Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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La pr~sente invention concerne une jauge permettant de
mesurer le débit massique ou la vitesse d'un écoulement gazeux au
moyen d'un jet d'ions sensiblement parallèle à l'écoulement.
Il est connu de mesurer le débit d'un écoulement gazeux
au moyen d'un jet d'ions perpendiculaire à l'écoulement et dont
on mesure la déformation du trajet dans l'espace, le jet d'ions
étant créé par effet corona: brevet britannique Durbin 1.271.825,
brevet américain Obermaier 2,727,543, brevet américain Nadot
3,835,705. Dans ces d~bitmètres connus, les ions son~ cr~és au-
tour d'une source qui peut être un disque, une pointe, un fil,et sont récoltés sur des électrodes métalliques planes ou cylin-
driques, de telle sorte que le faisceau d'ions traverse l'écoule-
ment de gaz de manière sensiblement perpendiculaire à la direc-
tion de cet écoulement. I'ous ces débitmètres présentent l'incon-
vénient d'être extrêmement sensibles à la nature des porteurs de
charge électrique (ions) créés aux environs immédiats de
leur source ainsi qu~aux variations de leur vitesse de
transfert pour aller de la source aux électrodes de col-
lection. De plus, ces débitmètres connus ont une section
de passage du gaz limitée à quelques centimètres afin de
ne pas avoir à appliquer une tension d'ionisation beaucoup
trop élevée, et, d'autre part, de conserver une précision
suffisante dans les mesures.
Dans les dispositifs connus précités, la précision
de la mesure est affectée par toutes les sources de pollu-
tion: si, par exemple le gaz est humide, les ions peuvent,
au cours de leur parcours, se recombiner avec les molécules
dleau, et si le gaz dont on mesure la vitesse comporte des
composants ionisables différents, ceux-ci ne sublssent pas
la m~me déviation que les ions du gaz principal.
Le but de la présente invention est donc de créer
~,c~
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un débitm~tre permettant de mesurer le débit d'un écoulement
gazeux dans le~uel la source d'ions ne participe pas ~ la
mesure, c'est-à-dire que ses fluctuations n'affectent pas
la mesure.
La présente invention a encore pour but de réa-
liser la mesure du débit d'un écoulement gazeux sans que
cette mesure soit affectée par des éventuelles pollutions
du gaz dues par exemple à des particules d'eau qui ris~ue-
raient de se combiner aux ions créés, ou à des impuretés
contenues dans le gaz~
- La presente invention a encore pour but de réa-
liser la mesure du débit d'un écoulement gazeux indépen-
damment des dimensions de la section de passage du dispo-
sitif de mesure.
Selon la présente invention, les but précités
sont atteints grace à une jauge dans laquelle le gaz dont
on veut déterminer les caractéristi~ues d'écoulement tra-
verse une électrode conductrice, des ions étant créés dans
le gaz, en amont de cette électrode conductrice la mesure
consiste à mesurer le flux des ions ayant pu traverser la
susdite électrode sous l'effet de l'écoulement gazeux dont
~,
on veut connaitre le débit, cette électrode étant par la
suite appelée "grille transparente".
Grace à ce dispositif, on obtient une mesure de
grande stabilité qui n'est plus perturbée par les fluctua-
tions de la source, la détermination de la proportion d'ions
traversant l'électrode étant indépendante du flux d'ions
incident.
Grâce au procédé de la présente invention, la source
d'ions peut être très proche du réseau ou grille transparente
(leur distance n'est pratiquement limitée que par la rigidité
diélectrique entre la source d'ions et cette grille transpa-
.
?
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rente), et ainsi, les ions du gaz à mesurer n~ont pratiquement
plus la possibilité de se combiner avec les polluan~s, et en
outre, la tension à appliquer entre la source et la grille
transparente est indépendante de la section de la veine gazeuse,
ce qui permet donc d'utiliser dans tous les cas une tension
de fonctionnement faible.
Selon une autre caractéristique de la présente in-
vention, on mesure le flux d'ions ayant traversé la grille
transparente grâce ~ une électrode collectrice se présentant
également sous forme de grille ou réseau et située en aval
de cette grille transparente, par conséquent, on réalise une
mesure moyenne des ions apparaissant sur cette électrode col-
lectrice, et les diverses fluctuations de la source (bruits
d'émission dûs à la condensation des produits lourds, tels
que poussières et fumées, se condensant sur la source, pro-
voquant ainsi une dlspersion de la décharge) ne peuvent plus
perturber la mesure.
