Brevet FR2635866A1 — publié le 19900302

Débitmètre fonctionnant selon le principe de Coriolis (IV) L'invention concerne un débitmètre fonctionnant selon le principe de Coriolis, comprenant un dispositif de raccordement qui est relié d'une part à un tube de raccordement situé du c8té de l'arrivée et à un tube de raccordement situé du c8té de la sortie, et d'autre part à deux boucles de tube de mesure voisines l'une de l'autre, qui peuvent être amenées à osciller en sens contrairespar un générateur d'oscillations à la nème fréquence propre correspondant à la nème forme d'oscillation propre et qui sont munies de capteurs pour détecter une valeur de mesure dépendant du mouvement relatif. Dans un appareil connu de ce type (EP- A 0 239 679), le dispositif de raccordement est constitué par un bloc stable qui supporte respectivement sur ses deux c8tés frontaux trois ouvertures de raccordement situées à l'opposé les unes des autres. A une paire sont raccordés deux tubes de raccordement rectilignes. A chacune des deux autres paires est respectivement fixée une boucle de tube de mesure. A l'intérieur du bloc passent des canalisations de liaison correspondante. Chaque boucle de tube de mesure est constituée par une section de tube rectiligne, deux parties recourbées sur 180 qui s'y raccordent et deux sections d'extrémité d'égale longueur reliées à ces dernières. Le rapport entre la longueur des boucles de tube de mesure par rapport à leur hauteur est d'environ 2:1. Il existe également de nombreuses autres formes de boucles, ayant par exemple une forme circulaire ou la forme d'une raquette de tennis (DE-B -28 22 087). Dans tous ces cas, la sensibilité de la mesure ou le facteur Q de l'appareil de mesure est limitée. Le but de l'invention est de fournir un appareil de mesure di' type décrit dans le préambule et présentant une sensibilité de mesure nettement plus élevée. Selon l'invention, ce but est atteint d'une part par une disposition des boucles de tube de mesure telle que la (n+l)ème -2- fréquence propre f correspondant à la (n+1)eme forme d'oscillation n propre est située dans la plage comprise entre 0,7 fn et 1,5 fn' mais à l'extérieur de la plage de l'excitation de résonance par f. n Pendant le fonctionnement, les boucles de tube de mesure sont excitées par un générateur d'oscillations à l'une de leurs fréquences propres, qui est en général la première fréquence propre; de ce fait, elles se déplacent en s'éloignant et en se rapprochant l'une de l'autre selon la forme de l'oscillation propre qui leur est associée. Ce mouvement se superpose en raison des forces de Coriolis à un mouvement qui correspond largement à la forme du mouvement quand il y a excitation selon la (n+1) ème fréquence propre, c'est-à-dire la (n+l)eme forme d'oscillation propre. Selon l'invention, il est fait en sorte sur le plan constructif que la (n+1)eme fréquence propre soit située éme relativement proche de la n fréquence propre. Cette propriété provoque une excursion prononcée en fonction des forces de Coriolis. La sensibilité de l'appareil de mesure est d'autant plus élevée. Il est possible de se rapprocher aussi près que possible de la nème fréquence d'excitation propre par la (n+l) me fréquence propre; en conséquence, il suffit de veiller à ce que cette excitation ne provoque pas une résonance de la (n+l)ème fréquence propre, c'est-à-dire que les courbes de largeur de bande ne se coupent pas ou ne se cougent au maximum que dans la région d'un fort amortissement suffisant (par exemple de 90 dB) et qu'il n'en résulte aucune influence du déphasage sur le capteur. Quand f(n+l) est supérieur à fn l'excursion due à la force de Coriolis est déterminée essentiellement par la rigidité des boucles de tube de mesure et non par la masse. De ce fait, des modifications de densité du fluide à mesurer n'ont qu'une influence relativement faible sur l'excursion qui dépend de la force de Coriolis, ce qui contribue également à l'amélioration de la sensibilité de la mesure. Il est donc particulièrement avantageux que n soit égal à 1, c'est-à-dire que l'excitation ait lieu avec la première oscillation propre et que la déformation des boucles de tube de mesure due aux forces de Coriolis corresponde à la seconde forme d'oscillation propre. On obtient ainsi dès le début des excursions relativement importantes, ce qui fait que les