Brevet FR2518257A1 — publié le 19830617

DEBITMETRE A VORTEX L'invention concerne un débitmètre destiné à mesurer le débit d'un flux gazeux, tel que l'air absorbe par un moteur à explosion. Pour des raisons d'économie d'énergie, on cherche à mesurer tous les paramètres de fonctionnement des moteurs à explosion afin d'effectuer une régulation tendant d faire fonctionner le moteur dans des conditions optimales, Pour mesurer le débit de l'air absorbé par le moteur, on a proposé d'utiliser des débimètres à vortex, c'est-à-dire des débimètres comprenant, d'une part, une chambre de révolution autour d'un axe, dans laquelle le gaz est introduit tangentiellement à la périphérie de manière à former un vortex, le gaz s'échappant de ladite chambre selon son axe de révolution, et > d'autre part, des moyens de mesure de la vitesse du gaz dans le vortex.La vitesse du gaz est mesurée au moyen de deux thermoéléments, un émetteur et un récepteur, qui sollt supportés par une canne isolante axiale et décalés angulairement l'un par rapport à autre, selon le sens de circulation du gaz. Le débit de l'appareil est une fonction de la vitesse mesurer Un débitmètre de ce type a déjà e-té décrit dans la demande de brevet français 2 468 106. Ces débitmètres à vortex présentent l'avantage de ne comporter aucune partie mobile, et ils ne risquent pas de se dérègler sous l'action des vibrations engendrées dans un moteur à explosion Cependant, les débitmètres à vortex connus actuellement sont tels que la valeur mesurée dans tout l'intervalle de variation du débit comporte un changement important de son taux de variation selon la zone de l'intervalle où l'on se trouve : il en résulte la nécessité de régler la sensibilité de la réception de la valeur mesurée pour avoir une précision acceptable sur tout l'intervalle ; de plus, les gammes de mesure de ces débit mètres sont trop faibles pour l'application aux moteurs à explosion, où le débit d'air peut varier dans de grandes proportions. La présente invention a pour but de décrire un débitmètre à vortex ayant une courbe de réponse sensiblement linéaire dans une large gamme de débits, et pouvant titre exploité ét avoir une sensibilité constante de la réception de la valeur mesurée ce qui, notamment, réduit le prix de revient du circuit de traitement de la mesure. Selon l'invention, le thermoélément émetteur est constitud d'au moins un fil disposé par rapport au(x) fil(s) constituant le thermoélément récepteur, de façon à former avec ceux-ci un angle Le débitmètre selon l'invention peut également être facilement utilisé pour la mesure du débit d'air nécessaire au fonctionnement d'un moteur à explosion, sans nécessiter une modification importante de l'encombrement des organes utilisés pour l'alimentation en air dudit moteur ; à cet effet, le débitmètre est incorporé dans le filtre à air et l'introduction du gaz dans la chambre de révolution du débitmètre s'effectue à travers l'élément filtrant dudit filtre à air. La présente invention a, en conséquence, pour objet un débitmètre à vortex comprenant, d'une part, une chambre de révolution autour d'un axe, dans laquelle, le flux gazeux à mesurer est introduit tangentiellement à la périphérie de ladite chambre, de manière à former un vortex ayant pour axe l'axe de ladite chambre, le flux gazeux prd- cité s'échappant selon l'axe de la chambre, et, d'autre part, des moyens de mesure de la vitesse tangentielle du vortex constitués par un thermoélément récepteur et un thermoélément émetteur, lesdits thermoéléments étant supportés par une canne axiale et étant décalés angulairement l'un par rapport à l'autre selon le sens de circulation du flux gazeux, caractérisé par le fait que le thermoélément émetteur est constitué par au moins un fil disposé par rapport au(x) fil(s) constituant le thermoélément récepteur de façon à former avec celui(ceux)-ci un angle aigu au moins égal à ;300. Dans un mode preféré de réalisation, l'angle # est voisin de 90 ; le thermoélément émetteur est constitué par plusieurs fils di@pos@s sensiblement perpendiculairement à l'axe de révolution de la chambre et le thermoélément récepteur est constitué par un fil unique parallèle audit axe ; le décalage angulaire, dans le sens de la circulation du flux gazeux, entre le thermoélément émetteur et le thermoélément récepteur est compris entre 20 et 45 : on a, en effet, constaté que, si le décalage angulaire est trop important, on note une diminution de la fiabilité de la détection, c'est-à-dire une augmentation du nombre d'impulsions émises non reçues part le récepteur 9 la distance