Brevet FR2673716A1 — publié le 19920911

L'invention se rapporte à un débitmètre fluidique à effet de pression du type à capteur placé dans une sonde transversale à la conduite o circule le fluide dont on veut mesurer le débit à partir des perturbations hydrauliques générées dans le fluide par la présence de la sonde. Les débitmètres de ce type sont appelés débitmètres ou compteurs à effet Karman ou encore à effet tourbillon. Les tourbillons sont générés par le corps de la sonde à partir d'une certaine vitesse d'écoulement et leur fréquence de détachement est fonction de la géométrie du corps de la sonde et dépend en première approximation linéairement du débit. Ainsi, la mesure de la fréquence des tourbillons permet, après calibration, de mesurer le débit dans la conduite. On a développé jusqu'à présent différents profils de sonde en cherchant à les optimiser pour obtenir une meilleure linéarité du débit par rapport à la fréquence des tourbillons dans une plage de mesure aussi étendue que possible. La détection des tourbillons est effectuée généralement par un capteur, de différents types, par exemple inductif, capacitif, piézorésistif ou à ultrasons, qui détecte en un point donné de la conduite, en aval de la sonde, les surpressions engendrées par les tourbillons. Ces surpressions sont transformées par le capteur en signaux électriques puis amplifiés et mesurés et/ou enregistrés dans un bloc d'amplification- mesure. Les inconvénients majeurs de ces débitmètres à capteurs sont les suivants zone de mesure restreinte, faible sensibilité nécessitant l'usage de corps de sondes plus larges afin d'engendrer des tourbillons suffisamment intenses, occasionnant des pertes de charges élevées; sensibilité aux perturbations électromagnétiques; inconvénients liés aux capteurs nécessitant une alimentation électrique dans les zones présentant des risques d'explosion. On a cherché également à développer des dispositifs à fibres optiques pour remplacer les capteurs ci-dessus Un signal lumineux, généré par une source lumineuse, est injecté dans une fibre optique traversant la conduite Le flux lumineux sortant de la fibre optique est détecté par un photodétecteur disposé à l'extrémité de la fibre opposée à la source par rapport à la conduite, puis amplifié et analysé Les variations de pression dues aux tourbillons modifient les caractéristiques physiques de la fibre optique ainsi que les conditions de propagation et modulent le signal lumineux qui sera détecté et mesuré. Ces dispositifs présentent l'avantage d'une sensibilité à la détection supérieure à celle des dispositifs précédents, ainsi qu'une sécurité et fiabilité théoriques en ambiance explosive ou électromagnétiquement perturbée Cependant, ils souffrent de l'un au moins des inconvénients suivants et ne donnent pas à l'heure actuelle totale satisfaction en raison des défauts suivants: grande fragilité de la fibre qui n'est pas protégée mécaniquement; complexité du dispositif; sensibilité aux vibrations mécaniques de la conduite; trop grande dépendance aux caractéristiques optiques telles que transparence, propreté du fluide, dans le cas de capteurs dits extrinsèques, c'est-à-dire à fibre optique interrompue à l'endroit de la mesure. Un premier but de l'invention est de concevoir un débitmètre à sensibilité nettement améliorée en augmentant la longueur de la partie sensible du capteur. Un autre but de l'invention est de remédier à la fragilité mécanique de ces types de capteurs provenant des détériorations dues aux pulsations du débit ou à l'abrasion par le fluide. Un but supplémentaire de l'invention est de concevoir un dispositif très simple, robuste, avec interchangeabilité complète de la sonde. Les modes de réalisation préférés de l'invention, tels que ceux décrits ci-après en référence aux figures, permettent d'atteindre les buts fixés et présentent notamment les performances suivantes: ils permettent de mesurer la fréquence des tourbillons: indépendamment de la transparence du fluide, pour des fluides explosifs, en ambiance électromagnétiquement perturbée par adjonction d'un blindage de l'électronique; ils détectent les vibrations de la conduite par une fibre de référence et permettent une correction de la mesure, soit par simple soustraction, soit par un procédé plus performant du type décorrélation par exemple; ils protègent efficacement la ou les fibres optiques contre la détérioration due aux pulsations du