Brevet FR2485153A1 — publié le 19811224

Détecteur optique de positionnement de vanne. La présente invention est du domaine de la détection à distance de l'état ouvert ou fermé d'une vanne, et vise plus précisémment une détection de ce type utilisant des moyens optiques. I1 est souvent nécessaire de détecter l'état ouvert ou fermé d'une vanne et d'en communiquer le résultat à un lieu éloigné. Différents systèmes de ce type font état de l'utilisa- tion de détecteurs électriques qui ne se prêtent pas à être utilisés dans certains environnements hotiles. Par exemple, dans le domaine de la production de pé- - trole sous marine, le puits satellite sous-marin de production renferme un certain nombre de vannes de commande, dont les états respectifs doivent être surveillés à partir d'une station 1,5 éloignée, par exemple une plateforme de commande à la surface de l'eau. Les méthodes connues jusqu'à présent pour surveiller l'état d'une vanne de façon positive dans une tête de puits sous-marin font état de l'utilisation d'interrupteurs de seuil électriques ou de transducteurs de pression électrique sur les systèmes de commande de vannes sous-marines. Parfois, diffé- rents éléments du système de production sous-marin peuvent être réparés à distance de cette façon, le circuit électrique commu- niquant l'information concernant l'état de la vanne doit être interrompu et reconnecté sous l'eau à température ambianteo Une telle opération implique un certain nombre d'inconvénients. Par exemple la connexion électrique est suJette à un court-circui- tage dé à la pénétration de l'eau de mer et est en outre su- jette à une ouverture de circuit due à la contamination et à la corrosion. Des moyens sophistiqués pour empêcher totalement l'eau de mer de venir en contact avec la connexion augmente dans une mesure considérable le prix de revient du système. La présente invention se propose de ne plus faire appel 'à de tels interrupteurs actionnés électriquement et à de telles.connexionx électriques tout en fournissant cependant une indication positi- ve del'état de la vanne. L'invention a plus précisément pour objet de permet- tre une détection non-électrique du positionnement de la vanne dans son lieu d'implantation. L'invention a plus particulière- ment pour objet un détecteur de l'état d'une vanne présentant un élément indiquant le degré d'ouverture de la vanne et com- portant: des première et seconde fibres optiques alignées de façon à transmettre la lumière d'une source. - Un dispositif récepteur de lumière Positionné pour intercepter la lumière émanant de cette seconde fibre; - un modulateur rotatif à lumière disposé entre ces première et seconde fibres, ce modulateur étant disposé de sorte que l'élément lui imprime un certain mouvement. Le détecteur d'état de vanne selon la présente inven- tion utilise des techniques optiques et comporte un dispositif à fibres optiques définissant des première et seconde zones conductrices à lumière séparées mais optiquement alignées. Un transmetteur de lumière est prévu pour proJeter un faiseeau de lumière dans la première section et un dispositif récepteur de lumière est positionné pour intercepter la lumière émanant de la seconde section. Un dispositif modulateur rotatif de lu- mière est disposé entre les première et seconde zones et est susceptible d'être actionné pour moduler le passage de la lu-. mière de la première à la seconde zone selon l'orientation en position du modulateur rotatif à lumière. Ce modulateur est positionné au voisinage de la vanne à surveiller. La varnne sur- veillée comporte un élément mobile dont la position est indica- trice du degré d'ouverture de la vanne et un dispositif est prévu pour communiquer le mouvement de cet élément mobile au dispositif rotatif de modulation de la lumière pour le faire tourner et modifier son orientation en position de sorte que le dispositif récepteur de lumière peut de ce fait fournir une in- dication sur la lumière transmise par le modulateur, cette indi- cation étant fonction de la position de la vanne. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante d'une forme de réalisation non limitative de détecteurs de positionnement de vannes, en référence au des- sin annexé dans lequel: la figure i illustre de façon schématique une forme de réalisation de la présente invention; la figure 2 est une vue illustrant en outre le fonc- tionnement de la forme de réalisation de la figure 1; la figure 3 est une courbe illustrant le fonctionnement de la forme de réalisation illustrée sur la figure 1; la figure 4 est une vue en coupe transversale axiale d'un mécanisme susceptible de fonctionner dans la forme de réalisation de la figure 1; les figures 5 et 6 sont des vues respectives le long des lignes V-V et VI-VI de la figure 4; - les figures 6A et 6B illustrent le fonctionnement en rotation du mécanisme de la figure 6; lo la figure 7 illustre une autre forme de réalisation de l'invention; la figure 8 est un schéma de circuit illustrant le fonctionnement de la forme de réalisation de la figure 7; la figure 9 est une coupe transversale axiale illus- trant un carter pour l'un des disques représentés sur la fi- gure 7; la figure 10 illustre la production de deux faisceaux lumineux à partir d'une simple source de lumière; et la figure ll illustre le fonctionnement de la présente invention avec une section de fibre optique à double traJeto Bien que l'invention trouve une application dans un certain nombre de systèmes, o l'état de la vanne doit être sur- veillé, à partir d'un endroit éloigné, elle sera décrite en rapport avec un environnement sous-marin. Sur la figure 1, la vanne 10 peut être positionnée sur un"arbre de Noel" sous-marin d'un puits de production, cette vanne comportant un élément mobile 12, par exemple un arbre, mobile dans la direction de la flèche 13 lorsque la vanne est fermée et mobile dans la direc- tion de la flèche 14 lorsque la vanne est ouverte. Le degré d'ouverture de la vanne 10 doit être surveillé par une station de contrôle 16 qui peut être disposée en surface. L'appareil renferme un dispositif à fibres optiques 20 présen- tant des première et seconde sections conductrices de la lumiè- re 21 et 22, séparées l'une de l'autre mais optiquement alignées avec un mécanisme détecteur de position 24 disposé entre elles. Un transmetteur de lumière 26 disposé entre un carter étanche 28 et agencé pour projeter un faisceau de lumière dans la première section 21 à travers une fenêtre optique 30 du car- ter 28. La section conductrice de la lumière 21 renferme une zone conductrice 32 susceptible de s'accoupler avec un élément 34 d'alignement et de captage, relié au carter 28. L'utilisation de lubrifiants et de graisses de qualité optique est recomman- dée entre les organes en accouplement 32 et 34 pour aider à l'élimination de l'eau de mer et améliorer l'accouplement lumi- neux. La lumière transmise dans la section conductrice de lumière 21 et qui passe dans la section productrice de lumière 22 est dirigée à travers une fenêtre optique 36 vers un récep- teur détecteur de lumière 38, également disposé à l'intérieur du carter 28. L'extrémité de la section 22 renferme également une zone conductrice 40 susceptible de s'engager avec un élé- ment de captage et d'alignement 42. Un circuit électronique 44 reçoit de la puissance d'une station de contr8le 16 par l'intermédiaire de la ligne 46 et est susceptible de fonctionner pour communiquer au trans- metteur de lumière 26 un signal de transmission d'un faisceau lumineux dans l'agencement de fibres optiques 20. Le circuit électronique 44 est également susceptible de fonctionner pour recevoir un signal quelconque fourni par le récepteur de lumière 38 et pour interpréter un tel signal afin de fournir une indi- cation correspondante à la station de contr8le 16 au moyen de la ligne 48. Le mécanisme détecteur de position 24 renferme un dis- positif rotatif de modulation de la lumière qui est sensible au mouvement de l'arbre 12 pour, de ce fait, moduler la lumière transmise de la section 21 à la section 22 de sorte que le signal de sortie du circuit électronique 44 soit une indication de la position de l'arbre 12 et de fait une indication du degré d'ou- verture de la vanne 10. Un mécanisme pour réaliser cette modu- lation est illustré sur la figure 2. Dans une forme de réalisation de l'invention, l'appa- reil renferme un polariseur optique 54 et un analyseur optique 56 qui est susceptible de tourner dans deux directions comme indiqué par la flèche 58. L'arbre de vanne 12 renferme un agencement magnétique disposé au voisinage d'un élément 62 magnétiquement sensible disposé sur l'analyseur 56. Ainsi, comme l'arbre 12 se déplace à l'intérieur et à l'extérieur comme indiqué par la flèche 64, l'attractlon entre l'agencement magnétique 60 et l'élément 62 provoquera la rotation de l'analyseur 56 en fonction du mouve- ment de l'arbre 12. L'orientation positionnelle de l'analyseur 56 est alors une indication du degré d'ouverture de la vanne