Brevet FR3092911A1 — publié le 20200821

Description Titre de l'invention : Dispositif de mesure de débit autonome en énergie et communiquant à distance [0001] L'invention porte sur un dispositif de mesure de débit incorporant un débitmètre à oscillations fluidiques (DOF) conçu pour permettre une mesure (le débit d'un flux gazeux sur une plage de débit étendue, lequel soit en outre autonome en énergie et/ou de préférence communicant, et son utilisation pour mesurer le débit d'un flux gazeux circulant au sein d'une canalisation de gaz ou au sein d'un appareil, par exemple un réseau de canalisations de gaz agencé dans un bâtiment hospitalier. [0002] Afin de suivre les consommations en gaz, il est nécessaire de pouvoir mesurer cor- rectement le débit d'un gaz circulant au sein d'un conduit de gaz ou analogue, par exemple au sein du réseau de canalisations d'un bâtiment hospitalier ou de tout autre bâtiment. Pour ce faire, on utilise en général un dispositif de mesure de débit incorporant un débitmètre et d'autres composants. 100031 Ainsi, une mesure de débit de gaz peut être réalisée sur de larges plages de débit et de pression grâce à des dispositifs de mesure de débit incorporant des débitmètres dit « thermiques », c'est-à-dire basés sur une mesure thermique par exemple. Cependant, de tels débitmètres nécessitent une alimentation électrique via le réseau, c'est-à-dire le courant secteur (110/220 V), ce qui complique leur architecture et empêche ou limite leur utilisation dans les endroits exigus ou éloignés d'une source de courant électrique. 100041 Pour pallier ce problème, il a été proposé des débitmètres autonomes fonctionnant en étant alimentés par une ou des batteries rechargeables, par exemple, une batterie de 24V et 6900 mAh. Toutefois, requérir à une ou des batteries conduit à une installation de mesure de débit encombrante qui ne peut dès lors pas être installée partout, en particulier dans les endroits exigus. De plus, son autonomie en énergie électrique est limitée à quelques jours, en fonction du nombre de batteries utilisées, ce qui oblige à remplacer la ou les batteries fréquemment et par ailleurs empêche de rendre le débitmètre communicant, sauf à réduire encore son autonomie ou à augmenter le nombre de batteries, donc l'encombrement de l'installation de mesure de débit, du fait de la surconsommation électrique engendrée par le système de communication. 100051 Par ailleurs, il a déjà été proposé de mesurer le débit d'un gaz grâce à un débitmètre à oscillations fluidiques (DOF), aussi appelé « oscillateur fluidique », qui est conçu pour déterminer le débit d'un flux de gaz à partir de la fréquence des oscillations engendrées par le flux gazeux traversant le DOF car cette fréquence est proportionnelle au débit du flux gazeux, comme décrit par exemple par EP-A-3290873. 2 [0006] Un DOF peut être couplé, au sein d'un dispositif de mesure de débit, à un module de télécommunication permettant de transmettre les données mesurées à distance, par exemple vers un serveur distant ou analogue, comme décrit par exemple par EPA-3391926 et EP-A-3369452. En effet, un DOF consomme peu d'énergie et peut dès lors fonctionner pendant de longues périodes, typiquement plusieurs années, en étant alimenté par une simple pile, par exemple une pile compacte AA de 3,6V et 1500 mAh. Utiliser un DOF permet donc d'ajouter une fonctionnalité de transmission de données par télécommunication grâce à sa faible consommation énergétique. Le faible encombrement et l'autonomie énergétique important d'un DOF avec son système de télécommunication permet de le disposer dans des endroits peu accessibles comme sur les réseaux ou prises de gaz au sein des bâtiments, notamment les bâtiments hospitaliers. [0007] D'une façon générale, un dispositif de mesure de débit incorporant un DOF est donc une solution de débitmétric efficace et peu consommatrice en énergie (i.c. alimentation par pile), laquelle peut en outre être associé à une transmission périodique de données, i.c. des mesures opérées. [0008] Toutefois, il a été remarqué en pratique qu'un dispositif de mesure de débit à DOF ne pouvait pas toujours mesurer correctement le débit sur une large plage de débit, en particulier lorsque le débit devient trop important, par exemple supérieur à environ 15 sL/ min. En effet, un DOF permet une mesure précise et fiable sur la plage où sa réponse fréquentielle est linéaire mais au-delà d'un certain débit, par exemple environ 15 sL/ min, la relation linéaire n'est plus valable et la mesure des oscillations fluidiques pour en déduire la valeur de débit n'est plus possible. Ceci résulte de pertes de charges qui deviennent importantes au sein du DOF. [0009] Le problème est dès lors de proposer un dispositif de mesure de débit amélioré permettant de réaliser une mesure efficace du débit de gaz même lorsque sa réponse fréquentielle n'est plus linéaire, c'est-à-dire aussi au-delà d'un débit limite pour lesquels les pertes de charges deviennent importantes, par exemple au-delà environ 15 sL/min, [0010] La solution de l'invention est alors un dispositif de mesure de débit comprenant un conduit de gaz pour acheminer un flux gazeux, et un débitmètre à oscillations fluidiques ou DOF agencé sur le conduit de gaz, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un premier capteur de pression agencé de manière à mesurer la pression dans le conduit de gaz, en amont du DOF, et un second capteur de pression agencé de manière à mesurer la pression dans le conduit de gaz, en aval du DOF. [0011] Selon le mode de réalisation considéré, le dispositif de mesure de débit de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : [0012] il comprend en outre des moyens de traitement de signal reliés électriquement au premier capteur de pression et au second capteur de pression. le DOF comprend une chambre de stabilisation et une chambre d'oscillation agencées en série sur le conduit de gaz. la chambre de stabilisation et la chambre d'oscillation du DOF sont reliées fluidiquement l'une à l'autre par un canal de liaison. le flux gazeux circule dans le sens allant de la chambre de stabilisation vers la chambre d'oscillation. la chambre de stabilisation comprend un élément stabilisateur de flux. la chambre d'oscillation comprend un élément à reflux servant à créer des oscillations fluidiques, c'est-à-dire des tourbillons gazeux oscillants au sein de la chambre d'oscillation et au regard de l'élément à reflux. l'élément à reflux comporte une partie de forme semi-cylindrique servant à créer les oscillations fluidiques. l'élément à reflux crée des tourbillons gazeux oscillants entre deux sites d'oscillation situés en regard de la partie de forme semi-cylindrique de l'élément à reflux. des capteurs sensible aux variations de pression, comme des capteurs acoustiques de type microphones, sont agencés au niveau de la chambre d'oscillation de manière à mesurer la fréquence d'oscillation des tourbillons gazeux. les microphones sont agencés de manière à opérer des mesures face aux sites d'oscillation, c'est-à-dire « au-dessus » ou « au-dessous » des sites d'oscillation au sein de la chambre d'oscillation. les microphones sont de préférence dans le plafond ou le sol de la chambre d'oscillation. les microphones sont protégés par des membranes. les microphones du DOF sont reliés électriquement aux moyens de traitement de signal. les moyens de traitement de signal comprennent une carte électronique à microcontrôleur. le microcontrôleur de la carte électronique met en oeuvre un ou plusieurs algorithmes. les moyens de traitement de signal sont configurés pour traiter les signaux fournis par les premier et second capteurs de pression, et par les microphones du DOF. les premier et second capteurs de pression fournissent des signaux de mesure de