Brevet FR2183179A1 — publié le 19731214

La présente invention concerne un prooédé et un appareil pour mesurer la vitesse d'écoulement d'un fluide à l'intérieur d'un tuyau. Pendant le fonctionnement d'équipements de traitement chimique et d'autres systèmes, il est souvent d'une grande importance de déter miner aveo précision la vitesse dléooulement des fluides dans les tuyaux ou canalisations du système. Dans oertains systèmes, la nature des fluides et le nombre de canalisations renient indésirables la mesure direote en utilisant un instrument situé à l'intérieur de la canalisation Dans le cas d'équipements utilisant de l'acide sulfhydrique ou d'autres fluides corrosifs et dans lesquels les it5ses d'écoulament sont déterminées en utilisant des instruments intérieurs, les problèmes poses par la corrosion sont tels que la sûreté le fonctionnement de l'irstru- ment est réduite et qu'un travail et des frais considérables sont nécessaires pour maintenir l'instrument en bn etat de marches. Dans le cas des équipements précités, tels que les usines pour la production d'eau lourde dont l'arrêt et le démarrage sont larticulièrement difficiles, l'arr8t d'une partie ou de la totalité de ltusine pour l'entretien des instruments montés dans les canalisation peut représenter des frais importants.Dans d'autres cas, quand les liquides très coûteux sont oontrslée, par exemple dans le cas de l'eau lourde d'un réacteur nucléaire du type Candu, la valeur dtinventaire du liquide supplémentaire nécessaire en utilisant un débitmètre classique à venturi et une section d'éooulement en amont longue associée, peut être supérieure aux frais résultant de l'utilisation d'un débitmètre selon la présente invention. Certains efforts ont déja été faits pour mesurer la vitesse d'écoulement d'un fluide à l'intérieur de la canalisation à partir de l'extérieur. Différents systèmes ont été essayés, par exemple en utilisant une paire de transducteurs ultrasoniques appliqués sur la surface extérieure de la canalisation et espacés le long de la canalisation, chacun émettant un faisceau d'ultrasons transversalement à la canalisation vers un récepteur correspondant placé sur le o8té opposé. Une atténuation des signaux reçus a lieu à chacun des deux postes en raison de !tltopacité" du fluide.Dans le cas d'eau sale, de liquidss contenant une matière sous la force d'une seoonde phase, par exemple des bulles de gaz, e-t de oertaines suspensions, l'atténuation provoque une modulation d'amplitude des signaux, de sorte que les deux signaux sortants peuvent être utilement appliqués à un intercorrélateur en utilisant des techniques déjà établies dtinteroorrélation. Cela permet l'identification des perturbations au hasard de la concentration de la seconde phase à leur passage aux deux postes, ce qui permet de mesurer le temps de passage d'une perturbation entre les deux postes espacés.Comme la distance entre les postes peut entre déterminée, la vitesse d'écoulement est obtenue facilement. Cette combinaison antérieure a des inconvénients, du fait qu'elle est basée sur l'atténuation des signaux dirigés transversalement et que, par suite, elle ne peut être utilisée qu'avec des fluides provoquant par atténuation la modulation des faisoeaux. Une autre combinaison décrite dans le brevet anglais n0l 235856 oonoerne la mesure de la vitesse d'écoulement de fluides contenant des matières en particules. Cet arrangement est aussi basé sur la technique dtintercorrélat.ion indiquée oi-dessus, le phénomène non constant utilisé pour détecter les perturbations de conventration étant la capacité éleotrique du fluide, qui dépend de la teneur en articules du fluide. D'autres combinaisons décrites dans las brevets des Etats-Unis d'Amérique nO 3 237 4532 3 282 101 et 3 329 017 utilisent l'interaction de la vitesse du fluide avec la vitesse de propagation du son dans les fluides pour déterminer la vitesse d'écoulement du fluide en utilisant des ultrasons. Aveo cette combinaison, une impulsion d'ultrasons est passée en diagonale à travers le fluide circulant dans la canalisation et le temps de transit est mesuré pour être comparé au temps de