Compteur à moulinet
La présente invention a pour objet un compteur à moulinet pour la mesure des volumes de fluide écoulés dans un circuit de distribution.
Les compteurs à moulinet classiques sont composés habituellement des différents organes suivants a) Une enveloppe tubulaire limitée intérieurement
par une surface cylindrique, et parcourue suivant
la direction de son axe par le fluide dont on
veut mesurer le débit volumique; b) Un stabilisateur de l'écoulement du fluide dans
cette enveloppe, composé par exemple de palettes
fixes pour imprimer au fluide entrant dans l'ap
pareil un mouvement de rotation dans une direc
tion fixe par rapport à l'axe dudit appareil, quel
que soit le débit du fluide;
c) Un organe de mesure comprenant un moulinet
de masse négligeable, pouvant tourner librement
autour de l'axe général de l'appareil, et composé
d'un moyeu plein et de palettes réparties à la
périphérie de celui-ci, remplissant tout l'espace
libre entre ledit moyeu et l'enveloppe, au jeu
mécanique près.
Dans ces compteurs à moulinet classiques, les palettes du moulinet ont une forme appropriée telle que, pour une vitesse axiale donnée du fluide dans l'enveloppe, et pour une vitesse de rotation donnée du moulinet, les molécules de fluide ne soient pas déviées par les palettes de la trajectoire qui leur a été imposée par le stabilisateur ; autrement dit, la puissance recueillie par le moulinet dans ce cas est nulle, et ledit moulinet suit constamment et parfaitement l'action du fluide, ce qui veut dire que la dérive du moulinet par rapport au fluide est nulle; la vitesse de rotation du moulinet est alors proportionnelle à la vitesse du fluide et à son débit; dans ce cas, un compte-tours entraîné par l'axe du moulinet peut intégrer le débit de fluide par rapport au temps, et indiquer directement les volumes de fluide écoulés.
En pratique, la puissance fournie par le fluide au moulinet ne peut pas tre globalement nulle, en raison des frottements mécaniques, et de la puissance nécessaire à l'actionnement du compte-tours; la vitesse de rotation du moulinet est donc toujours inférieure à la vitesse théorique correspondant à une puissance recueillie nulle, et par suite, la mesure donnée par les compteurs à moulinet classiques, ne peut jamais tre absolue; on peut corriger les indications de l'organe de mesure en tenant compte de la puissance à fournir dans l'étalonnage des compteurs, mais ceci limite la précision de la mesure aux faibles débits, et, comme les frottements varient avec le temps, il faut réétalonner périodiquement les compteurs.
La présente invention permet de remédier à ces inconvénients et de réaliser un compteur à moulinet qui soit un appareil de mesure absolue dont le fonctionnement est basé sur le principe dh rendement maximum de l'organe de mesure.
Le compteur selon l'invention comprend, d'une part, une enveloppe tubulaire, limitée intérieurement par une surface cylindrique, et dans laquelle est disposée, du côté de l'arrivée du fluide dont on veut mesurer le débit volumique, un stabilisateur à palettes hélicoïdales fixes, destiné à imprimer au fluide qui le traverse un mouvement de rotation dans une direction fixe par rapport à l'axe général du compteur, quel que soit le débit de ce fluide et, d'autre part, un organe de mesure comprenant un moulinet monté à rotation libre autour de l'axe général du compteur à la suite dudit stabilisateur, l'axe de ce moulinet entraînant un compte-tours pour l'enregistrement du débit volumique du fluide traversant le compteur;
ledit compteur est caractérisé par le fait que le moulinet est constitué par une turbine à ailettes conformées de façon à pouvoir dévier le fluide de la trajectoire qui lui a été imposée par le stabilisateur et recueillir ainsi une puissance importante aux dépens de ce fluide, ladite turbine étant, en outre, assujettie à un dispositif régulateur comprenant un organe de freinage destiné à créer un couple résistant variable sur la turbine, et un organe placé à l'arrière de ladite turbine pour détecter la vitesse de rotation résiduelle du fluide à la sortie de cette turbine, et régler la variation du couple résistant de l'organe de freinage en fonction de ladite vitesse de rotation résiduelle du fluide pour ramener et maintenir constamment cette vitesse à une valeur nulle, de façon que le compteur fonctionne dans les conditions de rendement maximum de la turbine,
pour lesquelles la vitesse de rotation de celle-ci est proportionnelle au débit volumique du fluide traversant le compteur.
