FR3062206A1 - Dispositif et procédé de mesure de débit et volume d’écoulement de fluides par clapet à battant articulé. - Google Patents
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Abstract
Les fluides visés par cette invention sont plus particulièrement de l'eau claire, de l'eau chargée ou tout autre liquide de densité homogène et pouvant contenir des particules. L'invention est destinée aux applications de mesure et comptabilisation des fluides dans les domaines de l'environnement s'agissant de l'eau potable, des eaux usées et de l'assainissement, des cours d'eau naturels ou artificiels, des stockages et distribution d'eau pour toutes utilisations et ensuite aux applications industrielles agro-alimentaires, chimiques ou de transformation utilisant des fluides. L'invention vise également le domaine de la mesure des effluents domestiques pour un comptage individuel des rejets en eaux usées. Le dispositif et le procédé de cette invention se composent d'une partie mécanique, un clapet muni d'un battant articulé sur un axe horizontal ainsi que d'une partie électronique composée d'un capteur d'angle entrainé par le mouvement du battant et un ensemble de modules électroniques pour la gestion du processus de mesure, mise en forme des données, leur stockage et transmission vers les exploitants. Lors de son passage dans le dispositif, le fluide exerce une force hydrodynamique au contact du clapet qui provoque son ouverture. Le poids du battant s'oppose à la force hydrodynamique exercée par le fluide et l'angle d'ouverture du battant varie en fonction du débit du fluide. La mesure d'angle est réalisée par un capteur électronique qui exploite la gravité terrestre. Grâce au procédé de l'invention, les composants et modules électroniques du dispositif calculent les débits et volumes traversant le dispositif. Ce dispositif électronique gère la mise en forme des données, leur stockage et leur transmission vers les dispositifs extérieurs des utilisateurs. Le dispositif réalise également la fonction d'anti-retour du fluide à l'identique des clapets à battant existants.
Description
Titulaires) : MARREIRO CHRISTIAN.
O Demande(s) d’extension :
© Mandataire(s) : MARREIRO CHRISTIAN.
*54) DISPOSITIF ET PROCEDE DE MESURE DE DEBIT ET VOLUME D'ECOULEMENT DE FLUIDES PAR CLAPET A BATTANT ARTICULE.
FR 3 062 206 - A1 (© Les fluides visés par cette invention sont plus particulièrement de l'eau claire, de l'eau chargée ou tout autre liquide de densité homogène et pouvant contenir des particules.
L'invention est destinée aux applications de mesure et comptabilisation des fluides dans les domaines de l'environnement s'agissant de l'eau potable, des eaux usées et de l'assainissement, des cours d'eau naturels ou artificiels, des stockages et distribution d'eau pour toutes utilisations et ensuite aux applications industrielles agro-alimentaires, chimiques ou de transformation utilisant des fluides. L'invention vise également le domaine de la mesure des effluents domestiques pour un comptage individuel des rejets en eaux usées.
Le dispositif et le procédé de cette invention se composent d'une partie mécanique, un clapet muni d'un battant articulé sur un axe horizontal ainsi que d'une partie électronique composée d'un capteur d'angle entraîné par le mouvement du battant et un ensemble de modules électroniques pour la gestion du processus de mesure, mise en forme des données, leur stockage et transmission vers les exploitants. Lors de son passage dans le dispositif, le fluide exerce une force hydrodynamique au contact du clapet qui provoque son ouverture.
Le poids du battant s'oppose à la force hydrodynamique exercée par le fluide et l'angle d'ouverture du battant varie en fonction du débit du fluide.
La mesure d'angle est réalisée par un capteur électronique qui exploite la gravité terrestre.
Grâce au procédé de l'invention, les composants et modules électroniques du dispositif calculent les débits et volumes traversant le dispositif.
Ce dispositif électronique gère la mise en forme des données, leur stockage et leur transmission vers les dispositifs extérieurs des utilisateurs.
Le dispositif réalise également la fonction d'anti-retour du fluide à l'identique des clapets à battant existants.
-1 Dispositif et procédé de mesure de débit et volume d'écoulement de fluides par clapet à battant articulé.
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un dispositif et un procédé de mesure de débit et de volume d'écoulement de fluides par un dispositif de type clapet à battant articulé.
Les fluides visés par cette invention sont plus particulièrement de l'eau claire, de l'eau chargée ou tout autre liquide de densité homogène et pouvant contenir des particules.
L'invention est destinée aux applications de mesure et comptabilisation des fluides dans les domaines de l'environnement s'agissant de l'eau potable, des eaux usées et de l'assainissement, des cours d'eau naturels ou artificiels, des stockages et distribution d'eau pour toutes utilisations et ensuite aux applications industrielles agro-alimentaires, chimiques ou de transformation utilisant des fluides. L'invention vise également le domaine de la mesure des effluents domestiques pour un comptage individuel des rejets en eaux usées.
Le dispositif et le procédé se composent d'une partie mécanique, un clapet constitué d'un battant articulé sur un axe horizontal monté sur un bâti fixe et d'une partie électronique, d'un capteur solidaire du battant articulé ou entraîné par celui-ci et d'un ensemble de modules électroniques de gestion du capteur, de calcul, stockage et transmission des mesures.
Lors de son passage dans le dispositif, le fluide exerce une force hydrodynamique sur le battant du clapet qui en provoque l'ouverture.
Les débits et volumes sont calculés à partir de la mesure de l'angle d'ouverture du battant du clapet.
-2ETAT DE LA TECHNIQUE
Les principaux capteurs et appareils de mesure classiques pour les débits et volumes de fluides sont les suivants :
La mesure par la hauteur du fluide sur un passage statique calibré de section connue de type venturi,
La mesure par la hauteur du fluide sur un passage statique calibré de section connue de type lame versante,
La mesure par la hauteur du fluide sur un passage statique calibré de section connue de type section de conduite partiellement remplie,
La mesure par la hauteur et la vitesse du fluide sur un passage statique calibré de section connue de type section de conduite partiellement remplie,
La mesure par la vitesse des particules solides contenues dans le fluide par charge électromagnétique des particules sur un passage statique calibré de section connue de type section de conduite pleine ou partiellement remplie,
La mesure par la vitesse de rotation de turbine, entraînée par le fluide, sur un passage calibré de section connue de type section de conduite pleine,
La mesure par la vitesse de rotation ou translation d'augets, entraînés par le fluide, de capacité volumique fixe sur un passage statique calibré de section connue de type section de conduite pleine, La mesure par les différentiels de pression amont/aval du fluide à un passage d'une faible section.
