FR3091922A1

FR3091922A1 - Débitmètre à oscillation fluidique

Info

Publication number: FR3091922A1
Application number: FR1900417A
Authority: FR
Inventors: Marianne Boucher; Stéphane BONNETIER
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2019-01-17
Filing date: 2019-01-17
Publication date: 2020-07-24
Anticipated expiration: 2039-01-17
Also published as: FR3091922B1

Abstract

L’invention concerne un débitmètre à oscillation fluidique (DOF) conçu pour permettre de mesurer le débit d’un flux gazeux à une pression supérieure à la pression atmosphérique comprenant une chambre de stabilisation (1) comprenant un élément stabilisateur de flux (11) en communication fluidique avec une chambre d’oscillation (2) comprenant un élément à reflux (21), et des microphones (24, 25) comprenant chacun une face avant (24a, 25a) orientée vers la chambre d’oscillation (2). Les microphones (24, 25) comprennent chacun une face arrière (24b, 25b) situé dans au moins une chambre d’équilibrage de pression (29) est en communication fluidique avec le flux gazeux à pression supérieure à la pression atmosphérique. Figure de l’abrégé : Fig. 2

Description

Débitmètre à oscillation fluidique

L’invention concerne un débitmètre à oscillation fluidique comprenant des microphones servant à mesurer les variations de pression engendrées par des oscillations gazeuses d’un gaz ou mélange gazeux sous pression (i.e. > 1 bar abs).

Un débitmètre à oscillation fluidique ou DOF permet de mesurer un flux de gaz à partir de la fréquence des oscillations qui est proportionnelle au débit du gaz traversant ce débitmètre.

Comme décrit par EP-A-3290873, un DOF comprend généralement une chambre de tranquillisation servant à stabiliser le flux de gaz, en aval de laquelle est agencée une chambre d’oscillation où produit l’instabilité gazeuse, c'est-à-dire les oscillations, que l’on cherche à mesurer. Les oscillations créées dans la chambre d’oscillation par un élément à reflux, typiquement de forme semi-cylindrique, correspondent à des dépressions gazeuses locales qui peuvent être mesurées à l’aide de deux capteurs de pression dont les prises de pression sont reliées à la chambre d’oscillation, typiquement des orifices aménagés dans le plafond ou dans le sol de la chambre d’oscillation.

Or, un capteur de pression consomme beaucoup d’énergie électrique pour pouvoir fonctionner et une source d’énergie électrique n’est pas toujours présente à l’endroit où la mesure doit s’effectuer. De plus, il est nécessaire de sélectionner un capteur de pression ayant une réactivité suffisante pour mesurer des variations de pression allant d’une dizaine de hertz à plusieurs kilohertz, ce qui peut poser des problèmes au plan industriel car ce type de capteur est notamment assez rare, donc difficile à trouver dans le commerce et dès lors souvent onéreux.

Dès lors, lorsqu’on souhaite pourvoir alimenter électriquement un DOF avec une source d’énergie stockant une quantité limitée de courant électrique, telle une pile, par exemple pour réduire la taille du DOF ou car il doit être utilisé dans un endroit sans source électrique extérieure, comme le secteur, donc lorsque l’énergie électrique est limitée, il est possible d’utiliser des microphones de type MEMS à la place des capteurs de pression.

En effet, un microphone a une consommation énergétique faible et très inférieure à celle d’un capteur de pression, et peut donc être alimenté par une pile ou analogue, même pendant des durées longues, c'est-à-dire de plusieurs mois, voire plusieurs années. De tels microphones mesurent des variations de pression d’un côté du microphone par rapport à la pression statique se trouvant de l’autre côté de celui-ci, c'est-à-dire la pression atmosphérique (i.e. 1 bar abs) qui sert de référence. Ces microphones sont donc par essence fait pour mesurer des variations de fréquences très variable allant de 20 Hz à 20kHz qui sont les fréquences audibles par l’oreille humaine. Ils présentent donc l’avantage d’être suffisamment réactifs par rapport au phénomène d’oscillation à mesurer, en général compris entre 50 Hz et quelques kHz, typiquement de l’ordre de 3 kHz.

Or, ces microphones, qui fonctionnent à pression atmosphérique, ne sont pas utilisables pour mesurer le débit d’un gaz ayant une pression supérieure à la pression atmosphérique. En effet, la pression du gaz va aller s’exercer sur le (les) microphone ou les membranes qui servent à la mesure, et les détériorer, surtout lorsque la pression est de plusieurs bar, par exemple d’au moins 2 bar abs, c’est-à-dire 1 bar au dessus de la pression athmospherique.

