Brevet FR2579746A1 — publié le 19861003

XI Débitmètre fluidique capable de mesurer de grandes variations de débit." La présente invention concerne un débitmètre fluidique comportant un élément fluidique avec un passage convergent, une buse de jet en aval du passage convergent, un passage divergent prévu en aval de la buse de jet, une paire de buses de commande étant prévues entre la buse de jet et le passage divergent, ces buses de commande étant opposées l'une à l'autre par rapport à la direction de projection du jet de fluide par la buse de det, et sensiblement perpendiculairement à cette direction, ainsi que des passages de retour qui relient un point en aval du passage divergent respectivement aux buses de commande. Ce type de débitmètre utilise l'effet Coanda, c'est-à-dire le fait qu'un jet de fluide projeté d'une buse de jet se stabilise suivant un écoulement le long de l'une des parois inclinées du passage divergent et un phénomène selon lequel le jet de fluide projeté de la buse de jet s'écoule alternativement le long des deux parois du passage divergent sous l'effet de jets de fluide émis alternativement par deux buses de commande. Ce débitmètre mesure le débit à partir de la variation de fréquence résultant de la modification de la direction du jet de fluide projeté par la buse de jet. Les débitmètres fluidiques classiques du type décrit ci-dessus comportent seulement un élément fluidique avec une buse de jet qui définit une seule ouverture de sortie. Lorsque l'ouverture de sortie a une faible surface pour avoir une grande sensibilité, on peut mesurer un faible débit avec une grande précision mais la perte de charge, importante, qui en résulte, ne permet pas de mesurer des débits importants. Inversement, lorsque l'ouverture de sortie a une surface importante pour permettre la mesure très précise d'un débit important, la sensibilité de la mesure est mauvaise pour un faible débit. Ainsi, les débitmètres fluidiques classiques ne permettent pas d'effectuer des mesures précises pour une plage de variations de débit, importante. La présente invention a pour -but de créer un débitmètre fluidique permettant de mesurer avec une grande précision des débits quelle que soit l'importance de la variation de ces débits. L'invention a également pour but de créer un débitmètre permettant de mesurer une alimentation continue en fluide, de façon satisfaisante quelles que soient les variations brusques de débit et pour éviter efficacement toute difficulté au niveau du débitmètre par exemple si la veilleuse d'une chaudière à gaz s'éteint accidentellement. A cet effet, l'invention concerne un débitmètre fluidique comportant un élément fluidique avec un passage convergent, une buse de jet en -aval du passage convergent, un passage divergent prévu en aval de la buse de jet, une paire de buses de commande étant prévues entre la buse de Jet et le passage divergent, ces buses de commande étant opposées l'une à l'autre par rapport à la direction de projection du jet de fluide par la buse de jet, et sensiblement perpendiculairement à cette direction, ainsi que des passages de retour qui relient un point en aval du passage divergent respectivement aux buses de commande, débitmètre caractérisé par deux élé ments fluidiques à savoir un premier élément fluidique et un second élément fluidique qui diffèrent essentiellement uniquement par la surface d'ouverture de la buse de jet et par un passage de dérivation qui communique avec le premier élément fluidique, dont la buse de jet a une grande surface d'ouverture, en parallèle avec le second élément fluidique dont la buse de jet a une petite surface d'ouverture, ce passage de dérivation comportant une vanne destinée à s'ouvrir lorsque le débit dépasse une valeur prédéterminée. Le débitmètre fluidique selon l'invention, tel que défini ci-dessus, présente les caractéristiques suivantes Pour un débit important, la vanne est ouverte, de sorte que le fluide s'écoule en quantité importante à travers le premier élément fluidique et le passage de dérivation. Lors des faibles débits, le fluide s'écoule à travers les deux éléments fluidiques sans passer par le passage de dérivation. Ainsi, les signaux correspondant à des débits importants du premier élément fluidique, sont utilisés pour mesurer un débit important ; cette mesure se fait avec une grande précision et