Brevet FR2503355A1 — publié le 19821008

La présente invention se rapporte à une turbine de mesure comportant un rotor qui est disposé à l'intérieur d'un canal d'écoulement de fluide de façon que son axe s'étende dans le sens du courant et dont la vitesse de rotation est mesurée par un capteur d'impulsions inductif. Des débitmètres de ce type sont déjà connus et appartiennent au groupe des compteurs volumétriques à mesure indirecte. Ces débitmètres fonctionnent selon le principe du compteur à roue de Woltmann et servent à la mesure précise d'un courant volumétrique momentané ainsi qu'à la mesure vo- lumétrique de liquides. Une roue de turbine, roue à aubes ou à ailettes, de faible masse est montée, de façon centrée, à l'intérieur d'un corps tubulaire et est soumise à un courant axial. Le fluide dont le débit doit être mesuré est régularisé par un redresseur de courant et arrive sur la roue à ailettes ou à aubes sous forme d'un courant sensiblement laminaire. La vitesse de rotation de la roue à ailettes est alors proportionnelle à la vitesse d'écoulement moyenne et correspond de ce fait, dans une large plage, au volume passant. La vitesse de rotation est mesurée de préférence, sans effet rétroactif, par un capteur inductif traversant le corps tubulaire en matière non magnétique. Le nombre des impulsions par unité de temps est proportionnel au courant volumétrique momentané et la vitesse de rotation de la roue à ailettes n'est pas influencée par la mesure des impulsionE par voie inductive même en cas de courant volumétrique minimum. Les déperditions hydrauliques dépendent cependant de la visco- sité du fluide et de l'indice de Reynold. Afin de conserver ou d'augmenter l'effet maximum, c'est-à-dire la plage de mesure étendue du compteur, on choisit pour la réalisation des paliers des matières de qualité et d'un faible coefficient de frottement et on diminue la masse des aubes ou ailettes en vue de réduire au maximum le couple de freinage. Ces améliorations se répercutent également sur la caractéristique de la courbe d'erreurs. De tels perfection- nements sont cependant tributaires, dans une large mesure, de l'angle des aubes ou ailettes par rapport à l'axe du rotor ainsi que du nombre des ailettes étant donné que ces facteurs déterminent également la vitesse périphérique de la roue de turbine. Les tendances visant à perfectionner les débitmètres à turbine connus en vue d'obtenir un appareil de mesure de grande précision sont à l'origine de perfectionnements se rapportant notamment à la forme de réalisation des aubes ou ailettes. On connaît par exemple des formes de réalisation dans lesquelles les ailettes créent deux pas différents, c'est-à-dire qu'elles présentent une pente plus prononcée dans la partie avant que dans la partie arrière de la roue de turbine. De ce fait, on obtient un plus grand effet de charge et des vitesses de rotation même pour de faibles débits permettant d'abaisser la limite inférieure des plages de mesure. Afin de ne pas atteindre des régimes de vitesse de rotation trop élevés pouvant provoquer une plus grande usure, les ailettes au niveau de la partie arrière de la roue de turbine sont réalisées de façon à présenter une plus faible pente créant l'effet compensateur nécessaire. Une réduction de la vitesse de rotation de la roue à ailettes à l'intérieur de la plage de débits relativement faibles agit sur la caractéristique de la courbe d'erreurs de façon que celle-ci peut être moins incurvée ce qui permet soit de réduire la limite des erreurs soit d'élargir la plage de mesure selon qu'on veut déplacer ou conserver la position de la limite zéro. Lors du processus de mesure la paroi de l'enveloppe renfermant le rotor agit sur le mouvement de rotation. A proximité immédiate de la paroi de l'enveloppe le liquide à mesurer se trouve à l'état de repos tandis qu'il présente une vitesse de rotation élevée au niveau de la périphérie de la roue à ailettes. En conséquence, le fluide présente un mouve- ment relatif également dans le sens périphérique de la roue à ailettes. Lorsque cette composante de vitesse périphérique du courant est influencée par des moyens appropriés, la vitesse de rotation momentanée de la roue de turbine se trouve modifiée. Par les calculs fondamentaux déterminant le rapport qualitatif des compteurs à turbine il est connu qu'il se produit un glissement du rotor qui diminue proportionnellement au carré du débit. Un tel glissement se produit par exemple lors de la rotation de cylindres à l'intérieur d'enveloppes dont la paroi intérieure ne délimite avec le cylindre qu'une fente étroite, mais également lors de la rotation d'aubes ou d'ailettes à proximité de la paroi d'une enveloppe. Il est déjà connu de tirer profit de ces