Brevet FR2830615A1 — publié le 20030411

L'invention est du domaine des instruments de gestion du flux d'un fluide, d'un gaz plus particulièrement. Elle a pour objet un dispositif de restriction laminaire d'un fluide, pour un mesureur de débit massique, ainsi qu'un mesureur de débit massique équipé d'un tel dispositif. Les capteurs utilisés pour la mesure des débits massiques de fluides basés sur des mesures d'échanges thermiques, sont limités à de très petits débits. La précision de ces capteurs est généralement garantie entre 2% et 100% du débit nominal du capteur. C'est pourquoi, il a été proposé d'adjoindre en parallèle à ces capteurs des dispositifs d'écoulement laminaire du fluide, pour pouvoir mesurer des débits plus élevés. Ces dispositifs permettent d'obtenir une répartition proportionnelle du fluide, entre le capteur et l'écoulement laminaire. De plus, ces dispositifs, qui fonctionnent par restriction, permettent d'obtenir un débit de fluide circulant dans le capteur qui corresponde à son débit nominal, lorsque s'écoule dans le débitmètre un débit maximal de fluide qu'il est susceptible de mesurer, le fluide résiduel s'écoulant à travers le dispositif d'écoulement laminaire. Il en découle que pour pouvoir faire varier le débit massique maximal que le débitmètre peut mesurer, il est nécessaire de pouvoir régler le dispositif de restriction laminaire, afin d'obtenir la restriction adaptée au débit de fluide qui doit s'écouler à travers le débitmètre. Il en ressort que de tels débitmètres massiques sont composés d'un capteur auquel est associé un dispositif de restriction laminaire, et de moyens électroniques de traitement du signal transmis par le capteur pour son exploitation. Pour une application courante de contrôle du débit massique, une vanne de régulation est notamment adjointe pour permettre à l'utilisateur de commander le débit massique souhaité dans un réseau d'adduction. On relèvera que de tels contrôleurs de débit massique sont utilisés pour réguler des débits de fluide de très haute pureté, qui ne doit pas être altérée lors de son écoulement à l'intérieur du débitmètre. Les fluides véhiculés peuvent aussi être très corrosifs. Il en découle qu'il est nécessaire de concevoir des débitmètres présentant un état de surface qui n'offre pas de zone de rétention de particules susceptibles de contaminer le fluide, et pour lesquels le volume mort de fluide présent dans le débitmètre soit le plus faible possible. Un problème à résoudre réside donc dans l'organisation du rétreint du canal principal du dispositif de restriction laminaire, et dans la conception des moyens de variation du débit de fluide détourné qu'il comporte. Il a été proposé des dispositifs de restriction laminaire d'un fluide, dit à tubes , dans lesquels le canal principal est principalement formé par plusieurs tubes disposés en parallèle du capteur. Un inconvénient majeur de ces dispositifs réside dans la difficulté d'obtenir un état adéquat de surface interne des tubes. Un autre inconvénient majeur, réside dans la difficulté à obtenir l'étanchéité du dispositif et à maintenir les tubes. Par ailleurs, la présence d'un volume inefficient entre les tubes n'est pas opportune. Enfin, la variation du débit du fluide détourné s'effectue par remplacement des tubes parmi un jeu de tubes de diamètres respectifs, ce qui implique un stock important de tels tubes. Il a aussi été proposé, à partir des dispositifs à tubes , des dispositifs, dits à rondelles , comprenant des rondelles axialement juxtaposées, qui comportent un évidement axial pour former le canal principal, et des fentes radiales. Un inconvénient majeur de ces dispositifs réside dans l'étanchéité difficile à obtenir entre les rondelles, et plus particulièrement en amont et en aval de la zone de restriction. Pour obtenir une étanchéité idoine, l'empilement des rondelles doit être effectué sous serrage, ce qui implique une liaison par filetage des composants du dispositif, avec en corollaire les inconvénients liés à leur taraudage, état de surface médiocre et arrachement de matière notamment. Enfin, ce dispositif n'étant qu'une variante du principe des dispositifs à tubes , la variation de débit du fluide détourné implique un remplacement des rondelles parmi un jeu de rondelles. Le