La mesure par la vitesse de déplacement des vagues en surface du fluide par un dispositif de projection et écho de radiofréquences de type radar utilisant l'effet Doppler.
Les dispositifs existants dans l'état actuel de la technique nécessitent un comportement prévisible du fluide au passage du point de mesure et par conséquent imposent des contraintes d'implantation spécifiques telles que l'existence de zones de tranquillisation et de stabilisation spécifiques pour les écoulements en amont, en aval et au point de mesure.
Ces contraintes ne sont pas toujours réalisables, notamment dans le domaine de l'eau, s'agissant d'ouvrages de Génie Civil existants qui n'ont pas été conçus à l'origine pour effectuer des mesures de débit ou de volume et dont les coûts de modification s'avèrent prohibitifs.
Le fluide chargé de particules, notamment dans les applications du domaine de l'assainissement ou dans certains processus industriels, n'est pas compatible avec des sections de passage étroites comme des ailettes de turbine, des augets de petite dimension ou des orifices sur lesquels le fluide viendrait rapidement déposer des résidus de nature à en fausser le fonctionnement.
-3Les problèmes posés par l'encombrement des dispositifs existants ou les contraintes liées à la stabilité de l'écoulement du fluide imposées par les solutions classiques évoquées ci-dessus ne sont pas toujours faciles à résoudre et nécessitent des études et des aménagements souvent très coûteux.
La présente invention a pour objet la mesure de débit et volume d'écoulement de fluides, plus particulièrement un dispositif et un procédé de mesure de débit et volume d'écoulement de fluides par clapet à battant articulé.
Le dispositif de cette invention est facile à mettre en œuvre, peu encombrant, compact et ne nécessite pas des aménagements périphériques particuliers.
Le dispositif et le procédé qui l'accompagne peuvent être complètement paramétrés et étalonnés en usine ce qui en autorise l'installation par des personnels sans connaissances techniques particulières, voire même le grand public.
Le dispositif a également l'avantage d'être peu sensible aux corps solides en suspension dans le fluide. Grâce à l'électronique embarquée, le dispositif fonctionne de manière autonome et réalise la mesure, le calcul, le stockage et la transmission des données de débit et de volume, ce qui lui confère un avantage supplémentaire.
-4RESUME DE L'INVENTION
Le dispositif objet de l'invention, incluant le procédé, est constitué d'une partie mécanique comprenant un bâti creux avec en bout un plan incliné muni d'un joint d'étanchéité et sur lequel sont montés un déflecteur et son couvercle, un arbre à axe horizontal monté sur le déflecteur, un battant articulé monté et solidaire de l'arbre horizontal, et d'une partie électronique comprenant un capteur d'angle et divers composants et sous-ensembles pour le traitement et gestion des mesures, le calcul du débit et du volume traversant le dispositif, la mise en forme et le stockage des mesures, l'alimentation électrique et la communication externe du dispositif.
Le battant articulé comprend en position haute un alésage et est monté solidaire à l'arbre de rotation ; cet ensemble est lui-même monté sur le déflecteur du dispositif sur lequel il peut avoir une rotation libre entre la position fermée, battant plaqué sur le plan de joint du bâti et l'ouverture totale, battant en butée sur le couvercle du déflecteur.
L'arrêt en translation axiale de l'ensemble est réalisé par verrouillage du battant sur son arbre, une vis ou goupille traversant l'alésage du battant et l'arbre de rotation.
Le jeu axial est assuré par deux rondelles montées sur l'arbre de part et d'autre du battant.
Le plan du siège de repos du battant présente un angle de quelques degrés par rapport à la verticale et est muni d'un joint d'étanchéité périphérique.
En absence de mouvement du fluide le dispositif est en position de repos.
Dans cette position de repos le battant articulé reste plaqué sur le siège du bâti par la composante horizontale de son poids ramené à l'angle de repos.
La différence des hauteurs/pressions et la vitesse d'écoulement du fluide entre l'amont et l'aval du battant articulé génèrent des forces hydrodynamiques qui s'appliquent aux faces amont et aval du battant articulé sur le secteur en contact avec le fluide.
A ces forces hydrodynamiques s'oppose la force produite par le poids du clapet.
L'ouverture du battant articulé est la conséquence de la résultante de ces forces.
L'ensemble constitué du battant articulé et de son arbre étant libre en rotation, l'angle d'ouverture du battant est déterminé par les couples générés par ces forces ramenés à l'axe de rotation, abstraction faite du moment des forces de frottements mécaniques que nous négligerons par rapport aux forces cidessus.
-5La mesure de l'angle du battant par rapport à la verticale permet de déterminer le débit traversant le clapet.
La présente invention porte également sur l'utilisation d'un capteur gravitaire (accéléromètre) pour la mesure de l'angle d'ouverture du clapet.
Cette technologie permet la fiabilité de la mesure sans usure ni dérive dans le temps, ni besoin de réétalonnage périodique.
Le capteur délivre un signal électrique proportionnel à l'angle que le battant adopte par rapport à la verticale.
Le dispositif se présente en deux versions :
Une version compacte avec échappement du fluide à l'air libre, pour montage en extrémité de réseau et une version en ligne pour un montage de type inséré dans la tuyauterie.
Les deux versions fonctionnent selon le même principe.
La version en ligne dispose en plus de la version simple d'un adaptateur amont et d'un adaptateur aval pour le montage et le raccordement sur une conduite typiquement de section circulaire.
Alors que sur la version simple le capteur d'angle est incorporé dans un boitier étanche fixé sur le battant articulé, sur la version en ligne le capteur est incorporé dans un boitier étanche monté sur le coté du clapet à l'extérieur.
Dans la version en ligne ce boitier étanche est équipé d'un sous-ensemble mécanique comprenant un arbre secondaire dont l'axe est aligné sur celui de l'arbre du battant articulé, un support de sonde formant un ensemble équilibré avec la sonde et monté solidaire sur l'arbre secondaire.
