Dispositif pour mesurer au moins une grandeur caractéristique
d'un écoulement de fluide
La présente invention a pour objet un dispositif pour mesurer au moins une grandeur caractéristique d'un écoulement de fluide, par exemple sa vitesse, son débit, la quantité de fluide écoulée pendant un temps, déterminé, etc.
Les dispositifs connus notamment pour la mesure du débit dans une conduite, peuvent se classer en deux grandes catégories :
Dans la première, le fluide est contraint de traverser une partie rétrécie dans son trajet d'écoulement, ce qui se traduit par un accroissement de sa vitesse et une réduction correspondante de sa pression statique. L'écart de pression existant entre deux points situés, l'un dans la zone d'écoulement libre,
I'autre dans la zone d'écoulement resserré, mesure la vitesse d'écoulement ; en mesurant cet écart de pression, au moyen d'un manomètre par exemple, on connaît donc la vitesse du fluide. Pour créer le resserrement ou rétrécissement précité de la veine fluide, le plus simple est de ménager dans la conduite un convergent-divergent ou Venturi, ou encore d'interposer un diaphragme percé d'un orifice.
Les dispositifs de ce type sont sensibles aux variations se produisant dans les conditions ambiantes ; notamment les variations de pression atmosphérique et de température ; en outre, les moyens de mesure ne sont en général utilisables que sur des écarts de pression assez limités, de sorte qu'un tel dispositif ne peut être employé qu'avec un fluide déterminé et dans des conditions d'écoulement elles-mêmes, déterminées. On trouve souvent les débit-mètres de ce type dans les installations importantes où l'on peut se contenter d'une indication sur la vitesse d'écoulement ; en effet, il est difficile de traduire la mesure de vitesse, telle qu'elle est donnée par l'écart de pression, en une mesure de débit facile à étalonner, puis en une mesure de volume de fluide écoulé (comme dans les compteurs).
La deuxième catégorie de dispositifs, couramment employés comme débit-mètres, est celle utilisant une palette ou hélice tournante, souvent sous la forme d'un rotor hélicoïdal, et placée de sorte que son axe de rotation soit parallèle au trajet du fluide. Celui-ci en franchissant cette palette l'entraîne en rotation, et la vitesse angulaire de la palette varie en fonction de la vitesse d'écoulement ; il est alors facile, par une liaison appropriée, d'obtenir une indication de celle-ci. Ce dispositif présente plusieurs inconvénients évidents, notamment l'obstacle introduit dans le trajet du fluide par la présence de la palette tournante et des organes de support qui, bien entendu, doivent pénétrer dans la veine.
Ces obstacles perturbent l'écoulement, notamment quand la vitesse du fluide dépasse une certaine valeur, et l'énergie cinétique du fluide subit de ce fait une perte appréciable.
L'inertie mécanique des organes en mouvement est un autre inconvénient sérieux qui fait que le dispositif ne répond que paresseusement aux variations de la vitesse du fluide, et qui rend le système peu précis puisqu'il faut déjà que l'écoulement atteigne une vitesse notable avant que l'hélice ne se mette en rotation. De plus, aux grandes vitesses, la précision est affectée par ce fait que l'hélice doit, par sa nature même, être montée sur un palier de butée dirigé vers l'aval ; or, quand la vitesse du fluide varie, la pression exercée sur cette butée varie de façon correspondante, introduisant ainsi un facteur variable qui affecte la précision.
Les avantages de ce système sont, néanmoins, sa relative simplicité de fabrication et d'emploi, et aussi la possibilité de dé- terminer le débit et le volume d'écoulement puis qu'on peut facilement réaliser une liaison mécanique avec l'hélice ou palette tournante.
Le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend un boitier, des moyens pour conduire ledit fluide à travers le boîtier suivant au moins une veine, au moins un évidement dans le parcours d'écoulement de ladite veine, des moyens pour produire un rétrécissement de cette veine fluide en amont dudit évidement, un organe rotatif de forme allongée et présentant un profil aérodynamique, monté dans ledit évidement pour tourner autour d'un axe transversal par rapport à la direction d'écoulement du fluide à travers le boitier à l'endroit de l'évi- dement, cet organe étant agencé de telle manière que dans au moins une position un de ses bords fasse saillie dans la veine de fluide traversant le boîtier,
et que dans une seconde position il soit complètement à l'intérieur de l'évidement de façon à être obligé de tourner sous l'action successive des forces ascensionnelles, dynamiques et statiques engendrées par le fluide en mouvement au voisinage et à l'intérieur dudit évidement, des moyens sensibles à la vitesse de rotation dudit organe et fournissant un signal représentatif de cette vitesse, et des moyens recevant ledit signal et agencés pour déterminer, en fonction de ce dernier, la valeur de ladite grandeur caractéristique.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution du dispositif faisant l'objet de la présente invention et des variantes.
La fig. la montre schématiquement un écoulement non turbulent, et la fig. lb, le diagramme des vitesses correspondant.
La fig. 2a montre ce que devient l'écoulement montré en fig. la quand la vitesse dépasse le seuil critique de turbulence, et
les fig. 2b et 2c montrent les diagrammes de vitesse correspondant à deux états de turbulence différents.
La fig. 3a montre l'influence d'un rétrécissement de la veine dans la conduite.
Les ; fig. 3b, 3c, 3d montrent les diagrammes de vitesse correspondants en trois sections de la conduite.
La fig. 4 montre comment on peut introduire un tourbillon stationnaire à la limite de la veine principale.
