Brevet FR2276565A1 — publié le 19760123

L'invention se rapporte b un perfectionnement aux débitmètres à hélice et plus précisément au capteur de rotation associé à cette hélice. I1 est connu pour détecter la vitesse et le sens de rotation de l'hélice d'un débitmètre, de produire à l'aide d'un aimant disposé dans une pale de l'hélice et convenablement orienté une tension induite dans une bobine de détection placée à l'extérieur du corps du débitmètre, la fréquence et l'amplitude de cette tension étant proportionnelles à la vitesse de rotation de l'hélice et la forme des signaux induits, indicatrice de son sens de rotation. Cette technique connue présente divers inconvénients. Tout d'abord, elle donne lieu à un évanouissement du signal aux faibles débits et en outre1 elle détruit la symétrie de révolution de l'appareil, ce qui est inacceptable pour des débitmètres destinés à entre complètement immergés dans une veine fluide par opposition à ceux prévus pour constituer un tronçon de la canalisation traversée par le fluide. L'objet de l'invention concerne un débitmètre à hélice destiné à être immerge dans une veine fluide pour y mesurer avec précision la vitesse et le sens d'écoulement de courants liquides ou gazeux de faibles et de grandes amplitudes. Pour mesurer des déplacements linéaires, il est connu d'utiliser des capteurs constitués par des transformateurs différentiels. Un tel capteur comporte une armature magnétique constituée par une embase et trois branches alignées, le tout en forme de E avec un enroulement placé sur chaque branche. Une palette de couplage solidaire de l'objet dont on veut mesurer le déplacement, est adaptée à se déplacer devant les extrémités libres des branches du E. Si l'enroulement central est alimenté par une source de courant alternatif de manière à constituer le primaire d'un tel transformateur et, si les enroulements extérieurs sont connectés en opposition pour en former le secondaire, il apparatt aux bornes du secondaire une tension alternative dont l'amplitude et la phase dépendent de la position de la palette de couplage par rapport à la branche centrale du E. Un circuit de traitement de signaux comprenant un détecteur synchrone reçoit cette tension alternative et produit un signal continu positif ou négatif, linéairement représentatif des déplacements de la palette de couplage de part et d'autre d'un point médian, dans une plage de débattement déterminée.Dans le cas d'une construction soignée, il est possible de produire un signal de sortie quasiment nul lorsque la palette est exactement placée en face de la branche centrale du E. Par ailleurs, il est bien entendu possible d'inverser les r8les respectifs des enroulements primaire et secondaire d'un tel transformateur. L'objet de l'invention est d'adapter un tel transformateur différentiel à la mesure des débits de fluides. Selon l'invention, un débitmètre du genre comprenant une hélice montée tournante sur deux supports et un capteur de rotation associé est caractérisé en ce que ce capteur est du type à transformateur différentiel et comprend un élément ferromagnétique de couplage en forme de secteur de couronne coaxialement fixé au moyeu de ladite hélice et, dans l'axe de l'hélice, un bottier étanche en matériau rigide amagnétique à l'extrémité duquel est extérieurement disposé un des éléments de support de l'hélice, une armature magnétique formée par trois branches magnétiques parallèles raccordées perpendiculairement aux extrémités et au milieu d'une embase magnétique en forme de C étant placée à l'intérieur dudit bottier, les extrémités libres de ces bran chers aboutissant au proche voisinage de l'élément de couplage, un enroulement étant monté sur chaque branche, avec les enroulements extérieurs connectés en opposition, une source de courant alternatif et un circuit de traitement de signaux étant en outre raccordés à ces enroulements d'une manière en soi connue. Grâce à cette disposition, le débitmètre ainsi constitué peut, dans une forme de réalisation adaptée aux puits de pétrole, présenter la forme d'un tube cylindrique sans protubérance extérieure, ce qui permet de le déplacer sans difficultés particulières dans les tubages de production de pétrole ou de gaz. En outre, grâce au transformateur différentiel utilisé comme