Brevet FR2548359A1 — publié le 19850104

La présente invention se rapporte à un procédé pour mesurer le débit d'un gaz dans une gaine ou une bride d'étranglement, une tubulure venturi ou dispositif analogue est agence dans 5 des buts de mesure et o une gaine de mesure est connectée par des tubes et des sorties de pression sont placées en amont et en aval de la bride d'étranglement pour détourner un écoulement partiel de gaz à travers la gaine de mesure L'invention 10 concerne également la forme d'undébitmètre de gaz pour la mise en oeuvre de ce procédé. Les méthodes connues de mesure pour déterminer le débit d'un gaz dans un tube au moyen d'un signal électrique de sortie de mesure d'un 15 corps de mesure a pour résultat une relation non linéaire marquée entre le débit et le signal de mesure En utilisation réelle, cette non linéarité doit être ajustée dans des circuits électroniques spéciaux avant d'obtenir un signal de réglage applicable dans la pratique, processus qui nécessite non seulement un équipement inutilement complexe, mais augmente également le risque de mesureserrones. La présente invention a pour but de trouver un procédé simple et fiable pour que des contrôleurs 25 d'écoulement puissent mesurer des débits dans des systèmes de ventilation, tout en l'utilisant plus généralement dans toutes sortes de connexions, o le débit d'un gaz doit être mesuré Cela est accompli par le fait que l'écoulement partiel de 30 gaz ci-dessus est limité par un ou plusieurs agencements d'étranglement qui se trouvent dans la gaine de mesure de façon à produire ainsi un écoulement laminaire qui est proportionnel à la chute de pression à travers la bride d'étranglement, lequel est dérivé vers une cellule de mesure placée dans la gaine de mesure et pourvue d'une résistance thermo- sensible de détection de l'écoulement qui est électriquement chauffée, et un signal électrique de mesure de sortie est émis par la cellule de mesure Ainsi, la présente invention concerne un 5 procédé de mesure ainsi qu'un dispositif produisant électriquement, déjà dans le corps de mesure, un signal de mesure qui est à peu près linéairement proportionnel au débit du gaz recherché dans un tube. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexes donnés 15 uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention, et dans lesquels: la figure 1 montre le principe de la mesure de l'écoulement selon la technologie connue au moyen d'un instrument électriquement chauffé, tel 20 qu'un anémomètre à fil chaud placé dans une gaine de ventilation ou tout autre tube ou tuyau par o passe du gaz; la figure 2 montre le principe de la mesure d'écoulement selon la technologie connue au 25 moyen d'une bride d'étranglement et d'un manomètre différentiel; la figure 3 montre le principe de la mesure de l'écoulement par l'invention; la figure 4 montre en détail la forme 30 d'un débitmêtreà gaz selon l'invention; la figure 5 montre la forme d'un circuit de mesure et de réglage d'un débitmètreà gaz selon l'invention; et la figure 6 est un diagramme montrant les 35 variations du courant à travers une résistance de détection de l'écoulement en fonction de l'écoulement mesuré du gaz dans une sonde de mesure utiliséedans un système de mesure selon l'invention. L'une des méthodes les plus couramment utiliséespour déterminer électriquement un écoulement de gaz consiste à mesurer, d'une façon oud'une autre, l'effet de refroidissement sur un corps électriquement chauffé placé dans un écoulement de gaz Le principe de cette méthode de mesure est illustré par la figure 1 o R symbolise la résistance du courant passant à travers une sonde électriquement chauffée 2, I est le courant à travers la sonde et U est la différence de courant entre les tuyaux d'alimentation 3 et 4 Pour donner une image plus claire de la méthode, la description 15 contient un certain nombre de constantes, k 1, k 2 klo dont l'expression exacte a peu d'importance dans le cadre de la description qui suit Pour garantir que le dispositif fonctionnera en tant de débitmètre,la résistance R doit changer selon la température mais totalement indépendamment des caractéristiques de la sonde, l'effet développéP étant en général égal à: P = U ' I = R ' I 2 ( 1) A l'équilibre le même effet thermique de l'écoulement de gaz q 1 dans la gaine est supprimé 25 selon la formule: P = (k 1 + k 2 v) tt ( 2) o At représente la différence de température entre la sonde et le gaz Si la température de la sonde, la température du gaz et l'effet sont connus, 30 l'écoulement du