Brevet FR2552876A1 — publié le 19850405

La présente invention concerne un système thermique de mesure de niveau de liquide Elle s'applique pour mesurer le niveau relatif ou absolu d'un liquide dans des récipients tels que, par exemple, les chaudières nucléaires de production de vapeur. Dans des récipients contenant un liquide, on a souvent besoin de connaître de façon précise la valeur du niveau de ce liquide Ces récipients peuvent être de formes variées et constitués de matériaux di10 vers En outre, les liquides contenus dans ceux-ci peuvent être à une température quelconque, sous une pression également quelconque Divers types de capteurs de mesure de niveau de liquide, à flotteurs, à tube de torsion, capacitifs, à pression différentiel15 le, etc sont utilisés de façon bien connue et conviennent en général dans de nombreux cas d'application Le type du capteur à utiliser est défini en fonction des conditions de service (pression, température, corrosion, etc) et des conditions d'installa20 tion. Toutefois, dans le cas o les grandeurs physiques varient rapidement, les capteurs de mesure ne fournissent pas toujours la réponse rapide et précise souhaitée. Principalement dans les chaudières nucléaires de production de vapeur, les différents matériels de mesure et particulièrement les capteurs de mesure de niveau doivent répondre aux critères énoncés cidessus avant et après un éventuel séisme ou une ruptu30 re du circuit primaire qui se traduit par une perte du fluide primaire Si à l'instant d'une éventuelle rupture, le fluide primaire se vaporise dans l'enceinte de confinement, il provoque une augmentation de la pression et de la température dans ladite enceinte. 35 Sous l'action des systèmes de sécurité et de sauvegar- de sont déclenchées parallèlement des actions d'injection d'eau dans le circuit primaire et d'aspersion dans l'enceinte On constate alors une augmentation du niveau d'eau dans l'enceinte de confinement, ainsi 5 qu'une élévation de la pression et de la température mais également une augmentation de la radioactivité. Cette radioactivité est, de façon connue, néfaste au bon fonctionnement des composants électroniques et à terme peut modifier les caractéristiques 10 de ceux-ci et de fait celles du capteur de niveau d'eau. Pour répondre aux problèmes évoqués ci-dessus, les capteurs de mesure en général et particulièrement les capteurs de niveau doivent répondre aux différents critères de qualification définis par les normalisations et réglementations en vigueur. Une solution consiste à utiliser des capteurs thermiques à résistance Le principe de fonctionnement de ces capteurs, connu en lui-même, repose 20 sur la mesure de la valeur d'une résistance variable chauffée. Dans la demande de brevet FR 2 219 402, il est décrit différents modes de réalisation d'un capteur à effet thermique Dans ce capteur qui comprend 25 une résistance de mesure et une résistance de chauffage sous gaine, la variation de température lors de son immersion dans un liquide sert à la détermination du niveau. La chaleur dissipée par cette résistance de 30 chauffage est transmise par convection au milieu ambiant contenu dans une enceinte Comme cette convection est plus importante dans le milieu liquide que dans le milieu gazeux, là température moyenne dans l'environnement de la résistance de mesure sera d'au35 tant plus faible que le niveau de liquide sera plus élevé La valeur de la résistance de mesure étant fonction de sa température, la détermination de cette valeur donne donc une information sur le niveau du liquide contenu dans l'enceinte Ce type de capteur résiste bien aux vibrations et également aux radia5 tions intenses si les matériaux qui le constituent sont correctement choisis. Dans ce mode de réalisation d'un capteur à effet thermique, le niveau de liquide doit être maintenu pendant une durée prédéterminée pour que l'ensem10 ble de détection délivre une indication sûre D'une façon générale, le système décrit dans la demande citée ci-dessus nécessite un temps de stabilisation plus ou moins important pour obtenir une température d'équilibre le long de la sonde de mesure En outre, 15 le coefficient d'échange thermique entre la sonde et le fluide mesuré varie avec la température propre du liquide et avec la température des vapeurs au-dessus du liquide. L'invention a pour but de remédier à ces in20 convénients et notamment de fournir un système thermique de mesure de niveau de liquide simple et insensible aux radiations, avec lequel on obtient des résultats de mesure sous forme d'un signal analogique précis, indépendant des températures ambiantes, avec un 25 temps de réponse très court. L'invention a pour objet un système thermique de mesure de niveau de liquide comprenant un capteur à effet thermique, avec une résistance de mesure et une résistance de chauffage sous gaine, dans lequel 30 la variation de température lors de son immersion dans un liquide sert à la détermination dudit niveau, caractérisé en ce qu'il comprend: un module commandant en régime impulsionnel un amplificateur de puissance, alimentant la résistance 35 