FR2520122A1 - Meter for determining rotational speed of turbine rotors etc. - esp. speed of rotor in flowmeter monitoring rate of flow or steam or water in duct in pressurised water nuclear reactor - Google Patents
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- G01F1/05—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects
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Abstract
Description
La présente invention a pour objet un système me permettant de déterminer a vitesse de rotation d'un corps Ce systeme permet notamment de mesurer la vitesse de rotation d'une turbine d'un débitmètre dont la rotation est commandée par un fluide circulant dans une conduite, le débitmètre servant à mesurer le débit dudit fluide. De plus, ce système permet de déterminer le sens de rotation d'un corps et notamment d'une turbine d'un débitmètre. L'invention s'applique, en particulier, dans la mesure de débit d'eau, de vapeur ou de mélanges diphasiques de vapeur et d'eau notamment dans les réacteurs à eau pressurisée. The subject of the present invention is a system allowing me to determine the speed of rotation of a body. This system makes it possible in particular to measure the speed of rotation of a turbine of a flow meter whose rotation is controlled by a fluid circulating in a pipe. , the flow meter used to measure the flow of said fluid. In addition, this system makes it possible to determine the direction of rotation of a body and in particular of a turbine of a flow meter. The invention applies, in particular, in the measurement of water flow rate, of steam or of two-phase mixtures of steam and water, in particular in pressurized water reactors.
La mesure du débit, ou de vitesse d'écoulement, d'un fluide par exemple dans une conduite est généralement réalisée à l'aide d'une turbine dont la vitesse de rotation est liée de façon connue à la vitesse d'écoulement du fluide, en régime établi. The measurement of the flow rate, or flow speed, of a fluid for example in a pipe is generally carried out using a turbine whose speed of rotation is linked in a known manner to the flow speed of the fluid , in established regime.
La mesure de cette vitesse de rotation utilise habituellement la variation de la réluctance d'un circuit magnétique dont la turbine fait partie ; ceci implique l'emploi dlun matériau à perméabilité élevée pour la fabrication de la turbine (matériau ferroma- gnétique) et par conséquent interdit l'utilisation de matériaux légers, ce qui conduit à une augmentation de la masse de la turbine et par conséquent de son inertie. L'utilisation d'une turbine en matériau lourd (acier) ne permet pas la mesure de vitesses de rotation rapidement variables et par conséquent la mesure de débits de fluide rapidement variables. The measurement of this speed of rotation usually uses the variation of the reluctance of a magnetic circuit of which the turbine is a part; this implies the use of a material with high permeability for the manufacture of the turbine (ferromagnetic material) and consequently prohibits the use of light materials, which leads to an increase in the mass of the turbine and consequently of its inertia. The use of a heavy material (steel) turbine does not allow the measurement of rapidly variable rotational speeds and consequently the measurement of rapidly variable fluid flow rates.
De façon pratique, la mesure de la vitesse de rotation d'une turbine se fait à l'aide d'une bobine(fluxmètre)enregistrant les variations du flux dues aux variations de positions des pales de la turbine. In practical terms, the measurement of the speed of rotation of a turbine is done using a coil (flow meter) recording the variations in flow due to variations in the positions of the blades of the turbine.
Ce procédé de détermination de la vitesse de rotation d'une turbine présente un certain nombre d'inconvé- nients. En effet, l'amplitude du signal capté dans la bobine de prélèvement est liée à la vitesse de rotation de la turbine et décroît donc avec celle-ci ; la mesure des faibles vitesses est de ce fait impossible en dessous d'ur certain seuil dépend-nt du bruit de fond de l'électronique associée à ladite bobine. En outre, l'interaction turbine-Eluxmètre arrête la pre mière pour les faibles vitesses. De plus, la bobine doit être proche des pales, ce qui nécessite de creuser un logement dans l'épaisseur de la conduite ; ce qui ne manque pas de diminuer la résistance mécanique de cette dernière.This method of determining the speed of rotation of a turbine has a number of drawbacks. In fact, the amplitude of the signal picked up in the sampling coil is linked to the speed of rotation of the turbine and therefore decreases with it; measurement of low speeds is therefore impossible below a certain threshold depending on the background noise of the electronics associated with said coil. In addition, the turbine-eluxmeter interaction stops the first for low speeds. In addition, the coil must be close to the blades, which requires digging a housing in the thickness of the pipe; which does not fail to decrease the mechanical strength of the latter.
Par ailleurs, au cours des régimes transitoires de débit d'un fluide, l'erreur de mesure due au moment d'inertie de la turbine n'est pas négligeable. Furthermore, during transient fluid flow regimes, the measurement error due to the moment of inertia of the turbine is not negligible.
Cette erreur peut etre, certes, évaluée et par conséquent corrigée, si le fluide conserve une densité constante, mais dans le cas où l'on a à faire à un fluide diphasique, dans lequel le fluide et sa vapeur sont intinement mêlés, cette correction n'est plus possible.This error can be, of course, evaluated and consequently corrected, if the fluid retains a constant density, but in the case where we are dealing with a two-phase fluid, in which the fluid and its vapor are intimately mixed, this correction is no longer possible.
Pour déterminer, dans une large gamme de vitesse, la vitesse de rotation d'une turbine d'un débi titre, on pourrait envisager de faire une détection opto-électrique ou photo-électrique, mais malheureusement cette détection n1 est pas utilisable lorsque le fluide est opaque, ce qui est le cas avec des fluides diphasiques. To determine, over a wide speed range, the speed of rotation of a turbine of a flow rate, one could consider making an opto-electric or photo-electric detection, but unfortunately this detection is not usable when the fluid is opaque, which is the case with two-phase fluids.