gaz peut ainsi être calculé par: P 2 k ' ( k 2 ( 3) q 1 = k 3 ( k 1) Comme principe de mesure, on choisit, en règle générale, de faire varier le courant de façon que 35 la température de la sonde soit maintenue constante avec pour résultat que la résistance R est également constante Dans ce cas, l'équation 3 peut être écrite comme suit: R '12 2 q 1 k = ( k 1) ( 4) TM 3 ó t laquelle peut être simplifiée, si la température du gaz est constante, comme suit: q 1 = k 4 (I 2 o)2 ( 5) o la constante Io est égale au courant au débit de gaz q 1 = Cette méthode de mesure présente l'avantage qu'il n'est pas nécessaire de connaître la dépendance exacte de la résistance avec la température Pour la même raison, d'autres méthodes de mesure en rapport très proche sont usuellement rejetées, qui pourraient être basées sur la possibilité, par exemple, de maintenir le courant ou la tension constante Par ailleurs, un inconvénient évident réside dans la non linéarité très marquée 20 exprimée par l'équation 5. La figure 2 montre une autre méthode connue de mesure qui est par exemple souvent utilisée pour des mesures manuelles de précision dans des gaines de ventilation La chute de pression dans la bride d'étranglement 5 en mesurant par le manomètre 6 et dans ce cas quadrilateralement dépendante de l'écoulement: Ap = Pl P 2 = k 5 q 2 ( 6) ce que l'on peut également exprimer par: 30 q 1 = k 6 ( 7) Le rapport entre l'écoulement de gaz et la valeur mesurée est également considérablement non linéaire dans ce cas, et étant donné les faibles chutes de pression permissibles dans une gaine de ventilation,le nanomètre doit être très sensible Cependant,un avantage évident réside dans le fait que la valeur mesurée est une mesure directe de l'écoulement moyen de gaz q 1 ce qui n'est pas certain dans le cas de la sonde électriquement chauffée selon la figure 1, o au contraire la valeur 5 mesurée est la mesure de la vitesse locale exactement au point de mesure. La figure 3 montre le principe de l'invention. Pour en donner une illustration claire, la cellule de mesure 13 est reproduite à échelle agrandie Dans 10 une forme typique, son diamètre peut être de 3-10 mm, tandis que le diamètre de la gaine principale 1, par exemple, dans un système de ventilation, peut être de 0,1 à 1 mètre La chute de pression dans la bride de mesure 5 force un faible écoulement de gaz q 2 à travers la cellule de mesure et ses tubes d'alimentation 9 et 10 sont pourvus d'un ou plusieurs agencements d'étranglement Un agencement d'étranglement est suffisant pour garantir le fonctionnement du dispositif, mais avec deux agencements d'étranglement, 11 et 12, respec20 tivement, un volume de gaz est piégé dans la cellule de mesure et modère les interruptions de courte durée. Un agencement d'étranglement suffisamment forcé produit l'écoulement de gaz q 2 directement proportionnel à la chute de pression: q 2 =k 7 ' p ( 8) qui combiné à l'équation 7 donne en conséquence: q 1 = k 8 '/2 ( 9) De plus, pour la sonde électriquement chauffée 30 14 insérée dans la cellule de mesure, les équations 1 et 3 donnent: U ' I 2 q 2 k 3 ' ( 1) ( 10) qui, incorporée dans l'équation 9, donne: I q 1 = k 9 (U k 1) ( 11) Si le courant U peut représenté le signal de sortie de mesure de la sonde, et que le quotient I/ à t est maintenu constant, on peut obtenir, à partir de l'équation 11, une relation totalement linéaire: q 1 k 10 (U U) ( 12) dans laquelle Uo correspond au courant sur 10 la sonde de mesure à l'écoulement de gaz q 1 = 0. Si des écarts mineurs par rapport à une linéarité parfaite peuvent être acceptés, ce qui est souvent le cas avec des opérations de réglage, on peut obtenir une mise en oeuvre particulièrement simple et 15 fiable de l'invention en maintenant le courant I constant à travers la sonde électriquement chauffée Cela nécessite que la différence de température At ne puisse pas varier trop, ce qui peut être obtenu en donnant à la sonde 14 la forme d'un élément semi-conducteur 20 amplement chauffé avec un fort coefficient de température négative Lorsque la sonde est refroidie par l'écoulement de gaz q 2 ' la diminution insignifiante de la température, déjà à ce stade, a pour résultat une augmentation brusque de la résistance R de la sonde, qui par le courant 25 constant I, donne également une augmentation considérable de la tension de mesure U Ce dernier effet a pour résultat une augmentation de la production de chaleur dans la sonde qui contribue au maintien de la température de la sonde. Sur la figure 6, un diagramme