Le problème qui se pose est dès lors de pouvoir mesurer le débit d’un gaz pressurisé, c'est-à-dire dont la pression est supérieure à la pression atmosphérique (i.e. > 1 bar abs), avec un débitmètre à oscillation fluidique ou DOF à microphones alimentés par une source d’énergie, telle une pile ou analogue, c'est-à-dire un DOF à basse consommation énergétique.

La solution de l’invention concerne alors un débitmètre à oscillation fluidique (DOF) conçu pour permettre de mesurer le débit d’un flux gazeux à une pression supérieure à la pression atmosphérique (> 1 bar abs), typiquement d’au moins 2 bar abs, comprenant :

une chambre de stabilisation comprenant un élément stabilisateur de flux en communication fluidique avec une chambre d’oscillation comprenant un élément à reflux, et
des microphones comprenant chacun une face avant orientée vers la chambre d’oscillation de manière à mesurer les variations de pressions engendrées par les oscillations de gaz du flux gazeux traversant ladite chambre d’oscillation,

caractérisé en ce que les microphones comprennent chacun une face arrière situé dans au moins une chambre d’équilibrage de pression est en communication fluidique avec le flux gazeux à pression supérieure à la pression atmosphérique.

Selon le cas, le DOF de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes :

ladite au moins une chambre d’équilibrage de pression est en communication fluidique avec le flux gazeux en amont de la chambre d’oscillation, de préférence dans ou en amont de la chambre de stabilisation.
ladite au moins une chambre d’équilibrage de pression est étanche.
les microphones sont agencés sur une carte électronique.
la face avant des microphones est située dans le plafond ou dans le sol de la chambre d’oscillation, c'est-à-dire au-dessus ou en-dessous des zones (Z1, Z2) entre lesquels oscillent le tourbillon gazeux.
chaque microphone est séparé de la chambre d’oscillation par une membrane, c'est-à-dire qu’une membrane flexible recouvre la face avant de chaque microphone.
les membranes sont en polymère souple, de préférence en silicone.
les membranes comprennent chacune une zone de plus fine épaisseur, c'est-à-dire de moindre épaisseur par rapport au reste de la membrane, située en regard de chaque microphone.
ladite au moins une chambre d’équilibrage de pression est en communication fluidique avec le flux gazeux via au moins un passage d’acheminement de pression.
ledit au moins un passage d’acheminement de pression traverse la carte électronique, c'est-à-dire que le passage d’acheminement de pression comprend un perçage de la carte électronique.
la chambre de stabilisation est alimentée par un conduit de gaz véhiculant un flux gazeux à une pression supérieure ou égale à 1 bar abs, de préférence d’au moins 1.5 bar abs, typiquement jusqu’à 7 bar abs.
la chambre de stabilisation est alimentée par un conduit de gaz véhiculant un flux gazeux formé d’un composé gazeux unique, par exemple de l’oxygène, ou d’un mélange de plusieurs composés gazeux, par exemple de l’air (i.e. mélange d’azote, d’oxygène…),
l’élément à reflux comprend une portion en forme de demi-cylindre, c'est-à-dire de section en arc de cercle.
la chambre d’équilibrage de pression est formée entre la face arrière de la carte électronique et une pièce mécanique séparées l’une de l’autre par une pièce d’étanchéité, par exemple de forme annulaire évidée, ou ayant une autre forme adéquate.
la pièce mécanique est une plaque, paroi ou analogue.
la pièce mécanique constitue un couvercle.
la pièce d’étanchéité est un joint d’étanchéité.
la pièce d’étanchéité a une forme de cadre, de préférence polygonal, i.e. rectangle, carré ou toute autre forme adaptée.
la pièce d’étanchéité est un joint d’étanchéité en matériau souple, par exemple en silicone ou analogue.
la chambre d’oscillation est séparée des faces avant des microphones par un élément flexible, de préférence une plaque ou feuille.
l’élément flexible est en silicone ou analogue, de préférence une plaque ou feuille en silicone.
l’élément flexible comprend des affinements de paroi, i.e. régions ou zones de paroi plus fines, formant des membranes flexibles.
l’élément flexible a une épaisseur d’au moins 1 mm et comprend des affinements de paroi ayant une épaisseur entre 50 et 500 µm.
il comprend en outre un capteur de pression agencé de manière à opérer des mesures de pression, et éventuellement de température, dans la chambre de stabilisation, ces mesures de pression servant à convertir le débit volumique issu de la fréquence des oscillations qui varie avec la pression en débit massique, qui lui est indépendant de la pression du gaz. Le débit massique est une donnée d'intérêt puisqu’elle est indépendante des conditions opératoires.

