Brevet FR2509867A1 — publié le 19830121

Procédé et dispositif de mesure de débits, notamment de débits variables La présente invention concerne un procédé et un dispositif de mesure de débits, notamment variables, en particulier aussi dans le cas de processus hautement transitoires ainsi que dans les écoulements pulsatoires. La présente invention se rapporte notamment à un procédé de mesure de la vitesse, du débit-masse et du débit-volume d'un écoulement compressible, notamment aussi dans le cas de processus hautement transitoires, à l'aide d'appareils de prise de pression très sensibles, placés dans la conduite parcourue par le fluide. La présente invention concerne également un dispositif destiné à la mise en oeuvre dudit procédé. Pour mesurer le débit et la vitesse des écoulements on connaît un grand nombre de types de débimètres. Abstraction faite des débimètres qui comportent des dispositifs de comptage ou de mesure mis en mouvement mécaniquement, il existe des appareils qui utilisent, comme mesure du débit, la différence de pression entre deux points situés à des endroits où le système de conduites présente des diamètres différents. Le tube venturi est un exemple connu de ce mode de mesure. Or, tous ces appareils de mesure ne conviennent pas pour fournir des résultats précis dans le cas des processus hautement transitoires, c'est à-dire.lorsque le débit varie rapidement par unité de temps. La demande de brevet allemand 28 53 083 décrit un dispositif de mesure qui convient aussi pour les débits subissant de fortes variations.Dans ce cas, un émetteur et un récepteur d'ultrasons sont disposés l'un derrière l'autre dans le sens de l'écoulement, à l'intérieur d'un tube. Par comparaison des phases des ondes provenant de l'émetteur avec les ondes de signalisation produites par le récepteur, on obtient l'information voulue sur la vitesse d'écoulement et sur le débit, mais ce dispositif nécessite l'utilisation d'un émetteur d'ultrasons, ce qui peut entraîner la mise en oeuvre de moyens supplémentaires et une sensibilité aux perturbations. La présente invention a par conséquent pour objet de mettre au point un procédé et un dispositif destinés aux mesures de débit, qui permettent d'éviter les inconvénients des systèmes de mesure connus jusqu'à présent et qui ne nécessitent pas l'introduction de signaux supplémentaires. De plus, aucune pièce à mouvement mécanique ne doit être disposée dans l'écoulement. Néanmoins, la vitesse, le débit-masse et le débit-volume doivent être mesurés avec une grande précision, notamment dans le cas de processus hautement transitoires. La présente invention permet de résoudre ce problème par le fait que la pression est mesurée à des intervalles de temps A t identiques en au moins deux points de la conduite parcourue par le fluide, ces points se succèdant dans le sens de l'écoulement. L'intervalle de temps At entre deux mesures est inférieur ou égal au quotient obtenu en divisant la distance L entre les appareils de prise de pression par la vitesse du son c. Les valeurs mesurées au moment t sont traitées, dans chaque cas, à l'aide des résultats des mesures effectuées au moment t - At, par une installation électronique de traitement des données, en vue de la résolution de l'équation d'écoulement non stationnaire de fluides compressibles. On traite habituellement les liquides entant que fluides non compressibles et à écoulement stationnaire, ce qui donne lieu à différentes simplifications dans les équations d'écoulement et dans la théorie relative aux appareils de mesure à utiliser. Cependant, dans les processus hautement transitoires, cette approximation n'est pas acceptable sans autres précautions, car elle conduit à des erreurs considérables du fait que les termes non stationnaires sont négligés dans les équations d'écoulement. On peut démontrer que, dans ce cas, la mesure de la pression en deux points qui se succèdent dans le sens de l'écoulement et sont situés dans la conduite parcourue par le fluide suffit en tant qu'information pour la détermination de tous les paramètres significatifs de l'écoulement, lorsque les mesures de la pression sont effectuees à un rythme préétabli avec un intervalle de temps Et. L'intervalle de temps At entre deux mesures doit alors être inférieur ou égal au quotient obtenu en divisant la distance L entre les appareils de prise de pression par la vitesse du son c.A l'aide d'une installation électronique de traitement des données, et en