FR2506932A1 - Electronic gas flowmeter e.g. for water treatment plant - has permanent magnet unitary with rotating element and Hall sensor giving periodic signal related of rotation speed - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention a pour objet un débimètre électronique du type comportant un élément rotatif, conçu pour faciliter la mesure du débit d'écoulement d'un fluide liquide ou gazeux, en particulier mais non exclusivement, dans les milieux explosifs ou corrosifs. The present invention relates to an electronic flow meter of the type comprising a rotary element, designed to facilitate the measurement of the flow rate of a liquid or gaseous fluid, in particular but not exclusively, in explosive or corrosive environments.
On sait que dans les débitmètres connus faisant appel à un élément rotatif tel qu'une hélice ou une turbine, monté en travers de la circulation d'un fluide dont on cherche à mesurer le débit,le débit de fluide est sensiblement proportionnel à la vitesse de rotation de l'élément rotatif, au glissement des nappes de fluide sur les pales de l'élémen près. Avec un étalonnage correct, la mesure du débit se ramè donc à une mesure de la vitesse de rotation de l'élément rotatif.Plusieurs techniques pour réaliser cette mesure ont déjà été proposées ; l'on peut citer
- les débitmètres à transmission mécanique, dans lesquels le mouvement de rotation de l'élément rotatif est transmis à un compte-tours par l'intermédiaire de pignons
- les débilmètres à transmission par induction électromagnétique, dans lesquels un inducteur solidaire de l'élément rotatif induit un flux dans un stator
- les débitmètres à transmission optoélectronique, dans lesquels des émetteurs lumineux sont solidaires de l'élément rotatif, des récepteurs coopérants étant fixés à l'intérieur de la canalisation.We know that in known flowmeters using a rotary element such as a propeller or a turbine, mounted across the flow of a fluid whose flow is sought to measure, the fluid flow is substantially proportional to the speed of rotation of the rotary element, to the sliding of the layers of fluid on the blades of the element close. With correct calibration, the measurement of the flow therefore boils down to a measurement of the speed of rotation of the rotary element. Several techniques for carrying out this measurement have already been proposed; we can quote
- flowmeters with mechanical transmission, in which the rotational movement of the rotary element is transmitted to a tachometer via pinions
- flow meters with electromagnetic induction transmission, in which an inductor integral with the rotary element induces a flow in a stator
- optoelectronic transmission flowmeters, in which light emitters are integral with the rotary element, cooperating receivers being fixed inside the pipeline.
Ces débimètres connus présentent des inconvénients qui interdisent un fonctionnement convenable dans des fluide' explosifs et/ou corrosifs. Ils soulèvent principalement, des problèmes d'encrassement, d'encombrement et de sécurité. These known flow meters have drawbacks which prohibit proper operation in explosive and / or corrosive fluids. They mainly raise problems of fouling, space and safety.
Lorsque la transmission du mouvement est mécanique, les organes de transmission se corrodent rapidement et il est bien entendu difficile d'assurer une lubrification nécessaire à un fonctionnement précis.When the transmission of the movement is mechanical, the transmission members corrode quickly and it is of course difficult to provide the lubrication necessary for precise operation.
Les déb9nètres électromagnétiques travaillant en courant alternatif sont sujets aux parasites, et l'obligation de blinder les bobinages électriques accroit leur poids et leur encombrement. De plus, les courants induits sont faibles, de sorte qu'une amplification de puissance est nécessaire. Enfir toute transmission magnétique emprunte de l'énergie à l'élément rotatif, ce qui influe défavorablement sur la précision de la mesure, surtout dans le cas de faibles débits. Pour ce qui est des débitmètres à transmission par voie optoélectronique, les cellules émettrices ou réceptrices sont sujettes à un encrassement qui altère rapidement leurs caractéristiques de transmission et, d'autre part, leur alimentation pose des problèmes de sécurité en atmosphère explosive quand leur alimentation est effectuée in situ, ou des problèmes d'amplification dans le cas contraire.Electromagnetic deb9neters working in alternating current are subject to noise, and the obligation to shield the electrical windings increases their weight and size. In addition, the induced currents are low, so that power amplification is necessary. Finally, any magnetic transmission borrows energy from the rotary element, which adversely affects the accuracy of the measurement, especially in the case of low flow rates. With regard to optoelectronic transmission flowmeters, the transmitting or receiving cells are subject to fouling which rapidly alters their transmission characteristics and, on the other hand, their supply poses safety problems in an explosive atmosphere when their supply is performed in situ, or amplification problems otherwise.
