Brevet FR2290661A1 — publié le 19760604

La présente invention concerne un appareil de mesure de la masse volumique d'un fluide. Elle est plus particulièrement, mais non exclusivement, conçue pour Outre mise en oeuvre dans un appareil permettant de mesurer simultanément le débit-masse d'un courant du fluide, cette dernière mesure résultant de la mesure de l'effet secondaire qui apparat sur un tronçon de tube dans lequel circule un courant du fluide, loraque ce tronçon de tube est animé d'un mouvement alternatif perpendiculaire à son axe longitudinal. On connaît divers appareils de mesure de débit massique utilisant l'effet secondaire précité. A titre d'exemple, on pourra se référer à certaines des réalisations décrites dans la demande de brevet en France n0 73 03 196, ainsi que dans les brevets français n 1 472 039, I 451 053 et 1 314 774. Cet effet secondaire peut hêtre analysé en considérant les accélérations transversales subies dans le tronçon de tube par les molécules du fluide en mouvement, ce qui permet dtin- traduire la notion d'accélération de Coriolis, d'où le nom de "force de Coriolis" utilisé pouf désigner une force dont la mesure permet de déterminer la valeur du débit-masse du courant de fluide. On peut donc regrouper ces divers appareils sous la même dénomination de "débitmètres à force de Coriolis". On ne reprendra pas ici le détail des considérations évoquées ci-dessus, que l'on retrouvera dans les références citées, car elles ne sont pas nécessaires à la compréhension de la présente invention. Dans son aspect le plus général, l'appareil de mesure conforme à l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend un tronçon de tube animé d'un mouvement alternatif et contenant le fluide dont on désire connaître la masse volumique, et des moyens de mesure de l'effort nécessaire pour communiquer au tronçon de tube son mouvement alternatif. On verra que cette mesure conduit à la connaissance de la masse de fluide contenue dans le tronçon de tube, d'où l'on tire facilement celle de la masse volumique de ce fluide. Suivant un mode d'exécution préféré, les moyens de mesure effort comprennent deux groupes de moyens de mesure espacés le long dl tronçon de tube. Deux dispositifs permettent respectivement de faire la somme (analyseur sommateur) et la différence (analyseur différentiel) des résultats de ces deux mesures d'effort, et délivrent ainsi simultanément, le premier un signal fonction de la valeur instantanée des efforts de translation, et le second un signal fonction de celle des couples appliqués au tronçon de tube. L'un de ces signaux est fonction de la sasse volumique du fluide contenu dans le tron çon de tube et il peut être traité dans un diviseur qui reçoit, en mme temps, un signal fonction de l'accélération instantanée du tronçon de tube.L'autre de ces signaux est fonction du débit-masse d'un courant du fluide circulant dans le tronçon de tube, et il peut autre traité dans un autre diviseur qui re çoit, en même temps, un signal fonction de la vitesse instan- tanée dudit tronçon de tube L'invention s'applique à tout appareil qui comporte un tronçon de tube animé d'un mouvement alternatif et recevant un fluide, et notamment à chacun des appareils connus mentionnés plus haut. Elle sera décrite plus précisément ci-après dans un mode de réalisation préféré, adapté à l'un des appareils décrits dans la demande de brevet n 73 03 196 précitée.Dans cet appareil, le tronçon de tube dépend lui-même d'une structure de support qui reçoit le mouvement alternatif imposé (en l'oc- currence, un mouvement d'oscillation autour d'un axe) et à laquelle il est relié par l'intermédiaire d'organes de liaison qui constituent, en outre, des capteurs d'effort. On indiquera ensuite également comment elle peut être appliquée à d'autres types d'appareils. L'invention trouve, en particulier, son application pour la mesure et le comptage des produits biphasiques ou polyphasiques sortant des puits d'hydrocarbures, que ceux-ci soient terrestres ou sous-marins. On peut, par exemple, disposer un appareil selon l'invention directement à la sortie du puits, introduire dans une channe de mesure les masses volumiques ou densités (connues), d'une part de l'hydrocarbure liquide, d'autre part du gaz mélangé à ce liquide, et graduer alors l'appareil pour qu'il indique directement le rapport volumique de ces deux phases (rap port souvent appelé G.O.R., d'après l'appellation anglaise "gas/oil