Brevet FR2553510A1 — publié le 19850419

IS 53510 La présente invention a trait d'une manière générale aux débitmètres à induction de vortex destinés à la mesure des vitesses d'écoulement, et plus particulièrement à un débitmètre apte à mesurer de façon précise la vites5 se d'écoulement de gaz aussi bien que desliquides, ce débitmètre incorporant un inducteur de vortex à double bord. Il est bien connu que dans certaines conditions la présence d'un obstacleog inducteur,dans un tube d'écoulement donnera lieu à des vortex périodiques Pour des 10 nombres de Reynolds petits l'écoulement aval est de nature laminaire mais lorsque les nombres de Reynolds augmentent des configurations régulières de vortex sont formées qui sont connues sous le nom de couloirs de vortex de Karman; la fréquence à laquelle ces vortex sont induits est fonction de la vi15 tesse d'écoulement. Ce phénomène est exploité pour concevoir un débitmètre destiné à la mesure volumétrique de l'écoulement de fluides dans des processus de traitement ou d'approvisionnement,en vue d'effectuer des fonctions de contrôle 20 variées Des débitmètres fonctionnant sur ce principe sont décrits dans le Brevet U S 3 116 639 (Bird) et dans le Brevet U S 3 650 l 52 (White) Les débitmètres du type à induction de vortex tels que ceux décrits dans le Brevet U S. 3.888 120 (Burgess) et dans le Brevet U S 4 162 238 (Herzl) 25 sont capables d'effectuer des mesures précises de volumesou de masses écoulés, Le Brevet U S 4 181 020 (Herzl) décrit un débitmètre du type à vortex dans lequel les oscillations fluidiques produites par un inducteur monté dans un tube d'é30 coulement sont captées par un capteur en forme de volet pivotant monté en aval au moyen d'une suspension à torsion qui permet seulement un mouvement microscopique du volet; l'inducteur agit en divisant le fluide entrant et entraîne les vortex à être induits alternativement sur l'un et l'autre 255351 O côté de celui-ci Le train aval des vortex passant sur l'un ou l'autre côté du volet capteur développe des forces de nature fluidique qui donnent lieu à des couples de torsion dans un sens ou dans l'autre entraînant le capteur à osciller mécaniquement à une fréquence proportionnelle à la vitesse d'écoulement du fluide soumis à la mesure. Le Brevet U S 4 226 117 (Herzl) décrit un débitmètre à induction de vortex dans lequel,derrière l'inducteur supporté en torsionse trouve un capteur action10 né en traînée qui incorpore une paire de jambes parallèles disposées symétriquement par rapport à l'axe longitudinal du tube d'écoulement. Avec un capteur sollicité en traînée, conme les vortex se détachent de façon successive de l'inducteur 15 et apparaissent de fa'cn alternée sur chacun des côtés du passage entre l'inducteur et le capteur aval, la région de basse pression générée par chaque vortex agit pour déplacer la zone stagnante produite dans cet espace comme résultat de l'écoulement du fluide depuis l'inducteur jusqu'à une posi20 tion en regard d'une jambe voisine du capteur, l'écoulement de fluide se produisant alors autour et au-delà de l'autre jambe ce qui a pour effet de développer un couple par rapport à l'axe de pivot; ces couples sont développés alternativement entrainant le capteur supporté en torsion à osciller à 25 une fréquence en fonction de la vitesse d'écoulement. Dans les Brevets U S 4 181 020 et 4.226 117 (Herzl) le mouvement du capteur supporté en torsion est détecté par le moyen d'un transducteur en forme de jauge de contrainte relié à un fléau résiliant dont une extrémité 30 est attachée au tourillon du capteur passant à travers du tube d'écoulement, l'autre extrémité étant ancrée La déformation résultante du fléau lorsque l'arbre oscille est traduite par la jauge de 'contrainte en un signal électrique correspondant dont la fréquence est indicative de la vitesse d'écoulement; comme cela a été noté dans les Brevets Herzl précités,un avantage important d'un débitmètre à vortex ayant un capteur monté en torsion réside dans le fait que le débitmètre est efficace et précis à la fois pour les mesures d'é5 coulement des liquides et pour celles de l'écoulement