Brevet FR2667146A1 — publié le 19920327

i DEBITMETRE DE FLUIDE La présente invention se rapporte à un débit- mètre de type à oscillateur hydrodynamique apte à mesu- rer une vaste gamme de débits avec une précision élevée. La figure 12 représente un débitmètre hydrodyna- mique classique. Ce débitmètre comprend un corps 1 de façon gé- nérale formé dans un tube de section transversale rec- tangulaire et il est monté en série sur un passage de fluide Le corps 1 comprend une buse d'entrée 2 formée à travers une paroi frontale 3, une section d'expanseur 4 entourée d'une paroi avant 3, de parois latérales 4 a, 4 b et de parois arrière 5 a, 5 b et d'une portion de rétré- cissement 6 disposée d'amont en aval Sur l'axe central du débitmètre, un déflecteur 7 est disposé dans la sec- tion d'expanseur 4 fixée sur le corps Ce déflecteur 7 sert à faire dévier un flux d'entrée Fe de la buse d'en- trée 2 Le débitmètre comprend de plus un capteur (non représenté) sur la section d'expanseur 4 servant à dé- tecter la pression ou la vitesse. Le débitmètre se raccorde sur le corps 1 sur le passage de fluide, dont il s'agit de mesurer le débit. Un flux d'entrée Fe par la buse d'entrée 2 est dévié dans une direction par le déf lecteur 7 ainsi que par l'effet "Coanda" L'effet Coanda est fonction de la présence d'une paroi contiguë au flux à écoulement libre et fait dévier ce flux au voisinage de celle-ci Ainsi, le flux d'échappement Fe est dirigé de façon à s'écouler à proximité de la paroi latérale 4 a du corps 1 comme cela est montré sur la figure 12 Subséquemment, une portion du flux d'entrée Fe est dirigée de façon à s'écouler en amont pour produire un flux en retour Fr. Le flux en retour Fr propulse le flux d'entrée Fe provenant de la buse d'entrée 2 dans la direction opposée (vers le bas sur la figure 12) qui S 'écoule le long de la paroi latérale 4 b Ce processus se produit de façon répétée pour donner une oscillation de fluide. La fréquence d'oscillations n'est pas fonction des propriétés physiques du matériau qui s'écoule mais elle est proportionnelle au débit Le capteur précité produit un signal de sortie dont la fréquence est pro portionnelle au débit et par conséquent, ce dernier peut être évalué à partir du signal de sortie. Dans le débitmètre classique, on sait que lors- que le débit est constant, la fréquence f est déterminée en fonction d'une dimension ou d'une longueur du flux en retour Fr Lorsque la distance L entre la sortie de la buse d'entrée 2 et la portion d'étranglement 6 est cons- tante, et que la distance H entre la sortie de la buse d'entrée 2 et du déflecteur 7 augmente, la dimension du flux de retour augmente et la fréquence f diminue Lors- que la largeur W augmente, la fréquence f diminue de la même manière. Pour assurer la production de flux de retour Fr il faut dimensionner la distance H de façon suffisamment petite par rapport à la distance L montrée sur la figure 12 ou donner une courbure continue aux portions de coin situées entre les parois latérales 4 a et 4 b et la por- tion arrière 5 a, 5 b, comme cela est montré sur la figure 13. Ce débitmètre classique est d'une utilité supé- rieure étant donné qu'il ne comprend aucune partie en mouvement mécaniquement et qu'il peut mesurer des débits sans être influencé par les propriétés physiques de la matière qui s'écoule Cependant, ce débitmètre comporte encore les inconvénients suivants. Comme cela est montré sur la figure 14, la fré- quence des oscillations est relativement faible ce qui rend les résultats de mesure instables, notamment dans les plages de faibles débits Par conséquent, l'erreur de mesure augmente dans les plages de petits débits comme cela est montré sur la figure 15. Un but de la présente invention est par consé- quent de fournir un dispositif apte à mesurer des débits avec une précision élevée sur une vaste plage de débits. La présente invention a été réalisée de façon à atteindre le but précité et elle concerne un dispositif apte à mesurer un débit et comprend un corps ayant une section transversale creuse et rectangulaire avec un