Brevet FR3059095A1 — publié le 20180525

L'invention concerne le domaine des débitmètres thermiques massiques. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Le débitmètre thermique massique constitue une solution éprouvée et relativement économique pour mesurer un débit d'un fluide. En référence à la figure 1, un tel débitmètre 1, destiné à mesurer un débit d'un fluide F circulant dans une canalisation principale 2, comporte classiquement une canalisation de mesure 3 montée en dérivation de la canalisation principale 2. La canalisation de mesure 3 comprend une résistance chauffante 4 et deux thermistances 5 situées de chaque côté de la résistance chauffante 4. En référence à la figure 2, dans le cas où le débit est nul dans la canalisation principale (et donc dans la canalisation de mesure 3), la zone de fluide chauffée Z est symétrique, et les deux thermistances 5 mesurent une même température. En référence à la figure 3, dans le cas où le débit est non nul dans la canalisation principale (et donc dans la canalisation de mesure 3), la zone de fluide chauffée Z se déforme sous l'effet du débit. Les deux thermistances 5 mesurent alors des températures différentes. La différence de température obtenue est fonction du débit, selon l'équation suivante : RI2=Qm(h2-h1) =QmCp (t2-t1) , Où : - Cp est une capacité thermique massique à pression constante (en J.kg-1.K-1) ; - Qmest un débit massique (en kg. s-1) ; - h2 et h1 sont des enthalpies massiques (en J.kg-1); - R est une valeur de résistance de la résistance chauffante (en Q) ; 3059095 2 - I est un courant circulant dans la résistance chauffante (en A) ; t2 et t1 sont les températures mesurées par les thermistances (en K). 5 Cette méthode de mesure du débit nécessite que le rapport entre le débit du fluide circulant dans la canalisation principale 2 et le débit du fluide circulant dans la canalisation de mesure 3 soit constant. Pour assurer qu'un certain débit circule bien dans la 10 canalisation de mesure 3, on utilise classiquement un organe déprimogène positionné entre une entrée et une sortie de la canalisation de mesure. L'organe déprimogène produit une restriction de section qui permet d'assurer une différence de pression entre l'entrée et la sortie de 15 ,la canalisation de mesure 3, sous l'effet de laquelle le fluide est conduit à cheminer dans la canalisation de mesure 3. En référence à la figure 4, un tel organe déprimogène 6 comporte classiquement une ouverture et une 20 grille 7 positionnées au centre de l'organe déprimogène 6. Un débitmètre thermique massique est très sensible à l'empoussièrement. Une accumulation de poussière tend à encrasser et à boucher partiellement la grille 7 de 25 l'organe déprimogène 6, ce qui fausse les mesures sans qu'il soit possible de détecter que les mesures sont faussées. Ce phénomène est peu gênant lorsque le débitmètre thermique massique est utilisé dans un contexte 30 industriel qui autorise la mise en oeuvre d'opérations de maintenance régulières pour nettoyer la grille. Ce phénomène est par contre très problématique dans le cas où le débitmètre thermique massique est destiné à être installé chez un particulier. En effet, dans ce cas, le débitmètre thermique massique doit fonctionner pendant 3059095 3 une durée typique de vingt ans sans qu'aucune opération de maintenance ne soit réalisée. OBJET DE L'INVENTION L'invention a pour objet de faciliter l'intégration 5 d'un débitmètre thermique massique chez un particulier. RESUME DE L'INVENTION En vue de la réalisation de ce but, on propose un débitmètre thermique massique destiné à mesurer un débit d'un fluide circulant dans une canalisation principale, 10 le débitmètre thermique massique comportant : une première canalisation de mesure qui a une entrée et une sortie reliées à la canalisation principale et qui est pourvue de deux capteurs de températures et de moyens de chauffage du fluide entre les deux capteurs ; 15 - un organe déprimogène situé dans la canalisation principale entre l'entrée et la sortie de la première canalisation de mesure ; - un dispositif de mesure de pression destiné à produire des mesures de pression différentielle régnant 20 dans la canalisation principale entre un point amont et un point