Brevet FR3035963A1 — publié le 20161111

L'invention concerne un dispositif de mesure de vitesse d'un fluide. Le dispositif de mesure comporte des moyens pour limiter les effets des variations de la température du fluide et du dispositif de mesure sur la précision de la mesure. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Pour mesurer le débit d'un fluide circulant dans un tuyau quelconque, il est bien connu d'utiliser un dispositif de mesure de la vitesse du fluide par émission et réception d'ultrasons. Un tel dispositif comporte un corps creux dans lequel circule le fluide. Pour mesurer la vitesse du fluide, on émet dans le corps creux un signal ultrasonique parcourant un trajet ultrasonique de longueur définie, on mesure la différence de temps de parcours du signal ultrasonique sur le trajet ultrasonique d'amont en aval et d'aval en amont, et on estime la vitesse du fluide à partir de la longueur définie et de la différence de temps de parcours. Il est fréquent que le fluide et donc le dispositif de mesure connaissent des variations thermiques importantes qui ont tendance à réduire significativement la précision de la mesure de la vitesse du fluide et donc de son débit. Ces variations thermiques sont en effet subies non seulement par le corps cylindrique qui se dilate et se déforme mécaniquement, mais aussi par les composants électroniques du circuit de mesure dont la précision se dégrade. OBJET DE L'INVENTION L'invention a pour objet un dispositif de mesure d'une vitesse d'un fluide qui soit précis malgré les variations thermiques subies par le fluide et par le dispositif de mesure. RESUME DE L'INVENTION 3035963 2 En vue de la réalisation de ce but, on propose un dispositif de mesure d'une vitesse d'un fluide, le dispositif de mesure comportant : - un corps dans lequel circule le fluide ; 5 - des moyens d'émission et des moyens de réception d'un signal ultrasonique ; - des moyens de mesure destinés à estimer un temps de parcours utilisé par le signal ultrasonique pour parcourir un trajet ultrasonique de longueur définie dans 10 le corps entre les moyens d'émission et les moyens de réception. Selon l'invention, le dispositif de mesure comporte des moyens de compensation de variations de la longueur définie qui résultent de variations thermiques. 15 Grâce aux moyens de compensation, la longueur définie du trajet ultrasonique varie très peu malgré les variations thermiques subies par le fluide et par le dispositif de mesure. Les imprécisions sur la mesure de vitesse du fluide générées par les déformations 20 mécaniques du corps dues aux variations thermiques sont donc très faibles. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit de modes de mise en oeuvre particuliers non limitatifs de l'invention. 25 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : - la figure 1 représente une vue en perspective du dispositif de mesure de l'invention selon un 30 premier mode de réalisation ; - la figure 2 représente une vue de côté et de section du dispositif de mesure de l'invention selon le premier mode de réalisation ; 3035963 3 - la figure 3 représente schématiquement un trajet ultrasonique défini dans le dispositif de mesure de l'invention selon le premier mode de réalisation ; 5 - la figure 4 est un graphique représentant, pour un dispositif de mesure de l'invention selon un deuxième mode de réalisation, la différence estimée théoriquement entre la longueur définie et la longueur réelle du trajet ultrasonique en 10 fonction de la température ; - la figure 5 est un graphique analogue à celui de la figure 4, dans lequel la différence de longueur est estimée expérimentalement. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION 15 En référence aux figures 1 à 3, le dispositif de mesure de l'invention 1 selon un premier mode de réalisation est ici destiné à mesurer une vitesse d'un gaz circulant dans un tuyau. Le dispositif de mesure 1 est raccordé au tuyau de sorte que le gaz circule dans le 20 dispositif de mesure 1 d'amont en aval depuis une entrée de gaz 2 du dispositif de mesure 1 jusqu'à une sortie de gaz 3 du dispositif de mesure 1. Le dispositif de mesure 1 comporte un corps 4 raccordé en série avec le tuyau de gaz de telle manière 25 que le gaz circule dans le corps 4. Le corps 4 comprend une portion centrale cylindrique 5 de section carrée et d'axe longitudinal X et deux extrémités élargies 6 formant des raccords pour raccorder le dispositif de mesure 1 au tuyau. 