axe central, le corps de débitmètre comprenant: une paroi avant et une paroi arrière définissant une section d'expanseur entre celles-ci; une buse d'entrée formée à travers la paroi avant; un déflecteur ou cible ayant une surface fron- tale et un axe, cette surface frontale et cet axe étant perpendiculaires à l'axe central du corps; une portion d'étranglement ou de rétrécissement formée à travers la paroi arrière, la buse d'entrée et la portion de rétrécissement ayant le même axe que l'axe central; dans lequel le corps est formé de façon à ce que dans une section transversale perpendiculaire à l'axe du déflecteur ou cible, un arc de cercle défini par prolongement tangen- tiel à partir de l'un des bords de sortie de la buse d'entrée, et traversant un point défini sur un bord du déflecteur sur le côté opposé de l'axe central par rap- port au bord de sortie, s'étend de plus pour traverser la paroi arrière. Selon la présente invention, des flux tourbil- lonnaires, provoqués périodiquement en aval du déflec- teur ou cible, modifient la direction du flux d'entrée de façon alternée Ce processus crée une oscillation de fréquence élevée permettant une mesure pr-éci-se même- lorsque le débit est faible. La figure 1 est une vue en coupe partielle du corps du débitmètre du mode de réalisation selon la pré- sente invention; la figure 2 est une vue schématique de la figu- re 1; la figure 3 est un graphique montrant une tion entre H/t et la fréquence f; la figure 4 est un graphique montrant une tion entre le débit et l'erreur de mesure; la figure 5 est un graphique montrant une tion entre W/t et la fréquence f; la figure 6 est un graphique montrant une tion entre H/L et la fréquence f; la figure 7 est un graphique montrant une tion entre T/t et la fréquence f; la figure 8 est un graphique montrant une tion entre a/t et l'erreur de mesure maximum; la figure 9 est un graphique montrant une tion entre a/b et l'erreur de mesure maximum; rela- rela- rela- rela- rela- rela- rela-. la figure 10 est une vue schématique du corps de débimètre classique; la figure 11 est une vue schématique d'un autre corps de débitmètre classique; la figure 12 est un graphique montrant une rela- tion entre H/t et la fréquence f mesurée par le corps de débitmètre classique; la figure 13 est un graphique montrant une rela- tion entre le débit et l'écart de mesure maximum mesuré par le corps de débitmètre classique. On va maintenant décrire le mode de réalisation préféré de la présente invention. Sur les figures 1 et 2, la référence numérique 11 désigne un corps de débitmètre formé dans un tube de section transversale rectangulaire et qui consiste en un débitmètre du type à oscillation de fluide. Le corps de débitmètre 11 comporte un axe cen- tral C, et comprend une paroi frontale 12, une paroi arrière 13, des parois latérales 14 a, 14 b et des parois de dessus et de fond 15 a, 15 b Ces six parois définis- sent une section d'expanseur 16 située entre celles-ci. Une buse d'entrée 17 de section transversale rectangu- laire et d'une épaisseur t est formée à travers la paroi frontale 12 de façon à la diviser en deux portions 12 a, 12 b Une portion de rétrécissement 18 est formée à tra- vers la paroi arrière 13 de façon à la diviser en deux portions 17 a, 17 b Cette buse d'entrée 17 et cette por- tion d'étranglement 18 ont respectivement les sections transversales rectangulaires parallèles aux parois de dessus, aux parois de fond et aux parois latérales 14 a, 14 b, 15 a, 15 b du corps de débitmètre 11 et le même axe que le corps de débitmètre 11 Un déflecteur ou cible 19 ayant une section transversale rectangulaire est disposé dans la section d'expanseur 16 par fixation de ses deux extrémités sur les parois de dessus et de dessous 15 a Y b Le déflecteur 19 est disposé dans le corps de débitmètre 11 de manière que son axe soit perpendicu- laire à l'axe central C du corps de débitmètre et que ses surfaces soient respectivement parallèles aux parois frontales arrière et latérales 12, 13, 14 a, 14 b Grâce à ce type de construction, la section transversale du