WO2023061618A1 - Débitmètre à ultrasons comportant une vanne et procédé de montage d'un tel débitmètre - Google Patents

Débitmètre à ultrasons comportant une vanne et procédé de montage d'un tel débitmètre Download PDF

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WO2023061618A1
WO2023061618A1 PCT/EP2021/086703 EP2021086703W WO2023061618A1 WO 2023061618 A1 WO2023061618 A1 WO 2023061618A1 EP 2021086703 W EP2021086703 W EP 2021086703W WO 2023061618 A1 WO2023061618 A1 WO 2023061618A1
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WO
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pipe
main
valve
fluid
flowmeter according
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/086703
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English (en)
Inventor
Alain Ramond
Maxime MORIN
Damien PIGNY
Cédric MALEYSSON
Original Assignee
Dropmi S.R.L.
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Publication date
Application filed by Dropmi S.R.L. filed Critical Dropmi S.R.L.
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/667Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/02Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic
    • F16K31/04Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic using a motor
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
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    • F16K31/44Mechanical actuating means
    • F16K31/50Mechanical actuating means with screw-spindle or internally threaded actuating means
    • F16K31/508Mechanical actuating means with screw-spindle or internally threaded actuating means the actuating element being rotatable, non-rising, and driving a non-rotatable axially-sliding element
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K41/00Spindle sealings
    • F16K41/10Spindle sealings with diaphragm, e.g. shaped as bellows or tube
    • F16K41/103Spindle sealings with diaphragm, e.g. shaped as bellows or tube the diaphragm and the closure member being integrated in one member
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/662Constructional details
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    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01F15/00Details of, or accessories for, apparatus of groups G01F1/00 - G01F13/00 insofar as such details or appliances are not adapted to particular types of such apparatus
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F15/00Details of, or accessories for, apparatus of groups G01F1/00 - G01F13/00 insofar as such details or appliances are not adapted to particular types of such apparatus
    • G01F15/14Casings, e.g. of special material

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic flowmeter comprising a pipeline and a valve.
  • the invention relates to an ultrasonic flowmeter comprising at least two ultrasonic transducers mounted facing each other.
  • Ultrasonic flowmeters have many advantages and are more reliable in terms of durability and measurement accuracy than turbine volumetric flowmeters, for example.
  • document WO 2020/007983 discloses an ultrasonic flowmeter comprising a pipe, a sealed case having a compartment extending from the pipe, a unit for measuring the flow of fluid inside an upper part of the casing and an electric valve inside a lower part of the casing arranged under the pipeline.
  • the ultrasonic transducers of such a flowmeter being arranged longitudinally aligned along the pipe above the latter, they require the provision of the installation of mirrors opposite each of them inside the pipe. in order to allow ultrasound to be transmitted from one to the other.
  • the size of such a flowmeter is not satisfactory with regard to the constraints encountered in many cases, including that of assembly in installations existing.
  • the performance and reliability of the measurements carried out by such a flowmeter are limited by the presence of the mirrors and what they imply in terms of resolution of the measurement.
  • the invention aims to overcome the drawbacks of such a flowmeter.
  • the invention aims to provide a flowmeter incorporating a control valve while having a small footprint and excellent measurement reliability.
  • the invention also aims to provide a flow meter that can be manufactured in large series at costs compatible with operation on an industrial scale and with use in common uses such as flow measurement in water supply pipes. .
  • an ultrasonic flowmeter comprising: a pipe for measuring the flow rate of a fluid extending mainly along a longitudinal axis, at least two ultrasonic transducers mounted facing each other, a box comprising a main receptacle integral with the pipe and delimiting a main internal volume, a valve for regulating a flow of fluid in the said pipe comprising a closure member, characterized in that: the said closure member comprises a rod having a distal end extending towards the pipe, the distal end of said rod being placed inside a membrane, the obturation member being configured to be able to be moved, along an axis orthogonal to the axis longitudinal of said pipe, between at least one open position in which the closure member allows the passage of a non-zero fluid flow in the pipe and at least one closed position in which the fluid flow in the pipe is zero , said valve comprising an actuator of said closure member adapted to be able to control the position of said closure member, the main internal volume of said housing is
  • a flowmeter according to the invention therefore makes it possible to integrate a regulation valve at the level of a zone of the pipe identical and immediately adjacent to the zone of the pipe in which the fluid flow measurements are carried out via the transmission/reception ultrasound, that is to say in particular in a so-called narrowed portion of the pipe with respect to the dimensions of the fluid inlet and outlet sections of the pipe.
  • the minimum passage section of the measurement zone therefore has a surface area at least equal to the surface of the maximum passage section of the intermediate zone of the pipe of the flowmeter.
  • the measurement zone extending between said transducers has a minimum passage section having a surface area at least equal to that of the passage section in the vicinity of said shutter member.
  • the term "measurement zone extending between said transducers”, said flowmeter comprising at least a first ultrasonic transducer and at least a second ultrasonic transducer, separate from said first ultrasonic transducer, any portion of the pipeline extending between: a cross section of the pipeline in a plane orthogonal to the longitudinal axis of the pipeline and passing through said first transducer, said first transducer being closer to a first end of said pipeline, and a section transverse line of the pipeline in a plane orthogonal to the longitudinal axis of the pipeline and passing through said second transducer, said second transducer being closer to a second end of said pipeline, said second end of the pipeline being separate from said first end.
  • the intermediate zone of the pipeline does not include the portion of the pipeline immediately in the longitudinal axis of the shut-off device of the flowmeter regulation valve.
  • the intermediate zone of the pipe extends between the ultrasonic transducer closest to the closure member of the valve and said closure member.
  • the shape and dimensions of the pipe do not vary between the measurement zone and the valve closing device.
  • the passage section of said fluid in said measurement zone of the pipe is constant and identical to the passage section of said fluid in said intermediate zone of the pipe.
  • the valve can therefore be placed in a zone of the pipeline that does not require any particular adaptation vis-à-vis the measurement zone or the intermediate zone but rather in a portion of the pipeline identical to the measurement zone itself. same and therefore closer to it, which limits the longitudinal size of a flowmeter according to the invention and therefore, consequently, its overall size.
  • This also makes it possible to limit the travel of the valve necessary to pass from an open to closed position (and vice versa), which also contributes to reducing the size of the closure member, of its actuator, and therefore of any the valve and so on the flowmeter.
  • the invention thus makes it possible to propose such a flowmeter having a length (along the longitudinal axis of the pipe) of only 115 mm or 110 mm, or even 105 mm. This allows a flowmeter according to the invention to be compatible with an installation on a pre-existing pipeline (under renovation), for example as a replacement for another flowmeter, and not only on new fluid networks.
  • the closure member of said valve is arranged in a portion, called a constriction, of the pipe, having a maximum passage section of said fluid in the pipe, less than a minimum passage section of at least one fitting end of said pipeline.
  • the valve is placed in the narrowing of the pipeline compared to at the pipe end fittings.
  • the diameter of such end fittings is for example of the order of 15 mm for a meter having a nominal diameter of 15 (commonly described by the term “DN15”).
  • the valve is a so-called vertical valve, making it possible to modulate and/or block the flow of fluid in the pipe via a movement in a direction orthogonal to the longitudinal axis of the pipe.
  • said rod has a proximal end adapted to cooperate with an endless screw extending orthogonally to the longitudinal axis of the pipe, said actuator controlling a rotation of the endless screw so as to make it possible to modify the position of said shutter member.
  • the main internal volume of the main receptacle of the casing has at least one opening allowing the mounting of the valve in said casing.
  • the main receptacle of the housing comprises a main opening and a main cover capable of closing said main opening.
  • the flowmeter comprises an internal support to which said endless screw and F actuator of said closure member are fixed.
  • said internal support has at least one additional portion comprising a housing for receiving at least one electric accumulator adapted to be able to hold said electric accumulator laterally.
  • said annex portion of the internal support comprises a reception housing configured to receive two electric accumulators.
  • each housing for receiving at least one electric accumulator of said internal support extends in a direction orthogonal to the longitudinal axis of the pipe.
  • the housing extends beyond the pipe so as to delimit a secondary internal volume arranged on the side opposite the main internal volume with respect to the pipe, said pipe extending within said secondary internal volume.
  • the housing has a secondary opening.
  • the casing comprises a secondary cover capable of closing off said secondary opening. The secondary cover thus partly delimits said secondary internal volume.
  • a secondary cover may for example have a general U or V shape extending around said pipe.
  • the casing and the pipe can be formed from a single and same material or from distinct materials.
  • the pipe can be formed from at least one metallic material (metals or metal alloys, cast iron, etc.) or from at least one polymeric material (i.e. “plastic” in common parlance).