Dans un aspect g~néral, l'invention concerne un pro-
céd~ de mesure de débit ou de vitesse d'un écoulement gazeux au
moyen d'un jet d'ions prati~uement parallèle audit écoulement
gazeux, et émis par une électrode de source et passant à travers
une électrode conductrice plane pratiquement perpendiculaire
audit écoulement gazeux et se présentant sous forme d'une grille
ou d'un réseau, et dite "grille transparente", l'électrode dite
"grille transparente" étant disposée en aval de l'électrode de
source, et une troisième électrode conductrice placée en aval
de la grille transparente procédé caractérisé par le fait que
l'on mesure le rapport des courants collectés par lesdites
: deuxième et troisième électrodes.
Selon un autre aspect général de l'invention, on pré-
voit un dispositif de mesure d'un écoulement gazeux permettant
-3-
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la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, et com-
portant au moins trois électrodes conductrices dispos~es sur le
trajet dudit écoulement gazeux et électriquement isolées entre-
elles, la première électrode rencontrée par l'~écoulement cJazeux
constituant la source ionique, la seconde électrode étant ladite
: grille transparente, et la troisième électrode constituant
l'électrode collectrice, ce dispositif comportant en outre entre
la première électrode et les autres une source de tension créant
un champ électrique tel que les ions produits par la source se
déplacent de la première électrode vers la second électrode, dans
:. le sens d'écoulement du gaz, dispositif caractérisé par le fait
que lesdites première et troisième électrodes sont constituées
chacune par une grille ou un réseau conducteur.
L~invention sera mieux comprise à l'aide de la
description détaillée de plusieurs modes de réalisation pris
comme exemples non limitatifs et illustrés par les dessins
annexés sur lesquels:
- la figure 1 est une illustration schématique du :~:
dispositif de mise en oeuvre du procédé de la mesure avec
une source d~ions radioactive;
- la figure 2 est une illustration schématique du
dispositif de mise en oeuvre du procédé de la mesure avec
une source d'ions par effet corona,
- la figure 3 est une illustration schématique du
dispositif de la figure 2, avec une régulation de la tension
et du courant de la source dlions,
- et la figure 4 est une illustration schématique
du dispositif de mise en oeuvre du procédé de la mesure avec
-3a-
~ .
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une source d'ions par effet corona et une mesure du courant débité
par l'électrode collectrice.
La jauge à .source d'ions radioactive de la figure 1
est essentiellement constituée par trois électrodes sous forme
de grilles ou réseaux métalliques de mesure 1, 2 et 3 disposées
pratiquement perpendiculairement à l'écoulement gazeux à l'in-
térieur d'une conduite 4 et électriquement isolées entre-elles,
les électrodes occupant pratiquement toute la section de pas-
sage de la conduite 4. L'électrode 1 est recouverte d'un
revêtement radioactif non représenté. On branche une source
de tension 5 entre l'électrode 1 et l'électrode 2, de manière
à créer un champ électrique entre ces deux électrodes de telle
fa~con que les ions créés se déplacent de l'électrode 1 vers
l'électrode 2~ On dispose d'autre part un appareil de mesure
de courant 6 entre la source de tension 5 et l'électrode 2,
et un autre appareil de mesure de courant 7 entre l'électrode
3 et le point commun de la source 5 et de l'appareil de mesure
6. Le gaz s'écoule dans le sens de la flèche ~3.
On règle la source de tension 5 de telle facon que
sa valeur soit suffisante pour que l'on puisse collecter des
ions dès que la vitesse du gaz n'est plus nulle. Soit E la
valeur du champ électrique au voisinage des fils de l'électrode
2, et ~ la mobilité des ions dans le gaz considéré (générale-
ment exprimée en cm2/V.s.). Lorsque la vitesse du gaz est
nulle, la vitesse~rdes ions est, en tout point de l'espace
VY= u E, et presque tous les ions sont collectés par l'élec-
trode 2, puisque presque toutes les lignes de force aboutissent
à cette électrode 2.
Dès que le gaz a une vitesse non nulle ~ , la vitesse
~ des ions est:
E
iS9~ -
Pour tous les points de l'espace pour lesquels
¦~¦p E, les ions quittent les lignes de force et sont en-
tra~n~s au-delà de l'~lectrode 2 et sont co]lect(s par l'élec-
trode 3. Le courant de l'~lectrode 3 indiqu~ par l'a~pareil
de mesure 7, est donc une fonction bien définie de la vitesse
d'orltra~nomcn~ ~O du qaz on rnouvorn-nt. L'apr)areil do mesure
de courant 6 indique le courant des ions collectés par l'élec-
trode 2. Le rapport des courants I3 et I2 correspondant res-
pectivement aux ions collectés par les électrodes 3 et 2 res-
pectivement n'est fonction que des caractéristiques d'écoule-
ment du gaz.
La distance entre les électrodes 1 et 2 est choisie
suffisamment petite pour réduire la recombinaison des ions
créés avec, par exemple, des molécules de vapeur d'eau, la
limite inférieure de cette distance étant pratiquement déter-
minée par la tension de claquage entre les électrodes 1 et 2.
