Brevet FR2549956A1 — publié le 19850201

DISPOSITIF DE MESURE DE DEBIT La présente invention s'applique à un dispositif de mesure de débit comportant un diaphragme de mesure disposé sur le parcours du 5 fluide s'écoulant dans une conduite, transversalement à la direction d'écoulement. On dispose pour la mesure des débits des différents fluides, d'un assez riche assortiment de principes et d'appareils de mesure A ces possibilités, sont venus s'adjoindre récemment divers procédés et dispo10 sitifs de mesure optique, acoustique, à ultrasons, à laser, et autres. Ces dispositifs mesurent en général les rapports d'écoulement modifiés par des corps disposés sur le trajet d'écoulement du fluide (voir DE-A-1 384 105) ou les oscillations apparaissant sur les corps disposés sur le trajet de l'écoulement (de tels appareils de mesure sont par 15 exemple décrits dans GB-A-1 482 699 et GB-A-1 533 717). Les diaphragmes de mesure ou les diaphragmes à fente mettent en oeuvre l'un des principes de mesure le plus anciennement connu Ces diaphragmes constituent sur le trajet du fluide s'écoulant dans une conduite des étranglements déterminés entre l'amont et l'aval engendrant 20 une différence de pression La vitesse ou la quantité de fluide en écoulement est déterminée par cette différence de pression L'inconvénient principal de ces dispositifs de mesure est dû au fait que la relation existant entre la différence de pression et l'écoulement volumique n'est pas linéaire et ne convient donc pas pour la matériali25 sation de la mesure. Un autre type d'appareil de mesure connu depuis longtemps est l'appareil dénommé rotamètre dont la caractéristique principale réside dans le fait qu'un corps flottant est disposé sur le trajet du fluide en écoulement, son mouvement étant proportionnel uniquement à la vitesse à 30 mesurer La résistance à l'écoulement du corps flottant est la cause de la chute de pression et dans ce mode de réalisation le mouvement du corps flottant peut être directement proportionnel au débit volumique de l'écoulement de fluide, pour autant que la conduite dans la direction de déplacement du corps flottant présente une section évasée Un inconvénient est cependant dû au fait que le corps flottant est maintenu (réglé) dans une position d'équilibre déterminée par des forces relativement faibles, la création de forces plus importantes apparaissant par contre assez difficile Il en résulte que d'une part une augmentation des dimensions du corps flottant conduirait à une augmentation non proportionnelle des dimensions de toute l'installation, d'autre part qu'en augmentant le diamètre du corps flottant, on ne laisserait qu'une fente étroite le long de la périphérie pour obtenir la section d'écoulement libre d'une masse donnée, ce qui conduit à un risque de blocage. On connaît également un mode de réalisation dans lequel le dépla15 cement du corps flottant est limité par un ressort, auquel cas la grandeur caractéristique pour le débit de fluide est la-variation de la force de réaction du ressort ou le déplacement du corps flottant On trouve par exemple également une telle solution dans GB-A-1 434 165. On connaît également des modes de réalisation dans lesquels le 20 débit volumique est déterminé par l'importance du déplacement d'une plaque d'obturation ou d'un clapet à l'encontre d'un ressort On trouve une telle solution également exposée dans GB-A-1 462 878 ou GB-A-1 476 574. L'inconvénient de ces modes de réalisation est semblable à celui qui a été exposé précédemment. Selon une autre variante de réalisation, l'organe qui se déplace (glisse) sous l'action de l'écoulement de liquide, est disposé dans l'ouverture du diaphragme de mesure Le déplacement mesuré de l'élément d'arrêt ou du diaphragme à l'encontre de la force de réaction du ressort, ou la chute de pression provoquée par l'étranglement, est ici 30 mesuré comme une grandeur proportionnelle au débit volumique Dans ce mode de réalisation, le guidage du diaphragme se déplaçant à l'encontre de la force de réaction du ressort engendre des frottements qui influencent défavorablement les résultats de la mesure. Un autre inconvénient est dû au fait que ces modes de réalisation 35 n'assurent une mesure précise que pour des conduites de relativement grand diamètre (de l'ordre de 10 cm environ) et ne conviennent