des gaz. Le montage d'un capteur actionné en trainées décrit dans le Brevet 4 226 117 (Herzl) approche les exigences idéales d'un système de capteur pour débitmètre à vor10 tex; ces exigences idéales sont les suivantes: a) Le système a une sensibilité qui rend le débitmètre efficace pour les mesures de gaz à basse pression; b) Le système est l'un de ceux qui a une robustesse rendant le débitmètre approprié à la mesure des vitesses d'écou15 lement des liquides en service continu; c) Le système est insensible aux chocs mécaniques et aux forces d'accélération auxquels le débitmètre peut être soumis; d) Le système est capable de fonctionner sur l'étendue 20 de température rencontrée habituellement dans la mesure des débits des gaz et des liquides et il est capable de fonctionner sur une très large plage de fréquence. e) Le système de capteur ne requiert virtuellement aucun mouvement et n'est pas limité par des problèmes de fixation 25 ou de liaison du transmetteur de couple; f) Finalement le système capteur est relativement peu coûteux et a une structure compacte. Les débitmètres du type décrit dans le Brevet Herzl 4 226 117 fonctionnent de façon sûre et efficace 30 dans des tailles de débitmètres relativementgrandes pour la mesure de la vitesse d'écoulement de, fluide ou de gaz; cependant dans les plus petites tailles,par exemple avec des tubes ayant un diamètre interne de 5 à 6 centimètres, les forces fluidiques qui agissent sur le capteur actionné en traînée suspendu en torsion, sont relativement faibles et cela a pour résultat un signal de sortie de bas niveau qu'il est difficile de distinguer parmi les signaux de bruits. Cependant avec un débitmètre à vortex du type actionné en traînée dont le fonctionnement dépend d'une fente à l'arrière du corps, cette fente sera nécessairement étroite dans un mesureur de faible dimension et sera par conséquent soumise à obstruction par les contaminants véhiculés par le fluide mesuré. En considération de ce qui vient d'être 10 dit un objet principal de la présente invention est de proposer un débitmètre à vortex qui mesure de façon précise la vitesse d'écoulement d'un gaz ou d'un liquide passant dans les tubes d'écoulement et cela même dans un débitmètre de petit diamètre. L'invention a plus particulièrement pour objet de proposer-un débitmètre du type précité dans lequel l'inducteur a une structure à double corps dont la partie frontale est séparée de la partie arrière par un petit intervalle de telle sorte qu'une interaction hydraulique forte puisse avoir lieu entre les parties et simultanément contribuer de façon active à la formation de vortex. Un autre objet de l'invention est de proposer un débitmètre à induction de vortex-à double corps qui soit substantiellement linéaire sur une large plage et qui 25 produit des résultats significatifs améliorés par rapport à ceux des inducteurs à simple corps. Tels que sommairement définis ces objectifs sont atteints grace à un débitmètre à induction de vortex destiné à la mesure précise de la vitesse d'écoulement de 30 gaz ou de liquide véhiculés dans un tube d'écoulement muni d'un inducteur à double corps ayant une partie frontale montée de façon fixe en travers du tube, derrière lequel est montée de façon pivotante une partie arrière séparée de la partie avant par un intervalle conformé en vue de produire une trajectoire fluidique en réaction de telle sorte qu'une interaction hydraulique forte ait lieu entre lesdites parties et si5 multanément,contribue activement à la formation des vortex périodiques qui sont alternativement induits sur l'un ou l'autre côté de l'inducteur. La partie arrière est montée sur un arbre 10 pivotant s'étendant suivant un axe perpendiculaire à l'axe du tube d'écoulement, ce par quoi les vortex qui apparaissent sur l'un ou l'autre côté de la partie arrière induisent celle ci à osciller; ces oscillations sont captées pour produire le signal représentant la vitesse d'écoulement. La présente invention sera mieux comprise et des détails en relevant apparaîtront à la description qui va être faite d'une forme particuliêre de réalisation en relation avec