La fig. 5 montre un dispositif analogue à celui de la fig. 4, mais profilé pour réduire la résistance opposée à l'écoulement.
Les fig. 6a, 6b et 6c montrent trois dispositions possibles d'une pale tournant dans l'évidement ; sur la fig. 6a, la pale ne pénètre pas dans l'écoulement ; sur la fig. 6b elle pénètre sur une distance excessive ; la fig. 6c montre la disposition préférée ;
Les fig. 7a et 7b sont des vues en perspective de deux formes de pales, rotatives respectivement plate et torse.
La fig. 8 est une coupe axiale de ladite forme d'exécution.
La fig. 9 est une élévation-coupe suivant la ligne IX-IX de la fig. 8.
La fig. 10 est une vue schématique d'un détail de la fig. 8.
La fig. 11 est un organigramme de circuit électronique associé à la fig. 10 pour donner les indications de vitesse, débit et volume.
Les fig. 12a et 12b sont des graphiques montrant l'allure de la modulation de l'onde porteuse du circuit de la figure 11, pour deux vitesses angulaires différentes.
Les fig. 13a et 13b sont des graphiques relatifs à l'onde de sortie résultante ; la fig. 13a montre la forme d'onde aussitôt après détection, la fig. 13b après détection et suppression de la partie de l'onde au-dessous d'un niveau donné.
La fig. 14a montre une variante du dispositif de mesure des fig. 8 et 9 en coupe longitudinale.
La fig. 14b montre la même variante en coupe transversale.
La fig. 14c montre en perspective une variante de détail.
La fig. 15a montre en coupe axiale une variante du dispositif selon les fig. 8 et 9.
La fig. 15b montre cette variante en perspective extérieure avec une plaque de couverture enlevée.
Les fig. 16a, 16b et 16c sont relatives à une autre variante ; la fig. 16a en est une vue en perspective ; la fig. 16b est une coupe transversale, et la fig. 16c une vue en plan.
Les fig. 17a et 17b ont pour but de comparer les conditions d'écoulement dans un dispositif du type représenté sur les fig. 8 et 9 d'une part (fig. 17a), et dans une variante de ce dispositif (fig. 17b).
On commence par rappeler ici certaines notions connues en mécanique des fluides. L'écoulement d'un fluide le long d'une paroi peut s'effectuer suivant deux modes principaux : laminaire et turbulent ; l'un ou l'autre régime peut s'observer sur une surface donnée selon la valeur prise par divers facteurs, notamment la vitesse du fluide, sa densité, sa viscosité, ainsi que les conditions géométriques ou physiques de l'écoulement.
Un critère très utile qui établit une corrélation entre ces divers paramètres est le nombre de Reynolds, qui est le produit d'une certaine vitesse caracéristique par une certaine longueur caractéristique, divisé par la viscosité cinématique du fluide ; cependant les nombres de Reynolds ne sont comparables entre eux que s'ils se réfèrent à des conditions géométriques d'écoulement semblables, par exemple l'écoulement de différents fluides à des vitesses, diffé- rentes, mais le long des surfaces sphériques dont les rayons peuvent être différents.
Le nombre de
Reynolds s'écrit : P
Re=lv1 étant la longueur caractéristique de la surface le long de laquelle se fait l'écoulement, par exemple le diamètre interne d'une conduite, s'il s'agit d'un fluide circulant dans une conduite, ou la longueur de la corde s'il s'agit d'un fluide s'écoulant le long d'un profil aérodynamique par exemple ; v est la vitesse principale du fluide, P est la densité du fluide et y sa viscosité. Les deux premiers facteurs sont, ainsi qu'il est évident, ceux qui définissent les conditions physiques ou géométriques de l'écoulement, et les deux derniers, ceux qui régissent l'influence du milieu et de la température.
Dans des conditions données, la transition du régime laminaire ou visqueux au régime turbulent se manifeste par une variation brusque de la résistance opposée par la surface au fluide (c'est-à-dire de la traînée), de sorte que la courbe du coefficient de traînée en fonction de la vitesse présente un décrochement net à une vitesse bien déterminée marquant le passage du régime laminaire au régime turbulent, et correspondant à un nombre de Reynolds bien défini. Cette valeur du nombre de Reynolds est appelée le nombre de Reynolds critique, ou parfois le critère de Reynolds ; elle est très sensiblement constante pour des conditions d'écoulement déterminées, par exemple pour le cas de l'écoulement dans une conduite, même si les divers facteurs énumérés plus haut varient.
Ainsi pour le cas qui vient d'être mentionné, le nombre de Reynolds critique est voisin de 2000.
Le caractère de ces deux modes d'écoulement est mis en évidence par les fig. 1 et 2, dont la pre mière montre l'écoulement laminaire, et la seconde l'écoulement turbulent, tous deux dans une conduite.
La fig. la montre une conduite C de diamètre intérieur constant D, dans laquelle circule un fluide à vitesse moyenne Var. Dans l'écoulement laminaire que montre cette figure, il n'y a que peu ou pas de turbulence, ainsi que l'indiquent les lignes, de flux S bien rectilignes et parallèles. Le diagramme des vitesses de la fig. 1b montre de son côté que le long d'un diamètre dans une section de la conduite, la vitesse varie suivant une allure parabolique, la vitesse maximale Vmax étant atteinte sur l'axe, c'est-à-dire à la distance D/2 des, parois.