sans perte significative puisque le premier élément fluidique comporte une buse de jet ayant une grande surface d'ouverture. Par contre, les signaux de débits faibles émis par le second élément fluidique sont utilisés pour mesurer les faibles débits. Le second élément fluidique comporte une buse de jet ayant une faible surface d'ouverture, ce qui permet de mesurer un faible débit avec une grande précision et une grande sensibilité. En conséquence, la présente invention donne un débitmètre fluidique utilisable pour de grandes variations ayant lieu souvent, tout en permettant une mesure précise de tous ces débits. Le débitmètre selon l'invention s'applique avantageusement comme débitmètre installé dans une conduite de gaz ou une conduite d'eau, chez les particuliers. Lorsque la perte de charge est inférieure à 15 mm d'eau, la mesure selon l'art antérieur peut se faire seulement pour des variations de débits de l'ordre de 50 à 3 000 11h alors que la mesure à l'aide du débitmètre de l'invention permet des variations de débits comprises entre 10 et 3 000 l/h ou plus. Ainsi, le débitmètre fluidique selon l'invention présente des caractéristiques nécessaires pour un débitmètre ou compteur à gaz destiné à mesurer la consommation de gaz d'un ménage. La vanne est de préférence constituée par une vanne de commande à diaphragme. Pour un débit important, il y a une grande différence de pression de fluide en amont du second élément fluidique et en aval de celui-ci. Ainsi, la vanne de commande s'ouvre et maintient la différence entre les deux pressions dans une plage prédéterminée et le fluide s'écoule en quantité importante à travers le premier élément fluidique et le passage de dérivation. Pour les faibles débits, il y a seulement une faible différence entre la pression du fluide en amont et en aval du second élément fluidique ; cette différence de pression reste dans la plage prédéterminée et la vanne de commande reste complètement fermée. Le fluide s'écoule ainsi en faibles débits à travers les deux éléments fluidiques sans passer par le passage de dérivation. Comme le passage de dérivation s'ouvre et se ferme automatiquement grâce au diaphragme, on conserve la précision de la mesure à un niveau élevé, efficacement et à tout instant malgré les variations importantes du débit. De plus comme la vanne de commande maintient dans une plage prédéterminée la différence entre la pression amont et la pression aval, le passage de dérivation s'ouvre et se ferme de façon fiable et stable sans incident tel qu'une succession d'ouvertures et de ferme tures ; cela permet une mesure fiable du débit lorsque le débit est à une valeur critique de commutation d'un mode de mesure à l'autre. De façon plus particulière, la vanne de commande peut s'ouvrir et se fermer automatiquement en fonction de la variation de pression pour une position mais la pression qui ouvre et ferme la vanne de commande doit varier de façon importante en fonction de l'ouverture et de la fermeture de la vanne de commande en soi. Cela entrarnerait l'ouverture et la fermeture répétées de la vanne de commande réduisant sérieusement la précision de mesure.Or, la présente invention n'est pas entachée d'un tel inconvénient. Suivant une autre caractéristique, la vanne de commande se compose d'un élément principal de vanne et d'un élément auxiliaire poussé par un ressort dans une position de fermeture par rapport à l'élément principal, l'élément auxiliaire étant susceptible d'être ouvert par la pression du fluide amont lorsque l'élément principal de vanne est ferme. A titre d'exemple, lorsque le brûleur principal est allumé par la veilleuse d'une chaudière à gaz, comme le gaz passant suivant un faible débit, l'élément principal de vanne étant complétement fermé, le débit en aval du débitmètre augmente brusquement. La différence de pression sur l'élément principal de vanne augmente et ouvre cet élément principal. Même si à ce moment il y a un retard à l'ouverture de l'élément principal, ce qui est possible puisque la force d'ouverture de la vanne est appliquée par le diaphragme, l'élément auxiliaire s'ouvre sans retard sous l'effet de la différence de pression agissant directement sur cet élément. Ainsi, ce montage permet non seulement de mesurer de façon précise un débit malgré les variations importantes du début mais conserve également de façon