corps du débitmètre 11 perpendiculaire à l'axe du dé- flecteur 19 est identique, c'est-à-dire qu'elle est de section transversale uniforme dans la direction perpen- diculaire à la surface du papier à la figure 1. Dans la section transversale montrée à la figure 1, le corps 11 de débitmètre est formé de façon à satis- faire aux conditions géométriques suivantes. Premièrement, les arcs de cercle Ra ou Rb sont définis comme suit L'arc de cercle Ra commence à partir de la sortie 17 a de la buse d'entrée 17 pour se prolon- ger dans une direction tangentielle à la sortie 17 a, c'est-à-dire que le centre de l'arc de cercle Ra se situe sur la surface intérieure de la paroi frontale 12. L'arc de cercle Ra traverse ensuite l'axe central C et passe par un point défini sur un bord 19 b de la surface frontale 19 c du déf lecteur 19 sur le côté opposé de l'axe central C De plus, l'arc de cercle Ra traverse la paroi arrière 13 b sur le côté opposé de l'axe central C. Ainsi, les dimensions telles que la largeur t de la buse d'entrée 17, la distance H entre la buse 17 et le déflecteur 19, la distance L entre la paroi frontale et la paroi arrière, la largeur T de la portion de rétré- cissement 18 et la largeur W de la section d'expanseur 18 sont choisies pour que l'arc de cercle Ra ne traverse pas la paroi latérale 14 b avant de traverser la paroi arrière 13 b du corps 11. L'agencement est symétriquement identique à l'arc de cercle Rb commençant à partir de la sortie 17 b sur le côté opposé de l'axe central C. Deuxièmement, les portions de coin entre la pa-. roi arrière 13 et les parois latérales 14 a, 14 b présen- tent des arêtes vives, c'est-à-dire que le rayon de courbure du coin est négligeable par rapport à la di- mension du corps 11 du débitmètre Grâce à cette cons- truction, on empêche la production de flux en retour lorsque le flux d'entrée Fe percute la paroi arrière 13. Dans le mode de réalisation décrit, les portions de paroi arrière 13 a, 13 b sont disposées orthogonalement par rapport à l'axe central C Cependant, elles peuvent présenter une relation angulaire inclinée par rapport à celui-ci Toutefois, l'angle entre les parois latérales 14 a, 14 b et les portions de paroi arrière doit être obtus pour empêcher la formation d'un reflux. Troisièmement, la distance L et H, cette pre- mière étant définie entre la sortie de la buse d'entrée 17 et la portion de rétrécissement 18 et cette dernière étant définie entre la sortie de la buse d'entrée 17 et le déflecteur 19, sont choisies de façon à satisfaire l'équation suivante ( 1); H/L > 0,5 ( 1) Quatrièmement, la largeur a du déflecteur 19 et la largeur T de la portion de rétrécissement sont choi- sies de façon à satisfaire l'équation suivante ( 2); a Sur la figure 1, la référence numérique 20 dé- signe un capteur destiné à détecter la pression à l'in- térieur de la section d'expanseur 18 ou la vitesse du flux à l'intérieur de celle-ci La référence 21 désigne un microprocesseur destiné à recevoir et à émettre des signaux de sortie du capteur pour calculer le débit et le convertir en signaux de sortie. Dans le mode de réalisation décrit, les portions de paroi arrière 13 a, 13 b sont disposées de façon ortho- gonale par rapport à l'axe central C Cependant, elles peuvent être en relation angulaire inclinée entre elles. Le débitmètre se raccorde au corps 11 dans un passage en série de flux o il s'agit de mesurer le débit Un flux d'entrée Fe est par exemple dévié par le déflecteur 19 d'abord sur la paroi arrière 13 a Ensuite, un flux tourbillonnaire, Fv est produit derrière le dé- f lecteur 19, ce qui de plus crée un flux circulaire Fc autour du déflecteur 19 comme cela est montré sur la figure 2 Le flux circulaire Fc fait dévier le flux d'entrée Fe en direction du côté opposé de l'axe central C de sorte que la direction du flux d'entrée Fe est permutée vers la paroi arrière 13 b Ce processus -se produit alternativement et fournit une oscillation de fluide dont la fréquence est proportionnelle au débit. L'oscillation peut être détectée à partir du signal de sortie du capteur 