à laquelle l'arbre 12 est connecté, et ses orientations position- nelles qui modulent également l'intensité de la lumière trans- mise à partir de la section conductrice de lumière 21 à la sec- tion 22. Cette modulation de l'intensité de lumière en fonction de la rotation positionnelle de l'analyseur 56 est illustrée graphiquement sur la figure 3 dans laquelle l'orientation posi- tionnelle en degrés est portée sur l'axe horizontal tandis que la lumière relative transmise par l'analyseur 56 est portée sur l'axe vertical. A l'intérieur du degré limité de mouvement de l'analyseur 56, certains points limites TA, TB, TC sont établis sur la courbe et fournissent une indication de la condition de la vanne. Ainsi, si l'intensité de lumière reçue par le détec- teur 38 est au-dessus d'un seuil TB, cela peut être une indica- 2o tion que la vanne est dans un état ouvert. Si l'intensité de lumière tombe au-dessous d'un seuil TA, cela peut être une in- dication que la vanne est à l'état fermé Si l'intensité de lumière tombe au-dessous d'un niveau limite arbitraire TC, cela peut fournir une indication qu'un certain type de défaut s'est manifesté dans le mécanisme. Les figures 4, 5 et 6 illustrent en outre un mécanisme détecteur de positionnement 24 selon la forme de réalisation de polarisation de la figure 2. L'analyseur 54 peut être fixé dans une niche 66 d'un zone de carter 68 présentant une ouver- ture centrale traversante 73 pour la réception d'un sélecteur optique 70 situé à l'extrémité de la section conductrice de lumière 21. L'analyseur 56 est fixé solidement sur un élément 72 à l'intérieur d'une niche 74 de la partie de carter 76 et pré- sente une ouverture traversante centrale positionne autour du connecteur optique 78, tout en étant montée rotative par rapport à ce dernier. Un connecteur optique 78 est en communication op- tique avec une extrémité de la section conductrice de lumière 22. Un élément magnétiquement sensible 62, fixé à l'élément rotatif 72, est attiré par l'agencement magnétique d'un ar- bre de vanne pour provoquer la rotation de l'élément 72 et en conséquence la rotation de l'analyseur 56 à l'intérieur des limites de l'angle de débattement, afin d'obtenir la modulation lumineuse décrite ci-dessus. Ce fonctionnement peut être illus- tré par les figures 6A et 6B qui représentent l'élément magné- tiquement sensible 62 de la figure 6 dans ses deux positions extrêmes de traJet. Par exemple, l'agencement magnétique 60 peut compor- ter des aimants séparés 60a et 60b fixes à l'arbre de vanne 12. Dans la figure 6A, l'élément magnétiquement sensible 62 est en une position d'arrêt à droite déterminée par un épaule- ment 82 prévu dans le carter 76, et dans une telle position, peut indiquer un état de fermeture de vanne. Lorsque la-vanne s'ouvre, l'arbre 12 se déplace vers la droite (comme représenté sur la figure 6A) et l'aimant 60a provoque la rotation dans le sens des aiguilles d'une montre de l'élément 72 (et de ce fait de l'analyseur 56) Jusqu'à ce que l'élément magnétiquement sensible 62 arrive en une posi- tion d'arrêt à gauche aomme déterminé par l'épaulement 84 prévu dans le carter 76 et comme illustré par la figure 6B. La force magnétique de l'élément 60b maintient l'agencement dans cette position. 25. Après fermeture, l'arbre 12 se déplacera vers la droite et l'élément 60b provoquera la rotation contraire à celle des aiguilles d'une montre de l'élément 72 Jusqu'à ce que l'élément magnétiquement sensible 62 revienne dans la position illustrée sur la figure 6A et y soit maintenu par l'aimant 60a. Si on le désire, les niches peuvent être remplies d'un fluide transmettant la lumière de façon à fournir une compensation de pression aux profondeurs de fonctionnement. Ce fluide améliore également l'accouplement des sections con- ductrices de lumière 21 et 22. Dans certaines circonstances, il serait désirable de fournir un signal d'information en dépendant pas de l'ampli- tude, comme c'est le cas dans la forme de réalisation de la figure 2. Dans la forme de réalisation de l'invention illus- trée sur la figure 7, l'indépendance concernant l'amplitude de lumière est éliminée et cette forme de réalisation se prête elle-même facilement aux techniques de processus numériques. Interposé entre les sections 21 et 22 conductrices de la lumière, on a prévu un obturateur 90 monté en rotation autour d'un axe central a, vers les deux directions, comme Indiqué par la flèche 92. L'obturateur 90 comporte une zone transparente 94 qui