grande longueur, formé sur l'axe et coopérant avec un filetage interne de la turbine pour permettre un déplacement hélicoïdal de cette dernière. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: la figure 1 est une vue en perspective, à l'état assemblé, d'une forme préférée de réalisation du débitmètre selon l'invention; la figure 2 est une vue en perspective éclatée de la forme préférée de réalisation du débitmètre selon l'in- vention, cette vue montrant les positions relatives des élé- ments du débitmètre, ainsi qu'une partie de l'intérieur du corps du débitmètre; la figure 3 est une coupe partielle de la forme préférée de réalisation du débitmètre selon l'invention, suivant la ligne 3-3 de la figure 1; la figure 4 est une coupe longitudinale partielle d'une variante du débitmàtre selon l'invention, cette vue montrant les différences entre cette forme de réalisation et celle représentée sur les figures 1, 2 et 3; et la figure 5 est une coupe longitudinale partielle d'une autre variante du débitmètre selon l'invention, cette vue montrant les différences entre cette forme de réali- sation et celle représentée sur les figures 1, 2 et 3. On se référera à présent aux dessins sur lesquels les mêmes références numériques désignent des éléments iden- tiques ou correspondants sur les diverses figures En par- ticulier, la figure 1 représente globalement en 10 le débit- mètre selon l'invention dont les éléments principaux appa- raissent logés dans un corps 20 constitué d'un tube cylin- drique transparent 21 qui présente une extrémité 22 d'entrée et une extrémité 23 de sortie L'instrument comporte égale- ment deux raccords identiques 24 à tête en forme de boulon, destinés à être vissés chacun dans une extrémité du tube transparent 21, et des bagues identiques 26 d'étanchéité en caoutchouc destinées à être utilisées avec les raccords 24. Ainsi qu'on peut mieux le voir sur la figure 2, chaque rac- cord 24 à tête en forme de boulon est de configuration sen- siblement cylindrique et comprend une âme centrale creuse à paroi de section en L dont la branche horizontale constitue une saillie extérieure 27, en forme de boulon, permettant l'application d'un couple à l'aide d'une clé, et dont la branche verticale, formant la paroi du cylindre creux, pré- sente un filetage extérieur 28 éloigné de la tête 27 et destiné à coopérer avec un filetage interne ménagé dans cha- cune des extrémités du tube 21 Un filetage interne 25 est réalisé à proximité de la tête 27 en forme de boulon afin de permettre le branchement de conduits adjacents amont et aval d'écoulement de fluide Un espace 29 de retenue d'une bague d'étanchéité est ménagé entre la tête 27 et le file- tage extérieur 28 afin de recevoir une bague compressible 26 d'étanchéité Le raccord 24 permet le montage réglable du débitmètre 10 dans un tronçon normal de tube parcouru par un fluide, ce montage s'effectuant par enlèvement d'un tronçon de tube de longueur convenable et vissage appro- prié des extrémités libres du tube dans les raccords. Une échelle graduée cylindrique 31, disposée coaxiale- ment à l'intérieur du corps 20, comprend des indications numériques 32 permettant de lire des débits d'écoulement en regard d'un trait 15 de repère qui est situé sur la surface du tube transparent 21 et qui est adjacent aux indications numériques 32 L'une des caractéristiques du débitmètre selon l'invention est la traduction circonfé- rentielle, sur l'échelle 31, du débit d'écoulement linéaire d'un fluide à travers l'appareil, ce qui rend disponible la totalité de la circonférence de l'échelle cylindrique 31 pour l'étalonnage en débits d'écoulement Les moyens par lesquels l'échelle cylindrique 31 tourne en fonction des variations des débits d'écoulement du fluide seront décrits ci-après. Ainsi qu'on peut le voir sur les figures 1, 2 et 3, mais surtout sur la figure 2, l'appareil comporte une base 33 formant une structure de support et qui, dans cette forme de réalisation, comprend un croisillon à trois bran- ches pouvant être réalisé d'une seule pièce avec le cylindre 21 ou bien fixé de manière bien connue à la paroi intérieure du cylindre 21, à proximité du filetage situé à l'extrémité 23 de sortie La base 33 de support présente, dans sa face amont, une cavité cylindrique centrale 34 de montage d'un axe, qui est coaxiale au corps 20 et que l'on peut voir sur la figure 3, mais qui est mieux représentée en traits poin- tillés sur la figure 2 Un axe 36 est monté rigidement dans la cavité 34 Cet axe 36 peut être réalisé d'une seule piè- ce avec la base 33 de support L'utilisation d'un axe rap- porté ou d'un axe réalisé d'une seule pièce avec la base dépend de considérations