Brevet FR2594542A1 — publié le 19870821

La présente invention est du domaine de débitmètres de type électromagnétique et elle a plus particulièrement pour objet un débitmètre du type précité. S Des débitmètres électromagnéti- ques du type précité sont décrits dans les brevets 3.695.104, 3.824.856, 3.783.687 et 3.965.738 et sont spécia- lement adaptés à la mesure des vitesses d'écoulement de fluides qui présentent des difficultés de manipulation, tels qu'acide corrosif, fluides pâteux et fluides pollués; en raison du fait que l'instrument est dégagé de toute obstruc- tion à l'écoulement, il n'a pas tendance à se boucher ou à s'encrasser. On rappelle que dans un débitmè- tre électromagnétique, on génère un champ électromagnétique dont les lignes de flux sont perpendiculaires à la fois à l'axe longitudinal du tube d'écoulement ou d'une pièce en forme de bobine à travers lequel on fait passer le fluide soumis à mesure, et à l'axe transversal le long duquel des électrodes de mesure sont disposées dans des positions diamétralement opposées; le principe de la mesure est basé sur la loi d'induction de Faraday qui établit que la tension induite à travers un conducteur se déplaçant perpendiculai- rement à un champ magnétique est proportionnelle à la vitesse de déplacement de ce conducteur; un fluide soumis à mesure consiste en des conducteurs montés en série se déplaçant dans le champ magnétique; plus grande est la vitesse d'écoulement, plus grande est la valeur instantanée de la tension s'établissant aux électrodes. Dans un brevet US 4.019.366 (APPEL) et dans un brevet US 4.098.118 (SCHMOOCK), on utilise, au lieu d'électrodes de mesure à petite surface en contact direct avec le fluide, des assemblages d'électrodes noyées dans un matériau d'isolation; chaque assemblage est constitué par une électrode ayant une partie arrière de plus grande surface, l'électrode de mesure étant isolée du fluide par une couche d'isolation. Chaque électrode de mesure forme l'armature d'un condensateur dont le diélectrique est cons- titué par la couche d'isolation et dont l'autre armature est constituée par le fluide, de telles électrodes fonctionnant comme des capteurs capacitifs pour détecter la tension induite dans le liquide. Udi capteur capacitif du type précité surmonte les problèmes de viscosité et de bruit galvanique et n'est pas sujet à fuite. Comme autre avantage de capteur capacitif par rapport aux électrodes de contact, on doit signalerl que la plage de conductivité du fluide peut s'étendre jusqu'à 0,1/S/cm (ou microSiemens.cm 1 ou micro mhos.cm-1) et que l'on peut utiliser des métaux ordinaires pour les électrodes. Le but de la présente invention est de proposer un. débitmètre électromagnétique du type précité ayant une beaucoup plus haute constante diélectri- que; un autre but de l'invention est de proposer un débitmètre électromagnétique dont la paire d'électrodes capacitives a une valeur élevée de capacité de façon à procurer une impédance relativement basse; un autre but de l'invention est de proposer un débitmètre qui, du fait qu'il présente une basse impédance pour un pré-amplificateur associé, délivre un signal de sortie à peu près exempt de bruit de fond. Ces buts sont atteints par un débitmètre électromagnétique qui est caractérisé d'une ma- nière générale selon l'invention en ce que le matériau céramique constitutif de ladite pièce en forme de bobine a une constante diélectrique de 25 au moins, en ce qu'une paire d'électrodes de mesure sont montées au voisinage de ou sur la surface extérieure de ladite pièce en forme de bobine dans des positions diamétralement opposées, lesdites élec- trodes étant disposées sur un axe dit d'électrode perpendi- culaire à l'axe d'écoulement du fluide, en ce que deux bobinages générateurs de champ électromagnétique sont dispo- sés à l'extérieur de la pièce en forme de bobine dans des positions diamétralement opposées sur un axe dit de bobinage perpendiculaire à la fois au dit axe d'électrode et au dit axe d'écoulement, en vue de produire un champ électroma- gnétique dans la pièce en forme de bobine qui puisse être intercepté par le fluide pour induire une force électromo- trice (FEM) dans celui-ci en vue d'engendrer un signal dit d'écoulement aux électrodes de mesure, ledit signal d'écou- lement étant fonction de la vitesse d'écoulement, chaque électrode étant formée d'une armature de condensateur dont le