se- parant les thermoéléments de l'axe de la chambre est inférieure ou égale à 4 cm et, de préférence, comprise entre 2 et 2,5 cm, pour une chambre ayant un diamètre intérieur d'environ 11 cm. Selon une réalisation avantageuse, l'introduction du flux gazeux dans la chambre du débitmètre s'effectue au travers d'un élément filtrant ; la canne axiale, qui porte les thermoélément du débitmètre, est creuse ; une chambre de tranquillisation est disposée à chaque extrêmité axiale de la chambre du débitmètre et communique avec celle-ci et avec la canne axiale, l'une des extrêmités axiales d'une chambre de tranquillisation étant fermée par une paroi, le flux gazeux s'échappant par l'autre chambre de tranquillisation ; les débits sottant de la chambre du débitmètre vers les chambres de tranquillisation sont sensiblement égaux pour conserver la symétrie du vortex dans la chambre du débitmètre ; l'élément filtrant constitue l'enveloppe extérieure du débi@mètre ; le débitmètre comporte des dérivations transmettant directement une partie du flux gazeux à mesurer à la zone d'échappement, sans la faire participer au vortex ; l'élément filtrant associé au débitmètre constitue le filtre à air d'un moteur à explosion. Pour mieux faire comprendre l'objet de l'invention, on va en décrire ci-agrès, à titre d'exemples purement illustratifs e@ non @imita@ifs, plusieurs modes de réalisation representes @@r le dessin annexé. Sur ce dessin - la figure l représente, en coupe axiale, un débit mètre à vortex - la figure 2 représente une coupe du débitmètre de la figure 1, selon Il-Il de la figure 1 - la figure 3 est un diagramme donnant la vitesse tangentielle V du flux gazeux dans le vortex en fonction du débit D à différentes distances r à l'axe de révolution pour le débitmètre des figures 1 et 2 - la figure 4 est une vue schématique montrant les thermoéléments d'un débitmètre de l'état de la technique - la figure 5 est une vue schématique montrant les thermoéléments d'un débitmètre selon l'invention - la figure 6 est un diagramme donnant la courbe de réponse d'un débitmètre selon l'invention - la figure 7 est un diagramme illustrant les avantages apportés par l'invention ;; - la figure 8 représente, en coupe axiale, selon VIII -VIII de la figure 9, un filtre à air à débitmètre incorporé selon l'invention ; et - la figure 9 reprzsente une coupe selon IX-IX de la figure 8. En se référant au dessin, on voit que les figures 1 et 2 représentent, en coupes, un débitmètre à vortex comportant une chambre 1, qui présente une symétrie de révolution par rapport à un axe 2 ; la chambre 1 est cylindrique et est délimitée par une paroi extérieure 3, sur laquelle est raccordé un collecteur d'entrée 4 ; le flux de gaz, dont on veut mesurer le débit, est introduit tangentiellement et est amené à former un vortex au moyen de déflecteurs 5. Le vortex se forme au centre autour d'une canne axiale 6 en matière isolante et le gaz s'échappe le long de cette canne vers les deux extrêmités axiales de la chambre 1. Le gaz pénètre alors dans deux chambres de tranquilli- sation 7 et 8 et sort par la tubulure d'échappement 9. La mesure du débit se fait en mesurant la vitesse tangentielle du vortex au moyen de deux thermoélêments l0, lob, fixés sur la canne 6 et décalés angulairement selon la direction du mouvement du vortex. L'un des thermoélé ment s lOa est un émetteur qui envoie des impulsions thermi- ques dans le flux gazeux ; ces impulsions sont détectées par le thermoélément récepteur lob.Le temps de propagation de l'impulsion de l'émetteur au récepteur est inversement proportionnel à la vites@e du gaz ; or, cette dernière est une fonction linaire du débit gazeux, comme le montre la figure 3 qui donne, en ordonnées, la vitesse tangentielle du vortex, exprimée en m/s et, en abscisse, le débit d'air exprimé en g/s ; les différentes droites correspondent, chacune, à une distance de mesure r par rapport à axe 2. En pratique, on peut déclencher l'émission d'une impulsion par l'émetteur 10a, lorsque le récepteur 10b, commence à détecter l'impulsion précédente ; dans ce cas, la fréquence d'émission des impulsions thermoélectriques (c'est-à-dire l'inverse d@ temps de transit T de l'impulsion entre l'émetteur et le récepteur) est, théoriquement proportionnelle à la vitesse tangentielle du vortex ; ceci permet d'obtenir directement une mesure sous forme digitale, ce qui est partic@l@èrement intéressant quand, pour réguler le fonctionnement d'@ moteur à explosion, on utilise un microprocesseur. Dans l'état de la technique, la valeur mesurée dans tout l'intervalle le