  • the casing can also be formed from at least one metallic material or from at least one polymeric material.
  • the casing and the pipe can be formed from a polymer material or else the main receptacle of the casing can for example be made from a polymer material overmolded or attached to a metal pipe.
  • the main receptacle of the box can for example also be molded over metal inserts formed so that the pipe has metal mounting threads at its ends, in order to increase the maximum possible tightening torque, avoiding any destruction of the threads. during assembly (installation of the flowmeter on a pipe).
  • said casing and said pipe are formed of a material chosen from the group formed of polymers and composites with a polymer matrix.
  • the main receptacle and the pipe form one and the same part (monolithic, that is to say in one piece by manufacture), in particular in material chosen from the group formed polymers and composites with a polymer matrix, which has the particular advantage of reducing the manufacturing cost of the flowmeter.
  • the casing and the pipe are formed of a material chosen from the group formed of polymers (thermoplastic and/or thermosetting (or thermoset)) and composites with a polymer matrix (composites with a thermoplastic and/or thermosetting matrix (or thermoset matrix) composites).
  • a material chosen from the group formed of polymers (thermoplastic and/or thermosetting (or thermoset)) and composites with a polymer matrix (composites with a thermoplastic and/or thermosetting matrix (or thermoset matrix) composites).
  • It can for example be a polymer matrix composite comprising glass fibers, for example at least 60% by weight of glass fibers relative to the total weight of said material.
  • the addition of reinforcing fibers in a polymer material makes it possible to increase its mechanical properties and thus the mechanical properties of the pipe of the flowmeter, the latter in particular undergoing mechanical stresses at the time of assembly (installation of the flowmeter).
  • the main receptacle of the housing has an internal side wall extending substantially orthogonally to the longitudinal axis so as to form a double wall having a peripheral internal space.
  • the flowmeter comprises at least one electronic card arranged inside said main internal volume of the casing, and in that each ultrasonic transducer comprises a piezoelectric plate and two conductive rods electrically connected to said electronic card.
  • the electronic card can be formed at least in part from a flexible material and present at least two main portions connected to each other and extending in separate planes.
  • the electronic card can for example comprise at least two main portions interconnected by a flexible material forming a hinge.
  • said electronic card has at least two main portions interconnected, said main portions of the electronic card extending in two mutually orthogonal planes.
  • the two conductive rods of the same ultrasonic transducer extend substantially parallel to one another.
  • the conductive rods of a first ultrasonic transducer extend parallel to the conductive rods of a second ultrasonic transducer.
  • said ultrasonic transducers are mounted facing each other through a wall of said pipe, in the same longitudinal plane of symmetry of the pipe, said transducers being oriented in a direction measurement forming a non-zero angle less than 90° with the longitudinal axis of the pipe.
  • said ultrasonic transducers are mounted in such a way that the direction of transmission/reception of said transducers coincides with the longitudinal axis of said pipe.
  • the fact that the transducers are oriented according to a direction of measurement means that the main faces (or emission/reception faces) of said transducers are orthogonal to said measurement direction or direction of emission/reception of the ultrasonic waves.
  • each ultrasonic transducer is fixed to the pipe by a mounting flange.
  • said flowmeter comprises a filling material chosen from the group formed by thermoset resins, said filling material filling at least said secondary internal volume of the housing.
  • the filling material therefore surrounds the pipe at least in part, which makes it possible to mechanically reinforce the flow meter and in particular to stiffen the pipe. This is particularly useful where the pipe is formed from a polymer or polymer matrix material.
  • each transducer is installed in a mounting device.
  • such a mounting device is adapted to be mounted in the pipe in a direction orthogonal to a longitudinal axis thereof. This makes it possible to arrange the assembly device so that it can be introduced radially into the pipe and fixed thereto, without the need to provide oblique openings on the pipe. As a result, the manufacturing constraints of the pipe are reduced and the cost thereof is reduced. In addition, the accuracy of the position of each transducer is improved.
  • the flowmeter further comprises a wireless communication module allowing in particular the transmission of data representative of the flow rate of fluid measured by the flowmeter (or of any other useful operating data) by near field communication ( commonly designated by the acronym NFC) or by radio (according to the protocol designated LoRaWAN® for example or the M-Bus® protocol, or the NBIoT® protocol).
  • NFC near field communication
  • radio according to the protocol designated LoRaWAN® for example or the M-Bus® protocol, or the NBIoT® protocol.
  • the invention also relates to a method for mounting such a flowmeter characterized in that it comprises the following steps: each ultrasonic transducer is fixed on the pipe, said regulating valve is inserted inside the main internal volume of said housing.
  • each conductive rod of each ultrasonic transducer is electrically connected to said electronic card.
  • the internal support, the actuator motor, the endless screw and the shutter member are combined.
  • the secondary opening is closed by assembling the secondary cover to the main receptacle, then the filler material is introduced in liquid form into said secondary internal volume of the housing through the main opening of the flow meter, so that the filling material at least partly surrounds the pipe.
  • the filler material is introduced in liquid form into the peripheral space provided between the outer wall of the main receptacle and the inner side wall, then the main cover is arranged so as to close off said main opening, the ends of the cover main being inserted into said peripheral space and in contact with said filling material.
  • the invention also relates to an ultrasonic flowmeter and a method of mounting such a flowmeter, characterized in combination by all or some of the characteristics mentioned above or below.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a flowmeter according to invention
  • FIG. 2 is a schematic front view of a flow meter according to the invention.
  • FIG. 3 is a schematic view in longitudinal section of a flow meter according to a first embodiment of the invention (valve partially open),
  • FIG. 4 is a schematic perspective view of the main receptacle of the housing of a flow meter according to the first embodiment of the invention
  • FIG. 5 is an exploded schematic view of a flow meter according to the first embodiment of the invention.
  • FIG. 6 is a schematic side view of the main receptacle of the housing of a flowmeter according to the first embodiment of the invention
  • FIG. 7 is a schematic side view of the main receptacle of the housing of a flowmeter according to the first embodiment of the invention
  • FIG. 8 is a schematic view in longitudinal section of a flow meter according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view along a plane B of a flowmeter according to the second embodiment of the invention.
  • FIG. 10 is a schematic view in longitudinal section along a plane C of a flow meter according to the second embodiment of the invention.
  • the flowmeter 1 comprises an outer casing 2 comprising a main receptacle 3.
  • the main receptacle 3 comprises a main opening 17 and a main cover 6 capable of closing off the main opening 17.
  • the housing further comprises a shell 22 adapted to cover the main cover 6 .
  • the main receptacle 3 has an internal side wall 16 extending substantially orthogonally to the axis longitudinal 4 and defines a main internal volume. A narrow peripheral space 15 is therefore provided between the outer wall of the main receptacle 3 and the inner side wall 16 and forms a double wall.
  • the main receptacle 3 does not have a bottom but is extended, on the side opposite the main cover 6 when it is in place, by the pipe 5.
  • the main receptacle 3 therefore also comprises a secondary opening 14 and a secondary cover 9 capable of close the secondary opening 14.
  • the flowmeter 1 comprises a pipe 5 extending along a longitudinal axis 4 and adapted to allow the circulation of a fluid inside the latter, between a first end, called fluid inlet 12, and a second end, said fluid outlet 13.
  • the pipe 5 is in the general form of a tube terminated at both ends by threaded connections 10, 11.
  • the main receptacle 3 of the box 2 is integral with the pipe 5.
  • the pipe tube has a cross section of oblong shape. However, the latter may also have any other shape, for example a circular, oval or even polygonal cross-section.
  • the pipe tube has a cross section whose shape does not vary between the two ends and whose dimensions are substantially identical in the zone of the pipe where the transducers are arranged.
  • the pipe comprises two plates 18, 19 molded on the tube, diametrically opposite with respect to the latter and offset with respect to each other along the length of the pipe. longitudinal axis of the pipeline.
  • Each plate 18, 19 includes an orifice opening into the pipe for an ultrasonic transducer 20, 21.
  • the flowmeter 1 comprises at least one electronic card 30 disposed inside the main internal volume of the housing 2.
  • the electronic card 30 has three main portions 31, 32, 33 interconnected by flexible hinges, the portions 31 and 32 s extending in two mutually orthogonal planes and the portions 31 and 33 being parallel to each other.
  • the housing comprises a display 35, the main cover 6 defining a housing for receiving the display 35.
  • the main cover 6 comprises a portion forming a transparent porthole 8 allowing the visualization of the data represented on the display 35 by lifting a flap 7 of the shell 22.
  • the display 35 is fixed to a third portion 33 of the electronic card 30 using pins 34.
