Procédé de mesure de la vitesse moyenne de matières fluides,
pulvérulentes ou solides circulant dans un conduit
La présente invention a pour but de résoudre le problème de la mesure du débit ou de la vitesse moyenne de matières fluides, pulvérulentes ou solides circulant dans un conduit, sans introduire dans le conduit aucun organe altérant la section de passage, et le déplacement ou l'écoulement de la matière à mesurer.
Elle comprend un procédé de mesure utilisable pour toutes sortes de matières se présentant sous toutes sortes de formes, telles que eau, glace, vapeur d'eau, hydrocarbure gazeux, solides ou liquides, poudres diverses telles que celles de titanate de baryum et de diverses céramiques, morceaux, fils ou tubes de polyéthylène, etc.
Ce procédé est caractérisé en ce qu'on mesure le champ magnétique créé par le courant de polarisation créé par le passage des molécules de ladite matière dans un champ électrique.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, des formes de mise en oeuvre du procédé selon l'invention ainsi que des variantes de celles-ci.
La fig. 1 est une vue en coupe longitudinale d'un débit-mètre pour conduit rectangulaire.
La fig. 2 est une vue en coupe selon II-II de la fig. 1.
La fig. 3 est un schéma illustrant le courant de polarisation créé par une molécule traversant un champ électrique.
La fig. 4 est une vue en coupe longitudinale d'un débit-mètre pour conduit rectangulaire selon une première variante.
La fig. 5 est une vue en coupe selon V-V de la fig. 4.
La fig. 6 est une vue en coupe longitudinale d'un débit-mètre pour conduit rectangulaire selon une deuxième variante.
La fig. 7 est une vue en coupe d'un débit-mètre pour conduit circulaire.
Dans l'exposé qui suit on traitera du cas où la matière à mesurer est un fluide, les autres cas étant des cas par ticuliers; par exemple un solide, étant identique, du point de vue du fonctionnement du débit-mètre, à un fluide dont toutes les molécules ont même vitesse et même direction.
Une forme de mise en oeuvre de procédé sera décrite en relation avec les fig. 1 et 2.
On fait passer un fluide dont on veut mesurer le débit à l'intérieur d'un conduit 1, raccordé aux conduits 2 et 3 par lesquels respectivement arrive et repart le fluide cité, ces conduits étant rectangulaires dans le cas particulier.
Contre la face intérieure du conduit 1 est placée une électrode 4 s'étendant sur toute la largeur du conduit 1, et faisant face à une électrode similaire 5 placée contre la face opposée intérieure du même conduit 1.
Dans un premier mode d'exécution, les électrodes 4 et 5 sont soumises à une différence de potentiel continue V, qui crée un champ électrique E qui polarise les molécules du fluide se trouvant entre les électrodes 4 et 5.
Le fluide étant en mouvement, les molécules se polarisent en pénétrant dans le champ E, et se dépolarisent en sortant de ce champ, c'est-à-dire en première approximation, en traversant les plans xx' et yy'. I1 se crée alors un courant de polarisation I et un courant de dépolarisation I', situés en première approximation dans les plans cités.
Les courants I et I' sont proportionnels au débit moléculaire du fluide, alors que le courant io dû à une éventuelle conduction du fluide, courant situé dans le volume compris entre les plaques 4 et 5, ne dépendra pas de ce débit.
On peut démontrer que I est donné, dans le cas d'un conduit de section rectangulaire, par l'expression suivante: (Amp)
V (Volts) Différence de potentiel des électrodes 1 (mètre) Largeur des électrodes d (mètre) Distance des électrodes e0 (F/m) Permittivité du vide ez (1) Permittivité relative moyenne du fluide v (m/s) Vitesse moyenne du fluide
Les courants de polarisation I et I' ne peuvent pas être mesurés directement puisqu'ils n'existent que dans le fluide. En effet, les courants I et I' sont constitués par les courants dus à la vitesse de chaque molécule, dont nous représentons schématiquement le circuit dans la fig. 2.
Les courants de polarisation I et I' peuvent par contre être mesurés par le champ électrique qu'ils créent, à l'aide de sondes à effet Hall, bobine à saturation, magnétomètres à protons, spirale de bysmuth, etc.
Dans un second mode d'exécution, on soumet les électrodes 4 et 5 à une différence de potentiel alternative V, qui crée un champ électrique E alternatif, et par conséquent les courants de polarisation I et r, précédemment définis dans le premier mode d'exécution, seront alternatifs.
On peut démontrer que I est donné dans le cas d'une conduite de section rectangulaire, par la même expression que celle donnée pour le premier mode d'exécution, V étant dans ce cas-ci une différence de potentiel alternative quelconque.
Les courants I et r seront proportionnels au débit moléculaire du fluide, alors que les courants iG et id dus à la conduction et à la polarisation du fluide, courants situés dans le volume compris entre les électrodes 4 et 5, ne dépendront pas du débit du fluide, et se retrouveront dans les fils alimentant les électrodes 4 et 5.