L'arbre secondaire est entraîné en rotation par couplage magnétique avec l'arbre du battant articulé grâce à deux aimants montés en bout de chacun des deux arbres et se faisant face.
Du point de vue hydraulique nous avons trois situations possibles :
Situation 1 : Le niveau/pression amont est inférieur(e) à la pression aval,
Situation 2 : Le niveau/pression amont est égal(e) à la pression aval,
Situation 3 : Le niveau/pression amont est supérieur(e) à la pression aval.
Dans les situations 1 et 2 il n'y a pas de débit et le battant reste fermé sous l'action de la composante horizontale de son poids ou de la force de pression du fluide et assure une fonction anti-retour du fluide.
Dans la situation 3 nous avons deux cas :
Cas 1 : La résultante normale à la surface du battant des forces hydrodynamiques, est inférieure ou égale à la composante normale à cette surface du poids du battant :
Le battant articulé reste fermé et le débit du fluide est nul,
Cas 2 : La résultante normale à la surface du battant des forces hydrodynamiques est supérieure à la composante normale à cette surface du poids du battant :
Le battant articulé s'ouvre et le fluide s'écoule de l'amont vers l'aval du dispositif.
Le battant articulé se positionne à chaque instant à l'angle d'ouverture correspondant à l'équilibre des forces auxquelles il est soumis.
La position du battant, déterminée à partir de son angle d'ouverture, crée un passage pour le fluide dont la géométrie est connue.
Compte tenu des caractéristiques géométriques du passage ainsi déterminées, les formules d'écoulement gravitaire ou par différentiel de pressions permettent de calculer le débit comme décrit plus loin dans ce document.
Les valeurs de débit calculées en fonction de l'angle peuvent être corrigées expérimentalement sur un banc de tarage du dispositif sur lequel on fait circuler le fluide à travers le prototype du modèle considéré du dispositif en faisant varier le débit et en relevant les valeurs obtenues pour l'angle d'ouverture du battant.
-7A PROPOS DES DESSINS
La figure 1 est la vue en perspective du dispositif de mesure de débit et volume d'écoulement de fluides par clapet à battant articulé dans sa version compacte.
La figure 2 est une vue en perspective éclatée du dispositif de la figure 1
La figure 3 est la vue en perspective éclatée de la partie mobile du dispositif figure 1 avec le détail de la zone d'articulation de l'arbre de rotation du battant.
La figure 4 est la vue en perspective selon la coupe verticale médiane, perpendiculaire à l'axe de rotation, de la partie mobile du dispositif représenté dans la figure 1.
La figure 5 est la vue en perspective selon deux coupes, longitudinale et horizontale à l'axe de rotation, de la partie mobile du dispositif représenté dans la figure 1.
La figure 6 est la vue du dispositif objet de l'invention dans sa version en ligne.
La figure 7 est une vue en perspective éclatée du dispositif de la figure 6.
La figure 8 est la vue de détail du sous-ensemble de mesure représenté en coupe verticale à l'axe de rotation pour le dispositif de la figure 6.
La figure 9 est une vue en perspective éclatée de la partie mobile du dispositif de la figure 6 avec le détail des zones d'articulation de l'arbre de rotation du battant et du sous-ensemble mécanique d'entrainement du capteur.
La figure 10 représente schématiquement les grandeurs permettant le calcul des débits et volumes du dispositif et du procédé objet de la présente invention.
-8DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
La description détaillée ci-après, les dessins ci-joints et le contenu technique de la présente invention sont exposés ci-après selon un mode de réalisation préféré la présente invention.
Cette description et les dessins ne limitent pas la portée de son exécution telle qu'elle est décrite dans ce document.
Toute modification ou changement apportés à sa réalisation en fonction des revendications en annexe sont couverts par les revendications de la présente invention.
La réalisation préférée du dispositif objet de cette invention se présente sous deux formes :
Sa version compacte pour un montage et extrémité de réseau hydraulique,
Sa version en ligne pour un montage inséré dans le réseau hydraulique.
Le dispositif se compose d'une partie mécanique et d'une partie électronique.
Dans la version compacte, représentée dans les figures 1 à 5, la partie mécanique se compose d'un bâti creux formant le corps du clapet 01, avec coté aval un plan incliné de quelques degrés par rapport à la verticale et qui forme siège d'étanchéité au battant 02 en position de repos, d'un battant articulé 02 monté sur un arbre de rotation horizontal 03 auquel il est rendu solidaire, d'un déflecteur 04, d'un couvercle de déflecteur 05, d'une collerette de fixation 06 montée sur le bâti 01 et d'un joint d'étanchéité 07.
Dans la version en ligne, représentée dans les figures 6 à 9, la partie mécanique est complétée par un adaptateur amont 11 et par un adaptateur aval 12, destinés à l'adaptation et aux raccordements à une conduite de section circulaire.
La collerette de fixation 06 est destinée à un montage mural du dispositif dans sa version compacte ou bien à faciliter le montage sur tout support dans sa version en ligne.
Comme représenté plus particulièrement dans les figures 3, 4 et 5, le battant articulé 02 comprend en position haute un alésage de diamètre identique à celui de l'arbre 03 dont il est rendu solidaire ; cet ensemble est lui-même monté en insertion sur le déflecteur du dispositif 04 à l'intérieur duquel il peut avoir une rotation libre entre la position fermée, battant plaqué sur le siège d'étanchéité du bâti 01 et l'ouverture totale, battant en butée sur le couvercle du déflecteur 05.
L'arrêt en translation axiale de l'ensemble est réalisé par verrouillage du battant sur son arbre au moyen d'une vis ou goupille 09 traversant l'alésage du battant et l'arbre de rotation.
Le jeu axial est assuré par deux rondelles 08 montées sur l'arbre de part et d'autre du battant.
-9La partie électronique se compose d'un capteur gravitaire 21 installé dans un boitier étanche solidaire du battant dans la version compacte du dispositif ou bien, dans la version en ligne, dans le boitier étanche 22, intégrant également les autres modules électroniques.
Ce boitier 22 est composé d'un socle de fixation 23 et d'un couvercle 24, formant cavité, et inclut une partie mécanique pour l'entrainement du capteur décrite plus loin.