30 Le dispositif de mesure 1 comporte de plus un tube de mesure amont 7a d'axe longitudinal Y et un tube de mesure aval 7b d'axe longitudinal Y'. Le tube de mesure amont 7a et le tube de mesure aval 7b s'étendent depuis une surface externe de la portion centrale 5 du corps 4 35 du dispositif de mesure 1. Le tube de mesure amont 7a et 3035963 4 le tube de mesure aval 7b sont disposés symétriquement l'un par rapport à l'autre par rapport à un plan médian P de la portion centrale 5 orthogonal à l'axe X. L'axe Y et l'axe Y' forment chacun un angle 0 égal à 45° avec l'axe 5 X. Le tube de mesure amont 7a et le tube de mesure aval 7b comportent chacun une extrémité débouchant à l'intérieur de la portion centrale cylindrique et une extrémité libre 11. Le corps 4 du dispositif de mesure 1 ainsi que le 10 tube de mesure amont 7a et le tube de mesure aval 7b forment ici une première pièce. Le dispositif de mesure 1 comporte de plus une deuxième pièce amont 12a et une deuxième pièce aval 12b qui présentent chacune une forme générale tubulaire et 15 qui comprennent chacune à l'une de leurs extrémités une tête de fixation 13. La deuxième pièce amont 12a et la deuxième pièce aval 12b s'étendent respectivement à l'intérieur du tube de mesure amont 7a et du tube de mesure aval 7b en étant chacune fixée par la tête de 20 fixation 13 à l'extrémité libre 11 du tube de mesure 7 correspondant. Le dispositif de mesure 1 comporte en outre des moyens d'émission et de réception d'un signal ultrasonique ainsi que des moyens de mesure 15. 25 Les moyens d'émission et de réception comportent un émetteur-récepteur amont 14a et un émetteur-récepteur aval 14b, l'émetteur-récepteur amont 14a étant intégré dans l'extrémité libre de la deuxième pièce amont 12a et l'émetteur-récepteur aval 14b étant intégré dans 30 l'extrémité libre de la deuxième pièce aval 12b. Chaque émetteur-récepteur 14 est configure pour émettre un signal ultrasonique et pour détecter le signal ultrasonique émis par l'autre émetteur-récepteur 14. Chaque signal ultrasonique parcourt d'amont en aval ou 35 d'aval en amont un trajet ultrasonique 16 de longueur 3035963 5 définie. Le trajet ultrasonique 16 est ici un trajet « en V » passant par un point 17 de la surface interne de la portion centrale 5 du corps 4 du dispositif de mesure 1 situé sur le plan P. 5 Les moyens de mesure 15, quant à eux, sont positionnés sur la surface externe de la portion centrale 5 du corps 4 du dispositif de mesure 1 entre le tube de mesure amont 7a et le tube de mesure aval 7b. Les moyens de mesure 15 comportent un circuit 10 imprimé 19 sur lequel sont montés un certain nombre de composants électronique. Parmi les composants électroniques, on trouve un composant de traitement 20 (microcontrôleur, FPGA, ou autre) associé à un module de mémoire 21. Le composant de 15 traitement 20 qui commande l'émission du signal ultrasonique, acquiert les moments d'émission et les moments de réception du signal ultrasonique par chacun des émetteurs-récepteurs 14 et estime un temps de parcours d'amont en aval et un temps de parcours d'aval 20 en amont du signal ultrasonique sur le trajet ultrasonique. Le composant de traitement 20 déduit de la différence entre les temps de parcours d'amont en aval et d'aval en amont et de la longueur définie du trajet ultrasonique 16 la vitesse et le débit du gaz dans le 25 corps du dispositif de mesure et donc dans le tuyau. Parmi les composants électroniques, on trouve aussi un capteur de pression 22 et un capteur de température 23 qui mesurent respectivement la température et la pression du gaz à l'intérieur du corps 4 du dispositif de mesure 30 1. Les éléments sensibles du capteur de pression 22 et du capteur de température 23 sont en contact avec le gaz via un orifice 24 formé à cet effet dans l'épaisseur du corps 4 du dispositif de mesure 1. La précision de la vitesse du gaz mesurée dépend de 35 la différence existant entre la longueur définie du 