Selon un autre aspect, l’invention porte aussi sur l’utilisation d’un DOF selon l’invention, c'est-à-dire un procédé, pour déterminer un débit de fluide, de préférence un débit de gaz compris entre 0,5 et 20 sL/min, d’un fluide à une pression supérieure à la pression atmosphérique (>1 bar abs) circulant au sein d’un conduit de gaz ou d’un appareil, notamment un appareil médical, typiquement un gaz à plus de 2 bar abs, notamment véhiculé par un conduit de gaz d’un réseau de canalisations de gaz agencé dans un bâtiment hospitalier.

L’invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description détaillée suivante, faite à titre illustratif mais non limitatif, en référence aux Figures annexées.

schématise l’architecture des éléments de mesure de pression d’un DOF à microphones selon l’art antérieur,

schématise une architecture des éléments de mesure de pression d’un DOF à microphones selon la présente invention,

est une vue éclatée d’un mode de réalisation d’un DOF à microphones selon l’invention, incluant les éléments de mesure de pression de la Figure 1B,

est un schéma (section vue du dessus) du principe de fonctionnement d’un débitmètre à oscillation fluidique (DOF),

schématise l’incorporation d’un DOF selon l’invention dans un bâtiment,

schématise les variations de fréquence obtenues avec un DOF selon l’art antérieur, donc sans correction de pression,

schématise les variations de fréquence obtenues avec un DOF selon l’invention, après correction en pression, et

schématise la structure interne d’un microphone utilisable dans un DOF.

est une représentation schématique en coupe (section vue de dessus) du principe de fonctionnement d’un débitmètre à oscillation fluidique ou DOF. Il comprend, en série, une chambre de stabilisation 1, aussi appelée chambre de tranquillisation, dans laquelle est agencé un élément stabilisateur de flux 11, et une chambre d’oscillation 2, aussi appelée chambre à reflux, comprenant un élément à reflux 21 ayant par exemple une forme de demi-cylindre (i.e. portion avec section en arc de cercle), lequel est configuré pour créer un tourbillon ou vortex gazeux oscillant. La chambre d’oscillation 2 est agencée en aval de la chambre de stabilisation 1, en considérant le sens de passage du flux gazeux (i.e., sens de la flèche F).

Le flux de gaz qui traverse le DOF, par exemple de l’oxygène, de l’air enrichi en oxygène ou un autre gaz ou mélange gazeux, y pénètre par l’orifice d’entrée 12 de la chambre de stabilisation 1, est soumis à une stabilisation par l’élément stabilisateur de flux 11 dans la chambre de stabilisation 1, contourne cet élément stabilisateur de flux 11 en passant dans des passages 13 aménagés de part et d’autre de celui-ci, puis sort ensuite de la chambre de stabilisation 1 par un orifice de sortie 14, avant d’être acheminé par le conduit de liaison 10 (de largeur d comprise entre 0.5 et 25 mm) qui relie fluidiquement la chambre de stabilisation 1 à un orifice d’entrée 20 de la chambre d’oscillation 2. Les passages 13 de la chambre de stabilisation 1 sont délimités par la surface externe de l’élément stabilisateur de flux 11 et par la paroi périphérique interne de la chambre de stabilisation 1.

Le conduit de liaison 10 débouche dans la chambre d’oscillation 2 face à l’élément à reflux 21 de forme ici semi-cylindrique. Le flux qui pénètre dans la chambre d’oscillation 2, vient donc impacter l’élément à reflux 21 en créant un tourbillon (i.e. « vortex ») oscillant entre les deux zones Z1 et Z2. En d’autres termes, le tourbillon qui se crée dans la chambre d’oscillation 2, oscille entre deux zones Z1, Z2 situées schématiquement au niveau des extrémités du demi-cylindre formant l’élément à reflux 21. Le flux gazeux chemine ensuite dans des passages 23 de la chambre d’oscillation 2 qui contournent l’élément à reflux 21, avant d’en sortir par un orifice de sortie 22, comme illustré en [Fig. 1].

