<Desc/Clms Page number 1>
MEMOIRE DESCRIPTIF à l'appui d'une demande de BREVET D'INVENTION *Dispositif pour la mesure de la quantité de chaleur cédée par un fluide s'écoulant à travers une conduite" Monsieur Stig Karl Magnus BILLMAN. Linnégatan 39 B, STOCKHOLM. Suède.
Faisant l'objet de deux premières demandes de brevet déposées en SUEDE: le 19 octobre. 1943, sous les N 7200/43 et 7201/43.
La présente invention concerne un dispositif pour la mesure de la quantité de chaleur cédée par un fluide s'écoulant à travers une conduite, à l'aide d'un dispositif de mesure de la température, agencé dans la conduite, d'une turbine actionnée par le fluide et d'une génératrice électrique entrainée par cette turbine. L'invention est spécialement destinée à la masure de la quantité d'eau s'écoulant à travers une conduite, en combinaison avec un dispositif de mesure de la température, pour déterminer la quantité de chaleur consommée dans un système de chauffe, par exemple, une installation à eau chaude, laquelle quantité de chaleur constitue le produit de la quantité d'eau s'écoulant pendant un temps déterminé à travers le système, et de la chute de température qui se produit.
Des appareils de mesure de quantités de chaleur, du genre envisagé, sont en règle générale constitués par une turbine dite de Woltmann, à l'aide de laquelle on engendre ou on règle un courant électrique qui est proportionnel à la quantité d'eau et qui est multiplié par la chute de température mesurée au moyen d'un thermomètre, un thermomètre à résistance ou un élément thermoélectrique, la multiplication se faisant soit
<Desc/Clms Page number 2>
mécaniquement, par exempleà l'aide d'un mouvement d'horlogerie, un système à leviers, une tringlerie à étrier retombant ou analogue, soit électriquement, par exemple à l'aide d'une balance électrique, un pont de Wheatstone ou analogue, de telle façon que l'intégrale du produit, c'est-à-dire la quantité d'eau multipliée par la différence de température,
représente la quantité de chaleur consommée. De tels dispositifs présentent cependant une série de désavantages et de défauts qui font obstacle à l'utilisation à grande échelle de ces appareils de mesure de quantités de chaleur. Parmi ces désavantages il convient de citer les suivants :
La transmission de mouvement depuis la conduite parcourue par l'eau vers l'extérieur, doit s'effectuer par des dispositifs d'étanchéité qui donnent lieu à des pertes dues non seulement au frottement, mais aussi au manque d'étanchéité, et qui nuisent à la précision de la mesure. La tolérance est encore rendue plus mauvaise par l'existence d'un nombre relativement grand d'organes mobiles, qui entrainent des courses mortes et des frottements.
Dans le dispositif connu il est, en outre, impossible de mesurer avec précision la totalité de la masse d'eau qui s'écoule, et il se produit de grandes pertes de pression et de grosses difficultés lors de la mesure de petites quantités d'eau. Dans le cas où la masse ou le poids du corps de turbine est plus grand que dans les turbines Woltmann ordinaires, la ligne caractéristique pour la courbe des quantités d'eau n'est pas linéairement proportionnelle à la quantité d'eau, c'est-à-dire, des variations de la quantité d'eau réelle ne correspondent pas à des variations proportionnellement égales de la quantité indiquée. Un autre désavantage tangible réside dans la difficulté de supprimer ou, tout au moins, de réduire la pression d'appui de la turbine.
Le réglage du dispositif, qui est nécessaire pour compenser des variations dans les paliers et dans la caractéristique du redresseur, est également compliqué et accompagné de difficultés. D'autres difficultés se manifestent lors de l'assemblage et de l'essai de la turbine à l'état sec. La variation des propriétés de la turbine par le réglage des aubes de la turbine donne également lieu à des difficultés.