variation d débit comporte un changes ment important de so aux de - @ariation selon la zone de l'intervalle où l'on e trouve @ il en résulte la nécessité de règler la sensibilité de la réception de la valeur mesurée pour avoir une précision acceptable sur tout l'inter valle. Ceci a été constaté sur les débitmètres à vortex connus à ce jour, dans lesquels les thermoéléments émetteur et récepteur sont constitués par des fils parallèles entre eux, comme représenté sur la figure 4, ou l'on voit une canne axiale 6 supportant deux thermoéléments, à savoir un émetteur constitué par trois fils ll parallèles à Baxe 2, et un récepteur constitué par un fil unique 12 également parallèle à l'axe 2. On a constaté, pour la réalisation décrite, que si les fils constituant émetteur sont disposés orthogonalement par rapport au fil du récepteur, la sensibilité et la fiabilité de la mesure restent sensiblement constantes sur tout l'intervalle de variation du débit, ce qui permet d'utiliser pour le circuit de détection un seul et unique réglage pour toute la plage. La disposition selon l'invention est représentée sur la figure 5 ; l'émetteur lOa est constitué de cinq fils 13 orthogonaux au fil 12 du récepteur lOb. Le diagramme de la figure 6 représente l'inverse du temps de propagation T, exprimé en millisecondes en fonction du débit d'air en grammes par seconde ; on voit que la réponse est linéaire pour une grande gamme de débits et cela permet, en particulier, la mesure du débit d'air absorbe par un moteur à explosion. Lorsque les fils des thermoéléments émetteur et récepteur lOa, lOb sont parallèles entre eux, on constate un fort taux d'impulsions non détectées par le récepteur, surtout pour des débits importants ; par contre, lorsque les fils des deux thermoéléments lOa lOb sont orthogonaux, le sillage thermique vient alors couper le fil récepteur à angle droit. Le signal détecté par le récepteur est plus faible, mais il y a beaucoup moins de manques à la réception. Tout ceci, est illustré sur la figure 7, où l'on voit l'amplitude (en mV) du signal fourni sur le récepteur en fonction du débit d'air D (en g/s) pour une impulsion émise constante. La courbe avec les triangles correspond au cas où les fils des deux thermoéléments sont parallèles (état de la technique) et la courbe avec les cercles au cas où les fils des deux thermoéléments sont disposés selon l'invention : pour les débits de 50 à 100 g/s, le signal obtenu selon l'invention est plus faible mais d'amplitude plus régulière. Il est à noter que chaque point de mesure de la courbe avec triangles est le résultat statistique d'un grand nombre de mesures plus ou moins exploitables tandis que chaque point de mesure de la courbe avec cercles est obtenu par une seule lecture. Les figu@es 8 et 9 représentent un mode de réalisation d'un débitm@tre selon l'invention intégré dans un filtre à air et utilisé pour la mesure du débit d'air absorbé par un moteur à explosion. Selon l'invention, l'air dont on veut mesurer le débit est introduit dans le débitmètre a travers un élément filtrant 23, qui constitue le filtre à air dudit moteur. L'élément filtrant 23, forme l'enveloppe extérieure du débitmètre. Cette disposition permet de réaliser un ensemble débitmètre-filtre à air dans un encombrement très réduit. On a désigné par 19 un collecteur d'entrée d'air, qui alimente en air la périphérie de l'élément filtrant 23. Dans cette réalisation, la chambre 1 du débitmètre comporte des déflecteurs 5 analogues à ceux décrits pour la réalisation des figures L et 2. Selon l'axe 2 de la chambre 1, on a disposé une sanue creuse 14, qui porte les thermoéléments émetteur 10a et récepteur 10b. Celle des extrêmités axiales de la chambre 1, qui est située du côté du collecteur 19, est fermée par une paroi 15. De part: et d'autre de la chambre l se trouvent deurs chambres de tranquillisation 16 et 17, qui communiquent avec la chambre 1 et avec la canne creuse 14. La sortie de l'air se fait par un conduit axial 18, relié à la chambre de tranquillisation 77; la chambre de tranquillisation 16 est fermée par la paroi 15. Les débits sortant de la chambre 1 et traversant les chambree 16 et 17 doivent être voisins, pour ne pas perturber le vortex ; il est donc nécessaire, le cas échéant, de les ajuster à l'aide d'une perte de charge appropriée, localisée sur la sortie la plus directe, et obten@e, par exemple, par une simple diminution de section. Four encore @agmenter la dynamique de mesure de ce débitmètre, on peut, @elon l'invention, injecter une partie du débit à mesure@ directement à cravers l'élément