3035963 6 trajet ultrasonique 16 et sa longueur réelle. Or, les variations thermiques subies par le gaz tendent à déformer le corps 4 du dispositif de mesure 1, et notamment la partie centrale 5 du corps 4 à l'intérieure 5 de laquelle est défini le trajet ultrasonique 16. Toute modification de la longueur du trajet ultrasonique 16 dégrade la précision de la mesure de la vitesse du gaz. Pour limiter l'impact de la déformation du corps 4 sur la mesure de la vitesse du gaz, le dispositif de 10 mesure 1 comporte des moyens de compensation des variations de la longueur définie qui résultent des variations thermiques. Dans le premier mode de réalisation de l'invention, les moyens de compensation comprennent ici la première 15 pièce, la deuxième pièce amont 12a et la deuxième pièce aval 12b du dispositif de mesure 1 ; la première pièce comportant, comme on l'a vu plus tôt, le corps 4, le tube de mesure amont 7a et le tube de mesure aval 7b. Les positions de la première pièce et des deuxièmes pièces 20 12, les matériaux utilisés pour fabriquer la première pièce et les deuxièmes pièces 12, ainsi que les dimensions de ces première et deuxièmes pièces permettent de réaliser la compensation. Comme la deuxième pièce amont 12a et la deuxième 25 pièce aval 12b sont fixées respectivement à l'extrémité libre 11 du tube de mesure amont 7a et du tube de mesure aval 7b, une dilatation de chaque deuxième pièce 12 tend à rapprocher l'émetteur-récepteur 14 correspondant de l'intérieur du corps 4, et donc tend à diminuer la 30 longueur définie du trajet ultrasonique 16. Inversement, une dilatation de la première pièce, et notamment du corps 4 et des tubes de mesure 7, tend à augmenter la longueur définie du trajet ultrasonique 16. Les coefficients de dilatation thermique des 35 matériaux utilisés pour fabriquer les première pièce et 3035963 7 deuxièmes pièces et les dimensions des première pièce et deuxièmes pièces sont déterminés pour que cette diminution et cette augmentation de la longueur définie se compensent, de sorte que l'effet des variations 5 thermiques sur la longueur définie et donc sur la précision de la mesure de vitesse du gaz soit limité. La position et la configuration géométrique de la première pièce et des deuxièmes pièces 12 imposent pour cela que la première pièce, et notamment le corps 4 du 10 dispositif de mesure 1, se dilate moins que les deuxièmes pièces 12. La première pièce et les deuxièmes pièces 12 sont donc fabriquées respectivement en un premier matériau présentant un premier coefficient de dilatation thermique 15 et en un deuxième matériau présentant un deuxième coefficient de dilatation thermique, le premier coefficient de dilatation thermique étant inférieur au deuxième coefficient de dilatation thermique. On utilise par exemple pour le premier matériau du 20 polycarbonate chargé à 30% de fibres de verre ayant un premier coefficient de dilatation thermique de 2,5.10-5 par °C ou du polyamide chargé à 30% de fibres de verre ayant un premier coefficient de dilatation thermique de 3. 105 par°C. 25 On utilise par exemple pour le deuxième matériau du polyéthylène haute densité ayant un coefficient de dilatation thermique de 18.10-5 par °C ou du polypropylène ayant un coefficient de dilatation thermique de 11.10-5 par °C. 30 Les dimensions de la première pièce et des deuxièmes pièces 12, et notamment les longueurs des tubes de mesure 7 et les longueurs des deuxièmes pièces 12, sont ensuite calculées en fonction des premier et deuxième coefficients de dilatation thermique et de la 35 configuration géométrique des pièces. 