améliorations recherchées sont particulièrement - 3 importantes. Il s'est avéré-comme particulièrement avantageux que f2 soit situé dans la plage comprise entre 1,2 f1 et 1,3 fi, ou dans la plage comprise entre 0,75 f1 et 0,85 f.l' On obtient une autre amélioration quand le facteur Q du système oscillant présenté par les boucles de tube de mesure est au moins égal à 3000 pour la nème aussi bien que pour la (n+ 1)me fréquence propre, et est même de préférence supérieur à 4000. Alors que ceci correspond à une largeur de bande exceptionnellement étroite, les fréquences propres peuvent être alors rendues plus voisines les unes des autres, ce qui provoque de façon correspondante de fortes excursions en fonction des forces de Coriolis. Quand il s'agit d'un débitmètre dans lequel les boucles de tube de mesure comprennent chacune une section de tube rectiligne, deux parties recourbées sur 180 qui s'y raccordent et deux sections d'extrémité de longueur sensiblement égale reliées à ces dernières, qui partent des côtés frontaux opposés d'un bloc, il est avantageux que la longueur des boucles de tube de mesure soit au moins égale à 6 fois leur hauteur. Une longueur des boucles de tube de-mesure égale à 8 à 12 fois, et de préférence sensiblement à 10 fois leur hauteur, est particulièrement avantageuse. Quand il y a un mouvement oscillant, le tube de la boucle de tube de mesure est sollicité en flexion et en torsion. En raison de sa longueur importante, de faibles sollicitations en torsion provoquent déjà une forte excursion. De ce fait, la seconde fréquence propre est non seulement relativement basse, mais le tube n'est que relativement faiblement sollicité sur le plan mécanique, ce qui a pour conséquence de longues durées de vie de ce dernier. Un autre avantage consiste dans le fait que l'ensemble de l'appareil de mesure présente des dimensions qui sont relativement faibles dans le sens transversal aux sections de tube rectilignes. De ce fait, on peut le monter sans difficultés dans un tube de protection, ce qui est favorable du point de vue de la sécurité. La longueur du bloc peut être au maximum de 15% et de préférence inférieure à 5% de la longueur des boucles de tube de mesure. De ce fait, les sections d'extrémité sont pratiquement fixées au centre des -4- boucles de tube de mesure, d'o il résulte d'une part que l'on dispose de sections d'extrémité relativement longues pour la sollicitation en torsion, et que d'autre part une déformation du bloc sous l'effet d'influences externes telles que les températures n'a que peu d'influence sur le résultat final. Selon un autre développement, il est fait en sorte que le bloc supportant les boucles de tube de mesure soit relié à un autre bloc par au moins une paire de tubes de liaison élastiques, bloc dans lequel sont raccordés les deux tubes de raccordement. Les tubes de raccordement élastiques ont pour fonction de protéger les boucles de tube de mesure et le bloc qui les supporte des influences externes et notamment également des vibrations. On peut en particulier éviter ainsi une excitation provenant de l'extérieur de la (n+l) me fréquence propre. Il est en outre favorable qu'au moins les boucles de tube de mesure et les sections de tube qui s'y raccordent soit constituées par un tube unique plusieurs fois recourbé et que la section de tube située entre les boucles et les sections de tube soit fixée à ses extrémités dans trois supports de tubes reliés les uns aux autres. Ainsi, on est assuré qu'il n'existe aucune position soudée le long de la totalité de la longueur des boucles de tube de mesure et des sections de tube fixées aux supports de tubes. On peut ainsi déterminer de façon très précise et au cours d'une fabrication en grande série les rapports entre oscillations propres. Il n'y a aucun danger que des fréquences propres différentes apparaissent du fait de positions de soudure irrégulières. En outre, l'absence de positions de soudure a pour conséquence une résistance plus élevée. Il n'existe également aucun danger que le fluide à mesurer subisse des réactions indésirables par contact avec la soudure. Avantageusement, les trois supports de tubes sont disposés parallèlement les uns aux autres dans un plan. La fabrication et le montage sont de ce fait très facilite. En fait, le tube unique et continu est déformé en spirale. Ceci est sans