FR2501857A1 - Debitmetre pour fluides a perte de charge constante - Google Patents

Abstract

CE DEBITMETRE COMPREND UNE ENCEINTE 1 SEPAREE EN DEUX CHAMBRES 11 ET 12 PAR UNE MEMBRANE SOUPLE ET ETANCHE 3 SOLIDAIRE EN SON CENTRE D'UNE COUPELLE RIGIDE 4. UN RESSORT DE COMPRESSION 2 APPLIQUE LA COUPELLE 4 PERCEE EN SON CENTRE PAR UN TROU BISEAUTE SUR UN CONE 5 SOLIDAIRE DE L'ENCEINTE, ET EXERCE UN EFFORT CONSTANT SUR LA COUPELLE. LE FLUIDE PENETRE DANS LE DEBITMETRE PAR L'ORIFICE 14, PASSE ENTRE LE CONE 5 ET LA COUPELLE 4 QU'IL SOULEVE ET RESSORT PAR L'ORIFICE 15. UN CAPTEUR DE DEPLACEMENT SANS CONTACT MESURE LE DEPLACEMENT DE LA COUPELLE QUI EST PROPORTIONNEL AU DEBIT DU FLUIDE. APPLICATION A LA MESURE DE DEBIT DE CARBURANT POUR AUTOMOBILES.

Description

250 1857

1 L'invention concerne un ddbitmètre pour mesurer les débits de fluides et plus particulièrement adapté aux contraintes de mesure dans le

domaine automobile, notamment pour la mesure de carburant.

Ce qui caractérise l'environnement automobile, c'est la gamme de température de fonctionnement très étendue (-40'C à + I25 C), la sollicitation de vibrations, chocs, la présence d'agents de corrosion. Enfin et surtout, la caractéristique essentielle est la nécessité d'un coat très bas

pour de bonnes performances.

Le cahier des charges d'un débitmètre automobile pour carburant IO est en gros le suivant: - gamme de mesure: de 0,5 à 50 litres/heure, pour éviter la

multiplicité des gammes.

- température de fonctionnement compensée: -30 Cà +80 C

- température de fonctionnement: -400C à +I25"C.

I5 - chocs et vibrations: chocs 50g, vibrations 3g -+ IOmm de 5 à

Hz suivant les trois dimensions.

- perte de charge inférieure à 40 mbars.

- indifférence aux bulles.

- indifférence au débit pulsé, avec inversion du sens de

circulation.

- densité du carburant: de 0,745 + 3% avec un coefficient de

température de 8,5.I04.

- précision en mesure instantanée meilleure que IQn.

- précision en mesure cumulée compte-tenu de toutes les variations

meilleure que 5%.

- encombrement réduit et facilité de montage.

- signal de sortie analogique ou numérique (fréquence) avec une

préférence pour le numérique.

- connections électriques réduites.

Remarquons que ce cahier des charges ouvre bien d'autres

applications que celle du domaine automobile.

Au niveau de l'indication, l'indication analogique es, utile pour l'apprentissage en dynamique de la conduite économique tandis que l'indication numérique permet quantitativement de contrôler la consomation,

ce qui exige alors la meilleure précision possible.

Actuellement, différentes techniques essaient de répon,.r e à toutes ces exigences. En premier lieu, les d6bitmètres à turbine axiale, qui ont l'inconvdnient d'être sensibles aux bulles et d'avoir des frottements

1 internes qui les rendent peu précis aux faibles débits (inférieurs à 3 l/h).

De plus, le fait qu'on ne puisse pas les étalonner ou réaliser simplement des compensations, oblige à une fabrication précise et coûteuse. L'avantage qu'ils possèdent est la simplicité de leur électronique et le caractère directement numérique de leur sortie. Un type de débitmètre à turbine tangentielle a actuellement des caractéristiques qui font de lui un appareil très valable. Cependant, en dépit d'un fonctionnement aux bas débits meilleur que les appareils précédents,

il possède par ailleurs les mêmes inconvénients.