capteur de rotation, l'amplitude du signal produit aux très faibles débits demeure constante et le couple de réaction appliqué à l'hélice par le capteur de rotation est négligeable, ce qui permet les mesures à partir d'un seuil d'écoulement particulièrement faible. Quant au sens de l'écoulement, il est fonction de la phase du signal de mesure.En outre, du fait de l'emploi d'un bottier étanche et rigide enfermant les éléments actifs du capteur, il est possible d'utiliser l'appareil dans des fluides corrosifs et/ou à fortes pressions. Selon une première caractéristique complémentaire de l'invention, d'une part les extrémités des trois branches de l'armature-magnétique du capteur sont disposées aux sommets d'un triangle équilatéral et d'autre part l'élément de couplage a la forme d'un secteur de couronne dont l'angle d'ouverture est d'environ 1800. Selon une seconde caractéristique complémentaire de l'invention, le circuit de traitement de signaux comporte un amplificateur, un détecteur synchrone et une bascule à deux seuils de dédenchement délivrant des signaux positifs ou négatifs ayant approximativement la même amplitude, lesdits seuils étant fixés à des valeurs respectivement positive et négative, nettement supérieures aux amplitudes maximales de la tension résiduelle engendrée pendant le passage de l'élément de couplage de l'une à l'autre des branches magnétiques extérieures du capteur de rotation. Grâce à ces dispositions complémentaires, on produit des signaux reotangulaires dont les durées respectives sont approximativement égales soit au tiers soit aux deux tiers de la période de rotation de l'hélice, en fonction du sens de rotation de celle-ci, la fréquence de ces impulsions étant proportionnelle à la vitesse de rotation de l'hélice. Selon une troisième caractéristique complémentaire de l'invention, le circuit de traitement de signaux comprend un fréquencemètre de préférence du type numérique et, en outre, un indicateur de sens de rotation constitué par un circuit intégrateur recevant les impulsions produites par ladite bascule à seuils et suivi par une autre bascule à seuils produisant un signal binaire représentatif du sens de rotation de l'hélice en régime établi. Les caractéristiques de l'invention apparattront d'ailleurs d'une manière plus précise à la suite de la description ci-après, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une coupe axiale d'une sonde débitmétrique selon l'invention destinée à outre descendue dans un puits de pétrole, - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale du capteur de rotation de cette sonde, - la figure 3 est une vue schématique de l'armature magnétique fixe et de 1' élément de couplage mobile du transformateur différentiel tournant constituant le capteur de rotation de la figure 2, - la figure 4 est une vue perspective des éléments fixes du transformateur différentiel du capteur de rotation de la figure 2, - la figure 5 représente des signaux prélevés en deux points particuliers du circuit de traitement associé au capteur selon la figure 2, - la figure 6 est le schéma de ce circuit de traitement de signaux. Selon la figure 1, une sonde débitmétrique pour puits de pétrole selon l'invention comprend un corps cylindrique allongé 10 muni d'une embouchure d'admission 12 et de fenêtres latérales d'évacuation 14. L'extrémité supérieure du corps 10 comporte un filetage intérieur 16 suivi d'un épaulement 17 et d'un appui creux de forme tronconique 18. A l'intérieur du corps 10 est vissé un mandrin 20 comportant une embase 22 prolongée par une partie filetée 24 engagée dans le filetage 16 et par une partie tronconique 25 introduite dans l'appui tronconique creux 18. Le mandrin 20 comporte en outre une entretoise 26 de forme cylindrique disposée au niveau des fenêtres d'évacuation 14 et un bottier 28 en métal amagnétique rigide contenant le capteur de rotation.A l'extrémité de ce bottier est ménagé le support de rotation aval 30 d'une hélice 32 de préférence réalisée par moulage d'un matériau plastique léger. Par ailleurs, le support de rotation amont 34 de cette hélice 32 comprend un manchon cylindrique 36 glissé dans le corps 10 et des barres de maintien 38-40 d'un élément central 42 ayant une extrémité amont 41 profilée en ogive et une extrémité aval 43 aménagée