phénomènes pour réaliser des compteurs à turbine à compensation de viscosité. Dans ce cas, le courant est situé dans la zone appelée laminaire-turbulente et présentant un glissement de 1/Re, Re représentant l'indice de Reynold. Diverses autres influences se superposent cependant à l'effet produit par ce glissement et diminuent proportion- nellement au carré du débit de façon à créer dans la pratique une pente négative de courbe d'erreurs (voir fig. 3 courbe en trait interrompu après le maximum). La présente invention a pour objet de réduire le maximum de la courbe d'erreurs par un glissement supplémentaire défini, réglable et présentant des propriétés analogues à celles décrites pour une roue de turbine disposée à l'intérieur d'un canal d'écoulement du corps de l'appareil de mesure. En créant un glissement de ce type, on peut agir sur la vitesse de rotation d'un rotor de turbine de façon qu'il soit possible soit d'améliorer en pourcentage l'écart de la caractéristique d'erreurs, soit d'élargir la plage de mesure pour des débits plus importants. L'invention a également pour objet d'indiquer des moyens permettant de créer un glissement supplémentaire, défini et réglable. Les problèmes exposés ci-dessus sont résolus con- formément à l'invention par une turbine de mesure qui est caractérisée en ce que l'espace annulaire délimité par la paroi du canal d'écoulement et la circonférence de la roue de turbine n'est pas réalisé uniformément. Grâce à cette caractéristique il est possible de freiner dans le sens péri- - 4 phérique, la composante de vitesse créée par le passage du liquide sur le rotor ce qui a pour effet de réduire la vitesse de rotation de ce dernier. Ce résultat peut être obtenu conformément à l'inven- tion en disposant l'axe portant la roue de turbine de façon excentrée par rapport au canal d'écoulement. Suivant une autre forme de réalisation de l'invention la paroi du canal d'écoulement est réaliséesous une forme irrégulière au niveau de la circonférence de la roue de tur- bine. Dans une forme de réalisation suivant l'invention, des corps de guidage de courant s'étendant dans le sens de l'axe de la turbine sont prévus à cet effet dans la paroi du canal d'écoulement et en face de la roue de turbine. Ces corps de guidage sont formés par des tôles de guidage, des bourrelets ou des rainures axiales. Il est également possible de combiner ces moyens. Dans une autre forme de réalisation suivant l'inven- tion, la paroi de l'enveloppe délimitant le canal d'écoule- ment présente en regard de la roue de turbine au moins un 29 alésage dont la profondeur effective peut être modifiée. Dans cet alésage est monté de préférence, un capteur de mesure inductif qui peut être vissé plus ou moins profondément. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Une forme de réalisation de l'objet de l'invention est représentée, à titre d'exemple non limitatif, aux dessins annexés. La fig. 1 montre, en coupe longitudinale, une turbine de mesure. La fig. 2areprésente un capteur de mesure inductif avec sa partie filetée. La fig. 2b montre, en coupe, un alésage pratiqué dans le corps de l'appareil de mesure pour le montage du capteur de mesure inductif. La fig. 3 représente la courbe d'erreurs caractéris- tique pour un appareil de mesure suivant l'invention en com- paraison à une courbe d'erreurs d'un appareil de mesure sem- blable mais réalisé conformément à l'état de la technique connu. La fig. 1 montre, en coupe longitudinale, une turbine de mesure en grandeur réelle. Le corps de l'appareil délimite un canal d'écoulement 15 de section circulaire et présente une entrée 16 et une sortie 17 munies d'un taraudage. La flèche 13 indique le sens d'écoulement du fluide à mesurer. Immédiatement derrière le raccord d'alimentation le canal d'écoulement 15 contient un redresseur de courant 18 comprenant par exemple six tôles de guidage qui, sur le côté entrée, sont fixées à une bague 30 et qui servent en même temps au maintien de l'axe 2 du rotor. Afin de réduire la formation de turbulen- ces un corps hydrodynamique 19 est prévu sur l'extrémité de l'axe 2 en regard de l'entrée 16. D'autres corps hydrodynami- ques 20, 21 et 22 sont disposés en amont et en aval de la roue à ailettes 4 ainsi que sur l'extrémité de l'axe 2 en regard de la sortie 17. Le corps hydrodynamique 20 est réalisé de façon que le liquide s'écoulant en direction de la roue à ailettes arrive dans la zone des ailettes. Un autre ensemble de tôles de guidage 23 servant également au redressement du courant, est prévu immédiatement derrière le corps hydrodyna- mique 21. Le corps 14 de l'appareil de mesure présente des alésages 26, 27 obturés par des capuchons 28, 29 et qui servent au montage d'indicateurs de pression