conséquence pour la mesure car comme précédemment les sections de boucles de tube de mesure qui coopèrent les unes avec les autres sont situées parallèlement et - 5 - les unes contre les autres. Une autre solution du problème posé et qui peut être également utilisée en commun avec la première solution consiste dans le fait que les boucles de tube de mesure sont munies dans les ventres de vibration de la nème oscillation propre ainsi que de la (n+1)ème oscillation propre d'éléments de masse, y compris les parties du générateur d'oscillations et les capteurs montés sur le tube de mesure, et que leurs masses sont adaptées les unes aux autres de manière que l'excursion déterminée par les forces de Coriolis soit indépendante de la densité du fluide à mesurer. Il est indispensable que soient montées sur les boucles de tube de mesure des parties du générateur d'oscillations et des capteurs. De ce fait cependant, le comportement oscillant est influencé de telle sorte que les excursions provoquées par les forces de Coriolis soit modifiées en fonction de la densité, c'est-à-dire de la masse spécifique du fluide à mesurer. Mais quand on équipe les ventres de vibration mentionnés d'éléments de masse, et quand ces masses sont adaptées les unes aux autres, on peut diminuer l'influence de la densité du fluide sur l'excursion. On peut déterminer la valeur des masses nécessaires à l'adaptation par des recherches ou des calculs. Dans le cas le plus simple, on dispose pour la boucle de tube de mesure excitée par la première fréquence propre f1 des éléments de masse respectifssensiblement au centre de la boucle et sensiblement au centre des moitiés de boucle, ainsi que cela est déjà connu pour le générateur d'oscillations et les capteurs, mais cependant sans l'adaptation précédemment mentionnée. L'invention va maintenant être expliquée plus en détail dans ce qui suit en se référant aux dessins annexes et à l'aide de modes de réalisation préférés, dessins dans lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique d'un premier mode de réalisation, la figure 2 est une représentation en perspective d'un second mode de réalisation, la figure 3 représente par un diagramme l'excursion u par rapport à la force d'excitation F et l'amortissement D qui lui est lié par rapport à la fréquence f, la figure 4 est un diagramme du déphasage du capteur par rapport à la fréquence, la figure 5 montre la forme des oscillations quand il y a application d'éléments de masse, et la figure 6 représente la seconde forme d'oscillation propre et la force de Coriolis associée. A la figure 1, un appareil de mesure 1 est monté dans un tube de protection 2. Deux tubes de raccordement 3 et 4 qui sont respectivement muni de brides 5 et 6 conduisent de positions de raccordement externes aux côtés frontaux opposés d'un bloc 7. Ils sont reliés par deux tubes de liaison élastiques 8 ou 9 qui vont à un second bloc 10. Ce dernier supporte deux boucles de tube de mesure 11 et 12 qui sont montées en série l'une avec l'autre et avec les tubes de liaison. Les boucles de tube de mesure ont une longueur L représentant un multiple, ici de 10 fois, de la hauteur H des boucles. Le bloc 7 présente une longueur I très faible; elle est inférieure à 5% de la longueur L. Au centre des boucles est prévu un générateur d'oscillations 13 par lequel les deux boucles sont rapprochées et écartées l'une de l'autre selon la première fréquence propre fl correspondant à la première forme d'oscillation propre. Dans la région du centre de chaque moitié de boucle sont prévus des capteurs 14 et 15 produisant des signaux de mesure qui dépendent du mouvement relatif entre les boucles de tube de mesure 11 et 12. On peut calculer d'une manière connue la quantité de débit à partir des deux valeurs de mesure. Le générateur d'oscillations 13 comprend deux éléments 13a et 13b qui sont chacun relié à une boucle. De même, les capteurs 14 ou 15 comprennent deux éléments 14a, 14b ou 15a, 15b qui sont chacun relié à une boucle de tube de mesure. On a utilisé à la figure 2 des références augmentées de 100 par rapport à celles de la figure 1 pour désigner les parties correspondantes, le générateur d'oscillations et les capteurs n'étant pas représentés. La différence essentielle consiste dans le fait que le bloc 107 est disposé en totalité avec les sections des tubes de