La présente invention pallie ces inconvénients grace à un débitmètre à élément rotatif et à transmission électronique, d'un fonctionnement précis et fiable, permettant la mesure de débits de fluides quelconques et répondant en particulier aux normes de sécurité intrinsèque imposées aux débitmètres destinés à fonctionner en atmosphère corrosive ou explosive. The present invention overcomes these drawbacks by virtue of a flowmeter with rotary element and electronic transmission, of precise and reliable operation, allowing the measurement of any fluid flow rates and meeting in particular the intrinsic safety standards imposed on flowmeters intended to operate in corrosive or explosive atmosphere.
L'invention a ainsi pour objet un débitmètre à élément rotatif caractérisé en ce qu'il comporte un aimant permanent solidaire de l'élément rotatif, un capteur à effet Hall disposé pour etre sensible au champ magnétique créé par l'aimant et fournir ainsi un signal de sortie périodique de fréquence correspondant à la vitesse de rotation de l'aimant. The subject of the invention is therefore a flowmeter with a rotary element characterized in that it comprises a permanent magnet secured to the rotary element, a Hall effect sensor arranged to be sensitive to the magnetic field created by the magnet and thus provide a periodic frequency output signal corresponding to the speed of rotation of the magnet.
De préférence, le capteur est un débitmètre, caractérisé en ce que le capteur est inclus dans un circuit intégré délivrant des impulsions à ladite fréquence dans le signal de sortie du capteur. Ceci a en outre l'avantage de faciliter l'obtention d'une indication du débit directement en forme numérique, par comptage des impulsions présentes dans le signal de sortie du capteur. Preferably, the sensor is a flow meter, characterized in that the sensor is included in an integrated circuit delivering pulses at said frequency in the output signal of the sensor. This also has the advantage of making it possible to obtain an indication of the flow rate directly in digital form, by counting the pulses present in the output signal of the sensor.
En pratique, l'élément rotatif comporte en général un arbre dans l'axe d'une partie d'entrainement en forme d'hélice ou de turbine notamment, et l'aimant est monté perpendiculairement sur l'arbre. Un tel élément est en général monté rotatif dans des paliers portant l'arbre à l'intérieur d'un tronçon de canalisation destiné à guider la circulation du fluide dont on cherche à mesurer le débit, l'arbre étant disposé longitudinalement selon l'axe de la canalisation et la partie d'entrainement en travers de la circulation. Le capteur à effet Hall est alors avantageuse ment monté sur la face interne de la canalisation, au même niveau de coupe transversale que l'aimant, tandis qu'il est connecté électriquement à un dispositif extérieur à la canalisation comprenant les circuits d'alimentation et de traite ment électronique du signal de sortie. In practice, the rotary element generally comprises a shaft in the axis of a drive part in the form of a propeller or turbine in particular, and the magnet is mounted perpendicularly on the shaft. Such an element is generally rotatably mounted in bearings carrying the shaft inside a section of pipeline intended to guide the circulation of the fluid whose flow rate is sought, the shaft being disposed longitudinally along the axis of the pipeline and the drive part across the traffic. The Hall effect sensor is then advantageously mounted on the internal face of the pipeline, at the same level of cross section as the magnet, while it is electrically connected to a device external to the pipeline comprising the supply circuits and electronic processing of the output signal.
