Brevet FR2527774A1 — publié le 19831202

La présente invention concerne un appareil de mesure de fraction de vide gaz-liquide à micro-ondes et el- le a trait plus particulièrement à un appareil à cavité mi- cro-onde de résonance pour mesurer le rapport entre l'eau et la vapeur passant dans un tuyau. Une des quantités fondamentales nécessaires pour définir un écoulement à deux phases est la fraction de vi- de La mesure réelle peut se présenter sous différentes for- mes de manière à obtenir des valeurs localisées, des va- leurs moyennes sur cordes ou des valeurs moyennes en sec- tion droite Le type de mesure de fraction de vide utilisé et son succès dépendent de l'application Des procédés clas- siques de mesure localisée font intervenir une anémométrie à température constante, des sondes à fibres optiques, des sondes d'échantillonnage isocinétiques, des sondes de con- ductance et des microthermocouples Des procédés de moyen- ne sur corde utilisent habituellement des mesures d'atté- nuation de faisceaux de rayons gamma, de rayons X ou de neu- trons Des valeurs moyennes en section droite ou en volume peuvent être mesurées par des vannes à fermeture rapide,des Jauges capacitives, des Jauges de conductance de champ élec- trique tournant et des techniques de dispersion de neutrons. L'invention a pour but de fournir un appareil de mesure de fraction de vide gaz-liquide qui soit capable de déterminer rapidement le rapport du liquide au gaz passant dans un tuyau, qui ne perturbe pas le rapport ou n'interrom- pe pas l'écoulement. Ces ob Jectifs et d'autres de la présente inven- tion sont atteints par une cavité RF (micro-ondes) entou- rant un court tronçon du tuyau dans lequel le mélange gaz- liquide s'écoule et qui est un dispositif à champ dont la fréquence de résonance dépend de la constante diélectrique du mélange. Ce type de dispositif (cavité RF) a été utilisé pour des mesures de densité d'hydrogène (cf Wenger N C, Smetova 3, "Hydrogen Density Measurments Using an Open- Ended Microwave Cavity" IEEE Trans on Inst and Meas. Vol IM-21 N O 2, mai 1972) Cette publication ne décrit pas la fonction et l'appareil conformes à la présente in- vention. L'utilisation de dispositifs micro-ondes pour différents buts est connue et on a indiqué dans la suite des brevets correspondants à ce domaine brevet US 2 792 548, W D Hershberger, 15 mai 1957 brevet US 3 501 692, J H Kluck, 17 mars 1970 brevet US 3 612 996, W J Bleackley, 12 octobre 1971 brevet US 3 818 333, C W E Walker, 18 juin 1974 brevet US 4 042 879, Ho et al, 16 août 1977. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention seront mis en évidence dans la suite de la descrip- tion, donnée à titre illustratif et en référence aux des- sins annexés dans lesquels - Fig 1 est une vue latérale schématique en coupe de la jauge de vide. Fig 2 est une vue de face schématique et en cou- pe de la jauge. Fig 3 est une vue en coupe de la jauge montrant une première forme d'agencement de sonde. Fig 4 est une vue en coupe de la jauge montrant une seconde forme d'agencement de sonde. Fig 5 est une vue en coupe d'un système de dé- tection RF d'un double écoulement à deux phases et trois composants, et Fig 6 représente un dispositif typique d'exci- tation et de lecture. En référence aux figures 1 et 2, un tube 10 cana- lisant l'écoulement à deux phases à mesurer passe au cen- tre d'une cavité cylindrique formée par un carter 11 Cet- te cavité est excitée dans le mode TM 01 au moyen d'anten- nes 12 qui sont positionnées comme indiqué à l'intérieur du carter 11 Une cavité ayant une section droite prismati- que (triangulaire) elliptique ou rectangulaire peut aussi être utilisée et elle serait alors excitée dans le mode 3 2527774 TE 011 ou TE 101 Les deux agencements sont essentiellement les mêmes Les champs électriques sont parallèles au tube central-10, la puissance maximale du champ étant engendrée dans la zone o le tube est placé Le champ est excité en utilisant de petites boucles de couplage (antennes) 12 d'environ 0,1 fois les longueurs d'ondes (de la fréquence d'excitation) dans cette zone, lesdites antennes excitant un champ magnétique circonférentiel à l'axe central du tu- be Lors de l'excitation de la cavité, les boucles ou les sondes sont positionnées de manière que seul le mode fonda- mental soit engendré Le temps de réponse est rendu plus rapide en utilisant des boucles d'excitation multiples qui sont excitées en phase et avec une puissance égale Les boucles réceptrices (qui peuvent correspondre à deux des quatres boucles) sont placées par rapport aux boucles d'ex- citation