Brevet FR2681135A1 — publié le 19930312

Procédé pour mesurer le débit d'un fluide dans une conduite. Débitmètre mettant en oeuvre le procédé. De manière corollaire compteur. La présente invention concerne un procédé permettant de mesurer le débit d'un fluide dans une conduite. Elle concerne également un dispositif utilisant ce procédé pour la réalisation de débitmètres et en corollaire de compteurs du volume de fluide écoulé. Ce dispositif débitmétrique simple permet en particulier la réalisation d'appareils électroniques économiques capables de recevoir et transmettre à distance des informations relatives à la mesure des débits de fluide écoulé. Différents types de débitmètres et compteurs sont aujourd'hui connus, ils utilisent divers procédés. Les compteurs utilisés en distribution d'eau sont de conception mécanique, soit volumétrique, soit à vitesse, ils ne peuvent transmettre à distance d'informations et en particulier le contenu de leurs index. Les systèmes de gestion technique centralisée sur ordinateur, tant en bâtiment qu'en process industriel, utilisent des débitmètres et compteurs dotés de systèmes électroniques. Ils sont basés sur différents phénomènes physiques et sont généralement complexes. II est connu qu'un obstacle placé dans un écoulement subit une force fonction du carré de la vitesse du fluide autour de l'obstacle. La mesure de cette force permet d'accéder à celle du débit. Cette méthode ne permet pas de réaliser des mesures de débit sur une plage suffisamment importante à la précision requise, la force variant trop rapidement avec le débit pour un obstacle et une conduite donnés. L'invention vise à palier cet inconvénient et permet la mesure de débit de fluide, en corollaire le comptage des débits dans une conduite avec une plage dynamique importante à la précision requise et satisfaisant l'usage. Le dispositif se caractérise par un obstacle fixe, équipé de capteurs, plongé dans le flux du fluide et permettant de mesurer la force que lui applique le fluide en s'écoulant autour de lui, associé à un système mobile qui entraîne une dérivation du flux en augmentant la section de passage en fonction du débit. L'obstacle fixe et le système mobile de dérivation ne laissent qu'une faible section de passage pour les petits débits de la plage désirée, puis le système mobile de dérivation augmente la section de passage avec le débit de manière à ce que la force appliquée sur l'obstacle reste compatible avec sa construction et les moyens de mesure pour les débits les plus élevés de la plage désirée. En d'autres termes, I'invention consiste à obturer la conduite pour les faibles débits de manière à augmenter la vitesse du fluide et donc la force exercée sur les capteurs de l'obstacle et à dériver simultanément une partie du flux aux débits élevés afin de limiter la force exercée sur l'obstacle. Ainsi la force exercée sur l'obstacle en fonction du débit après une croissance rapide aux faibles débits peut être quasiment linéarisée comme le montre la figure (1). A titre d'exemple cette courbe est obtenue à partir de l'étude d'un modèle constitué par un obstacle plan et un système de dérivation réalisé par un clapet soumis à la force exercée par l'écoulement du fluide d'une part,et d'autre part à une force de rappel créée par un ressort. Les capteurs mesurant la force à laquelle est soumis l'obstacle peuvent être reliés à un circuit électronique qui gère l'échantillonnage de la force, calcule le débit et mémorise les volumes écoulés entre autres fonctions possibles. Ainsi le dispositif de mesure en continu du débit d'un fluide dans une conduite se compose d'un obstacle statique, équipé de capteurs mesurant la force qui leur est appliquée, associé à un système de dérivation du flux du fluide qui adapte simultanément la section de passage du fluide en fonction du débit de manière à générer au niveau de l'obstacle statique une dynamique de la valeur de la force ou de la vitesse du fluide compatible avec l'étendue de la plage des débits souhaitée et de la précision désirée. En d'autres termes, le procédé pour déterminer le débit d'un fluide écoulé dans une conduite met en oeuvre une dérivation du flux du fluide par l'association d'un obstacle statique à un système mobile de dérivation du flux du fluide, adaptant la section de passage du fluide en fonction du débit de manière à générer au niveau de l'obstacle statique une dynamique de la valeur de la force ou de la vitesse du fluide compatible avec l'étendue de la plage des débits souhaitée et de la précision désirée. De plus, le débitmètre pour la mise en oeuvre du procédé est constitué par l'association d'un obstacle fixe équipé de capteurs permettant de mesurer la force à laquelle ils sont soumis et d'un clapet à ouverture progressive en fonction du débit muni d'un dispositif de rappel dont l'action s'oppose à celle de la force exercée par l'écoulement. Ce système le maintient dans une position d'équilibre stable en présence de débit . En l'absence de débit, le clapet et l'obstacle obstruent presque totalement la chambre de mesure. Avantageusement le débitmètre est constitué par l'association d'un obstacle