ratio"). La description qui va suivre, en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut autre réalisée. La figure 1 est une vue schématique, en coupe longitudinale, d'un appareil de mesure du débit-masse et de la masse volumique d'un fluide. les figures 2 et 3 sont des vues en coupe transversales, respectivement suivant II-II et III-III, de l'appareil représenté à la figure 1. La figure 4 est un schéma d'une channe de mesures, adjointe à l'appareil représenté à la figure 1. Sur la figure 1, on a désigné par le repère 1 un tronçon de tube, avantageusement rectiligne, d'axe longitudinal '-X, parcouru, en fonctionnement, par un courant de fluide monophasique ou polyphasique dont on désire connaître, d'une part, la masse volumique " p" et, d'autre part, le débit-masse Q. Le tronçon de tube 1 est soumis à un mouvement alternatif, en l'occurrence un mouvement de rotation alterné ou oscillation, dans un sens puis dans l'autre, autour d1un axe d'oscillation Y'-Y sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal Xt-X. Ce mouvement d'oscillation est, de préféren- ce, à grande amplitude (par exemple, de tordre de 2O0 de part et d'autre d'une position moyenne) et basse fréquence (par exemple, de l'ordre de 1 Hz). Sur cette figure, on a désigné respectivement par les repères 32 et 33, un stator et un rotor. Le stator comprend, notamment, deux paliers 5, 6 coaxiaux à l'axe de rotation Y'-Y, un conduit fixe d'admission 34 et un conduit fixe d'échappement 35 de fluide. Le rotor est formé par un ensemble comprenant le tronçon de tube 1, une structure de support 2 et des tubulures d'admission 15 et d'échappement 18 de fluide fixées rigidement à ce support. Ce rotor comprend, en outre, deux tourillons 3, 4 coaxiaux à l'axe d'oscillation Y'-Y, et par l'intermédiaire desquels ledit rotor repose sur les paliers 5,6 Les tubulures 15 et 18 sont recourbées, de manière à pouvoir être montées en série, respectivement avec les conduits fixes 34 et 35. La tubulure 15 (18) présente une ouverture d'extrémité 15b (18b) située en regard d'une ouverture d'extrémité -correspondante 34b (35b) du conduit fixe 34 (35). les axes géométriques respectifs de ces deux ouvertures d'extrémité sont coplanaires à l'axe d'oscillation Y'-Y, de sorte qu'ils se coupent toujours en un même point M (N) situé sur l'axe d'oscillation. Un joint souple d'étanchéité, tel qu'un soufflet 36 (37) relie entre elles les ouvertures mutuellement en regard 15b - 34b (18b - 55b). Le rotor 33 (1-2-3-4-15-18) peut donc bien osciller par rapport au stator 32 (5-6-34-35) tout en permettant au fluide de parcourir en série le trajet 34-15-1-18-35, comme indiqué par les flèches. Les tubulures 15 et 18 sont raccordées au tronçon de tube 1 par des joints souples d'étanchéité 16, tels que des soufflets. Le tronçon de tube 1 est relié à la structure de support 2 par l'intermédiaire d'organes de liaison qui comprennent, dans l'exemple représenté, quatre lames élastiques réparties en deux groupes espacés l'un de l'autre le long du tronçon de tube, à savoir un premier groupe de deux lames 11-12 situées, par exemple, au voisinage de l'une des extrémités du tronçon de tube, et un deuxième groupe de deux lames 13-14 situées, par exemple, qu voisinage de l'autre extrémité du tronçon de tube. Le tronçon de tube i est disposé symétriquement par rapport à l'axe d'oscillation Y'-Y. @@@ 40 a@tionne un disque 41 Un moteur 40 actionne un disque 41 qui tourne, par exemple, à 1 tour p seconde, et qui, par l'intermédiaire d'un mécanisme approprié, tel qu'une bielle 42, imprime a la @@@@@ ture de support 2 (et par là, au tronçon de tube 1) un mouvement d'oscillation autour de l'axe d'oscillation Y'-Y. On désignera ci-après (voir figure 4) par # la valeur instantanée de l'élongation angulaire du mouvement d'oscillation, #o la valeur maximale de cette élongation ou amplitude du mouvement d'oscillation, # la valeur instantanée de la vitesse d'oscillation, et # la valeur de la vitesse de rota- tion du disque 41. ltd &commat; du mouve- Comme on l'a dit plus haut, l'a mplitude @o du mouve- ment d'oscillation est importante, par exemple de l'ordre de 20 d'angle, de part et d'autre de la positi on moyenne pour laquelle la vitesse d'oscillation # est max imale. Par ailleurs, la vitesse de rotation # est déterminée pour que la fréquence des oscillations f = * soit basse, par exemple ' de l'ordre de 1 Hz. On remarquera que le choix d'une fréquent e basse et d'une forte