La présente invention a donc pour objet un système de mesure de rotation d'un corps et notamment d'une turbine permettant de remédier à ces inconvénients et permettant, notamment, de déterminer ladite vitesse de rotation dans une large gamme. De plus, ce système permet de déterminer le sens de rotation de ladite turbine, ce qui permet dans le cas d'une turbine appartenant à un débitmètre, de déterminer le sens d'écoulement du fluide circulant dans la conduite dans laquelle est placé le débitmètre. The present invention therefore relates to a system for measuring the rotation of a body, and in particular a turbine, making it possible to remedy these drawbacks and making it possible, in particular, to determine said speed of rotation over a wide range. In addition, this system makes it possible to determine the direction of rotation of said turbine, which makes it possible, in the case of a turbine belonging to a flow meter, to determine the direction of flow of the fluid circulating in the pipe in which the flow meter is placed. .
De façon plus précise, l'invention a pour objet un système permettant de mesurer la vitesse de rotation d'un corps, notamment d'une turbine, se ca ractérisant en ce qu'il comprend au moins un petit aimant, logé dans le corps et créant un champ magnétique, et un capteur magnétométrique à couche magnétique mince, logé à proximité dudit corps, apte à -mesurer ledit champ magnétique créé et à émettre un signal électrique dont la fréquence permet de déterminer la vitesse de rotation dudit corps. More specifically, the invention relates to a system for measuring the speed of rotation of a body, in particular a turbine, characterized in that it comprises at least one small magnet, housed in the body. and creating a magnetic field, and a magnetometric sensor with a thin magnetic layer, housed near said body, capable of measuring said created magnetic field and of emitting an electrical signal whose frequency makes it possible to determine the speed of rotation of said body.
L'utilisation d'un capteur magnétométrique à couche mince permet d'utiliser un corps réalisé en des matériaux légers tels que des matériaux choisis dans le groupe comprenant l'aluminium et ses alliages. The use of a thin-film magnetometric sensor makes it possible to use a body made of light materials such as materials chosen from the group comprising aluminum and its alloys.
Ceci permet de mesurer des vitesses de rotation, donc des débits de fluides, élevés.This makes it possible to measure rotational speeds, therefore high fluid flow rates.
De plus, selon l'invention, ce système permet de détecter le sens de rotation du corps. In addition, according to the invention, this system makes it possible to detect the direction of rotation of the body.
En effet, selon un mode préféré de réalisation de l'invention, ce système comprend, de plus, un deuxième capteur magnétométrique à couche magnétique mince, logé à proximité du corps et apte à émettre un deuxième signal électrique dépendant du champ magnétique créé par l'aimant, ce deuxième capteur magnétométrique étant décalé angulairement par rapport au premier capteur, la mesure du signe du déphasage entre les deux signaux électriques permettant de détecter le sens de rotation du corps. In fact, according to a preferred embodiment of the invention, this system further comprises a second magnetometric sensor with a thin magnetic layer, housed close to the body and capable of emitting a second electrical signal dependent on the magnetic field created by the magnet, this second magnetometric sensor being angularly offset with respect to the first sensor, the measurement of the sign of the phase shift between the two electrical signals making it possible to detect the direction of rotation of the body.
Selon un autre mode de réalisation préféré de l'invention, la couche magnétique des deux capteurs est réalisée en un alliage de fer et de nickel. According to another preferred embodiment of the invention, the magnetic layer of the two sensors is made of an alloy of iron and nickel.
Selon un autre mode de réalisation préféré de l'invention, les deux capteurs magnétométriques, de forme cylindrique, sont disposés chacun dans un boî- tier cylindrique et de façon que leur axe soit orthogonal à l'axe de rotation du corps. According to another preferred embodiment of the invention, the two magnetometric sensors, of cylindrical shape, are each arranged in a cylindrical housing and so that their axis is orthogonal to the axis of rotation of the body.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre purement illustratif et non limitatif. Pour plus de simplicité, la description se réfère à un système permettant de déterminer la vitesse et le sens de rotation de la turbine d'un débitmètre, mais bien entendu, l'invention est d'application beaucoup plus générale. Other characteristics and advantages of the invention will emerge more clearly from the description which follows, given purely by way of illustration and without limitation. For simplicity, the description refers to a system for determining the speed and the direction of rotation of the turbine of a flow meter, but of course, the invention is of much more general application.
