Brevet FR2564978A1 — publié le 19851129

i L'invention concerne un dispositif et un procédé de mesure servant à détecter des écoulements dans des flui- des et/ou à mesurer la vitesse d'écoulement, sur la base d'un système non rotatif. Le fluide en écoulement peut être gazeux ou li- quide et être présent sous n'importe quelle forme d'état. L'invention peut être utilisée aussi bien dans l'industrie que dans l'agriculture et en outre en météo- rologie, dans le domaine de l'économie hydraulique, bref dans tous les domaines de la recherche et de la pratique, dans lesquels l'écoulement d'un fluide doit être détecté (même si l'écoulement doit être éliminé ou garanti) et en outre partout o la vitesse d' écoulement d'un fluide en écoulement doit être mesurée. Pour la détermination de la vitesse d'écoulement, on connaît de nombreuses solutions. Dans une partie de ces solutions, le capteur de vitesse est équipé d'éléments rotatifs. Ces éléments rotatifs peuvent être réalisés sous la forme de structures munies de cuillères ou d'ailes et dont la vitesse de rotation est proportionnelle à la vi- tesse d'écoulement du fluide. Dans un autre groupe de dis- positifs, on utilise comme capteur une plaque de pression perpendiculaire à l'écoulement et pouvant être déviée au - tour d'un axe horizontal et qui est déviée par la pression dynamique, agissant sur la surface située dans l'écoule- ment, à l'encontre d'un poids ou bien d'une autre force de rappel dans la position initiale. Le déplacement et la position des capteurs sont transmis à l'aide de moyens mécaniques aux appareils de lecture ou sont convertis de manière à fournir des signaux pneumatiques ou électriques qui peuvent être évalués direc- tement ou après un traitement approprié. Dans la demande de brevet déposée en Hongrie et publiée sous le n T/25 356 se trouve décrit un appa- reil comportant une plaque de pression qui possède un or- gane de retenue pénétrant dans le fluide en écoulement et disposé dans un plan perpendiculaire à la direction de l'écoulement et qui est fixé sur une extrémité d'un organe de maintien. L'autre extrémité de cet organe de maintien est montée sur la surface extérieure d'une partie déformable d'une jauge extensométrique. Le dispositif conforme au brevet britannique n 1.434.165 possède une constitution semblable. Dans le cas de cette solution, l'organe de retenue est fixé sur un organe de maintien élastique qui est monté dans une dérivation latérale fermée de la conduite tubulaire véhi- culant l'écoulement. Le dispositif conforme au brevet hongrois n 173.784 est équipé d'ailes pouvant être déviées, qui sont soumises à l'action de l'écoulement et qui sont mon- tées de façon appropriée de manière à pouvoir être pivotées autour d'axes parallèles ou coaxiaux. La déviation des ailes, provoquée par le fluide en écoulement, est gênée par une structure appropriée, mais n'est pas empêchée. L'élément caractéristique de tous ces dispositifs réside dans le fait qu'ils possèdent une constitution complexe et par conséquent sont sensibles aux perturbations en par- ticulier dans le cas de sévères contraintes de fonctionne- ment. Par conséquent il sont appropriés seulement d'une manière limitée pour l'exécution de mesures permanentes et fiables - chaque fois dans dcs conditions de fonction- nement difficiles. Le capteur, qui possède un nombre limi- té d'organes de retenue et parfois seulement un organe de retenue, permet de réaliser seulement des mesures par- tielles. La sensibilité de mesure n'est pas satisfaisan- tes, en particulier dans le cas de faibles vitesses. L'invention a pour but d'éliminer les inconvé- nients des constructions usuelles et de créer un disposi- tif de constitution simple, possédant une sensibilité de mesure supérieure et travaillant d'une façon fiable et sans perturbations dans de nombreux domaines et également sous des contraintes de fonctionnement sévères, pour dé- tecter des écoulements et/ou effectuer la mesure de la vitesse d'écoulement grâce à une combinaison des solutions comportant des parties rotatives et une plaque de pression. Par conséquent l'invention a pour objet un dispo- sitif pour détecter des écoulements de fluides et/ou pour déterminer la vitesse d'écoulement, du type contenant un système de retenue pouvant être dévié sous l'action de l'écoulement, un ou plusieurs générateurs de signaux dé- tectant la force agissant sur le système de