Brevet FR2511767A1 — publié le 19830225

L'invention concerne un appareil magnétique à induction pour la mesure du débit d'écoulement d'un liquide, alimenté par une source de courant continu, comprenant un organe récepteur avec tuyau traversé par le liquide en écoulement, et des moyens, comportant une bobine excitatrice pour la production d'un champ magnétique alternatif dans le liquide, ainsi que des électrodes sur lesquelles est prélevée une tension de mesure dépendant du débit, produite dans le liquide - Des appareils magnétiques à induction de mesure de débit sont connus sous des formes de réalisation diverses. Etant donné que des mesures avec des champs à courants continus conduisent à des erreurs importantes, on utilise des champs alternatifs, pour lesquels, dans certains modes de construction connus, l'organe de mesure de débit est connecté au réseau à tension alternative disponible L'inconvénient lié à ce procédé résidant dans la dépendance du réseau et de la fréquence fournie par celui-ci, est évité, dans certains modes de construction en prévoyant que le dispositif de mesure de débit est alimenté à partir d'une source de tension continue Il est alors nécessaire de prévoir des moyens qui permettent de produire un champ alter- natif à partir de la tension continue disponible. Dans des appareils de mesure connus, ces moyens consistent en une bobine excitatrice ainsi qu'un redresseur al- ternatif supplémentaire spécial, dont le signal de sortie est une tension alternative qui alimente la bobine excitatrice du dispositif récepteur Le champ magnétique alternatif ainsi pro- duit traverse le courant de liquide, et une tension de mesure dépendant du débit produite dans le liquide peut être prélevée sur les électrodes montées dans le tuyau d'écoulement. Les avantages d'un fonctionnement avec champ al- ternatif de ce genre résident en ce que la tension de mesure est également produite avec des fréquences relativement élevées et qu'on dispose en permanence d'une tension d'utilisation qui assure une dynamique satisfaisante du processus de mesure, c'est- à-dire que, même des variations de courte durée et d'apparition rapide, de la grandeur de mesure, peuvent être captées Ceci est par exemple important dans le cas o de très faibles quantités de liquide doivent être mesurées, telles que, par exemple, dans le cas d'opérations de dosage dans des installations avec dis- positif de dosage automatique. Des mesures avec des champs continus connectés présentent par contre l'inconvénient qu'un signal utilisable ne peut être exploité que lorsqu'un état oscillatoire du champ produit a été stabilisé En conséquence, le signal de sortie ne peut pas être utilisé en permanence pour la mesure Les avantages du fonctionnement avec champ alternatif sont contre-carrés par l'inconvénient résultant du fait que, pour la production des champs alternatifs, il est nécessaire, jusqu'à maintenant, de prévoir des convertisseurs alternatifs coûteux et volumineux, ce qui exige également une puissance relativement importante. La présente invention a pour but de réaliser un appareil de mesure de débit magnétique à induction, qui puisse être mis en service indépendante du réseau de distribution à tension alternative, et qui, en même temps, assure, la produc- tion d'un champ alternatif, permettant des mesures avec les avantages mentionnés plus haut, avec des moyens nettement plus simples et moins coûteux que les modes de construction actuel- lement connus. L'appareil de l'invention est caractérisé en ce que la production du champ magnétique alternatif est assurée au moyen de la bobine excitatrice du dispositif récepteur et d'un montage de circuit de commande. L'invention part du fait qu'il est possible d'évi- ter la prévision d'un convertisseur alternatif supplémentaire et du transformateur ou de bobines supplémentaires habituelle- ment nécessaires, si la bobine excitatrice est elle-même uti- lisée pour la production du champ alternatif, le montage de commande étant alors constitué de manière différente On peut alors réaliser un appareil unique comprenant le redresseur al- ternatif jusqu'à maintenant nécessaire et le dispositif de mesure de débit proprement dit L'ensemble d'appareil est alors moins coûteux et de manoeuvre plus facile et il peut être cons- titué de telle sorte qu'il nécessite une très faible puissance. Comme montage de commande, il est possible de prévoir un montage de mise en circuit, dans lequel est prévu un élément de connexion de commande qui est connecté avec la bobine excitatrice ou une