L'allure parabolique du gradient de vitesses peut s'expliquer ainsi : les filets touchant les parois sont stationnaires (leur vitesse est nulle), et il se produit ensuite un déplacement relatif entre les couches, voisines du fluide, chaque couche glissant par rapport à la couche voisine.
La fig. 2a montre ce qui se passe quand la vitesse, ou tout autre facteur parmi les facteurs intervenant dans la formule de Reynolds, a été modifié de manière telle que le nombre de Reynolds ait pu atteindre sa valeur critique, on voit que l'écoulement de laminaire est alors devenu turbulent. La couche limite s'est décollée de la paroi de la conduite C, créant ainsi, près de cette paroi (d'ailleurs beaucoup plus près que ne le fait apparaître la fig. 2a très exagérée sous ce rapport), une zone d'écoulement turbulent. Cependant, dans la région axiale de la conduite, les conditions restent toujours celles de l'écoulement laminaire ou visqueux.
Autrement dit, la frontière de la zone d'écoulement principal n'est plus située à la paroi de la conduite, mais en est écartée d'un court intervalle dans lequel se place une région de turbulence ; il s'ensuit que 1'effet retardateur des couches successives du fluide, consi dérées en s'éloignant de la paroi, est moins marqué que dans le premier cas, et la croissance de la vitesse, à la traversée de la zone turbulente, est beaucoup plus rapide. C'est ce que montre la fig. 2b où l'on remarque que la courbe des vitesses, suivant le diamètre D, tombe brusquement à zéro à chaque extrémité, et présente dans. la zone axiale de la conduite une plage constante étendue.
Dès que le nombre de Reynolds a dépassé son seuil critique, des tourbillons apparaissent entre la couche limite et la paroi. Ces tourbillons se forment au hasard, et se propagent à vitesse relativement lente dans le même sens que l'écoulement général. De par leur mouvement giratoire caractéristique de la turbulence, ils donnent lieu à une inversion du. flux aux parois de la conduite ; cette particularité apparaît sur la fig. 2c où le diagramme montre effectivement une inversion du signe de la vitesse dans la zone de turbulence, tout en présentant dans la région centrale une plage de vitesses constantes comme sur la fig.
2b. Les filets, fluides S traduisent la formation des tourbillons comme l'indique la fig. 2a.
Pour introduire volontairement de la turbulence dans une veine fluide, on peut créer un rétrécissement ayant pour effet d'augmenter localement la vitesse dans une mesure assez grande pour que le nombre de Reynolds, dans la section rétrécie, dé- passe la valeur critique. Ainsi, la fig. 3a montre une conduite C dans la partie amont de laquelle l'écoulement est supposé laminaire comme l'indique le diagramme correspondant des vitesses (fig. 3b). Dans cette conduite on insère un diaphragme P qui crée ainsi un rétrécissement brusque de la veine, comme le montrent les filets S. La section droite effective de la veine est atteinte un peu en aval du diaphragme, dans la section A-A ; cette section minimum est parfois appelée la vena contracta.
En aval du diaphragme P, il se forme alors une série de tourbillons Vl, V2, V3,... qui donnent au diagramme des vitesses l'allure de la fig. 3c, avec une inversion effective de l'écoulement aux parois. Le diamètre effectif de la vena contracta est désigné par d. Sur toute l'étendue de ce diamètre d, la vitesse d'écou- lement garde une valeur sensiblement constante Vc.
Une particularité'de l'écoulement turbulent étant son caractère instable, qui fait qu'en l'absence des conditions qui l'ont créé il tend à disparaître, les tourbillons en aval du diaphragme P deviennent de plus en plus petits, jusqu'à ce qu'enfin l'écoulement laminaire soit rétabli et le diagramme des vitesses reprend alors la forme parabolique représentée en fig. 3d en une section suffisamment éloignée de la perturbation introduite. La vitesse maximale V'max dans cette section est légèrement inférieure à celle régnant dans la section amont, puisqu'il y a eu une perte inévitable d'énergie cinétique, du fait de l'in- troduction du diaphragme.
Comme on l'a signalé, les tourbillons n'ont pas un caractère fixe, mais se déplacent lentement vers l'aval à partir de leur point de formation derrière le diaphragme. Mais si l'on insère un second diaphragme en aval du premier, comme le montre la fig.
4, où PI désigne le diaphragme amont et P2 le diaphragme aval, il se forme entre ces deux diaphragmes un tourbillon V, qui est bloqué en position fixe par les deux diaphragmes qui l'enserrent, et ne peut donc pas se propager vers l'aval comme le faisaient les, tourbillons libres de la fig. 3. Bien entendu, des tourbillons secondaires V2, etc. prennent naissance en aval du second diaphragme P et se propagent, eux, librement vers l'aval.
On a ainsi créé un tourbillon stationnaire V. Puisqu'il est en contact par la zone intérieure de sa périphérie avec la veine principale, ce tourbillon tourne nécessairement à une vitesse angulaire proportionnelle à la vitesse d'écoulement rétrécie dans la section, c'est-à-dire à vc. C'est, notamment, cette propriété qui est mise à profit dans le dispositif dé- crit.
La disposition représentée sur la fig. 4, présente certains inconvénients : d'une part, en effet, il se forme contre la face amont, rectangulaire, du diaphragme PI, une zone stagnante F qui introduit une forte résistance à l'écoulement du fluide dans la conduite C. De plus, la présence des tourbillons secondaires V,... en aval du diaphragme P. perturbe elle aussi l'écoulement, et conduit à une perte d'é- nergie.