raccordement 105 et 106 qui s'y raccordent dans l'espace limité par les -7- boucles de tube de mesure 111 et 112. La dimension radiale est de ce fait encore plus faible. On peut utiliser un tube de protection 102 de diamètre plus faible. Les boucles de tube de mesure 111 sont constituées par une section d'extrémité rectiligne 116, une partie recourbée sur 180 117, une section de tube rectiligne 118, une partie recourbée sur 180 119 et une autre section de tube rectiligne 120. La seconde boucle de tube de mesure 112 est constituée par une section de tube rectiligne 121, une partie recourbée sur 180 122, une section rectiligne plus longue 123, une partie recourbée sur 180 124 et une section d'extrémité rectiligne 125. L'ensemble de la forme du tube est constituée par un unique tube continu R. En raison des nombreuses sections de tube rectilignes, on ne prévoit que six positions coudées. Le bloc 107 est constitué par une partie supérieure 126 et une partie inférieure 127, qui forment entre elles deux supports de tube 128 et 129 destinés à recevoir les sections de tube disposées entre les tubes de raccordement 105 et 106 et le tube de liaison associé. Le bloc est constitué par une partie supérieure 130 et une partie inférieure 131, qui forment entre elles trois supports de tube, dont seuls les supports 132 et 133 sont visibles. Le support de tube 132 est utilisé pour recevoir la section de tube comprise entre les deux sections de tube de mesure 120 et 121. Les deux autres supports de tube servent à recevoir les sections de tube entre les sections d'extrémité 116 et 125 des tubes de mesure et le tube de liaison voisin. Le tube recourbé est introduit dans des positions correspondantes dans la partie inférieure des blocs 107 et 109. Il est ensuite maintenu par application de la partie supérieure et liaison des deux parties. Ceci peut être réalisé en fonction du matériau par brasage, soudage, collage, vissage ou encore par emboîtement par frottement. La figure 3 montre l'état d'excitation du système oscillant par rapport à la fréquence f. Cet état oscillant est montré d'une part sous forme de l'excursion u par unité de force F et d'autre part sous forme de l'amortissement D en dB. On a indiqué deux positions de résonance pour la première fréquence propre f1 et pour la seconde fréquence propre f2 Dans les deux positions de résonance, le système oscillant 2V - 8- présente une facteur Q dépassant 4000, d'o résultent de très étroites largeurs de bande. le facteur Q est défini de façon habituelle par ! Q' u(t)]1 In u(t+ T) o u représente l'amplitude et T la durée de la période. Cette expression correspond au rapport entre l'amplitude et la diminution d'amplitude pour chaque oscillation. La première fréquence propre correspond à une première forme d'oscillation propre dans laquelle les boucles ne forment aucun noeud entre les extrémités fixes. L'excitation par la seconde fréquence propre provoque une seconde forme d'oscillation propre dans laquelle il y a un noeud d'oscillation au milieu de la boucle et la première moitié de la boucle oscille en sens contraire à la seconde moitié. Ce typed' excursion correspond à la déformation des boucles de tube de mesure provoquée par les forces de Coriolis. Comme les deux fréquences propres sont relativement proches l'une de l'autre, il en résulte une excursion relativement prononcée u en raison des forces de Coriolis F. Car celles-ci sont proportionnelles selon la formule suivante: I. F z fi 2 La faible distance entre fl et f2 est obtenue par le rapport entre la hauteur H et la longueur importante L des boucles de tube de mesure. Car lorsqu'il y a une excursion des boucles de tube de mesure, les sections de tube rectilignes 116, 120, 121 et 125 sont déformées non seulement en torsion mais également en flexion. On peut obtenir les déformations désirées par des combinaisons de torsion et de flexion que l'on peut choisir. La déformation par torsion sur une longue section d'extrémité a pour avantage additionnel que les tensions qui apparaissent sont plus faibles et que de ce fait la durée de vie est plus longue. - 9- La figure 4 montre le déphasage f (Fc, Uc) qui dépend de la force de Coriolis Fc et de l'excursion de Coriolis Uc par rapport à une fréquence d'oscillations f. On ne peut craindre une influence de la fréquence d'excitation sur le déphasage et de