partie de celle-ci Cet élément de connexion de commande provoque alors, à travers la bobine excitatrice ou une partie de celle-ci, un flux de courant périodique d'ou résulte un champ alternatif Comme élément de connexion de com- mande de ce genre, on peut avantageusement prévoir un transistor utilisé comme contacteur, étant déclenché avec une fréquence désirée pour le champ alternatif qui provoque en conséquence le flux de courant à travers la bobine avec cette même fréquence. Avantageusement, le montage de connexion de com- mande est réalisé sous la forme d'un montage à contact opposé, qui présente deux éléments de connexion de commande dont l'un d'eux est chaque fois raccordé à une extrémité de la bobine excitatrice, cette dernière étant pourvue d'une borne avec la- quelle elle est raccordée à un p 8 le de la source de tension continue, tandis que les éléments de connexion sont raccordés à l'autre p 8 îe de la source de tension continue et sontcommandés en cadence opposée De cette manière, le flux de courant est alternativement raccordé, à partir de la borne, vers l'une des deux extrémités de la bobine, de telle sorte que, suivant le sens d'enroulement et la direction du courant, il se produit, lors d'un changement des bobines excitatrices, un changement de la polarité du champ magnétique, et ainsi un champ alternatif, à l'aide des bobines excitatrices et du montage de commande. Les éléments de connexion réalisant la commande peuvent alors être à nouveau des transistors. Avantageusement, la bobine excitatrice est raccor- dée à un plot médian de branchement à la source de tension con- tinue L'avantage réside alors en ce que c'est chaque fois des courants identiques qui passent à travers les moitiés de bobines excitatrices formées avec le même nombre de-spires d'enroule- ment Ainsi, le montage est symétrique Avantageusement, les deux moitiés de bobines de la bobine excitatrice sont disposées sur des c 8 tés opposés se faisant face du tuyau de passage du liquide. Suivant un mode de réalisation particulièrement avantageux du montage de connexion à sens opposés, un condensa- teur est connecté entre les extrémités de la bobine excitatrice, ce condensateur formant, en commun avec la bobine, un circuit oscillant LC La fréquence de ce circuit oscillant, et ainsi la fréquence du champ magnétique alternatif produit, peut être choisie à volonté par dimensionnement approprié du condensateur. Les pertes du circuit oscillant produites dans le fer par la résistance ohmique de la bobine et par le courant tourbillon- naire sont compensées par le courant alimenté par la source de courant continu Lorsque l'allure dans le temps des courants passant à travers les deux éléments de commande du montage à sens opposés correspond chaque fois à une demi-onde sinusoïdale, le courant alimenté prend également une forme sinusoïdale, de sorte que l'allure dans le temps du champ alternatif produit est également sinusoïdale. Si la tension de la source de tension continue est relativement faible, comme cela est par exemple le cas lors d'emploi de batteries d'accumulateurs, il est nécessaire de prévoir des condensateurs de très haute capacité avec des fré- quences utilisables En conséquence, il est avantageux de pour- voir chaque moitié de la bobine excitatrice d'un plot de prise intermédiaire auquel est raccordé un élément de commande du montage de connexion de commande Les plats de prise intermé- diaires sont alors disposés symétriquement par rapport au plot médian La tension à ces plots intermédiaires peut être choisie à une valeur telle, qu'elle ne dépasse pas ou pas notamment la tension de la source de tension continue La tension à l'en- semble de bobine excitatrice et au condensateur peut être choisie par un nombre approprié de spires d'enroulement aussi grand qu'on le désire Mais avec un nombre croissant de spires, l'in- ductivité croit, de sorte que, pour une même fréquence, la capacité du condensateur est plus faible De tels condensateurs sont peu coûteux et disponibles dans le commerce La fréquence du champ alternatif produit par le condensateur et la bobine excitatrice est largement constant Un autre avantage réside en ce que de l'énergie extérieure doit être fournie simplement pour compenser les pertes du circuit oscillant. Le montage de commande peut être réalisé comme un montage à oscillateur, par exemple comme multivibrateur, de telle sorte que la fréquence du courant dans la bobine excita- trice est dépendante de la fréquence du montage oscillant Mais il est avantageux que le circuit