Brevet FR2617592A1 — publié le 19890106

Le système objet de la presente invention, est destiné à réaliser une mesure prise oe débit d'un fluide passant dans une tuyauterie, ceci pour une très large gamme de débits. On rencontre par exemple un besoin pour un tel système lorsque l'on veut mesurer un débit de vapeur dans une canalisation. Les procédés conventionnels utilisés pour réaliser une telle mesure sont très nombreux, et l'on en trouvera une description détaillée dans l'ouvrage de Mr J.LEFEBVRE publié aux éditions MASSON en 1986 intitule: "Mesure des débits et des vitesses des fluides". Parmi CE5 procédés conventionnels figurent des organes déprimogènes fixes, dont la gamme ue mesure est limitée et des organes mobiles, qui présentent souvent des fuites difficiles à contrôler. Le système ObjEt de la présente invention permettra de répondre aux besoins suivants -Possibilité de mesurer une très grande gamme de débits, les débits extr@mes étant par exemple dans un rapport égal à 500; -Très grande précision de la mesure, intrinsèquement meilleure que 5 / après étalonnage; -@bsence totale de-fuites parasites; - Application possible à tous les fluides: liquides, gaz, et vapeur. Sans entrer dans le détails de 12 théorie des mesures de d@bit par organe déprimogène, et que l'on trouvera dans la référence rappeléa ci-dessus, on En décrira rapidement le principe. Lorsqu'un fluide en écoulement permanent dans une tuyauterie traverse deux sections successives 1 et 2 de ladite tuyauterie d'aires respectives A1 et At, la vitesse V de ce fluide varie. La pression P en paroi de la tuyauterie varie également. On utilise ,pour réaliser cette variation de section, par exemple un tube muni d'un col, dit tube de Venturi.Si le fluide est incompressible, on écrit, sa masse volumique étant égale à#: P1 + 1/2 #V1# = P2 + 1/2#V# avec V1 = Q/A1 et V2 = Q/A2 On en déduit aisérnent le débit volumique passant dans la tuyauterie et le débit masse # = Ox# Si le fluide est compressible, la relation liant les paramètres caractéristiques dans les. sections 1 et 2 est plus complexe, mais EEt connue de l'art de l'ingénieur (voir également la référence LEFEBVRE ci-dessus). S; le fluide est multiphasique, cas par exemple de la vapeur d'eau @at@@ante, les relation@ deviennent beaucoup plus compliquées, sauf si l'@@ c@nsidère que ledit fluide peut @tre considéré comme homogène. Pour connaître les masses volumiques en 1 et 2 d'un fluide compressible, il est nécessaire de connaître en ces point@, de manière directe ou indirecte, la pression et la température, et d'utiliser les tables connues liant pressior., tempéreture et masse volumique du fluide. Dans le cas de l'veau et de sa vapeur, les relations liant ces paramètres sont données par le diagramme dit de MOLLIER. Dans le cas d'une vapeur saturante, il est, dans l'absolu, nécessaire de mesurer le débit de l'un et l'autre des constituants pour connaître le débit passant dans la tuyauterie. Le système selon la présente invention est constitué d'un réservoir préférablement quasi cylindrique ,dans lequel pénètre le fluide. Un dispositif de grilles permet d'établir dans ledit réservoir, parallèleMent a son axe, un écoulement dont la-vitesse est très uniforMe et dont le taux de rotation est le plus bas possible. Ceci peut @tre réalisb au moyen d'un "nid d'abeille" ou d'un ensemble de tubes ou cloisons parallèles.Ceci fait partie des règles de l'art. On créa de cette manière un écoulement très régulier, quasi indépendant des conditions régnant à l'amont dudit réservoir. en particulier on s'affranchit des perturbations dues à des coudes, des vannes ou des singularités quelconques de la tuyauterie, préjudiciables a la réalisation d' une mesure de qualité. fi l'aval de cette zone tranquille, on place préférablement parrallèlernent a l'axe du réservoir, une ou plusieurs tuyères dont les formes sont calculées pour qu'elles ne présentent pas de décollement intempestif. Dans chacune de ces tuyères, on insère une ogive, dont l'axe se confond avec ce'ui de la tuyère ef que l'on peut déplace@ suivant cet axe commun. Dans le cas de plusieurs tuyères, chacune munie de son ogive, les ogives peuvent se déplacer simultanément. On les relie alors entre Elles- par un moyen mécanique. Dans certains cas d'espèces, elles pourraient se déplacer indépendamment les unes les autres. Le déplacement de l'ogive est tel que l'orifice -puisse etre totalement débouché, a l'exception de l'axe éventuel de guidage de l'ogive et qu'il puisse etre totalement ,ou presque totalement ,obstrué. par ce moyen, on fait varier de manière très significative la section contractée de ladite