fixe réalisé par une tôle dont la partie située dans la chambre a une forme rectangulaire et portant des jauges de contrainte et d'un système de dérivation réalisé par un clapet rectangulaire articulé autour d'un axe situé dans le plan de l'obstacle et dans la paroi opposée de la chambre de mesure et permettant la dérivation du flux. Le clapet est soumis à un couple de rappel créé par des masselottes. Avantageusement le débitmètre est constitué par l'association d'un obstacle fixe réalisé par une tôle dont la partie située dans la chambre a une forme rectangulaire et portant des jauges de contrainte et d'un système de dérivation réalisé par un clapet rectangulaire articulé autour d'un axe situé dans le plan de l'obstacle et dans la paroi opposée de la chambre de mesure et permettant la dérivation du flux. Le clapet est soumis à un couple de rappel créé par un ressort hélicoïdal. Avantageusement le débitmètre est constitué par un obstacle statique associé à un système de dérivation du flux du fluide. Le couple de rappel du clapet est généré par un ressort dont la raideur et la tension initiales sont déterminées en fonction de l'étendue de la gamme des débits à mesurer et des autres caractéristiques du dispositif de mesure du débit. Avantageusement le débitmètre est constitué par un obstacle statique associé à un système de dérivation du flux du fluide et comportant un capteur de température permettant de correler la force exercée sur l'obstacle avec les modifications des caractéristiques physiques du fluide. Enfin, le débitmètre constitue un compteur permettant la mesure du débit d'un fluide s'écoulant dans une conduite selon la description précédant ci-dessus. L'invention concerne également un débitmètre, et en corollaire un compteur mettant en oeuvre le procédé préalablement décrit: Le débitmètre figure (2) est constitué d'un boîtier (1) qui permet l'installation sur la conduite dans laquelle circule le fluide. Un circuit électronique (2) est relié aux capteurs (3). A l'intérieur du débitmètre le fluide circule dans une chambre de mesure (4) qui contient le dispositif débitmétrique. Le dispositif débitmétrique est caractérisé par un obstacle (5) équipé des capteurs de force (3), par un clapet mobile (6) qui permet la dérivation du flux et par un dispositif de rappel du clapet (7) qui tend à ramener le clapet dans sa position initiale. En absence de débit, L'obstacle (5)et le clapet (6) obstruent presque totalement la chambre de mesure (4), le clapet (6) est dans sa position initiale. En présence de débit, le clapet (6) est soumis à un système de forces, d'une part celles générées par le fluide qui tendent à son ouverture, et d'autre part celles du dispositif de rappel (7) qui s'y oppose. II prend une position d'équilibre stable qui augmente la section de passage. L'obstacle est soumis à une force F. F = f (u2) avec u = f (Q,S) u = vitesse du fluide autour de l'obstacle Q = débit S = section de passage La section de passage S est fonction des forces de rappel du clapet (6), de la section de la chambre (4); de la surface du clapet (6) et de l'obstacle (5). L'ensemble de ces caractéristiques sont choisies de manière à ce que la force F est la valeur désirée en fonction de la plage des débits souhaitée et de la précision requise. D'une manière avantageuse le débitmètre peut être réalisé selon la figure (3). La chambre de mesure (4) peut avoir une section rectangulaire. L'obstacle (5) peut être constitué par une tôle dont la partie obstruant partiellement la chambre de mesure (4) a une forme rectangulaire et est placée perpendiculairement à l'écoulement. Les capteurs (3) peuvent être des jauges de contrainte ou tout autre système de détection tel que des capteurs de déplacement capacitifs ou inductifs. Le clapet (6) peut être une tôle rectangulaire articulée autour d'un axe (8) situé dans la paroi de la chambre opposée à l'obstacle (5) et dans le même plan que l'obstacle (5). Le dispositif de rappel peut être une masselotte (9) portée par un bras (10) perpendiculaire à l'axe de rotation du clapet et formant un angle aO avec le plan du clapet. En absence de débit, le clapet et l'obstacle obstruent presque totalement la chambre. Les jeux (11) entre le clapet, L'obstacle et les parois déterminent la valeur des forces exercées sur l'obstacle et leurs variations aux faibles débits. Si aO = O, le clapet s'ouvre dès qu'un débit apparaît, voir figure (4) et figure (5) et prend, en fonction du débit, une position définie par l'angle a. Si aO ;t O, le clapet commence son ouverture quand le couple exercé par le fluide devient supérieur à la valeur initiale du couple de rappel. II existe alors deux régimes de l'évolution des forces F appliquées à l'obstacle selon que le clapet est ouvert ou fermé. Ceci est montré sur les figures (6) et (7). Ces deux régimes où chacun d'entre eux peuvent être exploités pour la détermination du débit. D'une manière également avantageuse, le dispositif de rappel appliqué au clapet peut être un ressort, en particulier hélicoïdal, dont la raideur est choisie en fonction de la gamme de débit à mesurer souhaitée. La figure (1) montre l'évolution du