aval situés respectivement en amont et en aval de l'organe déprimogène ; une unité de traitement reliée aux capteurs de température pour produire des mesures de débit à partir 25 de mesures de température produites par les capteurs de température et au dispositif de mesure de pression pour corriger les mesures de débit en fonction des mesures de pression différentielle. La correction réalisée par l'unité de traitement 30 permet d'éliminer ou de limiter l'influence sur les mesures de débit d'accidents, tels qu'un empoussièrement, qui surviennent dans la canalisation principale. La correction est réalisée alors que le débitmètre est en fonctionnement chez l'utilisateur, et ne nécessite aucune 35 opération de maintenance. 3059095 4 On propose aussi un procédé de mesure d'un débit utilisant un débitmètre thermique massique tel que celui qui vient d'être décrit. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la 5 description qui suit d'un mode de mise en oeuvre particulier non limitatif de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : 10 - la figure 1 représente un débitmètre thermique massique selon l'art antérieur ; - la figure 2 représente une canalisation de mesure du débitmètre thermique massique selon l'art antérieur alors que le débit mesuré est nul ; 15 - la figure 3 est une figure équivalente à la figure 2, alors que le débit mesuré est non nul ; - la figure 4 représente un organe déprimogène du débitmètre thermique massique selon l'art antérieur ; - la figure 5 représente un débitmètre thermique 20 massique selon l'invention ; - la figure 6 représente un capteur de pression différentielle du débitmètre thermique massique selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION 25 En référence à la figure 5, le débitmètre thermique massique selon l'invention 10 est ici destiné à mesurer un débit d'un gaz G qui circule dans un tuyau. Le débitmètre 10 comporte une canalisation principale 11 comprenant une entrée de gaz Eg et une 30 sortie de gaz Sg. La canalisation principale 11 est raccordée au tuyau et présente une section S égale à celle du tuyau, de sorte que le débit du gaz G dans la canalisation principale 11, au travers de l'entrée de gaz Eg et de la sortie de gaz Sg, est égal au débit du gaz G 35 dans le tuyau. 3059095 5 Le débitmètre 10 comporte une première canalisation de mesure 12 comprenant une entrée El et une sortie Si. Un boîtier de mesure 13 est positionné dans la première canalisation de mesure 12. Le boîtier de mesure 5 13 comporte une première thermistance, une deuxième thermistance, une résistance chauffante et une unité de traitement. La première thermistance, la deuxième thermistance, la résistance chauffante et l'unité de traitement sont intégrés dans le boîtier de mesure 13 sur 10 un même substrat silicium, ce qui permet de réduire le coût de fabrication du boîtier de mesure 13 et donc du débitmètre 10. La résistance chauffante, destinée à réchauffer le gaz qui circule dans la première canalisation de mesure 15 12, est positionnée entre la première thermistance et la deuxième thermistance. L'unité de traitement comporte des moyens matériels (ou hardware, en anglais) et des moyens logiciels (ou software, en anglais). 20 Les moyens matériels comprennent un composant électronique « intelligent » (par exemple, un microcontrôleur ou un FPGA) et divers autres composants électroniques actifs et passifs, parmi lesquels un pont de Wheatstone et un amplificateur d'instrumentation. 25 Les moyens logiciels comprennent des moyens de correction. Le débitmètre 10 comporte de plus un organe déprimogène 14 situé dans la canalisation principale 11 entre l'entrée El et la sortie S1 de la première 30 canalisation de mesure 12. L'organe déprimogène 14 est par exemple (mais pas nécessairement) semblable à celui de la figure 4. L'organe déprimogène 14 présente ici une ouverture 15 de section s positionnée au centre de l'organe déprimogène 14. 