Brevet FR2727202A1 — publié le 19960524

I Débitmètre massique L'invention concerne un débitmètre massique comportant un canal d'écoulement, au moins un trajet de mesure avec à une extrémité un générateur d'oscillations gén6rant des ondes qui se propagent le long du trajet de mesure et à l'autre extrémité un convertisseur d'éner- gie qui agit comme détecteur d'oscillations pour les ondes progressi- ves, ainsi qu'un circuit de traitement qui, sur la base des différentes vitesses de propagation dans la direction d'écoulement et dans la direction opposée, détermine le débit masse. Dans un appareil connu de ce type (DE-OS 39 23 409), le trajet de mesure est formé par un tube de mesure qui délimite le canal d'écoulement. L'avantage de l'utilisation d'ondes progressives est qu'aucun étalonnage n'est nécesaire, ni en raison d'écarts de zéro, ni en raison du profil d'écoulement. En revanche, l'inconvénient est que, lorsqu'on utilise un tube de mesure doté d'une rigidité normale, celui- ci doit avoir une très grande longueur si l'on veut obtenir des résultats optimaux. Dans un autre type connu de débitmètre massique (US- PS 4 596 153), une lamelle de faible épaisseur est disposée dans le canal d'écoulement d'un tube de mesure rectiligne, lamelle qui est fixée à une extrémité et est libre à son autre extrémité. La lamelle de faible épaisseur est excitée à la fréquence de résonance au moyen d'un géné- rateur d'oscillations disposé en son milieu, de telle sorte qu'il se forme une onde stationnaire. La différence de phase entre les mesures d'un détecteur d'oscillations situé à proximité de l'extrémité fixée et celles d'un détecteur d'oscillations situé à proximité de l'extrémité libre est utilisée pour déterminer le débit massique. Toutefois, dans ce cas, des écarts de zéro apparaissent, écarts qui imposent une compensation correspondante. L'objectif de l'invention est de proposer un débitmètre massi- que du type présenté en introduction qui, malgré sa faible longueur, présente une grande précision de mesure. Cet objectif est atteint conformément à l'invention par le fait que le trajet de mesure comporte une lamelle de faible épaisseur en matériau élastique qui est disposée dans le canal d'écoulement, est te- nue fermement à ses extrémités, coopère avec les convertisseurs d'énergie et est dimensionnée de manière telle que sa fréquence propre de faible valeur soit très inférieure à la fréquence d'excitation du gé- nérateur d'oscillations. Cet agencement permet de sélectionner les propriétés élasti- ques de la lamelle de faible épaisseur indépendamment de la rigidité nécessaire du tube de mesure. Il est possible de travailler avec une fréquence d'excitation élevée, de sorte que la longueur d'onde de l'onde progressive est faible par rapport à la longueur de la lamelle. Ainsi, les différences de temps de propagation entre les mesures dans la direction d'écoulement et les mesures dans la direction opposée à l'écoulement peuvent elles être mesurées avec une très grande préci- sion et de manière simple, et cela même dans le cas de trajets de mesure courts. Globalement, on a un débitinètre massique utilisant des ondes progressives qui peut rivaliser en longueur avec des appareils de mesure basés sur d'autres principes, voire qui est même plus court que ces derniers. De manière avantageuse, il est prévu un trajet de mesure unique, dans lequel les convertisseurs d'énergie disposés à proximité des extrémités de la lamelle de faible épaisseur peuvent être utilisés alternativement comme générateurs d'oscillations et comme détecteurs d'oscillations. Le temps de propagation dans la direction d'écoulement et dans la direction opposée à l'écoulement peut être déterminé de manière très précise étant donné que l'on utilise le même trajet de mesure. De préférence la lamelle de faible épaisseur s'étend dans l'axe d'un canal d'écoulement rectiligne. Avec cette disposition l'in- fluence de l'écoulement est maximale. Il est recommandé que les générateurs d'oscillations excitent les ondes progressives sous forme de vibrations flexionnelles de la la- melle de faible épaisseur. C'est dans la direction de flexion que l'on obtient la déformation élastique la plus forte et par suite une action maximale de l'écoulement. La longueur de l'appareil de mesure effectivement