tuyère et l'on obtient ainsi un organe déprimogène réglable. On dispose alors dans la section située a l'amont de la tuyère une prise de mesure et dans la zone de section contractée- qui n'est pas forcément la plus petite section de passage dans la tuyere- une seconde prise de mesure. R la première prise de mesure, on détermine au moins la pression et si besoin est, la température du fluide. A la seconde prise, on détermine au moins la pression. R l'aval de la tuyère, l'écoulement est ralenti et ressort du réservoir au travers d'une tuyauterie. Dans le cas d'une mesure découlement diphasique, le plus souvent un liquide disperse dans un gaz, on peut disposer, dans le réservoir, un séparateur de phases, par exemple un cyclone, le fluide séparé étant évent@ellement réintroduit dans la, tuyauterie à l'aval de 1' appareil de m@sure. La figure 1 donne une réalisation possible de l'invention, appliquée au cas d'une mesure de débit d'air. La section de la tuyauterie d'entrée 1 est de 103 mm. Le diamètre intérieur du réservoir 2 est de 300 mm. La tuyauterie t pénètre radialement dans le réservoir 2. Elle est munie d'un coude a ailettes 3 suivi d'une plaque 4 située à 25 t'im environ du fond du réservoir, destinée a ralentir l'écoulement par un effet de divergence radiale. L'air pénètre donc dans le réservoir en suivant les fièches F1 puis F2. P l'aval immédiat de la plaque, la grille perfore 5 permet d' homogénéiser la vitesse d'écoulement. Elle est percée de 50 trous de diamètre 30 mm. On trouve ensuite un nid d'abeilles 6 de maille 6,35 mrn, de longueur 50 mm, destiné à casser les rotations résiduelles. L'air est alors introduit dans la tuyère 7 dont la partie amont est située à 130 mm à l'aval du nid d'abeilles. Cette tuyère, dans la réalisation proposée, est constituée d'un demi tore de diamètre intérieur 100 mm. Le diamètre du cercle générateur dudit tore est de 200 mm. L'ogive 8 a un angle au sommet de 60 . Son amont est formé d'une forme aérodynamique axisymétrique comme représenté sur la fi cure. Elle est munie dd'une tige 10 et d'un évidement 11 servant à la centrer dans le palier 12 et sur l'axe 13. La tige sortant du réservoir est commandée par un vérin pneuratique, selon les techniques classiques. Dans cette réalisation la pression amont est appliquée É la chambre 15, ce qui permet de diminuer les efforts imposés @@ vérin, par compensation pneumatique, selon les techniques classiques. Le fluide sortant de la tuyère pénètre dans les trous 16 situés à l'aval de celle-ci qui sont de diamètre 50 mm et au n@mbre de 6. Il est alors évacué au travers de la tuyauterie 17, elle-m@me de diamètre 100 mm. Cette disposition permet de limiter la longueur du réservoir, mais n' est pas indispensable. Un orifice 18 de i mm de diamètre est percé dans la paroi du rÉservoir. Il est suivi d'une tuyauterie le reliant à un capteur de pression différentielle 19. Un deuxième orifice 20 est percé en un point situé sur le cercle où l'ogive pet, si sa course est suffisante, rentrer En contact avec la tuyère lors de son déplacempant axial. Cet orifice est lui-m@me relié au capteur 19. L'orifice 18 est également relié au capteur de pression absolue 21, qui mesure la pression en ce point. Enfin, un capteur de température 22 mesure la température du gaz à l'amont de la tuyère. Connaissant les paramètres suivants - température - pression - pression différentielle - position de l'ogive on en déduit, par application des formules classiques, après un éventuel étalonnage, le débit masse d'air qui passe dans la tuyauterie. Ce traitement mathématique est normalement fait au moyen du calculateur de mesure 23. Dans le cas présenté dans cet exemple, la section au col peut varie de 75 cm2 é 3 cm2. Les mesures de pression différentielle sont effectuées entre 2 mb et 200 mb. La dynarrique de mesure de débit masse, à pression amont constante est, dans ces conditions, gale a 250. Sous réserve d'une précision suffisante des appareils de mesure et de l'étalonnage, la précision globale peut @tre de 1x dans toute cette gamme. La figure 2 donne un exemple de réalisation de l'appareil destiné à mesurer un débit de vapeur d'eau saturée. On retrouve la plupart des éléments rencontrés dans la figure 1, mis à part la présence d' une pluralité d'ensembles tuyères-ogives, les ogives étant liées mécaniquement entre elles, et d' un cyclone déshydrateur 24 destiné a séparer l'eau contenue dans la vapeur Les débits de vapeur et de liquide sont mesurés indépendamment. La vapeur dont on veut mesurer le débit pénètre dans l'appareil au travers de la tuyauterie 1. Elle est ensuite introduite dans le cyclone 24 au