35 Le débitmètre 10 comporte en outre un dispositif de 3059095 6 mesure de pression 17 qui produit des mesures de pression différentielle régnant dans la canalisation principale 11 entre un point amont et un point aval situés respectivement en amont et en aval de l'organe 5 déprimogène 14. Les termes « amont » et « aval » s'interprètent ici en considérant que le gaz G circule depuis l'entrée de gaz Eg vers la sortie de gaz Sg. Le dispositif de mesure de pression 17 comporte ici 10 une deuxième canalisation de mesure 18 comprenant une entrée E2 et une sortie S2. Le point amont est donc situé au niveau de l'entrée E2 de la deuxième canalisation de mesure 18 et le point aval est donc situé au niveau de la sortie S2 de la 15 deuxième canalisation de mesure 18. Le point amont (et donc l'entrée E2 de la deuxième canalisation de mesure 18) est situé au niveau de l'entrée El de la première canalisation de mesure 12. Le point aval (et donc la sortie S2 de la deuxième canalisation de mesure 18) est 20 situé en aval de la sortie S1 de la première canalisation de mesure 12. On sait que l'utilisation de tout type d'organe déprimogène résulte en une perte de charge non récupérable qui dépend du type de l'organe déprimogène. 25 Le point aval est ici positionné à une distance de l'organe déprimogène 14 suffisante pour que la différence de pression entre le point aval et un point situé en amont de l'organe déprimogène 14 corresponde à une perte de charge résiduelle due à l'organe déprimogène 14. 30 Le dispositif de mesure de pression 17 comporte en outre un capteur de pression différentielle 20. Le capteur de pression différentielle 20 est lui aussi intégré sur le substrat silicium du boîtier de mesure 13. Le capteur de pression différentielle 20 est mieux 35 visible sur la figure 6. 3059095 7 Le capteur de pression différentielle 20 comporte une membrane 21 équipée de jauges de contrainte, une cellule silicium 22 et un socle en pyrex 23. Le capteur de pression différentielle 20 mesure la différence de 5 pression entre les pressions incidentes Pi1 et Pi2 appliquées sur chaque face de la membrane 21. Les jauges de contraintes permettent de mesurer de très faibles niveaux de pression différentielle. Les jauges de contraintes sont connectées au pont de 10 Wheatstone de l'unité de traitement du boîtier de mesure 13. Les mesures de pression différentielle sont ainsi réalisées et acquises par l'unité de traitement via l'amplificateur d'instrumentation. On explique maintenant le principe du fonctionnement 15 du débitmètre 10. L'unité de traitement du boîtier de mesure 13 acquiert des mesures de températures produites par la première thermistance et par la deuxième thermistance de la première canalisation de mesure 12, et génère des 20 mesures de débit du gaz G circulant dans la canalisation principale 11 à partir de ces mesures de température. Les moyens de correction corrigent les mesures de débit du gaz G en fonction des mesures de pression différentielle réalisées par le capteur de pression 25 différentielle 20 du dispositif de mesure de pression 17. On sait en effet que le débit de gaz G mesuré via la première canalisation de mesure 12 est fonction de la différence de pression ,n,Pab=P},-P, entre l'entrée El de la première canalisation de mesure 12, où la pression est 30 égale à Pa, et la sortie S1 de la première canalisation de mesure 12, où la pression est égale à Pb. En effet, l'application de la loi de Bernouilli donne : 1/2. p.Ca2+Pa-l-p.g.Za,--1/2.p.Cb2+Pb+P-g-Zb, 35 où : 3059095 8 - p est la masse volumique du gaz (en kg.m-3) ; - Ca est la vitesse d'écoulement du gaz à l'entrée du la première canalisation de mesure 12 (en m.s-1) ; - Pa est la pression à l'entrée de la première 5 canalisation de mesure 12 (en Pa) ; - g est la valeur de l'intensité de la pesanteur (en N.kg-1) ; - Za est la valeur de l'altitude à l'entrée de la première canalisation de mesure 12 (en m) ; 10 - p est la masse volumique du gaz (en kg.m-3) ; - Cb est la vitesse d'écoulement du gaz à l'entrée du la première canalisation de mesure (en m.s-1) ; - Pb est la pression à la sortie de la première canalisation de mesure 12 (en Pa) ; 15 - g est la valeur de l'intensité de la pesanteur (en N.kg-1) ; - Zb est la valeur de l'altitude à la sortie de la première canalisation de mesure 12 (en m). En négligeant les différences d'altitude, la 20 différence de pression APab peut donc être exprimée ainsi : APab=1/2. p. (Cb2-Ca2) . On sait par ailleurs que : QvUma.S=Uinb.S, 25 où Q, est un débit volumique du gaz, S est la section de la canalisation principale 11, s est la section de l'ouverture 15 de l'organe déprimogène 14, et Umx est la vitesse moyenne du gaz G en un point X. Or, comme Q' est constant, on obtient : 30 APab=1/2. p.Q'72. (1/S2-1/s2), soit : APab=1/2. p. (Q,/s) 2. (1/R2-1) e avec R=s/S, soit : 8Pab=f (1/R2) . 