Comme représenté dans les figures 3 et 7 le dispositif inclut un boitier électronique 22 contenant plusieurs modules repérés 25, dont un microcontrôleur pour la gestion de l'appareil, une horloge temps réel, une batterie pour une autonomie de fonctionnement permettant la sauvegarde des données en cas d'interruption de l'alimentation électrique externe au dispositif, une carte mémoire pour les données, un ou plusieurs modules de communication (comme un modem type GSM, un émetteur de radiofréquences de faible portée, un coupleur de type Bluetooth, un interface WIFI ou tout autre dispositif de communication existant ou à venir) et un module pour la transmission des données par liaison filaire.
Cette liste n'est pas exhaustive, des fonctionnalités complémentaires pouvant apparaître au cours de la vie du dispositif de cette invention, pour autant que son principe fonctionnement soit respecté.
Les composants électroniques sont alimentés en électricité par un dispositif externe n'entrant pas dans le champ de la présente invention.
Le dispositif objet de la présente invention est complété par des logiciels et paramètres de calcul et de gestion dont la description est faite plus loin dans ce document.
Dans la version en ligne représentée dans la figure 6, le boitier électronique étanche 22 est équipé d'un sous-ensemble mécanique, comme représenté dans la figure 8, comprenant un arbre 31 dont l'axe est aligné sur celui de l'arbre du battant articulé 03.
Sur l'arbre 31 sont montés un support de sonde 32 sur lequel est fixé le capteur d'angle 21 formant un ensemble équilibré en rotation et d'un aimant 33 solidaire de l'arbre 31 et monté du coté de l'arbre 03. Cet ensemble à l'intérieur du boitier 22 est le positionné et guidé comme représenté dans la coupe de la figure 8.
L'entrainement en rotation de cet ensemble par l'arbre 03 solidaire du battant 02 est réalisé au moyen d'un couplage magnétique grâce à deux aimants se faisant face, de polarités radiales et perpendiculaires à leurs axes de rotation, l'aimant 33 étant alésé et monté sur l'arbre 31, l'aimant 34 étant fixé en bout de l'arbre 03.
Pour ce faire dans cette version en ligne du dispositif de mesure, l'arbre 03 est légèrement raccourci du coté du boitier électronique pour pouvoir recevoir l'aimant 34 sur cette extrémité.
-10Afin de ne pas induire un déphasage de rotation significatif entre les arbres 3 et 31 dû à la raideur des fils électriques de liaison au capteur, la liaison électrique entre le capteur 21 et les modules électroniques 25 est assurée par une nappe flexible enroulée de plusieurs tours avec un jeu important autour de l'ensemble rotatif secondaire formé des pièces repérées 31, 32, 33 et 21.
La présente invention porte également sur l'utilisation d'un capteur gravitaire 21 pour la mesure de l'angle d'ouverture du clapet.
Le capteur exploite le composant électronique ADXL345 ou tout autre composant analogue exploitant l'accélération et la gravité terrestre.
Cette technologie permet la fiabilité de la mesure sans dérive dans le temps ni besoin d'étalonnage. Cette technologie corrige également les éventuelles faibles erreurs de positionnement du clapet par rapport à la verticale.
Le capteur délivre un signal électrique proportionnel à l'angle que le battant adopte par rapport à la verticale.
Dans une version typique du dispositif la section de passage du fluide est de forme rectangulaire de part la forme du battant, lui-même rectangulaire, et du déflecteur en forme de « U ».
Cette caractéristique de forme de la section de passage du fluide permet le calcul théorique des débits par l'utilisation de formules d'écoulement des fluides relativement simples qui seront décrites plus loin dans ce descriptif détaillé.
Cependant le fait que chaque modèle du dispositif sera étalonné en usine, permettra de réaliser des versions du dispositif de formes différentes pouvant mieux s'intégrer aux divers cas d'utilisation.
Les dimensions du dispositif sont adaptées au débit et aux dimensions du réseau auquel il se destine. Toute une gamme de produits est envisagée pour répondre à tous les cas d'utilisation.
Les principales caractéristiques du dispositif sont :
Les dimensions et la forme du bâti du clapet ;
Les dimensions et la forme du battant ;
L'angle de la face d'appui du battant par rapport à la verticale ;
Les dimensions et la forme du déflecteur ;
Les dimensions et la forme de la section de passage ;
- ii -
La distance entre l'axe d'articulation et le centre de gravité du battant ;
La masse et la matière du battant articulé du battant;
Les caractéristiques fonctionnelles du capteur d'accélération gravitaire pour la mesure de l'angle d'ouverture du battant ;
Le contenu du boîtier électronique de contrôle et de gestion des capteurs et de mise en forme et de traitement des données mesurées ;
Le processus de calcul et de gestion des données réalisé par les modules électroniques intégrées au dispositif.
Les données et paramètres d'étalonnage en usine de chaque prototype du dispositif.
Principe de fonctionnement
Le fonctionnement du dispositif et du procédé de mesure de cette invention se basent sur les forces qui s'appliquent au battant articulé.
En position de repos le battant articulé reste plaqué sur le siège d'étanchéité du bâti par le couple induit par la composante horizontale de son poids ramené à l'angle du plan du siège.
Une différence des hauteurs/pressions du fluide entre l'amont et l'aval du battant articulé génère des forces hydrostatiques et hydrodynamiques qui s'appliquent aux faces amont et aval du battant articulé sur le secteur en contact avec le fluide.
A ces forces s'oppose celle résultant du poids du clapet.
Lorsque la résultante du couple généré par les forces hydrostatiques et hydrodynamiques produites par le fluide est supérieure à celui généré par le couple dû au poids du clapet, le fluide provoque une ouverture du battant et s'écoule à travers le dispositif.
L'ensemble constitué du battant articulé et de son arbre étant libre en rotation, l'angle d'ouverture du battant est déterminé par la résultante de ces couples, abstraction faite du moment des forces de frottements mécaniques que nous négligerons par rapport aux forces ci-dessus.
La figure 10 représente schématiquement le dispositif et les forces auxquelles le battant est soumis lors de son fonctionnement.
Les surfaces représentées par Sb et Sp sont caractérisées par la géométrie du dispositif de cette invention et notamment les dimensions de la largeur et de la hauteur du battant 2.