  • the flowmeter 1 comprises two ultrasonic transducers 20, 21. Each ultrasonic transducer comprises a piezoelectric plate and two conductive rods electrically connected to the electronic board.
  • the first ultrasonic transducer 20 comprises a piezoelectric plate and two conductive rods 25, 26 electrically connected to a first portion 31 of the electronic card.
  • the second ultrasonic transducer 21 comprises a piezoelectric plate and two conductive rods 27, 28 electrically connected to the first portion 31 of the electronic card.
  • the two conductive rods are rigid and extend parallel to each other, in a direction orthogonal to a first portion 31 of the electronic card 30. Each conductive rod is connected to the electronic card by soldering .
  • the rods 25, 26, 27, 28 extend from the transducers towards the main cover 6.
  • the first ultrasonic transducer 20 is closer to the outlet 13 of the pipe 5 than the second ultrasonic transducer 21, the second ultrasonic transducer 21 being closer to the inlet 12 of the pipe 5.
  • the ultrasonic transducers are mounted facing each other vis-à-vis the pipe, in the same longitudinal plane of symmetry of the pipe, the transducers being oriented along a measurement direction forming a non-zero angle less than 90° with the longitudinal axis of the pipe.
  • the angle between the measurement direction and the longitudinal axis of the pipe is substantially 30° but can also be up to 50° for example, or even more depending on the flowmeter models.
  • the ultrasonic transducers are mounted facing each other through a wall of the pipe.
  • each transducer 20, 21 comprises on its active surface a central recess (not shown) whose concavity is oriented towards the inside of the pipe 5, c ie in the direction of the longitudinal axis 4.
  • This niche has at least one flat face, called the active face, orthogonal to the direction of measurement.
  • the other walls of the niche can have any shape provided that these walls do not interfere with the ultrasonic waves.
  • the niche has an upper face parallel to the direction of measurement and two side faces parallel to the longitudinal plane of symmetry of the pipe containing the direction of measurement.
  • Each ultrasonic transducer 20, 21 is fixed to the pipe by a mounting flange 23, 24 fixed to the plates 18, 19 for example using screws 38, 39.
  • the piezoelectric plate advantageously has a polygonal outline, in particular square or rectangular, or in the general shape of a disk.
  • the piezoelectric wafer is used in its thickness resonance mode.
  • Each piezoelectric plate may have a thickness less than 2 mm and dimensions comprised between 3 mm and 10 mm in all directions orthogonal to its thickness.
  • Each piezoelectric plate is made of at least one piezoelectric material.
  • This piezoelectric material must be able to emit and receive ultrasonic signals, in particular at a frequency of the order of 4 MHz.
  • the piezoelectric material can be chosen from piezoelectric ceramics, such as lead titano-zirconates (PZT), or even from piezoelectric monocrystals.
  • the flowmeter 1 also comprises a valve 40 for regulating a flow of fluid in the pipe comprising a closure member.
  • the valve 40 is adapted to be able to be mounted inside the main internal volume of the main receptacle 3 of the housing.
  • the main receptacle 3 of the housing comprises a housing 37 for receiving the valve 40 delimited laterally by two coaxial cylindrical walls 36 .
  • the valve closure member comprises a rod 44 having a distal end 41 extending towards the pipe 5 and disposed inside a membrane 46.
  • the closure member is configured to be able to be moved, along an axis orthogonal to the longitudinal axis 4 of the pipe, between at least one partially open position (FIG.
  • valve 40 in which the closure member allows the passage of a non-zero fluid flow in the pipe and at least a closed position in which the fluid flow in the pipe is zero.
  • the distal end 41 of the valve 40 In the closed position, the distal end 41 of the valve 40 is housed in a curve 49 formed in the wall of the pipe 5.
  • the valve comprises an actuator 58 adapted to be able to control the position of the closure member, c that is to say controlling the movement of the shutter member between a plurality of intermediate positions between a fully open position and the closed position.
  • the rod 44 has a proximal end adapted to cooperate with an endless screw 50 extending orthogonally to the longitudinal axis of the pipe.
  • the actuator controls the rotation of the worm 50 so as to make it possible to modify the opening/closing position of the valve 40.
  • the worm 50 has a head 52 at its proximal end and a distal end 51 threaded.
  • the actuator 58 comprises an electric motor and a gear reducer connected to the head 52 of the endless screw 50. It should be noted that in FIG. 5 representing an exploded view of the flow meter 1, F actuator 58 of the valve 40 is not shown.
  • the flowmeter 1 also comprises an internal support 55 to which are fixed the endless screw and F actuator of said shutter member.
  • the internal support 55 can for example be fixed to the main receptacle using three screws 60.
  • FIG. 4 represents the main receptacle of the casing of a flowmeter according to the first embodiment after mounting the transducers 20, 21 and placing the internal support 55 inside it.
  • the rod 44 is fixed to an internal support 55 extending longitudinally inside the main receptacle 3 of the housing.
  • the rod 44 and the internal support 55 cooperate so as to be able to block the rod 44 in rotation (for example, the rod 44 may be of square section at least at its end for mounting with the internal support 55.
  • the internal support 55 comprises a portion forming a receptacle for batteries of the internal support having cylindrical portions.
  • the receptacle can receive at least two electric batteries, and in particular 4 electric batteries.
  • Membrane 46 completely surrounds at least the distal end 41 of valve 40.
  • Membrane 46 may be formed from an elastomeric material.
  • the membrane 46 notably plays the role of a bellows allowing vertical displacement of the closure member, while guaranteeing the seal between the pipe and the internal support 55. Its thickness is adapted so that the displacement can take place in the torque range of the actuator motor 58.
  • the valve is placed in a so-called "restricted" zone of the pipe which is that comprising the ultrasonic transducers 20, 21 and the valve 40.
  • Such a zone having a passage section smaller than that of the inlet and the outlet of the pipeline is not essential.
  • providing such a narrowing makes it possible to increase the speed of the fluid circulating in the pipe and thus to increase the difference in time of flight of the ultrasounds, which makes it possible to improve the reliability of the measurement even for low fluid flow rates. .
  • the housing extends beyond the pipe 5 so as to delimit a secondary internal volume arranged on the side opposite the main internal volume with respect to the pipe, the pipe extending inside the secondary internal volume.
  • the secondary internal volume corresponds to the space in which the pipe extends and is also delimited by the secondary cover 9.
  • the secondary cover 9 has the shape of a bowl open at its longitudinal ends to allow the passage of the end threads 10, 11 of the pipe 5.
  • the secondary cover 9 may have an outline forming a U-shaped groove in which a seal may or may not be arranged.
  • the pipe has a portion, called the measurement zone, of the pipe extending between the transducers, and a portion, called the intermediate zone, of the pipe extending between the transducers and the distal end of the valve 40.
  • the flowmeter 1 represented according to this first embodiment comprises also a pressure sensor 65 adapted to be able to measure the pressure of the fluid inside the pipe 5.
  • the pressure sensor 65 is also connected to the electronic card 30 so as to allow transmission of data representative of the measured pressure.
  • a method of mounting such a flowmeter comprises the following steps: each ultrasonic transducer 20, 21 is fixed on the pipe 5, that is to say that the ultrasonic transducers 20, 21 are mounted on the pipe 5 , the partially folded electronic card is placed in the main receptacle 3, the ultrasonic transducers 20, 21 are welded on the pipe 5 to the electronic card 30, the pressure sensor 65 is installed on the pipe 5, the said valve 40 is inserted regulator inside the main internal volume of said housing, after having associated the internal support 55, the motor, the endless screw 50 and the closure member, the secondary cover 9 is assembled to the main receptacle 3 so as to close the secondary opening 14, a filling material in liquid form is introduced into the secondary internal volume of the housing, through the main opening of the flowmeter, so that the filling material surrounds the pipe 5, the motor is connected from the actuator 58 to the electronic card 30, a filler material in liquid form is introduced into the peripheral space 15 made between the outer wall of the main receptacle and the inner side wall 16, the main cover 6 is arranged so as
  • This last step has the advantage of avoiding having to provide a seal to ensure the tightness of the box vis-à-vis the external environment, the filling material hardening and ensuring this tightness.
  • the flowmeter differs from a flowmeter according to the first embodiment shown in Figures 1 to 7 in that the transducers are replaced by two transducers 70, 71 ultrasound placed vis-à-vis one another on a longitudinal axis of the pipe 5.
  • the transducers 70, 71 ultrasound are mounted such that the direction of transmission / reception of the transducers is coincident with the longitudinal axis 4 of the pipe.