débit étant dépendant des fentes, en nombre et en taille, il est nécessaire de prévoir là encore un stock important de rondelles répartis en différents groupes de rondelles affectés à un débit donné de référence. Pour surmonter les difficultés susvisées, il a donc été proposé des dispositifs de restriction laminaire d'un fluide d'un troisième type, dit à cône . Selon ces dispositifs, un noyau conique est logé à l'intérieur de l'évidement d'un fût de forme correspondante. Le rétreint du canal principal est obtenu à partir d'une diminution progressive de son volume en correspondance avec la pente dégressive du noyau et de l'évidement du fût. Selon un premier exemple de réalisation, décrit par le brevet US4800754 (KORPI), le canal principal est formé par une pluralité de fente axiales ménagées dans le noyau. Les moyens pour faire varier le débit de référence sont constitués par une toile d'obturation interchangeable disposée en bout du noyau, à l'entrée du canal principal. Cette toile vise à interdire le passage du fluide à travers les fentes ménagées dans le noyau, qui composent le canal principal, par leur obturation sélective. Un inconvénient de ce dispositif réside dans l'interchangeabilité délicate de la toile, et dans le manque de précision de la variation obtenue du débit de référence. On relèvera que cette précision douteuse n'est au demeurant pas fiable. En outre, la qualité de l'état de surface nécessaire des parois des fentes accroît la difficulté d'obtention du noyau. Un autre exemple de réalisation d'un dispositif de restriction laminaire d'un fluide du type à cône , est décrit par le brevet US4524616 (DREXEL et AI). Selon cet exemple, le canal principal est formé par un passage annulaire ménagé entre le noyau et la surface de l'évidement du fût. Les moyens pour faire varier le débit de référence sont constitués par des moyens de positionnement axial du noyau à l'intérieur du fût, pour accroître ou inversement diminuer le volume du canal principal. Ces moyens sont du type à axe fileté supportant le noyau, qui comporte en correspondance un évidement interne fileté coopérant. La solution proposée par ce dispositif, qui consiste à faire varier le volume du canal principal par son déplacement axial à l'intérieur du fût, est satisfaisante au regard de la fiabilité et de la précision obtenue pour le réglage du débit de référence. Toutefois, les moyens mis en oeuvre pour faire varier la position axiale du noyau présente des inconvénients majeurs. La structure proposée de ces moyens implique un aménagement des extrémités d'entrée et de sortie du dispositif, pour la mise en relation entre l'axe fileté et le noyau. Il en découle un aménagement délicat des chambres d'admission et d'évacuation du fluide respectivement située à l'extrémité proximale et à l'extrémité distale du canal principal. Par ailleurs, et en relation avec le problème susvisé, les modalités d'adduction du fluide à la périphérie du noyau ne sont pas satisfaisantes. Ces modalités tendent à générer des turbulences à l'entrée du dispositif, au détriment de la fiabilité et de la précision des mesures obtenues. Le but général de la présente invention est de proposer un dispositif de restriction laminaire d'un fluide, notamment applicable à un contrôleur de débit massique, dont la structure permette son obtention aisée, dont les moyens de réglage du débit de référence soit facile à mettre en oeuvre, et dont les débits de fluide détourné vers le canal secondaire soient fiables et précis. Plus particulièrement et à partir d'un choix intuitif opéré par les concepteurs de la présente invention portant sur un tel dispositif du type à cône , dans lequel le canal principal est formé par un espace annulaire ménagé entre un noyau logé à l'intérieur d'un fût, il est proposé de surmonter les difficultés y relatives susvisées. Le dispositif de la présente invention est un dispositif de restriction laminaire d'un fluide du type à cône , pour un contrôleur de débit massique notamment. Ce dispositif comprend un canal principal organisé en rétreint pour provoquer le détournement d'une partie au moins du fluide à travers un canal secondaire, dont les orifices d'entrée et de sortie débouchent respectivement en amont et en aval du canal principal. Ce