retenue et, dans le cas o cela est nécessaire, une unité d'enregis- trement réalisant l'amplification et/ou la retransmission et/ou l'affichage et/ou le traitement des signaux délivrés par le générateur de signaux, caractérisé en ce qu'il com- porte un carter, un espace intérieur situé à l'intérieur du carter et fermé en totalité ou en partie pour le fluide en écoulement, et un ou plusieurs éléments de retenue dis- posés en équilibre autour de l'axe du système de retenue, qui correspond à la direction d'écoulement, et fixés sur ce système en étant disposés de préférence à l'extérieur de l'espace intérieur, et que le système de retenue possè- de un siège élastique et/ou est relié à une unité compen- sant en totalité ou en partie la force agissant sur les organes de retenue. Il est avantageux que les organes de retenue soient reliés d'une manière étanche a l'espace intérieur. Pour régler la sensibilité, on peut régler le plan des organes de retenue par rapport à la direction d'écoulement. L'élasticité existant entre les organes de retenue et le support du système de retenue peut être obtenue de préfé- rence par des ressorts-lames, dont le plan passe par l'axe d'équilibre. Dans le cas d'une autre forme de réalisation préférée, l'unité de compensation du dispositif est un ressort et/ou un mécanisme chargé par un poids et/ou un mécanisme électromagnétique. Les générateurs de signaux et/ou l'unité de com- pensation sont disposés de préférence dans l'espace inté- rieur - en étant isolés électriquement dans le cas o cela est nécessaire. L'invention porte également sur un procédé pour détecter des écoulements dans des fluides et/ou pour déter- miner la vitesse d'écoulement a l'aide du système de rete- 0 nue non rotatif conforme a l'invention. Ce procédé est caractérisé en ce que l'on mesure le couple exercé par la composante, agissant dans le plan perpendiculaire a l'axe d'équilibre, de la force de poussée du fluide en écoulement ou la déformation - éventuellement élastique- provoquée par ce couple. La solution conforme à l'invention est basée sur le fait selon lequel un dispositif fixe, qui comporte un système de retenue, mais qui peut être dévié par l'ac- tion du fluide en écoulement et qui est réalisé sous la forme d'une combinaison des solutions comportant des orga- nes rotatifs et des solutions comportant des plaques de pression, associe en soi de façon appropriée les avantages des deux groupes et présente en outre d'autres avantages. La solution conforme à l'invention accroît la sensibilité de mesure, ce qui est avantageux notamment dans le cas de faibles vitesses d'écoulement. En outre la plage de mesure est également plus importante et peut s'étendre par exemple dans le rapport 1:100. Le système de retenue peut être réalisé par un nombre quelconque d'organes de retenue d'une taille quelconque. Avec ce dispositif on peut mesurer, dans le cas d'unedéviation du système de retenue - disparaissant complètement dans le cas de la présence d'une unité de compensation -, c'est-à-dire dans des systèmes de retenue existant dans la pratique, le cou- ple exercé par la composante, agissant perpendiculairement au plan de l'axe d'équilibre, de la force de poussée du fluide en écoulement ou la déformation - éventuellement clastique - produite par ce couple. Par rapport aux com- posantes de la force de poussée, agissant dans une autre direction, le dispositif se comporte à la manière d'un dispositif rigide et c'est pourquoi il n'apparaît pratiquement aucune autre déformation influençant la me- sure. Il résulte de la position d'équilibre du système de retenue, que la pression de la mesure est indépendante iS de la position du dispositif pendant la mesure. L'écart de l'axe d'équilibre du système de retenue par rapport à la direction d'écoulement provoque, même lorsqu'il s'agit d'un angle d'environ 15-20 , seulement un écart de mesure de 2-3 %, ce qui se situe en-deçà des limites de précision d'appareils de mesure prévus pour des usages normaux. Le dispositif conforme à l'invention peut être utilisé notamment dans des mines pour détecter la présence d'un écoulement d'air, pour réaliser la mesure continue de la vitesse d'écoulement et pour réaliser son enregis- trement en un point éJoigné du point de mesure, par exem- ple pendant la journée. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur les- quels: - la figure] représente schématiquement une coupe longitudinale du dispositif conforme à l'invention; et - la figure 2 représente la coupe transversale prise suivant le plan II-II. Le système de retenue du dispositif représenté sur les figures 1 et 2 comporte quatre organes de retenue 2 qui sont reliés au support 5 du système de retenue par l'intermédiaire de ressorts-lames garantissant une suspen- sion élastique 3. Les ressorts-lames comportent sur cha- que face plane respectivement une jauge extensométrique; ces dernières constituent, en étant réunies de façon appro- priée, lesgénérateursde signaux 14 du dispositif. La sus- pension élastique 3, les ressorts-lames, le support 5 et le capteurgénérateur de signaux 14 sont disposés dans l'espace intérieur 8 des carters 7 (comportant une garni- ture d'étanchéité non représentée sur la figure 1. Le sup- port 5 du système de retenue est relié rigidement au car- ter 7. Ce dernier est relié, par l'intermédiaire d'entre- toises 10, à l'enveloppe 11 du dispositif, & laquelle le dispositif peut être suspendu dans une galerie de mine, et ce à une hauteur correspondante et suivant la direction d'écoulement. Le dispositif contient en outre un organe 12 de guidage de l'air, qui est disposé sur le côté du système de retenue, tourné vers les organes de retenue 2, ainsi qu'un organe 13 de guidage de l'air servant à effectuer des mesures dans la direction opposée. Dans le cas du dispositif ici choisi à titre d'exemple, l'axe d'équilibre 9 du système de retenue coin- cide avec l'axe de symétrie du système de retenue et de l'ensemble du dispositif. Une unité d'enregistrement - non représentée- utilisé pour amplifier, retransmettre, afficher et éven- tuellement traiter le signal, est raccordée aux capteurs- générateurs de signaux 14 constitués par les jauges exten- sométriques. Le dispositif fonctionne de la manière indiquée ci-après. L'air en écoulement rencontre les organes de retenue 2. Sous l'effet du choc la direction du courant d'air et également la quantité de mouvement de l'air en écoulement varient. Le courant d'air apparaissant charge les organes de retenue avec une force correspondant à la direction de l'écoulement. Une composante de cette force est perpendiculaire au plan de l'axe d'équilibre 9 et, de ce fait, le système de retenue est chargé par un couple déterminé. Les autres composantes de la force n'entraînent, dans la suspension élastique 3, aucune déformation pertur- bant la mesure. Les ressorts-lames sont déformés sous l'action du couple et cette déformation produit au niveau des jau- ges extensométriques un signal de mesure correspondant. Le signal de mesure du capteur-générateur de siúnaux 14 est envoyé à un amplificateur possédant une sensibilité correspondante et qui amplifie le signal,avec le facteur nécessaire. Ce signal peut être visualisé sur un dispositif d'affichage quelconque - analogique ou numé- rique - et/ou peut être envoyé à un dispositif d'enregis- trement. Le signal amplifié de façon correspondante peut être également retransmis sur des distances assez impor- tantes, en vue d'un autre traitement du signal, et peut être envoyé par exemple -à une centrale de distribution et/ou peut être traité par calculs. Aucune unité de compensation n'est prévue dans le dispositif représenté sur les figures. On va donner ci-après des explications plus détaillées sur une telle unité, également en se référant à un exemple de réalisation. L'unité de compensation peut être un enroulement tournant qui est relié au système de retenue. En raison du couple agissant sur le système de retenue, l'enroule- ment tournant est tenu de s'écarter en tournant. A l'aide d'un capteur correspondant (par exemple avec un capteur optique comportant des diodes à luminescence, des photo- transistors, des photorésistances, etc), on peut obtenir un signal de sortie qui est une fonction de préférence continue et monotone de la déviation, dans la plage angu- laire requise. Ce signal de sortie parvient à un amplifi- cateur électronique, dont la sortie possède de façon appro- priée la caractéristique d'un générateur de courant. Lors- que ce courant de sortie est envoyé avec une phase cor- '64978 respondant a l'enroulement tournant, ce dernier doit être entraîné dans la direction opposée à celle du couple agis- sant sur le système de retenue. Ainsi la déviation de l'en- roulement tournant est si faible qu'on peut considérer dans la pratique qu'elle est inexistante. Dans ce cas il est approprié d'utiliser comme signal de sortie l'intensi- té de courant envoyée à l'enroulement tournant ou bien la tension proportionnelle à cette intensité de courant. L'invention présente les avantages principaux suivants: 1) La sensibilité de mesure et l'aptitude a sui- vre le signal sont meilleures que dans les dispositifs connus. 