  • a receiving housing is provided in the wall of the pipe 5 for each transducer 70, 71 ultrasound. This allows the transducers to be mounted from above, that is to say like the valve 40, through the main opening 17 of the main receptacle 3.
  • Each receiving housing provided in the wall of the pipe 5 passes through as one can see it in FIG. 8.
  • each ultrasonic transducer 70, 71 comprises a piezoelectric plate and two conductive rods electrically connected to the first portion 31 of the electronic card.
  • the flowmeter 1 has the following dimensions: a width of 90 mm (maximum width of the housing 2), a length of 95 mm (maximum length of the housing 2 along the longitudinal axis, excluding threaded connections 10 , 11) and a maximum height of 121 mm.
  • a third embodiment it is possible to provide mounting of the ultrasonic transducers from above as in the second embodiment, but by providing the housings accommodating the transducers in contact with the wall of the pipe, such that the transducers face each other diagonally, as in the first embodiment.
  • the outer shell of the transducer can be an integral part of the wall of the pipe 5, in which the space for mounting inserts would be provided, a sensitive insert comprising a piezoelectric plate , its electrical contacts and a mechanical support to secure these elements.
  • An acoustic couplant (resin, grease, etc.) would be injected into this space, then each sensitive insert would be mounted. This has the advantage of facilitating the creation of the seal associated with the assembly of the transducers.
  • the cross section of the pipe may have a different shape
  • the curvature formed in the wall of the pipe may also take other forms.

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Abstract

L'invention concerne un débitmètre à ultrasons comportant : une canalisation (5) de mesure du débit d'un fluide, deux transducteurs (à ultrasons montés en regard l'un de l'autre vis-à-vis d'une paroi de ladite canalisation, un boîtier comprenant un réceptacle principal (3) solidaire de la canalisation et délimitant un volume interne principal, une vanne de régulation comportant un organe d'obturation comprenant une tige présentant une extrémité distale disposée à l'intérieur d'une membrane (46), ladite vanne comprenant un actionneur dudit organe d'obturation adapté pour pouvoir commander la position dudit organe d'obturation, le volume interne principal dudit boîtier est adapté pour pouvoir recevoir ladite vanne, la canalisation présente une zone de mesure présentant une section de passage minimale au moins égale à une section de passage d'une zone intermédiaire s'étendant entre lesdits transducteurs et ledit organe d'obturation.

Description

DESCRIPTION
TITRE DE L’INVENTION : DÉBITMÈTRE À ULTRASONS COMPORTANT UNE VANNE ET PROCÉDÉ DE MONTAGE D’UN TEL DÉBITMÈTRE
Domaine technique de l’invention
L’invention concerne un débitmètre à ultrasons comportant une canalisation et une vanne. En particulier l’invention concerne un débitmètre à ultrasons comportant au moins deux transducteurs à ultrasons montés en regard l’un par rapport à l’autre.
Arrière-plan technologique
Les débitmètres sont utilisés dans de nombreux secteurs d’activité tels que l’assainissement et l’eau potable, l’irrigation, l’industrie chimique ou encore l’industrie agroalimentaire. Les débitmètres à ultrasons présentent de nombreux avantages et sont plus fiables en terme de durabilité et de précision des mesures que les débitmètres volumétriques à turbine par exemple.
Parmi les débitmètres à ultrasons il existe également différentes catégories.
En outre, dans certaines applications, il est nécessaire de pouvoir interrompre l’écoulement du fluide dans une canalisation, par exemple en cas de fuite, et/ou de pouvoir moduler le débit du fluide dans une canalisation.
On connaît par exemple du document WO 2020/007983 un débitmètre à ultrasons comportant une canalisation, un boîtier étanche présentant un compartiment s’étendant à partir de la canalisation, une unité de mesure du débit de fluide à l’intérieur d’une partie supérieure du boîtier et une vanne électrique à l’intérieur d’une partie inférieure du boîtier disposée sous la canalisation. Toutefois, les transducteurs à ultrasons d’un tel débitmètre étant disposés alignés longitudinalement selon la canalisation au-dessus de celle-ci, ils nécessitent de prévoir la mise en place de miroirs en regard de chacun d’eux à l’intérieur de la canalisation afin de permettre de transmettre les ultrasons de l’un à l’autre. L’encombrement d’un tel débitmètre n’est pas satisfaisant au regard des contraintes rencontrées dans de nombreux cas dont celui du montage dans des installations existantes. En outre, les performances et la fiabilité des mesures réalisées par un tel débitmètre sont limitées par la présence des miroirs et ce qu’ils impliquent en termes de résolution de la mesure.
L’invention vise à pallier les inconvénients d’un tel débitmètre.
Objectifs de l’invention
L’invention vise à fournir un débitmètre intégrant une vanne de régulation tout en présentant un faible encombrement ainsi qu’une excellente fiabilité de mesure.
L’invention vise également à fournir un débitmètre pouvant être fabriqué en grandes séries à des coûts compatibles avec une exploitation à l’échelle industrielle et avec une utilisation dans les usages courants tels que la mesure de débit dans les canalisations d’adduction d’eau.
Exposé de l’invention
Pour ce faire, l’invention concerne un débitmètre à ultrasons comportant : une canalisation de mesure du débit d’un fluide s’étendant principalement selon un axe longitudinal, au moins deux transducteurs à ultrasons montés en regard l’un de l’autre, un boîtier comprenant un réceptacle principal solidaire de la canalisation et délimitant un volume interne principal, une vanne de régulation d’un flux de fluide dans ladite canalisation comportant un organe d’obturation, caractérisé en ce que : ledit organe d’obturation comprend une tige présentant une extrémité distale s’étendant vers la canalisation, l’extrémité distale de ladite tige étant disposée à l’intérieur d’une membrane, l’organe d’obturation étant configuré pour pouvoir être déplacé, selon un axe orthogonal à l’axe longitudinal de ladite canalisation, entre au moins une position ouverte dans laquelle l’organe d’obturation autorise le passage d’un débit de fluide non nul dans la canalisation et au moins une position fermée dans laquelle le débit de fluide dans la canalisation est nul, ladite vanne comprenant un actionneur dudit organe d’obturation adapté pour pouvoir commander la position dudit organe d’obturation, le volume interne principal dudit boîtier est adapté pour pouvoir recevoir ladite vanne, la canalisation présente une portion, dite zone de mesure, s’étendant entre lesdits transducteurs, présentant une section de passage minimale dudit fluide dans la canalisation au moins égale à une section de passage maximale dudit fluide dans la canalisation d’une portion, dite zone intermédiaire, s’étendant entre lesdits transducteurs et ledit organe d’obturation.
Un débitmètre selon l’invention permet donc d’intégrer une vanne de régulation au niveau d’une zone de la canalisation identique et immédiatement voisine à la zone de la canalisation dans laquelle sont réalisées les mesures de débit de fluide via l’émission/réception d’ultrasons, c’est-à-dire en particulier dans une portion dite rétrécie de la canalisation par rapport aux dimensions des sections d’entrée et de sortie du fluide de la canalisation.
La section de passage minimale de la zone de mesure présente donc une surface au moins égale à la surface de la section de passage maximale de la zone intermédiaire de la canalisation du débitmètre.
En d’autres termes, la zone de mesure s’étendant entre lesdits transducteurs présente une section de passage minimale présentant une surface au moins égale à celle de la section de passage au voisinage dudit organe d’obturation.
Dans tout le texte, on entend par « zone de mesure s’étendant entre lesdits transducteurs », ledit débitmètre comprenant au moins un premier transducteur à ultrasons et au moins un deuxième transducteur à ultrasons, distinct dudit premier transducteur à ultrasons, toute portion de la canalisation s’étendant entre : une section droite transversale de la canalisation dans un plan orthogonal à l’axe longitudinal de la canalisation et passant par ledit premier transducteur, ledit premier transducteur étant plus proche d’une première extrémité de ladite canalisation, et une section droite transversale de la canalisation dans un plan orthogonal à l’axe longitudinal de la canalisation et passant par ledit deuxième transducteur, ledit deuxième transducteur étant plus proche d’une deuxième extrémité de ladite canalisation, ladite deuxième extrémité de la canalisation étant distincte de ladite première extrémité.
La zone intermédiaire de la canalisation n’inclut pas la portion de la canalisation immédiatement dans l’axe longitudinal de l’organe d’obturation de la vanne de régulation du débitmètre. En particulier, la zone intermédiaire de la canalisation s’étend entre le transducteur à ultrasons le plus proche de l’organe d’obturation de la vanne et ledit organe d’obturation.