Un débitmètre proche de l'invention décrite ici par le principe, est un débitmètre à perte de charge non nulle à débit nul, puis croissante en fonction du d6bit. Un c8ne se déplace sous l'effet de la pression générée par le débit dans un autre c8ne fixe d'angle plus faible. Un ressort tend à appliquer le premier cène sur le second. Une tige solidaire du premier permet la mesure du déplament par un transformateur différentiel. Sur ce capteur, seul l'effort exercé par la pression due à la perte de charge au niveau du laminage entre les c8nes, sur le premier c8ne, déplace celui-ci. Vu la faible section obligée du premier cne, l'effort est donc très faible et parasitable par de nombreux parmètres (frottements, inclinaison, etc...). De plus, le laminage entre lep c8hes est tel que les pertes de charge par frottement ne sont pas nulles et qu'elles perturbent grandement la mesure aux bas débits. De plus, ces pertes de charge dépendent de la viscosité du fluide, dont la valeur évolue d'environ I0% par IO'C, ce qui occasionne une dérive importante en température. Enfin, cette technique nécessite un centrage presque parfait de la partie fixe par

rapport à la partie mobile.

Un type différent de débitmètre est un débitmètre à capteur de

pression différentielle utilisant un capteur de déplacement sans contact.

L'inconvénient de cet appareil, outre sa faible dynamique (0,5 à 25 1/h) est la stabilité imparfaite de son zéro, due au fait que la perte de charge est à peu près quadratique et que le gain doit être très important aux bas débits, rendant l'appareil sensible à plusieurs paramètres parasites tels que: - gonflement de la membrane - inclinaison de l'appareil

- hystérésis des ressorts.

Ses avantages sont son faible prix de revient, le fait qu'il est peu sensible aux bulles, qu'il constitue en lui-mtme un filtre fluidique permettant un excellent fonctionnement en r6gime pulsé ou impulsionnel, qu'il est équipé d'un transducteur analogique qui permet un étalonnage et par là Ioasdde1I op snssop op oall aun Ea;uow Z a vn2lJ I *uoluGAull op pa)?o.Jd epo; ne auwtojuoo 'z a.ntj eI ape v eout3T el %UeAjns oO:oA odo 3 olA oun:so I cJfrlIJ wI :gxouue uTssop ny *szaJde-o uotdtjaosop el ap santoo ne 4uoa4;eaedde Sú UOt;UEAUTIT Op saeeueAv saol onb TsuFB Srb;TJst. eJeo seanu1a tqP p a tquus.do.x

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250 185 7

1 La figure 3 montre un détail du transducteur de déplacement préféré. L'appareil se présente sous la forme d'unlm corps essentiellement composé de deux pi'.ces 1 et 6 emboitées entre elles et assemblées par des vis telle que 9, formant une chambre inférieure 11 et une chambre supérieure I2 séparées par une membrane 3 solidaire de la coupelle 4. I4est la canalisation

d'entrée du fluide et I5 la canalisation de sortie.

La membrane, par exemple semi-torique, est réalisée dans un caoutchouc résisbant aux hydrocarbures, comme le nitrile. Une membrane métallique conviendrait mal car elle ne permettrait qu'un déplacemsnt très faible. La membrane peut être réalisée par compression, injection, ou en utilisant du tissu très fin (d'épaisseur inférieure à 0,2mm par exemple)

enduit de caoutchouc et formé dans un moule. -

On voit que la coupelle 4 est biseautée à I200 au ni-eau de son I5 trou central pour faire en sorte que la longueur-de contact avec le cène 5 soit la plus faible possible, pour une raison exposée plus loin, et que de pl us elle possède une épaisseur de l'ordre de 1,5 mm pour éviter qu'elle se déforme sous l'effet de l'effort exercé par le ressort 2 qui tend à l'appliquer sur le c8ne 5. La membrane est adhérisée sur la coupelle, mais peut Ctre fixée par d'autres moyens mécaniques. La coupelle 4 est ici en métal amagnétique

comme un alliage d'aluminium.

Un ressort de compression 2 hélicoTdal, très souple mais ayant une hauteur à vide importante, exerce sr la coupelle l'effort qui détermine la pression de fonctionnement de l'appareil, par exemple 4Cmm à vide et nOmm comprimé. Ce ressort est ehois- très souple afin que le déplacement occasionné par le débit ne provoque pas une grande variation relative de

l'effort exercé sur la coupelle.

