CA1095591A - Transparent grid flowmeter, anemometer - Google Patents

Abstract

Débitmètre permettant de mesurer le débit d'un écoulement gazeux au moyen d'un jet d'ions parallèle à l'écoulement gazeux. Dans un tube de mesure, on dispose une source d'ions, une électrode dite transparente, et une électrode collectrice, ces grilles étant sensiblement perpendiculaires à la direction d'écoulement du gaz à mesurer. On applique une source de tension entre la première et la deuxième électrode, et on mesure le courant engendré par les ions ayant traversé la deuxième électrode.

Description

1~)9S591 La pr~sente invention concerne une jauge permettant de mesurer le débit massique ou la vitesse d'un écoulement gazeux au moyen d'un jet d'ions sensiblement parallèle à l'écoulement.
Il est connu de mesurer le débit d'un écoulement gazeux au moyen d'un jet d'ions perpendiculaire à l'écoulement et dont on mesure la déformation du trajet dans l'espace, le jet d'ions étant créé par effet corona: brevet britannique Durbin 1.271.825, brevet américain Obermaier 2,727,543, brevet américain Nadot 3,835,705. Dans ces d~bitmètres connus, les ions son~ cr~és au-tour d'une source qui peut être un disque, une pointe, un fil,et sont récoltés sur des électrodes métalliques planes ou cylin-driques, de telle sorte que le faisceau d'ions traverse l'écoule-ment de gaz de manière sensiblement perpendiculaire à la direc-tion de cet écoulement. I'ous ces débitmètres présentent l'incon-vénient d'être extrêmement sensibles à la nature des porteurs de charge électrique (ions) créés aux environs immédiats de leur source ainsi qu~aux variations de leur vitesse de transfert pour aller de la source aux électrodes de col-lection. De plus, ces débitmètres connus ont une section de passage du gaz limitée à quelques centimètres afin de ne pas avoir à appliquer une tension d'ionisation beaucoup trop élevée, et, d'autre part, de conserver une précision suffisante dans les mesures.
Dans les dispositifs connus précités, la précision de la mesure est affectée par toutes les sources de pollu-tion: si, par exemple le gaz est humide, les ions peuvent, au cours de leur parcours, se recombiner avec les molécules dleau, et si le gaz dont on mesure la vitesse comporte des composants ionisables différents, ceux-ci ne sublssent pas la m~me déviation que les ions du gaz principal.

Le but de la présente invention est donc de créer ~,c~

~09S591 un débitm~tre permettant de mesurer le débit d'un écoulement gazeux dans le~uel la source d'ions ne participe pas ~ la mesure, c'est-à-dire que ses fluctuations n'affectent pas la mesure.
La présente invention a encore pour but de réa-liser la mesure du débit d'un écoulement gazeux sans que cette mesure soit affectée par des éventuelles pollutions du gaz dues par exemple à des particules d'eau qui ris~ue-raient de se combiner aux ions créés, ou à des impuretés contenues dans le gaz~
- La presente invention a encore pour but de réa-liser la mesure du débit d'un écoulement gazeux indépen-damment des dimensions de la section de passage du dispo-sitif de mesure.
Selon la présente invention, les but précités sont atteints grace à une jauge dans laquelle le gaz dont on veut déterminer les caractéristi~ues d'écoulement tra-verse une électrode conductrice, des ions étant créés dans le gaz, en amont de cette électrode conductrice la mesure consiste à mesurer le flux des ions ayant pu traverser la susdite électrode sous l'effet de l'écoulement gazeux dont ~, on veut connaitre le débit, cette électrode étant par la suite appelée "grille transparente".
Grace à ce dispositif, on obtient une mesure de grande stabilité qui n'est plus perturbée par les fluctua-tions de la source, la détermination de la proportion d'ions traversant l'électrode étant indépendante du flux d'ions incident.
Grâce au procédé de la présente invention, la source d'ions peut être très proche du réseau ou grille transparente (leur distance n'est pratiquement limitée que par la rigidité
diélectrique entre la source d'ions et cette grille transpa-.
?