dernier est compris entre une chambre d'admission et une chambre d'évacuation qui sont en relation avec respectivement un conduit d'admission et un conduit d'évacuation du fluide. Le canal principal est formé par un espace annulaire ménagé entre un noyau conique et la surface de forme correspondante d'un évidement d'un fût logeant le noyau, le dispositif comprenant en outre des moyens pour faire varier le débit du fluide détourné, qui sont constitués par des moyens de positionnement axial du noyau à l'intérieur du fût. La présente invention va être décrite en relation avec les figures de la planche annexée, qui illustrent un exemple de réalisation du dispositif proposé, dans laquelle planche la fig. 1 est une vue schématique en demi-coupe longitudinale d'un dispositif de restriction laminaire d'un fluide, du type à cône , selon un exemple préféré de réalisation de la présente invention, les fig. 2 et fig. 3 sont des vues schématiques en perspective respectivement d'une entretoise et d'une bague ajourée du dispositif illustré sur la fig. 1. Sur la fig. 1, la démarche inventive de la présente invention a consisté dans un premier temps à proposer un dispositif de restriction laminaire d'un fluide du type à cône . Cette démarche vise à mettre à profit l'aisance d'obtention du canal principal 1 à partir d'un espace annulaire ménagé entre un noyau 2 et l'évidement 3 d'un fût 4. Cette démarche vise encore à exploiter la faculté offerte du réglage du débit de référence par des moyens pour faire varier la position axiale du noyau 2 à l'intérieur du fût 4. A partir d'un tel dispositif et sur la base de l'analyse susvisée qui en a été faite, il est proposé de faire varier la position axiale du noyau 2 au moyen d'un jeu d'entretoises axiales, telles que 5,5', 5", qui sont interchangeables et/ou juxtaposables. L'une au moins de ces entretoises 5,5', 5" participantes de ce jeu, est interposée entre l'une quelconque au moins des extrémités proximale et distale du noyau 2 et respectivement la chambre d'admission 6 et la chambre d'évacuation 7 y relative. Grâce à ces dispositions, la liaison entre le noyau 2 et le fût 4 est obtenue sans encombrement des extrémités proximale et/ou distale du noyau 2, ni sans la formation d'obstacles inopportuns à l'entrée et à la sortie du canal principal 1, dans la zone correspondante des chambres d'admission 6 et d'évacuation 7 du fluide plus particulièrement. En se reportant par ailleurs à la fig. 2, et selon une forme préférée de réalisation des entretoises 5,5', 5", celles-ci comportent chacune au moins un organe de centrage 8,8', 8" coopérant par emboîtement avec un organe correspondant, tel que Ce dernier est ménagé sur l'un quelconque des éléments comprenant le noyau 2 et une autre entretoise 5,5', 5" participante du jeu. Par ces dispositions, l'entretoise 5,5', 5"est radialement positionnée à l'intérieur du fût 4. Par exemple, les entretoises 5, 5', 5" sont chacune conformées en douille borgne, dont l'évidement 8,8', 8" constitue l'organe de centrage des entretoises 5,5', 5". Cet évidement 8,8', 8" reçoit l'organe d'emboîtement correspondant 9,9', 9", 9"', qui est sur l'exemple illustré formé d'une surface cylindrique épaulée ménagée sur l'élément correspondant, entretoise 5,5', 5" ou noyau 2. Pour éviter une rétention inopportune de fluide à l'intérieur des entretoises 5,5', 5" emboîtées, celles-ci comportent de préférence au moins un évent 10 ménagé à travers leur paroi périphérique, de manière à mettre en relation leur évidement interne 8 avec l'extérieur. Ces dispositions sont telles que l'évent 10 (non représenté sur la fig. 1) constitue un moyen de purge des entretoises. Sur l'exemple illustré, cet évent 10 est formé par une saignée longitudinale ménagée dans la paroi périphérique des douilles 5,5', 5". On notera que le jeu d'entretoises 5,5', 5" comprend notamment une entretoise majeure d'une épaisseur e, correspondante à la moitié de la valeur de la variation axiale de la position du noyau 2 à l'intérieur du fût 4. Ce jeu comprend aussi une pluralité d'entretoises dépendantes en dimension de la précédente, dont l'épaisseur respective e'est un diviseur entier de l'entretoise majeure. L'entretoise de plus petite épaisseur, de référence et en double exemplaire dans le dit