de manière qu'une transmission de puissance s'ef- fectue dans le mode décrit Cela réduit l'excitation para- site et permet de suivre la variation désirée de la fré- quence de résonance lorsque le changement de résonance se produit pour différents rapports de fraction de vide. La figure 3 est une coupe d'un dispositif de tra- vail dans lequel la cavité micro-onde est formée par le tu- be 14 et o les plaques d'extrémité 15 -entourent le tube dans lequel passe la matière à mesurer Une énergie mi- cro-onde pénètre dans le tube au travers d'un manchon en céramique 13 L'antenne ou sonde 12 est simplement consti- tuée par une boucle de métal qui est mise à la masse d'un côté, l'entrée et la sortie se produisant à l'autre extré- mité Cette sonde est montée à l'aide de plaques 16 et 17 sur les côtés de la structure à cavité et l'entrée/sortie de puissance est faite par l'intermédiaire d'un raccord 18. La figure 4 est une coupe transversale montrant un type différent de montage de sondes 12 La sonde est montée dans un support d'antenne 19 et l'entrée/sortie de puissance est faite par l'intermédiaire d'un raccord 20 à l'aide d'un connecteur 21 Jusqu'à un réceptacle de sortie 22. La figure 5 représente un appareil pour me- surer un écoulement à trois composants et deux phases, par exemple unmélange d'une vapeur de gaz/condensa t de gaz/hui- le liquide ou eau Une cavité RF 31, comportant des son- des d'excitation et de captage 32, est disposée comme indi- qué autour du tuyau 30 canalisant l'écoulement Un tuyau de dérivation rentrant 40 évacue duliquide seulement à par- tir de la canalisation principale par l'intermédiaire d'u- ne cavité secondaire 41 contenant des sondes 42 La cavité principale 31 mesure le rapport entre la vapeur et le li- quide tandis que la cavité secondaire mesure le rapport en- tre le condensat de gaz et l'huile ou l'eau. La figure 6 représente un dispositif typique d'alimentation en énergie et de lecture qui est formé d'u- ne source d'entrée d'énergie d'excitation 50, d'un divi- seur de signaux 51, d'un diviseur de signaux de sortie 52 et d'un dispositif de lecture 53. L'énergie -entrante est constituée par une on- de sinusoïdale de 10 d Bmi (en référence à un niveau de 1 MW) et la cavité en résonance engendre un signal d'environ - d Bm Le signal d'entrée peut être appliqué à une ou plu- sieurs boucles de couplage en Parallèle ou bien par l'inter- médiaire d'un élément hybride à 900 Cela correspond à un diviseur de signaux qui engendre deux signaux de sortie (dé- calés enphase de 90 l'un par rapport à l'autre), à partir d'un signal d'entrée Les bou variante elles peuvent être reliées en parallèle La con- figuration d'entrée/sortie et le nombre total d'antennes ou boucles de couplage ne sont pas critiques, excepté qu'il doit exister aumoins une boucle d'entrée et une boucle de sortie Le nombre total d'antennes doit en conséquence être égal à 2 ou plus La cavité peut comporter un seul tube en. céramique assurant son blocage ou bien on peut adopter une autre conception, comme indiqué, faisant intervenir un châs- sis dans lequel pénètrent les fourreaux métalliques jusqu'à % de la longueur de la cavité dans cette dernière. REVENDICATIONS 1 Appareil de mesure de fraction de vide gaz-liquide pour mesurer le rapport entre un gaz et un li- quide passant dans un tuyau, caractérisé en ce qu'il com- prend: a) une structure ( 11, 14, 31) définissant une cavité micro-onde qui est positionnée sur et entoure le tube ( 10, 30) de manière que le tube passe au centre de la cavité, b) une première série de structures à son- des ( 12, 32) positionnées dans la cavité, c) une source d'alimentation ( 18, 20, 50) en courant électrique qui est reliée aux structures à son- des pour exciter la cavité à des fréquences micro-ondes et dans un mode de résonance de façon que le vecteur corres- pondant au champ électrique soit parallèle à l'écoulement passant dans le tube, d) une seconde série de structures à sondes ( 12) qui sont positionnées dans la cavité, et e) des moyens de mesure de fréquence électri- que ( 18, 52) qui sont reliés à la seconde série de sondes pour mesurer la fréquence de la cavité de résonance, ladite fréquence étant en relation avec la constante diélectrique du mélange et par conséquent avec le rapport entre le gaz et le liquide passant dans le tube. 2 Appareil de mesure de fraction de vide gaz- liquide selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre de structures de sondes à antennes ( 12) est de qua- tre, lesdites structures étant positionnées orthogonalement autour de la structure de cavité ( 11).