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Publication
_________________________________________________________________
Number FR2514128A1
Family ID 8023902
Probable Assignee Onera Off Nat Aerospatiale
Publication Year 1983
Title
_________________________________________________________________
FR Title PONT PNEUMATIQUE DE MESURE
EN Title PNEUMATIC MEASURING BRIDGE E.G. FOR GAS TEMP. - HAS TWO
BRANCHES EACH INCLUDING ENCLOSURE IMPOSING LOAD LOSS AS FUNCTION OF
FLOW, AND SUPPLY PROVIDING ALTERNATE FLOW
Abstract
_________________________________________________________________
LE PONT PNEUMATIQUE DE MESURE D'UN PARAMETRE INFLUANT SUR LES
CARACTERISTIQUES D'UN GAZ DANS UN ELEMENT DE PONT COMPREND DEUX
BRANCHES. CHAQUE BRANCHE EST CONSTITUEE PAR UNE ENCEINTE 12 OU 14 ET
PAR UN ORGANE 38 OU 37 IMPOSANT AU GAZ QUI LE TRAVERSE UNE PERTE DE
CHARGE, QUI VARIE AVANTAGEUSEMENT SUIVANT UNE FONCTION SENSIBLEMENT
LINEAIRE DU DEBIT. UN ELEMENT PNEUMATIQUE 33 ALIMENTE LES DEUX
BRANCHES EN PARALLELE. UN DEBITMETRE 43 MESURE LE DEBIT PASSANT PAR
UNE CONDUITE RELIANT LES ENCEINTES.
The bridge contains two branches used to measure a parameter which
affects the characteristics of a gas in one component of the bridge,
e.g temperature, pressure, force. Each branch is formed by a chamber
(12,14) which contains a gas and by a component (37,38) which improses
a pressure-drop on the gas flowing in it. Pref. the pressure-drop
varies as an approximately linear function of the flow-rate. A
pneumatic supply (33) provides both branches in parallel, through the
pressure-drop components (37,38). The supply (33) applies a periodic
alternating flow to the bridge. A micro-flowmeter (43) measures the
flow in a pipe which connects both branches. In one version, the
bridge gives a signal which is a function of several parameters,
including flow variation amplitude, supply pressure, pressure-drop and
chamber state.
Description
_________________________________________________________________
Pont pneumatique de mesure
La presente invention concerne le domaine de la mesure par voie
pneumatique et elle a pour objet un pont pneumatique de mesure d'un
parametre representatif de l'etat d'un element de pont influant sur
les caracteristiques d'un gaz dans cet element.
L'invention vise notamment a fournir un tel pont permettant de mesurer
des parametres tres divers, notam- ment la difference de temperature
entre le gaz occupant une enceinte de travail et le meme gaz occupant
une enceinte de reference, la difference de pression du gaz contenu
dans une enceinte de travail et une enceinte de reference, et les
forces tendant a deformer une enceinte de travail contenant le gaz et
donc a modifier la pression du gaz dans cette enceinte.
Dans ce but, l'invention propose un pont pneumatique de mesure qui
comprend deux branches constituees chacune par une enceinte et par un
organe imposant au gaz qui le traverse une perte de charge, qui varie
avantageusement suivant une fonction sensiblement lineaire du debit;
une alimentation pneumatique alimentant les deux branches en
parallele, a partir des organes de perte de charge;et imposant aux
branches un debit periodique alternatif; et un debitmetre de mesure du
debit passant par une conduite reliant les enceintes.
Le debit qui traverse le debitmetre doit etre suffisamment faible pour
ne pas perturber notablement les conditions qui regnent dans les
enceintes. Dans ce but, on peut notamment utiliser un microdebitmetre
du type decrit dans la demande de brevet FR nO 2 308 090 de
l'organisme demandeur, a laquelle on pourra se reporter. Un tel
microdebitmetre a le double avantage de pouvoir detecter et mesurer de
tres faibles debits et de fournir une reponse quasi lineaire.