permet la transmission de la lumière et une zone opaque 96 qui bloque la transmission de lumière à partir d'une zone 21 conductrice de lumière à une zone 22. L'obturateur 90 comporte un élément 98 magnétiquement sensible sur sa périphérie de sorte que, lorsque l'arbre 12 se déplace, l'agencement magnétique 60 provoque la rotation de l'obturateur 90. Si l'arbre 12 est illustré dans sa position la plus basse, indiquand une vanne fermée, le mouvement vers sa position ouverte fera que la zone opaque 96 de l'obturateur viendra s'interposer elle-même entre les première et seconde sections conductrices de la lumière 21 et 22, de sorte que l'absence d'un signal de sortie du détecteur 38 sera indicatrice de l'état de la vanne. Afin toutefois d'obtenir une indication plus positive, un second agencement similaire est prévu, comme indiqué par les références prime, la différence se situant dans l'orientation angulaire initiale des obturateurs 90 et 90'o C'est-à-dire que, comme indiqué sur la figure 7, les obturateurs sont orientés de telle sorte que lorsque l'un permet le passage de la lumière, l'autre viendra l'empêcher, et vice-versa. Ainsi, comme représenté sur le dessin, le détecteur 38 fournira un si- gnal de sortie tandis que le détecteur 38' ne le fournira pas. Lorsque l'arbre se déplace Jusqu'à une position supérieure pro- voquant la rotation dans le sens des aiguilles d'une montre de l'obturateur 90 et dans le sens contraire aux aiguilles d'une montre de l'obturateur 90', la situation s'inversera dtelle- même, de sorte que le.détecteur 38 ne fournira pas de signal.de sortie tandis que le détecteur 38' en fournira. La position de l'arbre de vanne 12 et en conséquence l'état ouvert ou fermé de la vanne peut être communiqué à la station de contrôle en surface au moyen du circuit d'interpré- tation illustré dans la figure 8. Ce circuit comprend deux bas- cules bistables 100 et 100' sensibles respectivement aux si- gnaux de sortie des détecteurs 38 et 38'. Si le détecteur 38 fournit un signal de sortie, il conditionnera la bascule bis- table 100 de sorte que le signal A est de niveau haut tandis que la signal X est de niveau bas. Si le détecteur 38 fournit un signal de sortSie, le détecteur 38' ne le fait pas et 1 'état de la bascule bistacle 100' sera tel que le signal de sortie B est de niveau bas et que le signal de sortie Best de niveau haut. Les signaux de sortie des bascules bistables sont four- nis à une série de portes 102 à 104, les portes 102 et 103 étant des portes ET et la porte 104 étant une porte exclusive NI. Ainsi, pour les cas illustrés à la figure 7 correspondant à une vanne fermée, le détecteur 38 émet un signal de sortie et le détecteur 38' ne le fait pas. Les signaux A et B sont à niveau haut, tandis que les signaux T et B sont, un niveau bas. Les deux signaux d'état élevé fournis à la porte ET 103 génèrent un signal de sortie indiquant un état fermé. Le mouvement de la tige de vanne à son extrémité oppo- sée lorsque la vanne est ouverte fera que la détecteur 38' four- nira un signal de sortie générant un signal b haut et un signal bas tandis que l'état du détecteur 38 fera que le signal A est haut et le signal A bas. Les deux signaux hauts fournis à la porte ET 102 produiront ainsi un signal de sortie indiquant une position ouverte. Si un défaut se produit de sorte que soit les deux sections transparentes, soit les deux sections opaques soient amenées dans le traJet lumineux, les détecteurs 38 et 38' four- niront tous les deux un signal de sortie ou n'en fourniront pas. Cet état peut 9tre indiqué par un signal de sortie à partir de la porte exclusive NI 104, indicatrice de la présence d'un dé- faut. Un agencement de volet typique est illustré en coupe transparente axiale sur la figure 9. La zone de carter 110 com- porte une niche 112 destinée à recevoir un volet 90 monté rota- tif autour d'un axe pivot 114. Une section conductrice de lu- mière 22 est fixée à la partie de carter 110 au moyen d'un con- necteur optique 116. La partie de carter 118 comporte simple- ment un connecteur optique 120 monté à une extrémité de la 2485 1 53 section conductrice de lumière 21. Bien que l'agencement de la figure 7 illustre deux transmetteurs de lumière distincts 26 et 26', un simple trans- metteur 122, comme illustré sur la figure 10, peut être utilisé. Le transmetteur de lumière 122 proJette un faisceau de lumière dans la section de fibre optique 124 et y est clivé en deux faisceaux destinés respectivement aux sections