amplitude permet d'effectuer une mesure correcte du débit-masse et de la masse volumique de fluides dits poly phasiques (par exemple, biphasiques), c'est-à-dire chargés de bulles gazeuses et/ou de parties solides en suspension même grossière, car la trajectoire de ces diverses bulles et/ou par ties solides se fait bien alors selon la direction instantanée imposée au tronçon de tube 1 dans son oscillation lente. Au contraire, une vibration à fréquence notable et faible ampli- tude laisserait les parties lourdes de l'écoulement suivre une trajectoire rectiligne fixe, correspondant à la position moyenne du tronçon de tube 1.Ces parties lourdes échapperaient donc, au moins partiellement, à la mesure. Cette remarque est impor tante, en particulier dans le domaine d'application préféré : mesure et comptage des produits - souvent biphasiques ou poly phasiques - sortant des puits d'hydrocarbures. Les figures 1 à 3 montrent, en outre, des moyens permettant de mesurer l'effort auquel sont soumis, en fonction nement, les organes de liaison entre la structure de support 2 et le tronçon de tube 1. Dans l'exemple représenté, ces moyens sont des jauges à variation de résistance électrique, A et B, C et D, A' et B', Ut et D' associées respectivement::aux lames élastiques 11, 12, 13, 14 qui supportent le tronçon de tube 1 dans la structure de support 2. les valeurs dés résistances de ces jauges correspondent respectivement aux déformations élastiques subies par les quatre-lames 11,;12, 13, t4 et per mettent donc de mesurer, à chaque instant, les efforts appli qués à ces lames et, par conséquent, les efforts reçus par le tronçon de tube 1. On a déjà montré dans la demande de brevet précitée n 73 03 186 que, dans le cas d'un tronçon de tube 1 d'axe X'-X oscillant autour d'un axe Y'-X, la somme des efforts reçus par le tronçon de tube dans une direction F perpendiculaire au plan des axes X'-X et Y'-Y (qus est aussi le plan contenant les qua tre lames élastiques 11, 12, 13, 14) divisée par la vitesse d'oscillation Q mesurée au même instant, est proportionnelle au débit-masse du fluide parcourant le tronçon de tube. Selon l'invention, outre ladite somme des efforts, on mesure aussi leur différence, d'où l'on déduit la valeur de la masse de fluide contenue, à cet instant, dans le tronçon de tube 1. En effet, la différence en question est proportionnelle au couple des forces appliquées au tronçon de tube par les lames élastiques 11, 12, 13, 14 pour communiquer à ce dernier son mouvement d'oscillation. Or, ce couple est, à chaque instant, égal au produit de l'accélération angulaire du tronçon de tube par son moment total d'inertie, ce dernier comprenant non seulement le moment d'inertie du tronçon de tube vide, mais également celui des masses de fluide qui agissent sur lui, en particulier celui de la masse de fluide qui y est contenue à l'instant considéré.On comprend donc que cette masse de fluide (qutil s'agisse d'un fluide monophasique ou polyphasique, à la condition, dans ce dernier cas, de choisir une oscillation assez lente et d'amplitude notable, comme on l'a indiqué plus haut) réagit sur ladite mesure de différence, ce qui peut permettre finalement de déterminer cette masse et donc, connaissant le volume du tronçon de tube, la masse volumique ''p du fluide. On peut procéder, par exemple, par étalonnage de l'appareil. En pratique, on peut même éviter l'étalonnage et obtenir des mesures directes par l'une ou l'autre des dispositions décrites ci-après. Dans une première disposition, correspondant au mode d'exécution de la figure 1, la structure de support 2 comprend un carter 38, fermé et étanche, entourant le tronçon de tube 1 et délimitant autour de ce dernier un espace clos 38a rempli d'un liquide auxiliaire stagnant. On choisit alors la masse du tronçon de tube 1 pour que l'inertie de ce tronçon soit exactement compensée par la poussée hydrostatique du fluide stagnant, lorsque ledit tron çon est vide. Pour ce faire, on remplace, à l'intérieur du tron çon de-tube 1, le fluide objet de la mesure par un fluide de masse négligeable (par exemple, l'air ambiant), et on leste progressivement le tronçon de tube jusqu'à obtenir une valeur nulle du couple mesuré. Dans ces conditions, le liquide stagnant entraîné par les oscillations de la structure de support 2, exerce sur'le tronçon detube vide 1 une poussée hydrostatique constamment égale aux propres efforts d'inertie de ce dernier. Tout se -passe