La description se réfère à des figures annexées, dans lesquelles - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une
conduite dans laquelle est disposé un débitmètre
comportant une turbine dont on veut mesurer la vi
tesse de rotation - la figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne
II-II de la figure 1 ; - la figure 2a est une coupe suivant la ligne A-A de
la figure 2 ; - la figure 3 représente un capteur magnétométrique à
couche mince servant à déterminer la vitesse de ro
tation de la turbine du débitmètre de la figure 1 - la figure 4 représente un schéma synoptique des cir
cuits électroniques associés à la couche mince des
capteurs magnétométriques - la figure 5 représente la partie utile du cycle
d'hystérésis du matériau constituant les aimants du
système de mesure de la vitesse de rotation d'une
turbine ; la courbe représentée sur cette figure
donne la perméabilité Bo en fonction du produit de
Bo par le champ démagngtisant H c exprimé en Tesla ; - les figures 6 et 7 représentent l'évolution de la
vitesse de rotation d'une turbine dans des condi
tions réelles d'utilisation - les courbes repre > sen-
tées sur ces figures donnent la vitesse de rotation,
exprimée en tour par seconde (tr/s) en fonction du
temps (t) exprimé en seconde (s) sur la figure 6 et
en minute (min) sur la figure 7
Sur la figure 1, on a représenté un débitmè-tre, désigné par la référence générale 10, Ce débitmètre 10 est monté dans un alésage formé dans un corps cylindrique 12 prévu pour être inséré dans une conduite 14 par tous moyens appropriés. Ce débitmètre lQ comporte un support tubulaire 16 dont le diamètre externe est sensiblement égal au diamètre interne de l'alésage, formé dans le corps 12, et qui est normalenent immobilisé entre un épaulement 18 et un écrou 20, vissé dans une partie taraudée 22 de cet alésage.Le support 16 est constitué par deux cylindres identiques 24 reliés par une ou plusieurs barres longitudinales 26 de façon à définir entre 9ux un évidement 28 dans lequel est reçue une turbine 30 présentant un certain nombre de pales 32 inclinées par rapport a la direc- tion d'écoulement du fluide, par exLe dans le sens indiqué par la flèche 34. De préférence, les pales 32 de cette turbine 30 sont réalisées en un matériau léger amagnétique choisi dans le groupe comprenant l'aluminium et ses alliages.The description refers to attached figures, in which - Figure 1 is a longitudinal sectional view of a
pipe in which a flow meter is arranged
comprising a turbine whose vi is to be measured
rotation size - Figure 2 is a sectional view along the line
II-II of Figure 1; - Figure 2a is a section along line AA of
Figure 2; - Figure 3 shows a magnetometric sensor with
thin layer used to determine the speed of ro
tation of the turbine of the flowmeter of figure 1 - figure 4 represents a synoptic diagram of the cir
electronic circuits associated with the thin layer of
magnetometric sensors - figure 5 represents the useful part of the cycle
hysteresis of the material constituting the magnets of the
system for measuring the rotational speed of a
turbine; the curve shown in this figure
gives the permeability Bo as a function of the product of
Bo by the demagnetizing field H c expressed in Tesla; - Figures 6 and 7 show the evolution of
rotational speed of a turbine in condi
actual use - the repre> sensed curves
tees in these figures give the speed of rotation,
expressed in revolutions per second (r / s) depending on the
time (t) expressed in seconds (s) in Figure 6 and
in minutes (min) in Figure 7
In Figure 1, there is shown a flow meter, designated by the general reference 10, This flow meter 10 is mounted in a bore formed in a cylindrical body 12 intended to be inserted into a pipe 14 by any suitable means. This flow meter lQ comprises a tubular support 16 whose external diameter is substantially equal to the internal diameter of the bore, formed in the body 12, and which is normally immobilized between a shoulder 18 and a nut 20, screwed into a threaded portion 22 of The bore 16 consists of two identical cylinders 24 connected by one or more longitudinal bars 26 so as to define between 9ux a recess 28 in which is received a turbine 30 having a number of blades 32 inclined with respect to the direction - tion of fluid flow, for example in the direction indicated by arrow 34. Preferably, the blades 32 of this turbine 30 are made of a light non-magnetic material chosen from the group comprising aluminum and its alloys.
Chacun des cylindres 24 du support 16 porte un palier 36 par l'intermédiaire de quatre ailettes radiales 38, de largeur réduite et dont la configuration est prévue de façon à entraver aussi peu que pos- sible l'écoulement du fluide à l'intérieur de la conduite 14. Les paliers 36 sont parfaitement alignés et leur axe commun est confondu avec l'axe du corps 12. Each of the cylinders 24 of the support 16 carries a bearing 36 by means of four radial fins 38, of reduced width and the configuration of which is designed so as to hinder as little as possible the flow of the fluid inside the pipe 14. The bearings 36 are perfectly aligned and their common axis coincides with the axis of the body 12.
La turbine 30 est supportée par un axe cy lindrique 40, réalisé en matériau dur et magnétique tel que de l'acier inoxydable, qui fait saillie de part et d'autre de la turbine à l'intérieur des paliers 36. Les extrémités 48 de cet axe 40, associé par tout moyen connu à la turbine 30, sont montées tournantes dans les paliers 36 correspondant par l'interne médiaire de roulements à billes 42 montés en satellite sur des axes 44 portés par une cage de roulements 46 montée fixement à l'intérieur du palier 36 correspondant. The turbine 30 is supported by a cylindrical axis 40, made of hard and magnetic material such as stainless steel, which projects on either side of the turbine inside the bearings 36. The ends 48 of this axis 40, associated by any known means with the turbine 30, are rotatably mounted in the corresponding bearings 36 by the medial internal of ball bearings 42 mounted in satellite on axes 44 carried by a bearing cage 46 fixedly mounted to the inside the corresponding bearing 36.
La turbine est reçue dans l'évidement 28 avec un certain jeu axial entre les paliers 36. Le débattement axial de la turbine 30 est limité par la venue en contact des extrémités 48 de l'axe 40 avec des butées, montées de façon fixe à l'intérieur des paliers 36, portant au niveau de l'axe du débitmètre un insert 50. Le positionnement de ces butées par rapport aux extrémités 48 de l'axe 40 peut etre réglé afin de donner au débattement axial de la turbine la valeur désirée. The turbine is received in the recess 28 with a certain axial clearance between the bearings 36. The axial clearance of the turbine 30 is limited by the coming into contact of the ends 48 of the axis 40 with stops, mounted in a fixed manner at inside the bearings 36, carrying an insert 50 at the level of the flow meter axis. The positioning of these stops relative to the ends 48 of the axis 40 can be adjusted in order to give the axial clearance of the turbine the desired value .