nécessaire est fonction avant tout de la conformation de la lamelle, c'est-à-dire de l'épaisseur du matériau, de la largeur de la lamelle et du matériau uti- lisé. On peut parvenir sans difficulté à ce que la longueur de la lamelle de faible épaisseur soit inférieure à dix fois le diamètre, de préférence inférieure à cinq fois le diamètre du conduit d'écoulement. De manière particulièrement avantageuse, la lamelle est tenue sous une contrainte de traction constante par les moyens de fixation. La contrainte de traction permet d'utiliser des lamelles de très faible épaisseur et par suite des lamelles dotées d'une élasticité élevée, la vi- tesse de propagation étant la même pour toutes les fréquences d'excita- tion et aucune prolongation de l'impulsion ne se produisant au cours de la propagation,même avec une impulsion de tension à large bande utilisée pour l'excitation d'oscillations. Ainsi des trajets de mesure plus courts sont-ils suffisant pour obtenir des résultats précis. En supposant négligeable la rigidité flexionnelle de la lamel- le, le circuit de traitement peut de manière avantageuse calculer le dé- bit massique Qm sur la base de l'équation Qm = K * Dt * T/2L [1] avec K une constante qui dépend des caractéristiques de la lamelle et de la longueur d'onde utilisée, DI la différence entre les temps de propagation des ondes progressives dans la direction d'écoulement et dans la direction opposée à l'écoulement, T la contrainte de traction dans la lamelle de faible épaisseur et L la longueur du trajet de mesure. L'équation étant simple et comportant pour seule variable le temps de propagation, le circuit de traitement est peu compliqué et peu onéreux. Il est encore avantageux que l'extrémité de la lamelle de faible épaisseur soit tenue par un socle qui comporte, entre deux parois qui s'étendent sensiblement dans la direction de la lamelle, une chambre séparée du canal d'écoulement, à l'intérieur de laquelle est disposé le convertisseur d'énergie. Ainsi, les générateurs d'oscillations et les détecteurs d'oscillations peuvent-ils être logés dans une zone qui est protégée vis-à-vis du milieu à mesurer et qui, de plus, est accessible de l'extérieur. A l'aide de ces deux parois, on peut transmettre de manière simple des vibrations de flexion à la lamelle de faible épais- seur. Conformément à un autre agencement, l'extrémité de la lamelle est pourvue d'un élément de support sur lequel agit un élément élastique qui produit la contrainte de traction. De la sorte, une force donnée est exercée sur la lamelle de faible épaisseur. Il est encore avantageux que la lamelle de faible épaisseur soit inclinée par rapport à l'axe du canal d'écoulement et que ses extré- mités pénètrent dans des cavités qui se raccordent côté extérieur au canal d'écoulement. Cette inclinaison de la lamelle est utilisée essen- tiellement lorsque la section du canal d'écoulement est importante. L'invention est décrite ci-après de manière détaillée à l'aide d'un exemple préféré de réalisation représenté sur les dessins. Ceux-ci montrent: figure 1, une représentation schématique du débitmètre mas- sique conforme à l'invention, figure 2, une coupe longitudinale du tube de mesure, figure 3, une coupe longitudinale partielle d'un autre exemple de réalisation, figure 4, une coupe longitudinale partielle d'un autre exemple de réalisation et figure 5, une coupe longitudinale partielle d'un autre exemple de réalisation. Un tube de mesure 1 délimite un canal d'écoulement 2 à l'in- térieur duquel un écoulement s'établit dans la direction X. Une lamelle 3 de faible épaisseur en un matériau élastique est disposée à l'intérieur du canal d'écoulement, laquelle lamelle s'étend le long de l'axe du tube de mesure. La lamelle 3 de faible épaisseur est fixée, à une extrémité, au tube de mesure 1 par l'intermédiaire de moyens de fixation 4 et por- te à l'autre extrémité des moyens de fixation 5 qui sont soumis à une contrainte de traction T par l'intermédiaire d'une vis 6 qui repose sur un contre-appui 7 disposé à l'intérieur du tube de mesure 1. Au voisinage de ses extrémités, la lamelle 3 de faible épais- seur porte deux convertisseurs d'énergie 8 et 9 entre lesquels se trouve un trajet de mesure 10 de longueur L. Les convertisseurs d'énergie 8 et 9 travaillent alternativement