La forme et les dimensions de la canalisation ne varient pas entre la zone de mesure et l’organe d’obturation de la vanne. Avantageusement et selon l’invention, la section de passage dudit fluide dans ladite zone de mesure de la canalisation est constante et identique à la section de passage dudit fluide dans ladite zone intermédiaire de la canalisation.
La vanne peut donc être disposée dans une zone de la canalisation ne nécessitant pas d’adaptation particulière vis-à-vis de la zone de mesure ou de la zone intermédiaire mais bien dans une portion de la canalisation identique à la zone de mesure elle-même et donc au plus près de celle-ci, ce qui limite l’encombrement longitudinal d’un débitmètre selon l’invention et donc, par suite, son encombrement général. Ceci permet également de limiter la course de la vanne nécessaire pour passer d’une position ouverte à fermée (et vice versa), ce qui contribue également à diminuer l’encombrement de l’organe d’obturation, de son actionneur, donc de toute la vanne et ainsi du débitmètre. L’invention permet ainsi de proposer un tel débitmètre présentant une longueur (selon l’axe longitudinal de la canalisation) de seulement 115 mm ou 110 mm, voire 105 mm. Ceci permet à un débitmètre selon l’invention d’être compatible avec une installation sur une canalisation préexistante (en rénovation), par exemple en remplacement d’un autre débitmètre, et non uniquement sur de nouveaux réseaux de fluide.
En particulier, l’organe d’obturation de ladite vanne est disposé dans une portion, dite rétrécissement, de la canalisation, présentant une section de passage maximale dudit fluide dans la canalisation, inférieure à une section de passage minimale d’au moins un raccord d’extrémité de ladite canalisation. En d’autres termes, la vanne est disposée dans le rétrécissement de la canalisation par rapport aux raccords d’extrémité de la canalisation. Le diamètre de tels raccords d’extrémité (diamètre interne) est par exemple de l’ordre de 15 mm pour un compteur présentant un diamètre nominal de 15 (communément décrit par le terme « DN15 »).
La vanne est une vanne, dite verticale, permettant de moduler et/ou d’obturer le flux de fluide dans la canalisation via un déplacement selon une direction orthogonale à l’axe longitudinal de la canalisation. Avantageusement et selon l’invention, ladite tige présente une extrémité proximale adaptée pour coopérer avec une vis sans fin s’étendant orthogonalement à l’axe longitudinal de la canalisation, ledit actionneur commandant une rotation de la vis sans fin de façon à permettre de modifier la position dudit organe d’obturation.
Le volume interne principal du réceptacle principal du boîtier présente au moins une ouverture permettant le montage de la vanne dans ledit boîtier. Avantageusement et selon l’invention, le réceptacle principal du boîtier comprend une ouverture principale et un capot principal apte à obturer ladite ouverture principale.
Avantageusement et selon l’invention, le débitmètre comprend un support interne auquel sont fixés ladite vis sans fin et F actionneur dudit organe d’obturation.
Avantageusement et selon l’invention, ledit support interne présente au moins une portion annexe comprenant un logement de réception d’au moins un accumulateur électrique adapté pour pouvoir maintenir latéralement ledit accumulateur électrique. En particulier, avantageusement et selon l’invention, ladite portion annexe du support interne comprend un logement de réception configuré pour recevoir deux accumulateurs électriques. Avantageusement et selon l’invention, chaque logement de réception d’au moins un accumulateur électrique dudit support interne s’étend selon une direction orthogonale à l’axe longitudinal de la conduite.
Avantageusement et selon l’invention, le boîtier s’étend au-delà de la canalisation de façon à délimiter un volume interne secondaire disposé du côté opposé au volume interne principal par rapport à la canalisation, ladite canalisation s’étendant à l’intérieur dudit volume interne secondaire. Avantageusement et selon l’invention, le boîtier présente une ouverture secondaire. Avantageusement et selon l’invention, le boîtier comprend un capot secondaire apte à obturer ladite ouverture secondaire. Le capot secondaire délimite ainsi en partie ledit volume interne secondaire. Un tel capot secondaire peut par exemple présenter une forme générale en U ou en V s’étendant autour de ladite canalisation.
Le boîtier et la canalisation peuvent être formés d’un unique et même matériau ou de matériaux distincts. La canalisation peut être formée d’au moins un matériau métallique (métaux ou alliages métalliques, fontes...) ou d’au moins un matériau polymère (c’est-à-dire en « plastique » selon le langage courant). Le boîtier peut également être formé d’au moins un matériau métallique ou d’au moins un matériau polymère. Le boîtier et la canalisation peuvent être formés en matériau polymère ou bien le réceptacle principal du boîtier peut par exemple être en matériau polymère surmoulé ou rapporté sur une canalisation métallique. Le réceptacle principal du boîtier peut par exemple également être surmoulé sur des inserts métalliques formés de manière à ce que la canalisation présente à ses extrémités des filets de montage en métal, afin d’augmenter le couple de serrage maximal possible, évitant toute destruction des filets au montage (installation du débitmètre sur une canalisation). Avantageusement et selon l’invention, ledit boîtier et ladite canalisation sont formés d’un matériau choisi dans le groupe formé des polymères et des composites à matrice polymère. En particulier, avantageusement et selon l’invention, le réceptacle principal et la canalisation forment une seule et même pièce (monolithique, c’est-à-dire d’un seul tenant par fabrication), en particulier en matériau choisi dans le groupe formé des polymères et des composites à matrice polymère, ce qui a notamment pour avantage de diminuer le coût de fabrication du débitmètre.
Avantageusement et selon l’invention, le boîtier et la canalisation sont formés d’un matériau choisi dans le groupe formé des polymères (thermoplastiques et/ou thermodurcissables (ou thermodurcis)) et des composites à matrice polymère (composites à matrice thermoplastique et/ou composites à matrice thermodurcissable (ou à matrice thermodurcie)). Il peut par exemple s’agir d’un composite à matrice polymère comprenant des fibres de verre, par exemple au moins 60% en poids de fibres de verre par rapport au poids total dudit matériau. L’ajout de fibres de renfort dans un matériau polymère permet d’en augmenter les propriétés mécaniques et ainsi les propriétés mécaniques de la canalisation du débitmètre, celle-ci subissant en particulier des sollicitations mécaniques au moment du montage (installation du débitmètre).
Le réceptacle principal du boîtier présente une paroi latérale interne s’étendant sensiblement orthogonalement à l’axe longitudinal de façon à former une double paroi présentant un espace interne périphérique.
Avantageusement et selon l’invention, le débitmètre comprend au moins une carte électronique disposée à l’intérieur dudit volume interne principal du boîtier, et en ce que chaque transducteur à ultrasons comprend une plaquette piézoélectrique et deux tiges conductrices reliées électriquement à ladite carte électronique. La carte électronique peut être formée au moins en partie d’un matériau flexible est présenter au moins deux portions principales reliées entre elles et s’étendant dans des plans distincts. La carte électronique peut par exemple comprendre au moins deux portions principales reliées entre elles par un matériau flexible formant charnière. Avantageusement et selon l’invention, ladite carte électronique présente au moins deux portions principales reliées entre elles, lesdites portions principales de la carte électronique s’étendant dans deux plans orthogonaux entre eux.
Avantageusement et selon l’invention, les deux tiges conductrices d’un même transducteur à ultrasons s’étendent sensiblement parallèlement l’un à l’autre. Avantageusement et selon l’invention, les tiges conductrices d’un premier transducteur à ultrasons s’étendent parallèlement aux tiges conductrices d’un deuxième transducteur à ultrasons.
Avantageusement et selon l’invention, lesdits transducteurs à ultrasons sont montés en regard l'un de l'autre au travers d'une paroi de ladite canalisation, dans un même plan longitudinal de symétrie de la canalisation, lesdits transducteurs étant orientés selon une direction de mesure formant un angle non nul et inférieur à 90° avec l'axe longitudinal de la canalisation. Avantageusement et selon un autre mode de réalisation d’un débitmètre selon l’invention, lesdits transducteurs à ultrasons sont montés de telle façon que la direction d'émission / réception desdits transducteurs soit confondue avec l'axe longitudinal de ladite canalisation.
Dans tout le texte, on entend par le fait que les transducteurs soient orientés selon une direction de mesure que les faces principales (ou faces d’émission / réception) desdits transducteurs sont orthogonales à ladite direction de mesure ou direction d’émission /réception des ondes ultrasonores.
Avantageusement et selon l’invention, chaque transducteur à ultrasons est fixé à la canalisation par une bride de montage.
