Procédé thermique de mesure de débit et débitmètre pour la mise en oeuvre de ce procédé
La présente invention a pour objet un procédé thermique de mesure de débit, en particulier de faibles débits gazeux, ainsi qu'un débitmètre du type comprenant un tube qui est traversé par le débit à mesurer ou une fraction de ce débit et dans lequel sont montées des sondes thermo-sensibles.
Il est bien connu que la mesure de faibles débits, notamment de faibles débits gazeux, par exemple ne dépassant pas quelques litres ou quelques dizaines de litres par heure, est très délicate et cependant cette grandeur est très importante à connaître, en particulier dans les laboratoires, les mesures d'essai ou de prélèvements industriels, etc
On connaît dans la technique une très grande variété d'instruments de mesure, qui fonctionnent chacun suivant un principe différent. Parmi ces appareils, on peut citer à titre d'exemple: des rotamètres à tube en verre, des rotamètres électroniques, des débitmètres à conductivité thermique, des compteurs à turbine, des compteurs laminaires à pression différentielle, des débitmètres thermoélectrique, etc... Chacun de ces appareils a des avantages et des inconvénients intrinsèques.
Dans l'ensemble, on peut dire qu'aucun des instruments connus ne permet le passage rapide de la mesure d'un débit pour un gaz de caractéristiques physiques données, à la mesure du débit pour un autre gaz, présentant d'autres caractéristiques. En fait, chaque fois qu'on change de gaz, il faut réétalonner l'appareil, les courbes d'étalonnage n'étant pas linéaires et leur adaptation d'un gaz à un autre n'étant pas possible.
On connaît également des débitmètres thermiques qui fonctionnent sur le principe suivant:
On fait passer le courant gazeux (ou tout autre fluide dont on voudrait mesurer le débit) dans une conduite,
on place dans la conduite, dans le courant gazeux, un corps auquel on apporte un flux de chaleur constant,
on mesure à chaque instant l'échauffement du corps qui est d'autant plus chaud qu'il est refroidi par un courant gazeux moins important,
on étalonne l'appareil de façon à traduire directe.
ment les échauffements du corps chauffé en débits gazeux pour un gaz de caractéristiques données.
Dans certains modes de réalisation connus, le corps chauffé précité est constitué par une résistance électrique à laquelle une installation stabilisée fournit une puissance d'alimentation constante.
Cette résistance électrique peut du reste être une thermo-sonde qui donne directement l'échauffement.
Dans un autre mode de réalisation, le corps chauffé est constitué par deux résistances électriques identiques ayant un fort coefficient de température, l'une des résistances étant placée en amont de l'autre, sur ou dans la conduite traversée par le débit gazeux. La résistance amont étant plus refroidie que la résistance aval, il apparaît un déséquilibre thermique qui se traduit par un déséquilibre des résistances électriques et qui est fonction du débit gazeux. En montant les deux résistances dans un circuit en pont et en étalonnant chaque fois l'appareil pour chaque gaz de caractéristiques données, on peut alors lire directement par mesure électrique le débit gazeux.
Cependant, dans toutes ces réalisations, l'échauffement des résistances n'est pas une fonction linéaire du débit. Cette fonction varie en outre, suivant chaque gaz, de sorte qu'il faut chaque fois procéder au réétalonnage complet de l'appareil.
L'invention a pour but d'éviter les inconvénients mentionnés des débitmètres connus.
A cet effet, elle a pour objet un procédé thermique de mesure de débit, caractérisé en ce qu'on fournit à un écoulement gazeux en régime laminaire qui constitue le débit que l'on veut mesurer ou une fraction déterminée de ce débit, une puissance calorifique constante réglée de façon que l'accroissement maximal de température pour les plus faibles débits reste faible, et que l'on mesure l'échauffement du gaz produit par cet apport de chaleur, le débit cherché étant une fonction sensiblement linéaire de l'échauffement du gaz.
La mesure d'échauffement du gaz est une fonction linéaire du débit pour tous les gaz, dans une plage de température réduite, étant donné que la capacité calorifique à pression constante Cp d'un gaz pour une plage de température réduite, par exemple de 80" C, a une valeur sensiblement constante, donnée pour chaque gaz.
