Appareil pour la mesure du débit du courant d'un fluide
La présente invention se rapporte à un appareil pour la mesure du débit du courant d'un fluide (li- quide ou gaz).
L'appareil selon l'invention est caractérisé par le fait qu'il comprend une conduite traversée par ledit courant de fluide, une paire de rotors montés dans la conduite et actionnés par le fluide à une vitesse fonction de la vitesse du courant de fluide, l'un des rotors ayant la tendance de tourner plus vite que l'autre, les deux rotors étant reliés élastiquement pour les obliger à tourner en synchronisme tout en permettant un certain déplacement angulaire de l'un d'eux par rapport à l'autre sous l'influence du courant, chacun des rotors présentant un élément de signalisation tournant coopérant avec un élé- ment de signalisation fixe de manière à produire une impulsion chaque fois qu'un élément tournant passe devant l'élément fixe associé,
le tout de façon que l'intervalle de temps entre les impulsions consécuti- ves soit fonction du déplacement angulaire relatif et de la vitesse des rotors et serve comme indication du débit du courant de fluide.
Le dessin annexé représente à titre d'exemple non limitatif une forme de réalisation de l'appareil selon l'invention.
La fig. 1 est une vue en coupe longitudinale d'un tronçon de conduite représentant des moyens générateurs d'impulsions, et
la fig. 2 est un schéma représentant un circuit électrique par lequel les impulsions sont utilisées.
On voit sur la fig. 1 un tronçon de conduite 10 contenant trois croisillons 12, 14 et 16 de support de rotors à aubes 18 et 20 disposés coaxialement au tronçon de conduite 10 et coaxialement l'un à l'autre.
Le croisillon 12 porte un palier fixe 22 dans lequel tourne et coulisse une partie antérieure 23, formant tourillon, du rotor 18. Dans un palier fixe 24, analogue mais creux, porté par le croisillon 14, tourne et coulisse la partie postérieure 25, formant tourillon du rotor 18. Dans ce croisillon 14 tourne et coulisse également une partie antérieure 27, formant touril
Ion, du rotor 20. Dans un palier fixe 26, porté par le croisillon 16, tourne la partie postérieure 29, formant tourillon, du rotor 20. Les paliers 22 et 24 présentent des parties tronconiques de protection qui agissent conjointement aux corps tronconiques des rotors 18 et 20 pour soulager ces derniers de la poussée axiale.
Comme on l'a indiqué, le palier 24 est évidé, muni à ses extrémités de collets 30 et 32 pour les tourillons 25 et 27 des rotors. Une pièce de torsion, telle qu'un ressort à boudin 34, logé dans le palier 24, est reliée par ses extrémités opposées au tourillon 25 du rotor 18 et au tourillon 27 du rotor 20. Les rotors 18 et 20 portent respectivement des aubes 36 et 38 à inclinaison fixe tendant, pour chaque débit donné de fluide, à faire tourner le rotor à une vitesse déterminée. Les aubes 36 et 38 ont un pas légèrement différent, de sorte que pour un débit donné de fluide, ils ont tendance à tourner à des vitesses un peu différentes. Celui des rotors dont les aubes font avec l'axe du conduit un angle moyen plus grand tend à tourner plus vite.
Les rotors sont contraints par le ressort 34 de tourner en synchronisme à une vitesse comprise entre les vitesses que les rotors atteindraient s'ils étaient libres, mais ils sont toutefois décalés en phase l'un par rapport à l'autre d'un intervalle qui est fonction du moment appliqué par le courant du fluide. Ce décalage de phase augmente avec le carré de la vitesse du fluide et linéairement avec la densité de ce fluide.
L'une des aubes de chaque rotor est garnie d'un aileron 40 en matière magnétique. Vis-à-vis des rotors 18 et 20, respectivement, sont montés des enroulements 42 et 44 de fil conducteur sur noyaux magnétiques 46 et 48 à aimantation permanente, qui sont de préférence fixés dans la même position par rapport à l'axe de la conduite. Chaque fois qu'une aube garnie d'un aileron passe devant l'enroulement qui lui correspond, la baisse de réluctance magnéti- que provoque l'induction d'un courant dans l'enroulement. On peut ainsi obtenir la vitesse du fluide en comptant le nombre d'impulsions par unité de temps émises par l'un des rotors, et le temps entre deux impulsions provenant des deux rotors indique le débit en masse.
Avant de poursuivre la description, il est bon d'analyser avec plus de précision les facteurs qui influencent le décalage angulaire des rotors pour un débit uniforme. Le couple appliqué au ressort 34 est égal à la différence entre les couples moteurs appliqués aux rotors. Le couple T qui tend à faire prendre de l'avance au rotor en avance de phase par rapport au rotor en retard de phase est de :
T = CRDV2 (tg A1-tg A2) (1)
R étant le rayon effectif moyen des aubes de chacun des rotors, D la densité (masse par unité de volume) du fluide, V la vitesse du fluide, A, l'angle moyen que font les aubes du rotor en avance de phase et A. l'angle moyen que font les aubes du rotor en retard de phase, C étant une constante.