La présente invention a pour but d'écarter les susdits inconvénients et se caractérise essentiellement par un dispositif pour influencer la génératrice ou le courant engendré par celleci, de telle façon que des variations de la quantité de fluide correspondent à des variations exactement proportionnelles de la tension du courant consommé. Cela peut être obtenu à l'aide d'une source de courant, par exemple un élément de tension constante, qui est intercalée dans le circuit de la génératrice et à l'aide
<Desc/Clms Page number 3>
de laquelle la'tension de la génératrice est augmentée d'une tension constante, ou bien par la liaison mécanique du rotor de la génératrice avec un rotor court-circuité d'un moteur asynchrone alimenté par un courant alternatif de tension et fréquence constantes.
D'autres particularités de l'invention ressortiront de la description d'un exemple d'exécution approprié, donnée ci-après avec référence au dessin annexé dans lequel :
Fig. 1 montre une vue en coupe d'un appareil combiné de mesure de la température et de la quantité d'eau, et
Fig. 2 montre un diagramme.
L'appareil de mesure de la quantité d'eau, qui est placé dans un boîtier 1 à tubulure de raccordement 2, est intercalé dans une conduite non représentée, dont la section libre est désignée par D et dans laquelle l'eau s'écoule suivant la direction indiquée par la flèche 3. Dans le boîtier 1 est agencé un tube 4 qui est établi en laiton, plexiglas ou analogue, et dont une extrémité est reliée à un organe tubulaire 5 qui est établi sous la forme d'un rotor court-circuité d'un moteur asynchrone alimenté par un courant alternatif à tension et fréquence constantes, dont le stator est désigné par 6. A son autre extrémité, la pièce tubulaire intermédiaire 4 présente un prolongement 7 de diamètre extérieur plus faible.
Sur la partie 7 est fixé un aimant 8 d'une génératrice électrique, dont le stator est désigné par 9. L'aimant est avantageusement établi en un alliage spécial à grande résistance à la température et à faible perméabilité réversible, afin d'empêcher un affaiblissement notable de l'aimant par le champ alternatif engendré. Les aubes de la turbine sont constituées par deux parties séparées 10 et 11, dont l'une est reliée à l'aimant 8 et l'autre à la pièce intermédiaire 4. Tel qu'il ressort du dessin, les arêtes d'entrée des aubes sont arrondies, ce qui a pour effet de réduire considérablement les pertes de choc résultant des variations de l'angle d'entrée.
Les susdites .parties rotatives sont disposées sur un arbre central 12 en matière inoxydable, qui tourne dans deux paliers 13 et 14 dont la ré- sistance de frottement est aussi faible que possible. Ces paliers sont portés par des nervures 15 et 16. Les nervures 15, qui s'étendent suivant la direction d'écoulement de l'eau, en amont de la turbine, sont établies sous la forme d'aubes directrices pour la turbine.
Entre les parties 4,5, 8 et les stators 6 et 9 est agencé un tube 19, qui est pourvu de projections 17,18 et qui s'étend sur toute la longueur du boîtier et sert de joint à labyrinthe entre les côtés d'entrée et de sortie, afin de réduire
<Desc/Clms Page number 4>
autant que possible les pertes dues au manque d'étanchéité, par l'espace annulaire compris entre les parties mobiles et les parties fixes de l'appareil de mesure. 20 et 21 désignent des ouvertures prévues dans le boîtier 1 pour le passage des conducteurs électriques vers les stators du moteur asynchrone et de la génératrice. Comme il ressort du dessin, les diamètres intérieurs des parties 4,5, 8 sont pratiquement égaux au diamètre intérieur D de la conduite.
Le bobinage du moteur reçoit son courant du réseau par l'intermédiaire d'un transformateur à résistance réglable, de sorte que la tension peut être variée. Le stator 6 est monté avec un certain décalage en direction axiale par rapport au rotor 5, par suite de quoi ce rotor est soumis à un effort axial qui agit contre la pression axiale d'appui de l'arbre 12, ce qui a pour effet de réduire le frottement du palier.