transit nécessaire pour le parcours dtun trajet similaire en relation d'écoulement opposé par rapport au fluide de la canalisation.Dans une direction, la vitesse du fluide réduit le temps de transit et dans la direction opposée, la vitesse du fluide augmente le, temps de transit. La vitesse diamétralemoyenne du fluide le long de la canalisation peut être obtenue d'après la différence des temps de transit. Cette combinaison a l'inoon- vénient particulier que les ondes ultrasonores doivent être lancées obliquement dans le fluide à partir de l'extérieur de la canalisation ou, en variante, que la paroi du tuyau doit être traversée pour positionner et pour placer des transducteurs en contact aveo le liquide circulant. Une autre difficulté résulte du fait que la vitesse du fluide est normalement faible par rapport à la vitesse de propagation du son dans le fluide.De ce fait, les variations du temps de transit sont seulement faibles. La précision et la stabilité de l'instrument sont limitées par son aptitude à détecter et à mesurer ces variations faibles. Il a été trouvé gle,quand une canalisation conduit un fluide, il apparat dans le fluide des conditions qui provoquent des variations momentanées de la vitesse de propagation des ultrasons, Ces conditions peuvent etre des variations locales de la température, de la composition ou de la concentration des constituants gazeux ou solides en suspension provoquant des changements de la vitesse de propagation du fait des variations de la densité et/ou de la compressibilité. Un autre mécanisme pouvant provoquer des variations similaires de la vitesse de propagation est la présence de tourbillons dans le fluide homogène, aveo des composantes transversales au courant de la vitesse. Ces composantes, en augmentant ou en retardant la vitesse de propagation des ultrasons provoquent des variations de la vitesse de propagation transversale ets par suite, des variations pouvant être détectées de la phase ou de la fréquence des signaux reçus. Ainsi, l'écoulement des fluides de la plupart des types dans une canalisation est accompagné d'anomalies d'écoulement. La présence de ces anomalies peut être détectée d'après les variations de la vitesse de propagation des vibrations ultrasonores.Cette variation peut êtr6 mesurée dans la direction transversale au courant en deux emplacements espacés dans la direction prin oipale d'écoulement du courant, et les caractéristiques de variation de la vitesse de propagation peuvent être er.voyées à un corrélateur d'intercorrélation pour permettre la mesure du temps de passage d'une anomalie entre les deux emplacements. La vitesse de la variation de la propagation peut étre détectée en utilisant des détecteurs sensibles à la phase ou à la fréquence aux deux emplacements. Un détecteur convenable est décrit dans la demande de brevet français déposée ce jour au nom de la Demanderesse pour procédé et appareil pour produire un signal sortant par démodulation synchronisée". La présente invention a pour objet un procédé pour déterminer la vitesse d'écoulement d'un fluide dans une canalisation en contrôlant les différencss de condi-tions dans le fluide provoquant les variations momentanées de la vitesse de propagation d'ultrasons, en observant oes variations en deux emplacements espacés axialement par rapport à la direction a'éooulement du fluide dans la canalisation, et en établissant un retard de temps pouvant être déterminé pour le signal reçu du poste amont pour obtenir le degré maximal de corrélation entre les signaux contrôlés, afin que le temps écoulé nécessaire pour le passage de l'anomalie de propagation identifiée axialement entre les emplacements ou postes d'observation soit la valeur de retard dans le temps assurant la corrélation optimale. L'invention a aussi pour objet un procédé pour mesurer la vitesse d'écoulement d'un fluide dans une canalisation, la mesure étant effectuée à travers la paroi de la canalisation en utilisant deux ou plus de deux transducteurs émetteurs d'ultrasons situés à l'extérieur le long de la canalisation, chacun associé à un transducteur récepteur espacé pour recevoir le faisceau