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"Manomètre de précision".
L'invention concerne les manomètres de précision, en par- ticulier les instruments de mesure des débits en cas de très fai- bles différences de précision dans le manomètre statique corres- pondant. Ces instruments, sous forme de balances annulaires, clo- ches d'immersion, etc... servant en particulier à la mesure des débits du gaz sont connus. Un inconvénient de ces instruments de mesure consiste dans la gamme de mesure pratiquement limitée vers le bas de ces instruments au point de vue relatif et absolu, lors- qu'il s'agit de mesurer des pressions très faibles. Il faudrait que cette pression différentielle fût très faible pour mesurer certains débits, car le débit varie proportionnellement à la racine
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carrée de cette pression.
Par exemple, lorsque la pression diffé- rentielle maximum absolue est de 0 à 36 mm de hauteur d'eau, la gamme de mesure des débits relatifs des balances annulaires est comprise à peu près entre 20 et 100%. Plus la valeur absolue de cette gamme de mesure diminue à partir de cette valeur, plus sa valeur relative devient faible. Par exemple si la pression diffé- rentielle maximum est de 0 à 16 mm de hauteur d'eau, on doit se contenter avec les balances annulaires d'une gamme de mesure re- lative d'environ 30 à 100%, du fait que pour faire démarrer un instrument de mesure donné de la position zéro, il est nécessaire que la hauteur d'eau minimum atteigne une certaine valeur. Dans les deux exemples qui précèdent ces valeurs seraient de 36 x 4/100 = 16 x 9 = 1,44 mm de hauteur d'eau.
100 - 100 hauteur eau.
Dans le cas des cloches d'immersion, la gamme de mesure absolue et la hauteur d'eau en mm de démarrage peuvent avoir des valeurs plus avantageuses que dans celui des balances annulaires, sans qu'on obtienne cependant une gamme de mesure relative plus avantageuse.
On sait que,lorsque le poids des instruments de mesure diminue, les efforts de frottement diminuent plus vite que propor- tionellement en fonction du poids. On sait aussi qu'à la force qui provoque le mouvement de l'instrument de mesure, outre le frottement, qui sexiste dans tous les cas, des presse-garniture, des guides, des portées et du liquide, ainsi que le frottement des tuyaux flexibles de communication, s'ajoute en particulier l'effort dû au mécanisme d'extraction de la racine carrée par une came ou élément d'extraction de la racine et que la force motri- ce nécessaire de l'instrument qui est nécessaire augmente de ce fait.
Le mécanisme d'extraction de la racine carrée exerce une influence particulièrement défavorable au moment du démarrage à partir de la position zéro, car à un parcours non linéaire très court de la couronne de la balance ou de la cloche d'immersion
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correspond un parcours linéaire plus long de l'instrument de me- sure, et que ce parcours doit être transmis avec un grand rapport de multiplication à la ca-ne ou élément d'extraction de la racine carrée; c'est ce qui explique pourqoui la gamme de mesure de ces instruments est pratiquement défavorable dans certains cas parti- culiers.
L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients c'est-à-dire de permettre de relever des pressions très faibles ou pressions différentielles, par exemple comprises entre 0 et 5 mm de hauteur d'eau avec une gamme de mesure relative aussi éten- due que possible, par exemple de 5 à 100%; lorsqu'il s'agit de mesurer des débits.
Dans ce cas un débit à mesurer de 5% corres- pondrait à une hauteur d'eau de ? x 0,25/100 = 0,0125 mm de hauteur d'eau, au lieu de 1,44 mm comme précédemment, c'est-à-dire repré- senterait une très notable amélioration, importante au point de vue des mesures de la pression de la traction, de certains débits et de la détermination de certains états, en considérant à ce propos les efforts de traction dans les chaudières, les poids spécifiques, quantités de chaleur, volumes de gaz, mélanges et concentrations.