Un pont pneumatique du genre defini ci-dessus permet non seulement
d'effectuer des mesures portant sur un de ses elements constitutifs
(mesures qui peuvent etre absolues ou differentielles), mais aussi de
fournir un signal de sortie representatif d'une fonction de plusieurs
parametres. Une-analyse du fonctionnement du pont montre en effet que
le signal de sortie s du microdebitmetre peut etre represente par une
fonction du genre s ~ Ap(adR/R + ss
Dans cette formule, A designe l'amplitude des variations. de debit, p
la pression d'alimentation pneumatique,
R et bR les composantes continue et variable de la perte de charge,C
et dC un parametre representatif de l'etat des enceintes et ses
variations, a et ss des coefficients de proportionnalite.
On voit que le pont constitue ainsi un veritable organe de calcul
permettant d'effectuer une operation d'addition des effets de deux
parametres concernant l'un les enceintes, l'autre les organes de perte
de charge.
Il peut egalement effectuer une operation de multiplication prenant en
compte les effets de deux parametres interessant l'un les branches,
l'autre l'alimentation.
Dans une application particuliere de l'invention, le pont est destine
a mesurer la difference entre la temperature de l'une des enceintes,
qui constitue enceinte de reference a temperature constante, et
l'autre enceinte concue de facon a etre en equilibre de temperature
avec le gaz qu'elle contient. Dans ce cas, l'enceinte de reference et
les organes de perte de charge sont avantageusement maintenus a la
meme temperature, eventuellement par un circuit thermostatique commun.
Dans une autre application de l'invention, on maintient les deux
enceintes dans le meme etat et on mesure les differences de
temperature entre un des organes de perte de charge, a temperature
constante, et l'autre organe de perte de charge qui joue le role de
capteur de temperature.Dans ce cas, les variations de la viscosite du
gaz en fonction de la temperature dans l'organe de perte de charge
permettront d'obtenir un signal de sortie.
L'invention sera mieux comprise a la lecture de la description qui
suit d'un mode particulier de realisation de l'invention et d'une
variante, donnes a titre d'exemples non limitatifs. La description se
refere aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels
- la figure 1 est un schema de principe faisant apparaitre les
composants essentiels d'un pont suivant l'invention
- la figure 2 est un schema montrant la constitution d'un pont
pneumatique de mesure suivant un premier mode de realisation de
l'invention
- la figure 3 montre une fraction d'un pont pneumatique suivant un
second mode de realisation, appartenant a une installation de mesure
de temperature.
Dans sa constitution de principe montree en figure 1, le pont
pneumatique de mesure comprend deux branches dont chacune comporte1 en
serie, un organe de perte de charge 37 ou38 et une enceinte 14 ou 12.
En general, les deux enceintes seront pratiquement identiques,
notamment du point de vue forme et volume, ainsi que les organes de
perte de charge prevus pour que l'ecoulement du gaz y soit laminaire.
Les deux branches sont alimentees, en parallele et de facon identique,
par des moyens d'alimentation 33 qui font passer, dans les parties
terminales des branches, un debit periodique alternatif, de forme
approximativement sinusodale. Les moyens d'alimentation 33 ont ete
representes munis d'une entree 32 permettant d'ajuster la pression p
qui regne dans le pont.
Entre les enceintes 12 et 14, ou entre les conduites 40 et 41 qui les
relient aux organes de perte de charge 38 et 37, est placee une
conduite de communication sur laquelle est interpose un
microdebitmetre 43 qui fournit un signal de sortie s. Ce
microdebitmetre est d'un type parcouru en fonctionnement par un debit
suffisamment faible pour ne pas modifier -sensiblement la pression qui
regne dans les enceintes 12 et 14.