Par ailleurs, le dispositif régulateur peut comporter comme organe détecteur une girouette à ailettes radiales planes, cette girouette commandant un organe de freinage magnétique de la turbine, lequel comprend des aimants permanents destinés à créer un couple de freinage variable sur la turbine, la variation de ce couple de freinage étant réglée par le déplacement desdits aimants par rapport à ladite turbine, déplacement commandé par la girouette par l'intermédiaire d'un dispositif de transmission et de transformation de mouvement du type à vis et écrou mobile.
Selon une variante, l'organe de freinage est constitué par une pompe volumétrique refoulant un fluide de freinage à travers un orifice d'étranglement réglable, la pompe volumétrique ayant une caractéristique mécanique de forme superposable à celle de la caractéristique mécanique de la turbine lorsque celle-ci fonctionne dans des conditions de rendement maximum, et le dispositif de réglage de l'orifice d'étranglement étant asservi à l'organe détecteur de la vitesse de rotation résiduelle du fluide à la sortie de la turbine pour ramener constamment cette vitesse à une valeur nulle.
En outre, la pompe volumétrique peut tre une pompe à engrenages comprenant deux dents épihypocycloidales entraînées par la turbine, et évoluant à l'intérieur d'un corps de pompe, tandis que le dispositif de réglage de l'orifice d'étranglement comporte un obturateur compensé, sous la forme d'un papillon formant vanne sur le circuit du fluide de freinage à l'intérieur du corps de pompe, cette vanne papillon étant calée sur un axe entraîné par l'organe détecteur, lequel est constitué par une girouette à ailettes radiales planes.
De plus, le corps de pompe peut présenter une voûte semi-cylindrique, située à une distance appropriée de l'une des dents épi-hypocycloidales, tandis qu'une gouttière est disposée symétriquement à ladite voûte, à une distance appropriée de l'autre dent, lesdites dents formant ainsi avec ladite voûte et ladite gouttière des jeux mécaniques.
Le dessin représente, à titre d'exemple, deux formes d'exécution de l'objet de l'invention.
La fig. 1 représente une vue en perspective en coupe longitudinale de la première forme d'execu- tion;
La fig. 2 est une vue en perspective en coupe longitudinale de la seconde, et
la fig. 3 est une coupe suivant III-III de la fig. 2.
La forme d'exécution représentée à la fig. 1 comporte essentiellement une enveloppe 1 cylindrique ouverte à ses extrémités, et pouvant tre raccordée à une canalisation d'arrivée et à une canalisation de départ de fluide, à l'aide de brides de raccordement la-lb.
A l'intérieur de cette enveloppe, du côté de l'arrivée de fluide, est monté un stabilisateur 2, à palettes hélicoïdales fixes 2a, destiné à imprimer un mouvement de rotation au fluide autour de l'axe général de l'appareil, ces palettes étant solidaires d'une part de la paroi intérieure de l'enveloppe et d'autre part d'un carter central 3.
A la suite du stabilisateur est montée une turbine 4 composée d'un moyeu 4a, d'un flasque 4b réalisé en un matériau magnétique et conducteur de l'électricité, et des ailettes 4c portées par ledit moyeu, et remplissant tout l'espace libre entre ce moyeu et l'enveloppe, au jeu mécanique près.
Les ailettes sont dessinées de façon à pouvoir recueillir une puissance importante aux dépens du fluide.