~095591 rente), et ainsi, les ions du gaz à mesurer n~ont pratiquement plus la possibilité de se combiner avec les polluan~s, et en outre, la tension à appliquer entre la source et la grille transparente est indépendante de la section de la veine gazeuse, ce qui permet donc d'utiliser dans tous les cas une tension de fonctionnement faible.
Selon une autre caractéristique de la présente in-vention, on mesure le flux d'ions ayant traversé la grille transparente grâce ~ une électrode collectrice se présentant également sous forme de grille ou réseau et située en aval de cette grille transparente, par conséquent, on réalise une mesure moyenne des ions apparaissant sur cette électrode col-lectrice, et les diverses fluctuations de la source (bruits d'émission dûs à la condensation des produits lourds, tels que poussières et fumées, se condensant sur la source, pro-voquant ainsi une dlspersion de la décharge) ne peuvent plus perturber la mesure.
Dans un aspect g~néral, l'invention concerne un pro-céd~ de mesure de débit ou de vitesse d'un écoulement gazeux au moyen d'un jet d'ions prati~uement parallèle audit écoulement gazeux, et émis par une électrode de source et passant à travers une électrode conductrice plane pratiquement perpendiculaire audit écoulement gazeux et se présentant sous forme d'une grille ou d'un réseau, et dite "grille transparente", l'électrode dite "grille transparente" étant disposée en aval de l'électrode de source, et une troisième électrode conductrice placée en aval de la grille transparente procédé caractérisé par le fait que l'on mesure le rapport des courants collectés par lesdites : deuxième et troisième électrodes.
Selon un autre aspect général de l'invention, on pré-voit un dispositif de mesure d'un écoulement gazeux permettant ~095591 la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, et com-portant au moins trois électrodes conductrices dispos~es sur le trajet dudit écoulement gazeux et électriquement isolées entre-elles, la première électrode rencontrée par l'~écoulement cJazeux constituant la source ionique, la seconde électrode étant ladite : grille transparente, et la troisième électrode constituant l'électrode collectrice, ce dispositif comportant en outre entre la première électrode et les autres une source de tension créant un champ électrique tel que les ions produits par la source se déplacent de la première électrode vers la second électrode, dans :. le sens d'écoulement du gaz, dispositif caractérisé par le fait que lesdites première et troisième électrodes sont constituées chacune par une grille ou un réseau conducteur.
L~invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée de plusieurs modes de réalisation pris comme exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels:
- la figure 1 est une illustration schématique du :~:
dispositif de mise en oeuvre du procédé de la mesure avec une source d~ions radioactive;
- la figure 2 est une illustration schématique du dispositif de mise en oeuvre du procédé de la mesure avec une source d'ions par effet corona, - la figure 3 est une illustration schématique du dispositif de la figure 2, avec une régulation de la tension et du courant de la source dlions, - et la figure 4 est une illustration schématique du dispositif de mise en oeuvre du procédé de la mesure avec -3a-~ .

~095591 une source d'ions par effet corona et une mesure du courant débité
par l'électrode collectrice.
La jauge à .source d'ions radioactive de la figure 1 est essentiellement constituée par trois électrodes sous forme de grilles ou réseaux métalliques de mesure 1, 2 et 3 disposées pratiquement perpendiculairement à l'écoulement gazeux à l'in-térieur d'une conduite 4 et électriquement isolées entre-elles, les électrodes occupant pratiquement toute la section de pas-sage de la conduite 4. L'électrode 1 est recouverte d'un revêtement radioactif non représenté. On branche une source de tension 5 entre l'électrode 1 et l'électrode 2, de manière à créer un champ électrique entre ces deux électrodes de telle fa~con que les ions créés se déplacent de l'électrode 1 vers l'électrode 2~ On dispose d'autre part un appareil de mesure de courant 6 entre la source de tension 5 et l'électrode 2, et un autre appareil de mesure de courant 7 entre l'électrode 3 et le point commun de la source 5 et de l'appareil de mesure 6. Le gaz s'écoule dans le sens de la flèche ~3.
On règle la source de tension 5 de telle facon que sa valeur soit suffisante pour que l'on puisse collecter des ions dès que la vitesse du gaz n'est plus nulle. Soit E la valeur du champ électrique au voisinage des fils de l'électrode