Le c8ne 5 est l'extrémi' d'une pièce métallique décolletée qui dans le mode préféré de réalisation passe par le trou central des bobines 7 et 8 contenues dans des demi-pots en ferrite qui constituent le capteur de déplacement à courants de Foucault, et qui vient serrer les pièces IO et I6 en se vissant dans le corps 6. Son angle est de 600 environ, de telle sorte que le fluide voit entre la coupelle 4 et le c8ne un arngle d'entrée de 60'

et un angle de sortie de 90 .

La bobine 7 regarde la coupelle 4 et constitue la bobine de mesure.

Quand la coupelle sz déplace sous l'effet d'un débit, il y a modification des courants de Foucault qui circulen.t dans celle-ci et variation de l'tind:ctance apparente de la bobine. L'autre bobine regarde soit le corps du dibitmn:tre s'il est par exemple en alLminiun, de fonderie, soi. t une rondelle 16 di m-%me 1 métal que la coupelle 4. Entre la bobine 8 contenue dans un demi-pot de ferrite et cette rondelle I6, une entretoise IO, constituée d'un matériau de préférence isolant et de coefficient de dilatation proche de celui du métal du c8ne, fait que la distance entre le demi pot de ferrite de la bobine 8 et la rondelle I6 est très proche de la distance existant entre le demi pot de ferrite de la bobine 7 et la coupelle 4 quand il n'y a pas de débit. Compte-tenu des tolérances de fabrication, un écart de quelques centièmes de millimètres est possible. Les fils des bobines vont directement sur le circuit électronique contenu dans le bottier 13 qui est le compliément indispensable du capteur de déplacement à courants de Foucault. Ce circuit, placé dans le bottier, permet d'intégrer les compensations en température souhaitées. Le capteur à courants

de Foucault ne sera pas détaillé ici,faisent l'objet d'une description

complète par ailleurs. Seules, ses particularités dues aux exigences inhérentes

I5 au type de débitmètre décrit ici seront indiquées.

ÀLe d6bitmètre est placé dans un circuit de carburant dont on veut mesurer le débit. Le fluide rentre par l'orifice I4 puis pénètre dans la chambre 11. Sans pression, le fluide ne pourra pas s'écouler. La pompe du circuit de carburant fournissant une pression, la pression différentielle pour soulever l'ensemble membrane et coupelle est atteinte. Le fluide peut alors passer entre le cône et la coupelle, avec une perte de charge qui est de toute façon égale à la pression de tarage déterminée par l'effort qu'exerce le ressort sur la coupelle réparti sur la surface active de la membrane. A un débit correspond donc un déplacement de la coupelle. Le capteur de déplacement

sans contact mesure alors ce déplacement par rapport à la position à débit nul.

Le déplacement est une fonction quasi linéaire du débit.

On constate donc plusieurs points: 1- le tarageAp est tel qu'il varie peu en fonction du débit

(moins de 5%).

2- du fait des angles que forme le cene avec la coupelle (60 à l'entrée et 90* à la sortie) et du fait de la faible longueur de contact entre le ocne et la coupelle, la perte de charge est presque purement une perte de charge par chocs, ce qui fait qu'elle peut s'exprimer en première approximation (A) Ap, 3/4 tv2 r: masse volumique v: vitesse du fluide (B) o v = q /S qv: débit volumiquco S: section de passage la section de passage s'exprime (C) S = 21iRe o R est la section du oene et e la distance

1 entre l'extrémité du biseau de la coupelle et le c8ne.

on a donc: (D) e T i 'I/4 f). qv L'écartement est done proportionnel au débit. Comme il existe ume relation trigonométrique entre l'écartement e et le déplacement de la coupalle

suivant une direction parallèle à l'axe du eSne, le déplacement est proportion-

nel au débit.

Pour des calculs exacts, il faut prendre pour S: (E) S = m ()2 R2 S T('2e+e2) La formule approchée (D) montre que: (F) de/e -= /f d (ôp)/2p c'est à dire qu'une variation relative de la masse volumique ou de la pression de tarage se traduit par une varition relative moitié de I5 l'écartement, done du déplacement. D'autre part, ces paramètres n'influent que

sur le gain du débitmètre.

3- la section de passage est, pour un déplacement donné, indépendante du centrage du c8ne par rapport à la coupelle. Il n'y a donc pas

de réel problème mécanique de centrage.