efficace une alimentation suffisante en fluide lorsque se produit une augmentation brusque du débit.Cette réalisation évite l'inconvénient tel que l'extinction du feu d'une chaudière à gaz par suite d'une chute de pression de gaz lors de l'allumage du brûleur principal par la veilleuse. La présente invention sera décrite de façon plus détaillee à l'aide des dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe d'un débitmètre fluidique selon la présente invention. - la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne II-II de la figure 1. - la figure 3 est un graphique représentant la variation de pression en fonction de la variation de débit. - la figure 4 est une vue en coupe d'une variante d'éléments fluidiques. Description des différents modes de réalisation préférentiels Les figures 1 et 2 montrent un exemple de réalisation d'un débitmètre fluidique selon l'invention ce débitmètre se compose d'une partie amont et d'une partie aval dans une conduite 1. La partie amont est subdivisée par une cloison 9 en un passage étroit 13 et un passage de dérivation large 15. Le passage étroit 13 comprend un élément fluidique amont A qui sera décrit ultérieurement. Le passage de dérivation 15. comporte une vanne de commande C à diaphragme pour ouvrir et fermer le passage de dérivation 15. La partie aval de la conduite 1 qui communique avec le passage étroit 13 et avec le passage de dérivation 15 comporte un élément fluidique aval B qui sera décrit ci-après. Les éléments fluidiques amont et aval A et B ont la même réalisation. Chaque élément fluidique se compose d'une paire d'éléments 4a et 4b définissant un premier passage ; ces éléments sont disposés symétrique ment par rapport à l'axe longitudinal P de la conduite 1 pour former un passage convergent 2 et une buse de jet 3. Le passage convergent 2 dirige le fluide en douceur vers la buse de Jet 3 qui projette le fluide suivant un jet essentiellement parallèle à l'axe longitudinal P. Chaque élément fluidique comporte en outre une paire de cloisons 8a et 8b disposées symétriquement par rapport à l'axe longitudinal P pour former un passage divergent 5 ; il comporte également une paire de buses de commande Ga et 6b et deux passages de retour 7a et 7b qui relient un point en aval du passage divergent 5 respectivement aux buses de commande a et 6b.Les buses de commande 6a et 6b sont placées entre la buse de jet 3 et le passage divergent 5 ces buses de commande sont opposées l'une à l'autre de part et d'autre de la direction de-projection du jet de fluide par la buse de Jet 3 et sensiblement perpendiculairement à cette direction. En outre une paire d'éléments 12a-et 12b définissant un second passage est disposée symétriquement par rapport à l'axe longitudinal P pour former un passage d'étranglement en aval du passage divergent 5. Lorsque le jet de fluide commence à être éjecté de la buse de jet 3, le fluide s'écoule le long de l'une des cloisons Sa par effet Coanda. Il en résulte l'application d'une énergie de fluide, importante du passage de retour 7a à la buse de commande a définie par la cloison 8a, de sorte que le jet de fluide s'écoule le long de la cloison opposée 8b. Puis, l'énergie du fluide provenant de la buse de commande 6b, opposée, fait de nouveau couler le jet de fluide le long de la première cloison 8a.De cette manière, le fluide projeté par la buse 3- s'écoule en alternance le long des deux cloisons 8a et Sb et ainsi la direction de l'écoulement du jet de fluide change suivant un cycle d'autant plus court que la quantité de fluide du jet est importante, et cela suivant une fonction quantitative. Il est prévu une cible 14 en aval du passage divergent 5 pour favoriser la stabilisation de l'écoulement du jet de fluide dans l'une ou l'autre direction. L'élément fluidique amont A présente par exemple une hauteur de 5 mm, une largeur de buse de 0,5 mm et une surface d'ouverture de buse de 2,5 mm2; l'élément fluidique aval B a par exemple une hauteur de 35 mm ; une largeur de buse de 2 mm et une surface d'ouverture de buse 70 mm2. La buse de jet 3 de l'élément fluidique amont A présente une surface d'ouverture plus faible que celle de la buse de Jet 3 de l'élément fluidique aval B ; la surface d'ouverture de la première buse correspond à 1/28émue de la surface d'ouverture de la seconde buse. Ainsi, la corrélation entre le débit