utilisant les résultats des mesures effectuées au moment t - At, on peut, à partir des valeurs de pression mesurées au moment t, résoudre l'équation d'écoulement non stationnaire de fluides compressibles. Ce procédé ne nécessite pas l'emploi de géné- rateur de son supplémentaire ; il se sert des variations de la pression qui existent, en tout état de cause, dans un écoulement variable. Il est par conséquent d'une précision particulière dans le cas des processus hautement transitoires et des écoulements pulsatoires.En outre, il ne nécessite pas la présence d'éléments incorporés sur le trajet de l'écoulement, ni n'impose des modifications de la section d'écoulement, ce qui supprime complètement le risque habituel d'un encrassement du dispositif de mesure faussant en conséquence les valeurs mesurées. Les applications prévues de ce procédé sont notamment les mesures relatives à l'alimentation en carburant, dans le cas des différents systèmes d'entrainement, les mesures relatives au flux sanguin dans le domaine médical, et d'autres cas similaires. Des difficultés peuvent intervenir dans quelques applications, lorsque la vitesse du son c varie dans le fluide en écoulement, par suite de différents facteurs. La vitesse du son c peut, par exemple, être influencée par des variations de la densité ou de la température. Cette influence peut être éliminée par un calcul de correction après détermination de la température et de la densité. Il est cependant beaucoup plus avantageux, selon une autre caractéristique de la présente invention, d'utiliser des dispositifs supplémentaires de mesure permettant de déterminer la vitesse du son c dans le fluideen écoulement, à des intervalles de temps pouvant être préétablis, et par voie directe. Le rythme ou l'intervalle de temps At est réétalonné en fonction de la vitesse du son c mesurée. L'installation électronique de traitement des données met ensuite en mémoire la valeur effective de la vitesse du son c au moment donné, qui sert de constante pour la résolution des équations d'écoulement. La vitesse du son c peut à nouveau, le cas échéant, permettre de déterminer d'autres paramètres du fluide en écoulement. Selon une autre caractéristique de la présente invention, une mesure de la pression est effectuée, à des intervalles de temps At, en trois points de la conduite parcourue par le fluide, points qui se succèdent dans le sens de l'écoulement. La valeur de pression mesurée supplémentaire, en combinaison avec les deux autres, peut servir à améliorer la précision et notamment à déterminer la vitesse du son dans l'installation électronique de traitement des données. Etant donné que, théoriquement, trois mesures de la pression effectuées en différents points de la conduite parcourue par le fluide permettent une surdétermination des équations d'écoulement, on peut, de cette manière, calculer en outre la vitesse du son. Selon les exigences et les approximations admises dans les équations d'écoulement, cette triple mesure de la pression permet aussi de déterminer la précision des mesures et les facteurs perturbateurs. -Une autre caractéristique de la présente invention propose un procédé particulièrement simple pour la détermination de la vitesse, du débit-masse et du débit-volume dans un écoulement non stationnaire et compressible, pro cédé selon lequel les valeurs intermédiaires Pg et au moment t, lesquelles sont indispensables pour le calcu] de la vitesse, du débit-masse et du débit-volume, sont déterminées, de façon récurrente, lors de chaque signal d'horloge, à partir des valeurs précédentes p g et Pd déterminées au moment (t - art), ceci selon les expressions suivantes Pg (x1 t) = p(x1, t) Pd(X2 t - At) - p0 Pd (x2, t) = p(x2, t) - pg(x1, t - ht) - pO avec les conditions initiales p g (x, t) = O, pd(X, t) = O et pO = pression initiale dans le système, les indices g et d désignant respectivement une onde venant de gauche et de droite, dont la superposition fournit la valeur totale de la pression et de la vitesse. Dans le cas de ce procédé, il est essentiel que les résultats souhaités soient obtenus non seulement à partir de la différence de pression effective existant à un moment donné entre deux instruments de prise de mesure, mais aussi notamment à partir de cette différence de pression en fonction du temps. L'exploitation des mesures de la pression est alors réalisée à l'aide de solutions analytiques des équations d'écoulement, ce qui permet d'éviter d'importantes