Cette distance est de façon avantageuse de l~rdre de 5 mm.
; La distance entre les électrodes 2 et 3 est choisie du même
ordre de grandeur que le pas du réseau constituant l'élec-
trode 1, sa limite inférieure étant la distance pour laquelle
les lignes de force traversent l'électrode 2 lorsque le gaz
est au repos, juste sans atteindre la grille 3 (si les lignes
de force atteignaient l'electrode 3, on pourrait lire sur
l'appareil de mesure 7 un courant meme lorsque le gaz est au
repos).
On choisit le pas du réseau consitutant l'électrode
2 du même ordre de grandeur que la distance entre llélectrode
2 et l'électrode 3 de préférence de l'ordre de 1 mm.
La figure 2 représente un autre mode de réalisation
de l'invention dans lequel la source d'ions est une décharge
corona. Le tube de mesure 4 comporte toujours les trois élec-
trodes de mesure 1, 2 et 3, mais l'électrode 1 n'est plus
-- 5
~9S5gl
recouverte d'un rcv~tement radioactif. L'appareil de mesure
de courant 7 est rernplacé par un voltmètre 10 à grande impé-
dance d'entrée, cette impédance d'entrée étant choisie de
façon que le courant traversant ledit voltmètre soit très
faible par rapport au courant de fonctionnement de la source
et la source de tension 5 a une valeur telle qu'elle produit
une décharge corona sur l~électrode 1. L'appareil de mesure
de courant 6 a été supprimé et remplacé par une résistance 11.
Les ions engendrés sur l'électrode 1 par décharge
10 corona se déplacent vers l~électrode 2 sous l'effet du champ
électrique établi par la source de tension 5. Lorsque le gaz
à mesurer est au repos, les ions sont pratiquement tous col-
lectés par l'électrode 2.
Lorsque le gaz à mesurer a une vitesse non nulle, et
se déplace dans la direction de la flèche 8, les ions sont
entrainés au-delà de l'électrode 2 et atteignent l~électrode
3, Etant donné que le voltmètre 10 a une grande impédance
d'entrée, il apparait sur l'électrode 3 une tension créant
un champ électrique qui s'oppose à l'arrivée des ions sur
l~électrode 3. Soit El le champ électrique entre les élec-
trodes 2 et 3, ~ la mobilité des ions et~O la vitesse du gaz
à mesurer, lorsque:
, El 11 = vo
les ions n'atteignent plus l'électrode 3.
I.a tension électrique qui s'établit sur l~électrode
3 est donc fonction uniquement des caractéristiques d~écoule-
ment du gaz, et il est donc facile de mesurer la vitesse d'é-
coulement du gaz ou son débit massique par une methode de zéro:
le champ électrique est tel que pratiquement tous les ions sont
captés par la grille transparente 2, c'est-à-dire de fa,con telle
que le courant apparaissant sur llélectrode 3 est pratiquement
nul, et ce, grâce à la résistance très élevée du voltmètre 10
-- 6 --
.
9~5~
qui fait que, malgre le très faible nombre d'ions arrivant sur
l'électrode 3, la tension entre cette électrode et l'électrode
2 est suffisante pour repousser les ions.
En revenant au montage de la figure 1, on détermine:
I3 = K- I2 e v~J' (1)
I3 étant le courant sur l'électrode collectrice 3.
K une constante qui dépend de la géométrie du dispositif, I2
le courant circulant dans l'électrode 2, e la densité du fluide,
~ sa vitesse, e-t V la différence de potentiel entre la source
1 et la grille transparente 2.
On voit donc que pour mesurer la vitesse ou le débit
massique du gaz, il est nécessaire de tenir compte de la valeur
du courant I2 et de la différence de potentiel V.
Afin d'obtenir une mesure directe de la vitesse ~
du fluide à mesurer, on peut utiliser une alimentation régulée
telle que I2 = constante. Dans ce cas, la relation (1)
V
devient:
I3 = C. lg'
C étant une autre constante égale à ~, I2 ~
Un montage permettant de réaliser cette mesure est
schématiquement représenté sur la figure 3~ L'électrode 1
est alimentée par une source de haute tension 12, par exemple
un convertisseur de tension à oscillateur. Entre l'électrode
1 et la masse on branche en série deux résistances 13 et 14
formant pont diviseur, la tension aux bornes de la résistance
14 étant envoyée sur l~entrée (+) dlun amplificateur diffé-
rentiel 15 dont l'autre entrée (-) rec~oit la tension aux bornes
de la résistance 11 qui est branchée entre l'électrode 2 et la
masse. La sortie de l'amplificateur différentiel 15 est reliée
à une entrée de régulation de la source de tension 12. L'élec-
trode 3 est reliée à un amplificateur 16 permettant de régler
de fa~con connue l'annulation du courant résiduel grâce à un
-- 7 --
SS91
potentiomètre 17 branché sur une tension auxiliaire u, ce cou-
rant résiduel pouvant éventuellement apparaitre sur l'électrode
3 lorsque la vitesse du gaz à mesurer est nulle et lorsque les
électrodes 2 et 3 sont très rapprochées. A la sortie 18 de
l'amplificateur 16 on recueille une tension proportionnelle
à la vitesse d'écoulement du gaz à travers la jauge, ou à son
débit massique.