Grâce au procédé de l'invention, I'étalonnage de l'appareil pour chaque gaz est immédiat, à condition seulement que l'on connaisse la valeur du paramètre Cp pour chaque gaz considéré. En outre, la fonction liant l'échauffement du gaz au débit étant linéaire et passant par l'origine, il suffit de connaître un point de la courbe d'étalonnage pour avoir tous les autres.
On constatera que, suivant l'invention, et contrairement aux appareils construits suivant l'art antérieur dans lesquels on rapportait le débit gazeux non pas à l'échauffement du gaz, mais au refroidissement d'une sonde par le gaz qui était lui-même chauffé partiellement par cette sonde, on rapporte directement la mesure de débit à la mesure de l'échauffement du gaz, ce qui explique la linéarité des résultats et la simplification considérable d'emploi qui en résulte.
En outre, le débit de gaz qui traverse l'appareil peut être bypassé, de façon qu'un appareil puisse fournir diverses échelles de mesure.
Pour la mise en oeuvre du nouveau procédé thermique de mesure mentionné, le débitmètre thermique suivant l'invention est du type comprenant un tube qui est traversé par le débit à mesurer ou une fraction de ce débit, et dans lequel sont montées des sondes thermosensibles, ce débitmètre étant caractérisé en ce qu ledit tube est chauffé à puissance sensiblement constante sur un tronçon de sa longueur et au moins deux sondes thermo-sensibles sont plongées dans le courant de gaz en amont et en aval de la zone où le courant de gaz reçoit l'apport calorifique, ces sondes étant isolées thermiquement de la zone de chauffage et reliées à un dispositif de comparaison et de mesure.
Avantageusement, lesdites sondes sont du type à résistance variant linéairement avec la température, telles que des sondes résistantes à fil de platine ou analogue, et sont montées dans un montage à courant constant tel que la variation de résistance est transformée en une variation de tension qui lui soit proportionnelle aux bornes de la sonde.
Suivant une forme d'exécution particulière, le tube précité est en un matériau à faible conductibilité thermique, tel que verre pyrex ou analogue. Si le débit mesuré n'est qu'une fraction d'un débit plus important, le tube précité est monté en dérivation sur la conduite principale que traverse le débit total de gaz, entre deux points entre lesquels est prévu un dispositif de perte de charge, tel que Venturi par exemple. Avantageusement, ledit dispositif de perte de charge est symétrique de manière à permettre une mesure identique mais changeant de signe suivant que le débit gazeux circule dans un sens ou dans l'autre. En outre, le sens de parcours du débit gazeux sera automatiquement donné par le signe de la tension différentielle entre les deux sondes.
L'invention apparaîtra plus clairement à l'aide de la description détaillée qui va suivre, d'un mode de réalisation de l'invention, donné uniquement à titre d'exemple et illustré dans le dessin annexé dans lequel:
- La fig. 1 est une vue schématique d'ensemble d'un dispositif formant débitmètre, conforme à l'invention;
- la fig. 2 est une vue à plus grande échelle, montrant en coupe longitudinale avec arrachement la partie du débitmètre thermique que traverse un courant de fluide dont on veut mesurer le débit;
- les fig. 3 et 4 sont des schémas électriques relatifs à des parties de régulation de l'installation.
Suivant le mode de réalisation montré dans le dessin, le débitmètre thermique comprend essentiellement un tube 10, dans lequel circule un courant gazeux dont on veut mesurer le débit; sur le tube 10 est enroulée une résistance chauffante 11, qui est alimentée à puissance constante par un dispositif 12 d'alimentation stabilisée; deux thermo-sondes 13 et 14 sont plongées respectivement à l'entrée et à la sortie du tube 10 dans le courant gazeux et mesurent ainsi la différence de température du gaz entre l'entrée du tube 10, avant échauffement, et la sortie du tube, après échauffement.
De façon à assurer un chauffage bien constant du gaz circulant dans le tube 10 par la résistanceil à alimentation stabilisée, cette dernière est noyée dans un ciment réfractaire 15 qui est lui-même enveloppé dans une teresse d'amiante bobinée 16, I'ensemble du dispositif étant placé dans une enceinte thermostatée 17.
Les thermo-sondes 13 et 14 traversent le tube 10 dans des alvéole 18, 19 fermés par des joints 20, 21, constitués par exemple en une résine thermodurcissable résistant au gaz qui circule dans le tube 10.