La section de passage du fluide représentée par Sp est déterminée par la position du battant selon son ouverture à l'intérieur du déflecteur 4 qui en implique une largeur de passage constante représentée par la constante b.
-12 Comme représenté dans la figure 10, la résultante appliquée perpendiculairement à la surface Sb du battant par les forces hydrostatiques et hydrodynamiques repérée Fp, provoque un appui sur la surface Sb qui engendre un couple rotatif d'ouverture du battant sur son axe de rotation.
En compensation, la composante repérée Fb du poids du battant normale à sa surface en contact avec le fluide et qui est appliquée au centre de la surface Sb, génère un couple résistant en sens inverse tendant à la fermeture du battant.
L'angle d'ouverture du battant se stabilise dans une position qui est déterminée par l'égalité des valeurs absolues des deux couples de forces ci-dessus.
La mesure de cet angle permet de calculer la composante Fb du poids du battant selon des formules de mécanique statique décrites ci-après.
En position d'équilibre du battant, les valeurs absolues des couples produits par Fb et de Fp sont égales et nous en déduisons l'égalité des valeurs de Fp et de Fb.
La formule de calcul hydraulique de Fp ci-après se base sur les caractéristiques de l'écoulement du fluide par la section de passage libre rectangulaire, représentées par Sp dans la figure 10 et caractérisée par la hauteur Ho, par la largeur b, et par la vitesse moyenne du fluide Vb.
Description des calculs
Cette description s'appuie sur figure 10 où sont représentées les grandeurs mises en ouvre dans les calculs.
On nomme les longueurs suivantes :
H : la hauteur totale de passage du clapet,
Ho : la hauteur entre la base du clapet et l'extrémité du battant,
Hi : la hauteur de la section mouillée du battant,
H2 : la hauteur du fluide à l'amont du battant,
Lb : la longueur entre son axe d'articulation du battant et son extrémité opposée
D : longueur entre l'axe d'articulation du battant et son centre de gravité,
Di : la longueur entre l'axe d'articulation du battant et le centre du rectangle Sb, b : la largeur du passage du fluide.
On nomme les angles suivants :
β : l'angle d'ouverture du battant par rapport à la verticale,
-13 β0 : l'angle de repos du battant fermé par rapport à la verticale.
On nomme les surfaces suivantes :
Sb : la section du battant en contact avec le fluide,
Sp : la section verticale de passage libre du fluide.
On nomme les forces suivantes :
P : le poids du battant,
Fo : la composante normale au battant de son poids en son centre de gravité,
Fb : la force exercée par le battant sur le fluide sur la section mouillée Sb,
Fp : la force hydrodynamique exercée par le fluide sur la section mouillée du battant Sb.
On nomme le débit suivant :
Q: le débit qui traverse le dispositif, Qb correspond à l'angle d'ouverture β du battant.
On nomme la vitesse suivante :
Vb: la vitesse moyenne du fluide au droit du battant, Vb la valeur correspondant à angle d'ouverture β.
On nomme le volume suivant :
Σ : le volume totalisé ayant traversé le dispositif, Σο la valeur du calcul précédent.
Procédé de calcul du débit versus l'angle d'ouverture :
1. On fait varier l'angle β de β0 à 90°par un incrément prédéfini δβ.
2. Pour la valeur obtenue de l'angle β on calcule la force Fo,
3. Pour cette valeur de Fo on calcule Fb et Fp en faisant varier H2 de Ho à H selon un incrément déterminé δΗ, Ηχ variant corrélativement de 0 à H-Ho et Di variant de Lb à D,
4. On identifie la valeur de H2 pour laquelle la différence entre Fb et Fp est minimale,
5. Cette valeur finale de H2 sera nommée Η2β et on en déduit Hip,
6. On calcule alors de débit Qp correspondant à Η2β et Ηιβ et qui sera associée à la valeur de β, et on stocke les valeurs de β et de Qp en mémoire,
7. Si la valeur de β est inférieure à 90°on incrémente β de δβ et on reprend les calculs au point 2 pour la nouvelle valeur de β, sinon on passe à l'étape 8,
8. On finalise le tableau des couples de valeurs ( β , Qp) obtenues par les calculs précédents.
-14Ce tableau de valeurs peut être corrigé expérimentalement sur un banc de tarage du dispositif sur lequel on fait circuler le fluide que le dispositif est destiné à mesurer en faisant varier le débit Q. selon les valeurs du tableau et en relevant les valeurs β que l'on ajuste dans le tableau.
Le tableau de valeurs est chargé en mémoire de l'électronique intégrée au dispositif objet de cette invention qui mesure β réalise le calcul de débit et du volume sur la base de ce tableau.
Le volume Σ est calculé en sommant à intervalles de temps réguliers séparés de ôt les valeurs du débit Q. multipliées par la durée correspondant à la durée ôt écoulée entre deux calculs consécutifs, ôt étant paramétrable selon besoin de l'utilisateur.
La valeur typique de ôt est de 30 secondes.
Formules utilisées :
| Force hydrodynamique : | Fp = p(g(H2-H1)+ V2/2 ) Sb cos β |
| Force poids battant : | Fb = M g ( D / Di ) cos β |
| Débit : | Q= 2/3 ε b \2g ( H2 3/2 - Hx 3/2 ) |
| Volume total : | Σ = Σο + Q. ôt |
| Vitesse : | V = Q/SP |
| Relation Hi à H2: | H, = H2 - Ho |
Hauteur Ho:
Ho = Lb (cos β - cos β0 )
Avec les paramètres suivants :
ε : coefficient de l'arrête (entre 0.67 et 0.97, sans unité) p : masse volumique du fluide (kg/m3) g : accélération de la pesanteur (9.81 m/s2) β : angle d'ouverture du battant par rapport à la verticale (radian) βο : angle battant fermé par rapport à la verticale (radian)
Sb : surface du battant en contact avec le fluide (m2) b : largeur de passage (m)
M : masse du battant (kg)
Lb : longueur du battant entre son axe d'articulation et l'extrémité opposée (m)
-15 D : longueur entre l'axe d'articulation du battant et son centre de gravité (m)
Di : longueur entre l'axe d'articulation du battant et le centre du rectangle Sb (m)
Ho : hauteur du fluide prise en aval du battant (m)
Hi : différence des hauteurs du fluide prises entre l'aval et l'amont du battant (m)
H2 : hauteur du fluide prise en amont du battant (m)
P : poids du clapet (N)
Fb, Fp, Fo : forces normales au plan du battant (N)
Q. : débit total du fluide pour un angle β d'ouverture du battant (m3/s)
V : vitesse moyenne du fluide au droit du battant (m/s)
Σ : volume total (m3)
Σο : valeur du volume avant le calcul suivant (m3) ôt : durée entre deux calculs de volume (s)
Processus de gestion du clapet
Le dispositif objet de la présente invention est géré par un ensemble de modules électroniques embarqués.