débit ou à l'abrasion par le fluide. Par rapport à tous les débitmètres connus, les avantages spécifiques de l'invention peuvent s'énoncer comme suit: plus forte sensibilité; encombrement plus faible: neutralité totale et isolation électrique et galvanique; absence de risque d'explosion; la fibre peut être fine et introduite dans le canal sans démontage de la sonde, en vue de son remplacement; grande linéarité entre la fréquence des tourbillons et le débit du fluide sur une plage étendue de valeurs de débits. Les caractéristiques techniques et d'autres avantages de l'invention sont consignés dans la description qui suit, effectuée à titre d'exemple non limitatif sur un mode d'exécution en référence aux dessins accompagnants dans lesquels: la figure 1 est le schéma général représentant le premier mode de réalisation du débitmètre selon l'invention comportant une seule fibre de mesure; la figure 2 est la coupe transversale d'un premier exemple de forme de corps de sonde utilisé dans le premier mode d'exploitation de la figure 1; la figure 3 est une vue schématique en perspective d'un deuxième exemple de forme de corps de sonde également utilisé dans le premier mode d'exploitation la figure 4 est la coupe transversale du corps de sonde de la figure 3; la figure 5 est le schéma général d'un autre mode de réalisation du débitmètre selon l'invention comportant une fibre de mesure et une fibre de référence; la figure 6 est une vue en coupe transversale d'un premier exemple de réalisation de corps de sonde utilisé pour le deuxième mode de réalisation de la figure 5; la figure 7 est une vue en coupe transversale d'un deuxième exemple de réalisation du corps de sonde utilisé pour le mode de réalisation de la figure 5. Conformément à l'invention, un corps 1 d'une sonde 2 est disposé transversalement à l'intérieur d'une conduite 3 dans laquelle s'écoule un fluide Le corps 1 de la sonde dont il occupe tout un diamètre interne de la conduite 3 sur laquelle il est fixé, de façon étanche au fluide, par ses deux extrémités 4 et 5. D'autre part, ce corps 1 de sonde comporte au moins un canal intérieur cylindrique longitudinal de mesure 6 le traversant totalement ou partiellement et débouchant par lrune ou l'autre de ses deux extrémités sur l'extérieur de la conduite 3. Ce canal cylindrique de mesure 6 est destiné à être traversé de façon étanche par une fibre optique de mesure 7 Le cas échéant, un deuxième canal identique, dit canal de référence 8, est traversé par une fibre de référence 9 Le corps de sonde présente classiquement un front avant 10, deux faces latérales 11 et 12 de fuite et un front arrière 13 La ou les fibres optiques sont ainsi protégées mécaniquement par le corps de la sonde. Selon un autre mode de réalisation, les fronts avant et arrière sont remplacés par un dièdre avant 14 et un dièdre arrière 15, alors que les faces latérales de fuite sont supprimées en raison de sa forme générale de section en carré ou en losange. Le canal de mesure 6 est mis en communication transversale avec le fluide sur chacune des faces latérales ou dièdre aval par des ouvertures de prise de pression 16 et 17, par exemple en forme de fentes telles que 18 et 19 disposées longitudinalement. On se reportera à présent aux figures 1 à 4 pour la description de détail d'un premier mode de réalisation non limitatif de l'invention ne comprenant qu'une seule fibre optique. Le débitmètre à fibre optique représenté comporte principalement la sonde 2 de détection traversant diamétralement la conduite 3 de circulation du fluide, le corps de la sonde étant traversé longitudinalement dans ce mode de réalisation par la fibre optique de mesure 7 transmettant le signal lumineux issu d'une seule source de lumière cohérente ou non, émise, par exemple, mais non nécessairement par une diode laser DL, le signal étant ensuite détecté puis amplifié et analysé par une mesure de fréquence. La conduite de fluide est de préférence cylindrique. La sonde 2 se composant du corps 1 débouche transversalement hors de la conduite 3 sur laquelle il se trouve maintenu par deux flasques de fixation 20 et 21 réalisant sa fixation mécanique et l'étanchéité au fluide. La sonde présente un passage pour la fibre optique de mesure 7 sous la forme du canal de mesure 6 cylindrique et longitudinal débouchant à chacune de ses extrémités sur la face extérieure d'un flasque par un passage d'extrémité 22 et 23 fermé chacun par une