conductrices de lumière 21 et 21' au moyen d'un répartlteur optique de faisceau 126. Dans les formes de réalisation illustrées dans ce qui suit, l'appareil est conçu pour comporter des première et se- conde sections conductrices de lumière séparées mais optique- ment alignées. La figure ll illustre une forme de réalisation dans laquelle on peut éliminer une de ces sections en utilisant un dispositif à fibre optique fonctionnant comme conducteur bidirectionnel d'énergie lumineuse. L'agencement comporte un transmetteur optique 128 et un récepteur optique 130 qui sont connectés à un interrupteur transmission/réception 132 au moyen de dispositifs à fibres optiques 134 et 138. Un signal comme représenté par l'ondulation 138 fait que le transmetteur de lu- mière 128 fournit une impulsion d'énergie électrique qui tra- verse le dispositif à fibre optique 140 Jusqu'au mécanisme dé- tecteur de position 142 monté au voisinage de l'arbre 12 de la vanne 10. Le mécanisme détecteur de position 142 peut être du type de polarisation ou du type à obturateur optique décrit précédemment. Disposé sur le mécanisme détecteur de position 142 est prévu un miroir 144 agencé de sorte que la lumière transmise par l'agencement polariseur ou l'agencement à obtura- teur optique est réfléchie à nouveau à travers le dispositif à fibre optique 142 o l'interrupteur transmetteur/récepteur 132 la dirige vers le récepteur 130. Dans les agencements décrits ici, le mécanisme détec- teur de position et ses sections conductrices de lumière ou dispositif à fibres optiques peuvent être maintenues dans un site éloigné tandis que le transmetteur, le récepteur et le circuit électronique peuvent être séparés de ces derniers pour n'importe quelle nécessité de service, et accouplés à nouveau après réparation. Bien qu'il ait été décrit en relation avec la surveillance d'une vanne sous-marine, l'appareil selon l'inven- tion peut être utilisé dans n'importe quelle situation de dé- tection à distance y compris dans les environnements de champ électrique élevé ainsi que dans les environnements explosifs. REVENDICATIONS 1. Détecteur d'état de vanne possédant un élément indi- cateur du degré d'ouverture de la vanne, caractérisé par le fait qu'il comporte: - des première et seconde fibres optiques alignées pour transmettre la lumière à partir d'une source; - un dispositif récepteur de lumière positionné pour intercepter de la lumière provenant de cette seconde fibre; - un modulateur de lumière rotatif disposé entre cette première et cette seconde fibres, ce modulateur étant agencé de façon que l'élément imprime un mouvement au modulateur. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte un analyseur et un polariseur de lumière disposés sur le traJet de lumière des première et seconde fi- bres. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ees analyseur et polariseur de lumière sont dis- posés dansun milieu huileux conducteur de la lumière. 4. Appareil selon la revendication 1, 2 ou 3, caracté- risé par le fait que le modulateur de lumière est un obtura- teur rotatif. 5. Appareil comportant deux obturateurs et un équipe- ment annexe selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les obturateurs sont déplacés simultanément par cet élé- ment, et sont orientés de telle sorte que pendant le fonction- nement normal, seulement un desdits obturateurs permette une transmission de lumière à un moment donné. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu'il comporte un circuit (i) sensible à la lumière transmise par un obturateur et non par l'autre, afin de four- nir un signal de sortie indicateur d'un état de ladite vanne; (ii) sensible à la lumière transmise par l'autre obturateur et non le premier pour fournir un signal de sortie indicateur de l'autre condition de ladite vanne; (iii) sensible à la lu- mière transmise par les deux obturateurs en mSme temps ou bloqué par les deux obturateurs en même temps pour fournir un signal de sortie indicateur d'une condition de mauvais fonc- tionnement. 7. Appareil selon l'une des revendications 1 à 4, ca- ractérisé par le fait que la lumière venant frapper ce modula- teur est dirigée en retour par la première fibre conductrice de la lumière. 8. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'élément mobile se déplace linéairement, qu'il comporte,y monté, un dispositif magnétique, et que ce ou chaque modulateur de lumière rotatif comporte un élément magnétique- ment sensible situé au voisinage de ce dispositif magnétique.