Brevet FR2721999A1 — publié le 19960105

i 2721999 DESCRIPTION L'invention concerne un débitmètre massique totalement redondant. Elle peut être appliquée notamment à la mesure de 5 débit d'un fluide dans un système de régulation électronique sur une turbomachine. Pour mesurer le débit massique d'un fluide il est connu d'utiliser un débitmètre comportant un carter dans lequel est10 ménagé un passage axial pour la circulation d'un fluide animé d'une vitesse angulaire constante, un rotor entrainé en rotation par le fluide ou un moteur électrique, une turbine à rotation restreinte sur laquelle le fluide exerce un couple proportionnel au produit du débit massique du fluide par la15 vitesse angulaire du fluide. La valeur du couple est mesurée grâce à un asservissement en position de la turbine au moyen d'un moteur couple à débattement limité et à un capteur de position angulaire. La mesure du courant qui alimente le moteur couple permet de calculer le couple agissant sur la20 turbine et d'en déduire le débit massique du fluide. Un tel débitmètre est décrit dans le brevet US n 4 056 976. Il est également connu de réaliser un débitmètre partiellement redondant en disposant sur la turbine deux25 voies de mesure comportant chacune un moteur couple et un capteur de position. Cependant les deux voies de mesure ne sont pas indépendantes et ne peuvent pas fonctionner simultanément car il n'est pas possible d'appliquer en même temps deux couples de rappel à la turbine. Ces deux voies ne30 peuvent être utilisées qu'alternativement; en cas de panne sur l'une des voies de mesure, le basculement sur l'autre voie est effectué. Or, dans une régulation numérique o il est nécessaire de comparer deux mesures différentes effectuées par deux voies de mesure pour des tests de35 vraisemblance ou de détection de pannes, les deux mesures doivent être effectuées simultanément. 2 2721999 L'invention a pour but de pallier les inconvénients des débitmètres massiques connus et de réaliser un débitmètre massique totalement redondant comportant deux voies de mesure totalement indépendantes électriquement et fonctionnant 5 simultanément de manière à obtenir deux mesures simultanées et indépendantes du couple s'exercant sur la turbine et d'en déduire deux mesures du débit massique du fluide. Pour cela, le débitmètre massique comporte à l'intérieur d'un carter, un rotor intermédiaire en rotation libre disposé coaxialement par rapport à une turbine à rotation restreinte entre la turbine et le carter, une première voie de mesure comportant des premiers moyens de mesure de position et d'asservissement en position de la turbine par rapport au15 rotor intermédiaire, une deuxième voie de mesure indépendante de la première voie de mesure comportant des seconds moyens de mesure de position et d'asservissement en position du rotor intermédiaire par rapport au carter. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, les moyens d'asservissement en position des deux voies de mesure sont deux moteurs couples indépendants montés concentriquement sur le rotor intermédiaire, et les moyens de mesure de position des deux voies de mesure sont deux25 capteurs de position indépendants montés concentriquement sur le rotor intermédiaire. Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, le moteur couple appartenant à une voie de mesure et le capteur30 de position appartenant à l'autre sont montés concentriquement sur le rotor intermédiaire. Les valeurs absolues des couples de rappel exercés par les deux moteurs couples respectivement sur la turbine et sur le rotor intermédiaire sont égales à la valeur absolue du couple35 exercé par le fluide sur la turbine. La mesure des deux courants qui alimentent respectivement les deux moteurs couples permet d'obtenir deux mesures 3 2721999 simultanées et indépendantes du débit massique du fluide. Selon l'invention, le débitmètre massique comportant un carter à l'intérieur duquel sont disposés un rotor principal, 5 une turbine à rotation restreinte espacée axialement du rotor principal et des moyens de mesure de la vitesse du rotor principal est caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un rotor intermédiaire en rotation libre disposé coaxialement à la turbine entre le carter et la turbine, des10 premiers moyens de mesure de la position de la turbine par rapport au rotor intermédiaire, des seconds moyens de mesure de la position du rotor intermédiaire par rapport au carter, des premiers moyens d'asservissement en position de la turbine par rapport au rotor intermédiaire, des seconds15 moyens d'asservissement en position du rotor intermédiaire par rapport au carter. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaitront clairement dans la suite de la description20 donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en regard des figures annexées qui représentent: - la figure 1, une vue partielle en coupe d'un débitmètre totalement redondant, selon un premier mode de réalisation de l'invention; - la figure 2, un exemple schématique des deux boucles d'asservissement en position de la turbine et du rotor intermédiaire, selon l'invention;30 - la figure 3, une vue partielle en coupe d'un deuxième mode de réalisation d'un débitmètre, selon l'invention. Selon un premier mode de réalisation de l'invention représenté sur la figure 1, le débitmètre comporte un carter 4 2721999 à l'intérieur duquel sont localisés un rotor principal 12 en rotation libre et une turbine 13 à rotation restreinte espacée axialement du rotor principal 12 le long d'un axe 14, le rotor principal 12 et la turbine 13 pouvant être munis 5 d'ailettes 9, un rotor intermédiaire 15 en rotation libre autour de l'axe 14 et disposé coaxialement à la turbine 13, entre le carter 10 et la turbine 13, des moyens de mesure 11 de la vitesse de rotation du rotor principal 12, des premiers moyens de mesure 16 de la position angulaire de la turbine 1310 par rapport au rotor intermédiaire 15, des seconds moyens de mesure 17 de la position angulaire du rotor intermédiaire 15 par rapport au carter 10, des premiers moyens d'asservissement 18 en position de la turbine 13 par rapport au rotor intermédiaire 15, des seconds moyens15 d'asservissement 19 en position du rotor intermédiaire 15 par rapport au carter 10. Le débattement angulaire de la turbine est inférieur à vingt degrés. Le rotor principal 12, la turbine 13 et le rotor intermédiaire 15 sont montés sur l'axe 14 par l'intermédiaire de paliers 20, la turbine 13 étant localisée à l'intérieur du rotor intermédiaire 15. Le rotor principal 12 peut être localisé à l'extérieur du rotor intermédiaire 15, ou a l'intérieur du rotor intermédiaire comme représenté sur la figure 1. Le capteur de vitesse 11 du rotor principal 12 peut être fixé sur le carter 10, ou sur le25 rotor intermédiaire 15 lorsque le rotor principal est localisé à l'intérieur du rotor intermédiaire. Les premiers et les seconds moyens de mesure 16, 17 de position sont des capteurs de position montés30 concentriquement sur le rotor intermédiaire 15. Les premiers et les seconds moyens d'asservissement 18, 19 sont des moteurs couples montés concentriquement sur le rotor intermédiaire 15. A titre d'exemple des capteurs de position35 et des moteurs couples du type connu sous le nom de "PAN CAKE"comportant un grand diamètre et un rotor creux en forme 2721999 de galette, peuvent être utilisés. Le moteur couple 18 et le capteur de position 16 appartiennent à une première voie de mesure et sont reliés à un premier connecteur 21 fixé sur la paroi externe du carter 10. Ils comportent chacun un élément 5 rotorique 181, 161 fixé sur la turbine 13 et un élément statorique 182, 162 fixé sur le rotor intermédiaire 15. Le moteur couple 19 et le capteur de position 17 appartiennent à une deuxième voie de mesure et sont reliés à10 un deuxième connecteur 22 fixé sur la paroi externe du carter 10. Ils comportent chacun un élément rotorique 191, 171 fixé sur le rotor intermédiaire 15 et un élément statorique 192, 172 fixé sur le carter 10. Les asservissements en position de la turbine et du rotor intermédiaire sont réalisés par l'intermédiaire de deux boucles d'asservissement classiques représentées sur la figure 2. Le fonctionnement du débitmètre est le suivant. Un fluide dont le débit est à évaluer traverse le rotor principal 12,20 en sort avec une certaine quantité de mouvement angulaire, puis traverse la turbine 13 à rotation restreinte sur laquelle il exerce un couple qui est proportionnel au produit du débit massique du fluide par la vitesse angulaire du fluide. La circulation du fluide s'effectue d'une part entre25 le rotor intermédiaire et le rotor principal puis la turbine, et d'autre part, entre le carter et le rotor intermédiaire. Le rotor principal 12 peut être entraîné en rotation par un moteur électrique