pas pour effectuer des mesures dans des conduites de petit diamètre car il est nécessaire de mesurer un déplacement ou une diminution de pression qui se produit sous l'influence de forces trop faibles. L'un des buts de la présente invention est précisément de pallier les inconvénients précités, en particulier le problème de l'équilibre 5 des forces sensibles et caractéristiques pour la mesure des grandeurs faibles et de proposer un dispositif de mesure de débit dont la répartition intérieure de l'écoulement soit semblable à celle des diaphragmes utilisés précédemment mais qui soit cependant caractérisée par une section de passage variable qui garantisse qu'entre le signal de mesure 10 et le débit de liquide, à la place de la caractéristique quadratique obtenue naturellement, il apparaisse une relation fonctionnelle linéaire avantageuse et qui puisse être choisie de façon déterminée et convienne également pour le cas des mesures dans des conduites de petit diamètre. A cet effet, le diaphragme de mesure est constitué d'une membrane 15 élastique dotée d'une ouverture mobile et comporte un capteur de mesure apte à détecter le déplacement de la membrane élastique Le ou les capteurs de mesure est(sont) relié(s) à un circuit électronique de mesure Selon un mode de réalisation avantageux, le diaphragme de mesure est muni d'un organe réducteur (organe d'étranglement), l'organe réduc20 teur étant disposé de préférence en position fixe à l'intérieur de l'ouverture du diaphragme de mesure. L'organe réducteur peut être réalisé comme un élément dont la section qui se réduit dans le sens de l'écoulement ou comme une plaque disposee transversalement à la direction d'écoulement L'ouverture de la 25 membrane élastique peut être réalisée comme une partie tubulaire dont la section qui se réduit dans le sens de l'écoulement est déterminée de telle façon que la relation fonctionnelle entre le déplacement X, l'ouverture, la membrane élastique et le débit de fluide ev soit linéaire: X= Cv C étant une constante fonction de l'une des caractéristiques du déplacement de la membrane élastique et de la forme de l'organe réducteur. L'ouverture de la membrane peut être constituée d'une ou plusieurs fentes La membrane du dispositif de mesure de débit est avantageusement 35 repoussée par un ressort, de préférence par un ressort présentant une caractéristique linéaire, la constante C dépendant alors simultanément des caractéristiques de la membrane et du ressort L'organe réducteur peut être muni d'un organe de réglage disposé à son aval dans le sens d'écoulement du fluide. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'ouverture de la membrane est circulaire et l'enveloppe de l'organe réducteur est une surface torique concave. Le dispositif de mesure de débit selon l'invention peut être muni d'un ensemble d'affichage réalisé de préférence sous la forme d'un affichage électronique. Le dispositif de mesure de débit selon les caractéristiques qui viennent d'être exposées pallie les inconvénients des modes de réalisation connus car la différence de pression obtenue agit sur une surface 10 importante et l'équilibre des forces est favorable Il s'ensuit que le dispositif de mesure convient également pour la mesure de très petits débits et il permet d'obtenir une relation fonctionnelle déterminée entre le débit de fluide et la différence de pression En cas de rapports de débit pulsés, le dispositif de mesure de débit suit fidèlement 15 les variations car le déplacement détecté est piloté par des forces importantes comparativement aux forces de mesure et il convient particulièrement par la mesure de débits masse d'écoulement parsemés d'une phase de masses ou bulles gazeuses et ceci même dans le cas d'accumulation de gaz dans une proportion qui dépasse 100 % en volume Ces propriétés qualifient l'appareil entre autre pour son utilisation à la mesure instantanée de la consommation de carburant pour les véhicules automobiles. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description de différents modes de réalisation, faite à titre non limitatif et en regard du dessin annexé o: la figure i est un schéma de principe du dispositif de mesure de débit selon l'invention; la figure 2 est un schéma de principe d'un autre mode de réali30 sation du dispositif de mesure de débit; la figure 3 est un schéma de principe d'une autre variante; la figure 4 est une vue de dessus de la membrane comportant des fentes disposées selon des lignes spirales; la figure 5 est une vue de dessus de la membrane comportant une 35 seule fente en forme de U; la figure 6 est une vue en coupe longitudinale d'un mode de réalisation du dispositif de mesure appliqué à la mesure de la consommation de carburant; et la figure 7 est un schéma de liaison des circuits,électroniques de captage et de mesure du mode de réalisation de la figure 4. On voit sur le schéma de la figure 1 que le dispositif de mesure de débit selon l'invention comporte une membrane élastique 3 tendue dans une conduite 1 entre des flasques 2 et dans l'ouverture 4 de laquelle est disposé un organe réducteur (organe d'étranglement) 5 qui est fixé à un support 6 La membrane élastique 3 est repoussée par un ressort 7 et son déplacement dans l'une ou l'autre direction est repéré par un 10 capteur 8. La direction de l'écoulement volumique +v du fluide est indiquée par une flèche sur le dessin Lorsqu'il atteint la membrane 3, le fluide en écoulement se comporte comme dans les diaphragmes de mesure classiques La densité des lignes de flux augmente dans l'ouverture 4 de la 15 membrane élastique 3 et après l'ouverture 4, il se produit des tourbillons En conséquence, il règne avant la membrane élastique 3 la pression absolue la plus élevée Pl et après cette membrane 3, la pression absolue la plus faible P 2 Sous l'effet de la différence de pression: Pl P 2 = Ap, la membrane élastique 3 se déplace dans la direction de l'écoulement 20 et également avec elle l'ouverture 4 Comme l'organe réducteur 5 présente une section qui se réduit dans le sens de l'écoulement pour un déplacement X de l'ouverture 4 dans le sens de l'écoulement, la section libre A de l'ouverture 4 s'accroit, ce qui provoque une contre-réaction sur la différence de pression elle-même La relation fonctionnelle selon 25 un processus linéaire entre le déplacement X et la section A peut aisément et rapidement être calculée en connaissant les caractéristiques dimensionnelles du diaphragme La relation fondamentale qui s'applique pour les diaphragmes de mesure est la suivante: Lp =)2 '2 _ A o: E est un facteur de correction; P est la densité du liquide; A est la section libre de l'ouverture. On remarque que la relation entre la différence de pression et le débit volumique est quadratique et ne convient donc pas pour un e détermination précise Sur ces bases, il est donc nécessaire de varier la section libre de façon à obtenir une relation linéaire entre la différence de pression Ap et le débit volumique % Dans ce cas, A doit satisfaire à-la relation: A = C 1 /v Si l'on introduit une telle valeur de A dans l'équation précédente, on obtient une relation linéaire entre la différence de pression et le débit volumique Ceci peut s'obtenir en utilisant les relations: A = f 1 (Ap) et X = f 2 (Ap) Pour une ouverture circulaire 4 et un organe réducteur conique 5, on 10 obtient alors une valeur: A = C 2 /X ce qui signifie que l'enveloppe de l'organe réducteur 5 peut présenter dans le cas représenter à la figure 1 une surface faiblement concave par comparaison au cône de révolution droit Ceci signifie en pratique que 15 l'on utilise une surface torique concave. De cette façon, on obtient entre le déplacement X de l'ouverture 4 et le débit volumique v une relation linéaire telle que: X C 2 2 v o: C 3 est une constante qui dépend des caractéristiques aussi bien de la imelibranrie élastique 3 que du ressort 7. La figure 2 montre un mode de réalisation dans lequel l'organe réducteur 5 est une plaque (disque) disposée transversalement à la direction de l'écoulement L'ouverture 4 de la membrane élastique 3 est 25 réalisée ici sous la forme d'une partie tubulaire dont la section se réduit dans le sens de l'écoulement Le fonctionnement de ce mode de réalisation correspond sensiblement à celui représenté à la figure 1. L'organe réducteur 5 du mode de réalisation représenté à la figure 3 n'est pas disposé dans l'ouverture 4 de la membrane élastique 3 30 mais à sa proximité comme extrémité de la conduite 1 Le liquide qui s'écoule entre dans le corps 9 du dispositif de mesure de débit par des alésages radiaux 10 et s'écoule dans l'intervalle annulaire étroit