Les courants de polarisation I et I' ne pouvant pas être mesurés directement; on les mesure par la différence de potentiel alternative U que le champ alternatif, qu'ils créent, induit par exemple dans les deux solé noïdes 6 et 7 des fig. 1 et 2, solénoïdes situés à proximité du courant I dont on désire mesurer l'intensité. La forme, le type et la disposition des différentes bobines telles que représentées dans les figures, ne sont pas les seules possibles, et la mesure de l'intensité d'un courant alternatif par le champ magnétique qu'il crée, a de nombreuses solutions connues, telles que une ou plusieurs bobines toriques, solénoïdes, etc. (La fig. 4 représente une mesure par bobine torique.)
Une variante dans le nombre des électrodes, tel que représenté par la fig. 1, est représentée par la fig. 4.
Dans cette variante, contre la face intérieure du conduit 1 sont placés l'une à la suite de l'autre deux électrodes ne se touchant pas, 4 et 4', s'étendant sur toute la largeur du conduit 1, et faisant face à deux électrodes similaires 5 et 5', placées contre la face opposée du même conduit 1.
Les deux paires d'électrodes qui se font face sont soumises à une différence de potentiel continue ou alternative V, de façon que le champ électrique, à un instant donné, soit toujours en sens inverse l'un de l'autre entre les deux paires d'électrodes, et ceci en reliant les deux paires d'électrodes à une même source de courant, mais de façon qu'à chaque instant les polarités des électrodes se faisant face soit opposées, et que les polarités de deux plaques qui se suivent du même côté du conduit 1, soient aussi opposées, par exemple tel que représenté dans la fig. 4.
En outre, on entoure la bobine de mesure par une ou plusieurs spires par lesquelles passe une partie ou la totalité du courant qui traverse la source V, et ceci en faisant une dérivation telle que représentée schématiquement dans la fig. 4, en vue de parfaire l'élimination de l'effet de l'induction des courants iG et id dans la bobine.
Comme on le voit dans la fig. 4, le courant de dépolarisation du fluide sortant des plaques 4 et 5, sera dans le même sens que le courant de polarisation du fluide entrant entre les plaques 4' et 5', alors que les courants Ic et id dus à la conduction et à la polarisation du fluide, courants situés dans le volume compris entre les électrodes 4 et 5, 4' et 5', sont en sens inverse, et tout ceci par rapport à une direction perpendiculaire à l'écoulement du fluide.
L'avantage de cette variante réside dans le fait que, si on se place par rapport au plan de symétrie zz' des deux paires d'électrodes 4, 5 et 4', 5', en ce qui concerne les champs créés par les courants de polarisation proportionnels au débit du fluide situés entre les paires d'électrodes 4, 5 et 4', 5' ceux-ci s'ajoutent, alors que les courants iG et id s'annulent en première approximation. En plaçant les bobines de mesure symétriquement par rapport à ce même plan, zz', les différences de potentiel induites s'ajouteront et s'annuleront de la même façon, et l'on ne mesurera, en première approximation, que la différence de potentiel induite par les courants I dont l'intensité est proportionnelle au débit moléculaire du fluide.
Une variante quant à la disposition des électrodeS telle que précédemment décrite et représentée dans les fig. 1, 2, 4 et 5, est représentée à la fig. 6, qui représente une coupe longitudinale d'un conduit rectangulaire.
Les électrodes 4 et 5, 4' et 5' respectivement, bien que se faisant face, ne sont plus symétriques par rapport à l'axe du conduit. Cette disposition des plaques permet par exemple de placer une bobine torique 10 obliquement, en vue de faire une détection du champ, créé par les courants à mesurer plus exacte, étant donné que dans le cas d'un fluide, les vitesses des filets d'écoulement n'ont pas la même vitesse dans une même section du conduit, et par conséquent l'intensité donnée par chacune des molécules est différente.
Une deuxième forme d'exécution est représentée à la fig. 7, qui représente une coupe normale d'un conduit circulaire.
En vue d'obtenir un champ E constant dans le fluide contenu entre les électrodes dans le cas où le conduit est circulaire, les électrodes sont constituées d'un grand nombre de plaques ou de fils conducteurs isolés les uns par rapport aux autres, chacun étant soumis à une différence de potentiel particulière. Dans la fig. 7, 11 représente un isolant et 12 une plaque conductrice. La mesure du courant de polarisation s'effectue selon l'une des méthodes exposées précédemment.
D'autres formes d'exécution sont possibles, en particulier, les électrodes peuvent être disposées aussi bien à l'extérieur des conduits qu'à l'intérieur de ceux-ci; en outre la forme des électrodes peut être adaptée à la forme, par exemple ovale ou polygonale, du conduit.