oscillant formé par la bobine excitatrice et le condensateur détermine la fréquence Le mon- tage de commande est alors constitué, en commun avec la bobine et le condensateur, comme un montage auto-oscillant. Etant donné que la tension de mesure dépendante du débit circulant dans le tuyau possède des valeurs différen- tes pour les mêmes quantités de débit, lorsque l'amplitude du champ magnétique alternatif produit dans les bobines excitatrices subit des variations, il est judicieux de prendre des mesures pour le maintien d'un champ magnétique alternatif constant Cela peut être réalisé en prévoyant un montage à courant constant, avec lequel le courant à travers le montage de commande et la bobine excitatrice sera maintenu constant Il est cependant également avantageux de constituer le montage de commande lui- même de telle sorte, qu'il maintienne constant le courant déli- vré par la source de tension continue, couvrant les pertes du circuit oscillant formé par la bobine excitatrice et le conden- sateur Si les pertes sont constantes, on obtient, avec un cou- rant constant, un champ d'amplitude constante. L'invention est expliquée ci-après à l'aide d'exemples avec référence aux schémas de principe indiqués dans les dessins annexés, dans lesquels la figure 1 est un schéma de principe d'un mesureur de débit magnétique à induction conforme à l'invention, qui fonctionne à cadence unique. la figure 2 est un schéma analogue d'un mesureur de débit fonctionnant à contre-cadence. la figure 3 montre un autre exemple d'un mesu- reur de débit magnétique à induction conforme à l'invention. la figure 3 a montre un exemple de réalisation d'un montage de commande auto-oscillant. la figure 4 représente le principe du mesureur de débit de la figure 3. Dans la figure 1, est représentée une source de tension continue 1 à l'aide de laquelle est alimenté le mesureur de débit magnétique à induction qui comprend un organe récepteur avec un tuyau 3 parcouru par un liquide, ainsi qu'une bobine excitatrice 2 En dépendance d'un champ alternatif, produit d'une manière décrite dans la suite, régnant sur la bobine 2 et sur la quantité de liquide traversant le tuyau 3, on obtient, aux électrodes 14 a et 14 b, une tension de mesure UM qui est dépendante du débit. Conformément à l'invention, il est prévu, pour la production du champ alternatif, la bobine excitatrice 2 du récepteur et un montage de commande 6 Dans le mode de réalisa- tion représenté dans la figure 1, la bobine excitatrice 2 est raccordée, à la source de tension continue 1, en série avec la jonction collecteurémetteur d'un transistor 15 qui représente, dans ce cas, l'élément de connexion de commande, le transistor étant commandé par un donneur de cadence 16 producteur d'une fréquence, de telle sorte qu'un champ alternatif est produit lors d'un fonctionnement à une cadence. Dans l'exemple de réalisation représenté à la figure 2, sont également prévus, pour la production du champ alternatif, la bobine excitatrice 2 et un montage de commande 6 Cependant, ce montage fonctionne à contre-cadence, en pré- sentant deux éléments de connexion de commande, à savoir les transistors 15 a et 15 b, raccordés respectivement à l'une et l'autre des extrémités de l'enroulement excitateur La bobine excitatrice présente un plot de prise médian M, avec lequel elle est raccordée à un p 8 le de la source de tension continue, dont l'autre p Ble est appliqué à l'émetteur de chacun des transistors 15 a et 15 b Ainsi, à travers les transistors 15 a et 15 b respec- tivement, une moitié 2 a ou 2 b de la bobine excitatrice est par- courue par un courant, de sorte qu'est produit un champ alter- natif La cadence est déterminée par les donneurs de cadence 16 a et 16 b qui agissent, en fonctionnement de contre-cadences, sur les bases B des deux transistors. La figure 3 représente un mode de réalisation avantageux Dans ce cas, on dispose également d'une source de tension continue 1 avec laquelle doit être produit un champ alternatif Pour cela on utilise à nouveau la bobine excitatrice 2 et un montage de commande 6, de sorte que les redresseurs alternatifs nécessaires jusqu'à ce jour, deviennent inutiles. La bobine 2 est raccordée à la source de tension continue par son plot médian M, la bobine étant partagée en deux moitiés 2 a et 2 b se faisant face sur le tuyau 3 Les deux extrémités 7 a et 7 b de la bobine excitatrice 2 sont reliées entre elles à tra- vers un condensateur, de sorte qu'est formé un circuit oscillant LC Sur chaque moitié de bobine 2 a et 2 b est prévu un plot de prise intermédiaire 4 a et 4 b respectivement qui relie la moitié de bobine en question au montage de commande 6 Par l'intermé- diaire de ce montage, l'appareil est alimenté avec un courant correspondant aux pertes (de résistance ohmique de la bobine et de courants tourbillonnaires dans le fer) du circuit oscillant. La source de courant continu ne doit ainsi fournir une puis- sance correspondant seulement à une faible partie de la puis- sance apparente de la bobine excitatrice. 