opérations de calcul. La présente invention concerne aussi un dispositif destiné à la mise en oeuvre du procédé précédemment décrit il comprend plusieurs appareils de prise de pression très sensibles disposés dans la conduite parcourue par le fluide. Les appareils de prise de pression sont fixés au moins en deux points x1 et x2 espacés de la distance L, qui se succèdent dans le sens de l'écoulement. Le dispositif comprend, en outre, un générateur de rythme ou de signaux d'horloge, grâce à l'action duquel les valeurs de pression mesurées ne peuvent aboutir à l'installation électronique de traitement des données qu'à des intervalles de temps h t, la distance L étant > At x c. Ceci peut, par exemple, se faire à l'aide d'une porte ou d'un circuit ET. La condition qui exige que les appareils de prise de pression soient placés au moins en deux points se succédant dans le sens de l'écoulement découle du nombre de paramètres libres dans les équations d'écoulement. Cependant, pour des raisons de redondance, on peut fixer plusieurs appareils de prise de pression en chacun de ces deux points, ce qui permet d'améliorer la précision, de déterminer le degré de précision des mesures et de réduire la sensibilité des divers composants aux pannes et défaillances. Selon une autre caractéristique de la présente invention qui prévoit une telle disposition, plusieurs appareils de prise de pression sont répartis sur la périphé- rie de la conduite parcourue par le fluide, au point x1 ainsi qu'au point x2. La somme des valeurs mesurées par les appareils de prise de pression au point x1 et la somme des valeurs mesurées par les appareils de prise de pression au point x2 sont alors retransmises à l'installation électronique de traitement des données, à des intervalles de temps At. On pourrait évidemment aussi, selon les exigences auxquelles il convient de satisfaire du point de vue de la sécurité de fonctionnement et de la précision, procéder à plusieurs opérations de traitement des données et comparer ensuite les résultats obtenus. Une caractéristique additionnelle de la présente invention concerne un dispositif dans lequel un appareil de prise de pression supplémentaire au moins est logé en un point x3 situé en aval des points x1 et x2 dans le sens de l'écoulement. Les écarts entre ces trois points doivent être identiques, et donc l'écart entre x1 et x2 être égal à l'écart entre x2 et x3. Ce dispositif convient aussi pour déterminer continuellement la vitesse du son c pendant les mesures. Grâce à cette valeur mesurée supplémentaire de la pression, on peut déterminer un paramètre supplémentaire dans les équations d'écoulement, paramètre qui, dans le cas considéré, doit être la vitesse du son c. Mais ce procédé convient aussi pour la détermination précise d'autres grandeurs physiques dans un fluide en écoulement, telles que, par exemple, la température et la densité, que l'on peut obtenir par conversion à partir de la vitesse du son c. Une autre caractéristique de la présente invention propose de procéder, également pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, à un rétrécissement de la conduite entre x1 et x2, de telle sorte que le tronçon de conduite en x2 présente une section inférieure à celle du tronçon de conduite en x1. Cette condition, qui n'est pas impérative pour assurer un fonctionnement impeccable du dispositif selon la présente invention, peut améliorer la précision des mesures et, le cas échéant, permettre de limiter la longueur hors tout. Une autre caractéristique de la présente invention permet d'améliorer la précision des mesures, par le fait que le tronçon de conduite compris entre x1 et x2 est courbe, les appareils de prise de pression se trouvant sur le côté extérieur de la courbure. De cette manière, la différence de pression qui existe entre les deux points x1 et x2 se trouve elle aussi accrue, ce qui conduit à une plus grande précision des mesures. Toutefois, cette disposition est surtout rationnelle lorsque le procédé doit aussi être appliqué à des processus quasi stationnaires, auxquels il n'est pas destiné en premier lieu. Dans les lignes suivantes, la théorie des écoulements compressibles dans des conduites tubulaires sera encore une fois exposée brièvement sous forme d'approximation acoustique, telle qu'elle est nécessaire pour la compréhension du procédé selon la présente invention. Il convient de se réfdrer à la littérature technique relative à ce sujet pour un exposé plus détaillé. Dans