travers de la pluralité d'entrées tancentielles 25, ladite pluralité étant limitée à une dans cette réalisation. Sous l'effet des forces centrifuges, dues à la rotation de l'écoulement imagée par la flèche F4, les gouttelettes les plus grosses sont plaquées contre les parois du cyclone, tandis que la vapeur, composant gazeux du mélange, ressort dudit cyclone en 26 ,au travers de l'orifice ménagé sur l'axe.Le liquide séparé est receuilli en partie basse de l'appareil dans le réservoir 27. ce réservoir est muni d'un détecteur de niveau 28 qui controle, de manière continue ou intermittente, l'ouverture de la vanne 29 qui a pour fonction de réintroduire le liquide sépare dans la tuyauterie 17 au travers de la tuyauterie 30. La tuyauterie 17, dans cette réalisation particulière, est telle que le point de réintroduction du liquide soit situé au m@me niveau ou à une cote légèrement inférieure à celle du niveau de consigne du réservoir 27.Le débit de liquide est mesuré au moyen du débitmetre 31 qui est ,dans l'exemple décrit un débitmètre à hélice, mais qui pourrait être d'un type quelconque, y compris du type déprimogène à section variable, tel que calui objet de l'invention. Le reste de l'appareil comporte approximativement les m@mes éléments que ceux décrits dans l'exemple précédent: On trouve successivement l' écoulement selon F au travers de la grille perforée 5 et du nid d'abeilles 6 Dans la réalisation de la figure 2, les ensembles ogives 8, tuyères 7, sont au nombre de 4, de diamètre 5: mm. Elles sont solidaires de l'axe 10, qui est comme précédemment muni d' un système de déplacement axial non représenté. Après passage dans l'organe déprimogène, muni des orifices 20 et 18 et des capteurs 1S et 21, ainsi que du détecteur de température 22, particulièrement important dans cette application, l'ensemble d,e ces capteurs étant relié à l'ordinateur 23, la vapeur est introduite dans la tuyauterie 17. L'ensemble constitue un appareil de mesure des débits masse de vapeur et de liquide, et, par extrapolation un appareil de mesure de l'énergie calorifique passant dans la tuyauterie 1. REVENDICATIONS i Procédé destiné à effectuer la mesure du débit d'un fluide caractérisé en ce q'è ledit fluide Est introduit, a partir d'une canalisation 1, dans un tube quasi cyl-indrique 2 de plus grande section, que l'écoulement dans ce tube est rendu parallèle a l'axe ,au moyen de dispositifs connus permettent d'homogénéiser la distribution spatiale des vitesses dans une section droite et de supprimer les rotations résiduelles,que la zone de mesure proprement dite est formée de l'association d'une ou plusieurs ogives @obiles 8, chacune associée à une tuyère 7 ,que lesdites ogives peuvent se déplacer par rapport a la tuyère selon une direction quasi axiale par rapport à leur axe commun dans le but de modifier la section de passage minimale du fluide, que l'on dispose à 1 amont de l'ogive une prise de pression et , éventuellement de température, et, dans la zone de la section minimale une seconde prise de pression, l'en@emble constituant un appareil de mesure par effet déprimogène, section v@riable, que le fluide est enfin réintroduit dans une tuyauterie avale 17 après que sa vit@sse ait été préalablement ralentie par une augmentation de le section de passage. 2 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le déplacement de l'ogive est réalisé par un moyen mécanique, p@eumatique ou électrique, faisant partie de l'art connu. Procédé selon la revendication 1 caractérisé En ce que l'homogénéisation de la vitesse dans le tube est obtenue par utilisation, simultanée ou ncvn d'un divergent radial, de tôles perfores, et de nids d'abeilles. 4 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le traitement des mesures de pression et de température, conduisant à la connaissance du débit, se fait au moyen d' un calculateur ou, de tanière plus générale, d'un appareillage comportant au moins un microprocesseur et/ou un circuit microélectronique spécifique ou semi-spécifique 5 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le fluide pénétrant dans l'appareil est un fluide diphasique et que I'on réalise une séparation préalable de la phase dispersée avant que soit réalisée la mesure du débit de l'une des phases au moyen de l'appareil objet de l'invention, l'autre phase étant réintroduite dans la tuyauterie avale, après que l'on ait éventuellement mesuré son débit, cette. réintroduction se faisant de manière continue ou intermittente en utilisant éventuellement pour ce faire une pomp@. 6 Procèjé selon les ravendications i et 5 caractérisé en ce que l'organe séparateur est un cyclone.