existant entre l'organe réducteur 5 et sa membrane élastique 3 La hauteur de cet intervalle varie en fonction de l'écoulement par suite du 35 déplacement de la membrane élastique Dans cette variante, le déplacement de la membrane élastique 3 n'est pas tout à fait linéaire mais il s'en rapproche cependant beaucoup. Le dispositif selon l'invention peut également être réalisé de telle façon que l'ouverture prévue sur la membrane soit constituée par une ou plusieurs fentes Les figures 4 et 5 montrent de tels modes de réalisation de la membrane Dans le mode-de réalisation représenté à la figure 4, les fentes 4 suivent des lignes en spirale tandis que l'on trouve sur le mode de réalisation visible à la figure 5 une fente unique 4 en forme de U La largeur de ces fentes ou leur forme varie en fonction du débit d'écoulement La relation entre la quantité de fluide écoulé (débit) et le déplacement de la membrane peut aussi être influencée par la disposition de la fente sur la surface de la membrane En tenant compte du fait que, grâce aux fentes, on peut obtenir une carac10 téristique de membrane plus faible, on peut avantageusement mettre en oeuvre des modes de réalisation de ce type en particulier pour les réalisations de faibles dimensions car on peut ainsi éviter d'avoir à utiliser des membranes de grande surface ou exceptionnellement minces. La figure 6 montre en coupe longitudinale un mode de réalisation 15 pratique du dispositif de mesure de débit selon l'invention appliqué à la mesure des consommations de carburant d'un véhicule automobile. L'appareil de mesure de consommation est relié par un raccord d'entrée 11 à la conduite 1 La membrane élastique 3 et l'organe réducteur 5 sont disposés dans un corps 9 constitué de deux moitiés 9 a et 9 b. L'organe réducteur 5 est logé dans un raccord de sortie 12 fixé à la moitié 9 a, pour cela une vis de positionnement (vis de réglage) 13 est vissée dans un support 6 et l'organe de réglage 5 est relié à cette vis 13 par une tige 14 On peut ainsi procéder au réglage du dispositif de mesure de débit à l'aide de la vis de positionnement 13 L'ensemble du dispositif est disposé dans une enveloppe 15 à l'intérieur de laquelle est également logée l'électronique de mesure 16 de laquelle part un signal de mesure par un câble 17. La détection électronique de la position de la membrane 3 est réalisée par des moyens inductifs de sorte que l'objet à détecter exerce 30 une action variable fonction de sa position à l'aide d'un champ magnétique variable pour produire un effet inductif et que cette action variable réagit sur le courant ou la chute de potentiel entrainés par cet effet inductif Comme capteur de mesure 8, on utilise pour obtenir une bonne linéarité deux bobinages couplés en opposition L'objet à détecter placé entre les deux bobinages 8, à savoir la membrane 3, doit, compte tenu de ce qui précède, se distinguer par ses qualités magnétiques Dans le cas d'un champ magnétique à haute fréquence, il suffit que l'objet à détecter soit électriquement conducteur, car les courants de Foucault qui s'y induisent compensent pour ainsi dire l'absence d'une grande perméabilité magnétique. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 6, on utilise des bobinages 16 en forme de galette plate et qui entourent la membrane 3 Dans le cas o l'on utilise une membrane métallique, il n'est pas nécessaire d'ajouter d'autres pièces; pour des membranes en élasto5 mère, il faut ajouter des disques de détection en métal (par exemple en aluminium). Le schéma synoptique d'une variante possible de l'électronique de captage est représenté à la figure 7 On utilise un générateur de tension 18 pour alimenter le capteur de mesure 8 avec une tension d'amplitude sinusoïdale stabilisée La tension du point de raccordemnient 19 du capteur de mesure 8 qui varie proportionnellement au déplacement de la membrane, est transformée par un redresseur 20 en une tension continue U (sortie) qui peut être considérée comme une tension de sortie Il est nécessaire de prévoir d'autres transformateurs de signaux 15 tels que des amplifications, des filtrages, des mises à la tension nulle, etc pour le dispositif de mesure de débit. On peut, le cas échéant, relier au dispositif de mesure de débit un circuit électronique de visualisation à l'aide duquel on peut lire