35 L'unité de traitement produit donc des mesures d'un 3059095 9 débit du gaz G, qui est proportionnel à la différence de pression LXPab qui est fonction de R, et qui, en l'occurrence, varie en fonction du carré du rapport entre les sections S et s. 5 Le dispositif de mesure de pression 17, quant à lui, mesure la pression différentielle .8Pac entre le point aval et le point amont. La pression différentielle 4Pac est donc égale à la différence entre la pression Pc à la sortie S2 de la deuxième canalisation de mesure 18 (soit 10 au point aval) et entre la pression Pa à la l'entrée E2 de la deuxième canalisation de mesure 18 (soit au point amont, ou à l'entrée El de la première canalisation de mesure 12). Or, la pression différentielle AP,.=Pc-Pa correspond 15 à une perte de charge singulière résultant d'un accident modifiant géométriquement la canalisation principale 11. Un tel accident est par exemple un empoussièrement qui bouche partiellement la grille et réduit donc la section s de l'ouverture de l'organe déprimogène 14. 20 Il est connu qu'une perte de charge singulière, telle que la perte de charge singulière M3ac, peut être exprimée par : APac,=: p . V.2 où a est un coefficient de proportionnalité, v est la 25 vitesse moyenne du gaz, p est la masse volumique du gaz, et est un coefficient sans dimension dépendant du rapport entre les sections s et S. Le coefficient E est issu de tables décrivant les pertes de charges singulières, et dépend de la nature de l'accident pris en 30 compte. L'unité de traitement acquiert ainsi les mesures de pression différentielle LE>a' qui varient en fonction du rapport entre les sections s et S, et qui prennent en compte la perte de charge singulière résultant d'un 35 accident modifiant géométriquement la canalisation 3059095 10 principale, tel qu'une accumulation de poussière. Les moyens de correction produisent alors un facteur correctif à partir des mesures de la différence de pression APab et des mesures de pression différentielle 5 APac. Pour produire le facteur correctif, les moyens de correction calculent un paramètre de perte de charge, qui varie en fonction de l'importance de l'accident qui tend à réduire la section s, comparent le paramètre de perte 10 de charge à une valeur de référence, et déduisent de cette comparaison le facteur correctif. Le paramètre de perte de charge est par exemple le rapport APab/1Pac, ou la différence APab -LPac - La valeur de référence est soit une valeur 15 théorique, soit une valeur obtenue par une opération de calibration réalisée au cours de la fabrication du débitmètre 10. Avantageusement, une calibration en trois points, effectuée sur 100% des débitmètres d'une ligne de 20 fabrication permet d'accroître significativement la précision de la correction en supprimant les erreurs dues aux tolérances de fabrication des différents composants formant le débitmètre 10. On illustre ce qui vient d'être décrit avec un 25 exemple dans lequel la canalisation principale 11 présente une section circulaire, et dans lequel l'organe déprimogène 14 est du type plaque à trou. On désigne par D le diamètre de la canalisation principale 11, par d le diamètre du trou de l'organe 30 déprimogène 14, avec d/D=0,8, et par Qv le débit volumique du gaz. En réutilisant les équations présentées plus tôt, on obtient : Pab=Pb-Pa 35 ___ (2p. ( (1.-d2) /D2) Qv2) / (nd2) 3059095 11 - (2.p.Q,2) . (0,497-0, 204 .D4) /D2 =-0,64. P.Qv2((l-d4)/d2). 8Pac=Pc-Pa =-..p.v2/(2.g) 5 =-0,0135.p.Qv2/d4, où est un coefficient sans dimension dépendant du rapport d/D tiré de tables décrivant les pertes de charges singulières. L'empoussièrement va conduire à une réduction du 10 diamètre d. Si d=l, alors LPab-13,Pac=' 0, 0135. p.Qv2. Si d=0, 8, alors ,n,Pab-nPac=0, 327 . P-Qv2. Le débit dans la première canalisation de mesure 12 étant proportionnel à M'ab, la comparaison de LPab et de 15 M'a, permet bien de mesurer la réduction du diamètre de passage due à l'empoussièrement, et donc de réaliser une correction des mesures de débit. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit mais englobe toute variante entrant 20 dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, il est possible d'utiliser des capteurs de températures autres que des thermistances, des moyens de réchauffement autres qu'une résistance 25 chauffante, et un capteur de pression différentielle autre qu'un capteur à jauges de contrainte. Il est d'ailleurs possible, à la place du capteur de pression différentielle, d'utiliser une pluralité de capteurs de pression non différentielle. 30 De même, l'ensemble des composants évoqués (thermistances, capteur de pression différentielle, etc.) peuvent très bien ne pas être intégrés sur un même substrat, et même ne pas être positionnés dans un même boîtier. 35 L'organe déprimogène peut avoir une forme différente REVENDICATIONS1. Débitmètre thermique massique destiné à mesurer un débit d'un fluide (G) circulant dans une canalisation principale (11), le débitmètre thermique massique comportant - une première canalisation de mesure (12) qui a une entrée (El) et une sortie (S1) reliées à la canalisation principale et qui est pourvue de deux capteurs de températures et de moyens de chauffage du fluide entre les deux capteurs ; - un organe déprimogène (14) situé dans la canalisation principale entre l'entrée et la sortie de la première canalisation de mesure (12) ; - un dispositif de mesure de pression (17) destiné à produire des mesures de pression différentielle régnant dans la canalisation principale entre un point amont et un point aval situés respectivement en amont et en aval de l'organe déprimogène (14) ; - une unité de traitement reliée aux capteurs de température pour produire des mesures de débit à partir de mesures de température produites par les capteurs de température et au dispositif de mesure de pression pour corriger les mesures de débit en fonction des mesures de pression différentielle. 2. Débitmètre thermique massique selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de mesure de pression comporte une deuxième canalisation de mesure (18) ayant une entrée (E2) au point amont et une sortie 30 (S2) au point aval, et un capteur de pression différentielle (20) positionné dans la deuxième canalisation de mesure. 3. Débitmètre thermique massique selon la revendication 2, dans lequel le point amont est situé au 35 niveau de l'entrée de la première canalisation de mesure 3059095 14 et le point aval est situé en aval de la sortie de la première canalisation de mesure. 4. Débitmètre thermique massique selon la revendication 2, dans lequel le capteur de pression 5 différentielle (20) est un capteur à jauges de contrainte. 5. Procédé de mesure d'un débit utilisant un débitmètre thermique massique selon l'une des revendications précédentes, le procédé de mesure 10 comportant les étapes de : - produire une mesure de débit grâce aux capteurs de température ; - produire une mesure de pression différentielle grâce au dispositif de mesure de pression ; 15 - produire un facteur correctif à partir de la mesure de débit et de la mesure de pression différentielle ; - corriger la mesure de débit grâce au facteur correctif. 6. Procédé de mesure selon la revendication 5, 20 comportant l'étape d'évaluer, à partir de la mesure de débit, une différence de pression entre l'entrée et la sortie de la première canalisation de mesure. 7. Procédé de mesure selon la revendication 6, dans lequel le facteur correctif est obtenu à partir d'un 25 rapport entre la différence de pression et la mesure de pression différentielle. 8. Procédé de mesure selon la revendication 6, dans lequel le facteur correctif est obtenu à partir d'une différence entre la différence de pression et la mesure de pression différentielle. 9. Procédé de mesure selon la revendication 5, comportant en outre une étape de calibration, réalisée au cours d'une fabrication du débitmètre thermique massique, consistant à évaluer une valeur de référence à partir d'une mesure de débit et d'une mesure de pression 3059095 15 différentielle, le facteur correctif étant produit en tenant compte de la valeur de référence.