pour le pivotement de l'hélice 32. Une goupille 44 permet la fixation du manchon 36 dans le corps 10. L'autre extrémité du mandrin 20 comporte une seconde partie filetée 46 permettant de relier la sonde à une cartouche électronique (non représentée) contenant le circuit de traitement associé au capteur de rotation, des gorges 48 étant prévues pour recevoir des Joints toriques d'étanchéité ainsi qu'une prise de raccordement 50 pour relier le capteur à ce circuit. Selon la figure 2, le bottier 28 qui contient les éléments fixes d'un transformateur différentiel 27 est vissé sur l'entretoise 26, des joints 51 assurant l'étanchéité de cette fixation. L'extrémité du bottier 28 est usinée de manière à comporter un logement 29 dans lequel est sertie une pierre dure 31 dans laquelle est monté tournant l'axe aval 33 de l'hélice 32. De même, l'axe amont 33' de l'hélice est monté tournant dans une autre pierre dure 31' sertie à l'extrémité aval 43 de l'élément central 42 du support amont 34. Les éléments fixes du transformateur différentiel 27 comprennent une embase magné tique 52 en forme de C, fixée par collage sur un support 56 et à laquelle sont perpendiculairement raccordées trois branches magnétiques 53, 54 et 55 parallèles entre elles et respectivement disposées aux extrémités et au centre du C formant ladite embase 52.Sur chacune de ces branches est monté un enroulement 53a, 54a ou 55a. Sous l'action d'un ressort 57 venant en appui sur le fond d'un logement 58 taillé dans l'extrémité de l'entretoise 26, les trois branches magnétiques ci-dessus sont appliquées avec pression sur le fond intérieur du bottier 28. L'embase magnétique 52 et les trois branches 53, 54 et 55 sont réalisées soit à partir de feuilles en métal magnétique à haute perméabilité, tout d'abord découpées en étoiles à trois branches puis pliées, collées, rectifiées et traitées, soit à partir d'éléments en ferrite : un disque usiné en forme de C avec des cornes extérieures aux extrémités et au centre (voir figure 3) et trois barreaux, le tout fixé ensemble par collage. Par ailleurs, les fils de raccordement 66 du transformateur différentiel 27 traversent un passage 61 aménagé dans l'axe du mandrin 20 et sont reliés à la prise 50. Selon la figure 4, un intercalaire 59 en matériau plastique rigide, comportant une tête 64 et trois pieds 60, 61 et 62 est fixé par collage aux trois branches 53, 54 et 55 et à l'embase 52 de manière à assurer à l'ensemble une stabilité mécanique aussi grande que possible, les extrémités libres de ces trois branches dépassant légèrement le sommet de la tête 64. Par ailleurs, une découpe 65 est prévue dans la tête 64 pour recevoir le logement 29 et ainsi permettre aux extrémités des branches 53, 54 et 55 de directement stap- puyer sur le fond du boîtier 28. Sur l'extrémité aval du moyeu de l'hélice 32 est fixé un secteur de couronne circulaire 37 en matériau ferromagnétique (voir figures 2 et 3), dont l'ouverture est voisine de 1800. Selon la figure 6, le primaire (enroulement central 55a) du transformateur différentiel à couplage tournant (TDT) 27 du capteur de rotation de l'hélice 32 est alimenté par un oscillateur 68 délivrant un signal dont la fréquence est de quelques Kilohertz. Le secondaire du transformateur différentiel 27, constitué par la mise en opposition des deux enroulements d'extrémité 53a et 54a, est relié à un amplificateur pour courant alternatif (A.A.) 70 dont la sortie est appliquée à un dispositif de détection synchrone (D.S.) 72 recevant par ailleurs le signal produit par l'oscillateur 68. En plus du circuit de détection synchrone proprement dit, le dispositif 72 comprend un filtre passe-bas et un amplificateur à courant continu non représentés. A la sortie du dispositif 72 apparat un signal basse fréquence S72 représenté à la figure 5.Ce signal est constitué de grandes et de petites ondulations, qui correspondent aux diverses positions de l'élément de couplage 37 par rapport aux branches magnétiques 53, 54 et 55. Les ondulations positives de grande amplitude 84 sont par exemple produites lorsque l'élément 37 est symétriquement disposé en face des branches 53 et 55 cependant que les grandes oscillations négatives 86 sont produites lorsque ce même élément 37 est symétriquement placé en face des branches 54 et 