Brevet FR2409491A1 — publié le 19790615

La présente invention concerne la mesure de fractions relative de liquide et vapeur dans un écoulement fluide en phases mélangées, comme cela se produit dans 11 eau bouillante, des écoulements turbulents non bouillants, des expériences en lit fluidise , des analyses de mélanges eau-gaz, le refroidissement des installations nucléaires et autres applications diverses. L'art antérieur comporte un certain nombre de tentatives mécaniques et électriques au problème, qui sont principalement limitées par leur incapacité de traiter effectivement le caractère non homogène d'un mélange de vapeur et de liquide à travers la section transversale d'un conduit dans la plupart des applications pratiques. C'est un objet important de l'invention de procurer une mesure des fractions de vapeur et de liquide dans un écoulement mélangé, en traitant efficacement le profil en section transversale non homogène de ces mélanges. C'est un autre objet de l'invention de procurer un appareil à longue durée d'utilisation, tenant compte des conditions de l'environnement comme les fluides corrosifs, la cavitation, la dilatation thermique et la contraction et la pression d'une façon efficace, offrant une fiabilité à long terme. C1 est un autre objet de l'invention de procurer une construction simple apportant une perburbation minimale sur le système qui est mesuré, en rapport avec un ou plusieurs des objets précédents. C'est un autre objet de l'invention de pouvoir supprimer les sources de lectureserratiquesen rapport avec un ou plusieurs des objets précédents. C'est un autre objet de lVinvention de permettre les mesures des caractéristiques du fluide en rapport avec un ou plusieurs des objets précédents. C'est un autre objet de ltinvention de procurer un dispositif économique répondant à un ou plusieurs des objets précédents. Selon l'invention, des mesures de conductibilité 5G1i+ faites dans chaque boucle de courant parmi plusieurs, comportant des trajeX électrolytiques conducteurs à travers la section transversale de l'écoulement à mesurer en un agencement distribué mais de préférence se recouvrant, la mesure de conductivité faite dans chaque boucle étant additionnée, et une source de champ électrique rotatif alimentant les boucles, de préférence pr wplication d'une tension multiphasée aux boucles en séquences, à une vitesse qui est élevée en comparaison de la vitesse d'écoulement du fluide, de façon que le fluide soit essentiellement au repos dans le but de l'addition des mesures.Une mesure séparée du liquide peut être faite de la même façon, et divisée en mesures de conductivité additionnées à travers l'écoulement en question, pour compenser les changements de conductivité en masse ou apparente dans le fluide qui est mesuré. La fréquence du champ appliqué pour la mesureê)aconductivité est de préférence de 1 à 30 kHz de préférence de 5 kHz, c'està-dire supérieure aux fréquences électriques courantes et bien inférieure aux hautes fréquences.Des lectures de la conductivité sont faites à travers une connexion à forte impédance de la boucle d'écoulement, et ltexctation de chaque boucle est obtenue à travers un transformateur d'isolement ayant une faible impédance de sortie, de façon que des changements de la conductivité du milieu en écoulement contrôlent principalement le courant à travers une boucle. Le champ électrique rotationnel est prévu à travers des paires multiples d'électrodes opposées, agencées pour produire le champ électrique rotationnel et la distribution indiqués ci-dessus. De plus, les électrodes et les isolateurs intermédiaires définissent entre eux une section transversale d'écoulement. Les interfaces entre les électrodes et les isolateurs intermédiaires permettent un mouvement relatif pour tenir compte des différences de dilatation et de contraction thermiques entre les matériaux des électrodes et des isolateurs, qui peuvent avoir des coefficients très différents de dilatation et de contraction thermiques, mais le long de plans qui ne traversent pas le centre du conduit pour éviter une charge excessive sur des pièces individuelles.Toutes les pièces dans 11 ensemble électrdes/isolateurs, sont ventée pour produire un équilibrage de pression vers la surface de la paroi externe d'un récipient sous pression (habituellement un tube) les contenant, ce qui réduit les nécessités structurelles des pièces individuelles, et ce qui donne des conditions permettant d'utiliser une charge par ressort sur les électrodes et un repèrage des surfaces glissantes de l'agencées ment. L'assemblage ne peut se coincer malgré les nécessités de pression et de dilatation/contraction de son fonctionnement. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci appareil tront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre, faite en référence aux dessins schématiques annexas donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels - la figure 1 donne le schéma bloc du système de mesure selon un mode de réalisation préféré de l'invention - la figure 1A donne un tracé tension-temps montrant la relation de phase du signal d'attaque de l'oscillateur par rapport à trois jeux de paires d'électrodes polarisées pour le mode de réalisation de la figure 1 - les figures 2 à 5 sont des vues en coupe transversale de l'agencement des électrodes, montrant la rotation du champ électrique avec les positions vectorielles correspondant aux positions indiquées comme fractions ou multiples de1r en radians de rotation sur la figure lA --les figures 6, 8 et 9 sont des vues en coupe transversale de l'agencement mécanique d'un ensemble d'électrodes de la figure 1, faites aux emplacements indiqués 6-6, 8-8 et 9-9 sur la figure 7 qui en est une vue en coupe longitudinale partielle. En se référant maintenant à la figure 1, on peut voir que la sonde selon l'invention comprend un conduit d'écoule- ment indiqué schématiquement en 10 et contenant des électrodes 11-16, câblées de façon que les électrodes Il et 12 forment une paire de pôles opposés dans une première phase indiqué comme la phase-A plus (+) et phase-A moins (-) et des paires semblables sont formées par les électrodes 13-14 et 15-16 pour les phases B et C respectivement. Les flèches indiquent la direction de l'écoulement travers le conduit des liquides dont les fractions liquide /vide doivent étre déterminées à travers le conduit 10.Un oscillateur triphasé, de 5 kHz indiqué en 20 applique des tensions aux circuits de commande 22, 24 et 26 pour les phases A, B et C respectivement, ce dernier étant indiqué en plus de détails et représentant les deux autres, et il comporte des bornes plus et moins pour connexion aux électrodes qui sont connectées aux sections SI et 52 des enroulements secondaires d'un transformateur, dont l'enroulement primaire P est connecté à la source de tension de l'oscillateur, les enroulements secondaires étant en série avec une résistance RLC de faible impédance ( de préférence 5-15 ohms) (qui est connectée dans un circuit en delta avec les résistances à faible impédance RLA et RLB (non représentées) des deux autres phases). Des prises sont effectuées des deux côtés de la résistance de charge à travers des amplificateurs directes A1 et A2 dont les sorties sont connectées à un amplificateur différentiel indiqué en DA, dont la sortie est prise à travers un filtre passe-haut fO et appliquée à un circuit d'addition 21 de valeursabsolues(redressées), avec un moyen de calibrage Z et S, qui produit un signal de sortie X qui peut étire divisé par un signal de référence Y en utilisant un multiplicateur/diviseur (par exemple multiplicateur/diviseur à quatre qJadrants 530J de Intronics).Le signal de référence Y est produit par un circuit de contrôle de référence RSe e et est appliqué à un circuit de valeur absolue|REFl, avec es moyens de calibrage Z et S pour produire un quotient qui peut étire appliqué à un appareil de mesure M pour indiquer le pourcentage de liquide dans la sonde. Le quotient est établi par une sonde de référence placée dans le liquide uniquement, et qui est également excitée par l'oscillateur 20. Comme on l'a indiqué ci-dessus, cela compense des changements de la conductivité apparente du milieu fluide passant par le conduit 10.La sonde de référence a des électrodes El, E2 (une seule paire) faites dans les mimes matériaux que les paires d'électrodes sur la sonde principale et un circuit de contrôle RS, qui est semblable auKcircuits 22, 24 et 26 à l'exception que sa résistance de charge n'est pas connectée aux résistances de charge des autres circuits ni à aucun autre circuit externe. Le transformateur d'isolement dans chaque circuit de con truble