A cet effet, la pente des ailettes, au niveau de leur bord d'attaque, est telle que le fluide les aborde sans choc lorsque la vitesse de rotation de la turbine est la moitié de la composante de rotation de la vitesse du fluide sortant du stabilisateur; de plus, la face concave de chaque ailette est incurvée de telle sorte que la direction du fluide soit modifiée et qu'il quitte la turbine avec une vitesse de rotation nulle lorsque la vitesse de la turbine est celle définie précédemment; en outre, la face convexe de l'ailette est distante de la face concave de l'ailette suivante, de telle sorte que la section de passage du fluide entre les deux ailettes soit constante sur toute la longueur de l'ailette.
L'axe 5 de la turbine tourne dans deux paliers 6, 7 prévus à l'intérieur du carter 3, et il renvoie son mouvement, par un jeu d'engrenages 8-8 a, à un axe 9 porté par des paliers 10-11-12 et entraînant par exemple un compte-tours à l'aide de dispositifs connus.
Les freinages dus aux frottements mécaniques, au niveau des paliers 6, 7, du jeu d'engrenages 8-8a, et du compte-tours, qui sont variables avec la vitesse de rotation de la turbine, mais non réglables, sont complétés par l'action d'un dispositif régulateur, destiné à créer un couple de freinage variable sur la turbine, en fonction de la vitesse de rotation résiduelle du fluide à la sortie de cette turbine.
Ce dispositif comporte une girouette 13, composée d'un moyeu 13a, d'un flasque 13b réalisé en un matériau amagnétique, et d'ailettes radiales, planes 13c, servant d'organe détecteur de la vitesse de rotation du fluide à la sortie de la turbine. L'axe 14 de la girouette tourne dans des paliers 15-16 prévus à l'intérieur d'un carter 17, et il transmet son mouvement avec démultiplication, par l'intermédiaire d'une vis formée par sa portion filetée 14a, à un écrou cylindrique mobile 18, solidarisé à un bloc cylindrique 19, alésé axialement et disposé à l'extérieur du carter 17, par deux tiges 20-21 qui peuvent coulisser librement, sans tourner, dans des orifices ménagés dans la paroi 1 7a dudit carter,
le bloc 19 porte un certain nombre de masses magnétiques 19a à aimantation permanente dont le circuit magnétique se ferme sur une pièce en fer doux 22 fixée sur une embase 23 solidaire du carter 3. Le carter 17 est maintenu en place par des pattes 24 solidarisées à la paroi intérieure de l'enveloppe 1.
En fonctionnement, le fluide dont on désire mesurer le débit se déplace dans l'enceinte 1, dans le sens indiqué par les flèches f, f'. I1 est orienté par le stabilisateur 2 avant de venir attaquer la turbine 4.
L'énergie du fluide, qui a été transformée en force vive par le stabilisateur 2, est récupérée par la turbine 4 et le mouvement du fluide à la sortie de ladite turbine 4 peut se réduire à une translation parallèle à l'axe général de l'appareil, lorsque ce dernier fonctionne dans les conditions de rendement maximum de la turbine. La girouette 13 ne reçoit dans ce cas aucune impulsion et garde une position fixe; par suite, toutes les pièces qui dépendent mécaniquement de la girouette sont immobiles. L'énergie recueillie par la turbine sert partiellement à vaincre les frottements mécaniques et à entraîner l'axe 5 et tous les organes qui sont sous sa dépendance. Le reste de l'énergie disponible sur l'axe 5 de la turbine 4 est dissipé par des courants de Foucault développés dans les pièces métalliques sous l'influence des aimants permanents 19a.
Dans ces conditions de rendement maximum de la turbine, la vitesse de rotation de la turbine 4 est proportionnelle à la vitesse de rotation du fluide à la sortie du stabilisateur 2. Dans le cas représenté à la fig. 1 du dessin où la turbine est du type axial à action pure, la vitesse de rotation de ladite turbine est alors égale à la moitié de la vitesse de rotation du fluide à la sortie du stabilisateur 2.