auxiliaire non représenté ou par le fluide30 lui-même. Dans le cas o l'entrainement du rotor principal est effectué par le fluide lui-même, le fluide est préalablement mis en mouvement, par exemple au moyen d'un générateur de tourbillons non représenté, de façon à être animé d'une vitesse angulaire constante. La vitesse angulaire35 du rotor principal est égale à celle du fluide et est mesuré par le capteur de vitesse 11. Le moteur couple 18 et le capteur de position 16 assurent l'asservissement en position 6 2721999 de la turbine 13 par rapport au rotor intermédiaire 15 en appliquant sur la turbine un couple de valeur égale et de sens opposé au couple exercé par le fluide. Les deux actions exercées sur la turbine par le fluide et par le moteur couple 5 18 ont pour but d'immobiliser la turbine dans une position de référence, la position de la turbine étant mesurée par le capteur de position 16. Le rotor intermédiaire est alors soumis par l'intermédiaire du moteur couple 18, à un couple égal et opposé à celui exercé sur la turbine. Le rotor intermédiaire pouvant tourner librement, il est asservi en position par rapport au carter 10 au moyen du moteur couple 19 et du capteur de position 17 en lui appliquant un couple égal et opposé à celui exercé par le moteur couple 18 sur la turbine. Les valeurs absolues des couples exercés par les moteurs couples 18, 19 sont égales à la valeur absolue du couple exercé par le fluide sur la turbine. Les deux moteurs couples 18, 19 sont donc parcourus par des courants d'intensité proportionnelle au débit massique du fluide. La mesure simultanée de l'intensité de ces courants et la20 connaissance de la vitesse angulaire du fluide délivrée par le capteur de vitesse 11, permet donc d'obtenir deux mesures simultanées du débit massique du fluide. Avantageusement, des butées mécaniques 23, 24 sont disposées entre le carter et le rotor intermédiaire et entre le rotor intermédiaire et la turbine de manière à limiter le débattement angulaire du rotor intermédiaire 15 par rapport à la turbine 13 et au carter 10 en cas de panne de l'un des moteurs couples. Ainsi, en cas de panne du moteur couple 18,30 l'asservissement en position de la turbine n'étant plus réalisé, la turbine va se déplacer en rotation jusqu'aux butées et entrainer alors, par l'intermédiaire de ces butées, le rotor intermédiaire dans son mouvement. L'asservissement en position du rotor intermédiaire par rapport au carter35 continuant à être effectué au moyen du moteur couple 19 et du capteur de position 17, la deuxième voie de mesure reste utilisable et permet d'obtenir une mesure du débit massique 7 2721999 du fluide. Dans le cas d'une panne du moteur couple 19, l'asservissement en position du rotor intermédiaire n'est plus réalisé, mais l'asservissement en position de la turbine continue à être effectué au moyen du moteur couple 18 et du 5 capteur de position 16. La première voie de mesure reste donc utilisable et permet d'obtenir une mesure du débit massique du fluide. Seule une double panne d'un moteur couple appartenant à l'une des voies de mesure et d'un capteur de position appartenant à l'autre voie de mesure, ou d'une double panne simultanée des deux moteurs couples entraine une perte de la mesure du débit de fluide. Ces cas de double panne sont très rares. La figure 2 représente un exemple schématique des deux boucles d'asservissement en position de la turbine et du rotor intermédiaire selon l'invention. Les deux voies de mesure du débitmètre sont indépendantes et sont respectivement connectées par l'intermédiaire des deux20 connecteurs 21, 22 à deux dispositifs de traitement 30, 40 des signaux délivrés par les capteurs de position 16, 17 et d'alimentation des moteurs couples 18, 19. Chaque dispositif de traitement 30, 40 comporte un dispositif de comparaison 31, 41 du signal issu du capteur de position 16, 17 de la turbine, respectivement du rotor intermédiaire à une position de référence, et un dispositif d'alimentation 32, 42 du moteur couple 18, 19. Les dispositifs d'alimentation 32, 42 sont respectivement commandés par les dispositifs de comparaison 31, 41 et délivrent chacun un courant électrique appliqué d'une part au moteur couple 18, 17 correspondant et d'autre part à un dispositif de calcul 50, 60. Ces deux dispositifs de calcul 50,60 recevant par ailleurs un signal délivré par le capteur de vitesse 41 du rotor principal