et la fréquence suivant laquelle la direction d'écoulement du jet de fluide change, donne une précision élevée pour l'élément fluidique amont A pour les faibles débits et pour l'élément fluidique aval B lorsque le débit est important. Le débitmètre fluidique selon l'invention comporte en outre des capteurs 10 prévus chacun dans les passages de retour 7a de chacun des deux éléments fluidiques A et B pour détecter la variation de pression ou de débitiainsi qu'un dispositif-indicateur de débit 11 recevant les signaux de fréquence des détecteurs 10 indiquant la variation de pression ou de débit ; les signaux de fréquence donnent les débits qui sont alors indiqués. La vanne de commande C peut être mise en oeuvre lorsque le débit dépasse une valeur prédéterminée de façon à maintenir la différence de pression (P1-P2) entre la pression du fluide en amont (P1) de la vanne et la pression du fluide (PA) en aval de la vanne, pour que cette différence reste dans une plage prédéterminée. Cette vanne de commande C se compose d'un organe principal 16 pour ouvrir et fermer le passage de dérivation 15 et un diaphragme 17 coopérant avec l'élément principal 16. Le diaphragme 17 se trouve entre une chambre de pression 18a communiquant avec le passage de dérivation 15 en amont de l'élément principal 16 de la vanne et une chambre de pression 18b communiquant par un passage 19 avec l'entrée de l'élément fluidique aval B.Le diaphragme 17 est muni d'un ressort 20 qui pousse le diaphragme 17 vers la position de fermeture de la vanne ; un aimant 22 coopère avec l'aimant 21 pour maintenir le diaphragme 17 en position de fermeture. Un dis positif d'accrochage D est prévu entre la tige 23 partant de l'élément principal 16 de la vanne et un organe d'accro chage 24 fixé au diaphragme 17. Ce dispositif d'accrochage D permet au diaphragme de se rapprocher dans une certaine mesure de sa position d'ouverture de la vanne tout en lais sant l'élément principal 16 de la vanne dans une position complétement fermée. Un ressort 35 est prévu entre l'élé ment principal 16 et l'organe d'accrochage 24 ; ce ressort 25 pousse l'élément principal 16 de sa position d'ouverture vers sa position de fermeture, en synchronisme avec le diaphragme 17 vers la position de fermeture de la vanne. La figure 3 montre à titre d'exemple la variation de la différence de pression (P1-P2) en fonction de la variation de débit. On suppose que le débit augmente progressivement à partir de zéro ; la différence de pression (P1-P2) est faible au début et le fluide s'écoule de l'élément fluidique amont A vers l'élément fluidique aval B, la vanne de commande C restant dans sa position complé tement fermée. Puis, la différence de pression augmente du point D1 jusqu'au point D2, ce qui correspond à une première différence de pression A P1 et du point D2 jus qu'au point D3, la vanne de commande C restant dans la position fermée du fait de l'aimant 22.Lorsque la diffé rence de pression (P1-P2) atteint une seconde valeur de différence de pression prédéterminée A P2, le diaphragme 17 se déplace vers une position séparant l'aimant 21 de l'aimant 22 ; l'élément principal 16 de la vanne s'ouvre et la différence de pression (P1-P2) chute du point D3 au point D4 ; la différence de pression revient alors à la première valeur de la différence de pression lu P1. Puis, la différence de pression (P1-P2) reste constante pendant un certain temps par changement du degré d'ouverture de la vanne de commande C correspondant à l'augmentation du débit. Lorsque la vanne de commande C est dans sa position complètement ouverte, la différence de pression augmente légèrement à partir du point D4 pour atteindre en définitive le point D5 correspondant au débit maximum. La vanne de commande C comporte un élément de vanne 26 auxiliaire poussé par un ressort 27 en position de fermeture par rapport à l'élément principal de vanne 16. Cet élément auxiliaire 26 est susceptible de s'ouvrir sous l'effet-de la pression du fluide amont P1 lorsque l'élément principal 16 de vanne est complétement fermé. Lorsque l'élément principal 16 est complétement fermé èt que la pression aval P2 chute fortement et rapidement, l'élément auxiliaire 26 de vanne s'ouvre provisoirement Jusqu'à ce que l'élément principal 16 de la vanne s'ouvre de façon à contrôler ainsi la chute de pression aval P2. Le dispositif-indicateur