L’oscillation du flux se fait à une fréquence d’oscillation qui est proportionnelle au débit du flux, avec formation des deux tourbillons, alternativement dans les deux zones Z1 et Z2 suscitées. En effet, à partir d’un champ de vitesse symétrique en 2 dimensions, il se crée un tourbillon dont la localisation (i.e. les zones Z1 et Z2) oscille avec une fréquence, couramment dite « proportionnelle », qui varie linéairement en fonction du débit du fluide qui y circule.

En plaçant des moyens de mesure de pression en dehors du flux, c'est-à-dire typiquement au-dessus ou au-dessous des zones Z1, Z2 où se forment les tourbillons (i.e. les vortex), on peut mesurer la présence (ou non) d’une dépression du gaz et en déduire alors le débit de gaz qui circule dans le DOF à partir de la fréquence d’oscillation. La (ou les) valeur de débit mesurée peut être ensuite affichée, mémorisée et/ou télétransmise.

Plus précisément, l’élément à reflux 21 est pris en sandwich entre deux parois parallèles (non montrés) délimitant la chambre d’oscillation 2 en haut et en bas respectivement, c'est-à-dire formant le plafond et le sol de la chambre d’oscillation 2. Afin d’assurer une mesure, en fonction du temps, des variations de pression du gaz au sein de la chambre d’oscillation 2 au sein de laquelle oscille le flux gazeux en formant les tourbillons gazeux dans les zones Z1, Z2, on utilise généralement des microphones 24, 25.

Plus précisément, comme illustré en [FIG. 2], la chambre d’oscillation 2 comprend une paroi de plafond formée d’un élément flexible 27, par exemple d’une plaque ou feuille en silicone, comprenant deux régions de fine épaisseur ou affinements de paroi, c'est-à-dire des zones ayant une épaisseur inférieure à celle du reste de élément flexible 27, e.g. la feuille en silicone, formant des membranes flexibles 27a, 27b protectrices et fluidiquement étanches, lesquelles permettent de transmettre les variations de pression jusqu’aux microphones 24, 25, tout en les protégeant.

Les microphones 24, 25 sont quant à eux agencés sur une carte électronique 31 à circuit imprimé. L’élément flexible 27 assure également une étanchéité fluidique au niveau de la carte électronique 31 qui est agencée face à elle, comme visible sur [FIG. 2].

Les variations de pression gazeuse (i.e. oscillations) dans la chambre d’oscillation 2 se transmet donc aux microphones 24, 25, au travers des membranes 27a, 27b qui sont formées dans l’élément flexible 27. De préférence, l’élément flexible 27 est une feuille en silicone 27 ayant une épaisseur très fine, typiquement de l’ordre de 50 à 500 µm environ, au niveau des membranes 27a, 27b, alors qu’ailleurs, son épaisseur peut être supérieure, par exemple comprise entre 1 et 2 mm, voire plus.

L’ensemble du système, en particulier la chambre de stabilisation 1, l’élément stabilisateur de flux 11, la chambre d’oscillation fluidique 2, l’élément à reflux 21 et la carte électronique 31 et les microphones 24, 25, et le conduit de liaison 10, est compris dans un boitier protecteur (non montré), de préférence rigide, par exemple en polymère.

La carte électronique à microprocesseur, typiquement un microcontrôleur, est reliée électriquement aux microphones 24, 25 de manière à recueillir et exploiter les signaux de mesure de pression. Une source d’énergie, telle une batterie ou une pile électrique, permet d’alimenter en courant électrique, notamment les microphones 24, 25 et les moyens de pilotage et de traitement de signal.

Le DOF peut en outre comprendre ou être relié à des moyens de télétransmission de données configurés pour transmettre les données émanant du DOF à un système distant, par exemple un serveur ou un ordinateur.

On utilise avantageusement des microphones 24, 25 car ceux-ci requièrent peu d’énergie pour fonctionner, ce qui permet de les alimenter via une source de stockage d’énergie contenant une quantité limitée de courant électrique et un voltage réduit (e.g. 3,6 V), comme une pile, et donc de diminuer l’encombrement global et/ou de pouvoir utiliser le DOF dans un lieu sans alimentation électrique de type secteur, et ce, y compris pendant des périodes longues, par exemple jusqu’à plusieurs années.