Cerésultat est obtenu suivant l'invention, en ne diminuant tout d'abord l'effort moteur nécessaire à l'exécution de la me- sure, à part le frottement inévitable du liquide, par aucune autre force sous forme de frottement de toute autre nature. A cet effet l'organe d'exécution de la mesure est de préférence une cloche d'immersion qui est suspendue par exemple élastiquemen Elle est guidée par exemple par deux ressorts. La chambre de pres- sion au-dessus de la cloche est fermée par rapport à l'extérieur par un joint hydraulique à gaz sans presse-garniture en cas de faible pression statique et éventuellement par un joint à la grais -se en cas de pression statique plus forte.
Les deux ressorts sont tendus de façon que la cloche soit sur le point de flotter dans
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le liquide obturateur en position zéro, c'est-à-dire que son poids soit compensé par le ressort supérieur, en remarquant en outre que le volume de la cloche est de préférence pratiquement nul. Le frottement du liquide obturateur sur la cloche est ainsi réduit au minimum, indépendamment de l'hystérésis des deux ressorts. E- tant donné qui suivant l'invention le diamètre de la cloche est faible, qu'elle doit être en verre ou émaillée, et qu'elle peut aussi comporter des ailettes hélicoïdales sur sa périphérie, qui facilitent la montée et la descente dans le liquide obturateur par son mouvement de rotation automatique, le frottement du liquide est également réduit au minimum.
L'effort moteur devient ainsi une fraction de celui des formes de réalisation connues les plus avan- tageuses, des instruments de mesure à balance annulaire, à cloche d'immersion avec frottement dans les presse-garniture, les guida- ges, les portées et dans les tuyaux de communication flexibles, et à cloches de grandes dimensions périphériques. Mais la section de passage est encore insuffisante, si on raccorde la conduite de mesure directement au-dessous et au-dessus de la cloche, comme dans les instruments de mesure connus pour mesurer des débits de gaz et lorsque les dimensions de l'instrument sont minimum. Les débits de liquides ne peuvent d'ailleurs pas être mesurés avec une cloche à moins de prendre des dispositions spéciales.
Pour obtenir la section de passage nécessaire dans la mesure des débits de gaz, il faudrait donner à la cloche de plus grandes dimensions.
Mais il n'est pas nécessaire de le faire suivant l'invention en reportant l'augmentation de section en dehors de la cloche, ce qui permet en outre de mesurer les débits de liquides avec le même instrument de mesure. Cette augmentation de section est obtend dans le cas de la mesure des débits de gaz avec deux récipients auxiliaires séparés, ou un récipient double contenant un liquide obturateur. Les conduites de mesure aboutissent à la partie supé- rieure des récipients ou chambres et la pression est transmise
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à l'instrument de mesure par l'intermédiaire du liquide obturateur.
Pour mesurer les débits de liquides, on fait déboucher les con- duites de mesure primaires à la partie inférieure des récipients et la pression est transmise à l'instrument de mesure, sans li- quide obturateur spéciale par l'intermédiaire de l'air comprimé à la partie supérieure.
L'action exercée par le récipient auxiliaire est facile à comprendre d'après les considérations hydrostatiques et volumé- triques suivantes relatives à une cloche d'immersion.
1) # p = h1 [gamma]1 + h2[gamma]2 1. Equation hydrostatique.
# p = Pression efficace dans le manomètre statique. hl= Différence de niveau dans le récipient auxiliaire. h2= Différence de niveau à côté de la cloche [gamma] poids spécifique du fluide en circulation ou du liquide obturateur.
[gamma]2= poids spécifique du liquide obturateur dans la cloche.
EMI5.1
2) h2 (2 = k S 2. Equation hydrostatique. f k = constante du ressort de la force directrice. s = chemin parcouru par le ressort ou la cloche. f = surface active de la cloche.
3) h1 F (f + f') = (h2 + s) f' + fs Equation volumétrique.
2f
F = surface du niveau dans le récipient auxiliaire. f' =surface du niveau hors de la cloche dans l'instrument de mesure.
On tire de ces trois équations la valeur de s d'une ma- nière générale, de la levée de la cloche, en admettant tout d'a- bord que le fluide intermédiaire est un gaz incompressible ou de l'air ou un liquide incompressible.