L'élément central de ce dispositif est un microcontrôleur géré par microprocesseur.
Le microcontrôleur dispose d'un logiciel embarqué pour réaliser les fonctions détaillées ci-après.
Le microcontrôleur fonctionne en continu et exécute un programme cyclique.
Ce programme de fonctionnement prend en charge et gère l'ensemble des modules électroniques et composants du dispositif.
Le capteur est alimenté en électricité cycliquement pendant quelques dizaines de millisecondes suivant une loi de temps ajustable de manière paramétrable, d'une part sur la base d'un temps de cycle prédéfini et d'autre part sur évolution des mesures précédentes.
Cette disposition est intéressante pour économiser l'énergie électrique et pour que le dispositif ne génère pas trop de données en l'absence de débit.
Lors de ce cycle de mesure pendant la durée d'alimentation du capteur, les signaux électriques (courant et tension) traversant le capteur sont convertis à intervalles réguliers en valeurs numériques par le convertisseur analogique/numérique du microcontrôleur.
En fin de cette phase du cycle de mesure la valeur moyenne est calculée sur ces valeurs numériques pour obtenir la valeur finale de β.
-16 Puis le microcontrôleur recherche dans le tableau des couples ( β , Qp ) les deux valeurs encadrant β et les deux valeurs correspondantes de Qp et réalise la linéarisation de la valeur de Q. par extrapolation linéaire de ces deux valeurs successives du tableau.
Les valeurs finales ainsi calculées sont ensuite converties en données horodatées et stockées en mémoire.
La capacité de stockage de la mémoire embarquée du dispositif devra être suffisante pour contenir un volume de données permettant de gérer l'autonomie du dispositif pour une durée paramétrable jusqu'à plusieurs mois, calculée selon le type d'utilisation du dispositif et le mode de transmission des données. Les données horodatées seront échangées avec tout dispositif externe compatible au moyen des modules de communication du dispositif de la présente invention, soit en local par WIFI ou BLUETOOTH, soit via le réseau GSM ou encore en liaison filaire.
Le format typique de ces données horodatées est :
AAAA-MM-JJ-HH:MM:SS^-Q-Z où
AAAA est l'année,
MM le numéro du mois,
JJ le numéro du jour,
HH l'heure,
MM la minute,
SS la seconde, β la valeur de l'angle d'ouverture du battant (Degrés),
Q le débit (m3/s),
Σ le volume horaire (m3)
Ce format est paramétré par défaut en usine et peut être modifié pour s'adapter à toute autre demande spécifique ou aux standards des utilisateurs.
Les formats numériques des valeurs de β, Q et Σ sont typiquement des réels à virgule flottante.
Claims (7)
- REVENDICATIONS1. Un dispositif et un procédé de mesure et de calcul de débits et de volumes de fluides par clapet à battant articulé sur un arbre à axe horizontal en une version compacte et en une version en ligne, comportant :- un bâti du clapet 01 ;- un déflecteur 04 monté sur le bâti du clapet 01 ;- un arbre 03 monté en rotation libre dans deux alésages réalisés de part et d'autre du déflecteur 04 ;- un battant articulé 02 comportant un alésage et monté solidaire de l'arbre 03 ;- un couvercle de déflecteur 05 monté sur le déflecteur 04 ;- une collerette de fixation murale 06 solidaire du bâti du clapet 01 ;- un joint d'étanchéité 07 fixé sur le plan de repos du battant articulé 02 du bâti 01 ;- une goupille ou vis de blocage et de solidarisation 09 traversant l'alésage du battant articulé 02 et l'arbre de rotation 03 ;- deux rondelles 08 montées libres en rotation sur l'arbre 03 pour réaliser le jeu nécessaire entre les cotés du battant 02 articulé et le déflecteur 04 ;- un boîtier électronique 22 ;- un ensemble de composants électroniques 25 ;- un ensemble de connecteurs étanches pour le raccordement de l'alimentation électrique et la transmission des données montés sur le boîtier électronique 22 ;- et comportant pour la version compacte- un capteur d'angle gravitaire 21 étanche solidaire du battant 02 ;- un support de boîtier électronique 23 fixé au déflecteur et relié au capteur 21 par un câble électrique souple et des connecteurs étanches ;- un couvercle de protection et d'étanchéité 24 du boîtier support des composants électroniques 25 ;- et comportant pour la version en ligne- un adaptateur pour conduite cylindrique amont 11 monté sur le bâti du clapet 01 ;- un adaptateur pour conduite cylindrique aval 12 monté sur le déflecteur 04 et sur le couvercle déflecteur 05 ;- dans le boîtier électronique 22 un arbre de rotation secondaire 31, un support de capteur 32 solidaire de l'arbre de rotation 31, un capteur d'angle gravitaire 21 monté sur un support rotatif 32 ;- dans le boîtier électronique 22 un sous-ensemble de guidage et d'entrainement magnétique du capteur gravitaire 21 composé d'un support 23 avec un alésage de guidage de l'arbre secondaire 31 à une extrémité, fixé sur le déflecteur 04 et centré sur l'alésage de guidage de l'arbre du battant 03 ;- un couvercle d'étanchéité 24 du boîtier 22 réalisant le guidage de l'arbre de rotation 31 à l'autre extrémité ;- un aimant 33 solidaire de l'arbre de rotation 31 ;- un aimant d'entrainement 34 solidaire de l'axe du battant 03 ;
- 2. Le dispositif et le procédé selon la revendication 1, caractérisés en ce que :- le bâti du clapet 01 est constitué d'un corps creux de section rectangulaire ou de toute autre section caractérisée par au moins un axe de symétrie verticale ;- le bâti du clapet 01 comporte un plan d'appui du battant au repos, incliné selon un angle déterminé par rapport au plan vertical incluant l'axe de rotation du battant ;- le plan incliné du bâti du clapet est équipé d'un joint d'étanchéité périphérique 07 pour assurer la fonction anti-retour du fluide lorsque le battant articulé 02 est fermé ;- le battant articulé 02 est monté solidaire de l'arbre de rotation 03 ;- l'arrêt en rotation et en translation du battant 02 par rapport à l'arbre de rotation 03 est réalisé par une goupille ou par une vis de blocage 09 ;- deux rondelles 08 sont montées en rotation libre sur l'arbre 03 de part et d'autre du battant articulé 02;- les deux rondelles 08 ont une épaisseur déterminée permettant un jeu fonctionnel prédéfini entre le battant articulé 02 et le déflecteur 04 et empêchant tout frottement entre le battant articulé 02 et le déflecteur 04 ;