2, et ~ la mobilité des ions dans le gaz considéré (générale-ment exprimée en cm2/V.s.). Lorsque la vitesse du gaz est nulle, la vitesse~rdes ions est, en tout point de l'espace VY= u E, et presque tous les ions sont collectés par l'élec-trode 2, puisque presque toutes les lignes de force aboutissent à cette électrode 2.
Dès que le gaz a une vitesse non nulle ~ , la vitesse ~ des ions est:

E

iS9~ -Pour tous les points de l'espace pour lesquels ¦~¦p E, les ions quittent les lignes de force et sont en-tra~n~s au-delà de l'~lectrode 2 et sont co]lect(s par l'élec-trode 3. Le courant de l'~lectrode 3 indiqu~ par l'a~pareil de mesure 7, est donc une fonction bien définie de la vitesse d'orltra~nomcn~ ~O du qaz on rnouvorn-nt. L'apr)areil do mesure de courant 6 indique le courant des ions collectés par l'élec-trode 2. Le rapport des courants I3 et I2 correspondant res-pectivement aux ions collectés par les électrodes 3 et 2 res-pectivement n'est fonction que des caractéristiques d'écoule-ment du gaz.
La distance entre les électrodes 1 et 2 est choisie suffisamment petite pour réduire la recombinaison des ions créés avec, par exemple, des molécules de vapeur d'eau, la limite inférieure de cette distance étant pratiquement déter-minée par la tension de claquage entre les électrodes 1 et 2.
Cette distance est de façon avantageuse de l~rdre de 5 mm.
; La distance entre les électrodes 2 et 3 est choisie du même ordre de grandeur que le pas du réseau constituant l'élec-trode 1, sa limite inférieure étant la distance pour laquelle les lignes de force traversent l'électrode 2 lorsque le gaz est au repos, juste sans atteindre la grille 3 (si les lignes de force atteignaient l'electrode 3, on pourrait lire sur l'appareil de mesure 7 un courant meme lorsque le gaz est au repos).
On choisit le pas du réseau consitutant l'électrode 2 du même ordre de grandeur que la distance entre llélectrode 2 et l'électrode 3 de préférence de l'ordre de 1 mm.
La figure 2 représente un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel la source d'ions est une décharge corona. Le tube de mesure 4 comporte toujours les trois élec-trodes de mesure 1, 2 et 3, mais l'électrode 1 n'est plus ~9S5gl recouverte d'un rcv~tement radioactif. L'appareil de mesure de courant 7 est rernplacé par un voltmètre 10 à grande impé-dance d'entrée, cette impédance d'entrée étant choisie de façon que le courant traversant ledit voltmètre soit très faible par rapport au courant de fonctionnement de la source et la source de tension 5 a une valeur telle qu'elle produit une décharge corona sur l~électrode 1. L'appareil de mesure de courant 6 a été supprimé et remplacé par une résistance 11.
Les ions engendrés sur l'électrode 1 par décharge 10 corona se déplacent vers l~électrode 2 sous l'effet du champ électrique établi par la source de tension 5. Lorsque le gaz à mesurer est au repos, les ions sont pratiquement tous col-lectés par l'électrode 2.
Lorsque le gaz à mesurer a une vitesse non nulle, et se déplace dans la direction de la flèche 8, les ions sont entrainés au-delà de l'électrode 2 et atteignent l~électrode

3, Etant donné que le voltmètre 10 a une grande impédance d'entrée, il apparait sur l'électrode 3 une tension créant un champ électrique qui s'oppose à l'arrivée des ions sur l~électrode 3. Soit El le champ électrique entre les élec-trodes 2 et 3, ~ la mobilité des ions et~O la vitesse du gaz à mesurer, lorsque:

, El 11 = vo les ions n'atteignent plus l'électrode 3.
I.a tension électrique qui s'établit sur l~électrode 3 est donc fonction uniquement des caractéristiques d~écoule-ment du gaz, et il est donc facile de mesurer la vitesse d'é-coulement du gaz ou son débit massique par une methode de zéro:
le champ électrique est tel que pratiquement tous les ions sont captés par la grille transparente 2, c'est-à-dire de fa,con telle que le courant apparaissant sur llélectrode 3 est pratiquement nul, et ce, grâce à la résistance très élevée du voltmètre 10 .