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EMI6.1
En supposant f' voisin de o, c'est-à-dire lorsque la cours( de la cloche est faible, on a :
EMI6.2
Il ressort de cette expression, qu'il existe une force directrice, même lorsqu'à l'encontre de la figure 1, k = o, c'est- à-dire que le ressort inférieur, qui est le ressort de la force directrice, est supprimé et remplacé par un poids.
On a donc :
EMI6.3
La cloche remplit dans ce cas la fonction d'un piston se déplaçant librement. Une variation de#p fait naître une pression #p' #o de courte durée contre la cloche d'immersion. Mais #p' redevient toujours égal à o, c'est-à-dire que le mouvement de la cloche continue jusqu'à ce queAp' = o, et le seul frottement an- tagoniste est celui de la cloche, d'où résultent les avantages d'un procédé de remise à zéro au point de vue des effets de l'hy- stérésie. L'équation 4) s'applique aussi à une cloche d'immersion de mesure des débits gazeux, sans récipient auxiliaire, en pesant [gamma]1 = o.
Cette équation devient alors :
EMI6.4
La force directrice ne peut être obtenue dans ce cas que par une force extérieure, c'est-à-dire par le ressort.
Le fluide intermédiaire étant de l'air compressible,on n'obtient par rapport aux considérations qui précèdent relatives au ressort de la force directrice qu'une différence quantitative qui n'apporte aucun changement au principe. Mais si on supprime
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le ressort de la force directrice, c'est l'équation 6) qui s'appli- que avec une grande approximation aux points de vue quantitif et qualitatif même aux gaz compressibles ou à l'air.
Cette équation 6) caractérise le récipient auxiliaire sous forme de transformateur mécanique. On peut en augmentant ou en diminuant la valeur de F, ou du récipient auxiliaire faire varier, pour une valeur donnée de f, surface active de la cloche, la lon- gueur de la course de la cloche, c'est-à-dire la rendre aussi gran- de qu'on désire.
La pression efficace p étant minimum, on peut, en donnant une grande valeur à F et une petite valeur à f, obtenir une levée appréciable et mesurable de la cloche, malgré de très faibles dimensions, ainsi qu'il ressort de l'exemple suivant :
EMI7.1
On obtient donc pour une pression d p = 5 mm de hauteur d'eau = 100%, une levée de la cloche atteignant 100 mm, c'est-à- dire un rapport de multiplication de 20 et pour #p = 5 mm de
100 hauteur d'eau = 1% correspondant à un débit de 10%, une levée de la cloche, qui reste mesurable, de 1 mm, d'où ressort le grand intérêt présenté par le dispositif suivant l'invention dans le cas de la mesure des débits gazeux et des compteurs de chaleur dan les installations de chauffage à circulation par la gravité,
dans lesquels on ne dispose que de très faibles pressions efficaces peut pour mesurer les débits des fluides en circulation. Le dispositif/ évidemment être également construit en rendant f et F variables.
En particulier on peut pour le démarrage augmenter F et diminuer f. On obtient ainsi un rapport de multiplication maximum et une sensibilité maximum au moment du démarrage. A cet effet on réduit la section de la cloche en haut et celle du récipient auxiliaire en bas. Dans la pratique la première solution est plus facile à réaliser, tandis que la seconde est plutôt de nature théorique.
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Le dispositif décrit ci-dessus ne convient en premier lieu sous sa forme la plus simple qu'aux mesures instantanées au moyen d'un indicateur. Si on désire effectuer des mesures enregistrées ou au moyen d'un compteur, on complète l'instrument par un dispo- sitif explorateur, qui ne charge pas la cloche, si-non dans une très faible mesure et qui sera décrit plus loin.