La fig. 5 montre une disposition réduisant ces inconvénients au minimum. Le diaphragme amont
Pi a été remplacé par un profilage dont le bord aval se raccorde par une pente progressive avec la paroi de la conduite C. La zone de stagnation F de la fig.
4 est ainsi supprimée, le rétrécissement du diamètre de la conduite étant introduit progressivement et la résistance opposée par la plaque ? i étant considé- rablement diminuée.
De même, le diaphragme aval P est remplacé par un profilage en sens inverse pour ménager un raccordement progressif entre le bord intérieur et la paroi de la conduite ; on supprime ainsi les tourbillons secondaires V... de la fig. 4 en aval.
La forme de l'évidement R dans lequel tourne le tourbillon Vi, evidement qui, sur la fig. 4, est délimité par les faces, des diaphragmes Pi et Ps, a elle aussi été profilée pour en éliminer les petites zones de stagnation qui seraient autrement présentes, et comme le montre la fig. 5, cet évidement R forme maintenant une chambre partiellement cylindrique aux contours arrondis.
On remarque que le dispositif ainsi obtenu, suivant la fig. 5, peut être considéré, du moins en coupe par un plan diamétral approprié, comme dé- rivant du convergent-divergent ou tuyère de Venturi classique, utilisé couramment dans les débit-mètres, par introduction d'un evidement, ou d'un alvéole R dans la région du col.
Ayant ainsi engendré le tourbillon stationnaire, il reste à en mesurer la vitesse angulaire de giration. On y parvient en montant dans l'évidement R un élément libre de tourner autour d'un axe perpendiculaire à l'écoulement et parallèle au plan moyen de la paroi balayée par le fluide au voisinage de l'évidement ; c'est ce que montrent les fig. 6a, 6b et 6c.
L'élément rotatif B a ici la forme d'une aube ou pale dont les dimensions sont, bien entendu, régies par celles de la chambre R. Toutefois, la longueur dont cette pale dépasse la surface moyenne au voisinage de l'évidement pour pénétrer dans la veine principale présente une certaine importance car cette distance peut influer sur la rapidité avec laquelle le système répond aux variations de vitesse.
La fig. 6a montre ce qui se passe quand la pale B ne pénètre pas dans la veine principale. Sa rotation est alors provoquée uniquement par les variations de la pression statique de part et d'autre de la pale, variations dues qu'en aval, la section d'écoulement étant plus grande, entraîne une vitesse d'écoulement plus faible et une augmentation de pression par rapport à l'amont. Cet écart de pressions provoque la rotation de la pale à une vitesse proportionnelle à la vitesse d'écoulement, de sorte que le dispositif est utilisable. Toutefois, dans ces conditions, les variations intervenant dans la vitesse d'écoulement à mesurer ne se traduisent par une variation de la vitesse angulaire de la pale qu'avec un certain retard.
Si par contre, la pale pénètre trop avant dans la veine comme l'indique la fig. 6b, elle tend ellemême à engendrer sur son bord amont, des tourbillons parasites Var qui peuvent perturber sa rotation et introduisent, en outre, une résistance dans l'écoulement de la veine.
Selon la disposition de la fig. 6c, la pale pénè- tre dans la veine sur une longueur égale à 20 à 30 % environ du diamètre de la circonférence qu'elle balaye, ou de sa largeur dans le cas où elle présente la forme simple représentée. Elle profite alors de la pression dynamique de la veine principale en plus de la surpression statique en T, et sa vitesse est alors régie avec précision par la vitesse giratoire du tourbillon et par conséquent par la vitesse linéaire à mesurer ; en outre, elle répond quasi instantanément aux variations de cette vitesse.
L'élément rotatif peut affecter des formes (et dimensions) très diverses suivant les circonstances, mais en général, il a la forme d'une aube, pale ou ailette ; les. fig. 7 en montrent deux formes préfé- rées. Selon la fig. 7a, c'est une simple plaque allon gée, rectangulaire en plan, à profil biconvexe aplati en section. Selon la fig. 7b, la pale est obtenue à partir de la forme simple de la fig. 7a en communiquant à la plaque une légère torsion continue autour de l'axe de rotation, par rotation de sa section droite, à un taux angulaire constant, sur toute la longueur de la pale.
Cette pale donne d'excellents résultats, notamment en raison de la rapidité de sa réponse à partir de la vitesse zéro, et aussi de la constance de sa vitesse angulaire et de sa moindre sensibilité aux phénomènes transitoires présents quel que soit le régime d'écoulement.
La principale application du dispositif décrit est réalisée dans les appareils servant à la mesure des débits. Pour cela, il faut évidemment que le fluide traverse le dispositif de mesure. Dans le cas d'un fluide circulant dans une conduite ou autre volume confiné, le plus simple pour cela est d'insérer le débit-mètre dans la conduite. Mais dans d'autres cas, par exemple, les mesures de vitesse en rivière ou en soufflerie, etc., il est impossible de faire passer la totalité du débit à travers le dispositif de mesure ; en ce cas, il faut, de préférence, que le débit-mètre isole une veine du fluide transversalement par rapport à l'écoulement et la confine au moyen d'un tronçon de conduite.
