Brevet FR2817613A1 — publié le 20020607

Débitmètre et compteur de gaz à détente La présente invention se rapporte aux débitmètres de gaz, ainsi qu'aux compteurs de gaz incorporant des débitmètres de ce genre et munis d'un dispositif d'intégration des débits en fonction du temps. Il est classique de fabriquer un compteur de gaz à l'aide d'un débitmètre et d'un dispositif d'intégration des débits du débitmètre en fonction du temps. On connaît de nombreux types de compteurs tels que des compteurs à parois déformables dont le rapport du débit minimum au débit maximum dénommé également dynamique de mesure est de l'ordre de 140. Ces compteurs sont très volumineux, de sorte qu'en pratique ils ne peuvent pas avoir un débit maximum supérieur à 1000 m3 à l'heure. On connaît également des compteurs à pistons rotatifs d'une dynamique de mesure qui ne dépasse pas 50. Les compteurs à ultrasons sont sensibles à la poussière et requièrent des longueurs droites, notamment en amont du compteur, tout comme d'ailleurs les compteurs à tourbillons et les voludéprimomètres. On connaît aussi un débitmètre mettant en oeuvre une tuyère venturi fonctionnant en régime sonique au col. Ce débimètre est compliqué à utiliser et à fabriquer en raison du profil à usiner et donne des résultats imprécis avec dispersion des résultats. L'invention vise un débitmètre et par-là même un compteur de gaz d'encombrement réduit, même aux grands débits, qui peut être utilisé dans une grande plage de pressions du fluide à l'entrée allant de 100 mbars à 8 bars, qui a une grande dynamique de mesure supérieure à 140, qui est insensible aux perturbations du profil d'écoulement en amont et qui ne nécessite donc pas de grandes longueurs droites, qui a une bonne précision intrinsèque, tout en opérant en régime subsonique, qui est facile à installer par un simple raccordement de deux conduits et qui est insensible aux poussières. Le compteur résiste même à des pressions élevées telles que 8 bars et il ne crée pas de perte de charge parasite. Le débitmètre suivant l'invention comprend une enveloppe subdivisée par une membrane souple en une chambre de détente, où débouche un conduit intermédiaire muni d'un clapet obturateur et un conduit de sortie et en une chapelle dans laquelle un moyen, notamment un ressort mais ce peut être aussi une pression pilotée, applique une force à la membrane. La membrane est solidaire en déplacement de l'obturateur et il est prévu un capteur du déplacement de l'obturateur. Suivant l'invention, il est prévu des moyens comportant un raccord d'entrée et destinés à obtenir, pour un débit donné quel qu'il soit et quelle que soit pour ce débit la pression régnant dans le raccord d'entrée, une différence sensiblement constante entre la pression régnant dans le conduit intermédiaire et celle régnant dans le conduit de sortie. Par différence sensiblement constante, on entend notamment une valeur constante à 5% près et, de préférence à 1% près. La pression dans le conduit d'entrée pouvant varier de 100 mbars à 8 bars. Suivant un mode de réalisation, les moyens destinés à obtenir une différence sensiblement constante entre la pression régnant dans le conduit intermédiaire et celle régnant dans le conduit de sortie sont constitués par un détendeur primaire de gaz monté en amont du conduit intermédiaire à une distance déterminée de l'enveloppe. Ce détendeur primaire fournit ainsi au débitmètre une pression intermédiaire qui, pour un débit donné quel qu'il soit, est sensiblement constante, étant entendu que cette pression peut varier d'un débit à un autre. Le détendeur primaire peut comporter un clapet solidaire en déplacement d'une membrane directement par une tige ou par l'intermédiaire d'un mécanisme à effet multiplicateur de déplacement ayant un bras de levier r de l'obturateur du clapet et un bras de levier R de la membrane. Dans le présent mémoire, on entend par obturateur la partie mobile du clapet qui se déplace par rapport à un siège fixe. Le rapport---, Sc étant la surface Sm R du siège du clapet et Sm celle de la membrane est inférieur à 0,01 et, de préférence inférieur à 0,001. Comme le rapport de la variation de la pression intermédiaire à la variation de la pression d'entrée est proportionnelle, d'une part, au rapport de la surface du