D’une façon connue en soi, comme illustré en [Fig. 1A], les microphones 24, 25 mesurent habituellement les variations de pression existant d’un côté des microphones 24, 25, c'est-à-dire du côté avant 31a de la carte électronique 31 faisant face aux membranes 27a, 27b, par rapport à la pression statique se trouvant de l’autre côté de ceux-ci (i.e. du côté arrière 31b de la carte 31), c'est-à-dire la pression atmosphérique (i.e. 1 bar abs), qui sert de référence.

Toutefois, comme déjà expliqué, ces microphones 24, 25 qui fonctionnent à pression atmosphérique, comme illustré en [Fig. 1A] ne sont pas utilisables pour mesurer le débit d’un gaz ayant une pression supérieure à la pression atmosphérique, par exemple d’au moins 3 bar, car la pression du gaz va aller s’exercer sur la membrane interne sensible des microphones 24, 25, générant alors une déformation et/ou une détérioration de ceux-ci, et les rendant inopérant.

Ceci va être mieux compris au vu de [Fig. 6] qui schématise l’architecture interne d’un microphone 24, 25 de type MEMS par exemple, utilisable dans un DOF. Il comprend une membrane interne 60 qui peut se déformer sous l’action d’une onde sonore 61 entrant dans le microphone 24, 25, via un orifice d’entrée 62 ou analogue, par exemple les ondes correspondant aux variations de fréquence mesurées au sein de la chambre d’oscillation 2 du DOF et qui sont transmises aux microphones 24, 25, via les membranes flexibles 27a, 27b de l’élément flexible 27, comme illustré en [Fig. 1B] et [Fig. 2]. La membrane 60 est agencée et protégée à l'intérieur d’une chambre interne 63 délimitée par un substrat 64 et un couvercle 65. Une telle architecture permet de mesurer des différences de pression faibles autour de la pression atmosphérique (i.e. onde sonore) et aussi toute différence de pression faible autour d’une pression fixe différente de la pression atmosphérique, tant que celle-ci ne vient pas endommager la structure, en particulier le couvercle 65. En effet, si la pression du gaz dont on cherche à mesurer le débit, c'est-à-dire du côté avant 24a, 25a des microphones 24, 25, est très différentes de celle du gaz se trouvant autour du couvercle 65, c'est-à-dire du côté arrière 24b, 25b des microphones 24, 25, il y a risque d’endommager la structure du microphone 24, 25, notamment de la membrane interne 60, ou de créer des fuites empêchant toute mesure, étant donné.

De là, selon l’invention, afin de résoudre ce problème, l’architecture du DOF a été modifiée, comme illustré sur [Fig. 1B] et [Fig. 2], et expliqué ci-après, de manière à ce qu’il puisse mesurer le débit d’un flux gazeux ayant une pression supérieure à la pression atmosphérique, i.e. > 1 bar abs (i.e. > 1 atm).

Le DOF de l’invention, dont un mode de réalisation est illustré sur [Fig. 1B] et [Fig. 2], a la même architecture générale que celui de la [Fig. 3] ; les mêmes éléments portent dès lors les mêmes références. Toutefois, il incorpore des éléments supplémentaires, comme détaillé ci-après.

En particulier, il comprend une chambre de stabilisation 1 comprenant un élément stabilisateur de flux 11 en communication fluidique avec une chambre d’oscillation 2 comprenant un élément à reflux 21, dont les fonctions sont expliquées ci-avant en rapport avec [Fig. 3]. Là encore, les microphones 24, 25 servent à mesurer les variations de pression résultant des oscillations créées par le flux gazeux, face à l’élément à reflux 21 agencé dans la chambre d’oscillation 2, lesquelles variations de pression étant proportionnelles (i.e. linéarité) au débit du flux gazeux. Chaque microphones 24, 25 comprend une face avant 24a, 25a dirigée vers les membranes 27a, 27b portées par la feuille en silicone 27, de manière à mesurer les variations de pressions engendrées par les oscillations de gaz dans la chambre d’oscillation 2, qui lui sont transmises par lesdites membranes 27a, 27b flexibles. Les membranes 27a, 27b flexibles sont portées par une plaque ou feuille 27 formée de silicone ou de tout autre matériau souple.