- 3. Le dispositif et le procédé selon la revendication 1, caractérisés en ce que :- le déflecteur 04 est rendu étanche par joint souple avec le bâti 01 sur ses trois faces de contact avec le bâti 01 ;- le couvercle du déflecteur 05 est rendu étanche par joint souple avec le bâti 01 sur sa face de contact avec le bâti 01 ;- le couvercle du déflecteur 05 est rendu étanche par joint souple avec le déflecteur 04 sur ses quatre faces de contact avec le déflecteur 04 ;- l'adaptateur pour conduite cylindrique 11 est rendu étanche par joint souple avec le bâti 01 sur sa face de contact avec le bâti 01 ;- l'adaptateur pour conduite cylindrique 12 est rendu étanche par joint souple avec le déflecteur 04 sur sa face de contact avec le déflecteur 04 ;- l'adaptateur pour conduite cylindrique 12 est rendu étanche par joint souple avec le couvercle du déflecteur 05 sur sa face de contact avec le couvercle du déflecteur 05 ;- Le boîtier électronique 22 est rendu étanche par son couvercle monté avec un joint d'étanchéité et des connecteurs de type étanche ;- Le boîtier du capteur 21 est étanche et équipé d'un connecteur de type étanche pour la liaison électrique au boîtier électronique 22 ;
- 4. Le dispositif et le procédé selon la revendication 1, caractérisés en ce que :- le processus de mesure est réalisé par la mesure de l'angle β d'ouverture du battant 02 ;- pour chaque modèle de clapet les valeurs considérées dans les calculs sont la masse du battant désignée par M, sa largeur désignée par b, sa longueur prise à partir de l'axe de rotation à l'extrémité libre du battant désignée par Lb et la distance prise de l'axe de rotation au centre de gravité désignée par D ;- le calcul de la correspondance du débit Q. à l'angle d'ouverture du battant β est réalisé pour chaque modèle et version de clapet selon ses caractéristiques propres dimensionnelles, géométriques, de forme et de masse ;- pour chaque type de battant on considère la constante ε correspondant au coefficient d'arrête du bord inférieur du battant en contact avec le fluide ;- le plan de la surface du battant en contact avec le fluide considéré dans les calculs est celui incluant l'axe de rotation du battant et la génératrice de l'extrémité libre du battant la plus en amont ;- l'angle β est l'angle mesuré entre la surface du battant en contact avec le fluide telle que caractérisée ci-dessus et le plan vertical passant par l'axe de rotation du battant ;- l'angle β0 est l'angle mesuré entre la surface du battant telle que décrite ci-dessus en contact avec le fluide en position fermée et le plan vertical passant par l'axe de rotation du battant ;- la surface Sb est la portion coté amont de la surface du battant, telle que décrite ci-dessus, en contact avec le fluide ;- la surface Sp est la section verticale du passage libre du fluide, entre le plan du fil d'eau du clapet et la génératrice la plus basse de l'extrémité du battant ;- la longueur Di est la longueur entre l'axe d'articulation du battant et le centre du rectangle Sb ;- la hauteur Ho est la hauteur du fluide prise en aval du battant ;- la hauteur H2 est la hauteur du fluide prise en amont du battant ;- les hauteurs Ho et H2 sont prises à partir du plan de fil d'eau du clapet ;- la hauteur Hi est la différence entre les hauteurs H2 et Ho ;- la largeur de passage du fluide b est constante quel que soit l'angle β d'ouverture du battant compris entre β0 et 90° ;- la force Fo est la composante normale au battant de son poids en son centre de gravité ;- la force Fb est la force exercée par le battant sur le fluide sur la section mouillée Sb ;- la force Fp est la force hydrodynamique exercée par le fluide sur la section mouillée du battant Sb ;- dans les calculs on considère les valeurs des modules des composantes des forces Fo, Fb et Fp normales à la surface du battant telle que décrite ci-dessus en contact avec le fluide ;- la masse M du battant est répartie sur la longueur Lb de celui-ci, de sorte à ce que la composante de son poids Fb, appliquée au centre de la surface Sb, soit proportionnelle à l'aire de la surface Sb ;- le débit Q. désigne la valeur du débit total du fluide qui traverse le dispositif ;- la vitesse V est la vitesse moyenne du fluide au passage de la section libre sous le battant ;
- 5. Le dispositif et le procédé selon la revendication 1, caractérisés en ce que :- l'on considère la constante g correspondant à l'accélération de la pesanteur (9,81 m/s2) ;- le calcul de la force Fb versus l'angle d'ouverture du battant β est réalisé par un processus consistant à faire varier la valeur de l'angle β de β0 à 90°par un incrément prédéfini δβ ;- pour chaque valeur de l'angle β obtenue par incréments de δβ on calcule la force Fo appliquée par la surface mouillée du battant sur le fluide ;- la longueur Ho est calculée par la formuleHo = Lb ( cos β - cos β0 ) ;- pour chaque valeur de β on fait varier H2 entre les valeurs Ho et H par un incrément prédéfini δΗ, et on calcule pour chaque valeur de H2 les valeurs de Hx ,Fb ,FP, Dx, Q. et V ;- pour chaque valeur de H2 la hauteur Hi est calculée par la formuleHi = H2-H0;- pour chaque valeur de H2 la longueur Di est calculée par la formuleDx = Lb-½ ( Hx sin β ) ;- pour chaque valeur de H2 la valeur de Fb est calculée par la formuleFb = M g ( D / Di ) cos β ;- pour chaque valeur de H2 la valeur de Fp est calculée par la formuleFp = p(g(H2-H1)+ V2/2 ) Sb cos β ;- pour chaque valeur de H2 la valeur de Q. est calculée par la formuleQ = 2/3 ε b^2g (H2 3/2-Hx 3/2)- pour chaque valeur de H2 la valeur de V est calculée par la formule- 21 V = Q/SP- pour les valeurs H2b et Hib de H2 respectivement Ηχ, correspondant au minimum de l'écart entre les valeurs de Fb et Fp, le calcul de la valeur de Q. avec ces valeurs de H2b et Hlb sera noté Qp et associé à β;- l'ensemble du processus de calcul décrit ci-dessus aboutit à l'élaboration d'un tableau des couples de valeurs ( β , Qp) ;- ce tableau de valeurs est calculé pour chaque modèle de clapet et peut être corrigé expérimentalement sur un banc de tarage du prototype considéré du clapet, sur lequel on fait circuler le fluide en faisant varier le débit Q. selon les valeurs du tableau et en relevant les valeurs β que l'on ajuste dans le tableau.