Lorsque, par exemple, le pont est destine a suivre les variations de
temperature imposees par l'enceinte 12 au gaz qu'elle contient,
l'ensemble de l'enceinte 14 et des organes de perte de charge 37 et 38
peut etre maintenus a temperature constante a l'aide d'un meme
thermostat 39. On peut toutefois aussi bien utiliser deux thermostats
differents, l'un pour maintenir l'enceinte 14 a temperature constante,
l'autre pour maintenir les organes de perte de charge 37 et 38 a la
meme temperature.
Le pont pneumatique montre en figure 2, ou les organes correspondant a
ceux de la figure 1 portent le meme numero de reference, constitue un
mode particulier de realisation destine a effectuer une mesure
differentielle entre les enceintes 12 et 14, occupees par un meme gaz
que l'on supposera etre de l'air.
Le pont de mesure comprend une -alimentation en gaz des enceintes 12
et 14, sous un debit periodique alternatif-. Dans le mode de
realisation montre en figure 2, ce debit est cree par dilatation
thermique pulsee. Les -moyens de pulsation thermique comportent un
reservoir33 qui communique avec le pont et dans lequel est placee une
resistance chauffante 34 associee a une alimentation electrique 35
fournissant des creneaux de courant. Un ventilateur -36 a
fonctionnement permanent, place dans le reservoir 33 a proximite de la
sortie de celui-ci, maintient un ecoulement d'air permanent sur la
resistance 34 de facon a provoquer des variations de pression
periodiques alternatives, qui sont en pratique approximativement
sinusoEdales.
Le pont pneumatique proprement dit comporte deux elements de perte de
charge 37 et 38 alimentes en parallele par le reservoir 33 et
respectivement places en serie avec les enceintes 12 et 14.
Ces elements de perte de charge doivent etre de dimensions telles que
l'ecoulement y soit capillaire et donc que la perte de charge soit une
fonction sensiblement lineaire de la vitesse moyenne de l'ecoulement.
Dans ce but, on peut constituer les elements de perte de charge par
des blocs perces de plusieurs conduits en parallele, de diametre tel
que l'ecoulement y soit laminaire pour le gaz considere et les
vitesses de circulation lors du fonctionnement.
Dans le cas illustre en figure 2, ou les moyens de pulsation utilisent
une source thermique, la frequence des oscillations pourra
difficilement etre d'un ordre de grandeur superieur a l'Hertz, du fait
de l'inertie de la resistance 34. Dans ce cas, on pourra constituer
les elements de perte de charge par des barreaux ayant une longueur de
l'ordre du centimetre et perces de quelques trous de 0,2 mm de
diametre.
Pour que les pertes de charge subies par le gaz a la traversee des
elements 37 et 38 soient bien determinees et constantes, la
temperature de ces elements et du gaz qui les traverse doit etre
egalement constante. Dans ce but, les elements 37 et 38 sont places
dans une enceinte 39 occupee par un liquide dont la temperature est
maintenue constante, par exemple par un circuit thermostatique
comprenant une pompe 18 et un thermostat 19.
Une telle disposition permet d'obtenir une surpression moyenne de
l'ordre du tiers de la pression atmospherique, avec une modulation de
pression dont l'amplitude est de quelques dizaines de mbars.
Les elements de perte de charge 37 et 38 sont avantageusement aussi
identiques que possible. De meme, il sera generalement preferable de
donner aux enceintes 12 et 14 le meme volume. Dans ces conditions, les
tubulures 40 et 41 qui relient les elements de perte de charge aux
enceintes sont a la meme pression lorsqu'aucun desequilibre
n'intervient entre les branches du pont.