ce qu'on appelle l'approximation acoustique ou linéaire (voir, par exemple, Landau, Lifschitz, Hydrodynamique, Akademie-Verlag, Berlin 1966), là solution des équations d'écoulement relatives à un écoulement compressible en conduite a la forme suivante p (x, t) = Pg (x - ct) + Pd (x + ct) + pO v (x, t) = i p9 (x - ct) - 6 Pd (x + ct) 5c expression dans laquelle p = pression pO = pression initiale dans le système v = vitesse (la vitesse initiale étant supposée = 0) x = coordonnée de lieu t = temps c = vitesse du son 6 = densité du fluide Lorsque deux appareils de prise de pression sont disposés dans la conduite en deux points x1 et x2 qui se succèdent à la distance L, on peut, à partir de leurs valeurs mesurées p(x1,t) et p(x2,t), ainsi que des conditions initiales pd(x,t) = O et Pg (x,t) = O, et pO = pression initiale dans le système = valeur mesurée au début du débit ou de l'écoulement, déterminer Pg(x1 - ct) et Pd(X2 + ct) Pg (X1 - ct) = p (x1tt) - Pd [X2 + c (t - L)1 -pO c Pd (X2 + ct) = p (x2,t) - Pg [x1 - c (t - L)j -pO c On obtient alors, par exemple, la vitesse en x1, à l'aide de l'expression v (x1 t) = 5c1 [Pg (X1 - ct) - Pd (X2 + c It On peut déterminer la vitesse en x2 de façon analogue. On constate que, pour déterminer la vitesse, il faut toujours disposer des valeurs effectives mesurées au moment donné, ainsi que, de plus, de grandeurs déterminées à partir des valeurs mesurées à un moment antérieur de t = L. CPar des modifications appropriées des expressions qui définissent pg et Pd, on peut, le cas échéant, prendre également en compte la baisse de pression due au frottemen dans le tube ou à des éléments installés dans ledit tube entre les deux points de mesure de la pression. On pourrait évidemment aussi exploiter les résultats des mesures à l'aide d'autres méthodes de résolution des équations d'écoulement, sous forme exacte ou linéarisd (par exemple à l'aide des méthodes par éléments finis ou des différences finies, les mesures de la pression étant effectuées à des intervalles de temps At : L et préalablement introduites dans les calculs comme cConditions limites. Dans le procédé selon la présente invention ce sont pour l'essentiel, des variations des gradients axiaux de la pression qui sont mesurées, lesquelles provoquent l'accélération du fluide en vertu de l'équation d'écoulement. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée d'un mode de réalisation pris comme exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel - la figure 7 est une vue schématique d'un dispositif destiné aux mesures de débit - la figure 2 est une vue d'un exemple de réalisation pour l'installation de plusieurs appareils de prise de pression en un point de la conduite ; et - la figure 3 est une vue de la disposition de trois appareils de prise de pression qui se succèdent à des distances identiques dans le sens de l'écoulement. La figure 1 représente une conduite 1 parcourue par un liquide. Deux manomètres 2, 3, qui peuvent, par exemple, être constitués par des piézocristaux, sont disposés, en contact avec le liquide, en deux points x1 et X2 et espacés de la distance L. Grâce à l'action d'un gé nérateur de rythme ou de signaux d'horloge 4, les valeurs de pression mesurées par les appareils de prise de pression ne peuvent aboutir à une installation électronique de traitement des données 6, par l'intermédiaire des portes ET 5, qu'à des intervalles de temps bien définis At. L'installation électronique de traitement des donnees résout les équations d'écoulement selon l'un des procédés précédemment mentionnés et fournit ainsi les valeurs mesurées pour la vitesse, le débit-masse et le débit-volume, lesquelles sont affichées sur les indicateurs 7, 8 et 9. Pour des raisons de redondance ou pour améliorer la précision, les appareils de prise de pression installés aux points x1 et x2 peuvent aussi être constitués par plusieurs appareils de prise de pression répartis sur la périphérie de la conduite parcourue par le fluide. La figure 2 indique une disposition possible de ces appareils de prise de pression multiples. Dans ce cas, les appareils de prise de pression 21, 22, 23 et 24 sont répartis sur une zone périphérique du tube 11. Selon les exigences relatives à la sécurité et à la précision, auxquelles le dispositif de mesure doit satisfaire, on peut alors former la somme de ces valeurs de pression mesurées avant de procéder à un traitement ultérieur, ou-bien on peut prévoir plusieurs systèmes de traitement des données séparés, ce qui peut être impératif lorsque les exigences relatives à la sécurité sont plus rigoureuses. La figure 3 représente un dispositif qui comporte trois appareils de prise de pression 32, 33 et 34 qui se succèdent dans le sens de l'écoulement dans la conduite 31. Les appareils de prise de pression se trouvent aux points X1, x2 et x3, qui sont espacés les uns des autres de la distance L. Cette disposition convient pour un réétalonnage de la vitesse du son, pour les cas où la température ou la densité du liquide subissent des variations assez fortes. REVENDICATIONS 1.