En désignant par K la valeur constante de l'expression CR (tg A1-tg A2) on a
T = KDV2 (2)
Le déplacement angulaire X du ressort peut s'écrire
T KDV2 X=-==--==K,DV(3) où k est la constante de torsion du ressort et K1 est
K égal à -. L'équation 3indique donc que le déplak cement angulaire ou décalage de phase des rotors, est proportionnel au moment appliqué par le fluide.
Il faut toutefois remarquer en particulier que ce décalage de phase est proportionnel au carré de la vitesse et non pas seulement à la première puissance de celle-ci.
Pour obtenir le débit en masse, soit DV par surface unitaire, il faut diviser DV2 par la vitesse V.
La vitesse de rotation de l'ensemble des rotors étant proportionnelle à la vitesse du fluide, le nouvel instrument de mesure rend possible la division par V.
Cela est illustré par la formule suivante, où le temps entre les impulsions provenant des deux rotors est :
distance angulaire X
Temps entre les impulsions = distance angulaire X
vitesse angulaire S
La vitesse angulaire S est :
S-VtgA
2xR
Il en résulte :
Temps entre deux impulsions =
X = 23tRK, DV2 = K2DV
S VtgA où Kg est une constante.
Ainsi le temps entre deux impulsions provenant de deux rotors est une mesure directe du débit en masse.
La fig. 2 montre un montage simple propre à traduire l'intervalle de temps entre les impulsions provenant des deux rotors, en débit en masse par seconde et en débit en masse total.
Les impulsions émises par les enroulements 42 et 44 sont tout d'abord amplifiées et transformées par les circuits 50 et 52 pour permettre une indication précise des intervalles de temps. L'impulsion de commande, que l'on peut supposer être celle émise par 1'enroulement 42, est alors transmise par un conducteur 54 à un guichet électronique 56 pour ouvrir celui-ci, et l'impulsion décalée correspondante émise par l'enroulement 44 est transmise, dès qu'elle se produit, par un conducteur 58 et vient fermer le guichet électronique 56.
Pendant l'ouverture du guichet électronique 56, un signal auxiliaire en provenance de l'oscillateur 59 à fréquence constante, réglé par exemple à 100 000 cycles/seconde, est envoyé à travers le guichet 56 puis à travers un circuit convertisseur arithmétique 60 qui fait intervenir un facteur de proportion pour convertir le nombre d'impulsions du signal auxiliaire franchissant le guichet 56 en unités de masse par seconde, et, de là, à un compteur électronique arithmétique 61. Le compteur indique le nombre d'impulsions de comptage entre l'ou verture du guichet 56 et la fermeture suivante, mais lors de la réouverture suivante, une partie de l'impul- sion amplifiée provenant de l'enroulement 42 est envoyée par un conducteur 62 à un dispositif 64 de remise à zéro du compteur.
Grâce à la disposition décrite, le compteur indique la lecture du résultat pendant la plus grande partie de chaque révolution des rotors 18 et 20.
On peut utiliser un compteur électronique que l'on trouve dans le commerce pour constituer le dispositif indicateur du débit en masse que l'on voit en 50-64 sur la fig. 2 et obtenir par lui une indication arithmétique directement proportionnelle au débit de masse par seconde.
Pour obtenir l'indication de la masse totale écoulée à travers le tronçon de conduite 10 pendant une période de fonctionnement, on envoie les impulsions auxiliaires émanant de l'oscillateur 59 qui, après passage par le guichet électronique 56 et le circuit 60, représentent des impulsions de comptage correspon- dant aux unités du débit en masse par seconde, dans un guichet électronique inhibé 66. Ce guichet 66 est analogue au guichet électronique 56. Il est ouvert par l'impulsion émise par l'enroulement 42, amplifiée, et transmise par un conducteur 68, et il est refermé par l'impulsion émise par l'enroulement 44, amplifiée, et transmise par un conducteur 70.
Toutefois, le guichet 66 ne s'ouvre par une impulsion provenant de l'enroulement 42 que s'il a été mis dans l'état autorisant cette ouverture par une impulsion de commande émise par un oscillateur 72 à une fré- quence d'un cycle/seconde. Une fois le guichet mis dans cet état, il est ouvert par la première impulsion venant de la bobine 42 et transmet les impulsions de comptage, correspondant aux unités de masse par seconde, par un conducteur 74 à un compteur électonique arithmétique 76. Le comptage n'est effectué qu'une seule fois au cours de chaque seconde, de manière que le nombre d'unités de masse par seconde soit enregistré durant chaque seconde.
Le compteur 76 n'est pas automatiquement ramené à zéro, mais accumule les comptages effectués du début à la fin de toute période désirée de fonctionnement. Le compteur 76 affiche donc la masse totale écoulée à travers le tronçon de conduite 10. On peut le remettre à zéro, à l'aide d'un dispositif à commande manuelle 78, chaque fois qu'on le désire.