Ainsi conçu, le débitmètre selon l'invention présente une très grande sécurité de fonctionnement, même pour un fluide encrassant ou corrosif, et l'on ne risque pas qu'une étincelle électrique y provoque une explosion. De plus, il est de faible encombrement, et comme le capteur à effet Hall ne demande qu'un courant très faible, en courant continu, la consommation énergétique est modique. L'ensemble avec les circuits électroniques de traitement du signal, se prête bien à une alimentation par piles. Thus designed, the flow meter according to the invention has very high operating safety, even for a fouling or corrosive fluid, and there is no risk that an electrical spark will cause an explosion. In addition, it is compact, and since the Hall effect sensor requires only a very low current, in direct current, the energy consumption is low. The assembly with the electronic signal processing circuits, lends itself well to a battery supply.
La transmission de l'information "vitesse de rotation" de l'élément rotatif, proportionnelle au débit, est réalisée par voie électronique, la variation du champ magnétique engendré par l'aimant provoquant dans le capteur une variation de la résistance d'un élément sensible à semiconducteur qui se traduit dans le signal de sortie. La varia tion se produit à chaque tour de l'aimant, donc de la partie d'entrainement de l'élément rotatif, de telle sorte que le ou/ capteur fournit un signal périodique/impulsionnel dont la fréquence est égale à la vitesse de rotation de l'élément tournant (en nombres de tours par unité de temps), et donc proportionnelle au débit.Le signal de sortie du capteur à effet Hall peut être traité en mode analogique pour afficher le résultat des mesures par un appareil à indicateur mobile devant une échelle préalablement étalonnée, en combinaison ou non avec un traitement directement numérique où ledit signal de sortie est appliqué à l'entrée d'un circuit de comptage de ses impulsions, comportant avantageusement un diviseur de fréquence programmable, dont le taux de division peut être réglé en fonction de la relation préexistante entre la fréquence des impulsions dans le signal et un 3 débit unitaire arbitraire (1 m /h par exemple) et un compte des débits cumulés. The transmission of the "rotational speed" information of the rotary element, proportional to the flow rate, is carried out electronically, the variation of the magnetic field generated by the magnet causing in the sensor a variation of the resistance of an element. sensitive to semiconductor which results in the output signal. The variation occurs at each turn of the magnet, therefore of the drive part of the rotary element, so that the or / sensor provides a periodic / pulse signal whose frequency is equal to the speed of rotation of the rotating element (in number of revolutions per unit of time), and therefore proportional to the flow rate.The output signal from the Hall effect sensor can be processed in analog mode to display the measurement results by a device with a mobile indicator in front a scale previously calibrated, in combination or not with a directly digital processing where said output signal is applied to the input of a circuit for counting its pulses, advantageously comprising a programmable frequency divider, the division rate of which can be set according to the preexisting relationship between the frequency of the pulses in the signal and an arbitrary 3 unit flow (1 m / h for example) and a cumulative flow count.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la description qui va suivre d'un mode particulier de réalisation, donné uniquement à titre d'exemple non limitatif, en regard des figures qui représentent
- la figure 1 un schéma d'un débitmètre à capteur à effet Hall selon l'invention
- la figure 2, un schéma électrique de montage du capteur à effet Hall
- la figure 3, un schéma électrique d'un circuit de mesure analogique du débit instantané
- la figure 4, un schéma électrique d'un circuit de comptage totalisateur de débit.Other characteristics and advantages of the invention will appear during the description which follows of a particular embodiment, given solely by way of nonlimiting example, with reference to the figures which represent
- Figure 1 a diagram of a Hall effect sensor flow meter according to the invention
- Figure 2, an electrical diagram for mounting the Hall effect sensor
- Figure 3, an electrical diagram of an analog measurement circuit of the instantaneous flow
- Figure 4, an electrical diagram of a flow totalizer counting circuit.