directement sur une échelle graduée la consommation en unités de quantité 20 telles que 1/h ou 1/100 km. Les dispositifs de débit et de mesure fonctionnant selon le principe de l'invention évitent l'influence perturbatrice du débit volumique des émissions de gaz ou de vapeur et pour une teneur en gaz de à 30 %, on peut encore considérer la mesure comme parfaite, c'est-à25 dire que la valeur instantanée de sortie est sensiblement proportionnelle au volume de liquide En cas d'écoulement pulsé, le dispositif de mesure de débit suit également bien les variations et convient également pour la mesure de débit faible de liquide car la position d'équilibre de la membrane élastique est assurée par l'équilibre de forces relativement 30 plus importantes On peut par conséquent négliger l'hystérésis et le point d'équilibre est stable. Bien que dans la description qui précède, on ait exposé uniquement le fonctionnement d'un dispositif de mesure de débit appliqué à la mesure de la consommation de carburant, il est évident que le principe 35 du mode de réalisation selon l'invention peut être appliqué à bien d'autres dispositifs de mesure de débit Tous ces dispositifs présentent les avantages exposés précédemment, à savoir une mise en oeuvre aisée et la capacité de suivre les variations faibles et/ou rapides du débit et ils conviennent à la mesure des débits pulsés. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés et elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de débit comportant un diaphragme demesure disposé sur le parcours du fluide s'écoulant dans une conduite, transversalement à la direction d'écoulement, caractérisé en ce que le diaphragme de mesure est constitué d'une membrane élastique ( 3) dotée d'une ouverture mobile ( 4) et comporte un capteur de mesure ( 8) apte à détecter le déplacement de la membrane élastique. 2. Dispositif de mesure de débit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur de mesure ( 8) est relié à un circuit 10 électronique de mesure ( 16). 3. Dispositif de mesure de débit selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le diaphragme de mesure est muni d'un organe réducteur (organe d'étranglement) ( 5). 4. Dispositif de mesure de débit selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'organe réducteur ( 5) est fixé rigidement et est disposé dans l'ouverture ( 4) de la membrane élastique ( 3). 5. Dispositif de mesure de débit selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'organe réducteur ( 5) est réalisé comme un élément dont la section qui se réduit dans le sens de l'écoulement, est 20 déterminée de telle façon que la relation fonctionnelle entre le déplacement (X) de l'ouverture ( 4), de la membrane élastique ( 3) et le débit de fluide (yv) soit linéaire: X = C Uv C étant une constante fonction de l'une des caractéristiques du 25 déplacement de la membrane élastique et de la forme de l'organe réducteur. 6. Dispositif de mesure de débit selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'organe réducteur ( 5) est une plaque disposée transversalement à la direction d'écoulement. 7 Dispositif de mesure de débit selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'ouverture ( 4) de la membrane élastique ( 3) est réalisée comme une partie tubulaire dont la section qui se réduit dans le sens de l'écoulement est déterminée de telle façon que la relation fonctionnelle entre le déplacement (X), l'ouverture ( 4), la membrane 35 élastique ( 3) et le débit de fluide (débit de liquide) ( v) X = C Uv C étant une constante fonction de l'une des caractéristiques du déplacement de la membrane élastique et de la forme de l'organe réducteur. 8. Dispositif de mesure de débit selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'ouverture ( 4) de la membrane ( 3) est constituée d'une ou plusieurs fentes ( 4). 9. Dispositif de mesure de débit selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'organe réducteur ( 5) est muni d'un organe de réglage ( 13) disposé à son aval dans le sens d'écoulement du fluide. 10 10 Dispositif de mesure de débit selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la membrane ( 3) est repoussée par un ressort ( 7). 11. Dispositif de mesure de débit selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il est muni d'un ensemble d'affichage. 15