4- il n'y apasde frottement solide qui pourrait créer un bhstéré-

sis, Ceci résulte de l'absence de nécesasité d'un centrage rigoureux et de

l'utilisation d'un capteur de déplacement sans contact.

- l'effort qui permet le déplacement est égal à la pression de

tarage multipliée par la surface active de la membrane. Il peut 8tre de 0, Ldati.

Conmme le poids du ressort et de la coupelle peut itre aisément 50 fois plus faible, le retournement du débitmètre n'aura qu'une influence sur le gain limitée à I% (cf 2). De même, les choes et vibrations, le débitmètre une fois rempli, n'auront qu'une très faible influence.-Un dispositif permettant d'annuler l'effet du retournement consiste en un flotteur solidaire de la coupelle et annulant le poids de l'équipage mobile dans l'essence. De même, la présence de bulles dans le eapteur, qui ne peuvent qu'occasionner des gradients de pression statique inférieurs à 0,5 mbars, n'aura qu'une influence

très faible sur l'étalonnage.

Enfin, si dans le cas d'un capteur de d4bit à mesure de pression différentielle, la qualité de la membrane a beaucoup d'importance par la variation de ses caractéristiques qui affectaient le zéro et l'étalonnage, il n'en est rien dans le cas présent puisque la pression de tarage donne lieu à un effort très grand devant la perturbation pouvant ttre apportée par une membrane semi-torique. En tout état de cause, cela ne pourrait affecter

1 l'étalonnage qu'au niveau du pour mille.

6- stabilité du zéro: afin de fournir une bonne mesure cumulée, il convient d'avoir une excellonte stabilité du zéro. Par exemple, dans une gammoe O-501/h, il faut que la stabilité du zéro soit de l'ordre de O,I 1/h soit 0,2 de la pleine échelle. Deux types de disposition le permettent. En premier lieu, le zéro est un zéro mécanique puisque la coupelle vient au repos reposer sur le c8ne. D'autre part les bobines sont référencées par rapport au cône puisqu'elles en sont solidaires. Donc, mne s'il y a déformation du corps du débitmbtre, la distance au zéro entre la coupelle et la bobine de mesure restera constante. De plus, au niveau du capteur de déplacement, on a intérSt pour minimiser la dérive du zéro en température à faire en sorte qu'il y ait pour lui un équilibrage aussi bon que possible au zéro. Pour cela, comme on l'a vu, on dispose une entretoise entre la bobine de référence et la rondelle de telle sorte que la distance I5 entre celle-ci et la bobine de référence soit au repos égale à la distance entre la bobine de mesure et la coupelle. Compte-tenu des tolérances et de la dimension des pièces, on peut obtenir un écart de 0,05mm dans une

production de série (O,lmm serait tolérable).

D'autre part, dans le mode préféré de réalisation, le capteur de déplacement est un capteur à courants de Foucault, décrit par ailleurs, dont le principe est rappelé Figure 3. Les bobines 7 et 8 en série respectivement avec les résistances I8 et I9 sensiblement de même valeur, se volent appliquer une tension-rectangulaire de fréquence et de rapport cyclique fixés par l'intermédiaire du transistor I7 et de la diode de roue libre 20. L'inductance apparente de la bobine 7 est modifiée par le déplacement d'une pièce métallique amagnétique comme la coupelle 4. On montre qu'il est particulièrement avanta-iux pour la stabilité du zéro en tempêrature d'ajouter à ce montage de base le potentiomètre 21 qui permet de parfaire l'équilibrage des tensions

VA et VB au zéro.

L'ensemble de ces précautions permet d'atteindre une dérive de

zéro inférieure à 0,12 dans la gemme de température.

7- hystérésis et repétabilité: l'hystérésis est nul et la répétabilité parfaite à condition que l'état de surface du cane et du trou de la coupelle soient excellents. Sur ces petites dimensions, il est possible d'obtenir un état de surface poli au moindre colt. En effet, il faut que la coupelle trouve au z4ro sa position d'équilibre naturelle avec le moins possible

de frottements so1ides.