Sur la figure 1, le débitmètre, monté dans une canalisation C, comprend une hélice 1, disposée perpendiculairement au sens d'écoulement du fluide, symbolisé par la flèche F, 'dont on veut mesurer le débit. Cette hélice est entrainée en rotation par le fluide, en meme temps qu'un arbre 2, qui est solidaire de l'hélice selon son axe et monté sur paliers dans la canalisation, et sur lequel est fixé radialement un aimant permanent 3. La vitesse de rotation de l'ensemble est directement proportionnelle au débit du fluide. Un circuit intégré formant capteur à effet Hall 4, moulé dans une matière électriquement neutre et isolante, est fixé sur le même support que les paliers l'arbre 2, au voisinage de la trajectoire de rotation de l'aimant 3. Ainsi, les pôles de l'aimant 3 se présentent successivement devant le capteur Hall 4.Ce capteur comprend, comme en soi connu,un élément sensible au champ magnétique qui consiste en une plaquette de matériau semiconducteur excitée en courant continu et dont on détecte les variations de résistance sous l'effet du champ magnétique, dans un signal qui est appliqué à la base d'un transistor amplificateur traduisant ces variations sous forme d'impulsions dans le signal de sortie. Un tel capteur en circuit intégré peut être, par exemple, du type commercialisé sous la référence "TL 170C" par la Société TEXAS INSTRUMENTS. Dans ce cas particulier, le passage des pâles de l'aimant 3 provoque l'apparition sur la borne de sortie1 dru capteur d'impulsions dont l'amplitude est de 5 volts. In Figure 1, the flow meter, mounted in a pipe C, comprises a propeller 1, arranged perpendicular to the direction of flow of the fluid, symbolized by the arrow F, 'whose flow is to be measured. This propeller is driven in rotation by the fluid, at the same time as a shaft 2, which is integral with the propeller along its axis and mounted on bearings in the pipeline, and on which a permanent magnet is fixed radially 3. The speed of rotation of the assembly is directly proportional to the fluid flow. An integrated circuit forming a Hall effect sensor 4, molded from an electrically neutral and insulating material, is fixed on the same support as the bearings the shaft 2, in the vicinity of the rotation path of the magnet 3. Thus, the poles of the magnet 3 are presented successively in front of the Hall sensor 4. This sensor comprises, as known per se, an element sensitive to the magnetic field which consists of a wafer of semiconductor material excited in direct current and the resistance variations of which are detected under the effect of the magnetic field, in a signal which is applied to the base of an amplifier transistor translating these variations in the form of pulses in the output signal. Such an integrated circuit sensor can be, for example, of the type sold under the reference "TL 170C" by the company TEXAS INSTRUMENTS. In this particular case, the passage of the blades of the magnet 3 causes the appearance on the output terminal 1 of a pulse sensor whose amplitude is 5 volts.
Un aimant permanent 3 de petites dimensionsneperturbe pas d'une manière sensible l'écoulement du fluide. A permanent magnet 3 of small dimensions does not significantly disturb the flow of the fluid.
Toutefois, il est bien entendu possible de l'intégrer dans l'hélice ou dans la turbine elle-même. I1 est constitué sous forme d'un barreau cylindrique allongé, de sorte que la distance entre: les pôles de l'aimant et le capteur soit relativement faible. Le capteur 4 est connecté électriquement, à travers la paroi de la canalisation, à un circuit 5 d'alimentation et de traitement électronique du signal du capteur, qui sera décrit ci-dessous en regard des figures 2, 3 et 4.However, it is of course possible to integrate it into the propeller or into the turbine itself. I1 is formed in the form of an elongated cylindrical bar, so that the distance between: the poles of the magnet and the sensor is relatively small. The sensor 4 is electrically connected, through the wall of the pipe, to a circuit 5 for supplying and electronic processing of the signal from the sensor, which will be described below with reference to FIGS. 2, 3 and 4.
Sur la figure 2, le capteur 4 est alimenté par une source de tension stabilisée 21, par exemple de 24 volts, à travers une résistance ballast 8, une diode Zener 6 étant branchée en parallèle sur la source 21 avec un condensateur de filtrage polarisé 7. Une tension continue, stabilisée et filtrée, est ainsi disponible aux bornes de la diode 6, et cette tension peut servir à l'alimentation d'un certain nombre de circuits C-MOS qui seront décrits par la suite. In FIG. 2, the sensor 4 is supplied by a stabilized voltage source 21, for example of 24 volts, through a ballast resistor 8, a Zener diode 6 being connected in parallel to the source 21 with a polarized filtering capacitor 7 A DC voltage, stabilized and filtered, is thus available across the diode 6, and this voltage can be used to supply a certain number of C-MOS circuits which will be described later.