Pour plus de détails sur le réglage des butées et sur la cage de roulements, on peut se référer à la demande de brevet n 24o19SS dépose le 18 juillet 79 par le demandeur et intitulée débitmtre". For more details on the adjustment of the stops and on the bearing cage, one can refer to the patent application n 24o19SS filed on July 18, 79 by the applicant and entitled "flowmeter".
Ce débitm.ètre 10 est, de plus, muni d'une ogive 52 creuse prolongeant les paliers 36 de part en d'autre du support 25. Cette ogive 52 est conçue de façon à perturber le moins possible l'écoulement du fluide dans la conduite 14 par exemple dans le sens indiqué par la flèche 34. This flowmeter 10 is, moreover, provided with a hollow warhead 52 extending the bearings 36 on either side of the support 25. This warhead 52 is designed so as to disturb the flow of the fluid as little as possible. line 14 for example in the direction indicated by arrow 34.
Le débitmètre 10 est, de plus, muni d'un système, qui sera décrit ultérieurement, permettant de mesurer la vitesse de rotation de la turbine 30 et permettant de déterminer le sens de rotation de ladite turbine. The flow meter 10 is further provided with a system, which will be described later, making it possible to measure the speed of rotation of the turbine 30 and making it possible to determine the direction of rotation of said turbine.
La mise en rotation de la turbine est assurée par l'écoulement d'un fluide (liquide, gaz ou mélange des deux), circulant dans la conduite 14 par exemple dans le sens indiqué par la flèche 34, en exerçant sur les pales 32 de la turbine -30 un couple fonction de son débit qui tend à faire tourner la turbine autour de son axe. La turbine 30 tourne à une vitesse proportionnelle au débit du fluide circulant dans la conduite 14. En conséquence, la mesure de la vitesse de la turbine 30 effectuée par le système de mesure permet de connattre la valeur du débit du fluide après un étalonnage préalable. The turbine is set in rotation by the flow of a fluid (liquid, gas or mixture of the two), circulating in the pipe 14 for example in the direction indicated by the arrow 34, by exerting on the blades 32 of the turbine -30 a torque depending on its flow which tends to rotate the turbine around its axis. The turbine 30 rotates at a speed proportional to the flow rate of the fluid flowing in the pipe 14. Consequently, the measurement of the speed of the turbine 30 carried out by the measurement system makes it possible to know the value of the flow rate of the fluid after prior calibration.
Le système de mesure, selon l'invention, est constitué, en se référant aux figures 1 et 2, de deux petits aimants de forme allongée 54 noyés dans le corps de la turbine 30 et diamètralement opposés. Ces deux aimants 54, disposés perpendiculairement à l'axe 40 de la turbine 30 sont réunis magnétiquement entre eux par ledit axe réalisé en matériau magnétique (acier inoxydable). Ces deux aimants 54 sont susceptibles de créer un champ magnétique qui- peut être mesuré par deux capteurs magnétométriques 56 de forme cylindrique (figure 2). Ces deux capteurs magnétométriques qui sont des capteurs magnétométriques à couche mince, réalisée par exemple en un alliage dé fer et de nickel, sont disposés dans des boîtiers cylindriques à double paroi 58 dans lesquels peut être monté un circuit de refroidissement 60 permettant de refroidir, si nécessaire, les capteurs magnétométriques 56.Ce circuit de refroidissement 60 peut être constitué par une circulation d'eau comprenant un ensemble 61 pour mettre en circulation l'eau de refroidissement, une conduite d'amenée 63 et une conduite de sortie 62 de ladite eau reliées à l'ensemble 61. Ces boîtiers cylindriques 58 sont fixés dans un évidement 64 pratiqué dans le corps 12 au moyen de plaques de fixation telles que 66 maintenues solidaires du corps 12 au moyen de vis 68. The measurement system according to the invention consists, with reference to FIGS. 1 and 2, of two small magnets of elongated shape 54 embedded in the body of the turbine 30 and diametrically opposite. These two magnets 54, arranged perpendicular to the axis 40 of the turbine 30 are magnetically joined together by said axis made of magnetic material (stainless steel). These two magnets 54 are capable of creating a magnetic field which can be measured by two magnetometric sensors 56 of cylindrical shape (FIG. 2). These two magnetometric sensors, which are thin-film magnetometric sensors, made for example of an iron and nickel alloy, are arranged in cylindrical double-walled housings 58 in which a cooling circuit 60 can be mounted, allowing cooling, if required, the magnetometric sensors 56. This cooling circuit 60 may consist of a water circulation comprising an assembly 61 for circulating the cooling water, a supply pipe 63 and an outlet pipe 62 of said water connected to the assembly 61. These cylindrical housings 58 are fixed in a recess 64 formed in the body 12 by means of fixing plates such as 66 kept integral with the body 12 by means of screws 68.
Les capteurs magnétométriques 56 sont disposés tangentiellement à la surface de la conduite 14, c'est-à-dire de façon que leur axe Z soit orthogonal à l'axe de rotation 40 de la turbine 30. Ces deux capteurs magnétométriques sont décalés angulairement l'un par rapport à l'autre d'un angle de 900 environ. The magnetometric sensors 56 are arranged tangentially to the surface of the pipe 14, that is to say so that their axis Z is orthogonal to the axis of rotation 40 of the turbine 30. These two magnetometric sensors are angularly offset l 'relative to each other by an angle of about 900.