Le débit-mètre représenté comporte un tronçon de conduite ou de tube incorporé. C'est notamment le cas de la forme d'exécution représentée sur les fig. 8 et 9. Le dispositif représenté en 1 comprend une bâche extérieure 17 percée d'un alésage cylindrique de diamètre D jouant le rôle d'un tronçon de conduite, et susceptible d'être raccordée à ses deux bouts à une conduite où circule le fluide dont il s'agit de mesurer le débit. A partir de la zone amont 2, la section transversale offerte à l'écoule- ment se resserre jusqu'à une zone médiane 3 dans laquelle sa dimension verticale est réduite à d. Ensuite la veine s'élargit de nouveau pour revenir au diamètre primitif D de la conduite dans la zone de sortie 4.
Le rétrécissement de la veine est obtenu de manière progressive et continue grâce au profilage d'entrée 5, et sa dilatation ultérieure est de même assurée par le profilage de sortie ou diffuseur 6, les surfaces intérieures de ces deux profilages ayant un fini très poussé pour réduire les frottements au minimum. Les profilages 5 et 6 peuvent être fabriqués séparément et rapportés à l'intérieur de la bâche 17 par soudure ou brasage, ou peuvent venir de fonderie avec elle.
Comme le montre la fig. 9, ces deux profilages, dans 1'exemple choisi, ne sont pas de révolution comme ils le seraient dans un débit-mètre à Venturi, mais présentent en haut et en bas des surfaces intérieures planes parallèles dont les traces sur un plan de section droite seraient deux cordes parallèles de la circonférence définie par l'alésage de la bâche 17 ; ainsi la zone rétrécie 3 présente, en section, sensiblement la forme d'un rectangle dont les deux petits côtés (verticaux) seraient curvilignes.
C'est évidemment le taux de réduction de la section de la veine qui régit l'accroissement de vitesse du fluide ; dans l'exemple, le rapport de la section libre (où le diamètre est D) à la section rétrécie (où le diamètre est d) est d'environ 3/2 ; le rapport d'accroissement des vitesses correspondant est alors de 1, 6, ainsi qu'il résulte de l'équation suivante exprimant que le régime est permanent :
Avav = C, av, où A est l'aire de la section de diamètre D, v la vitesse moyenne, Cc le coefficient de contraction de la veine exprimé par le rapport de l'aire de section droite calculée au droit de la vena contracta à l'aire a de la section droite en ce point de constriction maximum, et VC la vitesse moyenne du fluide en ce point de rétrécissement maximum. Les angles soustendus par les surfaces intérieures planes des parties 5 et 6, mesurés par rapport au centre de l'alésage, présentent une assez grande importance, car le rétrécissement de la veine doit être effectué de façon continue et progressive sans réduction ni dilatation exagérées.
De préférence l'angle de la partie d'entrée 5 est compris entre 10 et 200, et celui de la partie de sortie 6 entre 50 et 15 . Dans un exemple de réalisation satisfaisant, ces angles, ont été de 14 et de 10o respectivement.
Les profils d'entrée et de sortie 5 et 6 sont alignés, et la section droite de la veine au bord aval du profil d'entrée ne doit pas être supérieure à celle existant au bord amont du profil de sortie, étant plutôt un peu plus faible ; afin de permettre à la couche limite de la veine principale, qui commence à diverger après la vena contracta, de se raccorder régulièrement avec la surface du profil de sortie.
Ces deux profils sont écartés axialement l'un de l'autre comme l'étaient les diaphragmes de la fig. 4, et leur intervalle délimite une section centrale dont les bords sont contigus à ceux des profils d'entrée et de sortie et se raccordent progressivement à eux. Ainsi dans la zone de rétrécissement maximum, se trouvent deux alvéoles 7 diamétralement opposés, dont chacun s'étend en longueur, en principe, sur toute la largeur de la conduite, et dont la section présente le tracé optimum déjà mentionné. Dans chacun de ces alvéoles est montée une palette 8, plane ou torse selon ce qu'on a décrit.
L'orientation de la palette dans son logement, a, elle aussi, été décrite plus haut ; on sait que son axe de rotation longitudinal est transversal par rapport à la direction de l'écoulement du fluide, et parallèle au plan moyen de la couche limite de la veine principale s'écoulant devant l'ouverture de l'évidement ; la position exacte de ce plan étant difficile à définir, puisqu'il peut s'agir d'une surface courbe dans certaines applications où le bord aval du profil d'entrée ne serait pas plan sur toute sa largeur, il paraît plus commode de définir la position de l'axe de la palette, comme ci-dessus.
Pour mieux comprendre l'action de la palette tournante, on peut la considérer comme une aube de turbine, et l'évidement comme une chambre de turbine de forme générale cylindrique, dont la paroi est interrompue sur une partie de son pourtour près de la veine principale pour ménager une communi cation entre cette chambre et l'alésage de la bâche.
A chaque extrémité de chaque pale est aménagé un axe ou tourillon 21 (fig. 9). Ces axes tourillonnent dans des paliers 22, 23 montés respectivement de part et d'autre de la pale 8. Le palier 22, plus petit que le palier 23, s'appuie contre un joint 24.
Au montage, on commence par introduire la pale par l'extrémité plus largement ouverte contenant le palier 23 jusqu'à ce qu'elle soit en place dans le palier 22 ; puis on introduit le grand palier 23 et on le visse en position. De part et d'autre de la pale tournante ainsi montée on fixe les, plaques de protection 25 au moyen de vis 26.
Le mécanisme associé à la pale tournante et destiné à fournir une mesure proportionnelle à sa vitesse angulaire est de préférence monté dans un boîtier faisant corps avec la bâche de l'appareil, tel que le boîtier 13 des fig. 8 et 9.