montre un exemple typique d'une mesure au moyen d'un dispositif selon la figure 3 La sonde 14 se compose, dans ce cas, d'une thermistance ayant grossièrement 0,4 mm de large, qui est chauffée à environ 150 C par un courant de 107 O m A. Comme on peut le voir, le signal de sortie de mesure 7 2548359 obtenu a une grandeur inhabituellement importante et la courbe ne s'écarte que légèrement d'une ligne droite dans les plages de chute de pression de 20 à Pa, ce qui correspond à la plage normalement applicable d'un système de ventilation. La figure 4 montre une forme spéciale du dispositif de la figure 3 Toute la cellule de mesure 15 peut être en une pièce, par exemp Z par une seule opération de coulaae en coquille,moulage par compression, compression de poudre ou techniques snemblables,ce qui permet 10 d'intégrer les agencements d'étranglement 18 et 19 dans les tubes d'alimentation, dans la cellule de mesure sous la forme de tubes capillaires La connexion de pression est faite vers les ouvertures 16 et 17 et les cavités 20 et 21 s'opposent à des fluctuations rapides de pression La sonde électriquement chauffée 23 est attachée à la gaine de mesure 22 par les connexions électriques 25 Une unité 24 de détection de la température, ayant par exemple la forme d'une thermistance non chauffée, permet de compenser des 20 changements de la température du gaz. La figure 5 montre la façon dont l'invention peut être électroniquement mise en oeuvre d'une manière très simple Comme cela est habituel, des articles aussi courants que l'alimentation en courant vers les ampli25 ficateurs 29, 36 et 40 ne sont pas représentés Le courant à travers la sonde électriquement chauffée 32 est maintenu constant par l Jamplificateur 29 qui règle la chute de tension à travers la résistance 33 pour qu'elle reste égale à la tension de référence du 30 stabilisateur de tension 26 que l'on obtient à travers le séparateur de tension 27-28 La somme de la chute de tension à travers les unités 32 et 33 est amplifiée et inversée par l'amplificateur 34-35-36-37 L'amplificateur final 38-39-40-4 I-42 ajoute une tension constante au signal inversé à la sortie de l'unité 37, qui correspond à une soustraction de la chute de tension constante à travers la résistance 33 et de la tension constante U O dans l'équation 12 Le signal réinversé UQ de sortie peut ainsi être rendu directement proportionnel à l'écoulement mesuré de gaz q 1, par analogie avec la courbe de la figure 6. La résistance 43 correspond au capteur de température 24 montré sur la figure 4, par lequel les variations de la température du gaz peuvent être compensées. L'incorporation d'une compensation de température dans d'autres parties du circuit, de l'équilibrage de la faible courbure de la caractéristique de la valeur de mesure au moyen d'une résistance non linéaire, du fonctionnement des pièces de traitement de signaux dans un microprocesseur et autres variantes semblables est considéré comme étant sans 15 importance dans ce contextemais dans le cadre de l'invention. R E V E N D I C A T IONS 1. Procédé de mesure d'un débit de gaz dans une gaine, o une bride d'étranglement, une tubulure de venturi ou un dispositif semblable est agencé dans des buts de mesure et o une gaine de mesure est connectée par des tubes et des sorties de pression sont placées en amont et en aval de la bride d'étranglement pour détourner un écoulement partiel de gaz à travers la gaine de mesure, caractérisé en ce que ledit écoulement partiel de gaz est limité par un ou plusieurs agencements d'étranglement ( 11, 12, 18, 19) places dans la gaine de mesure de façon à produire un écoulement laminaire qui est proportionnel à la chute de pression dans la bride d'étranglement, et est dérivé vers une cellule de mesure ( 13, 22) 15 qui est placée dans la gaine de mesure et qui est pourvue d'une résistance thermosensible de détection de l'écoulement ( 14, 23, 32) qui est électriquement chaufféeet en ce qu'un signal électrique de mesure de sortie est émis par la cellule de mesure. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chute de tension (U) dans la résistance de détection d'écoulement ( 14) constitue le signal électrique de mesure de sortie et en ce que ledit signal émis en une relation linéaire avec l'écou25 lement de gaz (q 1) cherché dans la gaine principale ( 1) en maintenant le courant (I) dans la résistance détectant l'écoulement en relation linéaire avec la différence de température entre ladite résistance et le gaz ambiant. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chute de tension (U) dans la résistance de détection de l'écoulement ( 14) constitue le signal électrique de mesure de sortie, en ce que ledit signal est mis en une relation à peu près linéaire avec l'écoulement de gaz (q 1) cherché dans la gaine principale ( 1) en maintenant le courant (I) constant dans la résistance détectant l'écoulement, en ce que ladite résistance qui montre un fort coefficient de température négative est amenée à une haute température, par exemple 150 C et en ce qu'une compensation des changements de la température du gaz a lieu par 10 comparaison de la valeur mesurée par la résistance active détectant l'écoulement avec la valeur mesurée par une résistance passive semblable agencée dans un volume stationnaire de gaz à la même pression et à la même température. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chute de tension (U) dans la résistance détectant l'écoulement ( 14) constitue le signal électrique de mesure de sortie, en ce que ledit signal est amené à une relation à peu près linéaire avec l'écoulement de gaz (q 1) cherché dans la gaine principale en maintenant le courant (I) constant dans la résistance de détection d'écoulements en ce que ladite résistance qui montre un fort coefficient de température négative est amenée à une 25 haute température, par exemple 150 C et en ce qu'une compensation des changements de la température du gaz a lieu par correction de la valeur mesurée par la résistance détectant l'écoulement par une jauge de température agencée à l'endroit de ladite résistance. 30 5 Débimètre pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que des tubes d'alimentation( 16, 17) de la gaine de mesure, des agencements d'étranglement ( 18, 19) et une cellule de mesure ( 22) 35 font partie d'un système intégré de gaine en un bloc ( 15) en un matériau arbitrairementchoisi, en ce que les agencements d'étranglement ont la forme de tubes capillaires, en ce que des cavités ( 20, 21) modérant les interruptions sont placéesentre les agencements d'étranglement et la cellule de mesure, en ce que la cellule de mesure contient une sonde électriquement chauffée de mesure d'écoulement ( 23) qui est électriquement connectée par des connexions isolées ( 25) et en ce qu'un dispositif de mesure -de température ( 24), par exemple ayant la forme d'une résistance sensible 10 à la température, est placé dans le système de gaine pour une compensation de la température. 6. Débitmètre pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que des tubes d'alimentation ( 16, 17) de la gaine de mesure, des agencements d'étranglement ( 18, 19) et une cellule de mesure ( 22) forment un système de gaine intégré en un bloc ( 15) en un matériau arbitrairement choisi, en ce que des agencements d'étranglement ont la forme de tubes capillaires, en ce que des cavités ( 20, 21) modérant les interruptions sont placéesentre les agencements d'étranglement et la cellule de mesure, en ce que la cellule de mesure contient un capteur électriquement chauffé mesurant l'écoulement ( 23) qui est électriquement connecté par des connexions isolées ( 25) et en ce qu'un transducteur de référence identique audit capteur est placé dans une gaine fermée de référence semblable à la gaine de mesure ( 22) pour une compensation de la température, et en ce que ladite gaine de référence et la gaine de mesure communiquent l'une avec l'autre de façon que la même pression de gaz soit obtenueau transducteur de référence et au capteur de mesure d'écoulement. 7. Débitme tre de gaz selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que le bloc ( 15) avec le système de gaine intégré présente une forme adaptée à une fabrication par un moulage par compression, une compression de poudre ou techniques semblable. 8. Débitmrtre selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'un circuit électronique de mesure et de réglage agencé pour un traitement du signal de sortie de mesure présente un contrôleur de courant ( 27-31, 33) prévu pour fournir un courant constant à la résistance chauffée de détection d'écoulement ( 32),en ce qu'un amplificateur 10 inverseur( 34-37) est agencé pour amplifier le signal de sortie de mesure de ladite résistance ( 32) et pour ajouter un signal de sortie de correction de température par un circuit contenant une résistance de mesure de température ( 44) et en ce qu'un amplificateur inver15 seur final ( 38-42) est agencé pour soustraire les composantes constantes du signal de sortie de mesure dont la température est corrigée.