diélectrique et ledit matériau céramique et dont l'autre armature est le fluide, ce par quoi le signal d'écoulement peut être mesuré à travers deux condensateurs à électrode relativement haute capacité afin de produire une impédance source relativement basse, et des moyens d'amplification couplés aux dites électrodes, ladite impédance source étant l'impédance d'entrée desdits moyens d'amplification en vue de produire un signal de sortie relativement exempt de bruit. Avantageusement ledit matériau céramique est métallisé et lesdites électrodes sont déposées par métallisation à la surface extérieure de la pièce en forme de bobine. Avantageusement encore, le dé- bitmètre incorpore au moins un bloc de céramique métallisa- ble de même matériau que celui de la pièce en forme de bobine, ledit bloc au moins recouvrant chaque électrode de mesure et faisant saillie de la bobine, la surface extérieu- re dudit bloc étant métallisée pour définir un blindage qui recouvre l'électrode. Avantageusement encore la surfa- ce extérieure du tube d'écoulement qui entoure les électro- des de mesure est métallisée en vue de former une paire de zones de blindage symétriques. De préférence, lesdites zones métallisées de blindage sont séparées par des intervalles non métallisés diamétralement opposés. De préférence les bords desdits blindages d'électrode sont soudés aux dites zones de blinda- ge métallisées correspondantes. Un matériau convenable pour constituer la pièce en forme de bobine et les blocs en saillie et satisfaire au but précité est le bioxyde de titane; un autre matériau satisfaisant au but est l'oxyde de zirconium partiellement stabilisé. La présente invention sera mieux comprise et des détails en relevant apparaîtront à la description qui va être faite d'une forme préférée de réalisation en relation avec les figures des planches annexées, dans lesquelles: - la fig.1 est une coupe trans- versale d'un débitmètre de l'invention, - - la fig.2 est une vue de côté du débitmètre, omettant un bloc de protection d'une électro- de grâce à quoi on peut voir l'électrode de mesure, - la fig.3 est une vue en plan du bloc de protection de l'électrode, - la fig.4 est une coupe du même suivant la;ligne 4,4 de la ligne précédente, - la fig.5 est une vue depuis l'intérieur, d'un bloc de protection de la fig.3, et - la fig.6 est une vue de côté du même. En référence aux figures, un débitmètre électromagnétique de l'invention incorpore une pièce cylindrique en forme de bobine 2 formant l'organe de mesure et pourvue de deux extrémités de plus large diamè- tre; le corps de la bobine est constitué d'une céramique métallisable ayant une constante diélectrique élevée, de bonnes propriétés d'isolation électrique et une résistance mécanique suffisante pour les fins qui lui sont assignées. La constante dL[lcctrique du ma- tériau céramique est déterminée par le rapport de la capacité d'un condensateur utilisant ce matériau comme diélectrique, à la capacité du même condensateur ayant seulement le vide comme diélectrique; la constante diélec- trique de l'alumine est 9; comme expliqué plus haut, lorsque l'alumine est utilisée pour constituer une bobine en céramique formant organe de mesure de la façon décrite dans les demandes de brevet sus-visées, la capacité d'électrodes résultante donne lieu à une haute impédance et à des difficultés correspondantes. Dans un débitmètre conforme à l'invention, on fait usage d'une céramique métallisable dont les propriétés structurelles satisfont les impératifs du débitmètre et dont la constante est au moins de 25 et est par conséquent, beaucoup plus élevée que celle de l'alumine, avec comme conséquence que l'impédance de l'électrode est beaucoup plus basse. Un matériau céramique préféré est le bioxyde de titane (TiO2) dont la constante diélectri- que se situe dans la plage de 140 à 160 et par conséquent procure, dans le contexte de la présente invention, des condensateurs à électrodes ayant des valeurs de capacité beaucoup plus hautes que celles produites lorsqu'on utilise l'alumine pour réaliser la bobine en céramique. On peut encore utiliser comme céramique pour la bobine, l'oxyde de zirconium (Zr03), ou zircon, partiellement stabilisé. Dans sa forme non stabili- sée, ce matériau est utilisé dans la production de cristaux piézoélectriques et d'émaillage céramique, et sous sa forme stabilisée avec la chaux (CaO), il est utilisé comme garniture