siège à la surface de la membrane, et, d'autre part, au rapport du bras de levier de l'obturateur au bras de levier de la membrane s'il y a un mécanisme à effet multiplicateur, la disposition mentionnée ci-dessus permet de faire en sorte qu'il y ait une différence sensiblement constante entre la pression régnant dans le conduit intermédiaire et celle régnant dans le conduit de sortie. La surface de la membrane est égale au diamètre de la membrane pris sur le pourtour sur lequel elle est fixée. Une autre façon d'obtenir une différence constante entre la pression régnant dans le conduit intermédiaire et celle régnant dans le conduit de sortie consiste à prévoir un parallélogramme articulé dont l'un des sommets est fixe, dont le sommet opposé est solidaire de la membrane du mécanisme à effet multiplicateur et entre les deux autres sommets duquel s'étend un ressort monté de façon à prendre le relais d'un ressort principal du détendeur primaire au fur et à mesure que celui-ci se détend. Lorsque la membrane du détendeur primaire s'abaisse, le ressort principal de ce détendeur primaire, qui applique une force antagoniste à la pression intermédiaire en se détendant, applique une force dont l'intensité est de moins en moins grande. En prévoyant le parallélogramme articulé à ressort agissant en traction, qui peut être logé soit dans la chambre contenant le ressort principal, soit dans la chambre du détendeur primaire dans laquelle il règne la pression intermédiaire et qui se trouve de l'autre côté de la membrane que le ressort principal, on fait en sorte que la pression intermédiaire reste aussi constante que possible même si la pression à l'entrée varie pour un même débit. On peut utiliser un parallélogramme articulé seul ou en combinaison avec la disposition mettant en oeuvre le rapport des surfaces du siège et de la membrane. Il est aussi possible d'utiliser des moyens destinés à faire en sorte que la pression régnant dans le raccord d'entrée s'applique sur une surface d'un côté de l'obturateur du clapet plus petite qu'une surface du côté opposé de l'obturateur où s'applique la pression intermédiaire. Cela permet aussi pour un même débit de maintenir la pression intermédiaire constante, même si la pression d'entrée varie. Comme moyen destiné à faire en sorte que la pression régnant dans le raccord d'entrée ne s'applique pas sur une surface d'un côté de l'obturateur du clapet égale à une surface du côté opposé où s'applique la pression intermédiaire, on peut prévoir un cylindre fixé à l'obturateur du côté opposé au siège et un orifice ménagé dans l'obturateur et allant d'un côté à l'autre de celui-ci. Il règne ainsi du côté opposé au siège la pression intermédiaire ainsi que de l'autre côté dans toute la partie de l'obturateur se trouvant en regard du siège. Ce mode de réalisation est de préférence combiné à celui à parallélogramme. Un autre moyen préféré, pour faire en sorte que la différence entre la pression régnant dans le conduit intermédiaire et celle régnant dans le conduit de sortie soit sensiblement constante, consiste en ce que le détendeur primaire comprend un corps subdivisé par une membrane en une chambre de détente et en une chambre de référence et il est prévu des moyens destinés à faire régner une pression de référence dans la chambre de référence. Les moyens destinés à faire régner la pression de référence peuvent comporter un détendeur de référence dont le conduit de sortie débouche dans la chambre de référence. Mais le conduit d'entrée du détendeur de référence ou du détendeur primaire peut communiquer avec la chambre de détente. On obtient ainsi un pilotage de la pression intermédiaire. Ce mode de réalisation peut être combiné aux modes précédents et notamment à celui comportant des moyens destinés à faire en sorte que la pression d'entrée ne s'applique pas sur une surface d'un côté de l'obturateur du clapet. Suivant le mode de réalisation le plus préféré, le détendeur de référence et le détendeur primaire ont un même corps. On obtient ainsi un agencement très ramassé et d'un seul tenant. La pression de référence régnant dans la chambre de référence peut être égale à la pression de sortie grâce à un conduit mettant en communication la chambre de référence et la chambre de détente. On rend ainsi