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qui fait que, malgre le très faible nombre d'ions arrivant sur l'électrode 3, la tension entre cette électrode et l'électrode 2 est suffisante pour repousser les ions.
En revenant au montage de la figure 1, on détermine:
I3 = K- I2 e v~J' (1) I3 étant le courant sur l'électrode collectrice 3.
K une constante qui dépend de la géométrie du dispositif, I2 le courant circulant dans l'électrode 2, e la densité du fluide, ~ sa vitesse, e-t V la différence de potentiel entre la source 1 et la grille transparente 2.
On voit donc que pour mesurer la vitesse ou le débit massique du gaz, il est nécessaire de tenir compte de la valeur du courant I2 et de la différence de potentiel V.
Afin d'obtenir une mesure directe de la vitesse ~
du fluide à mesurer, on peut utiliser une alimentation régulée telle que I2 = constante. Dans ce cas, la relation (1) V
devient:
I3 = C. lg' C étant une autre constante égale à ~, I2 ~
Un montage permettant de réaliser cette mesure est schématiquement représenté sur la figure 3~ L'électrode 1 est alimentée par une source de haute tension 12, par exemple un convertisseur de tension à oscillateur. Entre l'électrode 1 et la masse on branche en série deux résistances 13 et 14 formant pont diviseur, la tension aux bornes de la résistance 14 étant envoyée sur l~entrée (+) dlun amplificateur diffé-rentiel 15 dont l'autre entrée (-) rec~oit la tension aux bornes de la résistance 11 qui est branchée entre l'électrode 2 et la masse. La sortie de l'amplificateur différentiel 15 est reliée à une entrée de régulation de la source de tension 12. L'élec-trode 3 est reliée à un amplificateur 16 permettant de régler de fa~con connue l'annulation du courant résiduel grâce à un potentiomètre 17 branché sur une tension auxiliaire u, ce cou-rant résiduel pouvant éventuellement apparaitre sur l'électrode 3 lorsque la vitesse du gaz à mesurer est nulle et lorsque les électrodes 2 et 3 sont très rapprochées. A la sortie 18 de l'amplificateur 16 on recueille une tension proportionnelle à la vitesse d'écoulement du gaz à travers la jauge, ou à son débit massique.
Soient V la tension entre l'électrode 1 et la masse, Rll, R13 et R14 les valeurs respectives des résistances 11, 13 ~ 10 et 14 la régulation de la tension de la source 12 a lieu de ; telle facon que l'on ait:

R13 -~ R14 Rll I2 c'est-à-dire lorsque les tensions aux deux entrées (+) et (-) de l'ampllficateur 15 sont égales. Pour cette condition, on a I R

V 11 ( 13 R14) Cela veut dire que le rapport I2 est constant pour des valeurs déterminées des résistances Vll, 13 et 14, la pré-cision de cette valeur dépendant directement du gain de l'am-plificateur 15, que l'on peut rendre aussi élevé que nécessaire.
La figure 4 représente un autre mode de réalisation de l'invention utilisant une source d'ions corona et une mesure du courant de la ~rille collectrice. Dans cette réalisation, on a ajouté une électrode 19 symétrique de l'électrode 2 par rapport à l'électrode 1 et une électrode 20 symétrique de l'électrode 3 par rapport à l'électrode 1. Les électrodes 2 et 19 sont reliées entre elles et réunies à la source de tension - 5 par l'intermédiaire d'une résistance 11 le point commun de la résistance 11 et de la source de tension 5 est relié aux électrodes 3 et 20 respectivement par les résistances 21 et 22, un mlcroampèremètre 9 est branché entre les électrodes 3 et 20.