réfractaire de four. Dans sa forme partiellement stabilisée (PSZ), le zircon a une constante diélectrique d'environ 25. Une paire d'électrodes de mesure amagnétiques 4 et 6 sont déposées par métallisation, par exemple par dépôt sous vide, sur la surface extérieure de la bobine 2 dans la région centrale de celle-ci en des positions diamétralement opposées. Les électrodes de mesure 4 et 6 qui se conforment à la courbure de la bobine et sont de forme rectangulaire, sont disposées symétriquement par rapport à l'axe des électrodes X qui est perpendiculaire à l'axe d'écoulement longitudinal Z de la bobine. Deux bobi- nages générateurs de champ électromagnétique, 20 et 22, sont montés sur la surface extérieure de la bobine dans des positions diamétralement opposées; ces bobinages sont dis- posés symétriquement par rapport à l'axe de bobinage Y qui est perpendiculaire à la fois à l'axe X et à l'axe 7. Des zones 8 et 10 à fonction de masque ou de blindage déposées par métallisation sur la surface extérieure de la bobine 2 dans l'espace qui entoure les électrodes de mesure 4 et 6, sont disposées de façon symétrique; ces régions sont séparées par des intervalles non métallisées 9 et 11 diamétralement opposés. - Deux blocs 16 et 18 recouvrant la paire d'électrodes de mesure 4 et 6 font saillie de part et d'autre de la bobine, chacun des blocs comportant une surface intérieure concave lui permettant de s'appliquer à la courbure de la bobine; les blocs sont formés du même matériau céramique métallisable que celui constituant la bobine. Les faces extérieures des blocs 16 et 18 sont métallisées pour constituer des blindages d'électrode, 12 et 14 respectivement. Les bords de ces blindages d'électrode 12 et 14 sont soudés aux zones 8 et 10 à fonction de blindage. Des convertisseurs d'impédance, 28 et 30 respectivement, sont rapportés sur les faces extérieures des blocs 16 et 18; ces convertisseurs sont connectés aux électrodes de mesure 4 et 6 par des conduc- teurs 24 et 26 qui passent à travers une ouverture au centre des blindages d'électrodes 12 et 14 et passent à travers les blocs de céramique. Les convertisseurs d'impédance, ou préamplificateurs, 28 et 30, qui sont de préférence cons- truits en module hybride, sont]ogées à l'intérieur de coquilles de protection métalliques 32 et 34 respectivement dont les bords sont soudés sur des parties correspondantes des blindages 12 et 14 des blocs 16 et 18. Ainsi dans le montage de débit- mètre magnétique conforme à l'invention, les électrodes de Illeuve auiL,presque entièrement recouvertes par des blinda- ges à l'extérieur de la bobine. Puisque les électrodes résultent de métallisation, elles ont une épaisseur négli- geable qui peut être inférieure à 10 microns; de ce fait, les électrodes n'interfèrent pas- avec la fonction des bobinages générateurs de chamip électromagnétique. L'inven- tion permet de réduire la capacité parasite des électrodes de mesure à moins de 0,5 % de la capacité de couplage d'électrodes. Bien qu'on puisse réaliser la connection entre les éléments de blindage des électrodes en les pressant ensemble, l'utilisation du soudage pour réali- ser cette connection est préférable; et en montant les préamplificateurs ou convertisseurs d'impédance à l'inté- rieur de coquilles de blindage sur les blocs recouvrant les électrodes de mesure, on élimine une source de parasites qui autrement proviendraient du câblage de ces amplificateurs. Par le fait que la bobine est réalisée en un matériau céramique ayant une constante diélectrique élevée et que l'impédance source établie par les conducteurs d'électrodes est relativement basse, les circuits amplificateurs électroniques associés pour délivrer le signal d'écoulement à partir des électrodes, peuvent être beaucoup moins compliqués et coûteux que dans le cas d'une impédance source élevée; et puisque la quantité de bruit sortant des amplificateurs est fonction de leur impédance d'entrée (essentiellement la capacité entre l'électrode et le fluide) on génère beaucoup moins de bruit avec une impédance source d'entrée basse; de ce fait, la sortie finale du débitmètre est relativement stable et le signa] représentatif des vitesses d'écoulement est net et libre de perturbations qui autrement affecteraient les précisions de lecture. En outre, la charge due à une capacité extérieure est significativement réduite, ce qui minimise une possible source d'erreur; d'autre