Ces capteurs sont munis, chacun, d'un câble électrique 70 permettant de les relier à une électronique de mesure 72 située hors de la conduite 14 dans laquelle est placé le débitmètre.These sensors are each provided with an electric cable 70 allowing them to be connected to a measurement electronics 72 situated outside the pipe 14 in which the flowmeter is placed.
Pour déterminer la vitesse de rotation de la turbine 30 un seul capteur magnétométrique 56 suffit. To determine the speed of rotation of the turbine 30, a single magnetometric sensor 56 is sufficient.
Le signal électrique de forme quasi-sinusoidale qu'il émet présente une fréquence directement liée à la vitesse de rotation de la turbine. Des exemples de mesure de la vitesse de rotation seront donnés ultérieurement.The quasi-sinusoidal electrical signal it emits has a frequency directly related to the speed of rotation of the turbine. Examples of speed measurement will be given later.
La détermination du sens de rotation de la turbine, donc la détermination du sens d'écoulement d'un fluide dans une conduite munie d'un débitmètre tel que décrit ci-dessus, se fait en utilisant les deux capteurs magnétomé'rtques 56 disposés tel que décrit précédemment. La mesure du signe de déphasage des signaux émis par les deux capteurs fournit le sens de rotation de la turbine. En faisant une courbe de "Lissajous" avec les deux signaux, on obtient sur tout moyen de visualisation connu, une courbe elliptique dont le sens de parcours donne le sens de rotation de la turbine. The determination of the direction of rotation of the turbine, therefore the determination of the direction of flow of a fluid in a pipe provided with a flowmeter as described above, is done by using the two magnetometric sensors 56 arranged such as previously described. The measurement of the sign of phase shift of the signals emitted by the two sensors provides the direction of rotation of the turbine. By making a curve of "Lissajous" with the two signals, one obtains on any known visualization means, an elliptical curve whose direction of travel gives the direction of rotation of the turbine.
Les deux capteurs magnétométriques 56, comme schématisé sur la figure 3, sont constitués d'une couche mince 74 en alliage de fer et de nickel (ferro nickel), par exemple réalisée sous la forme d'une couche monodomaine, déposée sur un support cylindrique 76 par exemple en quartz. The two magnetometric sensors 56, as shown diagrammatically in FIG. 3, consist of a thin layer 74 of iron and nickel alloy (ferro nickel), for example produced in the form of a single-domain layer, deposited on a cylindrical support 76 for example in quartz.
L'anisotropie magnétique de cette couche mince est caractérisée par son axe de facile aimantation, par son axe de difficile aimantation et par la valeur H K du champ d'anisotropie. L'axe de difficile aimantation est parallèle à l'axe Z du cylindre support 76, l'axe de facile aimantation est circonféren- tiel, donc fermé sur lui-m?:me et de ce fait, il n'y a qu'un seul domaine dans la couche. The magnetic anisotropy of this thin layer is characterized by its axis of easy magnetization, by its axis of difficult magnetization and by the value H K of the anisotropy field. The axis of difficult magnetization is parallel to the axis Z of the support cylinder 76, the axis of easy magnetization is circumferential, therefore closed on itself: and therefore, there is only only one area in the layer.
Le principe de mesure d'un champ magnétique avec un capteur magnétométrique à couche mince est basé sur l'exploitation des caractéristiques du cycle d'hytérésis transverse de cet élément. The principle of measurement of a magnetic field with a magnetometric sensor with thin layer is based on the exploitation of the characteristics of the transverse hyteresis cycle of this element.
Ce principe a été largement décrit dans une demande de brevet n 2198146 déposée le 4 septembre 1972 par le demandeur et intitulé "Procédé de mesure de champs magnétiques et magnétomètre de mise en oeuvre". This principle has been widely described in a patent application No. 2198146 filed on September 4, 1972 by the applicant and entitled "Method of measuring magnetic fields and implementation magnetometer".
On va brièvement rappeler le principe de la mesure. En l'absence de tout champ magnétique exté- rieur, l'énergie d'anisotropie de la couche mince 74 fait que le vecteur intensité d1aimanation à satura- tion 5 est dirigé suivant l'axe de facile aimanta-tion. rtapplication d'un champ magnétique faible H e dirige suivant l'axe de difficile aimantation entraîne la rotation du vecteur Is par rapport à sa position de repos, d'un angle déterminé, dans le sens d'un alignement sur ne.Ainsi quand on applique un champ magnétique H c alternatif, le vecteur ts oscille entre deux positions limites, la couche mince est alors dite excitée. We will briefly recall the principle of measurement. In the absence of any external magnetic field, the anisotropy energy of the thin layer 74 means that the saturation magnetization intensity vector 5 is directed along the axis of easy magnetization. rtapplication of a weak magnetic field H e directs along the axis of difficult magnetization involves the rotation of the vector Is compared to its rest position, by a determined angle, in the direction of an alignment on ne. Thus when one applies an alternating magnetic field H c, the vector ts oscillates between two limit positions, the thin layer is then said to be excited.