de débit 11 comporte une unité d'évaluation lla pour déterminer si la fréquence d'un premier signal provenant du capteur 10 de l'élément fluidique aval B est en-dessous d'une valeur déterminée ; ce dispositif comporte également une unité de traitement llb qui travaille en fonction des instructions de l'unité d'évaluation lla pour déterminer les débits à partir d'un second signal provenant du capteur 10 de l'élément fluidique amont A lorsque la fréquence du premier signal est en-dessous de la valeur réglée et pour donner les débits à partir du premier signal lorsque la fréquence du premier signal dépasse la valeur réglée ; le dispositif comporte également une unité d'affichage llc pour indiquer les débits.Le débitmètre selon l'invention comportant le dispositif-indicateur de débit 11 permet une mesure précise dans une plage étendue de débits allant de 10 à 3 000 l/h, par exemple, tout en maintenant la différence de pression du fluide en-dessous de 15 mm d'eau. La valeur réglée, mentionnée ci-dessus se trouve sensiblement au milieu entre une fréquence minimale dans le premier signal et une fréquence qui se trouve directement avant l'instant de l'ouverture de la vanne de commande C. En d'autres termes, lorsque le débit augmente, l'unité d'évaluation lia commence à mesurer la fréquence du premier signal avant que l'élément principal 16 de la vanne ne s'ouvre. Inversement, lorsque le débit diminue, l'unité d'évaluation lia continue à mesurer la fréquence du premier signal après la fermeture de l'élé- ment principal 16 de la vanne.En conséquence, la mesure de débit faite à partir du premier signal est exécutée sans erreur ou avec une erreur réduite au minimum du fait de l'abaissement de la linéarité dans la corrélation entre le débit et la fréquence et sans qu'il n'y ait d'erreur engendrée par l'ouverture de l'élément principal 16 de la vanne. La figure 4 montre une variante d'éléments fluidiques. Dans cette réalisation, les éléments 12as et 12b' qui définissent le second passage s'étendent dans un intervalle entre deux cloisons Sa et 8b jusqu'à des endroits se trouvant à faible distance ss 2 de la cible 14 et en chevauchant les cloisons 8a' et 8b' sur une longueur appropriée Q 3. Cette réalisation offre l'avantage d'aug- menter la variation de fréquence du signal du capteur 10 se produisant pour des variations de quantités unitaires du débit à mesurer.En outre en réglant la longueur de chevauchement Q 3, appropriée pour permettre aux cloisons 8a', 8b' d'avoir une longueur importante Q 1, on adapte les passages de retour 7a et 7b pour effectuer une fonction de redressement pour contrôler les impulsions irrégulières du signal du capteur 10. Les éléments 12a' et 12b' qui définissent le second passage ont une longueur suffisante pour avoir un passage d'étranglement entre ces éléments et ayant une longueur suffisante ffi 4 pour atténuer la variation de largeur d. Ainsi, les éléments 12a' et 12b' qui définissent le second passage ont des parois latérales internes courbes pour venir en saillie vers l'intérieur. Cette réalisation des éléments définissant le second passage favorise en outre la suppression des impulsions irrégulières. Dans le mode de réalisation précédent, l'élément fluidique ayant la petite ouverture de buse et le passage de dérivation se trouve en amont de l'élément fluidique à grande ouverture de buse ; toutefois, l'invention peut également se mettre en oeuvre en inversant cette disposition amont/aval. De plus, le débitmètre fluidique décrit ci-dessus peut-se modifier de nombreuses manières sans sortir du cadre de l'invention. A titre d'exemple l'élément auxiliaire 26 peut être modifié quant à sa structure spécifique et à sa position de montage. La vanne de commande C à diaphragme peut être modifiée le cas échéant dans sa réalisation. I1 est clair que la vanne de commande peut être remplacée par n'importe quelle autre vanne qui s'ouvre et se ferme en fonction de la variation de débit. Le mode de détection et la construction des détecteurs 10 ainsi que leur nombre peuvent être modi fiés le cas échéant. Par exemple, on peut avoir des détecteurs 10 dans les deux passages de retour 7a et 7b de chaque élément fluidique. Le dispositif-indicateur de débit 11 peut également être modifié de différentes manieres. Le débitmètre décrit ci-dessus est destiné principalement pour