d'ultrasons respectif du transducteur émetteur correspondant, le passage des anomalies de la transmission dans le fluide étant détecté en utilisant une technique permettant de déterminer les variations de la vitesse de transmission aux récepteurs respectifs provoquées par les anomalies dans ie courant pour permettre la mesure du temps de passage d'une anomalie passant entre le faisceaux espacés.Plus de deux paires de transdioteurs peuvent aussi être utilisées pour perne.ttre des véM.fications de recoupement sur certaines caractéris tiaues physiques de la combinaison, entre des paires sélectionnées de transducteurs. L'invention a aussi pour objet un procédé pour la mesure des variations de la vitesse de propagation transversalement au courant par détection des variations de la fréquence ou de la phase à un récepteur. L'invention a aussi pour objet un appareil de mesure pour mesurer à travers la paroi d'un conduit la vitesse d'écoulement du fluide à l'intérieur du conduit,. indépendamment de l'opacité sonique du fluide et de la présence de mati e ras solides ou gazeuses en suspension dans le fluide, l'appareil comportant une paire de transducteurs émetteurs d'ultrasons montés à ltextérieur du conduit, ces transducteurs étant espacés dans la direction axiale du conduit, une paire de transducteurs récepteurs montés sur le conduit, chacun en face du transducteur émetteur correspondant, des dispositifs d'excitation pour exciter les transducteurs émetteurs pour la production de faisceaux d'ultrasons transversalement au conduit, quand les transducteurs sont montés sur les conduits, un dispositif comparateur d'intercorrélation pour identifier la corrélation entre les signaux d'anomalies reçus séquentiellement nar les dispositifs détecteurs de déphasage des transducteurs récepteurs et connectant oes récepteurs au dispositif comparateur pour fournir au dispositif oomparatetlr des signaux l'anomalies répondant aux variations de -s!iase induites par l'écoulement et reçues -ae les récepteurs pour perilGttre la détection du poussage d'une ne anomalies, et un dispositif de me ure du temps pour déterminer le temps de passas d'une anomalie identifiée le long du conduit entre les deux faisceaux d'ultrasons. La présente invention permet aussi l'enregistrement sur une bande magnétique des caractéristiques d'éóulement d'un système. Les variations des caractéristiques résultant d'une variation mécanique, telle qu'une variation de rendement d'une pompe, peuvent être détectées. Il est estimé que l'enregistrement sur bande magnétique en utilisant un appareil selon l'invention convient particulièrement pour obtenir les variations caractéristiques d'écoulement ou une "signature de l'éooulement" d'un système ou de composantes, pour permettre des vérifications et des comparaisons consécutives pour vérifier l'état de continuIté du système ou de la composante. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus parti culièremeiit de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en se référant au dessin annexé sur lequel: la figure unique est le sohéma général d'un appareil selon un mode de mise en oeuvre de l'invention. Le système de mesure 10, selon un mode de mise en oeuvre de l'invention est représenté aveo une partie d'un tuyau 11 dans lequel ciroule un fluide de la façon indiquée par la flèche, aveo une vitesse V. Deux transducteurs émetteurs 12, 14 sont fixés au tuyau 11 et deux transducteurs récepteurs 16 et 18 sont fixés dans les positions diamétralement opposées à celles des transducteurs émetteurs correspondants. Le système fonctionne dans la plage des ultrasons. Deux oscillateurs 15 et 15' fonctionnant à des fréquences différentes sont oonneotés aux transducteurs émetteurs 12, 14 correspondants. Chaque transducteur récepteur 16 et 18 est connecté à un ampli fioateur à bande large 20, 22 correspondant, les signaux sortants de ces amplificateurs étant appliqués aux démodulateurs 24, 26, par exemple des démodulateurs de phase. Les sorties des démodulateurs 24, 26 sont oouplées à un comparateur d'interoorrélation 28 connecté à un tube à rayon cathodique d'affichage 30 et/ou à