. ~ .

l~SS91 Le montage ainsi realisé est bi-direc-tionnel. On règle la valeur de la source de haute tension 5 pour provoquer une décharge corona autour de l'électrode 1.
Dans ce dernier mode de réalisation, le fonctionne-ment est sensiblement le même que celui dans le premier dis-positif décrit, la résistance 11, traversée par le courant I2, développe une tension entre les électrodes 2 et 3, de facon à améliorer les propriétés de linéarité du dispositif de mesure.
Le microampèremètre 9 indique la différence des courants appa-ralssant sur les électrodes 3 et 20, cette différence étantcaractéristique de la vitesse d'écoulement du gaz. De meme que dans le cas précédent~ la source de tension 5 est avanta-geusement réalisée de façon telle que la tension à ses bornes et que le courant qu'elle fournit soient dans un rapport cons-tant, afin d'avoir une mesure directement fonction de la vi-tesse d'écoulement du gaz~
Dans tous les modes de réalisation ci-dessus décrits, on peut régler le fonctionnement de la jauge pour une vitesse des gaz nulle soit en agissant sur la distance des électrodes 2 et 3 gr~ce à un dispositif mécanique, soit en agissant sur le champ électrique autour de l'électrode 2 grâce à un dis-positif de réglage purement électrique, ce qui est préférable.
En outre, tous les autres modes de réalisation décrits ci-dessus peuvent être rendus bi-directionnels si l'on ajoute un jeu de deux électrodes symétriques des électrodes 2 et 3 par rapport à la source 1, et en réalisant les branchements électriques appropriés.
On remarquera également que l'on peut canaliser le flux de gaz au niveau de la source par exemple en profilant la surface intérieure de la conduite à ce niveau de fac,on à
y créer un léger renflement périphérique s'étendant vers l'axe de la conduite, afin que le gaz ne traverse que la partie ~L~95S91 active de l'électrode de source.
Les modes de réalisation décrits ci-dessus comportant de préférence des electrodes planes, disposées dans une con-duite de mesure, mais il est évident que l~on obtiendrait des résultats comparables avec des électrodes ayant dlautres formes.
en respectant simplement la caractéristique principale de la présente invention, à savoir l'interposition de l'électrode "transparente" entre une source d'ions et une électrode col-lectrice. On peut par exemple disposer autour de la source des électrodes de forme cylindrique ou sphérique, et effectuer la mesure à l'alr libre.

1,~
1: .
f ' - 10 -~t39S591 DIW LGUATION SUPPLEMENTAIRE

Il a été découvert que le dispositif de mesure selon l'invention, en lloccurence la jauge permettant de mesurer le débit massique ou la vitesse d'un écoulement gazeux, pouvait aussi 8tre utilisé pour les liquides isolan-ts, en particulier, les hydrocarbures liquides.

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Claims (17)

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:-

1. Procédé de mesure de débit ou de vitesse d'un écoule-ment gazeux au moyen d'un jet d'ions pratiquement parallèle audit écoulement gazeux, et émis par une électrode de source et passant à travers une électrode conductrice plane pratiquement perpen-diculaire audit écoulement gazeux et se présentant sous forme d'une grille ou d'un réseau, et dite "grille transparente", l'é-lectrode dite "grille transparente" étant disposée en aval de l'électrode de source, et une troisième électrode conductrice placée en aval de la grille transparente procédé caractérisé
par le fait que l'on mesure le rapport des courants collectés par lesdites deuxième et troisième électrodes.

2. Procédé de mesure selon la revendication 1, selon lequel on branche entre la deuxième et la troisième électrodes un dispositif de mesure de tension à impédance d'entrée très élevée, caractérisé par le fait que l'on choisit ladite impédance d'entré?
de façon que le courant traversant ledit appareil de mesure soit très faible par rapport au courant de fonctionnement de la source ionique et par le fait que l'on détermine la valeur du débit ou de la vitesse de l'écoulement gazeux par une méthode de zéro, de façon que le courant apparaîssant sur ladite troisième électrode soit pratiquement nul.