20 de la même manière que dans le débitmètre classique Cependant, dans le débitmètre de la présente invention, étant donné que l'oscillation se produit en fonction du flux tourbillonnaire Fv et non du flux en retour, l'oscillation de fluide est constamment présente, même dans les plages de faible débit En ef- fet, grâce au débitmètre selon l'invention, lorsque le débit est constant la fréquence f est déterminée en fonction de la longueur du flux tourbillonnaire Fv Par conséquent, lorsque la distance H augmente et que la distance L est constante, la dimension du flux tourbil- lonnaire Fv diminue et la fréquence f augmente, ce qui. est différent du débitmètre classique La figure 3 est un graphique des données montrant la relation entre la distance H et la fréquence f Les données sont obtenues pour le même débit que celui du débitmètre classique. montré à la figure 14 La figure 3 montre que la fré quence f augmente à mesure qu'augmente la distance H. De plus, la figure 3 montre que la fréquence f de l'invention est de loin supérieure à celle du débitmètre classique Par conséquent, une oscillation de fluide stable est obtenue pour réduire l'erreur de mesure La figure 4 est un graphique montrant l'erreur de mesure du débitmètre selon l'invention, cette erreur étant infé- rieure à celle du débitmètre classique montré à la figure 14, notamment dans la plage des faibles débits. L'erreur de mesure est déterminée en raccordant le débitmètre examiné sur un débitmètre standard et en calculant l'écart entre les valeurs de débit mesurées. Avec le débitmètre selon l'invention, l'oscil- lation de fluide n'est pas produite à partir du flux en retour qui s'écoule à proximité des parois latérales 14 a, 14 b Par conséquent,_ la position des parois laté- rales 14 a, 14 b ou la largeur W de la section d'expanseur 16 n'exercent aucune incidence sur les caractéristiques du débitmètre La figure 15 est un graphique montrant la fréquence f mesurée lorsque le débit est constant tandis que l'on modifie la largeur W, ce qui démontre que la fréquence f est constante quelle que soit la largeur W. L'oscillation de fluide à haute fréquence dé- crite ci-dessus, provoquée par le flux tourbillonnaire Fv derrière le déflecteur 19 se produit au moins lorsque la première condition préalablement mentionnée est sa- tisfaite, c'est-à-dire lorsque les arcs de cercle vir- tuels Ra ou Rb atteignent les parois arrière 13 b, 13 a. Cependant, la première condition est nécessaire mais pas suffisante pour créer une oscillation de fluide stable. En satisfaisant les conditions 2 à 6 mentionnées préala- blement, le débitmètre du mode de réalisation de la pré- sente invention est désormais en mesure de produire un flux tourbillonnaire stable Fv pour assurer une fonction excellente et constante. Pour le mode de réalisation, la portion de coin entre la paroi arrière 13 et les parois latérales 14 a, 14 b est formée de façon à ce que des parois droites 13 et 14 a ou 14 b se coupent entre elles selon un angle droit ou obtus De plus, la distance L et H est déter- minée de façon à satisfaire l'équation ( 1) Par consé- quent, on empêche de façon positive le flux en retour de se produire de sorte que le flux tourbillonnaire Ft assure un rôle principal dans la production de l'oscil- lation de fluide La figure 6 est un grand graphique montrant la fréquence m mesurée lorsque l'on fait varier H/L tandis que L/t sert de paramètre et le débit a une valeur faible et constante Le graphique montre une nette distinction respectivement dans les plages divisées par une ligne représentant "H/L = 0,5 " Dans la plage o "H/L> 0,5 ", le trait caractéristique provoqué par le flux tourbillonnaire Fv est clairement démontré. De plus, dans le mode de réalisation, les dimen- sions "a", "b", "T" et "t" sont déterminées de façon à satisfaire les expressions ( 2) à ( 4), de sorte que le flux tourbillonnaire Fv se produit dans une condition stable Les résultats expérimentaux sont montrés sur les figures 7 à 9 et prouvent l'effet mentionné ci-dessus. Sur la figure 7, la fréquence f est tracée par