Par suite de la masse ou du poids des parties rotatives et d'autres facteurs, tels que des composantes de la vitesse de l'eau sur la turbine, la résistance du redresseur, etc., la caractéristique du rapport entre la vitesse de l'eau et la tension dans la génératrice 9 présente une allure telle que des variations de la quantité d'eau ne correspondent pas à des variations exactement proportionnelles de la tension de la génératrice.
En outre, la masse d'eau la plus petite qui est nécessaire pour mettre la turbine en marche et la maintenir sûrement en marche, n'est pas aussi petite que celles qui se présentent dans certains cas dans la pratique, par exemple dans des installations à eau chaude travaillant à circulation automatique. La caractéristique obtenue avec le dispositif illustré sans bobinage de compensation (moteur 5,6) a donc par exemple l'allure représentée par la ligne à dans le diagramme selon Fig. 2. Dans ce diagramme, l'abscisse représente la vitesse v de l'eau, c'est-à-dire, la quantité d'eau par unité de temps, tandis que l'ordonnée représente la tension E engendrée dans la génératrice.
Tel qu'il ressort de la Fig. 2, la courbe à est bien linéaire, mais elle ne passe pas par l'origine, c'est-à-dire, que le système rotatif, comportant la turbine et l'aimant de la génératrice, ne commence à tourner que lorsque la vitesse de l'eau a atteint une valeur déterminée va. Il en résulte qu'à une variation déterminée de la vitesse de l'eau ne correspond pas une variation exactement proportionnelle de la tension de la génératrice, de sorte que les valeurs de mesure obtenues présentent des écarts plus ou moins grands des valeurs effectives.
Cette source d'erreurs est évitée par le bobinage de compen- sation illustré, qui agit comme un moteur asynchrone à grand re-
<Desc/Clms Page number 5>
tard et supprime de ce fait une grande partie des forces résistantes qui agissent sur le système rotatif, telles que poids ou masse, frottement d'appui, action de forces entre les pôles d'aimant et le stator, et analogues. Il en résulte que le système rotatif est mis en marche à une vitesse plus faible que sans la coopération du moteur asynchrone* Par le choix judicieux de la tension réglable du courant alternatif dans ce moteur, on peut donc amener le point A (Fig. 2) à l'origine du système de coordonnées.
Si la vitesse de l'eau croît, le retard diminue progressivement et, après une vitesse déterminée vx (point de synchronisme), le moteur 5, 6 commence à exercer une action freinante sur le système rotatif, après quoi le freinage augmente avec l'accroissèment de la vitesse. On obtient donc la ligne désignée par b, c'est-à-dire que la tension de la génératrice devient exactement linéairement proportionnelle à la vitesse de l'eau et donc aussi à la quantité d'eau.
Le moteur asynchrone présente aussi un grand intérêt, tant pour le réglage de l'appareil après un certain temps que pour l'assemblage et le réglage lors de la fabrication, puisqu'il permet, par l'augmentation de la tension, de mettre le système rotatif en marche en vue de l'essayage et du contrôle, sans que la turbine doive être actionnée par de l'eau.
Les propriétés de la turbine peuvent être modifiées en tournant l'aimant 8, à la main, d'un certain angle par rapport à la pièce intermédiaire 4, ce qui a pour effet de modifier la longueur totale des aubes 10, 11.
Le courant engendré dans la génératrice peut, de la manière connue en soi, être redressé dans un redresseur. Au lieu de corriger totalement ou partiellement le caractère de l'évolution de la tension, à l'aide d'un moteur asynchrone, on peut intercaler, dans le circuit de la génératrice, un élément galvanique à tension constante, dont l'appoint de tension produit un déplacement parais
EMI5.1
lèle de la caractéristique a ifig. 2)* Par le choix. judicieux de la tension de l'élément, on peut'donc amener la ligne à à la ligne ± passant par l'origine. A l'aide d'une résistance réglable disposée dans le circuit du courant, on peut modifier la pente de la caractéristique par rapport à l'axe des abscisses; comparez les lignes a-d-e ou c-b.