les figures de la planche annexée dans laquelle La fig 1 est une coupe longitudinale pri20 se dans le plan vertical illustrant un débitmètre o induction de vortex à double corps conforme à l'invention, La fig 2 est une coupe analogue donnant la position des vortex à un instant immédiatement subséquent à celui illustré à la figure précédente, La fig 3 est une coupe longitudinale prise dans un plan horizontal-et, La fig 4 est une vue en perspective de la partie arrière de l'inducteur à double corps du débitmètre. En référence à l'ensemble des figures 30 précitées un débitmêtre à induction de vortex à double corps conforme à l'invention incorpore un tube d'écoulement 10 dont l'axe longitudinal drécoulement est représenté par l'axe X; le tube 10 a une sectionansversale circulaire et un relatif petit diamètre interne, par exemple 4 à 6 centimètres; bien 2553510. que l'invention soit particulièrement avantageuse avec de téls petits diamètres elle convient cependant aux diamètres de plus grandes dimensions. A l'intérieur du tube d'écoulement 10 se trouve disposé de façon symétrique par rapport à l'axe d'écoulement X un inducteur à double corps composé d'une partie frontale 11 et d'une partie arrière 12; la partie frontale 11 a la forme d'un barreau ayant une section transversale rectangulaire, et elle est montée de façon fixe en travers du 10 tube de façon à intercepter le courant de fluides entrant; l'axe longitudinal Y du barreau 11 intercepte perpendiculairement l'axe d'écoulement X. La partie arrière 12 est supportée de façon pivotante à l'arrière de la partie frontale 11 par le moyen d'un arbre 13 dont les extrémités passent à travers des alésages étanches disposés en des points diamétralement opposés du tube d'écoulement 10; la partie arrière 12 est constituée par un segment de tête 12 A dont la face frontale présente une concavité cylindrique de rayon R; ce segment de tête se prolonge vers l'arrière par un segment de queue ayant une section transversale triangulaire; le segment de tête 12 A est un peu plus large que le bas du segment de queue de façon à définir des épaulements supérieurs et inférieurs respectivement 12 C et 12 D de la jonction des segments. La face frontale, ou amont, du segment de tête 12 A de la partie arrière 12 est parallèle à la face arrière de la partie frontale 11, l'espace compris entre les deux parties constituant un intervalle étroit 14. Le segment de queue 12 B est pourvu d'un 30 alésage transversal 15 comme cela apparalt bien sur la Fig 4, lequel est voisin du segment de tête 13 de l'axe longitudinal Y' et parallèle à l'axe Y de la partie frontale,et est perpendiculaire à l'axe d'écoulement X. Les extrémités respectives de l'arbre 13 qui sont prolongées à l'extérieur du tube 10 sont couplées à des capteurs tde torsion 16 et 17 tels que montrés schématiquement en Eig 3; ces derniers peuvent être du type décrit dans le Brevet U S 4 262 544 (Herzl) dans lequel chaque '. transmetteur de couple couplé à un prolongement d'arbres est constitué par au moins un cristal piezoelectric interposé entre un côté du prolongement d'arbres et un bloc stationnaire précontraint; le montage est tel que lorsque le prolongement 10 d'arbres oscille il soumet le cristal à une alternance de conpression et de décompression ce qui génère une tension alternée et de là,un signal de sortie dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse d'écoulement; le mouvement du prolongement d'arbre est limité par la précharge du cristal 15 de telle sorte que le prolongement d'arbres soitpratiquement immobile; un certain nombre de capteurs de couples décrits dans les Brevets Herzl sus-mentionnés peuvent etre utilisés avec l'arbre de la présente invention de façon à limiter le mouvement oscillatoire de celui-ci et produire un signal représen20 tant la vitesse d'écoulement. On va maintenant décrire le fonctionnement, en relation avec les figures Le courant de fluide entrant est divisé par l'inducteur à double corps 11, 12 en deux courants passant le long de ses côtés opposés et produi25 sant des vortex périodiques alternativement sur l'un puis sur l'autre côté à