autres que fonctionnelles. Comme on peut le voir sur la figure 2, l'axe 36 porte deux bagues annulaires espacées 37 destinées à pré- senter une surface minimale de frottement sur laquelle un ensemble à turbine, désigné globalement en 30, peut tourner sous l'effet de -l'écoulement d'un fluide à travers l'appa- reil de mesure L'ensemble 30 à turbine comprend un moyeu 38, des aubes 39 et des graduations cylindriques 31 qui ont été décrites précédemment Le moyeu 38 comporte une partie cylindrique extérieure 41 qui est centrée axialement et qui présente une cavité cylindrique coaxiale 42 destinée à recevoir l'extrémité amont de l'axe 36 et les bagues 37 d'appui, l'extrémité centrale 43 d'un ressort 44 de torsion étant également destinée à être fixée à l'extrémité aval de la cavité 42 par introduction de cette extrémité 43 dans une fente 35 d'un étranglement 45 Les aubes 39, orientées radialement vers l'extérieur et équidistantes, sont fixées à une saillie interne 46 du moyeu 38, à l'intérieur de l'en- semble 30 à turbine, et la cavité cylindrique 42 est prolon- gée dans la saillie interne 46 du moyeu 38, la saillie étant prolongée suffisamment pour empêcher le moyeu 38 d'être dé- placé par la pression du fluide contre la base 33 de support. La figure 3 permet de mieux comprendre cette disposition et elle montre que la longueur de la cavité cylindrique 42 est légèrement inférieure à la longueur de la partie de l'axe 36 qui fait saillie en amont de'la base 33 de support, augmentée du diamètre d'une bille 47 d'appui La figure 3 permet égale- ment de mieux comprendre que les frottements diminuant la précision de l'appareil de mesure selon l'invention sont mi- nimisés par l'utilisation de seulement deux bagues 37 d'ap- pui et d'une seule bille 47 d'appui, les bagues 37 ayant une surface en "Teflon" ou autre La partie du moyeu 38 dépassant en amont des aubes 39 et de l'échelle cylindrique 31 présente en forme en ogive afin de réduire la-turbulence et de maintenir l'équilibre stable de l'ensemble 30 à turbine sur l'axe 36 La partie portant l'échelle cylindrique 31, -25 qui est coaxiale au corps 20, à l'axe 36 et au moyeu 38, est fixée par sa paroi intérieure à l'extrémité radiale des aubes 39. Pour compléter cette forme préférée de réalisation de l'instrument 10 de mesure selon l'invention, l'ensemble 30 à turbine et la paroi interne du tube 21 formant le corps sont reliés à l'extrémité périphérique 48 du ressort 44 de torsion par un pied 49 qui fait saillie en amont d'une branche de la base 33 de support Il convient de noter que la liaison avec le tube 21 ne doit pas nécessairement être réalisée par l'intermédiaire de la base 33 Dans la forme de réalisation décrite, les aubes 39 sont configurées de manière à faire tourner l'ensemble 30 à turbine dans le sens des aiguilles d'une montre par rapport à l'extrémité amont du corps 20, sous l'effet de l'écoulement d'un fluide à tra- vers l'appareil de mesuré, et le ressort 44 de torsion est orienté de manière à rappeler l'ensemble 30 à turbine dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. La figure 4 représente globalement en i Qa une variante du débitmètre selon l'invention La description qui suit de cette forme de réalisation repose sur la des- cription précédente de la forme préférée 10 de réalisation en ce qui concerne les éléments qui, du point de vue struc- ture et fonction, sont identiques à ceux de la forme de réa- lisation décrite précédemment, ces éléments portant les mêmes références numériques auxquelles il est simplement ajouté la lettre "a" Les éléments analogues des deux formes de réali- sation portent également les mêmes références numériques aux- quelles la lettre "a" est ajoutée sur la figure 4, seules les différences essentielles étant indiquées. Le corps 20 a représenté diffère du corps 20 de la forme préférée 10 de réalisation par le fait que le tube transparent 2 la est plus long que le tube correspondant 21 du corps 20, relativement aux longueurs comparées des moyeux 38 a et 38 La base 33 a de support étant placée à la même dis- tance de l'extrémité 23 a de sortie du tube 21 a que ne l'est la base correspondante 33 de support du corps 20 par rapport à l'extrémité 23 de sortie, un espace est ménage en aval du moyeu 38 a pour permettre à ce dernier de se déplacer le long de l'axe 36 a. Dans cette forme de réalisation du débitmêtre selon l'invention, l'ensemble 30 a à turbine occupe la même position par rapport à l'extrémité 22 a d'entrée du corps 20 a que celle occupée par l'ensemble 30 à turbine par rapport au corps 20 de la forme préférée 10 de réalisation lorsque le débit d'écoulement est nul Dans la forme de réalisation 10 a, un