plus constante avec moins de possibilité de dispersion la différence entre la pression intermédiaire et la pression de sortie. Le capteur de déplacement peut être de type classique. Il peut être constitué notamment d'un engrenage entre la tige du clapet et l'axe d'un potentiomètre. Ce peut être aussi un capteur de déplacement linéaire disposé de préférence dans l'alignement de la tige du clapet. Ce peut être aussi un système à transformateur différentiel, un capteur optique ou un capteur capacitif ou autre. Suivant un mode de réalisation préféré, il est prévu un moyen de démultiplication de la valeur du déplacement de l'obturateur, par exemple en prévoyant une crémaillère sur la tige du clapet qui engrène dans un train d'engrenage dont la roue de sortie peut comporter, répartis sur la circonférence, des aimants aptes à agir sur des interrupteurs à lame souple (Reed). On déduit le débit de la durée de maintien sur les diverses positions. Suivant un autre mode de réalisation, les moyens destinés à obtenir une différence sensiblement constante entre la pression régnant dans le conduit intermédiaire et celle régnant dans le conduit de sortie comprennent un conduit de mise en communication du conduit intermédiaire et de la chapelle. Dans ce cas, quelle que soit la pression régnant dans le conduit intermédiaire et donc dans la chapelle, la différence de pression entre cette dernière pression et la pression régnant dans le conduit intermédiaire est constante pour un débit donné quel que soit ce débit, étant entendu que cette différence de pression peut varier en fonction du débit. Grâce à cette différence sensiblement constante entre la pression régnant dans le conduit intermédiaire et celle régnant dans le conduit de sortie, le déplacement de l'obturateur du clapet représente de façon précise le débit. Par un simple étalonnage de l'appareil, dans lequel on porte les débits en fonction du déplacement de l'obturateur, on peut ainsi obtenir immédiatement les débits en relevant simplement le déplacement de l'obturateur. On peut aussi prévoir un capteur de la pression régnant dans le conduit intermédiaire et des moyens de calcul qui calculent le débit du gaz à partir du signal de pression fourni par le capteur et de la pression régnant dans le conduit de sortie. On peut également prévoir un capteur de la pression régnant dans le conduit de sortie, et que les moyens de calcul calculent le débit de gaz à partir du signal de pression fourni par le capteur de la pression régnant dans le conduit intermédiaire et du signal fourni par le capteur de la pression régnant dans le conduit de sortie. Suivant un perfectionnement, il est prévu un capteur de la température régnant dans le conduit d'entrée, ce capteur de température fournissant un signal aux moyens de calcul pour qu'ils corrigent le débit de gaz en fonction de la température. Les moyens de calcul peuvent être utilisés en tant que dispositif d'intégration des débits en fonction du temps pour réaliser un compteur. L'obturateur comporte de préférence, outre une partie élastique assurant l'étanchéité, une partie rigide permettant d'en déterminer exactement le déplacement relatif. Au dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple : les figures 1 à 4 sont des vues en coupe de quatre modes de réalisation de l'invention, et la figure 5 est une vue en coupe du mécanisme de démultiplication du déplacement de l'obturateur. Le débitmètre représenté à la figure 1 comporte une enveloppe 1 subdivisée par une membrane 2 souple en une chambre de détente 3 et en une chapelle 4. L'enveloppe 1 comporte un conduit 5 intermédiaire et un conduit 6 de sortie débouchant tous deux dans la chambre 3 de détente. Le conduit 5 intermédiaire est muni d'un clapet comportant un siège 7 et un obturateur 8. L'obturateur comprend une partie 9 élastique assurant l'étanchéité et une partie 10 rigide qui vient la première en contact avec le siège 7 lorsque le clapet se ferme. Grâce à ce contact entre le siège 7 rigide et la partie 10 rigide, la position de l'obturateur 8 est déterminée exactement, même lorsque le débit est quasiment nul. L'obturateur 8 est porté par une tringle 11 montée sur des paliers ménagés dans l'enveloppe 1, de manière à pouvoir se déplacer en translation. La tige 11 est