Ce circuit d'excitation, dans le cadre de l'invention est constitué, par un bobinage 78, consti tué de plusieurs boucles, dont l'axe est parallèle à l'axe de difficile aimantation, c'est-à-dire parallèle à l'axe Z, ce bobinage 78 étant supporté par un cylindre coaxial au cylindre 76 et le recouvrant. Le cyclindre supportant le bobinage 78 peut être réalisé en quartz ou en alumine frittée. Un circuit de prélèvement constitué d'une boucle 80 peut alors capter les oscillations du vecteur IS et les transformer en variations de tension V. This excitation circuit, in the context of the invention consists of a coil 78, made up of several loops, whose axis is parallel to the axis of difficult magnetization, that is to say parallel to the Z axis, this winding 78 being supported by a cylinder coaxial with the cylinder 76 and covering it. The cylinder supporting the winding 78 can be made of quartz or sintered alumina. A sampling circuit consisting of a loop 80 can then pick up the oscillations of the vector IS and transform them into voltage variations V.
Si le cilinp magnétique d'excitation H e est purement sinuso1dal de fréquence F et seul présent au niveau de la couche mince 74, les oscillations du vecteur g sont symétriques par rapport à l'axe de facile aimantation et la tension V est à la fréquence 2f. En revanche, si un champ extérieur à mesurer (ici le champ créé par les aimants) se superpose au champ d'excitation Hei la symétrie des oscillations est rompue et l'on voit apparaître dans la tension V une tension à la fréquence d'excitation f.On montre que la fonction de transfert du capteur magnétométrique proprement dit est linéaire, ce qui permet de mesurer avec de tels capteurs des champs magnétiques tels que celui créé par les aimants, diriges suivant l'axe de difficile aimantation de la couche mince 74 constituant ces capteurs. If the magnetic excitation cilin H e is purely sinusoidal of frequency F and the only one present at the level of the thin layer 74, the oscillations of the vector g are symmetrical with respect to the axis of easy magnetization and the voltage V is at the frequency 2 F. On the other hand, if an external field to be measured (here the field created by the magnets) is superimposed on the excitation field Hei the symmetry of the oscillations is broken and we see appearing in the voltage V a voltage at the excitation frequency f. We show that the transfer function of the magnetometric sensor itself is linear, which makes it possible to measure with such sensors magnetic fields such as that created by the magnets, directed along the axis of difficult magnetization of the thin layer 74 constituting these sensors.
Ces capteurs magnétométriques proprement dit sont associés à une électronique représentée schématiquement sur la figure 4. Cette électronique est principalement constitué d'un circuit d'excitation 82 dont fait partie le bobinage 78, d'un circuit d'ampli- fication et de détection 84 dont fait partie la boucle de prélèvement 80, et d'un circuit de contre-réaction 86 du champ d'excitation, relié à la sortie du circuit d'amplification et de détection 84. Le signal de sortie correspondant au champ magnétique à mesurer est véhiculé par le conducteur 88 en direction de l'électronique de mesure 72. These magnetometric sensors proper are associated with electronics shown diagrammatically in FIG. 4. This electronics mainly consists of an excitation circuit 82 of which the winding 78 forms part, of an amplification and detection circuit 84 which includes the sampling loop 80, and a feedback circuit 86 of the excitation field, connected to the output of the amplification and detection circuit 84. The output signal corresponding to the magnetic field to be measured is conveyed by the conductor 88 towards the measurement electronics 72.
Le circuit de contre-réaction 86 du champ magnétique d'excitation peut être constitué, en se référant à la figure 3, d'un bobinage 90 enroulé sur un support cylindrique coaxial aux deux autres cylindres 78 et 76. Ce support cylindrique peut être réalisé en quartz ou en alumine frittée. Ce circuit de contreréaction 86 permet de compenser la non linéarité de la sensibilité du capteur magnétométrique proprement dit observée dès que les champs d'excitation et à mesurer sont élevés. The feedback circuit 86 of the magnetic excitation field can be constituted, with reference to FIG. 3, of a winding 90 wound on a cylindrical support coaxial with the other two cylinders 78 and 76. This cylindrical support can be produced quartz or sintered alumina. This feedback circuit 86 makes it possible to compensate for the non-linearity of the sensitivity of the magnetometric sensor proper observed as soon as the excitation and measurement fields are high.
L'ensemble des capteurs magnétométriques tels que décrits précédemment (figure 3) sont protégés par une enveloppe cylindrique 92, réalisée par exemple en aluminium, servant de blindage électromagnétique. All of the magnetometric sensors as described above (Figure 3) are protected by a cylindrical casing 92, made for example of aluminum, serving as electromagnetic shielding.
En général, la couche mince monodomaine 74 est saturée suivant l'axe de facile aimantation. Cette saturation est obtenue en appliquant momentanément à la couche mince 74 un champ magnétique < supérieur à la valeur HK du champ d'anisotropie. Ce champ < est
s produit au moyen d'un fil conducteur 94, courant le long de l'axe Z du capteur magnétométrique et transportant une impulsion de courant de saturation dont le retour s'effectue par l'enveloppe de protection 92 afin de conserver la symétrie de révolution.In general, the single-domain thin layer 74 is saturated along the axis of easy magnetization. This saturation is obtained by temporarily applying to the thin layer 74 a magnetic field <greater than the HK value of the anisotropy field. This field <is
s produced by means of a conducting wire 94, running along the axis Z of the magnetometric sensor and transporting a saturation current pulse whose return is effected by the protective envelope 92 in order to preserve the symmetry of revolution .
Les caractéristiques généralement obtenues pour ces couches minces 74 sont un champ d'anisotropie
HK de l'ordre de 150 à 250 A/m, une sensibilité élevée de l'ordre de 10 picotesla, une bande passante élevée de l'ordre de plusieurs kilohertz, un faible encombrement, une consommation d'énergie faible d'environ 10 milliwatts.The characteristics generally obtained for these thin layers 74 are an anisotropy field
HK of the order of 150 to 250 A / m, a high sensitivity of the order of 10 picotesla, a high bandwidth of the order of several kilohertz, a small footprint, a low energy consumption of about 10 milliwatts.