On décrira maintenant plus particulièrement l'électronique de l'appareil que l'on peut diviser en quatre parties essentielles, à savoir:
1. la résistance chauffante Il et son alimentation stabilisée 12,
2. les sondes thermo-résitantes 13 et 14 et leur alimentation à courant constant 22,
3. un amplificateur différentiel 23 de mesure associé aux sondes,
4. un dispositif 24 (facultatif) de stabilisation de la température de l'enceinte.
I. Le dispositif d'alimentation stabilisé 12 est montré plus en détail à la fig. 3. La résistance chauffante 11 en parallèle sur un condensateur électrolytique 25 de forte valeur, est alimentée par un redresseur double alternance 26, à travers un thyratron solide, par exemple thyristor 27, et une résistance ballast 28, de même ordre de grandeur que celle de la résistance 11.
Sur un réseau à 50 Hz, la tension de cathode revient à zéro, cent fois par seconde. La gachette ou électrode de commande 29 du thyristor 27 est reliée à la cathode 30 par une résistance 31 dont la valeur correspond au type de thyristor choisi, et elle est commandée par une tension continue fournie par un amplificateur différentiel 32 à travers une résistance limiteuse de courant 33. Cet amplificateur compare deux tensions d'entrée qui sont:
a) la référence fournie par un filtre en T 34 et une diode Zener 35, alimentant un potentiomètre 36 ajusté à la valeur de tension désirée,
b) la tension aux bornes de la résistance chauffante 1 1 dont le filtrage est amélioré par une résistance 37 et un condensateur 38.
II. Les deux sondes thermo-résistantes 13 et 14 et la sonde d'ambiance 39 du dispositif de stabilisation de la température de l'enceinte 17 (dont la résistance varie linéairement avec la température) doivent être alimen tées à courant constant pour que la tension à leurs bornes soit proportionnelle à la variation de température. Ce dispositif d'alimentation 22 fournit une tension continue obtenue par redressement du secteur, filtrée, stabilisée par diode Zener de forte valeur (par exemple de l'ordre de 100 volts) qui débite des résistances de forte valeur, 40, 41, 42 montées en série avec les sondes 13, 14 et 39. Ces résistances sont telles que la variation du courant qui les traverse soit négligeable quand la résistance de la sonde varie avec la température.
Dans un exemple de réalisation, les résistances 40, 41, 42 avaient pour valeur 47 000 ohms, tandis que les sondes avaient une résistance de l'ordre de 100 ohms.
Le pont à courant constant formé par les deux résistances 40, 41 et les deux sondes 13 et 14 est équilibré par un potentiomètre 43, de faible valeur, de telle façon qu'à débit nul, les tensions aux bornes des sondes 13 et 14 soient identiques.
III. L'amplificateur différentiel 23 comprend un amplificateur opérationnel 44, qui est attaqué par les deux sondes 13 et 14 à travers deux résistances d'égale valeur 45, 46, et est contre-réactionné par une résistance variable 47 à la masse sur l'entrée positive. La sortie de l'amplificateur est connectée à une charge fixe 48, constituée par un potentiomètre 10 tours sur lequel est prélevée en 49 la tension affichée correspondant à chaque gaz par réglage de la valeur du rapport affiché sur le potentiomètre.
Le gain de l'amplificateur différentiel est réglé par ajustement des potentiomètres couplés 47-50, lors de l'étalonnage de l'appareil.
La compensation en température de l'appareil est réalisée par une résistance variable avec la température 51, à pente positive ou négative selon les cas d'espèce, et montée en série avec le trimmer 52 d'équilibrage de l'amplificateur.
IV. Le système de stabilisation de la température de l'enceinte est constitué par une résistance chauffante 53, placée dans l'enceinte calorifugée 17 et par une sonde thermo-résistante d'ambiance 39. Le principe de régulation est le même que pour le dispositif à tension constante 12, la résistance chauffante 53 jouant le rôle de la résistante 11. Cependant, son courant d'alimentation n'a pas besoin d'être lissé.
La tension de référence est ici comparée, non à la tension de la résistance 53, mais à la tension aux bornes de la sonde 39, qui est proportionnelle à la variation de température, La sonde 39 est alimentée par le dispositif d'alimentation simplifié de la fig. 4, dans laquelle on a repéré par les mêmes nombres indicés prime (') les éléments semblables et dans laquelle on a repéré a à e les points identiques du circuit dans les deux montages, points auxquels a été limitée la fig. 4.