rapport à T/t dans une plage allant de "a/t" à "T/t" lorsque le débit est constant Le graphique montre qu'une fréquence f plus élevée est mesurée lorsque "T" est supérieur à "a". Une autre caractéristique du débitmètre du mode de réalisation selon l'invention est le rapport entre lq largeur a du déflecteur 19 et la largeur T de la portion de rétrécissement 18 Sur la figure 8, une erreur de mesure maximum est représentée par rapport à a/t lorsque le débit est constant On y montre clairement que l'erreur de mesure maximum est extrêmement petite dans la plage o a/t va de 1,0 jusqu'à 1,4. Une autre caractéristique du débitmètre du mode de réalisation selon l'invention réside dans la relation entre la largeur a et l'épaisseur b du déflecteur ou cible 19 décrit dans l'équation ( 4) Sur la figure 9, l'erreur de mesure maximum est tracée par rapport à b/a lorsque le débit est maintenu bas et constant Le graphique montre que l'erreur de mesure maximum est extrêmement petite lorsque b/a est inférieur à 0,6 ce qui signifie que la production du flux tourbillonnaire Fv devient instable si l'épaisseur du déflecteur 19 est importante par rapport à sa largeur. -4 il REVENDICATIONS 1 Débitmètre, caractérisé en ce qu'il comprend un corps ( 11) formé dans un tube de section transversale creuse et rectangulaire ayant un axe central C, le corps ( 11) comprenant: une paroi frontale ( 12) et une paroi arrière ( 13) définissant une section d'expanseur ( 16) entre cel- les-ci; une buse d'entrée ( 17) formée sur la paroi frontale ( 12); un déflecteur ou cible ( 19) en forme de colonne avec une surface frontale et un axe, la surface frontale et l'axe étant perpendiculaires à l'axe central C du corps ( 11) du débitmètre; une portion d'étranglement ou de rétrécissement ( 18) formée sur la paroi arrière ( 13), la buse d'entrée ( 17) et la portion de rétrécissement ( 18) ayant le même axe que l'axe central C; dans lequel le corps ( 11) du débitmètre est formé de façon à être en section transversale perpendi- culaire à l'axe du déflecteur ou cible ( 19), un arc de cercle défini par prolongement tangen- tiel à partir de l'un des bords de sortie de la buse d'entrée ( 17), en passant par un point défini sur un bord du déflecteur ( 19) sur le côté opposé de l'axe cen- tral C par rapport au bord de sortie, et s'étendant de plus sur la paroi arrière ( 13). 2 Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le déf lecteur ou cible est monté entre une paire de parois du corps de débitmètre, cette paire de parois se faisant face et étant perpendiculaire à l'axe du déflecteur ou cible. 3 Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi arrière et la paroi latérale du débitmètre sont formées de façon à empêcher le reflux, les parois latérales étant parallèles à l'axe du déflecteur ou cible. 4 Débitmètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que la paroi arrière et la paroi latérale du corps de débitmètre sont formées de façon à avoir des surfaces droites différenciables entre elles. Débitmètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que la paroi arrière et la paroi latérale du corps de débitmètre sont formées de surfaces cylindriques différenciables entre elles. 6 Débitmètre selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le corps ( 11) est formé de façon à satisfaire l'équation suivante: H/L 0,5 dans laquelle, la distance L se situe entre la sortie de la buse d'entrée ( 17) et la portion d'étranglement ( 18) et la distance H se situe entre la sortie de la buse. d'entrée ( 17) et la surface frontale du déflecteur ou cible ( 19). 7 Débitmètre selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le corps ( 11) est formé de façon à sa- tisfaire l'équation suivante: a portion d'étranglement ( 18). 8 Débitmètre selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le corps ( 11) est formé de façon à sa- tisfaire l'équation suivante: 1,0 buse d'entrée ( 17). 9 Débitmètre selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le corps ( 11) est formé de façon à satisfaire l'équation suivante: b/a ou cible ( 19).