Le dispositif suivant l'invention est représenté à titre d'exemple et sous forme schématique sur les figures 1 à 3 du des- sin ci-joint. Sur ces figures :
Les numéros : 1 désigne la conduite de liquide ou de gaz, 2 le liquide ou le gaz en circulation) 1 le manomètre statique, la conduite de mesure hydraulique ou pneumatique, 1 le récipient auxiliaire, 6 une cloison de séparation, 2a le fluide moteur, 7 les conduites de mesure pneumatique ou hydraulique, des robinets d'arrêt, 2 des robinets de compensation, 10 l'enveloppe de la cloche d'immersion, 11 la cloche d'immersion, 12 un tuyau à gaz d'obturation, 13 une tige mince ou un fil, 14 un liquide d'obtura- tion, 15 des ressorts de traction, 16 une échelle graduée, 17 une aiguille, 18 un prolongement de l'enveloppe, 19 l'air comprimé,
20 une tubulure de remplissage ou de trop-plein, 21 une vis de ré- glage, 22 une ailette, 23 un tube capillaire, 24 de la graisse.
Suivant la figure 1, le liquide qui circule dans la di- rection de la flèche fait naître une différence de pression au moyen du dispositif 3, cette pression différentielle étant trans- mise par les tuyaux dans les chambres du dispositif 1 et à l'air qui y est emprisonné à la partie supérieure. La pression statique qui s'exerce avant et après le manomètre statique 3 fait monter le liquide 2a dans le récipient 5, sans qu'il en sorte, à une hau- teur qui doit évidemment être réglée à cet effet. L'air situé au- dessous et au-dessus de la cloche subit une compression correspon- dante, c'est-à-dire qu'une fraction de la pression différentielle du manomètre statique agit sur la cloche. La pression statique est compensée par l'ascension du liquide obturateur du tuyau 12.
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La forme de réalisation à titre d'exemple de la figure 1 n'est destinée en premier lieu qu'à de faibles pressions statiques, pour lesquelles le tuyau 12 ne doit pas être trop long. L'air situé au-dessus de la cloche est isolé de l'extérieur par le liquide obturateur. Le mouvement est transmis à l'extérieur par le fil 13, et l'isolement du gaz est réalisé par le tuyau 12 et le liquide obturateur 14. La cloche est maintenue en position zéro, inférieure, c'est-à-dire lorsque la pression différentielle est nulle, par le ressort inférieur 15, de sorte que le poids de la cloche est absorbé par le ressort supérieur 15 et que la cloche est sur le point de flotter dans le liquide obturateur. On peut vérifier la position zéro en fermant le robinet 8 et en ouvrant le robinet 9.
La pression qui agit au-dessus et au-dessous de la cloche est alors la même, la pression différentielle est nulle et la cloche doit venir dans la position zéro. Elle doit quitter cette position sous l'action de la plus faible pression différen- tielle et les ressorts 15 doivent être réglés de façon à faire revenir la cloche dans la position zéro, lorsque la pression dif- férentielle disparaît. Il convient dans la pratique de ne pas faire coïncider la position zéro réelle avec la position zéro thé- orique, mais de la limiter à une valeur correspondant à peu près à 0,25 - 1% de la pression différentielle maximum, pour que la cloche parte avec certitude de la position zéro et y revienne.
La tige ou fil 13 est tendu en permanence par le ressort supérieur 1?. et la cloche est maintenue et guidée en position verticale par sa force ascensionnelle et par le ressort inférieur 15, sans dispositifs de guidage spéciaux. On peut aussi envisager évidem- ment de supprimer le ressort supérieur et de décharger la cloche avec des flotteurs et dans ce cas la transmission du mouvement à l'instrument de mesure doit s'effectuer par le bas. La came d'extraction de la racine carrée étant disposée à l'extérieur, la pression ou pression différentielle est indiquée sous forme
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linéaire sur l'échelle 16.
L'aiguille 17 est fixée à l'extrémité supérieure de la tige 13. Lorsqu'il s'agit de mesurer des débits, on monte dans la cloche un élément d'extraction de la racine car- rée, ou comme dans l'exemple choisi la came d'extraction de la racine carrée se trouve sur un dispositif d'exploration, ainsi qu'il est décrit plus loin. Si le dispositif décrit ci-dessus doit servir d'enregistreur des pressions ou des débits et de comp- teur, on le complète comme l'indique la figure 1.