3035963 8 On illustre ce dimensionnement grâce au schéma de la figure 3. Le diamètre D de la partie centrale du corps a une longueur imposée : D-28mm. 5 La hauteur h par rapport à la surface externe du corps 4 du centre de l'extrémité libre de chaque tube de mesure est imposée : h-12mm. Comme on l'a vu, l'angle 0 est tel que 0 = 45°. On suppose que le coefficient de dilatation 10 thermique du premier matériau est c1=2,5.10-5 par °C et que le coefficient de dilatation thermique du deuxième matériau est c2=11.10-5 par °C. L'augmentation dll de la longueur du trajet ultrasonique 16 provoquée par la dilatation du premier 15 corps est : d11=2*((28+12)*1,414)*cl. La diminution d12 de la longueur du trajet ultrasonique 16 provoquée par la dilatation des deux deuxièmes pièces est : 20 d12=2*(L*c2), où L est la longueur de chaque deuxième pièce. La longueur L de chaque deuxième pièce doit donc être telle que : (28+12)*1.414*cl = L*c2, soit L=12,85mm. 25 En utilisant le premier et le deuxième matériau, ainsi que la position, les dimensions et la configuration géométriques décrites ci-dessus, on améliore la précision de mesure de la vitesse du gaz d'environ 0,5% sur une large gamme de température par rapport à un dispositif de 30 mesure similaire ne comportant pas les moyens de compensation. On décrit désormais, en gardant les mêmes références pour plus de clarté, le dispositif de mesure de l'invention 1 selon un deuxième mode de réalisation. 35 Dans le deuxième mode de réalisation, le dispositif 3035963 9 de mesure de l'invention 1 comporte des moyens de compensation des variations de la longueur définie qui comprennent des moyens d'estimation de la température du dispositif de mesure 1 et des moyens de mémorisation. Des 5 données de compensation sont stockées dans les moyens de mémorisation. Les données de compensation sont destinées à compenser les effets sur la longueur définie du trajet ultrasonique 16 d'une déformée du dispositif de mesure 1 en fonction de la température 10 En l'occurrence, les moyens d'estimation de la température du dispositif de mesure 1 comprennent le capteur de température 23, et les moyens de mémorisation comprennent le module de mémoire 21. Les données de compensation comprennent des 15 estimations théoriques des différences existant entre la longueur réelle et la longueur définie du trajet ultrasonique 16 à différentes températures. La figure 4 illustre les estimations théoriques pour un trajet ultrasonique 16 de longueur nominale égale à 60mm défini 20 dans un corps 4 fabriqué en propylène ayant un coefficient de dilatation thermique égal à 15.10-5 par °C, la température variant entre -40°C et +100°C. Les estimations théoriques sont ici issues d'une interpolation linéaire, ce qui permet de simplifier les 25 calculs réalisés dans le composant de traitement 20 et de réduire l'espace mémoire utilisé pour cette application dans le module de mémoire 21. L'utilisation d'une interpolation linéaire n'est pas obligatoire : les estimations théoriques peuvent très bien tenir compte des 30 effets non linéaires du matériau utilisé pour fabriquer le corps 4. Les estimations théoriques peuvent parfaitement être obtenues par simulation de la déformée du dispositif de mesure 1 en fonction de la température. 35 Ces estimations théoriques, stockées dans le module 3035963 10 de mémoire 21, sont utilisées par le composant de traitement 20 pour estimer la vitesse du fluide. Le composant de traitement 20 estime la différence entre le temps de parcours d'amont en aval et le temps de parcours 5 d'aval en amont du signal ultrasonique sur le trajet ultrasonique, estime la longueur réelle du trajet ultrasonique 16 grâce aux estimations théoriques et à la température « actuelle » mesurée par le capteur de température 23, et estime la vitesse du fluide. 10 Alternativement, les données de compensation comprennent des estimations obtenues expérimentalement des différences entre la longueur réelle et la longueur définie du trajet ultrasonique 16 à différentes températures. La figure 5 illustre les estimations 15 expérimentales obtenues pour un trajet ultrasonique similaire à celui de la figure 4. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits, mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie 20 par les revendications. En particulier, bien que l'on ait décrit deux types de moyens de compensation différents utilisés dans deux modes de réalisation distincts du dispositif de mesure de l'invention, il est avantageux de mettre en oeuvre les 25 deux types de moyens de compensation pour améliorer encore la précision de la mesure de vitesse du fluide. Les effets des variations thermiques sont donc non seulement limités par l'effet « opposé » sur la longueur du trajet ultrasonique des dilatations subies par la 30 première pièce et les deuxièmes