élément supplémentaire, se présentant sous la forme d'un ressort 51 de compression, est disposé dans la cavité 42 a et intercalé entre la bille 47 a d'appui et l'extrémité amont de la cavité 42 a Ce ressort de compression est conçu de manière à pouvoir résister à un mouvement de l'ensemble a à turbine vers l'aval sur une distance suffisante pour permettre aux repères numériques 32 a, formés de façon héli- coidale sur l'échelle cylindrique 31 a, d'être lus en regard d'un trait de référence (invisible sur la figure 4), situé sur la surface du tube transparent 21 a, en cas de débits d'écoulement supérieurs à celui provoquant une rotation de l'ensemble 30 a à turbine sur plus de 360 . La partie cylindrique extérieure 41 a du moyeu 38 a étant plus éloignée de la base 33 a de support, comme indiqué ci-dessus, il est nécessaire que le pied 49 a soit plus long que le pied 49 de la forme préférée de réalisation 10 Il convient de noter que pour permettre à l'ensemble 30 a à moyeu de se déplacer axialement vers l'aval, il est nécessai- re que le ressort 44 a de torsion fléchisse quelque peu vers l'aval En fléchissant ainsi, le ressort 44 a de torsion aide réellement le ressort 51 de compression à rappeler l'ensemble 30 a à turbine contre le mouvement axial vers l'aval résultant des débits d'écoulement élevés L'effet, quel qu'il soit, de la flexion vers l'aval du ressort 44 a de torsion sur l'ensemble 30 a à turbine est résolu, de même que celui du ressort 51 de compression, lors de l'étalonnage du débitmètre. Il convient également de noter qu'un mouvement angulaire supérieur à 3600 peut être étalonné sur une échelle dont les repères numériques sont disposés en hélices, comme c'est le cas dans la variante l Oa, sans utilisation d'un res- sort de compression tel que le ressort 51 de cette forme de réalisation, simplement par changement de la longueur du tube transparent 20 et du pied 49 de la forme préférée de réalisa- tion 10 et par utilisation seule d'une flexion vers l'aval du ressort 44 a de torsion pour assurer le rappel approprié contre le mouvement axial vers l'aval de l'ensemble 30 à turbine Une autre modification permettant d'éviter les pro- blèmes résultant de la flexion d'un ressort plat de torsion consiste à laisser au pied 49 sa longueur initiale et à rem- placer le ressort plat de torsion par un ressort de torsion de forme hélicoidale ou conique dont la base est orientée vers l'aval Un ressort hélicoïdal de torsion plus plat peut également être utilisé dans la forme de réalisation l Oa, la longueur du pied 49 a étant réglée en conséquence. La figure 5 représente globalement en l Ob une autre variante du débitmètre selon l'invention et, de même que pour la forme de réalisation 10 a, seuls les éléments qui diffèrent de façon fonctionnelle et importante par rapport à ceux mentionnés précédemment seront décrits. Cette autre forme de réalisation permet l'étalonnage sur une rotation angulaire de plus de 360 de l'ensemble 30 b à turbine Dans la forme de réalisation l Ob, la cavité 42 b est taraudée à un pas égal à l'écartement souhaité des seg- ments annulaires de repères numériques 32 b disposés en héli- ces sur l'échelle cylindrique 31 b L'axe 36 b est d'un diamè- tre correspondant à celui de la cavité 42 b et il est fileté à un pas lui permettant d'être vissé dans la cavité 42 b, sa longueur étant telle qu'un mouvement axial approprié de l'en- semble 30 b à turbine est possible entre la position de débit d'écoulement nul et la position correspondant au débit d'écoulement le plus élevé Dans la variante l Ob, le ressort 51 b de compression entoure l'axe fileté 36 b et son extrémité aval est retenue par une bague 52 montée sur une structure 33 b de support, alors que son extrémité amont est retenue par une bague 53 montée sur l'extrémité aval du moyeu 38 b, à pro- ximité et autour de la cavité 42 b Les aubes 39 b de l'ensem- ble à turbine 30 b ont un pas qui correspond à celui du file- tage de l'axe 36 b afin de vaincre l'inertie de l'ensemble b à turbine Le ressort 51 b de compression, en association avec le vissage de l'ensemble 30 b à turbine sur l'axe fileté 36 b, permet l'étalonnage et la mesure de débits d'écoulement sur une course hélicoldale telle que les mouvements angulai- res et axiaux de plus de 360 de l'ensemble 30 b à turbine sont possibles Bien que la forme de réalisation l Ob utilise une turbine, de même que les deux autres formes de réalisa- tion de l'invention décrites dans le présent mémoire, son mouvement de rotation repose sur le vissage de l'axe 36 b dans la cavité 42 b, et non sur l'ensemble 30 b à turbine. Par conséquent, des organes autres qu'une turbine, sensi- bles au débit