251 1767 Pour la réalisation d'un dimensionnement approprié du circuit oscillant, avec la fréquence prédéterminée qui dépend de la capacité du condensateur 5 et de l'inductivité de la bobine excitatrice, on se heurte à la difficulté résidant en ce que, dans le cas d'une tension de bobine et de condensateur analogue à la tension d'alimentation, par exemple égale à 24 volts, un condensateur 5 serait nécessaire possédant une capa- cité trop grande et trop coûteuse Si cependant le nombre de spires d'enroulement est accru, comme cela est le cas dans l'exemple représenté, l'inductivité croit et ainsi la valeur de capacité du condensateur tombe en-dessous des valeurs habituel- les d'emploi, de sorte qu'il est possible de prévoir des conden- sateurs relativement plus petits et peu coûteux La tension aux plots de prise intermédiaires 4 a et 4 b est maintenant identique à la tension d'alimentation, par exemple 24 volts, et la tension aux deux extrémités de la bobine, et par conséquent au conden- sateur 5, est nettement plus élevée. Grâce au montage de commande 6, on obtient pour le courant alimenté, une allure de variation sinusoïdale Ce courant peut être amené avec une fréquence indépendante de la fréquence du circuit oscillant LC Cependant il est avantageux que la fréquence soit déterminée par le circuit oscillant formé par la bobine excitatrice 2 et le condensateur 5 Le montage de commande est alors constitué, en commun avec la bobine et le condensateur, comme un montage auto-oscillant, comme le montre la figure 3 a Dans ce montage interviennent deux transistors 8 et 9 qui sont reliés chacun respectivement, par leur collec- teur, aux plots de prise intermédiaires 4 a et 4 b, ainsi que, à travers la résistance respective 10 ou 11 à la base de l'autre transistor Le montage oscillant ainsi constitué oscille avec la fréquence du circuit oscillant LC et sert à l'amenée d'un courant compensant les pertes du circuit oscillant, à partir de la source de tension continue 1. Le même principe de construction de l'exemple de la figure 3 est visible pour l'exemple représenté dans la figure 4 On voit clairement que la bobine excitatrice 2 forme, en commun avec le condensateur 5, un circuit oscillant, qui est auto-oscillant, auquel cas le champ magnétique est produit en majeure partie par le courant du circuit oscillant Les pettes du circuit oscillant sont compensées par l'enroulement 18 cqui est relié, en cadence, par le montage de commande 6, avec la source de tension continue 5 Dans l'exemple représenté dans la figure 3, l'enroulement 18 est formé par la bobine excitatrice 2, entre le plot de prise médian M et le plot de prise inter- médiaire 4 a ou 4 b respectivement. A l'aide du montage à courant constant 12 repré- senté dans la figure 3, le courant à travers le montage de com- mande 6 est réglé pour être constant, ce qui est une condition permanente pour la production du champ alternatif, de telle sorte que la tension de mesure UM n'a plus besoin d'être corri- gée en fonction de variations éventuelles du champ alternatif, ce qui a pour résultat une simplification de l'ensemble Le montage de commande 6 lui-même peut cependant être constitué de telle manière qu'il maintienne constant le courant prélevé sur la source de tension continue Si les pertes du circuit oscillant sont constantes, on obtient, avec un courant constant, également un champ alternatif d'amplitude constante. Dans le cas o le montage à courant constant ci- dessus 12 ne serait pas prévu, il serait nécessaire de capter les variations du champ alternatif, par un signal de référence UR, obtenu par une bobine supplémentaire 17 dépendante du champ alternatif produit, dans les bobines excitatrices 2 Dans un convertisseur 13 la tension de mesure UM pourrait alors être corrigée en correspondance avec cette tension de référence U Rt de manière à obtenir le signal utile UN. La constitution conforme à l'invention d'un appa- reil de mesure de débit magnétique à induction présente l'avan- tage de ne nécessiter aucun redresseur alternatif supplémentaire, car le