Le signal de sortie du capteur 4 est acheminé sur deux bornes 30 et 40 connectées respectivement à un circuit de mesure du débit instantané et à un circuit compteur des débits cumulés par totalisation des impulsions.The output signal from the sensor 4 is routed on two terminals 30 and 40 connected respectively to a circuit for measuring the instantaneous flow rate and to a circuit for counting the flows accumulated by totaling the pulses.
La figure 3 représente le circuit de mesure instantanée du débit par un galvanomètre 11, préalablement étalonné. Le signal d'entrée de la borne 30 est acheminé sur un convertisseur fréquence-courant 12 de type C-MOS, tel que celui désigné dans le commerce sous la référence LM 2917. FIG. 3 represents the instantaneous flow measurement circuit by a galvanometer 11, previously calibrated. The input signal from terminal 30 is routed on a frequency-current converter 12 of the C-MOS type, such as that designated commercially under the reference LM 2917.
Les polarisations désirées sont obtenues à ltentrée par une résistance 22 en dérivation, et d'autre part, par deux ponts diviseurs 9 et 10, équipés de potentiomètres de réglage, qui permettent d'obtenir l'ajustement du 0S et du 100%, valeurs qui correspondent respectivement, par exemple, à 4 et 20mA. The desired polarizations are obtained at the input by a resistor 22 in shunt, and on the other hand, by two dividing bridges 9 and 10, equipped with adjustment potentiometers, which make it possible to obtain the adjustment of 0S and 100%, values which correspond, for example, to 4 and 20mA respectively.
Le galvanomètre 11 peut être gradué directement en unités de débit ou être remplacé par tout dispositif d'affichage, à d'iodes ou à cristaux liquides.The galvanometer 11 can be graduated directly in flow units or be replaced by any display device, using iodine or liquid crystal.
La figure 4 représente le circuit totalisateur, permettant de connaitre les débits cumulés. I1 a pour objet de compter le nombre d'impulsions, qui correspond à un nombre de rotations de hélice, et par suite à l'écoulement d'un volume déterminé de fluide. Le signal appliqué sur la borne 40 est le signal de sortie du capteur 4. Les commutations du capteur 4 sont très rapides. C'est pourquoi, une division de fréquence est réalisée dans les étages 13 et 14, constitués par des diviseurs programmables à 8 bits du type
CD 40103B, par exemple. Le signal d'entrée est par ailleurs limité en courant grace à une résistance en série 23, et ses oscillations sont amorties par des condensateurs non représentés.Le facteur de division des deux étages 13 et 14, en fonction de la relation entre débit et vitesse de rotation (connue par construction ou déterminée par étalonnage),de sorte qu'à la sortie du diviseur 14, on obtienne une impulsion par unité de volume, le volume unitaire étant arbitraire, par exemple lm3. Ces impulsions sont négatives et elles sont trop brèves pour commander un relais. Aussi, le diviseur 14 est suivi par un monostable 15 qui fixe, par un circuit RC, la constante de temps à environ deux secondes, ce qui permet de commander un transistor de sortie 17 dans le circuit collecteur duquel est branché un relais 18 qui lui-meme commande un compteur 19, ce dernier compte donc le nombre des unités de volume débitées.La base du transistor 17 est connectée à la sortie du monostablel5 parune résistance 16 et le relais 18 est par exemple un relais REED à mercure.FIG. 4 represents the totalizing circuit, making it possible to know the accumulated flow rates. Its purpose is to count the number of pulses, which corresponds to a number of propeller rotations, and consequently the flow of a determined volume of fluid. The signal applied to terminal 40 is the output signal from sensor 4. The switches from sensor 4 are very fast. This is why a frequency division is carried out in stages 13 and 14, constituted by programmable 8-bit dividers of the type
CD 40103B, for example. The input signal is also limited in current thanks to a series resistor 23, and its oscillations are damped by capacitors not shown. The division factor of the two stages 13 and 14, depending on the relationship between flow and speed of rotation (known by construction or determined by calibration), so that at the output of the divider 14, one pulse is obtained per unit of volume, the unit volume being arbitrary, for example lm3. These pulses are negative and they are too short to command a relay. Also, the divider 14 is followed by a monostable 15 which fixes, by an RC circuit, the time constant at approximately two seconds, which makes it possible to control an output transistor 17 in the collector circuit of which is connected a relay 18 which - even controls a counter 19, the latter therefore counts the number of volume units delivered. The base of transistor 17 is connected to the output of monostablel5 by a resistor 16 and relay 18 is for example a REED mercury relay.