obturation d'étanchéité telle que 24 ou 25. Le canal de mesure présente de préférence une zone centrale 26 de plus large diamètre en communication avec le fluide ambiant en mouvement par les ouvertures de prise de pression telles que 16 et 17 définies ci-dessus. Deux exemples de forme de corps de sonde sont représentés sur les figures 2 à 4. Le corps 1 de sonde représenté sur la figure 2 présente une section de forme trapézoïdale, les ouvertures de prise de pression 16 et 17 sont perpendiculaires au canal de mesure et débouchent respectivement par une des fentes 18 ou 19 ou une série de trous sur chaque paroi latérale inclinée par rapport au déplacement du fluide dont le sens est symbolisé par une série de flèches parallèles Les tourbillons engendrés par le corps de la sonde placé dans le courant du fluide en mouvement sont représentés par des flèches circulaires. Le corps 1 de la sonde 2 représenté sur les figures 3 et 4 montre une section carrée ou en losange à canal de mesure 6 central Les ouvertures de prise de pression 16 et 17 sont formées de deux fentes spécifiques 27 et 28 débouchant sur les faces du dièdre arrière 15 situé en aval du corps de sonde Ces deux fentes sont disposées symétriquement par rapport à la diagonale du carré ou du losange qui est orienté parallèlement à la direction du fluide. Comme indiqué, la source de lumière utilisée est une source classique sous la forme d'une diode électroluminescente ou une source de lumière cohérente, par exemple, une diode laser DL dont le faisceau est injecté dans la fibre de mesure et se propage dans celle-ci jusqu'à un détecteur lumineux, par exemple, une photodiode PD suivie d'un amplificateur AMP du signal puis d'un traitement adapté et d'une mesure de fréquence en vue de produire un signal analogique exploitable en affichage AFF par la visualisation d'une courbe ou d'une valeur de débit. Plus particulièrement dans ce cas le signal convenablement préparé est exploité par un module de mesure de la fréquence MMF soit par analyse de Fourier soit par comptage d'impulsions, chaque impulsion représentant un tourbillon. Le débitmètre représenté sur les figures 5 à 7 concerne un version perfectionnée Elle se différencie du premier mode de réalisation par la présence de deux passages parallèles 29 et 30 sous la forme de deux canaux cylindriques de référence 31 et de mesure 32, disposés par exemple dans le plan médian de la sonde parallèle à la direction du fluide Le canal de référence 31 ne comporte aucune communication avec le fluide Il est destiné au passage d'une fibre optique de référence 33 qui détecte les vibrations propres à la conduite, indépendamment de celles liées au passage du fluide le long du corps de sonde. Le canal de mesure 32 contient une fibre de mesure 34 et comporte des ouvertures de prise de pression analogues à celles ci-dessus sous la forme de fentes ou de groupes de trous analogues à ceux décrits précédemment. La position du canal de référence 31 par rapport au canal de mesure 32 dépend de la forme du corps de sonde. Dans le cas de la figure 6, le canal de mesure 32 est situé en amont de l'axe central de la sonde et les fentes sont coplanaires. Dans le cas de la figure 7, le canal de mesure 32 est situé en aval de l'axe central de la sonde, les fentes étant également coplanaires. Le canal de mesure 32 sert au passage de la fibre optique de mesure 7 détectant les vibrations propres à la conduite et surtout celles engendrées dans le fluide par la formation et le détachement des tourbillons. Le circuit de mesure se compose d'une source lumineuse SL de lumière cohérente ou non injectée dans une fibre principale 35 ou un faisceau de fibres Un séparateur de faisceaux SF ou coupleur permet de séparer le faisceau lumineux dans la fibre de référence 33 et dans la fibre de mesure 34 Chaque signal transmis par chaque fibre est reçu séparément dans un photodétecteur PD 1 et PD 2 amplifié dans un amplificateur à deux voies AMP Les deux signaux des deux voies sont traités dans un montage DT de décorrélation temporelle La chaîne se poursuit par un module de mesure de la fréquence MMF soit par analyse de Fourier soit par comptage d'impulsions en vue de transmettre après étalonnage à un afficheur AFF la valeur du débit qui est une fonction linéaire de la fréquence des tourbillons. Dans le cas o le canal ne traverse que partiellement la sonde, celui-ci est destiné à recevoir un élément mobile dont le rôle