Ce mécanisme pourrait, en principe, être méca- nique ou électromécanique. C'est ainsi qu'on pourrait utiliser un tachymètre ou un compte-tours directement entraîné par l'axe de la pale pour indiquer le débit, et entraînant un compteur pour donner le volume, de la manière bien connue.
On pourrait aussi utiliser un moteur électrique dont le rotor serait entraîné par l'axe de la pale.
Mais tous ces moyens comportent une liaison méca- nique avec la pale, augmentant l'inertie et réduisant la rapidité de réponse. Dans de nombreux cas pratiques, cette considération est secondaire et on pourra alors recourir aux divers moyens qui viennent d'être énumérés, ou à des moyens classiques équivalents.
Dans le dispositif décrit, cependant, on préfère utiliser un dispositif capteur perfectionné représenté en coupe dans l'ensemble 13 de la fig. 8.
Cet ensemble est monté dans un boîtier cylindrique 14 qui peut être venu de fonderie avec la bâche 17. Dans ce boîtier est montée une bobine de self 10 dont l'axe est orthogonal à la fois à l'axe de la conduite et à l'axe de rotation de la pale 8.
Dans l'axe de la bobine est disposé un noyau 11 en fer fritte servant au réglage de la réactance. La bobine 10 est montée sur un support 12 qui s'encastre dans la paroi de la bâche 17 et est constituée en une matière non magnétique pour ne pas influer sur le champ magnétique créé autour de la bobine.
Le support 12 est maintenu en place par une plaque d'étanchéité 18 qui sert aussi à maintenir en place la bobine 10. Un manchon 19 en matière non ma gnétique, entoure la bobine et la plaquette 18 et est fixé lui-même en position à l'aide d'un bloc de retenue 9 surmonté à son tour par une plaquette 20 munie d'un connecteur électrique 16 relié aux extrémités de la bobine 10. L'ensemble est maintenu en place par un chapeau 15 vissé sur un filetage du boîtier 14.
La coopération de la bobine et de la pale tournante sera bien comprise en considérant le schéma de la fig. 10. Les lignes de force F créées autour de la bobine 10 sont coupées périodiquement par la pale 8 lors de sa rotation ; en effet, dans la position représentée en traits pleins, la pale est normale à ces lignes de force, et dans la position en pointillé elle leur est parallèle. On voit donc qu'à chaque demi-tour accompli par la pale 8 correspond une période complète de variation de la réactance de la bobine 10.
Pour créer le champ magnétique engendrant les lignes de force F autour de la bobine, on excite celleci par une source d'énergie électrique continue ou alternative. Le courant alternatif est préféré, car les variations de l'impédance de la bobine se traduisent alors par une modulation de l'onde alternative constante fournie à la bobine, et l'onde modulée obtenue est plus commode à soumettre ensuite aux divers traitements électriques voulus que ne le serait l'onde basse fréquence qui serait produite directement par les variations d'impédance en cas d'alimentation en continu.
En variante, on peut aimanter la pale elle-même de manière que ses deux demi-pales soient de polarité magnétique différente, ce qui donnerait un champ tournant qui tournerait avec la pale et, en coupant la bobine, y induirait une tension variable proportionnellement à la vitesse de rotation, tension qu'on prélèverait aux bornes de la bobine.
Le circuit d'utilisation de l'impédance variable ainsi obtenu peut différer suivant l'application de l'instrument, mais la fig. 11 montre à titre d'exemple le schéma fonctionnel d'un circuit qui convient. La bobine 10 fait partie du circuit oscillant d'un oscillateur 111 qui, tant que la pale 8 est stationnaire, livre à sa sortie une onde de fréquence fixe. Un second oscillateur à fréquence fixe 110 émet sur une fréquence légèrement différente de celle de l'oscillateur 111 ; à la façon d'un montage superhétérodyne, les oscillations émises par 111 et 110 sont mélangées pour donner une onde de battement à fréquence constante quand la pale est stationnaire. Cette fréquence constante passe par un amplificateur moyenne fréquence 112 et par un détecteur 113.
L'onde détectée est appliquée à un sépa- rateur 114 qui a un double rôle : en premier lieu il détermine le niveau de pointe de la tension redressée provenant du détecteur, et il l'ajoute à un potentiel continu fixe provenant du densimètre 116, avant de l'envoyer à l'instrument indicateur 115 ; en second lieu, il écrête et redresse les impulsions, présentes éventuellement dans l'onde reçue en provenance du détecteur, et il les applique à un compteur d'impulsions 117 qui actionne le compteur volumétrique 118.
Le fonctionnement de ce montage est le suivant.
Dès que la pale 8 se met à tourner, elle modifie la réactance de la bobine 10 préalablement réglée au point de meilleur fonctionnement par action sur le noyau mobile 11. La réactance de la bobine, en variant sur chaque demi-tour de la pale, module l'onde de battement provenant de l'étage convertisseur de fréquence associé à l'oscillateur 111.
Toute variation de la vitesse angulaire de la pale, en même temps, qu'elle modifie la fréquence de l'enveloppe de l'onde modulée, affecte aussi le coefficient de modulation de la porteuse ; en effet, plus la pale coupe rapidement les lignes de force F autour de la bobine 10, plus grande est la variation de la réactance de celle-ci ; ainsi, un accroissement de la vitesse angulaire de la pale se traduit par un accroissement de la fréquence de modulation et par un accroissement du coefficient de modulation de la porteuse.
C'est ce que montre la fig. 12, sur laquelle le graphique a représente la forme d'onde modulée correspondant à une rotation lente, et le graphique b celle correspondant à une rotation rapide.