Selon l’invention, les microphones 24, 25 comprennent chacun une face arrière 24b, 25b située dans une chambre d’équilibrage de pression 29, aussi appelée « chambre de pressurisation », qui est en communication fluidique avec le flux gazeux qui est à une pression supérieure à la pression atmosphérique de sorte que la pression régnant dans cette chambre d’équilibrage de pression 29 soit égale à la pression du flux. Ainsi, si le flux gazeux alimentant le DOF, en particulier la chambre de stabilisation 1 et la chambre d’oscillation 2, est à une pression de 4 bar abs, alors la chambre d’équilibrage de pression 29 est aussi à cette pression de 4 bar abs.

Selon l’invention, afin de pouvoir utiliser les microphones 24, 25 dont la structure est schématisée en [Fig. 6], même avec du gaz à pression moyenne, c'est-à-dire typiquement allant jusqu’à 10 ou 12 bar par exemple, on prévoit de « baigner » les deux côtés des microphones 24, 25 dans la même pression statique de sorte d’opérer un équilibrage de pression entre les deux côtés ou faces (i.e. avant et arrière) des microphones 24, 25. Un tel équilibrage de pression permettra de préserver la membrane interne 60 des microphones 24, 25 en évitant sa détérioration qui pourrait résulter d’un trop grand écart de pression entre les faces avant et arrière desdits microphones 24, 25.

Le DOF de l’invention permet donc d’utiliser des microphones 24, 25 habituellement utilisés pour ‘écouter’ des variations de pression de l’ordre de 10 ou quelques Pascal autour de la pression atmosphérique (i.e. 1 atm) pour déterminer des variations du même ordre de grandeur mais autour d’une pression supérieure à la pression atmosphérique et ce, sans risque de détérioration du DOF car aucune différence de pression majeure n’existe alors entre les faces avant et arrière 24a, 25a ; 24b, 25b des microphones 24, 25.

Grâce à la chambre d’équilibrage de pression 29, il est alors possible de bénéficier de la faible consommation électrique et de la grande réactivité de ces microphones 24, 25 au sein d’un DOF utilisés sur un circuit d’acheminement de gaz pressurisés, c'est-à-dire typiquement à une pression d’au moins 2 bar abs, ce qui n’est pas possible avec les DOF à architecture classique, c'est-à-dire sans chambre d’équilibrage de pression 29 ([Fig. 1A]).

En pratique, comme illustré en [Fig. 2], la chambre d’équilibrage de pression 29 est aménagée sur la face arrière 31b de la carte électronique 31, c'est-à-dire du côté des faces arrières 24b, 25b des microphones 24, 25. La chambre d’équilibrage de pression 29 ainsi formée doit être fluidiquement étanche.

Dans le mode de réalisation de la [Fig. 2], la chambre d’équilibrage de pression 29 est formée entre la face arrière 31b de la carte électronique 31 et une pièce mécanique 33, telle une plaque ou analogue, séparées l’une de l’autre par une pièce d’étanchéité 30 de forme annulaire, par exemple un cadre polygonal évidé en son centre ou toute autre forme.

La pièce mécanique 33 forme un plafond ou un couvercle fermant la chambre d’équilibrage de pression 29, alors que la carte électronique 31 forme un sol de la chambre d’équilibrage de pression 29 et que la pièce d’étanchéité 30 de forme annulaire forme les parois latérales de la chambre d’équilibrage de pression 29. Ceci permet d’obtenir une chambre d’équilibrage de pression 29 totalement étanche pour que la pression qui y règne soit constante et puisse servir de référence.

La chambre d’équilibrage de pression 29 peut être formée d’un compartiment unique ou de plusieurs compartiments reliés fluidiquement ou non les uns aux autres. L’important est que la pression régnant dans chaque compartiment soit égale à celle du gaz sous pression alimentant la chambre de tranquillisation 1 du DOF.

La carte électronique 31 est prise en sandwich entre la pièce d’étanchéité 30 de forme annulaire, la pièce mécanique 33 et le reste du DOF, comme illustré en [Fig. 2], et l’ensemble ainsi formé peut être solidarisé via des moyens de fixation, telles des vis ou analogue. A cette fin, on prévoit des perçages 35 dédiés au travers de tout ou partie de ces éléments.

La chambre d’équilibrage de pression 29 permet de mettre l’intégralité des microphones 24, 25, c'est-à-dire leurs faces avant et arrière 24a, 25a ; 24b, 25b, à la même pression que celle du gaz passant au sein du DOF grâce à une dérivation du gaz sous pression jusque dans la chambre d’équilibrage de pression 29, en particulier via un passage 32 d’acheminement de gaz traversant par exemple la carte électronique 31, comme visible en [Fig. 2].