jeu, correspond au pas minimal de déplacement du noyau 2. En revenant à la fig. 1, et grâce à la vacuité des zones d'entrée et de sortie du canal principal 1, les concepteurs de la présente invention proposent en outre d'aménager avantageusement les chambres d'admission 6 et d'évacuation 7 du fluide au moyen de bagues 11 et 11' introduites à l'intérieur du fût 4. Ces chambres 6 et 7 sont formées par des espaces annulaires respectifs, compris entre la surface extérieure de la bague correspondante 11, 11' et la surface de l'évidement 3 du fût 4. On comprendra que le diamètre extérieur des bagues d'admission 6 et d'évacuation 7 du fluide est inférieur au diamètre correspondant respectivement de l'extrémité proximale et de l'extrémité distale du noyau 2. On remarquera aussi que les entretoises 5,5', 5" sont de préférence d'un diamètre de l'ordre de celui des bagues 11, 11', de manière à ménager un espace annulaire 12, 12' respectivement dans le prolongement des chambres d'admission 6 et d'évacuation 7, pour ne pas faire obstacle à la circulation du fluide à travers le canal principal 1. En se reportant par ailleurs à la fig. 3, chacune des bagues 11, 11' comporte par exemple à sa périphérie au moins une fente 13 ménagée à travers sa paroi périphérique. Cette fente 13 constitue un canal d'acheminement du fluide entre l'espace interne 14 de la bague 11, 11', en relation avec un canal d'admission 15 ou d'évacuation 16 du fluide selon la bague prise en considération, et l'espace annulaire entre la bague 11 ou 11'et l'évidement 3 du fût 4, qui constitue la chambre 6 ou 7 correspondante. Selon une autre approche de l'invention, on remarque que les bagues 11, 11' constituent avantageusement des organes de centrage du noyau 2, qu'elles supportent, à l'intérieur du fût 4. Plus particulièrement, chacune des bagues 11, 11' est supportée par le fût 4 pour son centrage. Par ailleurs, chacune des bagues 11, 11' comporte au moins un organe de centrage 14 coopérant par emboîtement avec un organe correspondant On comprendra qu'à l'instar des entretoises 5,5', 5", cet organe d'emboîtement correspondant 9,9', 9", 9'" est ménagé sur l'un quelconque des éléments comprenant le noyau 2 et une autre entretoise 5,5', 5" participante du jeu, en vue du maintien entre elles et du centrage de ces derniers 2,5, 5', 5" à l'intérieur du fût 4. Ces dispositions sont telles que l'ensemble formé par les bagues 11, 11', l'entretoise au moins 5,5', 5" et le noyau 2 forme un train d'éléments reliés successivement entre eux par emboîtement, train qui est centré à ses extrémités sur le fût 4 par l'intermédiaire des bagues 11,11'. Selon un agencement avantageux des fentes 13, celles-ci sont ménagées à travers la paroi périphérique des bagues 11, 11', radialement et perpendiculairement à leur axe, pour conférer à ces dernières une élasticité axiale. Cette élasticité est mise à profit pour mettre en compression axiale les uns contre les autres les différents éléments correspondants, à savoir notamment les bagues 11, 11', les entretoises 5,5', 5" et le noyau 2, pour conférer à cet ensemble un caractère rigide lorsqu'il est assemblé. On remarquera enfin sur le schéma de la fig. 1 la présence des débouchés d'entrée 17 et de sortie 17'd'un canal secondaire 18 vers lequel est détourné le fluide, en partie ou le cas échéant en tout. Ce canal secondaire est notamment celui associé à un capteur de débit participant d'un contrôleur de débit massique. REVENDICATIONS 1.-Dispositif de restriction laminaire d'un fluide du type à cône , pour un contrôleur de débit massique notamment, ce dispositif comprenant un canal principal (1) organisé en rétreint pour provoquer le détournement d'une partie au moins du fluide à travers un canal secondaire (18), dont les orifices d'entrée (17) et de sortie (17') débouchent respectivement en amont et en aval du canal principal (1), ce dernier étant compris entre une chambre d'admission (6) et une chambre d'évacuation (7) qui sont en relation avec respectivement un conduit d'admission (15) et un conduit d'évacuation (16) du fluide, le canal principal (1) étant formé par un espace annulaire ménagé entre un noyau conique (2) et la surface de forme correspondante d'un évidement (3) d'un fût (4) logeant le noyau (2), le dispositif comprenant en outre des moyens pour faire varier le débit du fluide détourné constitués par des moyens de positionnement axial du noyau (2) à l'intérieur du fût (4), caractérisé : en ce que les moyens de positionnement axial du noyau (2) sont constitués par au moins une entretoise axiale (5,5', 5") participante d'un jeu d'entretoises interchangeables et/ou juxtaposables, interposée entre l'une quelconque au moins des extrémités proximale et distale du noyau (2) et respectivement la chambre d'admission (6) et la chambre d'évacuation (7) y relative. 2. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé : en ce que chacune des entretoises (5,5', 5") comporte au moins un organe de centrage (8,8', 8") coopérant par emboîtement avec un organe correspondant (9,9', 9", 9"') ménagé sur l'un quelconque des éléments comprenant le noyau (2) et une autre entretoise (5,5', 5") participante du jeu, pour son positionnement radial à l'intérieur du fût (4). 3. - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé : en ce que les entretoises (5,5', 5") étant conformées chacune en douille borgne, dont l'évidement (8,8', 8") constitue l'organe de centrage des entretoises recevant l'organe d'emboîtement correspondant (9,9', 9"), les entretoises (5,5', 5") comportent au moins un évent (10) ménagé à travers leur paroi périphérique de manière à mettre en relation leur évidement interne (8, 8', 8") avec l'extérieur, pour constituer un moyen de purge des entretoises (5,5', 5"). 4. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé : en ce que le jeu d'entretoises (5,5', 5") comprend une entretoise majeure d'une épaisseur e, correspondante à la moitié de la valeur de la variation axiale de la position du noyau (2) à l'intérieur du fût (4), et une pluralité d'entretoises dépendantes dont l'épaisseur respective e'est un diviseur entier de l'entretoise majeure, l'entretoise de plus petite épaisseur, de référence et en double exemplaire dans le dit jeu, correspondant au pas minimal de déplacement du noyau (2). 5. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé : en ce que les chambres d'admission (6) et d'évacuation (7) sont formées par des espaces annulaires respectifs, compris entre la surface extérieure d'une bague correspondante (11, 11') et la surface de l'évidement (3) du fût (4). 6. - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé : en ce que chacune des bagues (11, 11') comporte au moins une fente (13) ménagée à travers sa paroi périphérique, qui constitue un canal d'acheminement du fluide entre l'espace interne (14) de la bague (11, 11'), en relation avec un canal d'admission (15) et/ou d'évacuation (16) du fluide selon la bague (11, 11') prise en considération, et l'espace annulaire compris entre la bague (11, 11') et l'évidement (3) du fût (4) qui constitue la chambre correspondante (6,7). 7. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé : en ce que les bagues (11, 11') constituent des organes de centrage du noyau (2), qu'elles supportent, à l'intérieur du fût (4). 8. - Dispositif selon les revendications 2 et 7, caractérisé : en ce que chacune des bagues (11, 11') est supportée par le fût (4) pour son centrage, et comporte, à l'instar des entretoises (5,5', 5"), au moins un organe de centrage (14) coopérant par emboîtement avec un organe correspondant ménagé sur l'un quelconque des éléments comprenant le noyau (2) et une autre entretoise (5,5', 5") participante du jeu, en vue du maintien entre elles et du centrage de ces derniers (2, 5', 5", 5"') à l'intérieur du fût (4), de telle sorte que l'ensemble formé par les bagues (11, 11'), l'entretoise au moins (5,5', 5") et le noyau (2) forme un train d'éléments reliés successivement entre eux par emboîtement, train qui est centré à ses extrémités sur le fût (4) par l'intermédiaire des bagues (11, 11'). 9.-Dispositif selon la revendication 8, caractérisé : en ce que les fentes (13) sont ménagées à travers la paroi périphérique des bagues (11, 11'), radialement et perpendiculairement à leur axe, pour conférer à ces dernières une élasticité axiale mise à profit pour mettre en compression axiale les uns contre les autres les différents éléments correspondants (11, 11', 5,5', 5"2), et pour conférer à cet ensemble un caractère rigide lorsqu'il est assemblé.