Dans le but de mesurer la quantité de chaleur, le courant entre ensuite dans un pont de Wheatstone qui est constitué par quatre résistances sensibles.à la température, ou par deux résis tances sensibles à la température et deux résistances constantes.
Si l'on utilise une résistance élecrolytique au lieu d'une résis-
<Desc/Clms Page number 6>
tance à fil métallique, le redresseur peut être omis ; comme on le sait, la composition de l'électrolyte est modifiée par le courant continu. Tandis que, dans le cas de courant continu, l'intégration du courant-produit est opérée dans un appareil de mesure à électrolyte, on doit, dans le cas de courant alternatif, prévoir un amplificateur, par exemple un tube d'amplification, en raison de la sensibilité plus faible des appareils de mesure à courant alternatif.
En Fig. 1, une résistance sensible à la température est montrée à gauche de l'appareil de mesure de la quantité d'eau. Ce dispositif de mesure de la température, ou résistance, est monté dans un bottier qui, dans la forme d'exécution illustrée, est constitué par un tronçon de tube 22 pourvu d'une bride 23, et d'une plaque 24 qui est réunie au tube 22 à l'aide de vis et qui est, à son tour, réunie au boîtier 1. Des disques d'étanchéité 25 sont intercalés de part et d'autre de la plaque 24. La bride, la plaque et les disques d'étanchéité ont le même diamètre intérieur D que la conduite tubulaire.
Une cellule de mesure 26, en forme d'anneau cylindrique, est agencée dans le boîtier 22, de telle façon que sa paroi intérieure 27 forme une partie de la conduite tubulaire et présente le même diamètre intérieur que celle-ci* Entre le boîtier et la paroi extérieure 28 et les parois latérales 29, 30 de la cellule, est disposée une masse 31 d'une matière thermiquement isolante appropriée, par exemple liège, bakélite, plaque d'isolation ou analogue. La cellule 26 est raccordée à un tube 32 qui est établi en une substance mauvaise conductrice de la chaleur et s'étend à travers le boîtier et la couche isolante 31. Les conducteurs électriques sont amenés à la cellule de mesure à travers le tube 32.
Les parois de la cellule de mesure sont aussi minces que possible et sont établies en une matière à grand pouvoir conducteur de la chaleur, par exemple en cuivre, de façon que la cellule de mesure soit toujours maintenue à la même température que le fluide liquide ou gazeux qui s'écoule à travers la conduite.. Etant donné que la cellule est, sauf à la surface de contact avec le fluide, entourée de toutes parts par la matière thermiquement isolante, on obtient des résultats de mesure très surs. Par suite du fait que tant le boîtier que la masse isolante et la cellule de mesure, ont le même diamètre intérieur que la conduite même, on évite complètement toute.perte d'écoulement lors du passage du fluide à travers le dispositif de mesure.
Le remplissage de la cellule est constitué soit, comme montré au dessin, par un bobinage résistant 33 (pour courant continu),
<Desc/Clms Page number 7>
soit par des électrolytes de consistance liquide ou semi-liquide (gélatineuse)(pour courant alternatif), des substances carbonées ou des dispositifs à cristaux.
Il va de soi que l'invention n'est pas limitée à la forme d'exécution qui a été illustrée et décrite à simple titre d'exemple approprié. Les dispositifs décrits pour la modification de l'allure de la caractéristique selon Fig. 2 peuvent évidemnent être combinés entre eux d'une manière convenable, de sorte qu'un dispositif de mesure de construction normale, établi selon l'invention, peut être utilisé dans les buta les plus divers.
REVENDICATIONS.
1- Dispositif pour la mesure de la quantité de chaleur cédée par un fluide s'écoulant à travers une conduite, à l'aide d'un dispositif de mesure de la température, agencé dans la conduite, d'une turbine actionnée par le fluide et d'une génératrice électrique entraînée par cette turbine, caractérisé par un dispositif pour influencer la génératrice ou le courant engendré par celle-ci, de telle façon que des variations de la quantité de fluide correspondent à des variations exactement proportionnelles de la tension du courant consommé.