articulée par un bras 12 à un tourillon 13 de membrane qui est solidaire de la membrane 2. En regard de la tige 11, est prévu un capteur 14 de position, qui permet de déterminer le déplacement de la tige 11 et donc de l'obturateur 8. Dans la chapelle 4, est monté à la manière classique pour un détendeur de gaz, un ressort 15 dont l'une des extrémités appuie sur la membrane 2, tandis que l'autre s'appuie sur la face supérieure de l'enveloppe 1. Le conduit 5 intermédiaire débouche vers l'amont dans une chambre 16 de détente d'un détendeur primaire de gaz comprenant un corps 17 subdivisé par une membrane 18 en un premier compartiment 19 dans lequel est logé un ressort 20 principal dont l'une des extrémités s'applique sur la membrane 18 et dont l'autre extrémité s'applique sur la face supérieure du corps 17 et en la chambre 16. Un tourillon 21 de membrane solidaire de celleci est articulé à un levier 22 agissant sur une tige 23 d'un obturateur 25 de clapet pouvant, suivant sa position, s'appliquer ou non sur un siège 26. Un raccord 27 d'entrée débouche dans la chambre 16. Lorsque du gaz passe dans le débitmètre, l'obturateur 8 s'écarte plus ou moins du siège 7 en fonction du débit. Cet écartement est détecté par le capteur 14 qui affiche le débit instantané. Si l'on veut transformer ce débitmètre en compteur, il suffit de lui adjoindre un dispositif d'intégration des débits en fonction du temps. Il est prévu dans la chambre 16, un capteur 29 de pression relié par une ligne 30 à un dispositif 31 de calcul, ainsi qu'un capteur 32 de température relié par une ligne 33 au dispositif de calcul. Il est prévu également un capteur 34 de pression dans la chambre 3. Ce capteur 34 est relié par une ligne 35 au dispositif 31 de calcul et le capteur 14 est lui aussi relié au dispositif 31 de calcul par une ligne 36. Dans le dispositif 31, on calcule à partir des signaux fournis par les capteurs 29 et 34 la différence de pression et à partir de ce signal de différence de pression et du signal fourni par le capteur 14 de position, on peut déterminer le débit instantané, le dispositif 31 de calcul intégrant immédiatement en fonction du temps ces débits pour fournir une indication des débits cumulés correspondant à ce que doit fournir un compteur. Le calcul incorpore de préférence une correction de température sur la base du signal émis par le capteur 32. A la figure 2, le débitmètre est analogue à celui de la figure 1, si ce n'est qu'il est prévu un conduit 28 de mise en communication de la chambre 16 et de la chambre 4 et que le ressort 15 n'est plus un ressort de compression mais un ressort agissant en traction. La membrane 2 est ainsi soumise à cette force de traction et une force résultant de la différence entre la pression grande régnant dans la chapelle 4, et la pression plus petite régnant dans la chambre 3 de détente. Le mode de réalisation représenté à la figure 3 est identique à celui représenté à la figure 1 mais avec les différences suivantes : Il est maintenant prévu un conduit 37 de mise en communication de la chambre 3 de détente avec le compartiment 19. Il est préférable en effet pour la précision qu'il règne dans le compartiment 19 la pression de la chambre 3, par exemple de 20 mbars, au lieu de la pression atmosphérique. En outre, le mode de réalisation de la figure 3 comporte les deux perfectionnements suivants : A la face inférieure (à la figure) de l'obturateur 25 c'est-à-dire à la face qui est éloignée du siège 26 est fixé un cylindre 38 qui coulisse avec étanchéité dans un manchon 39 issu du corps 17. Dans l'obturateur 25 est percé un orifice 40 qui met en communication l'espace compris dans le cylindre 38 et la chambre 16. La pression d'entrée ne s'applique donc pas à l'obturateur 25 dans la partie de celui-ci en regard du cylindre 38, de sorte que, même si cette pression varie, elle influe peu sur la pression intermédiaire. Il est prévu un parallélogramme 41 articulé dont l'un des sommets 42 est articulé sur le levier 22, tandis que le sommet opposé 43 est articulé au corps 17. Entre les deux autres sommets 44,45 est monté un ressort 46. Grâce à ce parallélogramme articulé à ressort, lorsque le ressort 20 principal du détendeur primaire se détend et exerce ainsi une force de plus en plus petite sur la membrane 