- 6. Le dispositif et le procédé selon la revendication 1, caractérisés en ce que :- l'angle d'ouverture du battant 02 est mesuré par un capteur 21 de mesure de l'accélération et de gravité terrestre ;- le capteur 21 est constitué d'un composant électronique ADXL345 ou tout autre composant analogue exploitant l'accélération et la gravité terrestre ;- l'alimentation électrique et la gestion du fonctionnement du capteur 21 sont réalisées par un microcontrôleur 25 ;- la conversion et la mise à l'échelle de la mesure sont réalisées par le microcontrôleur 25 ;- le microcontrôleur réalise la conversion et la mise à l'échelle de la mesure ;- le microcontrôleur réalise le calcul du débit à partir de la mesure de l'angle d'ouverture du battant et du tableau des valeurs de correspondance ( β , Qp) stocké en mémoire du microcontrôleur par interpolation linéaire entre deux points du tableau en utilisant la formule de Taylor-Young :Ο.β = Ο.βο + ( β βι ) (Q-βΐ Οβο )/( βι - βο) avec :β : valeur de l'angle mesuréQp : valeur du débit βο, βι : les deux valeurs successives de l'angle dans le tableau ( β , Qp) telles que β0 <= β < βι Qpo : valeur du débit correspondant à la valeur de β0 dans le tableau ( β , Qp) QPi : valeur du débit correspondant à la valeur de βι dans le tableau ( β , Qp)- le tableau des valeurs de correspondance ( β , Qp) a établi au préalable pour chaque modèle de clapet selon le processus de calcul exposé ci-avant ;- le volume total Σ est la somme des volumes comptabilisés par le dispositif ;- le volume Σο est le volume total résultant du calcul précédent ;- la durée ôt est le temps écoulé entre deux calculs itératifs du volume total ;- le microcontrôleur réalise le calcul du volume total Σ selon la formule suivante :Σ = Σο + Q ôt avec :Σ : le volume total en cours de calculΣο : le volume total résultant du calcul itératif précédentQ : débit au départ du calcul en cours ôt : durée entre deux calculs successifs ;- le microcontrôleur réalise l'horodatage des mesures et données de calcul selon le format type ou tout autre format au standard de l'exploitant du dispositif ;- le format type des données horodatées est :AAAA-MM-JJ-HH:MM:SS-p-Q^ oùAAAA est l'année,MM le numéro du mois,JJ le numéro du jour,HH l'heure,MM la minute,SS la seconde, β la valeur de l'angle d'ouverture du battant (Degrés),Q. le débit (m3/s),Σ le volume horaire (m3)- le microcontrôleur gère les modules électroniques complémentaires pour l'horodatage et le stockage des données produites par le dispositif ;- le microcontrôleur gère les modules électroniques complémentaires pour la gestion de la sauvegarde des données en cas de coupure de l'alimentation électrique externe au dispositif ;- le microcontrôleur gère les modules électroniques complémentaires pour la gestion des échanges de données avec les dispositifs extérieurs d'exploitation des données du clapet ;- les modules électroniques complémentaires de gestion des échanges de données avec les dispositifs extérieurs utilisent les protocoles, processus et supports de communication tels que le réseau GSM ou tout autre support de transmission numérique de type électromagnétique ou filaire ;- l'accès au dispositif en local par les installateurs ou les exploitants se fera par un processus de communication par boucle d'induction magnétique ou par liaison BLUETOOTH ;
- 7. Le dispositif et le procédé selon la revendication 1, caractérisés en ce que :- le tarage du dispositif en usine complète ou remplace les calculs théoriques de la loi liant le débit et le volume du fluide mesuré à l'angle d'ouverture du battant 02 ;- 23 le dispositif et le procédé de mesure peut évoluer par changement de forme, d'apparence ou de disposition de ses composants et de ses sous-ensembles, pour autant que ses principes de fonctionnement et le procédé de mesure restent conformes aux présentes revendications, sans limiter ou altérer la portée de celles-ci ;le dispositif et le procédé de mesure peut évoluer par des innovations technologique de ses composants ou sous ensembles, pour autant que ses principes de fonctionnement et que le procédé de mesure restent conformes aux présentes revendications, sans limiter ou altérer la portée de celles-ci ;le dispositif peut être réalisé par tout procédé de fabrication et avec toutes matières et matériaux incluant la réalisation avec la technologie de l'impression tridimensionnelle, pour autant que les principes de fonctionnement et que le procédé de mesure du dispositif restent conformes aux présentes revendications, sans limiter ou altérer la portée de celles-ci ;le logiciel et le programme de fonctionnement du dispositif et du procédé de mesure pourront subir des modifications ou des ajouts de fonctions, pour autant que les principes de fonctionnement et que le procédé de mesure du dispositif restent conformes aux présentes revendications, sans limiter ou altérer la portée de celles-ci.DESSINS
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