une vitesse de répétition proportionnelle à la vitesse d'écoulement; on conviendra que ces côtés opposés soient désignés respectivement par côté supérieur et côté inférieur. Sur la Fig 1 le fluide approchant de la partie frontale 11 forme un premier vortex qui passe en aval, ce vortex L 1 étant représenté voisin du côté supérieur de la partie arrière 12 dans une position proche du sommet du segment de queue triangulaire; par le fait qu'un vortex crée 35 une région de basse pression; le vortex Ll tend à tirer la c. la partie arrière pivotable 12 en direction de cette région de basse pression ce par quoi est créé un couple dans le sens contraire des aiguilles d'une montre autour de l'axe de pivotement Y' Toujours sur la fig 1 un second vortex L 2 est for5 mé sur le côté inférieur de la partie frontale 11 de l'inducteur, le vortex L 2 étant dans le voisinage de l'intervalle 14 à un instant o le vortex antérieurement produit L 1 est près du sommet du segment de queue. Sur la fig 2 un vortex L 2 s'estavancé jus10 qu'à une position voisine du sommet de la queue du segment arrière, tandis qu'un nouveau vortex L 3 se développe sur le côté supérieur de l'inducteur; la région de basse pression créée par le vortex L 2 tend à tirer la partie arrière 12 pivotable en direction de cette région de basse pression, ce par quoi est créé un couple dans le sens des aiguilles d'une montre autour de l'axe de pivot frontal Y'. Puisque des vortex sont générés alternativement de la manière sus-décrite la partie arrière 12 est entraînée à osciller à une vitesse en accord avec la périodi20 cité des vortex, cette vitesse étant proportionnelle à la vitesse d'écoulement du fluide soumis à la mesure. Par le fait que de tels vortex créent des régions de basse pression de plus en plus sur les côtés opposés de l'inducteur à double corps, un chemin de réaction hy25 draulique est créé tout autour de la partie arrière 12; ce chemin de réaction qui passe à travers l'intervalle 14 conduit l'induction à alterner de façon régulière d'un côté de l'inducteur à l'autre. La partie arrière 12 a pour fonction de 30 maintenir cette action de réaction aussi uniforme que possible quelles que soient les conditions d'écoulement ou le nombre de Reynolds; la configuration de la partie arrière 12 et les proportions de l'intervalle 14 permettent d'accorder ce chemin de réaction; par un ajustement approprié de l'intervalle 14 un débitmètre peut être rendu linéaire sur une large plage de nombre de Reynolds; un second facteur ayant une influence significative sur la linéarité du débitmètre est la 5 taille des épaulements 12 C et 12 D aux bords des faits de la partie arrière 12. Une coupe transversale de la partie arrière fait apparaître pour le segment de tête de celle-ci une section en arc de cercle dont le rayon est représenté par la 10 lettre R; cette conformation a pour effet de canaliser l'écoulement autour de la face arrière de la partie frontale 11 de l'inducteur à travers l'intervalle 14 de façon à établir un passage fluidique de réaction de longueur stable entraînant la commutation des vortex à partir de l'un ou l'autre 15 côté de la partie frontale 11; ainsi en fonctionnement un vortex crée en passant une région de basse pression qui tend à attirer l'écoulement dans le passage autour de lui- même, et puisque cet écoulement est lui-même créateur de vortex il en induit un sur le côté opposé de la partie frontale; cette 20 action renforce considérablement le phénomène naturel d'induction et améliore la linéarité du débitmètre pour les nombres de Reynolds les plus bas (proches de 10 000). Les dimensions données en relation avec la fig 2 sont celles qui dans le contexte du tube de mesure 25 ayant un diamètre interne de cinq centimètres se sont avérées procurer des lectures de débit précises sur une large plage; la valeur D représentant le diamètre interne du tube de mesure, toutes les autres valeurs sont exprimées en fonction de D. Ainsi: R (rayon du tube de mesure) 0,50 D W 1 (longueur de la partie frontale) 2 0,26 D W 2 (longueur maximale de la partie arrière) u 0,33 D T (épaisseur de la partie frontale) 0,08 