et délivrant en sortie deux mesures simultanées et 8 2721999 indépendantes du débit massique du fluide. La figure 3 représente une vue partielle en coupe d'un deuxième mode de réalisation d'un débitmètre selon 5 l'invention. Dans ce deuxième mode de réalisation, la disposition respective des moteurs couples et des capteurs de position est modifiée par rapport au premier mode de réalisation.10 Le moteur couple 18 appartenant à la première voie de mesure destiné à l'asservissement en position de la turbine 13, par rapport au rotor intermédiaire 15, et le capteur de position 17 appartenant à la deuxième voie de mesure, sont montés concentriquement sur le rotor intermédiaire 15. De même, le moteur couple 19 appartenant à la 2eme voie de mesure destiné à l'asservissement en position du rotor intermédiaire 15 par rapport au carter 10, et le capteur de20 position 16 appartenant à la première voie de mesure sont montés concentriquement sur le rotor intermédiaire 15. Cette disposition permet de séparer les moteurs des deux voies de mesure sur un plan mécanique et de réduire ainsi les25 problèmes d'interférences ou de pannes successives dues par exemple à une surchauffe. Les moteurs n'étant plus concentriques l'échauffement est moins localisé ce qui augmente la fiabilité. L'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation précisément décrit, notamment il est possible d'obtenir des voies de mesure supplémentaires en disposant plusieurs rotors intermédiaires concentriques associés à des moyens de mesure et d'asservissement en position de chaque rotor35 intermédiaire. 9 2721999 REVENDICATIONS 1. Débitmètre massique comportant un carter à l'intérieur duquel sont disposés un rotor principal, une turbine à rotation restreinte espacée axialement du rotor principal et des moyens de mesure de la vitesse du rotor principal, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un rotor intermédiaire (15) en rotation libre disposé coaxialement à10 la turbine (13) entre le carter (10) et la turbine (13), des premiers moyens de mesure (16) de la position de la turbine (13) par rapport au rotor intermédiaire, des seconds moyens de mesure (17) de la position du rotor intermédiaire (15) par rapport au carter (10), des premiers moyens d'asservissement15 (18) en position de la turbine (13) par rapport au rotor intermédiaire (15), des seconds moyens d'asservissement (19) en position du rotor intermédiaire (15) par rapport au carter (10). 2. Débitmètre massique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rotor principal (12), la turbine (13) et le rotor intermédiaire (15) sont montés sur un même axe (14) par l'intermédiaire de paliers (20). 3. Débitmètre massique selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les premiers et les seconds moyens de mesure (16, 17) de position sont des capteurs de position montés concentriquement sur le rotor intermédiaire (15).30 4. Débitmètre massique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les premiers et les seconds moyens d'asservissement (18, 19) sont des moteurs couples montés concentriquement sur le rotor intermédiaire35 (15). 2721999 5. Débitmètre massique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moteur couple (18) et le capteur de position (16) comportent chacun un élément rotorique (181, 161) fixé sur la turbine (13) et un élément statorique (182, 162) fixé sur le rotor intermédiaire (15). 6. Débitmètre massique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moteur couple (19) et le capteur de position (17) comportent chacun un élément rotorique (191, 171) fixé sur le rotor intermédiaire (15) et un élément statorique (192, 172) fixé sur le carter (10). 7. Débitmètre massique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que des butées mécaniques (23, 24) sont disposées entre le carter (10) et le rotor intermédiaire (15) et entre le rotor intermédiaire (15) et la turbine (13). 8. Débitmètre massique selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les premiers moyens de mesure de position (16) et les seconds moyens d'asservissement (19) sont montés concentriquement sur le rotor intermédiaire (15).25 9. Débitmètre massique selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 8, caractérisé en ce que les seconds moyens de mesure de position (17) et les premiers moyens d'asservissement (12) sont montés concentriquement sur le30 rotor intermédiaire (15).