On va maintenant donner un exemple de réalisation du système ainsi que différentes mesures de vitesse de rotation d'une turbine obtenues au moyen du système selon l'invention. We will now give an exemplary embodiment of the system as well as various measurements of the speed of rotation of a turbine obtained by means of the system according to the invention.
Dans le cas où l'on désire mesurer la vitesse de rotation d'une turbine d'un débitmètre, placé dans une conduite d'un réacteur à eau pressurisée, les aimants 54, placés dans le corps de la turbine, doivent pouvoir supporter des températures de l'ordre de 3500C sans que leur aimantation rémanente ne subisse de diminution irréversible. Dans ces conditions, les deux aimants devront donc être réalisés en un matériau adéquat, de type Al-Ni-CoFe. In the case where it is desired to measure the speed of rotation of a turbine of a flow meter, placed in a pipe of a pressurized water reactor, the magnets 54, placed in the body of the turbine, must be able to withstand temperatures of the order of 3500C without their residual magnetization undergoing irreversible reduction. Under these conditions, the two magnets must therefore be made of a suitable material, of Al-Ni-CoFe type.
La figure 5 reproduit la partie utile du cycle d'Hystérésis de ce matériau. Figure 5 shows the useful part of the Hysteresis cycle of this material.
La taille des aimants dépend, bien entendu, de la taille de la turbine , Pour une turbine dont le diamètre du corps est de 25 millimètres (mm) et celui de l'axe 8 mm on utilisera par exemple deux aimants cylindriques de 7,5 mm de longueur totale et de 3 mm de diamètre. Ceci correspond à une masse totale pour les deux aimants de 0,77 gramme ce qui augmente peu l'inertie de la turbine. The size of the magnets depends, of course, on the size of the turbine. For a turbine whose body diameter is 25 millimeters (mm) and that of the 8 mm axis, two cylindrical magnets of 7.5 will be used, for example. mm in total length and 3 mm in diameter. This corresponds to a total mass for the two magnets of 0.77 gram which does not increase the inertia of the turbine.
Dans l'exemple de réalisation décrit cidessus, on a utilisé deux aimants, mais bien entendu un ou plusieurs aimants peuvent être utilisés. In the embodiment described above, two magnets were used, but of course one or more magnets can be used.
Des études ont montré que de tels aimants étaient suffisants pour créer un champ agnétique mesurable par les capteurs magnêtométriques 56 tels que décrits précédemment. Studies have shown that such magnets are sufficient to create an agnetic field measurable by magnetometric sensors 56 as described above.
Les capteurs magnétométriques fournissent une tension quasi-sinusoidale dont l'amplitude est proportionnelle à la composante du champ magnétique fourni par les aimants suivant l'axe de difficile aimantation de la couche mince constituant lesdits capteurs et dont la fréquence donne la vitesse de rotation de la turbine. La mesure du signe du déphasage entre les signaux émis par les deux capteurs donne le sens de rotation de ladite turbine. The magnetometric sensors provide a quasi-sinusoidal voltage whose amplitude is proportional to the component of the magnetic field provided by the magnets along the axis of difficult magnetization of the thin layer constituting said sensors and whose frequency gives the speed of rotation of the turbine. Measuring the sign of the phase shift between the signals emitted by the two sensors gives the direction of rotation of said turbine.
Des études ont montré que, pour un champ magnétique d'excitation donné (celui fourni par les aimants), l'aflplitude du signal magnétométrique varie peu en fonction de la fréquence dudit signal. Une légère atténuation de l'amplitude apparaît cependant pour un signal dont la fréquence est supérieure à 100 Hertz, ce qui correspond à une vitesse de rotation pour la turbine de 6000 tours par minute (tr/min). Studies have shown that, for a given excitation magnetic field (that provided by the magnets), the amplitude of the magnetometric signal varies little as a function of the frequency of said signal. A slight attenuation of the amplitude appears however for a signal whose frequency is greater than 100 Hertz, which corresponds to a speed of rotation for the turbine of 6000 revolutions per minute (rpm).
Mais cette atténuation, qui est liée au corps de la turbine présentant un effet de blindage magnétique non négligeahle, n'est pas telle qu'on ne puisse pas mesurer la fréquence du signal.However, this attenuation, which is linked to the body of the turbine having a not inconsiderable magnetic shielding effect, is not such that the frequency of the signal cannot be measured.
L'amplitude des signaux captés par les captours magnétométriques est de l'ordre de 2 Volts, ce qui correspond à un champ magnétique de 20000 nanoteslas crête à crête. Les expériences ont été réalisés avec des aimants et une turbine présentant les carac téristiques données ci-dessus. The amplitude of the signals picked up by the magnetometric captures is of the order of 2 Volts, which corresponds to a magnetic field of 20,000 nanoteslas peak to peak. The experiments were carried out with magnets and a turbine having the characteristics given above.
