Brevet FR2610412A1 — publié le 19880805

La pésente invention concerne un capteur électromagnétique à surface sensible plane pour la mesure de la vitesse d'- coulement d > un fluide conducteur. Ce capteur peut servir entre autres applications, à la mesure de la vitesse azur bateau par rapport à loeau. Ce capteur utilise la loi de Faraday selon laquelle tout conducteur qui se déplace dans un champ magnétique est le siège d'une force électromotrice proportionnelle a la vitesse du déplacement. Tant pour ne pas perturber l'écoulement, que pour soustraire le capteur aux impacts possibles de corps solides véhiculés par le fluide, il est hautement désirable que le capteur ne fasse pas saillie dans la veine fluide tout en assurant une prise de mesure suffisamment fidèle. Le brevet français 7101264 décrit un capteur qui répond aux deux critères ci-dessus, Si bien que son emploi s'est beaucoup répandu ces dernières, années au point que des mi- liers de navires en sont équipés. L'inconvénient principal de ce capteur est que le signal recueilli est engendré principalement près de la surface plane isolante ce qui rend la mesure tributaire de phénomènes de couche limite. Il est bien évident que la pénétration dans le fluide est d'autant meilleure que les dimensions transversales sont plus grandes,mais comme cette pénétration ne croit que lentement en fonction du diamètre, on serait conduit pour améliorer nettement la performance à adopter des diamètres de capteur prohibitifs.L'expérience montre que pour lsentretien du capteur dans de bonnes conditions de continuité, il faut prévoir des organes de tenue, d"étancheité, d'isolement, tous accessoires de robinetterie dont le coút augmente port tement avec le diamStre.Pour diminuer la gene de cette sujétion on est tenté de placer dans le meme corps deux capteurs de principes et d'objets différents afin de répartir le coût de ces organes auxilliaires sur deux ou plusieurs objets.Un inconvénient du capteur précité est que sa conception ne laisse pas de place pour un autre transducteur, pié=o- électrique par exemple, et que en conséquence la place n- cessaire ne peut etre dégagée qu'au prix d'une dégradation des performances du capteur électromagnétique. La conception de l'objet de l'invention est telle que, a diamètre de corps égal, la pénétration de la mesure est beaucoup plus profonde. D'autre part des transducteurs pié- zo-électriques convenant à des echosondeurs ou à des lochs Doppler Fizeau peuvent être logés dans le capteur sans réels inconvénients pour la fonction capteur électromagnétique. Le dispositif selon l'invention représenté fiv.1 est corps titué par un boitier cylindrique circulaire 1 dont la face terminale plane sensible 2 est insérée dans la paroi ~ le long de laquelle circule le fluide conducteur.Cette parsi 3 est la coque, dans le cas de la mesure de la vitesse d'ur navire. La face plane 2 isolante est en matériau non magnétique. Le boitier 1 est également en matériau non magnétique mais peut sans inconvénients etre en métal conducteur C'est le cas représenté sur la figure, car il se prete à une réalisation plus robuste. Au centre de la face sensible est disposée une électrode 5 dite électrode principale.Autour du corps est disposée une collerette circulaire conductrice 4 qui constitue la deuxième électrode qui est par nature au meme potentiel que les parties métalliques adjacentes; parties qui, le cas échéant, peuvent etre utilisées aux lieux et place de l'anneau 4. Si l'environnement extérieur du capteur est totalement isolant, l'anneau 4 peut entre remplacé par une ou plusieurs électrodes ponctuel les. On peut aussi réaliser la partie cylindrique du capteur en plastique conducteur. Si une faible résistance série d'électrode est également recherchée on pourra chemiser la partie en plastique conducteur proche de la face plane d'un anneau de métal. Pour ne pas compliquer inutilement les figures, les dispositifs de tenue, de retrait et d'étancheité n'ont pas été représentés. Ces dispositifs devront