pression. les microphones du DOF fournissent des signaux de fréquence d'oscillation. les moyens de traitement de signal sont configurés pour convertir les signaux de fréquence d'oscillation provenant des microphones du DOF en valcur(s) de débit. les moyens de traitement de signal sont configurés pour calculer au moins une valeur de débit de gaz en traitant les signaux fournis soit par les premier et second capteurs de pression, soit par les microphones du DOF, en fonction d'une comparaison opérée par les moyens de traitement de signal préférentiellement selon deux modes, à savoir : - Premier mode : les deux capteurs de pressions sont allumés (i.e. fonctionnent) et opèrent régulièrement des mesures de pression qui servent à calculer une (des) variation de pression. On compare ensuite cette valeur de perte de charge mesurée par les premier et second capteurs à une valeur-seuil de perte de charge préfixée pour déterminer la façon de mesurer le débit la plus adaptée, i.c., choix i) ou ii) ci-avant. - Second mode : le DOF et un capteur de pression sont allumés et mesurent régulièrement une valeur de débit rapide par oscillateur fluidique (le temps sur lequel est fait la mesure est restreint par rapport aux mesures classiques pour permettre une estimation de l'ordre de grandeur du débit en un minimum de temps, et une valeur débit seuil préfixée au-delà de laquelle la mesure est supposée entachée d'erreur. les moyens de traitement de signal sont configurés pour calculer au moins une valeur de débit de gaz en traitant les signaux fournis : - par les premier et second capteurs de pression, lorsque la valeur de perte de charge mesurée par les premier et second capteurs est supérieure ou égale à la valeur-seuil de perte de charge préfixée, ou lorsque la valeur de débit pré-mesurée par le DOF est supérieure à la valeur seuil de débit préfixée. - par les microphones du DOF, lorsque la valeur de perte de charge mesurée par les premier et second capteurs est inférieure à la valeur- seuil de perte de charge préfixée, ou la valeur de débit pré-mesurée par le DOF est inférieure à la valeur seuil de débit préfixée la valeur-seuil de perte de charge préfixée est normalisée par la valeur de pression statique : valeur-seuil = Variation (Pse""*P°Pera"°n). Ce seuil est compris entre 0.1 bar= et 0.8 bar2, par exemple de l'ordre de 0.2 bar= il comprend des moyens de mémorisation configurés pour mémoriser au moins une valeur-seuil de perte de charge. il comprend des moyens de communication à distance. les moyens de communication à distance comprennent une antenne émettrice et un modem. il comprend des moyens d'alimentation électrique comprenant une pile, de préférence une pile de 3,6V et 1500 mAh ou analogue. le flux gazeux est formé d'un gaz ou mélange gazeux, en particulier de l'oxygène, de l'air, de l'azote, du protoxyde d'azote, de r hclium ou leurs mélanges. les moyens de traitement de signal sont configurés pour traiter les signaux fournis par les premier et second capteurs de pression, et calculer une variation de pression à partir de ces signaux de pression. les moyens de traitement de signal sont configurés pour calculer une variation de pression à partir de ces signaux de pression fournis par les premier et second capteurs de pression, et convertir cette variation de pression calculée en un débit de gaz. [0013] L'invention porte aussi sur une utilisation d'un dispositif de mesure de débit selon l'invention, notamment comme décrit ci-dessus ou ci-après, pour mesurer le débit gazeux au sein d'une canalisation ou d'un réseau de canalisation véhiculant un gaz ou un mélange gazeux aménagé dans un bâtiment. [0014] De préférence, le gaz ou un mélange gazeux est de l'oxygène, de l'air, de l'azote, du protoxyde d'azote, [0015] Avantageusement, le bâtiment est un bâtiment hospitalier, tel un hôpital, une clinique ou tout autre bâtiment équipé d'un réseau de canalisation