filtrant 23, de sorte qu'elle ne participe pas au vortex. Ceci est obtenu au moyen de @@us 20 aménagés dans les deux chambres de tranquillisation l@ at 17. L@@@que les @@@@moélements sont disposés conformément à l'invention, on constate que leur distance par rapport à l'axe 2 n'a pas beaucoup d'influence sur la mesure ; on obtient un résultat encorde satisfaisant pour une chambre ayant un diamètre intérieur de 11 cm lorsque les deux éléments sont à une distance r de 4 cm de l'axe 2 ; un fonctionnement optimal est obtenu quand cette distance est comprise entre 2 et 2,5 cm. Le décalage angulaire des deux thermoéléments a une valeur assez faible et, de préférence, comprise entre 20 et 45 . Le thermoélément émetteur peut être constitué par un fil unique, tel qu'un fil de nickel de 45 microns de diamètre ; il peut également comporter plusieurs fils, tels que des fils de nickel de 9 microns. L'impulsion thermique, a, par exemple, une durée d'environ 300 microsecondes. il est bien entendu que les modes de réalisation ci-dessus décrits ne sont aucunement limitatifs et pourront donner lieu à toutes modifications désirables, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. Revendications 1 - Débitmètre à vortex comprenant, d'une part, une chambre de révolution autour d'un axe dans laquelle le flux gazeux à mesurer est introduit tangentiellement à la périphérie de ladite chambre, de manière à former un vortex ayant pour axe l'axe de ladite chambres le flux gazeux pré- cité s'échappant selon l'axe de la chambre et d'autre part, des moyens de mesure de la vitesse tangentielle du vortex constitués par un thermoélément émetteur et un thermoélément récepteur, lesdits thermoéléments étant supportés par une canne axiale et étant lécalés angulairement l'un par rapport à l'autre selon le sens de circulation du flux gazeux cas caractérisé par le fait que le thermoélément émetteur(10a) est constitué par au moins un fil (13), disposé par rapport au(x) fil(s) (12) constituant le thermoélément récepteur (10b), de façon à former avec celui (ceux)-ci, un angle aigu # au moins égal à 20 . 2 - Débitmètre selon la reve@dication 1, caractérisé par le fait que l'angle &alpha; est voision de 90 . 3 - Débitmètre selon la reve@dication 2, caractérisé par le fait que le thermoélément @metteur (10a) est constitué par plusieurs fils (1@), disposés sensiblement perpendi culairement à l'axe de révolution (2) de la chambre (1), et que le thermoélément récepteur (10b) est constitué par un fil (12) parallèle audit axe (2). 4 Débitmètre selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le décalage angulaire, dans le sens de circulation du flux gazeux, entre le thermoélément émetteur (10a) et le thermoélément récepteur (10b) est com prls entre 20 et 450, 5 - Débitmètre selon l'une des revendications 1 à 4 > caractérisé par le fait que la distance séparant les ther- moéléments (lOa, lOb) de l'axe (2) de la chambre (1) est inférieure ou égale à 4 cm, pour une chambre (1) ayant un diamètre intérieur voisin de 11 cm. 6 - Débitmètre selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la distance séparant les thermoéléments (10a, 10k) de l'axe (2) est comprise entre 2 et 2,5 cm. 7 - Débitmètre selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que l'introduction du flux gazeux dans la chambre (1) s'effectue au travers d'un élément filtrant (23). 8 - Débitmètre selon la revendication 7, caractérisé par le fait que la canne axiale (14), qui porte les thermoéléments (lOa, lOb), est creuse, une chambre de tranquillisation (16, 17) est disposée à chaque extrémité axiale de la chambre (1) et communique avec celle-ci et avec la canne axiale (14), l'une des extrémités axiale dwune chambre de tranquillisation (16) etant fermée par une paroi (15), le flux gazeux s'échappant par l'autre chambre de tranquillisation (17). 9 - Débitmètre selon la revendication 8, caractérisé par le fait que les débits sortant de la chambre (1) vers les chambres de tranquillisation (16) et (17) sont sensiblement égaux. 10 - Débitmètre selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé par le fait que l'élément filtrant (23) constitue l'enveloppe extérieure du débitmètre. 11 - Débitmètre selon l'une des revendications 7 à 70, caractérisé par le fait que l'élément filtrant t23) constitue le filtre à air d'un moteur à explosion. 12 - Débitmètre selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait qu'il comporte des dérivations (20) transmettant directement une partie du flux gazeux à mesurer à la zone d'échappement, sans la faire participer au vortex.