entre réalisés en matériau non magnétique. La coupe ÀB de la fiv.1 est selon un plan perpendiculaire a l'écoulement. Si c'est un capteur de navire la coupe est selon un plan perpendiculaire a l'axe du navire. Un électroaimant est constitué par un noyau 6 sur lequel est embroché un solénoide inducteur S. Cet inducteur peut etre fractionné en deux bobines 8 et 8 bis connectées en série de manière a ce que leur flux s'additionnent.Le noyau 6 peut Outre prolongé par deux pièces polaires 7 et 7 bis qui conduisent le flux jusqu'a la surface de séparation avec le fluide. Les lignes de force du champ produit par l'électroaimant sont représentées en traits interrompus. Le liquide conducteur qui s'écoule perpendiculairement au plan de la coupe est le siège de forces électromotrices telles que E dont la résultante est perpendiculaire a la face 2. Un système de courants s'établit tel que la différence de potentiel par rapport a l'infini, c'est à dire très sensiblement par rap port à l'électrode en anneau 4, est maximale au centre a l'endroit où est placée l'électrode 2. La tension peut entre prélevée sur l'électrode 2 de deut manières légèrement différentes : Sur la figure 1 deu co- ducteurs 9 et 9 bis partent de l'électrode dans le plan de la figure de part et d'autre de l'axe, traversent les pièces polaires 7 et 7 bis où l'on a pratiqué un trou, remontent dans le meme plan avant d'entre connectées au potentiometre 13. Le signal est prélevé sur le curseur du potentiomètre. Comme la boucle constituée par les fils 9 et 9 bis n'est jamais rigoureusement dans le plan diamétral parallèle au champ on sélectionne le point sur le potentiometre où les tension induites dans 9 et 9 bis se compensent e > :actement. Si le potentiomètre ne peut être placé dans le plan médian, les fils 9 et 9 bis sont torsadés ensemble a partir de leur point de rencontre et ce jusqu'au potentiometre. Sur le capteur représenté fig.3 le système est le même mais le raff i- nement constitué par le potentiometre a été supprimé. Dans le capteur représenté par la fig.2 le conducteur de électrode est unique et circule selon l'axe de symétrie. C'est la manière la plus simple lorsque la disposition de l'inducteur le permet. Sur les capteurs représentés par les figures, le point de départ de la prise de potentiel de la couronne annulaire est situé sur l'axe du boitier ( conducteur dans ce cas ). Lorsque l'anneau conducteur est remplacé par une ou plusieurs électrodes, celles-ci sont reliées au conducteur de sortie de manière que la résultante des tensions d'autoinduction s'annulent. Le cable bifilaire de sortie du signal ainsi que le cable inducteur sont anti induites et, au moins pour le cable signal, blindés. Le blindage du cable signal n'est relié à aucun point du capteur. Les différents éléments électriques Sol énoi des, conduc- teurs 9 et 9 bis, sont blindés en tant que de besoin et sont reliés électriquement au conducteur de sortie de l'anneau extérieur. Pour le clarté du dessin ces blindages n'ont pas été représentés. Les masses métalliques situées à l'inté- rieur du boitier sont reliées au même point à moins qu'elles n'y soient par construction. La figure 3 représente un capteur dans lequel une pastille piezo-cbramique 18 est collée sur la face plane selon un procédé couramment employé dans la construction de transducteurs piezo-céramiques pour écho-sondeur. Pour ce faire il a suffit d'allonger les pièces polaires de l'épaisseur de la pastille ce qui est d'un effet négligeable sur la réluctance totale du circuit magnétique et modifie très peu le chanp utile. La figure 2 représente une variante très intéressants. Les deux demi sol énoi des 8 et 8 bis ont été réduits en longueur et écartés l'un de l'autre ce qui réduit légèrement l'ampli- tude du champ mais ne peut avoir qu'un effet bénéfique sur la pénétration du champ. De part et d'autre du noyau sont disposées deux céramiques piezo-électriques 11 et 12 inclinées de 30 dégrés par raport à la face 2 et perpendiculaire a l'axe du noyau 2. On