de gaz comprenant une source de gaz et de plusieurs utilisateurs répartis dans le bâtiment. [0016] Selon le cas, le bâtiment peut aussi être : [0017] - un bâtiment industriel, tel qu'un atelier, une usine.... [0018] - un bâtiment de recherche ou d'analyse, tel un laboratoire... [0019] L'invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description détaillée suivante, faite à titre illustratif mais non limitatif, en référence aux figures annexées parmi lesquelles : [0020] [fig.1] schématise un mode de réalisation d'un dispositif de mesure de débit selon l'invention, [0021] [fig.2] représente les courbes de débit obtenues en mode « oscillateur fluidique » et en mode « différence de pression », et [0022] [fig.3] schématise un mode de réalisation d'un DOF utilisable dans un dispositif de mesure de débit selon l'invention. [0023] [fig.3] schématise un mode de réalisation d'un débitmètre à oscillation fluidique ou « DOF » 3 utilisable dans un dispositif de mesure de débit 1 selon l'invention, tel celui 6 schématisé en [Fig. 1]. De manière connue en soi, le DOF 3 comprend des structures internes, en particulier une chambre de stabilisation 31 et une chambre d'oscillation 32, agencées en série sur un conduit 2 de gaz, et reliées fluidiquement l'une à l'autre par un canal de liaison 33 qui permet de convoyer le flux gazeux de la chambre de stabilisation 31 à la chambre d'oscillation 32. Le flux gazeux pénètre donc dans la chambre de stabilisation 31 et ressort de la chambre d'oscillation 32 par le conduit 2 servant à convoyer le flux de gaz. La chambre de stabilisation 31 comprenant un élément stabilisateur de flux 34 et la chambre d'oscillation 32 comprend un élément à reflux 35 comprenant une partie de forme scmi-cylindrique 36 servant à créer les oscillations fluidiques, c'est-à-dire des tourbillons gazeux oscillants entre deux sites d'oscillation 37, 38 (i.c. dcux zones) situés en regard de la forme semi-cylindrique 36 de l'élément à reflux 35. La fréquence d'oscillation de ces tourbillons gazeux est mesurée par des capteurs « acoustiques » de type microphones agencés au niveau de la chambre d'oscillation 32, de préférence dans le plafond de la chambre d'oscillation 32, face aux sites d'oscillation 37, 38, c'est-à-dire « au-dessus » des sites d'oscillation 37, 38. Un tel DOF 3 est donc conçu pour mesurer un flux de gaz à partir de la fréquence des oscillations des tourbillons gazeux apparaissant alternativement sur les sites d'oscillation 37, 38. La fréquence des oscillations est proportionnelle au débit du flux gazeux qui le traverse. La chambre de tranquillisation 31 a pour but de stabiliser le flux de gaz, alors que la chambre d'oscillation 32 sert à créer l'instabilité que l'on cherche à mesurer, c'est-à-dire les oscillations ou tom-billons gazeux dont on mesure la fréquence. Pour plus d'information, on peut se reporter aux documents EP-A-3290873, EP-A-3391926 et EP-A-3369452 qui détaillent le fonctionnement d'un DOF. [0024] [fig.1] schématise un mode de réalisation d'un dispositif de mesure de débit 1 selon l'invention, lequel intègre un tel DOF 3, ainsi que des moyens de traitement de signal 6, telle une carte électronique à microcontrôleur, servant notamment à traiter les signaux de mesure de fréquence provenant des microphones opérant leurs mesures dans la chambre d'oscillation 32. [0025] Toutefois, les structures internes du DOF 3 présentent des dimensions (e.g. diamètres ou autres) constituant des restrictions de passage du gaz donnant lieu à des pertes de charge plus ou moins importantes. Celles-ci varient comme le cané du débit et sont par ailleurs caractéristiques d'une géométrie donnée de DOF, comme la relation entre la fréquence des oscillations et le débit du gaz. [0026] Or, comme illustré en [fig.2], le DOF 3 permet une mesure précise et fiable sur la plage où sa réponse fi-équentielle est linéaire, c'est-à-dire