ce fait sur le résultat de la mesure qu'entre les limites z1 et z 2 En dehors de ces limites, les rapports sont environ constants. Mais pour la première fréquence propre d'excitation fl,' on prévoit une valeur inférieure à f2' alors que dans la région située au-dessous de z1 l'excursion dépend, en fonction des forces de Coriolis, de la rigidité du système oscillant, mais au-dessus de z2 de la masse de ce système. Il en résulte des excursions différentes en fonction de la densité du fluide à mesurer. Quand il ne s'agit que de la boucle de tube de mesure, on peut donc maintenir l'excursion de façon qu'elle soit largement indépendante de la densité du fluide. La boucle de tube de mesure est cependant équipée d'éléments de masse tels que les éléments 13a, 14a et 15a. Ceux-ci déterminent de leur côté une dépendance de l'excursion par rapport à la densité du fluide. Ceci est expliqué par la figure 5. On considérera la première forme d'oscillation propre, la boucle étant représentée par une ligne continue. On peut voir à la figure 5a que lorsqu'on dispose des masses m1 et m2 sensiblement au centre de chaque moitié de boucle, la forme de l'oscillation se modifie de celle indiquée par la ligne continue représentant une faible densité du fluide à la ligne en tireté pour une densité plus élevée du fluide. A la figure 5b, on peut voir une masse m3 au centre de la boucle. Elle provoque une modification de la première forme d'oscillation propre entre la ligne continue correspondant à une faible densité du fluide et la ligne en tireté correspondant à une densité plus élevée du fluide. La modification dépend de l'importance des masses individuelles. Lorsqu'on adapte les masses m1, m2 et m3 les unes aux autres, le résultat est que les excursions représentées en tireté s'annulent mutuellement. De ce fait, la sensibilité de la mesure est largement indépendante de la densité du fluide. La précision de la mesure est donc plus élevée. Dans le mode de réalisation décrit précédemment, on a prévu une excitation pour la première oscillation propre, l'excursion - 10 - correspondant à la seconde forme d'oscillation propre en raison des forces de Coriolis. On peut voir à la figure 6d que l'excitation a lieu avec la seconde fréquence propre, la boucle représentée par une ligne continue oscillant donc selon la seconde forme d'oscillation propre. Dans ce cas apparaissent des forces de Coriolis qui sont représentées à la figure 6e et qui provoquent des excursions correspondant à la troisième forme d'oscillation propre. Il en va de même pour l'excitation à des fréquences propres plus élevées. Dans un mode de réalisation, l'appareil de mesure selon la Fig. 2 présente les données suivantes: Longueur L = 35 à 45 cm Hauteur H = 4 à 5 cm Diamètre externe du tube = 8 - 10 mm Epaisseur de paroi du tube = 1 mm Matériau du tube = acier inoxydable Facteur Q > 4000 1. fréquence propre = 135 Hz 2. fréquence propre = 175 Hz. Il est avantageux que fl soit situé entre 100 et 150 Hz. Cette région est située à la limite supérieure de la première fréquence propre qui convient à l'excitation et elle permet donc de prévoir la seconde fréquence propre à proximité de celle-ci par des mesures constructives. Il est possible de s'écarter à de nombreux égards des constructions qui ont été montrées, sans quitter les concepts de base de l'invention. C'est ainsi que les boucles de tube de mesure peuvent être disposées les unes sur les autres au lieu de l'être les unes contre les autres. Les blocs 7 et 10 peuvent présenter une autre forme et être associés d'une façon différente. Pour d'autres détails, il est renvoyé aux demandes conjointes "Débitmètre fonctionnant selon le principe de Coriolis" (I), (II) et (III) de la déposante. - 11 - REVENDICATIONS 1. Débitmètre fonctionnant selon le principe de Coriolis, comprenant un dispositif de raccordement qui est relié d'une part à un tube de raccordement situé du côté de l'arrivée et à un tube de raccordement situé du côté de la sortie, et d'autre part à deux boucles de tube de mesure voisines l'une de l'autre, qui peuvent être amenées à éme osciller en sens contraires par un générateur d'oscillations à la nème fréquence propre correspondant à la neme forme d'oscillation propre et qui sont munies de capteurs pour détecter des valeurs de mesure dépendant du mouvement relatif, caractérisé par une disposition des boucles de tube de mesure (11, 12; 111, 112) telle que la (n+l)eème fréquence propre f correspondant à la (n+l) me forme d'oscillation n propre est située dans la plage comprise entre 0,7 fn et 1,5 fn' mais à l'extérieur de la plage de l'excitation de résonance par fn. n 2. Débitmêtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que f(n+1) est supérieur à fl' 3. Débitmètre selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que n est égal à 1. 4. Débitmètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que f2 est situé dans la plage comprise entre 1,2 f1 et 1,3 fl 5. Débitmètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que f2 est située dans la plage comprise entre 0,75 f1 et 0,85 fl 6. Débitmètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le facteur Q du système oscillant comprenant les boucles de tube de mesure est au moins égal à 3000 aussi bien pour la ème m n me que pour la (n+l)eme fréquence propre ( fl' fn+l) 7. Débitmètre selon la revendication 6, caractérisé en ce que le facteur Q est supérieur à 4000. 8. Débitmètre dans lequel les boucles de tube de mesure comprennent respectivement une section de tube rectiligne, deux parties recourbées sur 180 et s'y raccordant, et deux sections d'extrémité de longueur sensiblement égale et reliées à ces dernières, qui partent des côtés frontaux opposés d'un bloc, selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la longueur (L) des boucles de tube de mesure (11, 12; 111, 112) est au moins égale à six fois leur - 12 - hauteur (H). 9. Débitmètre selon la revendication 8, caractérisé en ce que la longueur (L) des boucles de tube de mesure (11, 12; 111, 112) est égale à 8 à 12 fois et de préférence est égale à sensiblement 10 fois leur hauteur (H). 10. Débitmètre selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que la longueur du bloc (10; 110) est au maximum de 15% et de préférence inférieur à 5% de la longueur (L) des boucles de tube de mesure (11, 12; 111, 112). 11. Débitmètre selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le bloc (10; 110) supportant les boucles de tube de mesure (11, 12; 111, 112) est relié à un autre bloc (7; 107) par au moins une paire de tubes de liaison élastiques (8, 9; 108), bloc auquel sont raccordés les deux tubes de raccordement (5, 6; 105, 106). 12. Débitmètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'au moins les boucles de tube de mesure (111, 112) et les sections de tube qui s'y raccordent sont constituées par un unique tube (R) recourbé plusieurs fois et en ce que la section de tube située entre les boucles et les sections de tube est fixée à ses extrémités dans trois supports de tubes (132, 133) reliés les uns aux autres. 13. Débitmètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que les trois supports de tube (132, 133) sont parallèles et disposés dans un plan. 14. Débitmètre fonctionnant selon le principe de Coriolis, comprenant un dispositif de raccordement qui est relié d'une part à un tube de raccordement situé du c8té de l'arrivée et à un tube de raccordement situé du c8té de la sortie, et d'autre part à deux boucles de tube de mesure voisines l'une de l'autre, qui peuvent être amenées à éme osciller en sens contraires par un générateur d'oscillations à la nme fréquence propre correspondant à la neme forme d'oscillation propre et qui sont munies de capteurs pour détecter des valeurs de mesure dépendant du mouvement relatif, notamment selon une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que les boucles de tube de mesure (11, 12; 111, 112) sont munies dans les ventres de vibration de - 13 - la nème oscillation propre ainsi que de la (n+l)ème oscillation propre d'éléments de masse, y compris les parties (13a, 14a, 15a; I3b, 14b, b) du générateur d'oscillations (13) et des capteurs (14, 15) montés sur le tube de mesure, et dont les masses (m., m2, m3) sont adaptées les unes aux autres de manière que l'excursion déterminée par les forces de Coriolis soit indépendante de la densité du fluide à mesurer. 15. Débitmètre selon la revendication 14, caractérisé en ce que sur la boucle de tube de mesure (11, 12) excitée à la première fréquence propre fl sont respectivement disposés des éléments de masse (13a, 14a, 15a; 13b, 14b, 15b) sensiblement au centre de la boucle et sensiblement au centre des moitiés de boucle.