d'écoulement d'un fluide à travers le débit- mètre, peuvent être utilisés, la turbine ayant pour fonction de vaincre l'inertie et le frottement le long des filetages. Il convient également de noter que les deux va- riantes 10 a et 10 b peuvent être réalisées afin d'être lues suivant une échelle hélicoïdale comportant tous nombres quel- conques de segments annulaires, sur plus de 3600, bien qu'une échelle correspondant à deux tours seulement soit représentée sur les figures 4 et 5 Il est également bien cornu de l'home de l'art que des structures magnétiques, électroniques ou autres peuvent être utilisées à la place des ressorts pour assurer le rappel de la turbine dans le dêbitmètre de l'in- vention. Il va de soi que de nombreuses nlodc-tca-ticns peu- vent être apportées au débitmètre décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. 2 504259 il REVENDICATIONS 1 Débitmètre à fluide, caractérisé en ce qu'il comporte un élément ( 30) monté sur une structure ( 33) de support qui est fixée à l'intérieur d'un corps ( 20) pré- sentant des extrémités d'entrée ( 22) et de sortie ( 23), de manière que cet élément ( 30) puisse se déplacer sous l'effet du débit d'écoulement d'un fluide dans le corps, un élément ( 44) destiné à rappeler l'élément sensible au débit d'écoulement en sens opposé à celui du mouvement pro- duit par l'écoulement du fluide, et des moyens destinés à déterminer le déplacement de l'élément sensible au débit d'écoulement. 2 Débitmètre selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la structure de support comprend un axe ( 36) et en ce que l'élément sensible au débit d'écoulement com- prend une turbine ( 30) montée sur cet axe afin de pouvoir tourner de façon que le débit d'écoulement puisse être trans- formé en un déplacement angulaire pouvant atteindre 360 de la turbine. 3 Débitmètre selon la revendication 2, caracté- risé en ce que l'élément sensible au débit d'écoulement comprend une turbine ( 30 a) qui est montée sur l'axe ( 36 a) afin de pouvoir se déplacer axialement de façon que le débit d'écoulement puisse être transformé en un déplacement angu- laire de plus de 3600 de ladite turbine. 4 Débitmètre selon la revendication 3, caracté- risé en ce que l'élément de rappel comprend un ressort ( 51) de compression intercalé entre la turbine et la structure de support. Débitmètre selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la structure de support comprend un axe fi- leté ( 36 b) et en ce que l'élément sensible au débit d'écou- lement comporte une âme centrale ( 38 b) qui présente un file- tage intérieur ( 42 b) correspondant au filetage de l'axe afin que le débit d'écoulement puisse être transformé en un mou- vement angulaire de plus de 360 dudit élément sensible au débit d'écoulement. 6 Débitmêtre selon la revendication 5, caracté- risé en ce que l'élément sensible au débit d'écoulement com- prend en outre une turbine ( 30 b). 7 Débitmètre selon l'une quelconque des revendi- cations 1, 2, 3, 4, 5 et 6, caractérisé en ce que les moyens déterminant le déplacement comprennent une partie transparen- te ( 21) du corps. 8 Débitmètre selon la revendication 6, caractéri- sé en ce que les moyens déterminant le déplacement comprennent en outre un trait ( 15) de repère porté par la partie transpa- rente du corps. 9 Débitmètre selon la revendication 7, caracté- risé en ce que les moyens déterminant le déplacement com- prennent en outre des moyens ( 32) montés sur l'élément sen- sible au débit d'écoulement afin d'afficher des débits d'écou- lement comparatifs. 1 O.Débitmètre selon la revendication 2, caractéri- sé en ce que les moyens d'affichage de débits d'écoulement canparatifs comprennent une échelle cylindrique ( 31) coaxiale à l'élément sensible au débit d'écoulement. 11 Débitmètre selon l'une quelconque des reven- dications 3, 4, 5 et 6, caractérisé en ce que les moyens dé- terminant le déplacement comprennent en outre des moyens portés par l'élément sensible au débit d'écoulement afin de permettre une lecture de débits d'écoulement comparatifs. 12 Débitmètre selon la revendication 11, carac- térisé en ce que les moyens permettant une lecture de débits d'écoulement canparatifs comprennent une échelle hélicoïdale ( 31 a, 31 b) coaxiale à la turbine. 13 Débitmètre selon l'une quelconque des reven- dications 2, 3, 4, 5 et 6, caractérisé en ce que le corps ( 20)est cylindrique et coaxial à l'élément sensible au débit d'écoulement. 14 Débitmètre selon l'une des revendications 2 et 4, caractérisé en ce que l'élément de rappel est un res- sort ( 44) de torsion fixé par son extrémité périphérique ( 48) à l'intérieur du corps et par son extrémité centrale ( 43) à la turbine.