donc comme Si le tronçon de tube vide 1 flottait librement dans le liquide stagnant. On notera que, ce faisant, on a négligé les forces de frottement qui pourraient apparaître entre le liquide stagnant, d'une part, et le tronçon de tube 1 et les lames 11, 12, 13, 14, d'autre part. Cette approximation est Justifiée si lion considère que ces lames sont relativement rigides, de sorte que leurs déformations sont peu importantes et peuvent astre négligées de ce point de vue. Lorsque l'appareil est ainsi constitué et réglé, la mesure de la différence des efforts, dont il a été question plus haut, permet de connaître directement l'inertie, donc la masse et la masse volumique du fluide objet de la mesure. Le liquide auxiliaire stagnant est, de préférence, inerte chimiquement et non-conducteur électriquement, en vue de facilite? la mise en oeuvre d'une channe électrique de me- sures qui sera décrite plus loin. Dans une deuxième disposition, le tronçon de tube 1 est choisi suffisamment mince et léger pour que sa masse soit négligeabe.vis-à-vis de celle du volume de fluide qu'il contient. Dans ces conditions, et si ce tronçon oscille à l'air libre, on mesure, comme plus haut, directement la masse volu- mique du fluide qu'il contient. Si, par contre, le tronçon de tube 1 oscille dans un liquide stagnant @ontenu dans une struc ture de support oscillante 2 (comme dans le cas de la figure 1), le couple mesuré fournit la différence entre les masses volumiques du liquide stagnant et du fluide objet de la mesure. Cette dernière particularité permet, dans certaines applications, draniéliorer la sensibilité de l'appareil. On a représenté sur la figure 4 un schéma possible d'utilisation de l'appareil de mesure cnnforme à l'invention, sous la forme d'une chaste électrique de mesures conçue pour exploiter les informations recueillies au moyen des jauges électriques à-résistance équipant l'appareil décrit aux figures 1 à 3. fl va cependant de soi que ce schéma pourrait facilement se transposer à d'autres techniques de mesures, comme par exemple la technique pneumatique ou fluidique. Cette chaîne de mesures est analogue, en partie, à celle qui a été décrite dans la demande de brevet précitée n0 73 03 196. Elle comprend un premier montage en pont dans les quatre branches duquel sont intercalées respectivement les quatre jauges A, B, C, D associées à la paire de lames élastiques 11-12, et un second montage en pont dans les quatre branches duquel sont intercalées respectivement les quatre jauges A', B', C', D' associées à l'autre paire de lames élastiques 13-14. Chacun de ces ponts est alimenté, entre ses bornes a et b (a' et b') par une tension électrique continue, et il délivre, entre ses bornes c et d (c' et d') un signal de tension électrique z (s') dont le signe et l'amplitude dépendent de la valeur des résistances des jauges A, B, C, D (A', B', C', D'), et donc de la nature et de l'importance des efforts appliqués au tronçon de tube 1. Le signal x ou ' délivré par chacun des ponts de jauges A B C D ou A' B' C' D' est conditionné dans un amplificateur A1 ou A2 respectivement. lies réglages de zéro ét de gain de ces amplificateurs sont effectués pour que ces derniers délivrent des signaux égaux (signe et amplitude), si la même force sollicite les diverses lames 11, 12, 13, 14 portant les jauges. Un dispositif, tel qu'un amplificateur A3 câblé en sommateur, permet de faire la somme (s + x') des signaux délivrés par les amplificateurs A1 et A2. Te signal de sortie Y de cet amplificateur - qui est proportionnel à la somme des efforts en translation appliqués aux deux extrémités du tron çon de tube 1 - est appliqué à l'entrée d'un premier diviseur ce Ce dernier reçoit également un autre signal proportionnel à la valeur instantanée t de la vitesse d'oscillation, ce dernier signal étant émis par un capteur C5 et mis en forme, par exemple, par un amplificateur A5. fie diviseur |91 délivre Y ainsi un signal de sortie Z = proportionnel au débit-masse Q du fluide parcourant le tronçon de tube 1, comme il a été indiqué dans lademande de brevet précitée. Un autre dispositif, tel qu'un amplificateur A4 câ- blé en différentiel, permet de faire la différence (x - x') des signaux délivrés par les amplificateurs A1 et A2. le signal de sortie R de cet amplificateur - qui est proportionnel à la différence des efforts appliqués aux deux extrémités du tron çon de tube 1, et donc au couple appliqué audit tronçon - est