Avantageusement et selon l’invention, ledit débitmètre comprend un matériau de comblement choisi dans le groupe formé des résines thermodurcies, ledit matériau de comblement remplissant au moins ledit volume interne secondaire du boîtier. Le matériau de comblement entoure donc au moins en partie la canalisation, ce qui permet de renforcer mécaniquement le débitmètre et en particulier de rigidifier la canalisation. Ceci est particulièrement utile dans le cas où la canalisation est formée d’un matériau polymère ou à matrice polymère.
Dans une variante particulièrement avantageuse selon l'invention, chaque transducteur est installé dans un dispositif de montage.
Avantageusement et selon l'invention, un tel dispositif de montage est adapté pour être monté dans la canalisation selon une direction orthogonale à un axe longitudinal de celle-ci. Ceci permet d'agencer le dispositif de montage de sorte qu'il puisse être introduit radialement dans la canalisation et fixé sur celle-ci, sans avoir besoin de prévoir des ouvertures obliques sur la canalisation. De ce fait, les contraintes de fabrication de la canalisation sont réduites et le coût en est réduit. De plus, la précision de la position de chaque transducteur est améliorée.
Avantageusement et selon l’invention, le débitmètre comprend en outre un module de communication sans fil permettant notamment la transmission des données représentatives du débit de fluide mesuré par le débitmètre (ou de toute autre donnée d’exploitation utile) par communication en champ proche (couramment désigné par le sigle NFC) ou encore par radio (selon le protocole désigné LoRaWAN® par exemple ou encore le protocole M-Bus®, ou le protocole NBIoT®).
L’invention concerne également un procédé de montage d’un tel débitmètre caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes : on fixe chaque transducteur à ultrasons sur la canalisation, on insère ladite vanne de régulation à l’intérieur du volume interne principal dudit boîtier.
En particulier, après avoir fixé chaque transducteur à ultrasons sur la canalisation, on dispose la carte électronique à l’intérieur du réceptacle principal, puis, on relie électriquement chaque tige conductrice de chaque transducteur à ultrasons à ladite carte électronique.
En particulier, dans un procédé de montage d’un tel débitmètre, on associe le support interne, le moteur de l’actionneur, la vis sans fin et l’organe d’obturation.
En particulier, on obture l’ouverture secondaire en assemblant le capot secondaire au réceptacle principal, puis, on introduit le matériau de comblement sous forme liquide dans ledit volume interne secondaire du boîtier par l’ouverture principale du débitmètre, de façon à ce que le matériau de comblement entoure au moins en partie la canalisation.
En particulier, on introduit le matériau de comblement sous forme liquide dans l’espace périphérique ménagé entre la paroi externe du réceptacle principal et la paroi latérale interne, puis, on dispose le capot principal de façon à obturer ladite ouverture principale, les extrémités du capot principal étant insérées dans ledit espace périphérique et au contact dudit matériau de comblement.
L’invention concerne également un débitmètre à ultrasons et un procédé de montage d’un tel débitmètre, caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après.
Liste des figures
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre uniquement non limitatif et qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles :
[Fig. 1] est une vue schématique en perspective d’un débitmètre selon l’invention,
[Fig. 2] est une vue schématique de face d’un débitmètre selon l’invention,
[Fig. 3] est une vue schématique en coupe longitudinale d’un débitmètre selon un premier mode de réalisation de l’invention (vanne partiellement ouverte),
[Fig. 4] est une vue schématique en perspective du réceptacle principal du boîtier d’un débitmètre selon le premier mode de réalisation de l’invention,
[Fig. 5] est une vue schématique éclatée d’un débitmètre selon le premier mode de réalisation de l’invention,
[Fig. 6] est une vue schématique de côté du réceptacle principal du boîtier d’un débitmètre selon le premier mode de réalisation de l’invention,
[Fig. 7] est une vue schématique de côté du réceptacle principal du boîtier d’un débitmètre selon le premier mode de réalisation de l’invention,
[Fig. 8] est une vue schématique en coupe longitudinale d’un débitmètre selon un deuxième mode de réalisation de l’invention,
[Fig. 9] est une vue schématique en coupe transversale selon un plan B d’un débitmètre selon le deuxième mode de réalisation de l’invention,
[Fig. 10] est une vue schématique en coupe longitudinale selon un plan C d’un débitmètre selon le deuxième mode de réalisation de l’invention.
Description détaillée d’un mode de réalisation de l’invention
Sur les figures, les échelles et les proportions ne sont pas strictement respectées et ce, à des fins d’illustration et de clarté.
En outre, les éléments identiques, similaires ou analogues sont désignés par les mêmes références dans toutes les figures.
Comme on peut le voir sur les figures 1, 2 et 3 illustrant un débitmètre 1 selon l’invention, après montage, le débitmètre 1 comprend un boîtier 2 externe comprenant un réceptacle principal 3. Le réceptacle principal 3 comprend une ouverture principale 17 et un capot principal 6 apte à obturer l’ouverture principale 17. Dans le mode de réalisation représenté, le boîtier comprend en outre une coque 22 adaptée pour recouvrir le capot 6 principal. Le réceptacle principal 3 présente une paroi latérale interne 16 s’étendant sensiblement orthogonalement à l’axe longitudinal 4 et délimite un volume interne principal. Un espace 15 périphérique étroit est donc ménagé entre la paroi externe du réceptacle principal 3 et la paroi latérale interne 16 et forme une double paroi. Le réceptacle principal 3 ne présente pas de fond mais se prolonge, du côté opposé au capot principal 6 lorsqu’il est en place, par la canalisation 5. Le réceptacle principal 3 comprend donc également une ouverture secondaire 14 et un capot secondaire 9 apte à obturer l’ouverture secondaire 14.
Le débitmètre 1 comprend une canalisation 5 s’étendant selon un axe longitudinal 4 et adaptée pour permettre la circulation d’un fluide à l’intérieur de celle-ci, entre une première extrémité, dite entrée 12 de fluide, et une deuxième extrémité, dite sortie 13 de fluide. La canalisation 5 se présente sous la forme générale d’un tube terminé aux deux extrémités par des raccords filetés 10, 11. Dans les deux modes de réalisation illustrés, le réceptacle principal 3 du boîtier 2 est solidaire de la canalisation 5.
Dans les deux modes de réalisation illustrés, le tube de la canalisation présente une section droite transversale de forme oblongue. Toutefois, celle-ci peut également présenter toute autre forme, par exemple une section droite transversale circulaire, ovale ou encore polygonale. Dans les deux modes de réalisation illustrés, le tube de la canalisation présente une section droite transversale dont la forme ne varie pas entre les deux extrémités et dont les dimensions sont sensiblement identiques dans la zone de la canalisation où sont disposés les transducteurs.
Dans un premier mode de réalisation, illustré aux figures 2 à 7, la canalisation comporte deux plateaux 18, 19 moulés sur le tube, diamétralement opposés par rapport à celui-ci et décalés l’un par rapport à l’autre le long de l’axe longitudinal de la canalisation. Chaque plateau 18, 19 comprend un orifice débouchant dans la canalisation pour un transducteur à ultrasons 20, 21.
Le débitmètre 1 comprend au moins une carte électronique 30 disposée à l’intérieur du volume interne principal du boîtier 2. La carte électronique 30 présente trois portions principales 31, 32, 33 reliées entre elles par des charnières flexibles, les portions 31 et 32 s’étendant dans deux plans orthogonaux entre eux et les portions 31 et 33 étant parallèles entre elles. Dans les modes de réalisation illustrés, le boîtier comprend un afficheur 35, le capot 6 principal définissant un logement de réception de l’afficheur 35. Le capot 6 principal comprend une portion formant un hublot 8 transparent permettant la visualisation des données représentées sur l’afficheur 35 en soulevant un volet 7 de la coque 22. Dans les modes de réalisation illustrés, l’afficheur 35 est fixé à une troisième portion 33 de la carte électronique 30 à l’aide de broches 34.
Le débitmètre 1 comporte deux transducteurs 20, 21 à ultrasons. Chaque transducteur à ultrasons comprend une plaquette piézoélectrique et deux tiges conductrices reliées électriquement à la carte électronique. Le premier transducteur à ultrasons 20 comprend une plaquette piézoélectrique et deux tiges conductrices 25, 26 reliées électriquement à une première portion 31 de la carte électronique. Le deuxième transducteur à ultrasons 21 comprend une plaquette piézoélectrique et deux tiges conductrices 27, 28 reliées électriquement à la première portion 31 de la carte électronique. En particulier, les deux tiges conductrices sont rigides et s’étendent parallèlement l’une par rapport à l’autre, selon une direction orthogonale à une première portion 31 de la carte électronique 30. Chaque tige conductrice est reliée à la carte électronique par soudure. Les tiges 25, 26, 27, 28 s’étendent depuis les transducteurs en direction du capot principal 6.