En variante à la description précédente, le dispositif d'alimentation 22 peut être remplacé par un dispositif plus simple où deux thermo-couples cuivre-constantan, montés en opposition, remplacent les deux sondes thermo-résistantes 13, 14. L'alimentation devient alors inutile. Les extrémités des thermo-couples sont branchées à l'entrée d'un amplificateur à gain élevé. Malgré sa simplicité, cette disposition présente des difficultés de réalisation en raison du faible niveau du signal continu d'entrée, différence des deux forces électro-motrices des thermo-couples. L'amplificateur doit avoir une grande stabilité et comporter un dispositif de correction du zéro pour le débit nul, et le prix de revient d'un tel appareil est à l'heure actuelle encore très élevé.
L'installation ainsi conçue permet de lire directement la différence de température entre les sondes 13 et 14, c'est-à-dire entre la température du gaz à l'entrée du tube 10 et sa température à la sortie. L'échauffement du gaz étant une fonction linéaire du débit gazeux, l'appareil donne directement et de manière linéaire le débit de gaz traversant le tube 10.
Le dispositif fonctionnant aussi bien dans les deux sens, on peut inverser le sens d'écoulement du gaz dans le tube 10, ce qui se traduit simplement à la lecture par une inversion du signe de la mesure, donnant ainsi simultanément le débit et la direction de l'écoulement.
Le débit gazeux que l'on veut mesurer peut être amené à traverser directement le tube 10. De préférence cependant, le tube 10 est, comme montré dans la fig. 1, monté en dérivation entre deux points d'une conduite principale 54 (montrée en traits mixtes) au moyen d'un dispositif raccord 55 à deux embouts 56, 57, par où entre et sort respectivement le débit de gaz total. Pour assurer le circulation dans la dérivation du tube 10, on prévoit dans le tube 60 du dispositif 55, entre les branches 58 et 59 de dérivation, un dispositif de perte de charge 61, tel qu'un Venturi par exemple. Le dispositif de perte de charge 61 assure un rapport des débits entre les deux branches, c'est-à-dire dans le tube droit 60 et dans le tube de dérivation 10. En montant différents raccords, on peut changer la fourchette d'utilisation de l'appareil.
Par exemple, les divers calibres des raccords pourront être choisis de façon qu'il ne passe dans le tube 10 qu'un cinquième, un dixième, un cinquantième, etc., seulement, du débit total.
Avantageusement, le dispositif 61 est à action symétrique, de façon qu'en cas d'inversion du sens de parcours du courant gazeux dans la conduite 54, le dispositif fonctionne de façon semblable, les mesures quantitatives de débit restant valables, l'appareil donnant en outre, le sens de parcours.
En 62, 63 on a montré des joints réunissent des branches de dérivation 58, 59 au tube 10.
En résumé, il est possible, grâce au procédé décrit, d'obtenir la lecture directe du débit par une correspondance linéaire débit-tension de déséquilibre d'un pont, dans lequel sont montées deux thermo-résisbances ou éventuellement deux thermo-couples. Par exemple, une tension de déséquilibre de 10 mV pourra correspondre à un débit de 1 heure. Les différentes pentes des droites d'étalonnage des divers gaz ou mélanges, peuvent être corrigées, de manière à se ramener à cette échelle de mesure, au moyen de résistances déterminées pour chaque gaz, de manière à les rapporter à une pente unique, dite pente de référence. La courbe linéaire unique peut alors être rectifiée au moyen du gain de l'amplificateur 12, afin d'obtenir la correspondance directe débit-tenison de déséquilibre, sur un indicateur numérique, une imprimante, etc...
Le signal de sortie mesurant le débit peut en outre, être utilisé à toutes fins désirables, par exemple comme signal de commande.
D'autres formes d'exécution sont possibles. En particulier, le tube 10 épais, en verre du genre pyrex peut être remplacé par tout autre tube en matériau de conductibilité thermique semblable ou voisine, c'est-àdire permettant de diffuser vers l'intérieur du tube une puissance calorifique sensiblement constante indépendante du débit gazeux traversant le tube, à condition seulement que la tenue mécanique du tube aux conditions thermiques d'emploi soit satisfaisante.