de phase a une faible impédance de sortie, de l'ordre de 10 à 50 ohms, et la résistance de charge de chaque bouche a mne valeur de charge de l'ordre de 10 ohms, ainsi des changements de conductivité entre des électrodes contr8leront principalement le courant à travers la boucle et par conséquent la tension à travers la résistance de charge représentera la conductivité réelle entre les électrodes. Le transformateur d'isolement empêche également des trajets de courant erratiques ou parasites à travers d'autres électrodes, dsautres sondes et les boucles de la masse. Pour assurer un équilibre des trajets des noeuds, trois résistances de forte valeur, c'est-à-dire de l'ordre de 1M ohm (non représentées) sont connectées entre chaque noeud de la configuration en en-delta de larésSyxBcede charge et la masse. Les entrées directes des deux amplificateurs opérationnels A1 et A2 sont employées pour produire des connexions en forte impédance (de l'ordre de 5 à 20M ohms) vers la résistance de charge, en diminuant la possibilité de trajets de courants étrangers Les sorties des amplificateurs operationnels A1 et A2 sont combinées par l'amplificateur différentiel DA pour former un signal référencé par rapport à la masse. Le filtre passe-haut f0 combiné aux caractéristiques de roulement à haute fréquence des amplificateurs opérationnels, forme un filtre passe-bande dont la caractéristique est centrée autour de la fréquence de fonctionnement du système. La fréquence de fonctionnement dans chaque phase établie par l'oscillateur triphasé est de l'ordre de 5 kHz, mais peut être aussi faible que 1 kHz ou atteindre 30 kHz. Cela est très différent des fréquences de fonctionnement et des équipements de puissance et des équipements radio ou haute frequence. Les amplificateurs opérationnels employés dans tout le circuit sont des dispositifs à entrée différentielle bipolaire ayant des impédances d'entrée élevées eut de sortie faibles; ils ont une construction en circuit intégré, et sont choisis de façon que leur coupure à haute fréquence soit plus forte que la fréquence de fonctionnement. En se référant maintenant-aux figures 6 à 9, la configuration mécanique de l'ensemble des électrodes peut comprendre six blocs isolateurs en céramique ayant une section transversale rectangulaire et des longueurs allongées, indiqués en 51, intercalés avec des blocs conducteurs hexagonaux 54 formant électrodes ayant des longueurs semblables, ces derniers étant supportés par des éléments périphériques d'espacement isolants 50 pour définir entre eux une section transversale centrale du conduit 10A qui a la même section transversale d'écoulement que les longueurs adjacentes du conduit dans le système dont le fluide doit être mesuré.L'agencement électrodes-isolateurs contient des caractéristiques pour éventer les forces de la pression de l'écoulement directement vers la pression externe, pour réduire les nécessités structurelles de chaque pièce interne de la sonde. Des capuchons extrêmes 56 sont prévus pour l'ensemble de la sonde, et ils sont séparés des électrodes 54 par des isolateurs extrêmes 52. Des bagues d'assemblage 57 montées à partir des capuchons extrêmes, maintiennent l'ensemble en place. Les électrodes 54 sont en dépouille à leurs extrémités en 55, pour laisser de la place pour des piles 58 de rondelles élastiques du type Belleville (et des goujons de mise en place des piles, non représentés) entre 50 et 54 pour forcer ces dernièrs vers l'intérieur jusqu,à ce qu' ils soient arrêtés par un contact interfacial de leur paroi 54W convergeant vers l'intérieur avec les parois droites des blocs 51, qui sont parallèles mais ne coincident pas avec les lignes radiales à partir du centre de l'ensemble. Les rondelles Belleville ont les caractéristiques de déviation nécessaires sous la force (ctest-à-dire force de 45,4 kg à une déviation de 1mm) pour produire la charge nécessaire dans le petit espace d'assemblage des électrodes. La convergeance vers l'intérieur des parois latérales internes des électrodes 54 est telle qu'ellesnesdint pas au centre du conduit mais plutôt à une faible distance de ce point, pour abaisser la charge se produisant sur des pièces individuelles. En se référant à la figure 6, on analysera un schéma des forces F appliquées par un ressort, agissant radialement vers l'intérieur contre