Les figures 5 et 7 indiquent l'évolution de la vitesse de rotation d'une turbine au cours du temps, dans des condition réelles dutilisaLion. Sur la figure 6 le temps est exprimé en secondes et sur la figure 7 en minutes. Après mis sous pression d'un ballon, contenant de l'eau à haute température (environ 300oC), duquel part une conduite contenant la turbine d'un débitmètre, fermee à l'une de ses extrémi- tés, on ouvre brutalement, par explosion de membranes, cette extrémité.La mise en rotation de la turbine est donc très rapide comme on peut le constater sur la figure 6. En effet, 5 millisecondes après l'explosion, la turbine tourne à plus de 7500 tr/min. La figure 7 indique en particulier que l'arrêt de la turbine intervient à 3 minutes 55 secondes après l'explosion. Figures 5 and 7 show the evolution of the speed of rotation of a turbine over time, in real conditions of use. In figure 6 the time is expressed in seconds and in figure 7 in minutes. After pressurizing a balloon, containing water at high temperature (about 300oC), from which a pipe containing the turbine of a flow meter leaves, closed at one of its ends, it is suddenly opened, by explosion of membranes, this end. The rotation of the turbine is therefore very rapid as can be seen in FIG. 6. In fact, 5 milliseconds after the explosion, the turbine rotates at more than 7500 rpm. FIG. 7 indicates in particular that the turbine is stopped 3 minutes 55 seconds after the explosion.
Ces différents résultats indiquent qu'avec le système de mesure, selon l'invention, on peut déterminer des vitesse de rotation d'une turbine dans une très grande gamme de vites et ce dans un environnement magnétique normal. These various results indicate that with the measurement system according to the invention, it is possible to determine the rotational speed of a turbine in a very wide range of speeds and this in a normal magnetic environment.
Dans un milieu magnétiquement perturbé, des études ont montré qu'il était nécessaire de protéger les capteurs magnétométriques de cet environnement afin de ne pas modifier les caractéristiques desdits capteurs. Ces mêmes études ont montré qu'un blindage magnétique, par exem1e telque représenté sur la figure 2, constitué d'une enceinte 96 en fer doux recouvert sur sa face interne 98 de deux couches en tel métal était nécessaire. Cette enceinte 96, disposée autour de la turbine, présente la forme la plus fermée possible, de façon à protéger suffisamment lesdits capteurs du milieu environnant. Cette enceinte 96 comprend une partie centrale cylindrique 96a flanquée autour du corps 12 du débitmètre et deux parties coniques 96b protégeant les câbles électriques 70 des capteurs magnétométriques. De pius, deux demi coquilles 100a et 100b, réalisées par exemple en acier inoxydable amagnétique, fixent l'ensemble sur le corps 12. Ces deux demi-coquilles lOOa et 100b, servant, de plus, a protéger ledit ensemble, sont maintenues solidaires l'une de l'autre au moyen de vis tellesque 102. In a magnetically disturbed environment, studies have shown that it is necessary to protect the magnetometric sensors from this environment so as not to modify the characteristics of said sensors. These same studies have shown that a magnetic shielding, for example as shown in FIG. 2, consisting of an enclosure 96 of soft iron covered on its internal face 98 with two layers of such metal was necessary. This enclosure 96, arranged around the turbine, has the most closed shape possible, so as to sufficiently protect said sensors from the surrounding medium. This enclosure 96 comprises a cylindrical central part 96a flanked around the body 12 of the flow meter and two conical parts 96b protecting the electric cables 70 of the magnetometric sensors. In addition, two half shells 100a and 100b, made for example of non-magnetic stainless steel, fix the assembly to the body 12. These two half-shells 100a and 100b, serving, moreover, to protect said assembly, are held together l 'from each other by means of screws such as 102.
Dans l'invention telle que décrite précégemment on a surtout envisagé de déterminer la vitesse de rotation et le sens de rotation de la turbine d'un débitmètre. Bien entendu, le système de mesure, selon l'invention peut être utilisée pour déterminer la vitesse et le sens de rotation d'une turbine et de manière plus générale dans tout dispositif tachymétrique. In the invention as described above, it has above all been envisaged to determine the speed of rotation and the direction of rotation of the turbine of a flow meter. Of course, the measurement system according to the invention can be used to determine the speed and the direction of rotation of a turbine and more generally in any tachometer device.
Claims (11)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8200835A FR2520122A1 (en) | 1982-01-20 | 1982-01-20 | Meter for determining rotational speed of turbine rotors etc. - esp. speed of rotor in flowmeter monitoring rate of flow or steam or water in duct in pressurised water nuclear reactor |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8200835A FR2520122A1 (en) | 1982-01-20 | 1982-01-20 | Meter for determining rotational speed of turbine rotors etc. - esp. speed of rotor in flowmeter monitoring rate of flow or steam or water in duct in pressurised water nuclear reactor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2520122A1 true FR2520122A1 (en) | 1983-07-22 |
| FR2520122B1 FR2520122B1 (en) | 1984-09-07 |
Family
ID=9270153
Family Applications (1)
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| FR8200835A Granted FR2520122A1 (en) | 1982-01-20 | 1982-01-20 | Meter for determining rotational speed of turbine rotors etc. - esp. speed of rotor in flowmeter monitoring rate of flow or steam or water in duct in pressurised water nuclear reactor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2520122A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2646235A1 (en) * | 1989-04-20 | 1990-10-26 | Sappel Sa | Flow meter with axial turbine |
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| GB893556A (en) * | 1958-12-04 | 1962-04-11 | Stanley Coad | Improvements relating to the determination of the rate of flow of a fluid |
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| FR2198146A1 (en) * | 1972-09-04 | 1974-03-29 | Commissariat Energie Atomique | |
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- 1982-01-20 FR FR8200835A patent/FR2520122A1/en active Granted
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2520122B1 (en) | 1984-09-07 |
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