jusqu'à un débit de gaz limite, par exemple 15 sL/min environ. Toutefois, au-delà de ce débit limite (e.g. >15 sL/min), cette relation linéaire n'est plus valable et la mesure des oscillations gazeuse pour en déduire la valeur de débit de gaz n'est plus possible. En fait, à partir de ce 7 débit limite, les pertes de charge produites par le DOF 3 deviennent importantes. [0027] Dans le cadre de la présente invention, on tire parti de ces pertes de charge im- portantes, alors qu'habituellement elles constituent un problème, afin d'étendre la plage de mesure du débit. En effet, ces pertes de charge importantes sc produisant au travers du DOF 3, laquelle peut être facilement mesurée et servir à réaliser une bonne discrimination des débits. [0028] Selon la présente invention, on prévoit alors dans le dispositif de mesure de débit 1, un premier capteur de pression 4 agencé de manière à mesurer la pression dans le conduit de gaz 2, en amont du DOF 3, et un second capteur de pression 5 agencé de manière à mesurer la pression dans le conduit de gaz 2, en aval du DOF 3, i.c. le DOF 3 est situé entre les prises de pression des capteurs de pression 4, 5 au sein du conduit de gaz 2. [0029] Dit autrement, en incorporant des prises de pression, i.c. capteurs de pression 4, 5, dc part et d'autre, du DOF 3, il est possible de combiner les mesures opérées par le DOF 3 sur une première plage de débit allant jusqu'à un débit limite donné, par exemple 15 sL/min, à des mesures opérées par les capteurs de pression 4, 5 opérant les mesures de pression en amont et aval du DOF 3, sur une deuxième plage de débit, comprenant des débits plus élevés que ceux de la première plage de débit, c'est-à-dire les débits supérieurs au débit limite (par exemple > 15 sL/rnin). [0030] A partir de ces mesures dc pression opérées par les premier et second capteurs de pression 4, 5 et transmises aussi aux moyens de traitement de signal 6, telle une carte électronique à microcontrôleur, le dispositif de mesure de débit 1 peut calculer un différentiel de pression, c'est-à-dire déterminer la variation de pression entre l'entrée et la sortie du DOF 3 résultant des pertes de charge internes. [0031] En d'autres termes, l'invention repose sur un ajout des deux capteurs de pression 4, 5 dont les prises de pression sont agencées sur le flux gazeux, en amont et en aval du DOF 3 afin de pouvoir mesurer la perte de charge totale se produisant au sein du DOF 3, laquelle correspondant à la somme des différentes pertes de charge se produisant dans les différentes structures internes du DOF 3, comme expliqué ci-avant. [0032] Toutefois, la localisation physique des capteurs de pression 4, 5 eux-mêmes peut être déportée mais les prises de pression de ces capteurs de pression 4, 5 doivent être situées sur le conduit 2, en amont et en aval du DOF 3, que ces prises de pression soient reliées directement au lumen du conduit 2 ou alors soient en communication fluidique avec le lumen du conduit 2 via des piquages ou des petits conduits analogues. [0033] Les moyens de traitement de signal 6, en particulier une carte électronique à micro- contrôleur, sont configurés pour traiter les mesures opérées soit en mode « oscillateur fluidique » à partir des fréquences mesurées par le DOF 3 et soit en mode « différence de pression » (voir [fig.3]) à partir des pressions mesurées par les capteurs de pression 8 4, 5, et ainsi d'en déduire une (ou des) valeur de débit de fluide. [0034] La ou les valeurs de débit de fluide peuvent être transmises à distance (flèche 11) à un dispositif électronique 10, tel un ordinateur, un serveur, une tablette numérique, un téléphone intelligent (smartphone) ou analogue, via un système de transmission 7 intégré comprenant par exemple une antenne émettrice et un modem ou analogue, comme schématisé en [fig.1]. Ces valeurs de débit pourront ensuite être affichées sous forme de valeurs