La mesure de la vitesse de rotation de la turbine donne donc la mesure du débit volumique du fluide.
Dans le cas où le rendement de la turbine n'est pas maximum, le fluide à la sortie de la turbine 4 aura encore une certaine vitesse de rotation qui imprimera un mouvement dans le mme sens que le sien à la girouette 13. Celle-ci entraînera les pièces polaires 19a dans le sens approprié de sorte que la variation du couple de freinage de la turbine modifie la vitesse de rotation de celle-ci et la ramène à tre exactement égale à la moitié de la vitesse de rotation du fluide qui la traverse. Ce n'est que lorsque cette condition est réalisée que la girouette ne reçoit plus aucune impulsion.
La forme d'exécution représentée à la fig. 2 comporte une enveloppe cylindrique 1' à l'intérieur de laquelle est monté un stabilisateur 2' à palettes hélicoïdales fixes 2'a entretoisant l'enveloppe 1' et un carter central 3'. Une turbine 4' montée à la suite du stabilisateur est composée d'un moyeu 4'a, d'un flasque 4'b et d'ailettes 4'c portées par le moyeu et remplissant tout l'espace libre entre ce moyeu et l'enveloppe, au jeu mécanique près ; l'axe 5' de la turbine est creux et tourne dans deux paliers 6', 7' ménagés respectivement dans le flasque 3'a formant la paroi arrière du carter 3', et dans une cloison transversale intérieure 3'b dudit carter;
cet axe 5' transmet son mouvement, par l'intermédiaire d'un jeu d'engrenages 25, 26, à un axe 27 tourillonnant parallèlement à l'axe de la turbine dans des paliers 28, 29 prévus respectivement dans le flasque 3'a et dans la cloison 3'b du carter 3'. Cet axe 27 est terminé par une vis sans fin 27a entraînant une roue dentée 8'a calée sur l'axe 9' d'un compte-tours.
Le système de freinage de la turbine est constitué par une pompe à engrenages composée de deux dents épi-hypocycloidales 30, 31, la première étant calée sur l'axe 5' de la turbine, et la seconde, calée sur l'axe 27, étant entraînée par cet axe 5' de la turbine par l'intermédiaire de l'engrenage droit 25, 26 qui aura à cet effet un rapport de 1/1, et le mme diamètre primitif que les dents 30, 31. Celles-ci évoluent à l'intérieur d'un corps de pompe délimité par la portion arrière du carter 3', le flasque 3'a et la cloison intérieure 3'b.
Cette pompe à engrenages peut présenter des jeux mécaniques plus forts que les jeux usuels, ces jeux joutant eux-mmes le rôle d'orifice d'étranglement minimum; à cet effet, on a prévu d'une part dans la paroi intérieure du carter 3' une voûte semicylindrique 3'c (fig. 3) ménagée à une distance appropriée de la dent 31, et d'autre part une gouttière 32 disposée symétriquement à la voûte 3'c à une distance appropriée de la dent 30.
L'organe détecteur est constitué par une girouette 13' à pales droites 13'c, montée sur un axe 14' tournant à l'intérieur de l'axe creux 5' de la turbine.
Cette girouette entraîne, par I'intermédiaire in'un train d'engrenages droits 33, 34 un axe 35 sur - lequel est calé un papillon 36 formant vanne sur le circuit du fluide de freinage, et servant au réglage de l'orifice d'étranglement, en dessus de la valeur minimum due aux jeux mécaniques.
Le fluide de freinage est prélevé sur le fluide dont on désire mesurer le débit volumique, par un orifice d'équilibrage 37, et ce fluide est recyclé indéfiniment dans le circuit de freinage.