ou de température. Les alésages 26, 27 prévus pour le montage de ces capteurs débouchent respectivement au niveau des redresseurs de courant 18 et 23 afin d'éliminer toute influence sur la roue de turbine 4. La paroi 40 du canal d'écoulement 15 présente un alésage 24 qui est réalisé en regard de la roue de turbine 4. Dans l'alésage 24 est monté un capteur de mesure inductif qui peut être vissé plus ou moins profondément. Une forme de réalisation d'un capteur inductif est illustrée à la fig. 2a tandis que la fig. 2b montre, à plus grande échelle que la fig. 1 l'alésage 24 prévu dans la paroi du corps 14. La fig. 3 représente en trait plein la courbe d'erreurs caractéristique du débitmètre suivant l'invention en comparaison à la courbe d'erreurs caractéristique, en trait interrompu, d'un débitmètre appartenant à l'état connu de la technique. Comme cela ressort de l'allure de la courbe, il est possible de réduire de façon importante le maximum de la cour- be d'erreurs en faisant varier par vissage la profondeur de pénétration du capteur inductif 25, la réduction étant la plus importante lorsque l'alésage 24 présente sa profondeur effec- tive maximale par suite d'un dévissage partiel du capteur inductif. Grâce à la présence de l'alésage 24 dans la paroi du corps, on crée des forces de freinage qui agissent de façon excentrée sur la roue de turbine. Lors de l'augmenta- tion de la vitesse de rotation de la roue à ailettes, la diminution de l'effet de cisaillement se produisant à l'inté- rieur de la fente annulaire 42 augmente également et crée par suite d'une formation de turbulences, un effet de freinage qui est fonction de la vitesse de rotation de la roue à ailettes. Comme cela ressort de la fig. 3 en considérant l'allure de la courbe entre son début et son maximum, la vitesse de rotation maximale initiale de la roue à ailettes est réduite proportionnellement à l'augmentation de l'effet de freinage agissant sur la roue à ailettes. L'effet de freinage permet de réduire l'écart mesuré en pour cent par exemple de plus 1 % à plus 0,5 %. Si on admet par exemple un écart de 1 %, on peut déplacer la ligne de zéro afin d'aug- menter la plage de mesure pour des débits plus importants. Lorsqu'il n'est pas nécessaire d'élargir la plage de mesure on peut augmenter la précision de la turbine de mesure en réduisant le pourcentage de l'écart. De ce fait, on obtient pour une même plage de mesure une plus grande précision, comme le montre d'ailleurs la fig. 3. L'appareil de mesure peut être ajusté et étalonné en modifiant la profondeur effective de l'alésage 24 par suite d'un léger vissage ou dévissage du capteur inductif 25 de façon à pouvoir déterminer la ligne de zéro pour un écart connu de la caractéristique d'erreurs. La précision ou l'allure de la caractéristique d'erreurs en ce qui concerne son maximum peut être modifiée à volonté par un réglage approprie du capteur de mesure inductif 25. REVEND ICAT IONS 1 - Turbine de mesure comportant un rotor qui est disposé à l'intérieur d'un canal d'écoulement de fluide de façon que son axe s'étende dans le sens du courant et dont la vitesse de rotation est mesurée par un capteur d'impulsions inductif, caractérisée en ce que l'espace annulaire (42) déli- mité par la paroi (40) du canal d'écoulement (15) et la circonférence de la roue de turbine (4) n'est pas réalisé uniformément. 2 - Turbine de mesure suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la paroi intérieure (40) du corps délimitant le canal d'écoulement (15) n'est pas réalisée uniformément au niveau de la zone périphérique de la roue de turbine (4). 3 - Turbine de mesure suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'axe (2) de la roue de turbine (4) est disposé de façon excentrée par rapport au canal d'écoulement (15). 4 - Turbine de mesure suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que des corps de guidage de courant s'étendant dans le sens de l'axe (2) de la turbine sont dispo- sés dans la paroi (40) délimitant le canal d'écoulement (15) et en regard de la roue de turbine (4). - Turbine de mesure suivant la-revendication 4, caractérisée en ce que les corps de guidage de courant sont constitués par des tôles de guidage, des bourrelets ou des rainures axiales. 6 - Turbine de mesure suivant l'une des revendica- tions 1 et 2, caractérisée en ce que paroi (40) du canal d'écoulement (15) présente, en regard de la zone périphéri- que de la roue de turbine (4) au moins un alésage (24) dont la profondeur effective peut être réglée. 7 - Turbine de mesure suivant la revendication 6, caractériséeen ce qu'un capteur de mesure inductif (25) est monté dans l'alésage (24) de façon à pouvoir pénétrer plus ou moins profondément dans cet alésage (24).