mesurer la consommation ménagère de gaz combustibles ou d'eau sans être limité à de telles applications. REVENDICATIONS 10) Débitmètre fluidique comportant un élément fluidique avec un passage convergent, une buse de jet en aval du passage convergent, un passage divergent prévu en aval de la buse de jet, une paire de buses de commande étant prévues entre la buse de jet et le passage divergent, ces buses de commande étant opposées l'une à l'autre par rapport à la direction de projection du jet de fluide par la buse de jet, et sensiblement perpendiculairement à cette direction, ainsi que des passages de retour qui relient un point en aval du passage divergent respectivement aux buses de commande, débitmètre caractérisé par deux éléments fluidiques à savoir un premier élément fluidique (B) et un second élément fluidique (A) qui diffèrent essentiellement uniquement par la surface d'ouverture de la buse de jet (3) et par un passage de dérivation (15) qui communique avec le premier élément fluidique (B), dont la buse de jet (3) a une grande surface d'ouverture, en para-llèle avec le second élément fluidique (A) dont la buse de jet a une petite surface d'ouverture, ce passage de dérivation (15) comportant une vanne (C) destinéeà s'ouvrir lorsque le débit dépasse une valeur prédéterminée. 20) Débitmètre fluidique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second élément fluidique (A) et le passage de dérivation (15) sont prévus en amont du premier élément fluidique (B). 30) Débitmètre fluidique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vanne (C) est une vanne de commande à diaphragme (7). 40) Débitmètre fluidique selon la revendication 3, caractérisé en ce que la vanne de commande (C) comporte un élément principal (16) de vanne et un élément auxiliaire (26, 27) de vanne poussé par un ressort dans une position de fermeture par rapport à l'élément principal de vanne (16), cet élément auxiliaire étant destiné à s'ouvrir sous l'effet de la pression du fluide amont lorsque l'élément principal de vanne est en position de fermeture. 50) Débitmètre fluidique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des détecteurs (10) placés chacun dans l'un des passages de retour (7a, 7b) du premier et du second élément Pluidi- que (A, B) pour y détecter la variation de débit ainsi qu'un dispositif-indicateur de débit (11) recevant les signaux de fréquence des détecteurs (10) indiquant la variation de débit pour déduire le débit à partir du signal de fréquence et indiquer ce débit. 6 ) Débitmètre fluidique selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif-indicateur de débit comporte un moyen d'évaluation (lla) pour déterminer si la fréquence du premier signal fourni du détecteur (10) du premier élément fluidique (B) est inférieure à une valeur prédéterminée, un moyen de traitement (llb) travaillant sur les instructions du moyen d'évaluation (lla) pour déduire le débit du second signal fourni par le détecteur (10) du second élément fluidique (A) lorsque la fréquence du second signal est inférieure à la valeur prédéterminée et pour réduire le débit du premier signal lorsque la fréquence du premier signal dépasse la valeur réglée, ainsi qu'un moyen d'affichage indiquant les débits. 70) Débitmètre fluidique selon la revendication 6, caractérisé en ce que le moyen d'évaluation (1 la) mesure la fréquence du premier signal même lorsque la vanne (C) est fermée, la valeur prédéterminée étant inférieure à la fréquence du premier signal au moment de l'ouverture et de la fermeture de la vanne (C). 8 ) Débitmètre fluidique selon la revendication 7, caractérisé en ce que le moyen d'évalua tion (lia) possède une valeur prédéterminée se trouvant sensiblement au milieu entre une fréquence minimale du premier signal et une fréquence qui se situe immédiatement avant l'ouverture de la vanne (C). 90) Débitmètre fluidique selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des premier et second éléments fluidiques (A et B) comporte un passage d'étranglement en aval du passage divergent et chevauchant partiellement les passages de retour (7a, 7b). 100) Débitmètre fluidique selon la revendication 9, caractérisé en ce que le passage d'étranglement a une longueur suffisante pour faire la moyenne des variations de largeur et des côtés intérieurs courbes pour venir en.saillie vers l'intérieur.