En fonctionnement, le fluide à mesurer parcourt l'enveloppe 1' suivant la direction de l'axe de celle-ci, dans le sens indiqué par la flèche fi ; il est orienté par le stabilisateur 2' qui lui imprime un mouvement de rotation dans une direction fixe par rapport à l'axe de l'appareil, quel que soit le débit du fluide.
Le fluide orienté, sortant du stabilisateur est dévié de sa trajectoire par la turbine 4' qui recueille ainsi une puissance importante aux dépens de ce fluide; la puissance recueillie par la turbine est maximum lorsque le fluide sort de ladite turbine à une vitesse de rotation nulle. Dans ce cas, le mouvement du fluide à la sortie de la turbine, se réduit à une translation parallèle à l'axe de l'appareil, et la girouette 13' ne recevant aucune impulsion garde alors une position fixe; toutes les pièces dépendant mécaniquement de ladite girouette, notamment le papillon 36, restent immobiles. L'énergie recueillie par la turbine sert à vaincre les frottements mécaniques, à entraîner le compte-tours, et à actionner la pompe à engrenages.
La caractéristique mécanique du système de freinage a alors une forme superposable à celle de la caractéristique mécanique de la turbine. Dans ces conditions de rendement maximum de la turbine, la vitesse de rotation de celle-ci est proportionnelle au débit du fluide à mesurer, et le compte-tours peut alors intégrer le débit de fluide par rapport au temps et indiquer directement les volumes de fluide écoulés.
Dans le cas contraire où le rendement de la turbine n'est pas maximum, le fluide sortant de la turbine aura encore une certaine vitesse de rotation, et il imprimera une rotation dans le mme sens que le sien à la girouette 13'. Celle-ci entraînera le papillon 36 dans le sens approprié pour régler l'orifice d'étranglement de la pompe à engrenages, et par suite le couple de freinage de la turbine, de façon à ramener celle-ci à fonctionner dans les conditions de rendement maximum. Dès que ces conditions sont réalisées, la girouette ne reçoit plus aucune impulsion, le papillon est immobilisé dans une position déterminée et le compteur fonctionne à nouveau comme décrit précédemment.
I1 est à remarquer que l'organe de freinage permet, entre autres avantages, d'élargir l'écart, entre la vitesse minimum et la vitesse maximum de fonctionnement du compteur, dans les conditions de rendement maximum de la turbine, du fait que l'on a donné à la caractéristique mécanique de l'organe de freinage, c'est-à-dire la courbe Cor = f(N) représentant le couple résistant Ca en fonction de la vitesse de rotation N, une forme pratiquement superposable à celle de la caractéristique mécanique de la turbine, c'est-à-dire la courbe CM = F(N) donnant le couple moteur CM en fonction de la vitesse de rotation N, pour une position donnée de l'organe détecteur qui sert au réglage de l'organe de freinage,
position dans laquelle la turbine fonctionne à rendement maximum.
Si cette superposition des caractéristiques mécaniques est exacte à une telle position de l'organe détecteur, le réglage du compteur pourra se faire à toutes les vitesses sans que l'organe détecteur change de position autrement que momentanément pendant les accélérations. Ceci permet d'élargir l'écart entre la vitesse minimum et la vitesse maximum de fonctionnement du compteur, dans les conditions de rendement maximum de la turbine.
Cet organe de freinage est basé sur le principe du passage à travers un orifice d'étranglement réglable d'un fluide comprimé par une pompe volumétrique qui aura une caractéristique mécanique de mme forme que celle de la caractéristique mécanique de la turbine, et le dispositif de réglage de cet orifice d'étranglement est asservi à l'organe détecteur de la vitesse de rotation du fluide à la sortie de la turbine de façon à ramener constamment cette vitesse à une valeur nulle.
La pression élevée qu'est susceptible de fournir une pompe volumétrique permet d'en réduire le débit et, par suite, le volume d'encombrement et, de ce fait, la pompe peut tre logée par exemple dans le moyeu de la turbine.