D 11 (longueur de la partie arrière) 0,39 D 12 (longueur des épaulements) 0,16 D S (étendue de l'intervalle 14) 0,05 D Ces dimensions sont applicables d'une manière générale à un débitmètre à vortex à double corps conrforme à l'invention mais ne sont pas pour autant les seules dimensions possibles ou souhaitables. L'inducteur ci-dessus décrit diffère du capteur à traînée du type décrit dans le Brevet U S 4 226 117 10 Herzl au regard de plusieurs points importants; dans la présente invention la partie arrière contrôle la configuration de réaction de façon mécanique, tandis que dans le montage de capteur à traînées l'écoulement à travers l'intervalle dans la partie arrière du corps e-ftfëctî-hydr-u-liquemn-t une 15 fonction équivalente. Bien que l'on ait décrit et représenté des formes particulières de réalisation de l'invention il doit être compris que la portée de cette dernière n'est pas limitée à ces formes mais qu'elle s'étend à un débitmètre à induction de vortex comportant des caractéristiques générales énoncées plus haut. REVENDICATIONS R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Débitmètre à induction de vortex destiné à la mesure des vitesses d'écoulement de fluides, caractérisé: en ce qu'il comprend pour agir en combinaison: un tube d'écoulement d'axe longitudinal, destiné à conduire le fluide soumis à la mesure, un inducteur à double corps disposé dans ledit tube de façon symétrique par rapport auxdits axes d'écoulement, ledit inducteur comportant une partie frontale mon10 tée de façon fixe en travers dudit tube, l'axe longitudinal de ladite partie frontale étant perpendiculaire auxdits axes d'écoulement, et une partie arrière disposée en aval de ladite partie frontale de façon à définir entre celle-ci un intervalle dont la conformation donne lieu à un chemin fluidique de réaction de telle sorte qu'une interaction hydraulique forte ait lieu entre lesdites parties, les deux parties servant à définir le courant de fluide et contribuant la formation de vortex périodiques qui sont générés alternativement sur l'un et l'autre côté de l'in20 ducteur, un arbre supportant en pivotement ladite partie arrière autour d'un axe de pivotement parallèle audit axe longitudinal est perpendiculaire audit axe d'écoulement, ce par quoi lesdits vortex induisent des oscillations dans la partie arrière à une fréquence dépendant de la vitesse d'écoulement, et un capteur:de couple relié de façon opérative audit arbre, destiné à convertir les oscillations de ces derniers en un signal représentant la vitesse d'écoulement. 2 Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé: en ce que ladite partie frontale a une section rectangulaire dont deux faces opposées sont perpendiculaires auxdits axes d'écoulement. o 3. Débitmètrè selon la revendication 2, caractérisé: en ce que ladite partie arrière comporte un segment de tête dont la face amont forme une paroi dudit intervalle, l'autre paroi étant formé par le dos de ladite partie frontale, et un segment de queue s'étendant à l'arrière, ou en aval, dudit segment de tête. 4. Débitmètre selon la revendication 3, caractérisé: en ce que ladite face amont a une conformation en arc de cercle destinée à canaliser l'é10 coulement dans l'intervalle pour provoquer un passage en réaction du fluide, de longueur-stable. 5. Débitmètre selon la revendication 4, caractérisé: en ce que le rayon de ladite face amont est environ égale à une fois et demie le diamètre 15 intérieur dudit tube d'écoulement. 6. Débitmètre selon la revendication 3, caractérisé: en ce que ledit segment de queue a une section transversale triangulaire. 7. Débitmètre selon la revendication 3, caractérisé: en ce que des épaulements de la jonction desdits segments de tête et de queue respectivement. 8. Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé: en ce que les extrémités dudit 25 arbre passe à travers ledit tube par des alésages étanches et sont couplés auxdits capteurs de couple. 9. Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé: en ce qu Lund&t capteur de couple limite les oscillations dudit arbre à des mouvements 30 d'amplitude microscopiques.