3. Procédé de mesure selon la revendication 1, caractérisé
par le fait que l'on maintient constant le quotient: courant de la deuxième électrode/tension appliquée sur la source.

4. Dispositif de mesure d'un écoulement gazeux permettant la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, et com-portant au moins trois électrodes conductrices disposées sur le trajet dudit écoulement gazeux et électriquement isolées entre-elles, la première électrode rencontrée par l'écoulement gazeux constituant la source ionique, la seconde électrode étant ladite grille transparente, et la troisième électrode constituant l'électrode collectrice, ce dispositif comportant en outre entre la première électrode et les autres une source de tension créant un champ électrique tel que les ions produits par la source se déplacent de la première électrode vers la second électrode, dans le sens d'écoulement du gaz, dispositif caractérisé par le fait que lesdites première et troisième électrodes sont constituées chacune par une grille ou un réseau conducteur.

5. Dispositif de mesure selon la revendication 4, compor-tant une première électrode recouverte d'un revêtement radioactif, caractérisé par le fait qu'il comporte chaque fois en série avec lesdites seconde et troisième électrodes et avec la source de tension alimentant la première électrode, un appareil de mesure de courant.

6. Dispositif de mesure selon la revendication 4, carac-térisé par le fait que la source d'ions est uniquement une dé-charge corona localisée autour de ladite première électrode, et qu'il comporte un appareil de mesure de tension à grande impéd-ance d'entrée en série avec la troisième électrode, cette impéd-ance d'entrée étant choisie de façon que le courant traversant ledit appareil de mesure de tension soit très faible par rapport au courant de fonctionnement de la source ionique.

7. Dispositif de mesure selon la revendication 4, carac-térisé par le fait que la source de tension alimentant la pre-mière électrode est stabilisée en tension, et que le courant produit par la deuxième électrode est également stabilisé.

8. Dispositif de mesure selon la revendication 7, carac-térisé par le fait que la tension produite par le courant de la deuxième électrode aux bornes de la résistance qui est branchée en série avec cette électrode est envoyée à l'une des entrées d'un amplificateur différentiel, dont l'autre entrée reçoit une tension proportionnelle à la tension appliquée sur la première électrode, et que la tension de sortie dudit amplificateur diffé-rentiel est envoyée à une entrée de commande de ladite source de tension d'alimentation de la première électrode.

9. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des reven-dications 4, 7 et 8, caractérisé par le fait qu'il comporte, de chaque côté de l'électrode de source, un jeu d'électrodes, dont les électrodes sont respectivement symétriques des électrodes de l'autre jeu.

10. Dispositif de mesure selon la revendication 4, carac-térisé par le fait que la distance entre les deux premières électrodes est choisie suffisamment petite pour réduire une re-combinaison des ions créés par la première électrode avec des impuretés contenues dans le gaz à mesurer, en particulier avec des molécules de vapeur d'eau.

11. Dispositif de mesure selon la revendication 10, carac-térisé par le fait que ladite distance est de l'ordre de 5 mm.

12. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la distance entre les deuxième et troisième électrodes est choisie telle que les lignes de force traversant la deuxième électrode n'atteignent pas cette troisième électrode lorsque le gaz est au repos, cette distance étant de préférence du même ordre de grandeur que le pas de la deuxième électrode.

13. Dispositif de mesure selon la revendication 12, carac-térisé par le fait que ladite distance est de l'ordre de 1 mm.

14. Dispositif de mesure selon la revendication 4, carac-térisé par le fait que lesdites seconde et troisième électrodes sont de forme cylindrique ou sphérique et sont disposées autour de la source.

15. Dispositif de mesure selon la revendication 13, carac-térisé par le fait que ladite distance est de l'ordre de 1 mm.

REVENDICATIONS ETAYEES PAR LA DIVULGATION
SUPPLEMENTAIRE

16. Procédé selon la revendication 1, pour la mesure de débit ou de vitesse d'un écoulement des liquides isolants.

17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé par le fait que les liquides isolants sont des hydrocarbures liquides.