- Procédé de mesure de la vitesse, du débit-masse et du débit-volume d'un écoulement compressible, notamment aussi dans le cas de processus hautement transitoires, à l'aide d'appareils de prise de pression très sensibles, placés dans la conduite parcourue par le fluide, caractérisé en ce que a) la pression est mesurée à des intervalles de temps At identiques en au moins deux points de la conduite parcourue par le fluide, ces points se succédant dans le sens de l'écoulement b) l'intervalle de temps At entre deux mesures est inférieur ou égal au quotient obtenu en divisant la distance L entre les appareils de prise de pression par la vitesse du son c c) les valeurs mesurées au moment t sont traitées, dans chaque cas, à l'aide des résultats des mesures effectuées au moment t - At, par une installation électronique de traitement des données, en vue de la résolution de l'équation d'écoulement non stationnaire de fluides compressibles. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que a) des dispositifs de mesure supplémentaires permettent de déterminer la vitesse du son c dans le fluide en écoulement, à des intervalles de temps pouvant être préétablis b) le rythme ou l'intervalle de temps At est réétalonné en fonction de la vitesse du son c mesurée c) l'installation électronique de traitement des données met ensuite en mémoire la valeur effective de la vitesse du son c au moment donné, qui sert de constante pour la résolution des équations d'écoulement 3.- Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que :: a) une mesure de la pression est effectuée, à des intervalles de temps At, en trois points de la conduite parcourue par le fluide, points qui se succèdent dans le sens de l'écoulement b) la valeur de pression mesurée supplémentaire, en combinaison avec les autres, sert à déterminer la vitesse du son dans 11 installation électronique de traitement des données. 4.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les valeurs intermédiaires pg et Pd au moment t, lesquelles sont indispensables pour le calcul de la vitesse, du débit-masse et du débit-volume, sont déterminées, de façon récurrente, lors de chaque signal d'horloge, à partir des valeurs précédentes pg et Pd déterminées au moment (t - A t), ceci selon les expressions suivantes Pg(1i t) = p(x1, t) - p(x2, Po pd(x2, t) = p(x2, t) - pg(x1, t - A t) - pO avec les conditions initiales p9(x, t) = O, pd(X, t) = O et pO = pression initiale dans le système. 5.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que a) plusieurs appareils de prise de pression (2, 3) très sensibles sont disposés dans la conduite (1) parcourue par le fluide b) les appareils de prise de pression sont fixés au moins en deux points x1 et x2 espacés de la distance L, qui se succèdent dans le sens de l'écoulement c) le dispositif comprend un générateur de rythme ou de signaux d'horloge (4), grâce à l'action duquel les valeurs de pression mesurées ne peuvent aboutir à l'installation électronique de traitement des données qu'à des intervalles de temps At, la distance L étant > At x c. 6.- Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que plusieurs appareils de prise de pression sont répartis sur la périphérie de la conduite parcourue par le fluide, au point x1 ainsi qu'au point x2. 7.- Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que a) un appareil de prise de pression supplémentaire (34) au moins est logé en un point x3 situé en aval des points x1 et x2 dans le sens de l'écoulement b) l'écart entre x1 et x2 est égal à l'écart entre X2 et X3. 8.- Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la conduite présente en x2 une section pluc faible qu'en x1. 9.- Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que a) le tronçon de conduite compris entre x1 et x2 est courbe b) les appareils de prise de pression se trouvent sur le côté extérieur de la courbure.