champ alternatif est obtenu seulement par la bobine exci- tatrice 2 et le montage de commande 6, de telle sorte que peu- vent être obtenues des fréquences désirées Avec le mode de réalisation suivant la figure 3, on obtient en outre l'avantage d'une très faible consommation de puissance dans le dispositif récepteur Grâce à une régulation de courant, on peut également obtehir un champ alternatif constant de forme sinusoïdale, de sorte que d'autres domaines d'indépendance de la tension d'ali- mentation effective sont atteints On dispose également d'un signal utile permanent, de sorte que sont conservés tous les avantages des mesures par champ alternatif connues, sans cepen- dant supporter l'inconvénient de la nécessite de redresseurs alternatifs supplémentaires. R E V E N D I C A T I O N S ) Appareil magnétique à induction pour la mesure de débits d'écoulement, alimenté par une source de ten- sion continue ( 1), avec un dispositif capteur comprenant un tuyau ( 3) traversé par un courant de liquide, et des moyens, comportant une bobine excitatrice ( 2), pour la production d'un champ magnétique alternatif dans le liquide, ainsi que des électrodes ( 14 a, 14 b) sur lesquelles est prise une tension de mesure, dépendant du débit, produite dans le liquide, appareil caractérisé en ce que pour la production du champ magnétique alternatif, sont utilisés la bobine excitatrice ( 2) du capteur de mesure et un montage de connexion de commande ( 6). 2 ) Appareil suivant la revendication 1, caracté- risé en ce que le montage de commande ( 6) comprend un élément de connexion ( 15) assurant la commande, qui est monté en série avec la bobine excitatrice ( 2) ou une partie de celle-ci. ) Appareil suivant la revendication 1, caracté- risé en ce que le montage de commande ( 6) comprend deux éléments de connexion ( 15 a, 15 b) dont chacun est raccordé à une extrémité de la bobine excitatrice ( 2), laquelle est pourvue d'un plot de prise (M), avec lequel elle est raccordée à un pôle de la source de tension continue ( 1), les éléments de connexion ( 15 a, 15 b) étant reliés à l'autre p 8 le de la source ( 1). 4 ) Appareil suivant la revendication 3, caracté- risé en ce que la bobine excitatrice ( 2) est raccordée par un plot de prise médian (M) à la source de tension alternative ( 1). ) Appareil suivant l'une quelconque des reven- dications 1 à 4, caractérisé en ce que les éléments de connexion assurant la commande sont constitués par des transistors ( 15, 15 a, 15 b). 6 ) Appareil suivant l'une quelconque des reven- dications 1 à 5, caractérisé en ce que le montage de commande comprend des moyens ( 16) pour la production d'une fréquence. 7 ) Appareil suivant l'une quelconque des reven- dications 1 à 6, caractérisé en ce que la bobine excitatrice ( 2) comprend deux moitiés de bobine ( 2 a, 2 b) qui sont disposées sur des côtés diamétralement opposés du tuyau ( 3). ) Appareil suivant l'une quelconque des reven- dications 1 à 7, caractérisé en ce que le nombre de spires est identique dans les deux moitiés de bobine ( 2 a, 2 b). 9 ) Appareil suivant l'une quelconque cations 1 à 8, caractérisé en ce qu'un condensateur connecté entre les extrémités ( 7 a, 7 b) de la bobine ( 2). cations 1 des revendi- ( 5) est excitatrice ) Appareil suivant l'une quelconque des revendi- à 9, caractérisé en ce que chaque moitié ( 2 a, 2 b) de la bobine excitatrice ( 2) est pourvue médiaire ( 4 a, 4 b) auquel est raccordé de connexion de commande d'un circuit à cadences opposées. 11 ) Appareil suivant la risé en ce que le montage de commande tage oscillant commandé par puissance 12 ) Appareil suivant la risé en ce que le montage de commande oscillant. d'un plot de prise inter- chaque fois un élément de commande fonctionnant revendication 10, caracté- est constitué par un mon- extérieure. revendication 10, caracté- est un montage auto- 13 ) Appareil suivant la revendication 12, caracté- risé en ce que le montage oscillant comprend deux transistors ( 8, 9) dont chacun des collecteurs est raccordé à un plot de prise intermédiaire ( 4 a, 4 b) et, â travers une résistance ( 10, 11) à la base de l'autre transistor. 14 ) Appareil suivant l'une quelconque des revendi- cations 1 à 13, caractérisé par un montage à courant constant ( 12) avec lequel le courant passant à travers le montage de commande ( 6) et la bobine excitatrice ( 2) est maintenu constant. ) Appareil suivant l'une quelconque des revendi- cations 1 à 14, caractérisé en ce que le montage de commande ( 6) constitue lui-même le moyen de maintien constant du courant.