Le premier transducteur à ultrasons 20 est plus proche de la sortie 13 de la canalisation 5 que le deuxième transducteur à ultrasons 21, le deuxième transducteur à ultrasons 21 étant plus proche de l’entrée 12 de la canalisation 5.
Dans le premier mode de réalisation, illustré aux figures 2 à 7, les transducteurs à ultrasons sont montés en regard l'un de l'autre vis-à-vis de la canalisation, dans un même plan longitudinal de symétrie de la canalisation, les transducteurs étant orientés selon une direction de mesure formant un angle non nul et inférieur à 90° avec l'axe longitudinal de la canalisation. Dans le mode de réalisation représenté, l’angle entre la direction de mesure et l’axe longitudinal de la canalisation est sensiblement de 30° mais peut également aller jusqu’à 50° par exemple, voire plus selon les modèles de débitmètre. En particulier, les transducteurs à ultrasons sont montés en regard l'un de l'autre au travers d'une paroi de la canalisation. Dans les deux modes de réalisation illustrés, pour orienter le transducteur selon la direction de mesure, chaque transducteur 20, 21 comporte sur sa surface active une niche centrale (non représentée) dont la concavité est orientée vers l'intérieur de la canalisation 5, c’est-à-dire en direction de l'axe longitudinal 4. Cette niche comporte au moins une face plane, dite face active, orthogonale à la direction de mesure. Les autres parois de la niche peuvent avoir une forme quelconque pour autant que ces parois n'interfèrent pas avec les ondes ultrasonores. Par exemple, la niche comporte une face supérieure parallèle à la direction de mesure et deux faces latérales parallèles au plan de symétrie longitudinal de la canalisation contenant la direction de mesure.
Chaque transducteur 20, 21 à ultrasons est fixé à la canalisation par une bride de montage 23, 24 fixée aux plateaux 18, 19 par exemple à l’aide de vis 38, 39.
La plaquette piézoélectrique présente avantageusement un contour polygonal, notamment carré ou rectangulaire, ou en forme générale de disque. La plaquette piézoélectrique est utilisée dans son mode de résonance en épaisseur. Chaque plaquette piézoélectrique peut présenter une épaisseur inférieure à 2 mm et des dimensions comprises entre 3 mm et 10 mm dans toutes les directions orthogonales à son épaisseur.
Chaque plaquette piézoélectrique est constituée d’au moins un matériau piézoélectrique. Ce matériau piézoélectrique doit pouvoir émettre et recevoir des signaux ultrasonores, en particulier à une fréquence de l’ordre de 4 MHz. Le matériau piézoélectrique peut être choisi parmi les céramiques piézoélectriques, telles que les titano-zirconates de plomb (PZT), ou encore parmi les monocristaux piézoélectriques.
Le débitmètre 1 comporte également une vanne 40 de régulation d’un flux de fluide dans la canalisation comportant un organe d’obturation. La vanne 40 est adaptée pour pouvoir être montée à l’intérieur du volume interne principal du réceptacle principal 3 du boîtier. En particulier, dans les deux modes de réalisation représentés, le réceptacle principal 3 du boîtier comprend un logement 37 de réception de la vanne 40 délimité latéralement par deux parois 36 cylindriques coaxiales. L’organe d’obturation de la vanne comprend une tige 44 présentant une extrémité distale 41 s’étendant vers la canalisation 5 et disposée à l’intérieur d’une membrane 46. L’organe d’obturation est configuré pour pouvoir être déplacé, selon un axe orthogonal à l’axe longitudinal 4 de la canalisation, entre au moins une position partiellement ouverte (figure 3) dans laquelle l’organe d’obturation autorise le passage d’un débit de fluide non nul dans la canalisation et au moins une position fermée dans laquelle le débit de fluide dans la canalisation est nul. En position fermée, l’extrémité distale 41 de la vanne 40 vient se loger dans une incurvation 49 ménagée dans la paroi de la canalisation 5. La vanne comprend un actionneur 58 adapté pour pouvoir commander la position de l’organe d’obturation, c’est-à-dire commander le déplacement de l’organe d’obturation entre une pluralité de positions intermédiaires entre une position entièrement ouverte et la position fermée.
La tige 44 présente une extrémité proximale adaptée pour coopérer avec une vis sans fin 50 s’étendant orthogonalement à l’axe longitudinal de la canalisation. L’ actionneur commande la rotation de la vis sans fin 50 de façon à permettre de modifier la position d’ouverture/fermeture de la vanne 40. La vis sans fin 50 présente une tête 52 à son extrémité proximale et une extrémité distale 51 filetée. L’ actionneur 58 comprend un moteur électrique et un réducteur à engrenages relié à la tête 52 de la vis sans fin 50. Il est à noter que sur la figure 5 représentant une vue en éclaté du débitmètre 1, F actionneur 58 de la vanne 40 n’est pas représenté.
Le débitmètre 1 comporte également un support interne 55 auquel sont fixés la vis sans fin et F actionneur dudit organe d’obturation. Comme on peut le voir sur les figures 3 et 5, le support interne 55 peut par exemple être fixé au réceptacle principal à l’aide de trois vis 60.
La figure 4 représente le réceptacle principal du boîtier d’un débitmètre selon le premier mode de réalisation après montage des transducteurs 20, 21 et mise en place du support interne 55 à l’intérieur de celui-ci.
La tige 44 est fixée à un support interne 55 s’étendant longitudinalement à l’intérieur du réceptacle principal 3 du boîtier. La tige 44 et le support interne 55 coopèrent de manière à pouvoir bloquer la tige 44 en rotation (par exemple, la tige 44 peut être de section carrée au moins à son extrémité de montage avec le support interne 55. Au-dessus des transducteurs, le support interne 55 comprend une portion formant un réceptacle pour piles du support interne présentant des portions cylindriques. Dans les modes de réalisation illustrés, le réceptacle peut recevoir au moins deux piles électriques, et en particulier 4 piles électriques.
La membrane 46 entoure entièrement au moins l’extrémité distale 41 de la vanne 40. La membrane 46 peut être formée d’un matériau élastomère. La membrane 46 joue notamment le rôle d’un soufflet permettant un déplacement vertical de l’organe d’obturation, tout en garantissant l’étanchéité entre la canalisation et le support interne 55. Son épaisseur est adaptée pour que le déplacement puisse se faire dans la gamme de couple du moteur de l’actionneur 58.
La vanne est disposée dans une zone dite « rétrécie » de la canalisation qui est celle comprenant les transducteurs à ultrasons 20, 21 et la vanne 40.
Une telle zone présentant une section de passage inférieure à celle de l’entrée et de la sortie de la canalisation n’est pas indispensable. Toutefois, prévoir un tel rétrécissement permet d’augmenter la vitesse du fluide circulant dans la canalisation et ainsi d’augmenter la différence de temps de vol des ultrasons, ce qui permet d’améliorer la fiabilité de la mesure même pour des débits de fluide faibles.
Le boîtier s’étend au-delà de la canalisation 5 de façon à délimiter un volume interne secondaire disposé du côté opposé au volume interne principal par rapport à la canalisation, la canalisation s’étendant à l’intérieur du volume interne secondaire. Le volume interne secondaire correspond à l’espace dans lequel s’étend la canalisation et est également délimité par le capot secondaire 9. Dans les modes de réalisations représentés, le capot secondaire 9 présente une forme de cuvette ouvert à ses extrémités longitudinales pour permettre le passage des filetages d’extrémités 10, 11 de la canalisation 5. Le capot secondaire 9 peut présenter un contour formant une rainure en U dans lequel peut être disposé un joint ou non.
La canalisation présente une portion, dite zone de mesure, de la canalisation s’étendant entre les transducteurs, et une portion, dite zone intermédiaire, de la canalisation s’étendant entre les transducteurs et l’extrémité distale de la vanne 40.
Le débitmètre 1 représenté selon ce premier mode de réalisation comporte également un capteur de pression 65 adapté pour pouvoir mesurer la pression du fluide à l’intérieur de la canalisation 5. Le capteur de pression 65 est également relié à la carte électronique 30 de façon à permettre une transmission des données représentatives de la pression mesurée.