Un microdebitmetre 43 est place sur une conduite 42 qui relie les
points des deux branches situes, dans chaque branche, entre l'element
de perte de charge 40 ou 41 et l'enceinte 12 ou 14. Dans le mode de
realisation illustre sur la figure 2, ce microdebitmetre est du type
decrit dans le brevet FR 2 308 090. Ce microdebitmetre permet de
mesurer le debit qui parcourt la conduite 42, debit qui peut etre
suffisamment faible pour ne pas modifier de facon appreciable -la
pression differentielle entre les deux enceintes. Le microdebitmetre
comporte un capteur 44 dans lequel est menagee une chambre 45
interposee sur la conduite 42. Dans cette chambre est place un element
thermoresistant 46 de faible epaisseur, qui sera generalement un fil,
place dans un pont de mesure electrique 47.
Le pont 47 est alimente par un circuit 48 en impulsions electriques de
chauffage. A l'ecoulement continu dans la conduite 42 et la chambre
45, est superpose un ecoulement alternatif, a une frequence qui est
superieure d'au moins deux ordres de grandeur a la frequence des
pulsations de pression fournies par le reservoir 33 aux elements 37 et
38. Ces oscillations de pression peuvent etre realisees par une
membrane 49, dont la constitution peut etre celle d'une membrane
deihaut-parleur, excitee par une bobine a frequence constante. On peut
aisement donner a la bobine une frequence de vibration de l'ordre de
2000 Hz, qui est satisfaisante du point de vue du rapport avec la
frequence des pulsations thermiques d'alimentation du pont pneumatique
et du fonctionnement de la partie electrique du microdebitmetre 43.
Le microdebitmetre 43, dont on pourra trouver une description complete
dans le brevet FR 2 308 090, comporte, en plus du pont de'*'eatstcne
47 formant separateur et de l'alimentation 48, une chine d'excitation
de la membrane et de detection synchrone.
La channe d'excitation et de detection comporte un bloc oscillateur
50, formant base de temps, qui fournit un signal sinusoidal
d'excitation de la membrane sur une premiere sortie et un signal carre
de synchronisation, ayant la meme frequence et la meme phase que le
premier, sur une seconde sortie. Le signal de desequilibre du pont 47,
porte a un niveau suffisant pour le memoriser par un amplificateur non
represente, attaque deux blocs memoires 52 et 53. Un bloc de dephasage
51 fournit, en reponse a chaque creneau du signal carre provenant de
l'oscillateur 50, deux impulsions successives qui commandent l'une la
memoire 52, l'autre la memoire 53.Ces impulsions sont emises avec un
dephasage d1une-demi periode, pour provoquer l'une la memorisation du
signal correspondant a une vitesse maximale de balayage de l'element
thermoresistant, l'autre a une vitesse minimale. Les deux signaux
memorises en 52 et 53 sont appliques sur les entrees d'un
amplificateur differentiel 54 muni d'une porte analogique de sortie
(non representee) qui est ouverte lorsque les deux signaux sont
disponibles sur les entrees de l'amplificateur.
Le pont de }Meatstone 47 sera generalement alimente en permanence. II
est de constitution classique, l'element thermoresistant 46 occupant
une branche dlun pont. L'alimentation 48 attaque l'une des diagonales
du pont tandis que l'autre diagonale fournit les signaux de sortie. Un
tel dispositif permet aisement de mesurer des debits d'air a pression
atmospherique de l'ordre de 0,1 mm3/s.
Le pont pneumatique qui vient d'etre decrit trouve de nombreuses
applications. En particulier, il est utilisable pour mesurer la
difference entre les temperatures d'un meme gaz occupant les deux
enceintes 12 et 14. Dans ce cas, les enceintes auront avantageusement
le meme volume.
L'analyse theorique du fonctionnement fait apparaitre que, dans ce
cas, la difference de pression entre les enceintes est une fonction
sensiblement lineaire de la difference de temperature, aussi longtemps
que celle-ci reste faible devant la temperature absolue. L'anaLyse
theorique, confirmee par l'experience, montre que l'on arrive, avec
des enceintes ayant un volume de l'ordre de 40 cm3 a une sensibilite
de l'ordre de 100 mV/OC.