numériques, de courbes, de barres-graphes ou autre, ou exploitées d'une autre manière, par exemple pour opérer des calculs de consommation ou autres. [0035] Selon un autre mode de réalisation, il est aussi possible de prévoir un afficheur numérique ou autre directement intégré au dispositif de mesure de débit 1 (non montré) de manière à fournir immédiatement une indication de débit à un utilisateur se trouvant sur le site où est agence le dispositif de mesure de débit 1. [0036] Dans tous les cas, le choix particulier de l'affichage de l'une ou l'autre des valeurs de débit, c'est-à-dire mesurées en mode « oscillateur fluidique » à partir des fréquences mesurées par le DOF 3 ou en mode « différence de pression » obtenues par les capteurs 4, 5, est fait à partir d'un critère basé sur la perte de charge car celle-ci est fiable sur toute la plage de débit. En effet, utiliser un critère de fréquence mesurée par le DOF 3 peut être fortement erronée hors de la zone de linéarité, c'est-à-dire pour les valeurs supérieures à la valeur de débit limite, comme visible sur la [fig.3]. Toutefois, utiliser un critère basé sur fréquence est beaucoup plus avantageux du point de vue de la consommation énergétique du dispositif. Ainsi, plutôt que d'utiliser la fréquence telle que mesurée par le DOF, la stabilité de cette mesure peut être facilement évaluée en la mesurant plusieurs fois sur des durées restreintes et en évaluant l'écart des fréquences mesurées. Le dépassement d'au moins une de ses valeurs par rapport à un seuil en fréquence témoigne de l'instabilité de l'oscillateur fluidique, ce qui est typique hors de la zone de linéarité. [0037] Ainsi, si le seuil est choisi en perte de charge, lorsque la perte de charge mesurée par les capteurs 4, 5 est supérieure ou égale à une valeur-seuil de perte de charge préfixée (i.e. valeur de consigne), par exemple 50 mbar, la valeur de débit affichée est celle calculée par différence de pression au moyen des capteurs 4, 5, c'est-à-dire en mode différence de pression », alors que lorsque la perte de charge mesurée par les capteurs 4, 5 est inférieure à ladite valeur-seuil de perte de charge, la valeur de débit affichée est celle calculée par le DOF 3, c'est-à-dire en mode « oscillateur fluidique ». La valeur-seuil de perte de charge peut être mémorisée au sein de moyens de mémorisation, par exemple une mémoire portée par la carte électronique. [0038] Si le seuil est choisi en fréquence, lorsqu'au moins une valeur de fréquence mesurée sur les intervalles courts dépasse une valeur seuil préfixée, par exemple, 10 mesures sur 20 ms avec un seuil à 3000Hz bara (la fréquence est normalisée par la pression 9 d'opération), la valeur de débit affichée est calculée par différence de pression au moyen des capteurs 4, 5, c'est-à-dire en mode « différence de pression ». alors que lorsque toutes les valeurs de fréquences mesurée sont inférieures à ladite valeur-seuil de fréquences, la valeur de débit affichée est celle calculée par le DOF 3, c'est-à-dire en mode « oscillateur fluidique ». La valeur-seuil de fréquence peut être mémorisée au sein de moyens de mémorisation, par exemple une mémoire portée par la carte électronique. [0039] L'alimentation électrique du dispositif de mesure de débit 1 est de préférence assurée par une pile 8, en particulier une pile AA de 3,6V et 1500 mAh, assurant un fonctionnement pendant plusieurs mois, voire plusieurs années, sans avoir à être remplacée ou rechargée. [0040] Avantageusement, l'ensemble des composants du dispositif de mesure de débit 1 est compris dans un l'altier rigide 9, par exemple en plastique ou analogue. [0041] Un dispositif de mesure de débit 1 est particulièrement bien adapté à une utilisation pour mesurer le débit gazeux au sein d'une canalisation véhiculant un gaz ou d'un réseau de telles canalisation, en particulier au sein d'un bâtiment hospitalier. [Revendication 1]