Après détection, ces deux ondes émergent avec la forme représentée sur la fig. 13a. Les deux ondes oscillent autour d'un même niveau de potentiel moyen Em, mais à des fréquences et avec des amplitudes différentes. Au niveau moyen Em a été ajouté un potentiel constant. ED déterminé par le densimètre 116, et représentant une composante de tension continue variable destinée à compenser les variations de la densité du fluide circulant dans l'appareil, rendant ainsi les mesures indépendantes de la densité.
Dans le détecteur 114, les ondes positives de la fig. 13a sont séparées en deux parties, : la première passe dans un filtre atténuateur donnant à sa sortie un niveau de tension continue proportionnel à la valeur de pointe de l'onde redressée ; ainsi, bien que les deux ondes représentées oscillent autour du même niveau moyen Em, leurs maxima El et E diffèrent en raison de la différence du coefficient de modulation mentionnée plus haut. Par suite, plus la rotation est rapide, plus sera élevé le potentiel continu sortant du détecteur-séparateur 114. Ce potentiel continu est envoyé dans l'instrument indicateur de débit 115, qui peut être un voltmètre à courant continu convenablement étalonné en unités de débit, par exemple en litres par minute.
D'autre part, dans le séparateur d'impulsions, la partie négative de chacune des ondes est coupée, par exemple par passage dans une capacité suivie d'un redresseur, de manière à ne laisser passer que l'alternance positive de chaque onde comme le montre la fig. 13b. Les deux ondes représentées ont d'abord été filtrées de manière à osciller autour d'un niveau moyen de potentiel nul, et leurs alternances négatives ont été supprimées en sorte que ces ondes se présentent maintenant sous la forme d'un train d'impulsions positives, dont la fréquence de répétition est fonction des deux fréquences 1 et fB, c'est-à- dire de la vitesse angulaire de la pale ;
plus la pale tourne vite, plus il y a donc d'impulsions en provenance du détecteur 114 appliquées par unité de temps au compteur d'impulsions (ou intégrateur) 117. Ce compteur totalise ou intègre les impulsions reçues à partir d'un instant origine et jusqu'à l'ins- tant considéré, et fournit un facteur proportionnel au nombre de ces impulsions. Le nombre d'impulsiens par unité de temps étant proportionnel au débit, leur nombre total est proportionnel au volume total de fluide écoulé, c'est donc cette indication que fournit l'instrument 118, tel qu'un voltmètre à tension continue étalonné en litres ou mètres cubes.
En variante, chaque impulsion pourrait actionner un solénoïde d'avance pas à pas, commandant lui-même un compteur à disques ou à tambours.
Il est bien entendu que la pale tournante doit, au cas où on utilise un dispositif capteur électroma- gnétique du type qui vient d'être décrit, être constituée en un matériau convenable tel qu'un alliage ferromagnétique, ou comporter un élément constitué en un tel matériau, susceptible de créer les variations voulues de réactance.
Le même montage que celui décrit ci-dessus peut d'ailleurs être utilisé en combinaison avec d'autres moyens que ceux décrits pour la production d'une réactance variable en fonction de la rotation de la pale ; une autre variante est illustrée à titre d'exemple à la fig. 14. Dans cette variante un condensateur est monté au-dessus de l'axe 21 tourillonnant dans le palier 22. Au-dessus de l'axe est un boîtier muni d'un connecteur électrique 16 auquel sont reliés deux conducteurs pénétrant par un joint 29 dans l'espace surmontant l'axe 21. L'un d'entre eux est relié à une plaque de condensateur 27, par exemple une simple plaquette rectangulaire, et l'autre à un balai de contact 28 frottant sur l'axe 21 et relié par son intermédiaire à la pale 8. On a ainsi formé, entre la plaque 27 et la pale 8, un condensateur de capacité variable.
Il est clair que lorsque la pale tourne cette capacité varie périodiquement à une fréquence double de la fréquence de rotation de la pale. Cette variation périodique de capacité peut être utilisée pour obtenir un signal de sortie de façon analogue à ce qui a été décrit plus haut pour le cas d'une variation périodique de réactance.
Pour rendre les variations de capacité plus nettes dans la variante qu'on vient de décrire, l'extrémité de la pale 8 peut être conformée comme le montre la fig. 14c, en rapportant sur la tranche de la pale la plus proche de la plaque de condensateur 27, une plaquette-30 ; celle-ci peut recevoir toute forme voulue tendant à améliorer l'allure des variations de capacité résultantes suivant les besoins du circuit électronique d'utilisation.
Afin de profiter des avantages conférés par la symétrie de l'écoulement, le dispositif représenté sur les fig. 8 et 9 présente deux évidements, deux pales tournantes et deux capteurs électromagnétiques, les deux ensembles étant disposés symétriquement et en opposition diamétrale de part et d'autre de la veine fluide. Il est évident cependant qu'une pale tournante unique, avec ses organes associés, suffit en principe ; on verra plus loin, en se référant à la fig.
17, comment le fonctionnement de l'appareil est alors modifié par rapport à ce qui a été décrit. Toutefois, la présence de deux ensembles symétriques comme sur les fig. 8 et 9 offre divers avantages autres que la préservation de la symétrie de l'écou- lement : d'abord elle est utile en cas d'avarie de l'un des ensembles de mesure ; mais surtout elle permet, par la simple adjonction d'un circuit approprié, d'obtenir une lecture de débit correspondant à la moyenne des deux mesures de vitesse prises par les deux ensembles, ce qui améliore la précision.