2) Par suite de la position en équilibre des organes de retenue, le seuil de réponse est également plus faible. 3) Le dispositif comporte pratiquement uniquement des parties fixes, sa constitution est simple et de ce fait les coûts de fabrication, de fonctionnement et de maintenance sont faibles. 4) Le dispositif peut être utilisé dans de nom- breux domaines, fonctionner dans des conditions de fonc- tionnement sévères et de façon continue, est fiable et nécessite a peine un entretien. 5) Avec ce dispositif, on peut également suivre des variations de très faibles vitesses d'écoulement, et par exemple on identifie les écoulements d'air nécessaires ou non désirés et on les règle de façon correspondante au niveau de postes de travail, dans des salles de repré- sentations et de conférences, dans des salles climatisées, dans des chambres frigorifiques, dans des conteneurs et dans des espaces utilisés dans des buts industriels et agricoles à divers titres. 6) Le dispositif conforme a l'invention et le procédé de mesure conforme à l'invention sont en outre appropriés pour réaliser la mesure des conditions d'écou- lement de rivières ou d'autres masses d'eau d'une étendue importante et pour la détermination de la distribution des vitesses. La solution conforme à l'invention convient en outre également pour la mesure d'écoulements verticaux de très faible vitesse, comme par exemple dans les pro- cessus d'auto-nettoyage d'eaux. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour détecter des écoulements de fluides et/ou pour déterminer la vitesse d'écoulement, du type contenant un système de retenue pouvant être dévié sous l'action de l'écoulement, un ou plusieurs générateurs de signaux détectant la force agissant sur le système de retenue et, dans le cas o cela est nécessaire, une unité d'enregistrement réalisant l'amplification et/ou la retrans- mission et/ou l'affichage et/ou le traitement des signaux délivrés par le générateur de signaux, caractérisé en ce qu'il comporte un carter (7), un espace intérieur (8) si- tué a l'intérieur du carter (7) et fermé en totalité ou en partie pour le fluide en écoulement, et un ou plusieurs éléments de retenue (2) disposés en équilibre autour de l'axe (9) du système de retenue, qui correspond à la di- rection d'écoulement, et fixés sur ce système en étant dis- posés de préférence à l'extérieur de l'espace intérieur (8), et que le système de retenue possède un siège élasti- que (3) et/ou est relié à une unité compensant en totalité ou en partie la force agissant sur les organes de retenue (2). 2. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les organes de retenue (2) sont reliés de façon étanche à l'espace intérieur (8). 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le siège élastique (3) est formé par des ressorts-lames situés entre les organes de retenue (2) et le support (5) du système de retenue et que l'axe d'équilibre (9) est situé dans le plan des res- sorts-lames. 4. Dispositif suivnat l'une quelconque des re- vendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'unité de com- pensation est un ressort et/ou un mécanisme chargé par un poids et/ou un mécanisme électromagnétique. 5. Dispositif selon l'une quelconque des reven- Il dications là 4, caractérisé en ce que les capteurs-géné- rateurs de signaux (14) et/ou l'unité de compensation sont logés dans l'espace intérieur (8) - éventuellement en étant isolés électriquement. 6. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 1 a 5, caractérisé en ce que le plan des organes de retenue (2) est réglable par rapport à la direction d'écoulement. 7. Procédé pour détecter des écoulements dans des fluides et/ou pour déterminer la vitesse d'écoulement à l'aide du dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 6, caractérisé en ce que l'on mesure le couple exercé par la composante, agissant dans le plan perpen- diculaire à l'axe d'équilibre, de la force de poussée du fluide en écoulement ou la déformation - éventuellement élastique - provoquée par ce couple.