un dispositif de lecture du retard de temps 32, tel qu'un appareil d'affiohage digital ou analogique, ainsi qu'un cirouit de sortie de commande digitale ou analogique 31. Pendant le fonctionnement, les oscillateurs 15, 15' excitent de façon indépendante les transducteurs émetteurs 12 14 pour l'émission de faisceaux d'ultrasons à travers la paroi du tuyau et à travers le fluide circulant dans le tuyau. Le couplage des transducteurs 12, 14, 16 et 18 à la paroi du tuyau est effectué en utilisant des dispositifs de couplage convenables entre les faces des transducteurs et la paroi du tuyau, d'une façon connue. Comme il a été indiqué ci-dessus, la variation locale des oonditions donnant lieu à des variations momentanées de la vitesse de propagation des ultrasons à travers le fluide, peut provoquer des variations faibles de la phase du signal reçu, en avance ou en retard. Les signaux dont les phases ont été modifiées sont amplifiés par les amplificateurs 20 et 22 pour les démodulateurs de phase 24 et 26. La démodulation des phases peut être effectuée en utilisant des discriminateurs ou des détecteurs de rapport couramment utilisés dans la réception des signaux modulés en fréquence et en phase. La technique d'hétérodyne peut aussi être utilisée pour extraire un signal égal à la différence des fréquences des signaux mis et reçus. De même, des boucles à phase bloque peuvent être utilisées dans ce but. En raison des faibles variations de la fréquence, l'utilisation d'une méthode directe de mesure de la différence des phases est prerable. L'utilisation dans chaque circuit d'un démodulateur synchrone est possible en utilisant le signal sortant de I'osoillateur 15 comme signal de synchronisation. Les signaux sortants démodulés des démodulateurs 24 et 26 sont appliqués au comparateur d'intercorrélation 28. Le comparateur 28 produit des signaux sortants pour un tube à rayon cathodique d'affichage 30 -pourun circuit de commande de sortie digital ou analogique 31 et/ou pour un indicateur de vitesse du fluide 32 Dans l'utilisation de la technique dtinteroorrélation connue, un retard de temps est appliqué au signal entrant reçu du démodulateur de phase amont 24. Ce retard est ajusté jusqutà ce que la corrélation soit obtenue avec un signal équivalent reconnaissable reçu du démodulateur de phase aval 26.Quand la corrélation est établie entre les signaux sortants des démodulateurs de phases respectifs pour indiquer le temps moyen de passage des anomalies de propagatIon entre les deux faisceaux d'ultrasons, le temps écoulé indiqué par le corrélateur 28 est le temps nécessaire pour que le fluide avance de la distance séparant les deux faisceaux, Comme cette distance est connue, la vitesse d'écoulement dans le tuyau ll peut être facilement détermifée. Un avantage parviculier de la présente invention est la possibilité d'utiliser des luies pratiquement homogènes ne contenant pas d'anomalies absortantes et aussi des fluides hétérogènes contenant des impuretés solides ou gazeuses. vous ces fluides ont des perturbations au hasard de la vitesse de propagation des signaux ultrasoniques, ces perturbations pouvant être détectées et analysées par intercorrélation pour obtenir le temps de transit du fluide stécoulant entre deux faisveaux d'ultrasons espacés.Par oontre, la technique antérieure, basée sur la modulation d'amplitude des signaux ultrascniques, ne donne pas de signaux consistants pour des fluides homogènes. Bien que l'invention soit décrite ci-dessus relativement à un procédé pour déterminer le passage d'anomalies d'écoulement par détection des variations de la vitesse de propagation du son transversalement au courant en utilisant les variations des phases des signaux reçus, il est possible aussi selon l'invention de mesurer les variations de la vitesse de propagation transversalement au courant par ltenvoi d'impulsions d'énergie ultrasonique à travers le courant dans des positions espacées et par observation des variations du temps de transit transversalement au courant résultant de la présence d'anomalies. En utilisant une succession de ees impulsions dans deux détecteurs espacés, la technique d'interoorrélation considérée ci-dessus peut aussi être utilisée pour établir la vitesse de déplacement de l'anomalie par le courant principal. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes sans que lton sorte de son cadre. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour déterminer la vitesse d'écoulement d'un fluide à travers un tuyau, caractérisé par l'émission à travers le tuyau, à partir d'un poste amont et d'au moins un poste situé en aval de signaux ultrasoniques pour contrôler les anomalies d'écoulement circulant avec le fluide et provoquant des variations pouvant être détectées dans les signaux au passage des ultrasons à travers le fluide, la récep tion des signaux respectifs modulés par les anomalies d'écoulement après le passage à travers le fluide, l'établissoi::ent pour le signal reçu du poste amont d'un retard de temps variable et pouvant être déterminé, la comparaison du signal retardé au signal reçu à un poste aval et la détermination du retard de temps pour lequel est o tenu un degré optimal de corrélation entre les signaux traités pour identifier le passage de l'anomalie avec le courant de fluide entre les postes respectifs, afin que le temps écoulé pendant le passage de l'anomalie entre les deux postes et, par suite la vitesse d'écoulement le long du tuyau, puissent âtre déterminés. 2 - Procédé selon la revendication l, caractérisé en ce que le signal reçu est déphasé par rapport au signal émis. 3 - Procédé selon revendication 1 ou 2, caractérisé par l'amplification et la démodulation des signaux reçus pour faciliter la comparaison des signaux. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications l à 3 caractérisé en ce que les signaux ultrasoniques sont émis sous la forme d'irnpulsions pour permettre la détermination de la variation de la propagation du son transversalement au courant du fait de la présence d'une anomalie. 5 - Appareil pour la mesure de la vitesse d'écoulement d'un fluide circulant le long l'un tuyau, la mesure étant effectuée à travers la paroi du tuyau, caractérisé par un premier et un second poste espacés le long du tuyau, chaque poste comportant un transducteur émetteur d'ultrasons connecté à une souroe d'énergie ultrasonique pour produire un signal sortant ultrasonique, un transducteur récepteur ultrasonique et un dispositif de montage pour la fixation des transduoteurs avec couplage sonique sur la paroi du tuyau, un dispositif discrimirAeur des perturbations des signaux couplé aux récepteurs, un dispositif pour retarder l'un des si gruaux de façon variable sélectivement connecté à la sortie du récepteur amont pour permettre de catie correspondre pratiquement les signaux sor tants des postes, un dispositif corrélateur connecté aux récepteurs pour établir une corrélation d'identification des signaux sortants des postes pour permettre la vérification du passage d'une perturbation entre les postes, et un dispositif de signalisation connecté au corrélateur et produisant un signal sortant fonction de la durée de retard du signal pour indiquer le temps de passage de la perturbation du poste amont à un poste aval. 6 - Appareil selon la revendication 5 caractérisé en ce que le dispositif discriminateur de perturbations comporte des dispositifs démodulateurs pour démoduler les signaux avant leur transmission au corréla- teur. 7 - Appareil selon la revendication 6 caractérisé en ce que les dispositifs démodulateurs sont des démodulateurs de phase. 8 - Appareil selon la revendication 5 caractérisé en ce que les dispositifs disoriminateuls comportent des amplificateurs pour recevoir les signaux sortants des récepteurs et des démodulateurs couplés aux amplificateurs et comportant des sorties couplées à un comparateur d'in tercorrélation, le dispositif de signalisation comportant un circuit générateur de signal de commande. 9 - Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que les dispositifs de signalisation comprennent un tube à rayon cathodique d'affichage 10 - Appareil selon revendication 8 ou 9 caractérisé en ce que les dispositifs de signalisation comprennent un dispositif de lecture du retard.