Sur cette figure, 22 désigne un élément de blocage, 30 un élément explorateur en forme de tôle, 31 une came d'extraction de la racine carrée, 32 une plume traceuse, 33 une bande de papier d'enregistrement, 34 un ressort de compression, 35 une crémaillère, 36 un levier oscil- lant, 37 un moteur auxiliaire, 38 un excentrique, 39 une roue dentée, 40 un compteur, 41 et 42 des roues à rochet, 43 et 44 des leviers de cliquets, et 46 des cliquets, 47 un galet ex- plorateur, 48 un disque de commande, des soufflets métalliques, 50 des tubes capillaires, 51 des dispositifs tâteurs, 52 des roues dentées, .±3 des molettes de compteur.
Le moteur.31, qui fait tourner l'excentrique 38 à une vitesse appropriée, imprime à la crémaillère 35 solidaire de l'é- lément explorateur 30 par l'intermédiaire du levier oscillant 36 un mouvement de va-et-vient, c'est-à-dire que le moteur entraîne l'élément explorateur 30 à fin de course vers la droite, et le ressort 34 le fait ensuite revenir à fin de course vers la gauche.
La position à fin de course est déterminée par la position de l'aiguille, c'est-à-dire par la position en hauteur de l'élément de blocage 29.
Les diverses courses ainsi provoquées peuvent être enre- gistrées sur la bande de papier 33 sous forme de traits au moyen de la plume traceuse 32 montée sur l'élément explorateur 30. La forme de la came 31 est choisi de façon à indiquer le débit sous forme de la racine carrée de la pression différentielle, ouéous forme linéaire. Si le moteur fait par exemple quatre tours par
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minute, un trait est tracé toutes les 15 secondes et on obtient ain -si une représentation suffisamment précise des variations de débit.
Ainsi qu'on peut le voir, la cloche ne subit aucune charge de la part du dispositif enregistreur.
Les débits sont comptés par l'intermédiaire de la roue den- tée 39, du levier de cliquet 43, du cliquet 45 et de la roue à ro- chet 41, puis sont transmis directement aux roues dentées 52 du compteur et aux molettes 53, lorsqu'il s'agit d'un compteur sans multiplication.
Mais s'il s'agit d'un compteur comportant une multiplica- tion, par exemple d'un compteur de chaleur, ou de la correction d'un état, dans le cas d'un gaz, l'instrument comporte encore le levier 44 avec cliquet 46, la roue à rochet 42, le galet tâteur 47, et le disque de commande 48.
51 désigne deux thermomètres avec tubes capillaires 50 et soufflets 49 dans le cas d'un compteur de chaleur, ou un thermo. mètre et un manomètre avec tubes capillaires et soufflets de me- sure de la température et de la pression par exemple dans le cas de la correction d'un état gazeux. Suivant la position des disques de commande 48, le galet explorateur 47 tombe dans une encoche , d'avancement déterminée et provoque le mouvement /des molettes du compteur, jusqu'à ce que le galet tâteur ou le cliquet soient dégagés.
Ainsi qu'on peut le voir la cloche d'immersion ne subit aucune charge du fait de la présence du dispositif d'extraction de la racine carrée, au moins lorsque ce dispositif est monté en dehors, ni du fait de celle du compteur de débit. Le travail né- cessaire au fonctionnement de l'enregistreur et du compteur est fourni exclusivement par un moteur auxiliaire. S'il s'agit d'un moteur électrique, il doit être connecté à un réseau synchronisé pour permettre d'obtenir la plus grande précision possible.
Lorsque la pression statique est faible, le liquide obtu- rateur 14 peut être de l'eau ou de l'huile. Lorsque la pression
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statique est au plus de 12,56 fois plus forte, l'instrument de mesure peut conserver les mêmes dimensions en employant le mercu- re à titre de liquide obturateur. Dans le cas des pressions sta- tiques moyennes ou fortes, la transmission du mouvement doit s'ef- fectuer par un moyen magnétique ou électromagnétique, le tube 12 devant alors être fermé à la partie supérieure. Le ressort de traction supérieur 15 doit être monté dans ce tube prolongéet la position doit être transmise à l'extérieur directement par un moyen magnétique ou inductif. Les procédés convenant à cet effet sont connus.