8- performances au voisinage du zéro: les performances au niveau du z4ro seront d'autant meilleures que le clapet constitué par la coupelle et 1 le c8ne sera étanche pour une pression inférieure à la pression de tarage, ceci valant également pour la membrane. On peut tolérer une fuite de 0,1 l/h par

exemple, pour la pression de tarage moins I^,. -

9- adéquation du capteur de déplacement préféré: le capteur de déplacement à courants de Foucault est particulièrement adapté car il rdéunit les qualités suivantes: + très faible co{t pour des performances exceptionnelles + pas de contact avec l'télément dont on veut mesurer le déplaeement + très faible dérive du zéro IO + sensibilité en accord avec le déplacement pleine échelle de l'élément mobile - I.m environ pour 50 l/h et pour un trou de

diamètre 4mm-.

+ prise en compte de la valeur moyenne du déplacement de la coupelle, ce qui permet d'améliorer les performances au niveau

de la répétabilité.

+ possibilité d'intégrer au niveau de l'électronique des compensations thermiques visant à diminuer les dérives dues; par

exemple, à la variation de masse volumique du fluide en température.

D'autres compensations sont possibles. -

IO- clapet de protection: pour des raisons de protection de la membrane, un clapet anti-retour peut etre mont4 à la sortie du débitmètre pour éviter que la pression ne monte dans la chambre supérieure 12. De mgme,

un filtre peut 9tre incorporé au débitmbtre.

11- impossibilité d'obstruction: s'il advenait que le clapet formé

par le c8ne et la coupelle soit bloqué pour nre raison peu imginrable, la pres-

sion statique des pomes à essence étant au moins de 30Cmbars, l'effort d'ouverture sur le clapet monterait alors à 5daN, ce qui retire tout risque

de collage ou de coincement.

12- retour au réservoir: pour des raisons diverses, on peut souhaiter que la pompe débite en permanence. Il faut donc mun retour au réservoir aprè:s la pompe. Un orifice de sortie calibre, ména&gé dans la chambre inferieure Il permet de réaliser le retour au réservoir et mCome un certain

dAgazage, sans perturber la mesure.

kS- débit pulsé: 1 équipage mobile et la perte de char;ge consti-

tuent un excellent filtre qui lisse les irré'.larités du débit. De n.3.rm, ce

uiiontage permet des surcharges instantanées de débit importantes.

14- présence de bulles: quand des bulles passent au niveau du clapet, au débit volumique nominal, le déplacemcnt e de la formule (D) est environ 25 fois plus faible que pour le lciquide. Si 20-, du débit est constitué

1 de bulles, l'erreur sur le débit cumulé sera de l'ordre de 0,8%.

En résumé, ce débitmbtre répond parfaitement au cahier des charges fixé au ddbut pour la mesure de débit de carburant sur automobiles. L'invention peut, par ses performances, être utilisée dans d'autres domaines; l'application n'a pas de caractère limitatif, mais présente un intérCt dans des domaines industriels variés et également au niveau de la mesure de consommation de

carburant des chaudières domestiques et professionnelles, par exemple.

IO I5

DO 250185'

R-VEMDICAT O11

1 - D6bitmètre pour fluides comprenant une enceinte hermétique séparée en deux chambres (11 et 12) par un élément mobile (3) et raccordable à la canalisation dars laquelle coule le fluide dont on veut mesurer le débit par un orifice dtentrée (14) pratiqué dans la première chambre et par un orifice de sortie (15) pratiqué dans la seconde chambre5 ladite enceinte comportant le moyen d'introduire une perte de charge entre l'entrée et la sortie du fluide quasi indépendante du débit, ledit moyen permettant le contrôle de la section de passage du fluide par un déplacement linéaire en fonrtion du débit du fluide de l'élément mobile (3); des moyens de mesurer le déplacement dudit élément mobile, et est caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent une coupelle (4) rigide plate circulaire percée d'un trou central biseauté partiellement, reliée par un élément souple et étanche au corps de l'enceinte, un c&8e (5) solidaire du corps de l'enceinte (11) dont l'axe est perpendiculaire au plan de la coupelle (4) et passe par son centre, des moyens d'exercer sur la coupelle une force quasi constante tendant à appliquer le rebord biseauté du trou de la coupelle (4) sur-le cone et permettant le déplacement de la coupelle (4) dans la direction de l'axe

du c8ne (5), un orgarne transducteur sans contact convertissant ledit déplace-

cent en un signal représentatif du débit.