comme générateur d'oscillations qui génè- re des ondes se propageant le long du trajet de mesure et comme détec- teur d'oscillations qui détecte les ondes progressives. Un circuit de traitement 11 sert à produire les oscillations d'excitation et à détermi- ner les vitesses de propagation des ondes progressives qui se propa- gent dans la direction d'écoulement et dans la direction opposée à l'écoulement. La lamelle 3 de faible épaisseur est en un matériau élastique, notamment en un métal, tel que du laiton, du bronze ou de l'acier. L'épaisseur de la lamelle est avantageusement inférieure à 0,5 mm, la plage allant de 0,2 mm à 0,3 mm étant plus particulièrement préférée. La largeur de lamelle dépend des dimensions du tube. On peut voir que l'équation [1] s'applique à la lamelle 3 de faible épaisseur soumise à une contrainte de traction. Sur la figure 3, le tube de mesure 101 est pourvu d'une entrée latérale. Le canal d'écoulement 102 est fermé côté face frontale par une paroi d'about 113. La lamelle 103 de faible épaisseur disposée dans le canal d'écoulement 102 est tenue dans un socle 114 comportant deux parois 115 et 116 parallèles qui délimitent une chambre 117 sépa- rée du canal d'écoulement 2. Les deux parois 115 et 116 qui s'étendent dans la même direction que la lamelle 103 de faible épaisseur, portent sur leur faces en vis-à-vis chacune un convertisseur d'énergie 118 et 119 en matériau piézo-électrique. En fonction de l'excitation, les pa- rois 115 et 116 fléchissent dans l'une ou l'autre direction et génèrent une oscillation progressive en flexion dans la lamelle 103. Dans le mode de réalisation selon la figure 4, le tube de me- sure 201 est pourvu d'un conduit d'entrée 212 latéral. A l'intérieur du canal d'écoulement 202 se trouve une lamelle 203 de faible épaisseur qui est pourvue d'un convertisseur d'énergie 209. La lamelle 203 est munie d'un élément de support 220 sur lequel agit un élément à ressort 221 qui prend appui sur une paroi transversale 222 du tube de mesure 201. Ainsi, une contrainte de traction définie est engendrée dans la lamelle 203. L'élément à ressort est représenté ici sous la forme d'un soufflet, mais il peut aussi être constitué d'un ressort hélicoïdal normal ou similaire. Dans l'exemple de réalisation de la figure 5, le tube de mesure 301 délimite un canal d'écoulement 302 de section plus impor- tante. Une lamelle 303 de faible épaisseur, pourvue d'un convertisseur d'énergie 308 et 309 au voisinage de ses extrémités, s'étend en biais par rapport à l'axe du canal d'écoulement 302. Les extrémités se trou- vent dans des cavités 323 et 324 qui font saillie latéralement par rap- port au canal d'écoulement 302. Des ressorts 325 et 326 indiquent que la lamelle 303 de faible épaisseur est fixée sous contrainte de traction au niveau de ses extrémités. Les générateurs d'oscillations peuvent exciter les ondes pro- gressives sous forme de vibrations de cisaillement, de vibrations de torsion ou de vibrations autres, notamment sous forme de vibrations de flexion. L'excitation peut avoir lieu au moyen d'une impulsion de tension à large bande, de préférence toutefois au moyen d'une impul- sion de courte durée avec une fréquence marquée. On obtient un train d'oscillations à faible largeur de bande de ce type en utilisant quelques oscillations sinuscfdales, par exemple 3 ou 4 oscillations sinusoïdales, dans une courbe enveloppe correspondant à la fonction gaussienne ou à la courbe de GauBl. Les générateurs d'oscillations peuvent être action- nés par voie électromagnétique, électrostatique, piézoélectrique, hydraulique, magnétique, magnétostrictive ou de toute autre manière. Les détecteurs d'oscillations peuvent être conçus de manière sembla- ble. Il peuvent réagir à la position, à la vitesse ou à l'accélération de la lamelle. A partir des signaux obtenus, on peut déterminer la portion de début de l'onde progressive, par exemple un passage positif par zéro prédéterminé. Les détecteurs d'oscillations peuvent aussi être de type optique, piézoélectrique, électromagnétique, magnétostrictif, électro- statique, être agencés sous forme de jauges de contraintes ou fonction- ner de toute autre manière. Pour des détails supplémentaires, on se reportera au docu- ment de-OS 39 23 409. Ceci vaut notamment pour l'agencement du