Soient V la tension entre l'électrode 1 et la masse,
Rll, R13 et R14 les valeurs respectives des résistances 11, 13
~ 10 et 14 la régulation de la tension de la source 12 a lieu de
; telle facon que l'on ait:
V R14
R13 -~ R14 Rll I2
c'est-à-dire lorsque les tensions aux deux entrées (+) et (-)
de l'ampllficateur 15 sont égales. Pour cette condition, on a
I R
V 11 ( 13 R14)
Cela veut dire que le rapport I2 est constant pour
des valeurs déterminées des résistances Vll, 13 et 14, la pré-
cision de cette valeur dépendant directement du gain de l'am-
plificateur 15, que l'on peut rendre aussi élevé que nécessaire.
La figure 4 représente un autre mode de réalisation
de l'invention utilisant une source d'ions corona et une mesure
du courant de la ~rille collectrice. Dans cette réalisation,
on a ajouté une électrode 19 symétrique de l'électrode 2 par
rapport à l'électrode 1 et une électrode 20 symétrique de
l'électrode 3 par rapport à l'électrode 1. Les électrodes 2
et 19 sont reliées entre elles et réunies à la source de tension
- 5 par l'intermédiaire d'une résistance 11 le point commun de
la résistance 11 et de la source de tension 5 est relié aux
électrodes 3 et 20 respectivement par les résistances 21 et 22,
un mlcroampèremètre 9 est branché entre les électrodes 3 et 20.
- 8 -
. ~ .
l~SS91
Le montage ainsi realisé est bi-direc-tionnel. On règle la
valeur de la source de haute tension 5 pour provoquer une
décharge corona autour de l'électrode 1.
Dans ce dernier mode de réalisation, le fonctionne-
ment est sensiblement le même que celui dans le premier dis-
positif décrit, la résistance 11, traversée par le courant I2,
développe une tension entre les électrodes 2 et 3, de facon
à améliorer les propriétés de linéarité du dispositif de mesure.
Le microampèremètre 9 indique la différence des courants appa-
ralssant sur les électrodes 3 et 20, cette différence étantcaractéristique de la vitesse d'écoulement du gaz. De meme
que dans le cas précédent~ la source de tension 5 est avanta-
geusement réalisée de façon telle que la tension à ses bornes
et que le courant qu'elle fournit soient dans un rapport cons-
tant, afin d'avoir une mesure directement fonction de la vi-
tesse d'écoulement du gaz~
Dans tous les modes de réalisation ci-dessus décrits,
on peut régler le fonctionnement de la jauge pour une vitesse
des gaz nulle soit en agissant sur la distance des électrodes
2 et 3 gr~ce à un dispositif mécanique, soit en agissant sur
le champ électrique autour de l'électrode 2 grâce à un dis-
positif de réglage purement électrique, ce qui est préférable.
En outre, tous les autres modes de réalisation décrits
ci-dessus peuvent être rendus bi-directionnels si l'on ajoute
un jeu de deux électrodes symétriques des électrodes 2 et 3
par rapport à la source 1, et en réalisant les branchements
électriques appropriés.
On remarquera également que l'on peut canaliser le
flux de gaz au niveau de la source par exemple en profilant
la surface intérieure de la conduite à ce niveau de fac,on à
y créer un léger renflement périphérique s'étendant vers l'axe
de la conduite, afin que le gaz ne traverse que la partie
~L~95S91
active de l'électrode de source.
Les modes de réalisation décrits ci-dessus comportant
de préférence des electrodes planes, disposées dans une con-
duite de mesure, mais il est évident que l~on obtiendrait des
résultats comparables avec des électrodes ayant dlautres formes.
en respectant simplement la caractéristique principale de la
présente invention, à savoir l'interposition de l'électrode
"transparente" entre une source d'ions et une électrode col-
lectrice. On peut par exemple disposer autour de la source
des électrodes de forme cylindrique ou sphérique, et effectuer
la mesure à l'alr libre.
1,~
1: .
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DIW LGUATION SUPPLEMENTAIRE
Il a été découvert que le dispositif de mesure selon
l'invention, en lloccurence la jauge permettant de mesurer le
débit massique ou la vitesse d'un écoulement gazeux, pouvait
aussi 8tre utilisé pour les liquides isolan-ts, en particulier,
les hydrocarbures liquides.
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