Le pont pneumatique suivant l'invention peut egalement etre utilise
pour mesurer la difference de pression entre les deux enceintes
occupees par un meme gaz.
Si l'une des enceintes a des dimensions stables tandis que l'autre est
soumise a l'action d'une force qui lui impose des variations de volume
proportionnelles a l'intensite de la force, on peut realiser ainsi une
installation de mesure de force de haute precision. Dans ce cas, il
sera necessaire de maintenir les deux enceintes a la meme temperature.
L'invention est susceptible de nombreuses variantes de realisation. La
figure 3 montre par exemple un pont pneumatique de mesure dans lequel
les elements de perte de charge 37 et 38 sont soumis a des variations
de pression sensiblement sinusoldales par un systeme a compression
mecanique comportant un cylindre 56 dans lequel une chambre 57 est
delimitee par une paroi mobile ou deformable 58. Dans le mode de
realisation represente, cette paroi est constituee par un piston qu'un
mecanisme, non represente, deplace d'un mouvementfalternatif
sinusoidal. Le cylindre 56 et les elements de perte de charge 37 et 38
sont plonges dans une enceinte 59 occupee par un fluide maintenu a
temperature constante par un circuit thermostatique 60. Le pont permet
de mesurer la difference de temperature entre l'enceinte de reference
12, maintenue a temperature constante par une enceinte calorifugee 61
occupee par un liquide qui.circule dans un circuit thermostatique 62
et l'enceinte de mesure 14.
De nombreuses autres variantes de realisation de l'invention sont
evidemment possibles et il doit etre entendu que la portee du-present
brevet s'etend a toutes celles de ces variantes qui restent dans le
cadre des equivalences.
Claims
_________________________________________________________________
Revendications
1. Pont pneumatique de mesure d'un parametre influant sur les
caracteristiques d'un gaz dans un element de pont, caracterise en ce
qu'il comprend deux branches constituees chacune par une enceinte (12
ou 14) et par un organe (38 ou 37) imposant au gaz qui le traverse une
perte de charge, qui varie avantageusement suivant une fonction
sensiblement lineaire du debit, une alimentation pneumatique (33)
alimentant les deux branches en parallele, a partir des organes de
perte de charge, et imposant aux branches un debit periodique
alternatif; et un debitmetre (43) de mesure du debit passant par une
conduite reliant les enceintes.
2. Pont pneumatique suivant la revendication 1, caracterise en ce que
les organes de perte de charge et les enceintes sont sensiblement
identiques dans les deux branches.
3. Pont pneumatique suivant la revendication 1 ou 2, caracterise en ce
que les organes de perte de charge (38, 37) sont constitues par des
barreaux perces de plusieurs trous de faible diametre.
4. Pont pneumatique suivant la revendication 1, 2 ou 3, destine a
mesurer la difference entre la temperature de l'une des enceintes, qui
constitue enceinte de reference a temperature constante, et l'autre
enceinte concue de facon a etre en equilibre de temperature avec le
gaz qu'elle contient, caracterise en ce que l'enceinte de reference et
les organes de perte de charge sont maintenus a temperature constante.
5. Pont pneumatique suivant la revendication 1, 2 ou 3, caracterise en
ce que les deux enceintes sont maintenues dans le meme etat et on
mesure 13 difference de temperature entre un des organes de perte de
charge, a temperature constante, et l'autre organe de perte de charge
qui joue le role de capteur de temperature.
6. Pont pneumatique suivant la revendication 1, 2 ou 3, caracterise en
ce que le pont est monte de facon a fournir un signal de sortie
representatif d'une fonction de plusieurs parametres dont au moins
deux appartiennent au groupe constitue par l'amplitude des variations
du debit periodique, la pression d'alimentation pneumatique, les
composantes continue et variable de la perte de charge imposee par
lesdits organes (38 ou 37), une valeur representative de l'etat des
enceintes et les variations de cette valeur.
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