55, le zéro d'amplitude situé entre les ondulations parasites de petite amplitude 88 apparaissant lorsque l'élément 37 est placé en face des branches 53 et 54. Lorsque le sens de rotation de l'élément 37 est inversé, la succession des oscillations de grande et de petite amplitude est elle-même inversée (un tel changement apparaissant à l'instant tel). Le signal produit par le dispositif 72 est appliqué à une bascule bistable à deux seuils (B.S.) 74. Ces deux seuils SI et S? ont approximativement la même amplitude absolue et sont respectivement positif et négatif, cette amplitude étant nettement supérieure à l'amplitude crete des ondulations parasites 88 et nettement inférieure à l'amplitude crête des ondulations utiles 84 et 86. Les signaux de sortie de la bascule 74 sont des signaux rectangulaires (S74) d'amplitudes + V, ieurs durées étant environ soit un tiers, soit deux tiers de période, en fonction du sens de rotation de l'élément de couplage 37. Les signaux S74 sont tout d'abord appliqués à un circuit intégrateur 76 suivi d'une bascule bistable à seuil 78 dont l'état est représentatif du sens de rotation de l'élément 37 et donc du sens d'écoulement du fluide dans le débitmètre. Ces mêmes signaux S74 sont, en outre, appliqués à un circuit de mise en forme (M.F.) 80 suivi d'un fréquencemètre (F.M.) 82 de préférence du type numérique. Le fonctionnement de cet appareil est particulièrement simple. Lorsqu'il est descendu dans un puits de pétrole ou de gaz, l'hélice 32 est entraînée en rotation par les fluides qui pénètrent dans le corps 10 du débitmètre par l'embouchlre 12 et en sortent par les fenêtres d'évacuation 14, et elle tourne librement. L'élément de couplage magnétique 37 que comporte cette hélice 32 passe de la sorte au proche voisinage des extrémités des branches magnétiques 53, 54 et 55 et ainsi amène le secondaire 53a, 54a du transformateur différentiel 27, dont le primaire est alimenté par l'oscillateur 68, à produire un signal à porteuse modulée à 100%.Malgré l'importance de l'entrefer constitué par la distance entre les extrémités des branches magnétiques 53, 54 et 55 du transformateur différentiel et l'élément de couplage 37, et donc la faible variation de réluctance engendrée par la rotation de cet élément 37, la fréquence relativement élevée utilisée permet d'obtenir un signal utile exploitable d'une centaine de millivolts crête à crête. On notera que sous l'action de l'écoulement, l'hélice 32 est en butée sur son support aval et que sous l'action du ressort 57 les extrémités libres des branches magnétiques du capteur sont maintenues en appui sur le fond intérieur du bolier 28, de sorte que l'entrefer ci-dessus conserve en toutes circonstances une valeur pratiquement constante, ce qui, bien entendu, conduit à disposer d'un signal d'amplitude stable. De plus, du fait de la grande ouverture angulaire (180 ) de l'élément de couplage 37, l'amplitude des signaux résiduels engendrés au cours du passage de cet élément d'une branche extérieur à l'autre du transformateur différentiel est minimisée et un rapport de 3 à 4 entre les amplitudes des grandes ondulations (signal principal) e; des petites (signal résiduel) est obtenu dont l'exploitation ultérieure ne présente pas de difficultés particulières. Ce signal est amplifié et démodulé de telle manière qu'à la sortie du détecteur 72 apparatt le signal 572 (voir figure 5). L'amplitude et la forme de ce signal S72 ne dépendent pas de la vitesse de rotation de l'hélice, seule sa fréquence en est fonction.Les signaux carrés S74 que produit la bascule à double seuil 74 sont alors utilisés à deux fins : alimenter un fréquencemètre numérique 82 (après une mise en forme en 80) et un détecteur de sens de rotation. Le fonctionnement de ce dernier se déduit aisément de sa constitution, Les signaux carrés S74 comportent des impulsions alternativement positives et négatives dont les durées (1/3 et 2/3 de période) dépendent de l'ordre de succession des ondulations parasites et principales qui constituent le signal S72 lesquelles à leur tour dépendent du sens de rotation de l'élément de couplage 37 devant les branches 53, 54 et 55. Dans ces conditions, l'intégration en 76 des signaux S74 engendre un signal positif ou négatif représentatif du sens d'écoulement des fluides