les forces normales de réaction P, en coopération avec l'angle large de convergeance qui vient d'être mentionné (défini par le demi angle &alpha;), et un coefficient de frottement statique de jU. Pour que l'électrode 54 se retire plutt que d'être coincée lors d'une contraction radiale vers l'intérieur de l'ensemble (par exemple par suite de réductions rapides et importantes de température), F doit êtresupérieure à P. L'équation des forces qui en résulte est la suivante F = 2P (p cos Pour que la force F soit supérieure à la force P, le terme ( cos&alpha; + sin &alpha;) qui est fonction du frottement des surfaces électrod/isolateum ( ) et du demi-angle (k) de la section de calage (dont l'électrode représente une partie) doit être égal à 0,5 ou plus. Pour l'étendue à laquelle on peut s'attendre de valeurs de frottement des surfaces electrodssisolateurs cela peut très facilement être accompli siis intersections de la projection; des surfaces 54W des électrodes pour toutes les électrodes se coupent en un point situé entre l'électrode -et le centre du tube d'écoulement. Les segments d'isolement d' appui ou support 50 sont plus longs que les électrodes 54 d'une longueur légèrement supérieure à ce qui est requis, pour tenir compte de la différence de dilatation thermique des deux matériaux. Les longueurs des segments d'isolement 51 sont équivalentes à la distance entre les capuchons extrêmes 56, et ces isolateurs 51 sont maintenus par des goujons 59 à leurs extrémités, qui correspondent à des trous 56 H dans les capuchons extrêmes 56. Ces trous sont surdimensionnés pour permettre un léger déplacement radial des isolateurs 50 pour tenir compte de la pression interne et des dilatations des tubes dues à la pression, du fait des conditions extrêmes de température rencontrées avec certains écoulements à mesurer, tout en empêchant les isolateurs 51 de tomber dans la section transversale d'écoulement. Les matériaux de contruction des divers composants peuvent être tout conducteur pour les électrodes, structurellement capable de résister aux conditions d'écoulement de l'environne- ment, l'acier inoxydable étant préféré dans le cas d'eau bouillante et l'alumine fondre étant préféréepour les isolateurs dans de tels cas. Les parois latérales des électrodes peuvent Btre enduites d'un oxyde isolant par pulvérisation à la flamme ou autres méthodes, pour produire un isolement électrique et limiter les courants de fuite (c'est-à-dire vers les surfaces métalliques du récipient sous pression). Les ressorts S peuvent être entourés de Téflon ou autres manchonsisolants pour limiter de même les courants de fuite. L'ensemble électrodesisolateursest monté dans un tube PV du récipient sous pression, ayant des brides FL. La connexion électrique et l'alimentation de l'extérieur pour les six électrodes sont accomplies en utilisant des prises en céramique du type bougie d'allumage FT traversant une paroi externe (dont une est illustrée), et passant également par des trous 50 H dans l'isolateur 50, et qui sont connectées aux électrodes par le moyen de ressorts conducteurs de compression à boudin S. Les paires de ressorts S sont longitudinalement décalées. Pour insertion ou enlèvement de ltensemble dans ou hors du tube PV, les ressorts S et les prises d'alimentation FT sont retirés. Les configurations des piles de rondelles Belleville sont déterminées par les nécessités de charge spécifique et de déflection d'une ligne de fluide. De même, les connexions S par ressort vers les électrodes 50 sont déterminées par de telles caractéristiques. Le nombre et la longueur des électrodes peuvent varier en se basant sur des considérations électriques et spatiales pour une application donnée. En général, la longueur des électrodes doit étre dans une relation telle avec le débit du fluide que les mesures puissent étre prises comme si le fluide était au repos.Si le nombre d'électrodesest autre que six et si la forme des électrodes a des sections transversales autresquthexagonale, le maintien des surfaces glissantes entre les électrodes et les isolateurs dont les plans sont non conoentdques avec l'écoulement de pression vers le centre et un agencement en conséquence des électrodes et des isolateurs donneront des paramètres et des performances équivalents ou presque équivalents par rapport au mode de réalisation ci-dessus décrit. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits2 ainsi que leurs combinaisons2 si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Procédé pour déterminer des fractions de liquide et de vapeur dans un fluide -conducteur non homogène passant dans un conduit allongé avec un axe d'écoulement, caractérisé en ce qu'il consiste à Etablir un vecteur de champ électrique mobile par application d'une excitation électrique alternative polyphasée au fluide, par contact direct pour créer des lieux de courants alternatifs distribués mais se croisant à travers la section transversale dudit conduit sur une base récurrente cyclique, Mesurer et additionner les grandeurs de ces courants pour produire un signal de conductivité représentatif des fractions de liquide et de vapeur dans le fluide passant par le conduit. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qutune mesure de conductivité de référence monophasée séparée est faite, uniquement dans la fraction liquide, pour compenser des changements de conductivité apparente. 3. Dispositif pour mesurer des fractions de liquide et de vapeur dans un fluide selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend Des moyens pour établir des boucles conductrices comportant le fluide et une résistance de charge, lesdites boucles se recouvrant et étant distribuées dans la section transversale du conduit précité, chaque boucle étant excitée par une source de tension alternative déphasée par rapport à celle des autres boucles pour établir un vecteur de champ mobile. 4. Dispositif de mesure selon la revendication 3, caractérisé en ce qutil y a trois boucles, dont chacune comprend deux électrodes allongées et opposées définissant un conduit d'écoulement avec un axe d'écoulement, les paires d'électrodes étant placées sur des diamètres dudit conduit et s'étendant longitudinalement parallèlement à l'axe d'écoulement dudit conduit, et un transformateur d'isolement pour exciter chaque boucle, les résistances de charge desdites trois boucles étant agencées en circuiÇen delta, et chaque résistance de charge de chaque boucle étant placée entre des moitiés du secondaire divisé dudit transformateur dtisolement de ladite boucle. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend de plus un moyen de mesure de la conductivité à amplificateur différentiel pour diminuer les trajets de courant externe. 6. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend de plus des pièces d'espacement isolantes périphériquement entre les électrodes précitées et en ce que lesdites électrodes avec lesdites pièces d'isolement forment une surface externe d'un passage d'écoulement4 7.Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les électrodes précitées ont des configurations al section transversals hexagonales et en ce que les isolateurs intermédiaires précités sont de longs rectangles en section transversale , laissant un espace radial mort derrière chaque électrode, d'autres moyens isolants dans lesdits espaces morts ayant des longueurs sensiblement identiques à celles desdites électrodes, l'agencement isolateur étant maintenu par des chevilles et l'agencement électrodeisolateursétant configuré pour empêcher un affaissement vers l'intérieur et permettre des différènces de dilatation et de contraction thermiques entre des électrodes et des isolateurs par un mouvement coulissant le long des plans d'interface, qui ne coupent pas le centre du passage d'écoulement mais se coupent à peu de distance de lui. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les électrodes précitées sont en contact avec des organes de contact à ressorts radialement externes et des piles de rondelles Belleville de charge lors de leur dilatation vers l'extérieur. 9o Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend de plus un moyen définissant un récipient sous pression,les contacts précités étant ancrés sur ledit récipient, 100 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que trois paires de poles d'électrodes à des différences de phase électrique de 1200 sont prévues en agencement circulaire et sont excitées par une alimentation en tension commune à 1-30 Kz. 11. Procédé pour déterminer des fractions de liquide et de vapeur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un vecteur de champ électrique rotatif est établi.