Dans une application particulière, à partir d'un débitmètre à hélice, on a réalisé un appareil selon l'invention pour mesurer le débit des gaz provenant de la digestion des boues dans une station de traitement des eaux. On a monté sur l'arbre de l'hélice et radialement à celui-ci un aimant miniature cylindrique de 3mm de diamètre et de 10 mm de longueur. On a disposé, à l'intérieur de la canalisation un circuit intégré formant capteur à effet Hall de sorte que ce capteur soit à 5 mm de la trajectoire des pôles de l'aimant. In a particular application, using a propeller flow meter, an apparatus according to the invention has been produced for measuring the flow of gases from the digestion of sludge in a water treatment station. A miniature cylindrical magnet 3mm in diameter and 10mm in length was mounted on the propeller shaft and radially to it. An integrated circuit forming a Hall effect sensor has been placed inside the pipeline so that this sensor is 5 mm from the path of the magnet poles.
3
Lorsque le débit de gaz est de 1 000 m / h (en volume réel, pertes de charge comprises) la turbine tourne à 8 800 t/mn.3
When the gas flow rate is 1,000 m / h (in real volume, including pressure drops) the turbine rotates at 8,800 rpm.
Dans ces conditions, le capteur Hall émet 533 impulsions
3 par m . Les impulsions sont acheminées sur des diviseurs réglés pour diviser la fréquence par 41, puis par 13, afin d'obtenir finalement une impulsion à la sortie des diviseurs pour 533 impulsions du capteur 4. Ce sont donc des impulsions au rythme d'une impulsion pour lm qui sont enregistrées dans le compteur 19, lequel indique donc un volume en nombre de mètres cubes. La mesure du débit instantané est obtenue à partir du même signal de sortie du capteur par une conversion fréquence-courant faisant appel à un circuit C-MOS.Under these conditions, the Hall sensor emits 533 pulses
3 per m. The pulses are routed on dividers set to divide the frequency by 41, then by 13, in order to finally obtain a pulse at the output of the dividers for 533 pulses from sensor 4. These are therefore pulses at the rate of a pulse for lm which are recorded in the counter 19, which therefore indicates a volume in number of cubic meters. The instantaneous flow measurement is obtained from the same sensor output signal by frequency-current conversion using a C-MOS circuit.
Il serait bien entendu possible d'utiliser les mesures instantanées pour obtenir par une intégration le débit cumulé du fluide dans la canalisation.It would of course be possible to use instantaneous measurements to obtain, by integration, the cumulative flow rate of the fluid in the pipeline.
De nombreuses variantes peuvent être introduites, notamment par substitution de moyens techniques équivalents, sans sortir pour cela du cadre de la présente invention. Many variants can be introduced, in particular by substitution of equivalent technical means, without departing from the scope of the present invention.
Claims (7)
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| FR8110484A FR2506932A1 (en) | 1981-05-26 | 1981-05-26 | Electronic gas flowmeter e.g. for water treatment plant - has permanent magnet unitary with rotating element and Hall sensor giving periodic signal related of rotation speed |
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| FR8110484A FR2506932A1 (en) | 1981-05-26 | 1981-05-26 | Electronic gas flowmeter e.g. for water treatment plant - has permanent magnet unitary with rotating element and Hall sensor giving periodic signal related of rotation speed |
Publications (2)
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ID=9258921
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