Mais on peut aussi employer un dispositif obturateur à la graisse, figure 2, qui permet d'éviter la transmission élec- trique, à cet effet 23 désigne un tube capillaire et 24 une masse de graisse obturatrice. Pour mesurer les débits gazeux, on intro- duit dans le récipient auxiliaire 2 un lipide obturateur spé- cial, la conduite de mesure venant du manomètre statique aboutit en haut dans le récipient auxiliaire et les conduites de mesure intermédiaires partant du liquide obturateur, qui monte alors dans ces conduites suivant la pression statique et la pression différentielle sans pénétrer dans l'instrument de mesure. La cloche reçoit comme précédemment son mouvement par l'air comprimé.
Ainsi qu'on peut le voir, l'instrument de mesure suivant l'invention peut être construit avec de faibles dimensions, et un faible poids et sous une forme simple. Son prix de revient est peu élevé, les gammes de mesure absolue et relative sont étendues vers le bas, sa précision et la sûreté de son fonctionnement sont également considérables. Le récipient auxiliaire 2 peut être mon- té à proximité du manomètre statique, en être solidaire ou être solidaire de l'instrument de mesure. Celui-ci peut aussi être monté dans un autre endroit approprié.
Il convient par exemple à titre d'élément primaire des compteurs de chaleur des installa- tions de chauffage central, en particulier dans les maisons à éta- ges, dans lesquelles il suffit de tenir compte de la pression
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statique, qui prend naissance dans les conduites d'eau, par exem- ple en choisissant la position dans laquelle l'instrument de mesu- re est monté. Il ne faut pas non plus oublier qu'il convient aussi aux installations de chauffage fonctionnant par la gravité.
Dans le cas de la mesure des débits gazeux il semble qu'il soit suscep- tible de soutenir avantageusement la concurrence avec les débit- mètres volumétriques, étant donné que, comme ces appareils, il comporte des gammes de mesure absolue inférieure et relative su- périeure étendues, avec une grande précision, et peut en outre donner des indications instantanées et des enregistrements, ce que les débitmètres volumétriques ne font pas.
La pression statique à envisager dans les installations de chauffage central sont d'environ 2 à 3 atmosphères. Si on in- stalle les compteurs de chaleur à peu près à la hauteur du vase d'expansion, la pression statique ne joue aucun rôle. Si on les répartit dans des divers étages ou si on les installe à la cave, on peut tenir compte de la pression statique en remplissant le tube à gaz obturateur 12 d'une masse de graisse, ainsi qu'il a été dit. Le fil passe alors dans la masse de graisse avec aussi peu de jeu que possible, en empêchant la graisse de s'échapper malgré la pression statique qui s'exerce sur elle. La résistance opposée par la graisse au mouvement du fil est de l'ordre de grandeur de 1% environ du frottement de la cloche dans le liquide obturateur.
Etant donné qu'en particulier dans les installations de chauffage fonctionnant par la gravité, les efforts moteurs qui agissent sont très faibles et ne permettent aux pressions diffé- rentielles de ne prendre que de très faibles valeurs dans le manomètre statique, l'instrument de mesure suivant l'invention satisfait à des besoins qui se font sentir depuis longtemps au point de vue de la mesure des quantités de chaleur.
Par exemple si l'effort moteur maximum d'un chauffage d'étage est de 25 mm de hauteur d'eau, on peut encore monter un compteur de chaleur
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suivant l'invention fonctionnant avec une pression différentielle d'environ 5 mm de hauteur d'eau et mesurer simplement par la varia- tion du débit de l'eau, la différence de température étant constan- te, une quantité de 1000 cal/h. environ, avec une gamme de mesure de 10 à 100 %, pour une quantité maximum de chaleur de 10000 cal/h.