La forme d'exécution du dispositif peut subir diverses modifications destinées à en améliorer le fonctionnement ou à en réduire le prix de revient, d'assemblage et d'entretien. Une variante est représentée sur la fig. 15. Ici la bâche du dispositif 1 est en trois parties : une section d'entrée à parois profilées intérieurement en 5, une section centrale comprenant les alvéoles 7 contenant les pales 8 et les capteurs 13, enfin une section de sortie à parois profilées en diffuseur 6. Cette variante facilite beaucoup la fabrication et le montage, et facilite aussi l'entretien en permettant de ne remplacer, en service, que la seule section défectueuse, en général la section centrale comportant les organes mécaniques tournants et électriques.
Le mode d'assemblage apparaît sur la fig. 15b sur laquelle la plaque latérale 25 avec sa vis de fixation 26 sont montrées à part.
La fig. 16 montre une autre variante. Celle-ci comprend un bloc caréné unique monté dans la partie centrale de la bâche ou du tronçon de conduite 17 au moyen de deux plaques de fermeture 33 appliquées contre les deux faces planes opposées du bloc par l'intermédiaire de tampons d'étanchéité rectangulaires 32. La fig. 16a montre ce bloc caréné extrait de la bâche et posé sur l'un de ses deux ensembles de support 32-33. Le bloc présente deux surfaces profilées d'entrée 5 et deux surfaces profilées de sortie 6, séparées par les alvéoles cylindriques logeant les deux pales 8. Les deux dispositifs capteurs peuvent être logés dans un compartiment 31 ménagé dans le bloc par exemple dans la partie amont 5.
On voit que 1'ensemble étant monté comme représenté sur les fig. 16b et 16c, le fluide se divise en deux veines subissant chacune un rétrécissement en amont du compartiment 31.
La fig. 17a montre, à droite, 1'allure du diagramme des vitesses obtenu dans le cas d'un dispositif symétrique du type de ceux décrits en se référant aux fig. 8-9, et aux fig. 15. Comme on l'a déjà vu, ce diagramme présente une plage médiane aplatie et deux régions latérales à inversion du flux correspondant aux tourbillons qui se forment dans les deux alvéoles symétriques. La fig. 17b correspond au cas d'un dispositif dissymétrique, où l'alvéole et la pale sont prévus d'un seul côté de la veine dont l'autre côté longe une paroi rectiligne. Il est à remarquer que ce cas s'applique également à chacune des deux veines fluides présentes dans un dispositif du type de celui représenté sur la fig. 16.
Dans ce cas le diagramme des vitesses est évidemment dissymétri- que, comme on l'a figuré. Quelle que soit d'ailleurs la forme du diagramme des vitesses, il est évident qu'on peut toujours étalonner le dispositif pour obtenir des mesures de vitesse et de débit correctes dans toutes les formes d'exécution du dispositif décrit.
Cet étalonnage est d'autant plus facile que les circuits électroniques décrits plus haut permettent de l'exécuter par simple réglage des facteurs électriques sans toucher aux organes mécaniques.
Une autre application importante du dispositif décrit est relative au domaine des turbines à gaz, notamment des turboréacteurs d'avion. Il est essentiel, en vue d'assurer les conditions de combustion optima du mélange, que pour un réglage donné de l'admission des gaz, la proportion de l'air mélangé au combustible soit correcte. On sait que cette proportion dépend d'une part de la vitesse aérody- namique de l'avion, puisque cette vitesse fait varier le débit d'air admis dans la turbine, d'autre part, de l'altitude, qui influe sur la densité de cet air. Ce réglage automatique des proportions du mélange exige à l'heure actuelle des moyens compliqués, alors que le dispositif décrit permet de le réaliser avec beaucoup plus de simplicité et de sûreté.
Selon la fig. 19, deux dispositifs de mesure 35 sont disposés de part et d'autre du manche 37 d'admission d'air du turboréacteur 58. L'air admis passe ensuite par le passage annulaire entre le cône central 54 et la bâche 53 du stator, et fait tourner le turbo-compresseur qui comprend les ailettes fixes 56 du stator et les ailettes mobiles 55 du rotor. Les dispositifs 35 sont sensibles au débit volumétrique de l'air pénétrant dans la turbine et agissant, par tout dispositif d'asservissement électrique approprié, sur le réglage de l'air introduit dans la chambre de combustion.
Pour tenir compte des variations de densité de l'air on peut prévoir un densitometre qui, comme on l'a décrit en se référant aux fig. 8 et 9, peut appliquer une tension continue variable de manière à augmenter le volume d'air introduit dans la chambre de combustion quand sa densité diminue.
Les dispositifs décrits permettent notamment de réaliser un dispositif de mesure de la vitesse d'écou- lement d'un fluide le long d'une paroi, lequel dispositif n'introduit que peu ou pas d'obstacle au libre écoulement du fluide, et qui permet d'autre part de connaître, d'une façon relativement simple, non seulement la vitesse du fluide, mais aussi son débit volumétrique et le volume total écoulé, cela en utilisant du matériel classique dont certains organes ont déjà fait leurs preuves dans d'autres applications, et ne comportant qu'un nombre réduit d'organes en mouvement, dont aucun n'est d'ailleurs disposé dans le trajet principal de l'écoulement, de sorte que l'inertie mécanique est minime et que la précision n'est que peu affectée par les variations de la vitesse du fluide.