dans le débitmètre.L'état de la bascule 78 matérialise ce sens d'écoulement. Les autres avantages du débitmètre selon l'invention apparaissent clairement à la suite de la description ci-dessus. I1 est tout d'abord de faible section et celle-ci ne présente aucune protubérance, de sorte que l'appareil est dune lise en oeuvre commode. De plus, son seuil de fonctionne- ment est particulièrement faible grâce au type de capteur de rotation utilisé, et gracie à la fréquence relativement élevée (plusieurs kilohertz) utilisée pour alimenter un tel transformateur différentiel, la fréquence maximale de rotation aisément détectable est elle-d8e relativement élevée. En outre, ce capteur est complètement soustrait å l'action du milieu ambiant grâce au bottier étanche et rigide qui le contient et le protège entièrement. En plus de son utilisation dans les puits de pétrole ou de gaz, le Débitmètre perfectionné selon l'invention convient particulièrement bien aux appareils de mesure de débit dont le capteur de rotation doit être placé dans l'axe de l'hélice de façon à minimiser les perturbations de l'écoulement entraînées par la simple présence de ces appareils. C'est notamment le cas des appareils à hélice de diamètre réduit utilisés pour mesurer le débit de fluides dans des canalisations de grand diamètre (eau, gaz, vapeur, etc...). REVENDICATIONS 1. Débitmètre du genre comprenant une hélice montée tournante sur deux supports et un capteur de rotation du type à transformateur différentiel caractérisé en ce que ledit capteur comprend d'une part un élément ferromagnétique de couplage en forme de secteur de couronne coaxialement fixé au moyeu de ladite hélice et, d'autre part, un boiter étanche en matériau rigide amagnétique disposé dans l'axe de l'hélice et à l'extrémité duquel est extérieurement fixé un des supports de l'hélice, une armature magnétique formée par trois branches magnétiques parallèles raccordées perpendiculai rement aux extrémités et au milieu d'une embase magnétique en forme de C étant placée à l'intérieur dudit bottier, les extrémités libres de ces branches aboutissant au proche voisinage de l'élément de couplage, un enroulement étant disposé sur chaque branche1 avec les enroulements exté rieurs connectés en opposition. 2. Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé d'une part en ce que les extrémités des trois branches de l'armature magnétique du capteur sont disposées aux sommets d'un triangle équilatéral et d'autre part en ce que ledit élément de couplage en forme de secteur de couronne a un angle d'ou verture d'environ 1800. 3. Débitmètre suivant la revendication 1, du genre comportant une source de courant alternatif et un circuit de traitement de signaux comprenant un amplificateur, un détecteur synchrone et une bascule à seuils de déclenche ment suivie d'un fréquencemètre, caractérisé en ce que ladite bascule pos sède deux seuils de déclenchement respectivement fixés à des valeurs positive et négative, d'amplitudes nettement supérieures aux amplitudes maximales de la tension résiduelle engendrée pendant le passage de ltélé- ment de couplage de l'une à l'autre des branches magnétiques extérieures du capteur de rotation. 4. Débitmètre selon la revendication 3, du genre comportant un indicateur de sens de rotation, caractérisé en ce que ladite bascule à seuils délivre des signaux positifs et négatifs ayant approximativement la même amplitude et en ce que ledit indicateur de sens de rotation est constitué par un circuit intégrateur recevant les impulsions produites par ladite bascule à seuils, ledit circuit intégrateur étant suivi par une autre bascule à seuils produi sant un signal binaire représentatif du sens de rotation de l'hélice en ré gime établi. 5. Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que entre les bran ches magnétiques du capteur sont disposées les branches d'un intercalaire de maintien, de préférence réalisé en matériau plastique, dont la tête est découpée de façon à permettre aux extrémités libres des branches magnétiques de venir en appui sur le fond intérieur du bottier du capteur 6. Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un ressort est prévu pour appliquer avec pression les extrémités libres des branches magnétiques sur le fond intérieur du bottier du capteur.