peut sans difficulté placer également des thermistances thermo-électriques dans les emplacements disponibles en dehors des faisceaux ultrasonores. On dispose ainsi d'un capteur qui, associé aux équipements de traitement de signal adéquats, fournikla mesure de la vitesse aussi bien par rapport au fond que par rapport à l'eau. Indépendamment de son usage à la mesure de la vitesse des navires, le capteur selon l'invention peut servir a la mesure de la vitesse d'écoulement en canal ou encore en conduite à condition que le fluide soit suffisamment conducteur. REVENDICATIONS 1 - Dispositif capteur pour mesurer la vitesse d'un contrant de fluide conducteur caractérisé en ce qu'il comporte un électro- aimant à deux piles disposé d'un côté d'une paroi en rratériau isolant dont l'outre côté est baigné par le fluide en mouvement de telle manière que le champ magnétique issu de l'entrefer ci une direction moyenne parallèle à cette paroi et perpendiculi- re à la direction de l'écoulement. 2 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que l'entrefer de l'électroaimant a une longueur presque égale au diamètre du corps circulaire du capteur. 3 - Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que les tensions engendrées par le mouvement du fluide coi- ducteur produisent une différence de potentiel qui, évalulepar rapport au potentiel du liquide en dehors de toutes les forces magnétiques produisant le champ, est maximum au milieu de l'en trefer, ceest-à-dire au au centre de la face externe du capteur. 4 - Dispositif selon les revendications 1,2 et 3, prises dans leur ensemble, caractérisé en ce que une prise de potentiel re présentative du potentiel a' l'infini peut être réalisée par un anneau métallique circulaire attenant au corps du capteur. 5 - Dispositif selon les revendications 1, 2, et prises åans leur ensemble,caractérisé en ce qu'une prise de potentiel du liquide représentative du potentiel à l'infini peut, lorsque le corps cylindrique du capteur est en matière plastique, être réalisé en rendant ce plastique conducteur et en le chemisant extérieurement, si nécessaire, par un tube en métal conducteur. 6 - Dispositif selon les revendications 1, 2 et 3, prises dans leur ensemble caractérisé en ce queue prise de potentiel du liquide représentative du potentiel à l'infini peut être réa lisé par une ou plusieurs électrodes disposées sur le capteur ou autour 7 - Dispositif selon les revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6,prises dans leur ensemblewselon lequel la tension prélevée sur l'élec trode centrale chemine selon un trajet axial qui évite l'addi tlon de tensions parasites d'autoinduction. 8 - Dispositif selon les revendications I, 2, 3, 4, 5, 6, prises dans leur ensemble selon lequel la disposition du circuit recueillant la tension issue de l'électrode centrale élimine les tensions parasites par compensation entre les effets de phases opposées au moyen dtun système potentiométrique permettant un réglage fin. 9 - Dispositif selon les revendications I, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8/ prises dans leur ensemble dans lequel la longueur des pièces polaires est légèrement augmentée pour disposer contre la face sensible un tranaducteur piézo-électrique de la plus grande dimension compatible avec le diamètre extérieur du capteur sans diminution sensible des performances. IO - Dispositif selon les revendications 1,2,3,4,5,6,7,8, prises dans leur ensemble, dans lequel la longueur des bobines de lelec- troaimant est légèrement réduite de manière à permettre le logement de deux transducteurs piézo-électriques inclinés à 30 degrés et de dimensions comparables à celles quelles auraient si les éléments du capteur électromagnétique n'étaient pas présents. Il - Dispositif selon les revendications 1,2,3,4,5,6,7,8, prises dans leur ensemble, dans lequel un élément thermosensible est placé dans les parties libres sans gêner le faisceau ultra-sonore de manière à mesurer la tempérture au niveau de la surface de séparation.