Avantageusement, la dérivation du gaz, c'est-à-dire l’entrée du passage 32 d’acheminement de gaz, est située dans la chambre de stabilisation 1, de préférence avant l’élément de stabilisation 11, ou en amont de la chambre de stabilisation 1, par exemple dans un conduit d’alimentation fournissant le gaz sous pression à la chambre de stabilisation 1 via l’orifice d’entrée 12 ([Fig. 3]), et ce, pour ne pas perturber le fonctionnement du DOF, comme visible sur la [Fig. 2].

Ainsi, selon l‘invention, les microphones 24, 25 se retrouvent intégralement plongé dans du gaz à une pression gazeuse qui :

du côté de la face avant 24a, 25a, varie au gré des oscillations de gaz au sein de la chambre d’oscillation 2, et
du côté de la face arrière 24b, 25b, c'est-à-dire dans la chambre d’équilibrage de pression 29, est constante et égale à la pression du flux gazeux (i.e. > 1 bar abs). Cette pression sert de pression de référence.

La carte électronique 31 comprend un microprocesseur, typiquement un microcontrôleur, faisant office de moyens de pilotage et de traitement de signal, laquelle est reliée électriquement aux microphones 24, 25 de manière à recueillir et exploiter les signaux de mesure de pression provenant de ceux-ci.

Une source d’énergie (non montrée), telle une pile électrique, permet d’alimenter en courant électrique, les microphones 24, 25 et la carte électronique 31.

Par ailleurs, les DOF mesurent un débit volumique qui dépend fortement de la pression du gaz et faiblement de la température du gaz. L’information pertinente d’un DOF est alors en général un débit standard ou normal, qui équivaut à un débit massique, par nature indépendant de la pression et la température du gaz. Dès lors, on peut aussi prévoir d’ajouter sur la carte électronique 31, un capteur de pression statique 34, et éventuellement de température, de préférence positionné sur la carte électronique 31 à côté des microphones 24, 25, par exemple dans la chambre d’équilibrage de pression 29, lequel capteur de pression statique 34 et éventuellement de température permet de convertir les débits volumiques mesurés en débits massiques, lorsque cela s’avère utile ou nécessaire.

Un DOF selon l’invention peut être utilisé pour déterminer un débit de fluide, de préférence un débit de gaz compris entre 0,5 et 20 sL/min, d’un fluide à une pression supérieure à la pression atmosphérique (>1 bar abs) circulant au sein d’un conduit de gaz ou d’un appareil, notamment un appareil médical, typiquement un gaz à plus de 2 bar abs.

Ainsi, [Fig. 4] schématise l’incorporation d’un DOF selon l’invention au sein d’un bâtiment 40. Une source de gaz 41 à haute pression, par exemple un réservoir de gaz à 200 bar, alimente un réseau 46 de canalisations de gaz agencé dans un bâtiment 40 comprenant plusieurs salles 45, chambres ou analogues où le gaz est utilisé, par exemple un hôpital et des salles de soin ou des chambres de patients. Le gaz subit une première détente à travers un premier détendeur 42 pour abaisser sa pression de 200 bar à 10 ou 12 bar par exemple. Le gaz est ensuite envoyé vers les différentes salles 45, via le réseau de canalisation, en subissant une deuxième détente à travers une série de seconds détendeurs 44 jusqu’à environ 4 ou 5 bar par exemple. Le gaz détendu peut alors être utilisé (en 47) directement à cette pression dans les salles 45, par exemple au sein d’appareils médicaux ou autres, ou subir encore une (ou des) baisse de pression supplémentaire, préalablement à son utilisation aux différents points d’utilisation 47.

Le suivi des débits de gaz circulant dans les canalisations du réseau 46 est opéré à l’aide de DOF 43 selon l’invention se révèle pertinente pour l’observation de l’utilisation du gaz entre les deux détentes 42, 44 et/ou après la seconde détente 44. Pour ce faire, il faut pouvoir mesurer le débit de gaz à moyenne pression, c'est-à-dire jusqu’à 10 à 12 bar abs environ, ce qui se fait au moyen des DOF 43 selon l’invention.

Afin de garantir une mesure fiable quelle que soit la pression du gaz le traversant, on prévoit préférentiellement de corriger en permanence la valeur de débit mesurée en tenant compte de la pression du gaz.