18, une force de compensation est exercée dans le même sens sur la membrane 18 par le dispositif à parallélogramme. Cela contribue à maintenir la pression intermédiaire à une valeur sensiblement constante. Le mode de réalisation représenté à la figure 4 reprend celui représenté à la figure 1 avec la différence suivante. Le corps 17 est subdivisé de haut en bas à la figure par successivement une membrane 50 supérieure, une cloison 51 supérieure, une cloison 52 inférieure et une membrane 53 inférieure en une chambre 54 supérieure, une chambre 55 intermédiaire haute, une chambre 56 intermédiaire basse et une chambre 57 basse. La chambre 56 intermédiaire basse communique par un conduit 58 avec le raccord 27 d'entrée. La chambre 54 haute communique par un conduit 59 avec la chambre 3 de détente. La chambre 55 intermédiaire haute communique par un conduit 60 avec la chambre 16 de détente du détendeur primaire. Le conduit 60 est calibré. La chambre 55 intermédiaire haute communique avec la chambre 57 basse par un conduit 61 calibré. La chambre basse 57 communique avec la chambre 16 de détente du détendeur primaire par un orifice 62 calibré. L'orifice 62 a un diamètre plus petit que les diamètres des conduits 60 et 61. Dans la chambre 54 haute est montée un ressort 63 de référence dont l'une des extrémités s'applique au corps 17 et dont l'autre extrémité s'applique à la face supérieure de la membrane 50. A la face opposée de la membrane 50 est fixé un obturateur 64 de référence qui est disposé dans la chambre 56 intermédiaire basse et dont la tige passe à travers la cloison 51 de manière à être solidarisée avec la face inférieure de la membrane 50. L'obturateur 64 peut venir s'appliquer sur un siège 65 ménagé sur la face inférieure de la cloison 51. La tige 21 est fixée à la face inférieure de la membrane 53. Le corps 17 renferme l'ensemble des pièces qui viennent d'être décrites. Le débitmètre fonctionne de la manière suivante. La pression d'entrée règne par le conduit 58 dans la chambre 56 intermédiaire basse. En fonction de la pression qui règne dans la chambre 16 de détente du détendeur primaire et qui s'applique dans la chambre 55 intermédiaire haute, il passe un débit très faible entre le clapet 64 et le siège 65 maintenant ainsi la pression de référence dans la chambre 57 basse par l'intermédiaire du conduit 61 à une valeur donnée qui correspond à la charge du ressort 63. Le gaz peut s'échapper de la chambre 57 basse par l'orifice 62. La pression qui règne dans la chambre 16 est ainsi sensiblement constante pour un débit donné et pour une large plage de pression d'entrée. A la figure 5, il est monté sur la tige 11 une crémaillère 66 qui engrène avec un pignon 67 solidaire en rotation d'une roue dentée 68. La roue 68 engrène avec un pignon 69 solidaire d'une autre roue dentée 70 réalisant l'effet démultiplicateur. La roue 70 engrène sur une roue 71 de sortie portant à sa périphérie huit aimants 72 qui passent successivement au fur et à mesure que la roue 71 tourne devant un interrupteur 73 à lame souple. L'interrupteur 73 est relié au calculateur 31. REVENDICATIONS 1. Débitmètre de gaz, comprenant une enveloppe (1) subdivisée par une membrane (2) souple en une chambre (3) de détente, où débouchent un conduit (5) intermédiaire muni d'un clapet à obturateur (8) et un conduit (6) de sortie, et en une chapelle (4) dans laquelle un moyen (15) applique une force à la membrane (2), laquelle est solidaire en déplacement de l'obturateur (8) et un capteur (14) du déplacement de l'obturateur (8), caractérisé par des moyens comportant un raccord (27) d'entrée et destinés à obtenir, pour un débit donné quel qu'il soit dans le raccord (27) d'entrée et quelle que soit pour ce débit la pression régnant dans le raccord (27) d'entrée, une différence sensiblement constante entre la pression régnant dans le conduit (5) intermédiaire et celle régnant dans le conduit (6) de sortie. 