est de transmettre l'effet des tourbillons à une fibre optique située hors du canal, évitant à celle-ci tout contact avec le fluide Pour une sonde à deux canaux ne traversant que partiellement la sonde, l'une des tiges mobiles actionne la fibre de référence (détection des vibrations parasites) tandis que l'autre actionne la fibre de mesure (détection des vibrations parasites et des tourbillons). Divers types de fibres optiques peuvent être utilisées pour l'un ou l'autre des modes de réalisation décrits: fibres à gaines métalliques ou en polymères hautes températures; fibres munies de masselottes capillaires améliorant la stabilité et le degré de protection des fibres; fibres à gaines épaisses pour une meilleure stabilité mécanique et une meilleure sensibilité. Par ailleurs, les applications sont nombreuses: chauffage, distribution de gaz, procédés chimiques, industriels, mesures de débits de vapeur, de liquides, de gaz Il est bien entendu qu'au-delà des moyens décrits, diverses modifications évidentes et variantes simples entrent dans le cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1 Débitmètre à effet f luidique du type à capteur placé dans une sonde transversale à la conduite ( 3) o circule le fluide dont on veut mesurer le débit à partir des perturbations hydrauliques générées dans le fluide par la présence du corps de la sonde, caractérisé en ce que: * le corps ( 1) de la sonde occupe tout un diamètre interne de la conduite ( 3) sur laquelle il est fixé de façon étanche au fluide par ses deux extrémités ( 4) et ( 5), ce corps de sonde comporte au moins un canal intérieur cylindrique longitudinal de mesure ( 6) le traversant au moins en partie et débouchant par l'une ou l'autre de ses extrémités sur l'extérieur de la conduite ( 3), ce canal de mesure ( 6) est traversé par au moins une fibre optique ( 7) et communique avec le fluide de la conduite par des ouvertures de prise de pression ( 16) et ( 17) ménagées dans les parois du corps de la sonde. 2 Débitmètre selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le canal de mesure ( 6) débouche à chacune de ses extrémités sur la face extérieure d'un flasque par un passage d'extrémité ( 22, 23) fermé chacun par une obturation d'étanchéité telle que ( 24) ou ( 25). 3 Débitmètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le canal de mesure ( 6) présente une zone centrale ( 26) de plus large diamètre. 4 Débitmètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps ( 1) de sonde présente une section de forme trapézoïdale, les ouvertures de prise de pression ( 16) et ( 17) étant perpendiculaires au canal de mesure et débouchant sur chaque paroi latérale inclinée par rapport au déplacement du fluide. Débitmètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les ouvertures de prise de pression sont des fentes longitudinales ( 18, 27) et ( 19, 28). 6 Débitmètre selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la section du corps ( 1) affecte la forme d'un losange ou d'un carré, les ouvertures de prise de pression débouchant sur les faces du dièdre en aval ( 14) du corps de la sonde. 7 Débitmètre selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la section du corps ( 1) affecte la forme d'un losange ou d'un carré, les ouvertures de prise de pression débouchant sur les faces du dièdre amont ( 15) du corps de la sonde. 8 Débitmètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps de la sonde comporte deux canaux cylindriques parallèles traversés chacun par une fibre optique de référence ( 33) et de mesure ( 32), un canal de référence ( 31) ne comportant aucune communication avec le fluide et un canal de mesure ( 34) comportant des ouvertures de prise de pression ( 16) et ( 17) communiquant avec le fluide. 9 Débitmètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit de mesure se composant de. une source lumineuse SL injectée dans un faisceau de fibres principal ( 35); au moins un photodétecteur PD 1 suivi d'un amplificateur; un module de mesure de fréquence MMF; un afficheur AFF. Débitmètre selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte en outre: un séparateur de faisceaux SF; deux fibres optiques de mesure ( 32) et de référence ( 33); deux photodétecteurs PD 1 et PD 2 propres à chaque fibre; un montage de décorrélation temporelle DT pour la prise en compte du signal issu de la sonde de référence, suivi du module de mesure de fréquence MMF et de l'afficheur AFF.