appliqué à l'entrée d'un deuxième diviseur L 2. Ce dernier re çoit également un autre signal proportionnel à la valeur instan d2# tanée S de l'oscillation angulaire du rotor 33. Le diviseur dt2 délivre ainsi un signal de sortie T ~ R5 qui est fonction, conne on l'a vu, de la masse volumique "P" du fluide objet de la mesure. d2# On peut utiliser, pour déterminer , n'importe quel d+2 capteur d'oscillation classique. La figure 4 montre, à cet égard, une disposition avantageuse. Si le mouvement d'oscillation du rotor 33 était un mouvement purement sinusoïdal dans le temps, on aurait Q = #o Sin t la pulsation # de ce mouvement étant égale à la vitesse de rotation du disque moteur 41. l'oscillation angulaire de ce mouvement serait alors : En fait, la loi du mouvement n'est généralement pas purement sinusoïdale, mais l'on peut néanmoins trouver une fonction f(Q), telle que Un capteur C6 mesure l'élongation angulaire Q du rotor oscillant 33.Son signal, éventuellement conditionné dans un amplificateur A6, est envoyé dans un générateur de la fonction f(#) dont le signal est injecté à une entrée d'un premier dispositif multiplieur M1, dont l'autre entrée reçoit un signal proportionnel au carré de la vitesse de rotation u > du disque rotatif 41. Ce dernier signal est élaboré dans un deuxième dispositif multiplieur M2 qui reçoit un signal Lhj émis par un capteur C7 sensible à la vitesse de rotation du disque 41, le signal L étant éventuellement conditionné dans un amplificateur A7. le signal de sortie S du premier multiplieur M1 est, en définitive, proportionnel à oD2f(&commat;) et il est injecté, corme dénominateur, dans le diviseur #2 qui reçoit, par ailleurs, de A4 le signal R comme numérateur. lie diviseur #2 délivre donc un signal T = R qui est fonction de la masse vo #@f(#) lumique cherchée. Dans le cas d'application de l'invention à d'autres types d'appareils à tronçon de tube animé d'un mouvement alternatif, on appliquera un capteur d'effort à tout organe qui transmet ou reçoit l'effort qui crée le mouvement alternatif (bielles de transmission, axe de rotation, moteur, etc.), et on traitera le signal émis par ledit capteur, comme indiqué, par un signal fonction de l'accélération mesurée au même instant. Il va de soi que le mode de réalisation décrit n'est qu'un exemple et qu'il serait possible de le modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, dans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICAXIONS 1. Appareil de mesure de la masse volumique d1un fluide, caractérisé en ce qu'il comprend un tronçon de tube contenant le fluide, des moyens pour communiquer au tronçon de tube un mouvement alternatif, et des moyens de mesure de l'effort nécessaire pour communiquer au tronçon de tube son mouvement alternatif. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu?il comprend, en outre des moyens pour mesurer, au méme instant, I'aecélération du tronçon de tube. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, des moyens pour diviser le résultat de la mesure de 1 'effort par celui de la mesure de 1' ac- célération. 4. Appareil selon l'une quelconque des revendicatiens 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens pour communiquer au tronçon de tube son mouvement alternatif comprennent une structure de support animée d'un mouvement alternatif et reliée au tronçon de tube par au moins un organe de liaison; et en ce que les moyens de mesure d'effort comprennent des moyens pour mesurer l'effort auquel est soumis l'organe de liaison. 5. Appareil selon larevendication 4, caractérisé en ce que la structure de support comprend un carter fermé entourant le tronçon de tube et délimitant autour de ce dernier un espace clos rempli d'un liquide auxiliaire stagnant. 6. Appareil selnn l'une quelconque des revendications 1 à'5, caractérisé en ce que le mouvement alternatif est un mouvement d'oscillation autour d'un axe. 7. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens de mesure d'effort comprennent deux groupes de moyens de mesure espacés le long du tronçon de tube; et en ce que deux dispositifs permettent respectivement de faire la somme et la différence desré- sultans des deus mesures d'effort, l'un de ces dispositifs délivrant un signal fonction de la valeur de la masse volumique du fluide contenu dans le tronçon de tube, tandis que l'autre délire un signal fonction de la valeur du débit-masse d'un courant du fluide circulant dans le tronçon de tube.