circuit d'excitation et de traitement 11. Il peut comporter notamment un circuit de réglage pour la fréquence d'excitation du générateur d'oscillations, qui maintient constante la longueur d'onde de l'onde progressive se propageant le long de la lamelle 3 de faible épaisseur. Lorsque la lamelle 3 est soumise à une contrainte de traction, il est possible d'utiliser un circuit de traitement 11 simple, donc d'un coût modéré, car on peut dans ce cas travailler avec l'équation [1] simpli- fiée, le cas échéant après correction au moyen d'un facteur. Naturellement, les caractéristiques des différents exemples de réalisation peuvent être combinées entre elles; par exemple,la fixation de la lamelle selon la figure 3 peut être appliquée également avec le mode de réalisation de la figure 5. REVENDICATIONS 1. Débitmètre massique comportant un canal d'écoulement, au moins un trajet de mesure avec, à une extrémité, un générateur d'oscillations générant des ondes progressives qui se propagent le long du trajet de mesure et, à l'autre extrémité, un convertisseur d'énergie agissant comme détecteur d'oscillation pour les ondes progressives, ainsi qu'un circuit de traitement qui, sur la base des différentes vites- ses de propagation dans la direction d'écoulement et dans la direction opposée à l'écoulement, détermine le débit massique, caractérisé par le fait que le trajet de mesure (10) comporte une lamelle (3; 103; 203; 303) de faible épaisseur en matériau élastique qui est disposée dans le canal d'écoulement (2; 102; 202; 302), est tenue fermement à ses ex- trémités, coopère avec les convertisseurs d'énergie (8, 118, 119; 9, 209; 308, 309) et est dimensionnée de manière telle que sa fréquence propre la plus faible soit inférieure à la fréquence propre du générateur d'oscillations. 2. Débitmrnètre selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il est prévu un trajet de mesure (1) unique, dont les convertisseurs d'énergie (8, 9; 308, 309) disposés à proximité des extrémités de la lamelle de faible épaisseur fonctionnent alternativement comme générateur d'oscillations et comme détecteur d'oscillations. 3. Débitmètre selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé par le fait que la lamelle (3; 103; 203) de faible épaisseur s'étend le long de l'axe d'un canal d'écoulement (2; 102; 202) recti- ligne. 4. Débitmètre selon l'une des revendications 1 à 3, caracté- risé par le fait que les convertisseurs d'énergie (8, 9; 118, 119; 308, 309) excitent les ondes progressives sous forme d'oscillations de flexion de la lamelle (3; 103; 203; 303) de faible épaisseur. 5. Débitmnètre selon l'une des revendications 1 à 4, caractéri- sé par le fait que la lamelle (3; 103; 203; 303) de faible épaisseur est tenue sous une contrainte de traction T constante par les moyens de fixation. 6. Débitmètre selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le circuit de traitement (11) calcule le débit massique Qm d'après l'équation Qm = K * Dt.* T/2L [ 1] avec K une constante qui dépend des caractéristiques de la lamelle et de la longueur d'onde utilisée, DE la différence entre les temps de propagation des ondes progressives dans la direction d'écoulement et dans la direction opposée à l'écoulement, T la contrainte de traction dans la lamelle de faible épaisseur et L la longueur du trajet de mesure. 7. Débitmètre selon l'une des revendications 1 à 6, caractéri- sé par le fait que l'une des extrémités de la lamelle (103) de faible épaisseur est tenue par un socle (114) qui présente entre deux parois (115, 116) s'étendant sensiblement dans la direction de la lamelle, une chambre (117) qui est séparée du canal d'écoulement (102) et dans la- quelle est disposé le convertisseur d'énergie (118, 119). 8. Débitmètre selon l'une des revendications 1 à 7, caractéri- sé par le fait que l'extrémité de la lamelle (203) de faible épaisseur est pourvue d'un élément de support (220) sur lequel agit un élément élas- tique (222) générant la contrainte de traction. 9. Débitmètre selon l'une des revendications 1 à 8, caractéri- sé par le fait que la lamelle (303) de faible épaisseur est inclinée par rapport à l'axe du canal d'écoulement (302) et que ses extrémités pénè- trent dans des cavités (323, 324) qui communiquent côté extérieur avec le canal d'écoulement (302).