En effet, comme illustré sur [Fig. 5A] et [Fig. 5B], les fréquences (Hz) mesurées par un DOF à différents débits (sL/min) pour 3 pressions différentes, varient bien linéairement en fonction du débit mais selon des pentes différentes. Ces pentes dépendent directement de la densité de gaz, alors que la densité du gaz est fonction de la pression. Ainsi, il est possible de normaliser les fréquences en les multipliant par la pression afin de retrouver une caractéristique de fréquence normalisée en fonction du débit linéaire.

Pour ce faire, il convient d’ajouter un capteur de pression 34 au plus proche possible de la chambre d’oscillation 2 afin de corriger les mesures qui y sont opérées par les microphones 24, 25. Il est alors aisé de calculer, via la carte électronique 31 du DOF, le produit de la fréquence des oscillations par la pression mesurée par le capteur 34, et d’utiliser la courbe caractéristique de [Fig. 5B] pour déterminer le débit de gaz.

Ainsi, les courbes de [Fig. 5A] représentent les variations de fréquence obtenues sans correction de pression, alors que les courbes de [Fig. 5B] représentent les variations de fréquence après correction en pression. On voit clairement qu’en prenant en compte la pression, la pente des courbes devient égale quel que soit le débit, rendant possible une conversion de la fréquence normalisée par la pression en débit massique, quelle que soit la pression.

Un débitmètre à oscillation fluidique (DOF) selon l'invention est utilisable pour mesurer le débit d’un fluide circulant à un débit compris entre 0,5 et 20 sL/min et à une pression supérieure à la pression atmosphérique (>1 bar abs), au sein d’un conduit de gaz ou d’un appareil, par exemple un appareil médical ou un conduit de gaz d’un réseau de canalisations de gaz, le (ou les) conduit(s) pouvant être agencé dans un bâtiment hospitalier ou un autre bâtiment, par exemple un laboratoire, un bâtiment industriel (usine, atelier…..).

Claims

Débitmètre à oscillation fluidique (DOF) conçu pour permettre de mesurer le débit d’un flux gazeux à une pression supérieure à la pression atmosphérique comprenant :
-une chambre de stabilisation (1) comprenant un élément stabilisateur de flux (11) en communication fluidique avec une chambre d’oscillation (2) comprenant un élément à reflux (21), et
-des microphones (24, 25) comprenant chacun une face avant (24a, 25a) orientée vers la chambre d’oscillation (2),
caractérisé en ce que les microphones (24, 25) comprennent chacun une face arrière (24b, 25b) située dans au moins une chambre d’équilibrage de pression (29) en communication fluidique avec le flux gazeux à pression supérieure à la pression atmosphérique.
Débitmètre selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite au moins une chambre d’équilibrage de pression (29) est en communication fluidique avec le flux gazeux dans ou en amont de la chambre de stabilisation (1).
Débitmètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite au moins une chambre d’équilibrage de pression (29) est étanche.
Débitmètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les microphones (24, 25) sont agencés sur une carte électronique (31).
Débitmètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite au moins une chambre d’équilibrage de pression (29) est en communication fluidique avec le flux gazeux via au moins un passage d’acheminement de pression (32).
Débitmètre selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit au moins un passage d’acheminement de pression (32) traverse la carte électronique (31).
Débitmètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite au moins une chambre d’équilibrage de pression (29) est aménagée entre la carte électronique (31) et une pièce mécanique (33) séparées l’une de l’autre par une pièce d’étanchéité (30), de préférence une pièce d’étanchéité de forme annulaire.
Débitmètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre d’oscillation (2) est séparée des faces avant (24a, 25a) des microphones (24, 25) par un élément flexible (27), de préférence une plaque ou feuille en silicone.
Débitmètre selon la revendication 8, caractérisé en ce que l’élément flexible (27) comprend des affinements de paroi formant des membranes flexibles (27a, 27b), de préférence d’épaisseur entre 50 et 500 µm.
Utilisation d’un débitmètre à oscillation fluidique (DOF) selon l'une des revendications précédentes pour déterminer un débit de fluide compris entre 0,5 et 20 sL/min, d’un fluide à une pression supérieure à la pression atmosphérique (>1 bar abs) circulant au sein d’un conduit de gaz ou d’un appareil, notamment un appareil médical ou un conduit de gaz d’un réseau de canalisations de gaz agencé dans un bâtiment hospitalier.