2. Débitmètre suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens sont constitués par un détendeur primaire (16 à 27) de gaz monté en amont du conduit (5) intermédiaire à une distance déterminée de l'enveloppe, qui donne dans le conduit (5) intermédiaire une pression sensiblement constante, pour un débit donné quel qu'il soit. 3. Débitmètre suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le détendeur primaire comporte un obturateur (25) solidaire en déplacement d'une membrane (18) directement par une tige (21) ou par l'intermédiaire d'un mécanisme (22) à effet multiplicateur du déplacement ayant un bras de levier r de l'obturateur (25) du clapet et un bras de levier R de la membrane (18), le rapport---, où Sc est la surface du siège du clapet et Sm celle de la Sm R membrane (18), étant inférieure à 0, 01 et, de préférence inférieur à 0, 001. 4. Débitmètre suivant la revendication 2 ou 3, caractérisé par un parallélogramme (41) articulé dont l'un des sommets (43) est fixe, dont le sommet (42) opposé est solidaire de la membrane (18) ou du mécanisme à effet multiplicateur et entre les deux autres sommets (44,45) duquel s'étend un ressort monté de façon à prendre le relais d'un ressort (20) principal du détendeur primaire au fur et à mesure que celui-ci se détend. 5. Débitmètre suivant l'une des revendications 2 à 4, caractérisé par des moyens destinés à faire en sorte que la pression d'entrée s'applique sur une surface d'un côté de l'obturateur (25) du clapet plus petite qu'une surface du côté opposé de l'obturateur où s'applique la pression intermédiaire. 6. Débitmètre suivant la revendication 5, caractérisé par un cylindre (38) fixé à l'obturateur (25) du côté opposé au siège (26) et par un orifice (40) ménagé dans l'obturateur (25) et allant d'un côté à l'autre de celuici. 7. Débitmètre suivant l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que le détendeur primaire comprend un corps (17) subdivisé par une membrane en une chambre (16) de détente et en une chambre (19) de référence et des moyens (20) destinés à faire régner une pression de référence dans la chambre de référence. 8. Débitmètre suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens destinés à faire régner la pression de référence comportent un détendeur de référence dont le conduit (61) de sortie débouche dans la chambre (57) de référence. 9. Débitmètre suivant la revendication 8, caractérisé en ce que le conduit d'entrée du détendeur de référence communique avec la chambre (16) de détente. 10. Débitmètre suivant l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le détendeur de référence et le détendeur primaire ont un même corps. 11. Débitmètre suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens destinés à obtenir une différence sensiblement constante entre la pression régnant dans le conduit intermédiaire et celle régnant dans le conduit de sortie comprennent un conduit (28) de mise en communication du conduit (5) intermédiaire et de la chapelle (4). 12. Débitmètre suivant l'une des revendications précédentes, caractérisée par un capteur (29) de la pression régnant dans le conduit (5) intermédiaire et par des moyens (31) de calcul qui calculent le débit de gaz à partir du signal de pression fourni par le capteur (29) et de la pression régnant dans le conduit (6) de sortie. 13. Débitmètre suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé par un capteur (34) de la pression régnant dans le conduit (6) de sortie et par des moyens (31) de calcul qui calculent le débit de gaz à partir du signal de pression fourni par le capteur (29) de la pression régnant dans le conduit (6) de sortie et du signal de pression fourni par le capteur (34) de la pression régnant dans le conduit (6) de sortie. 14. Débitmètre suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé par un capteur (32) de température dans le conduit (5) intermédiaire. 15. Débitmètre suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'obturateur (8) comporte, outre une partie (9) élastique assurant l'étanchéité une partie (10) rigide permettant d'en déterminer exactement le déplacement relatif. 16. Débitmètre suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé par un moyen de démultiplication de la valeur du déplacement de l'obturateur (8). 17. Compteur, caractérisé en ce qu'il comporte un débitmètre suivant l'une des revendications précédentes et un dispositif d'intégration des débits en fonction du temps. 18. Débitmètre suivant l'une des revendications 2 à 10, caractérisé en ce que le compartiment (19) ou la chambre (54) communique par un conduit (37,59) avec la chambre (3) de détente.