part le débitmètre en raison de son impédance source plus basse qui le rend moins sensible aux effets électrostatiques, présen- tera une stabilité de zéro améliorée. Ainsi un montage conforme à l'invention procure un débitmètre électrouiag. ittique compact, substantiellement dépourvu de bruit et pouvant fonctionné efficacement en vue de délivrer des lectures précises de débit. On pourrait encore, sans sortir du cadre de l'invention, et au lieu de réaliser les électrodes par métallisation de la surface extérieure de la bobine, réaliser celles-ci sous forme d'une feuille métal- lique plaquée et reliée à la surface extérieure de la bobine, ou encore sous forme d'une feuille de plastique métallisée reliée à la surface extérieure de la bobine auquel cas i] existerait un tout petit espace entre le plan d'électrodes et la surface extérieure; alternativement encore le métal d'électrode pourrait être noyé dans la bobine. On notera cependant que dans tous ces montages d'électrodes, on conserve une couche de céramique diélectri- que interposée entre l'électrode et le fluide, de manière à former une capacité. R EV E N DI C A T I ON S 1.- Débitmètre électromagnétique comportant une pièce en céramique en forme de bobine formant le long de son axe de symétrie tube d'écoulement pour le fluide dont on veut mesurer la vitesse, caractérisé: en ce que le matériau céramique constitutif de ladite pièce en forme de bobine (2) a une constante diélectrique de 25 au moins, en ce qu'une paire d'électrodes (4,6) de mesure sont montés au voisinage de ou sur la surface extérieure de ladite pièce en forme de bo!.- dans des positions diamétralement opposées, lesdites électrodes étant disposées sur un axe dit d'électrode (x) perpendiculaire à l'axe d'écoulement (z) du fluid-, en ce que deux bobinages (20,22) générateurs de champ électromagnétique sont disposés à l'extérieur de la pièce en forme de bobine dans des positions diamétralement opposées sur un axe (y) dit de bobinage perpendiculaire à la fois au dit axe d'-électro- de et au dit axe d'écoulement, en vue de produire un champ électromagnétique dans la pièce en forme de bobine qui puisse être intercepté par le fluide pour induire une force électromotrice (FEM) dans celui-ci en vue d'engendrer un signal dit d'écoulement aux électrodes de mesure, ledit signal d'écoulement étant fonction de la vitesse d'écoulement, chaque électrode (4,6) étant for- mée d'une armature de condensateur dont le diélectrique est ledit matériau céramique et dont l'autre armature est le fluide, ce par quoi le signal d'écoulement peut être mesuré à travers deux condensateurs à électrode de relativement haute capacité afin de produire une impé- dance source relativement basse, et en ce que des moyens (28,30) d'amplification sont couplés aux dites électrodes, ladi- tc impédance source étant l'impédance d'entrée desdits moyens d'amplification en vue de produire un signal de âortie relativement exempt de bruit; 2.- Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé: en ce que ledit matériau cérami- que est métallisable, et en ce que lesdites électrodes sont déposées par métallisation à la surface extérieure de la pièce en forme de bobine; 3.Débitmètre selon la revendication 2, caractérisé: en ce qu'il incorpore au moins un bloc (16,18) de céramique métallisable de même matériau que celui de la:pièce en forme de bobine, ledit bloc au moins recouvrant chaque électrode de mesure et faisant saillie de la bobine, la surface extérieure dudit bloc étant métallisée pour définir un blindage (12,14) qui recouvre l'électrode; 4.- Débitmètre selon la revendication 2, caractérisé: en ce que la surface extérieure du tube d'écoulement qui entoure les électrodes de mesure est métallisée en vue de former une paire de zones blindées symétriques (8,10); 5.- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé: en ce que lesdites zones de blindage sont séparées par des intervalles (9,11) diamé- tralement opposés; 6.- Débitmètrc selon la revendication 4, caractcrij: en ce que les bords desdits blindages (12,14) d'électrode sont soudés aux dites zones de blindage (8,10) métallisées correspondantes; 7.- Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé: en ce que ledit matériau cérami- quc est le bioxyde de titane; 8.- Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé: en ce que ledit matériau cérami- que est l'oxyde de zirconium partiellement stabilisé.