Un procédé de montage d’un tel débitmètre comporte les étapes suivantes : on fixe chaque transducteur 20, 21 à ultrasons sur la canalisation 5, c’est-à- dire qu’on monte les transducteurs 20, 21 à ultrasons sur la canalisation 5, on place la carte électronique partiellement repliée dans le réceptacle principal 3, on soude les transducteurs 20, 21 à ultrasons sur la canalisation 5 à la carte électronique 30, on installe le capteur de pression 65 sur la canalisation 5, on insère ladite vanne 40 de régulation à l’intérieur du volume interne principal dudit boîtier, après avoir associé le support interne 55, le moteur, la vis sans fin 50 et l’organe d’obturation, on assemble le capot secondaire 9 au réceptacle principal 3 de façon à obturer l’ouverture secondaire 14, on introduit un matériau de comblement sous forme liquide dans le volume interne secondaire du boîtier, par l’ouverture principale du débitmètre, de façon à ce que le matériau de comblement entoure la canalisation 5, on connecte le moteur de l’actionneur 58 à la carte électronique 30, on introduit un matériau de comblement sous forme liquide dans l’espace 15 périphérique ménagé entre la paroi externe du réceptacle principal et la paroi latérale interne 16, on dispose le capot principal 6 de façon à obturer l’ouverture principale, les extrémités du capot principal étant insérées dans l’espace 15 périphérique et au contact du matériau de comblement.
Cette dernière étape a pour avantage d’éviter d’avoir à prévoir un joint pour assurer l’étanchéité du boîtier vis-à-vis de l’environnement externe, le matériau de comblement durcissant et assurant cette étanchéité.
Dans un deuxième mode de réalisation, illustré aux figures 8, 9 et 10, le débitmètre diffère d’un débitmètre selon le premier mode de réalisation représenté aux figures 1 à 7 en ce que les transducteurs sont remplacés par deux transducteurs 70, 71 à ultrasons placés en vis-à-vis l’un de l’autre sur un axe longitudinal de la canalisation 5. Les transducteurs 70, 71 à ultrasons sont montés de telle façon que la direction d'émission / réception des transducteurs soit confondue avec l'axe longitudinal 4 de la canalisation. Un logement de réception est prévue dans la paroi de la canalisation 5 pour chaque transducteur 70, 71 à ultrasons. Ceci permet un montage des transducteurs par le haut, c’est-à-dire comme la vanne 40, par l’ouverture principale 17 du réceptacle principal 3. Chaque logement de réception prévue dans la paroi de la canalisation 5 est traversant comme on peut le voir en figure 8. Comme on peut le voir en figure 9, chaque transducteur 70, 71 à ultrasons comprend une plaquette piézoélectrique et deux tiges conductrices reliées électriquement à la première portion 31 de la carte électronique.
Dans les deux modes de réalisation présentés, le débitmètre 1 présentent les dimensions suivantes : une largeur de 90 mm (largeur maximale du boîtier 2), une longueur de 95 mm (longueur maximale du boîtier 2 selon l’axe longitudinal, hors raccords filetés 10, 11) et une hauteur maximale de 121 mm.
Dans un troisième mode de réalisation (non représenté), il est possible de prévoir un montage des transducteurs à ultrasons par le haut comme dans le deuxième mode de réalisation, mais en prévoyant les logements accueillant les transducteurs au contact de la paroi de la canalisation, de telle sorte que les transducteurs se fassent face selon une diagonale, comme dans le premier mode de réalisation.
L’avantage de ce deuxième et de ce troisième modes de réalisation est, en permettant le montage d’un transducteur, de simplifier ce montage en vue de son automatisation.
Le second avantage, est que contrairement au premier mode de réalisation, la coque externe du transducteur peut faire partie intégrante de la paroi de la canalisation 5, dans laquelle l’espace de montage d’inserts serait ménagé, un insert sensible comportant une plaquette piézoélectrique, ses contacts électriques et un support mécanique permettant de sécuriser ces éléments. Dans cet espace serait injecté un couplant acoustique (résine, graisse, etc), puis chaque insert sensible serait monté. Cela a pour avantage de faciliter la réalisation de l’étanchéité liée au montage des transducteurs.
L’invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits. En particulier, la section transversale de la canalisation peut présenter une forme différente, l’incurvation ménagée dans la paroi de la canalisation peut également prendre d’autres formes.

Claims

REVENDICATIONS itmètre (1) à ultrasons comportant : une canalisation (5) de mesure du débit d’un fluide s’étendant principalement selon un axe longitudinal (4), au moins deux transducteurs (20, 21) à ultrasons montés en regard l’un de l’autre, un boîtier (2) comprenant un réceptacle principal (3) solidaire de la canalisation et délimitant un volume interne principal, une vanne (40) de régulation d’un flux de fluide dans ladite canalisation comportant un organe d’obturation, caractérisé en ce que : ledit organe d’obturation comprend une tige (44) présentant une extrémité distale s’étendant vers la canalisation, l’extrémité distale de ladite tige étant disposée à l’intérieur d’une membrane (46), l’organe d’obturation étant configuré pour pouvoir être déplacé, selon un axe orthogonal à l’axe longitudinal de ladite canalisation, entre au moins une position ouverte dans laquelle l’organe d’obturation autorise le passage d’un débit de fluide non nul dans la canalisation et au moins une position fermée dans laquelle le débit de fluide dans la canalisation est nul, ladite vanne (40) comprenant un actionneur (58) dudit organe d’obturation adapté pour pouvoir commander la position dudit organe d’obturation, le volume interne principal dudit boîtier est adapté pour pouvoir recevoir ladite vanne, la canalisation (5) présente une portion, dite zone de mesure, de la canalisation s’étendant entre lesdits transducteurs (20, 21), présentant une section de passage minimale dudit fluide dans la canalisation au moins égale à une section de passage maximale dudit fluide dans la canalisation d’une portion, dite zone intermédiaire, de la canalisation s’étendant entre lesdits transducteurs et ledit organe d’obturation. Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section de passage dudit fluide dans ladite zone de mesure de la canalisation est constante et identique à la section de passage dudit fluide dans ladite zone intermédiaire de la canalisation. Débitmètre selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit organe d’obturation de ladite vanne est disposé dans une portion, dite rétrécissement, de la canalisation (5), présentant une section de passage maximale dudit fluide dans la canalisation, inférieure à une section de passage minimale d’au moins un raccord (10, 11) d’extrémité de ladite canalisation. Débitmètre selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite tige (44) présente une extrémité proximale adaptée pour coopérer avec une vis sans fin (50) s’étendant orthogonalement à l’axe longitudinal de la canalisation, ledit actionneur commandant une rotation de la vis sans fin de façon à permettre de modifier la position dudit organe d’obturation. Débitmètre selon la revendication 4, caractérisé en ce qu’il comprend un support interne (55) auquel sont fixés ladite vis sans fin (50) et l’actionneur (58) dudit organe d’obturation. Débitmètre selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le boîtier s’étend au-delà de la canalisation de façon à délimiter un volume interne secondaire disposé du côté opposé au volume interne principal par rapport à la canalisation, ladite canalisation s’étendant à l’intérieur dudit volume interne secondaire. Débitmètre selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit boîtier et ladite canalisation sont formés d’un matériau choisi dans le groupe formé des polymères et des composites à matrice polymère. Débitmètre selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu’il comprend au moins une carte électronique (30) disposée à l’intérieur dudit volume interne principal du boîtier, et en ce que chaque transducteurs à ultrasons comprend une plaquette piézoélectrique et deux tiges (25, 26, 27, 28) conductrices reliées électriquement à ladite carte électronique (30). Débitmètre selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que lesdits transducteurs (20, 21) à ultrasons sont montés en regard l'un de l'autre au travers d'une paroi de ladite canalisation, dans un même plan longitudinal de symétrie de la canalisation, lesdits transducteurs étant orientés selon une direction de mesure formant un angle non nul et inférieur à 90° avec l'axe longitudinal (4) de la canalisation. Débitmètre selon l’une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que lesdits transducteurs (20, 21) à ultrasons sont montés de telle façon que la direction d'émission / réception desdits transducteurs soit confondue avec l'axe longitudinal (4) de ladite canalisation. Débitmètre selon l’une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que chaque transducteur (20, 21) à ultrasons est fixé à la canalisation par une bride de montage (23, 24). Débitmètre selon la revendication 6 ou selon l’une des revendications 7 à 11 prise en combinaison avec la revendication 6, caractérisé en ce qu’il comprend un matériau de comblement choisi dans le groupe formé des résines thermodurcies, ledit matériau de comblement remplissant au moins ledit volume interne secondaire du boîtier. Débitmètre selon l’une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le réceptacle principal comprend une ouverture principale (17) et un capot principal (6) apte à obturer ladite ouverture principale. Procédé de montage d’un débitmètre selon l’une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes : 22 on fixe chaque transducteur (20, 21) à ultrasons sur la canalisation (5), on insère ladite vanne (40) de régulation à l’intérieur du volume interne principal dudit boîtier.
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