pièces, mais aussi par la compensation en température de la différence subsistant entre la longueur réelle et la longueur définie du trajet ultrasonique. On note que l'invention selon le premier mode de 35 réalisation peut être mise en oeuvre grâce au choix du 3035963 11 matériau et des dimensions de la première pièce et d'au moins une deuxième pièce. L'invention peut bien sûr aussi être mise en oeuvre dans un dispositif de mesure définissant un trajet 5 ultrasonique différent, par exemple un trajet « en N ». On comprend que le dispositif selon le premier mode de réalisation peut avoir une structure différente de celle décrite à partir du moment où la dilatation d'une deuxième pièce vient compenser la dilatation d'une 10 première pièce. REVENDICATIONS1. Dispositif de mesure (1) d'une vitesse d'un fluide, le dispositif de mesure comportant : - un corps (4) dans lequel circule le fluide ; - des moyens d'émission et des moyens de réception (14) d'un signal ultrasonique ; - des moyens de mesure destinés à estimer un temps de parcours utilisé par le signal ultrasonique pour parcourir un trajet ultrasonique (16) de longueur définie dans le corps entre les moyens d'émission et les moyens de réception ; caractérisé en ce que le dispositif de mesure (1) comporte des moyens de compensation de variations de la longueur définie qui résultent de variations thermiques. 2. Dispositif de mesure selon la revendication 1, dans lequel les moyens de compensation comportent une première pièce (4, 7) et une deuxième pièce (12) du dispositif de mesure, la première pièce (4, 7) et la deuxième pièce (12) étant fabriquées respectivement en un premier matériau présentant un premier coefficient de dilatation thermique et en un deuxième matériau présentant un deuxième coefficient de dilatation thermique, de telle manière que les variations thermiques ont des effets limités par une différence entre le premier coefficient de dilatation thermique et le deuxième coefficient de dilatation thermique. 3. Dispositif de mesure selon la revendication 2, dans lequel la première pièce comporte le corps (4) du dispositif de mesure (1) et les moyens d'émission et/ou les moyens de réception du signal ultrasonique sont solidaires de la deuxième pièce (12) qui est rapporté sur la première pièce. 4. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 2 ou 3, dans lequel la deuxième pièce (12) 3035963 13 est fixée à la première pièce et positionnée de sorte qu'une dilatation de la deuxième pièce (12) sous l'effet des variations thermiques limite l'effet sur la longueur définie d'une dilatation de la première pièce. 5 5. Dispositif de mesure selon la revendication 4, dans lequel le tube de mesure (7) s'étend depuis une surface extérieure du corps (5), et dans lequel la deuxième pièce (12) s'étend à l'intérieur du tube de mesure (7) depuis une extrémité libre (11) du 10 tube de mesure (7) à laquelle la deuxième pièce (12) est fixée. 6. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 2 à 5, dans lequel le premier matériau est un plastique à faible dilatation thermique et le deuxième 15 matériau est un plastique à forte dilatation thermique. 7. Dispositif de mesure selon la revendication 6, dans lequel le premier matériau comprend du polycarbonate chargé de fibres de verre ou du polyamide chargé de fibres de verre. 20 8. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 6 ou 7, dans lequel le deuxième matériau comprend du polyéthylène ou du polypropylène. 9. Dispositif de mesure selon la revendication 1, dans lequel les moyens de compensation 25 comportent des moyens d'estimation de la température (23) du dispositif de mesure (1) et des moyens de mémorisation (21) dans lesquels sont stockées des données de compensation destinées à compenser les effets sur la longueur définie d'une déformée du dispositif de mesure 30 (1) en fonction de la température. 10. Dispositif de mesure selon la revendication 9, dans lequel les données de compensation ont été obtenues par mesure ou par simulation. 11. Dispositif de mesure selon l'une des 35 revendications 9 à 10, dans lequel les données de 3035963 14 compensation sont obtenues par une interpolation linéaire en fonction de la température.