débit dans le cas où la valeur initiale du couple est nulle. II est connu que les caractéristiques physiques du fluide varient avec la température, ainsi, un capteur de température peut prendre en compte celle-ci de manière à corréler les caractéristiques du fluide avec la variation de la force F pour un débit déterminé. A titre d'exemple, une chambre de 6 x 3 cm2, un obstacle et un clapet dans le rapport de surface de 2 à 3, des jeux de 0,2 cm et un couple de rappel variant de O Nm à 0,02 Nm permettent de couvrir une gamme de débit s'étendant de 8 cm3/sec à 2 000 cm3/sec avec une dispersion mesurée de l'ordre de + 1 % sachant que le circuit électronique échantillonne la force à 200 Hz et calcule la moyenne vraie sur 15 échantillons. II apparaît clairement qu'un tel dispositif, dans ses applications de débitmètre et de compteur, permet la réalisation d'appareil satisfaisant les besoins. En effet, les déterminations de la section de la chambre de mesure, du jeu entre les parois, clapet et obstacle, la surface et la forme de l'obstacle et du clapet, la valeur du couple de rappel, permettent d'adapter la valeur de la force à la gamme de débit que l'on désire contrôler et ce pour une précision souhaitée. Un tel dispositif est particulièrement bien adapté à la réalisation de débitmètres et de compteurs comportant un circuit électronique de stockage et de traitement des informations et gèrant des bus permettant la transmission à distance de ces informations mémorisées ainsi que la programmation à distance du compteur en vue de fonctions spécifiques telle que le changement d'index de comptage. REVENDICATIONS 1) Procédé pour déterminer en continu le débit d'un fluide dans une conduite caractérisé par le fait que l'on réalise une dérivation du flux du fluide par l'association d'un obstacle statique à un système mobile de dérivation du flux du fluide, adaptant la section de passage du fluide en fonction du débit de manière à générer au niveau de l'obstacle statique une dynamique de la valeur de la force ou de la vitesse du fluide compatible avec l'étendue de la plage des débits souhaitée et de la précision désirée. 2) Débitmètre pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, s'installant sur une conduite et permettant de mesurer le débit du fluide écoulé, caractérisé par un obstacle statique associé à un système de dérivation mobile du flux du fluide. L'obstacle est équipé de capteurs qui permettent de mesurer la force qui leur est appliquée par l'écoulement du fluide. Simultanément, le système de dérivation mobile adapte la section de passage du fluide en fonction du débit de manière à générer au niveau de l'obstacle statique une dynamique de la valeur de la force ou de la vitesse du fluide compatible avec l'étendue de la plage des débits souhaitée et de la précision désirée. 3) Débitmètre selon la revendication 2, caractérisé par l'association d'un obstacle fixe équipé de capteurs permettant de mesurer la force à laquelle ils sont soumis et d'un clapet à ouverture progressive en fonction du débit muni d'un dispositif de rappel dont l'action s'oppose à celle de la force exercée par l'écoulement. Ce système le maintient dans une position d'équilibre stable en présence de débit . En absence de débit, le clapet et l'obstacle obstruent presque totalement la chambre. 4) Débitmètre selon les revendications 2 et 3, caractérisé par l'association d'un obstacle fixe réalisé par une tôle dont la partie située dans la chambre a une forme rectangulaire et portant des jauges de contrainte et d'un système de dérivation mobile du flux réalisé par un clapet rectangulaire articulé autour d'un axe situé dans le plan de l'obstacle et dans la paroi opposée de la chambre de mesure et permettant la dérivation du flux. Le clapet est soumis à un couple de rappel créé par des masselottes. 5) Débitmètre selon les revendications 2 et 3, caractérisé par l'association d'un obstacle fixe réalisé par une tôle dont la partie située dans la chambre a une forme rectangulaire et portant des jauges de contrainte et d'un système de dérivation mobile du flux réalisé par un clapet rectangulaire articulé autour d'un axe situé dans le plan de l'obstacle et dans la paroi opposée de la chambre de mesure et permettant la dérivation du flux. Le clapet est soumis à un couple de rappel créé par un ressort hélicoïdal. 6) Débitmètre selon les revendications 2 et 3 caractérisé par un obstacle statique associé à un système de dérivation mobile du flux du fluide. Le couple de rappel du clapet est généré par un ressort dont la raideur et la tension initiales sont déterminées en fonction de l'étendue de la gamme des débits à mesurer et des autres caractéristiques du dispositif de débit. 7) Débitmètre selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé par un obstacle statique associé à un système de dérivation mobile du flux du fluide et comportant un capteur de température permettant de corréler la force exercée sur l'obstacle avec les modifications des caractéristiques physiques du fluide. 8) Compteur de volume caractérisé en ce qu'il utilise un débitmètre selon l'une quelconque des revendications 2 à 7.