de chauffage, _ un circuit d'adaptation, mesurant la tension aux bornes de la résistance de mesure, celle-ci étant alimentée par une source de courant constant, la sortie dudit circuit étant reliée en parallèle aux 5 entrées d'un certain nombre de filtres extrayant la composante continue et la coxcostante alternative du signal de mesure, la dernière étant à la même fréquence que l'alimentation de chauffage, un module de calcul, dans lequel la valeur du niveau 10 de liquide et sa température sont déterminées à partir des signaux de sortie des filtres et d'un signal fourni par des moyens de mesure de température du liquide et du milieu gazeux au-dessus du liquide. Selon une autre caractéristique, les fil 15 tres peuvent être au nombre de trois, à savoir: un premier filtre extrayant la composante continue de la tension de mesure, J un deuxième filtre donnant en sortie un signal proportionnel à l'amplitude de la composante alternati20 ve de la tension de mesure en phase avec le signal de chauffage, un troisième filtre donnant en sortie un signal proportionnel à l'amplitude de la composante alternative de la tension de mesure en quadrature avec le 25 signal de commande de chauffage, les trois filtres étant commandés par des signaux impulsionnels, engendrés par le module. Selon une autre caractéristique, le module de calcul comprend trois circuits de calcul dont la 30 somme des sorties délivre, à partir des trois signaux de sortie des filtres et du signal des moyens de mesure des températures du liquide et du milieu gazeux, les dérivées temporelles des estimations du niveau du liquide et de la température du liquide, ces dérivées 35 temporelles étant intégrées dans deux intégrateurs dont les sorties sont rebouclées sur les entrées de ces circuits de calcul afin d'itérer les valeurs de la température du liquide et de niveau selon la méthode des moindres carrés. Les caractéristiques de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre purement illustratif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 représente schématiquement un 10 capteur thermique utilisé dans le système de mesure de niveau selon l'invention, la figure 2 représente un diagramme montrant la température du liquide chauffé en régime impulsionnel, mesurée par la résistance de mesure en 15 fonction du temps, la figure 3 représente le schéma fonctionnel du circuit de traitement des signaux mesurés, la figure 4 représente schématiquement le module de calcul. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un capteur thermique utilisé dans le système de mesure de niveau de liquide selon l'invention. Dans une gaine 1, de préférence en acier inoxydable, sont disposés deux conducteurs isolés par 25 un isolant électrique, par exemple de la poudre d'alumine. Le premier conducteur représente une thermorésistance 2 de mesure La résistance de mesure 2 est alimentée par une source de courant continu cons30 tant, branchée aux bornes 5 et 6 La valeur de la thermorésistance 2 est fonction de la température du milieu ambiant L'écart de potentiel aux bornes 7 et 8 sert de signal de mesure. Le deuxième conducteur est une résistance de 35 chauffage 3 alimentée par un amplificateur de puissance aux bornes 9 et 10. La résistance de chauffage 3 est couplée thermiquement à la résistance de mesure 2 par l'intermédiaire d'un matériau isolant 4, par exemple de la poudre d'alumine, et l'ensemble de ces deux résistan5 ces 2 et 3 est en contact avec le milieu ambiant, dans lequel on veut mesurer le niveau de liquide 11. La température moyenne de la résistance de mesure résulte donc du bilan entre la puissance apportée par le chauffage et celle cédée au milieu ambiant 10 par convection Comme la convection est plus importante en milieu liquide qu'en milieu gazeux, cette température moyenne sera d'autant plus faible que le niveau de liquide sera plus élevé La valeur de la résistance étant fonction de la température, sa détermination 15 donnera donc une information sur le niveau de liquide dans le milieu ambiant. Selon un mode de réalisation, les résistances de chauffage et de mesure sont réunies dans un même câble étant constitué d'une gaine en acier inoxy20 dable Le câble est bobiné sur un support en acier inoxydable Cet ensemble est protégé mécaniquement par une grille métallique cylindrique. L'utilisation de ce capteur nécessite la résolution de deux problèmes: la température ambiante influence la valeur de la résistance de mesure et détériore ainsi la détermination du niveau de liquide, la durée de la mesure est relativement longue si on attend que le système ait atteint son équilibre. On emploie pour cela selon l'invention, un chauffage pulsé Sur la figure 2 est représentée la température du liquide chauffé en régime impulsionnel, mesurée par la résistance de mesure, en fonction du temps La réponse du capteur à un tel chauffage peut 35 être considérée comme la superposition de deux signaux: une composante continue C, dépendant de la puissance moyenne du chauffage (constante), de la température ambiante et du niveau du liquide, une composante alternative A, dont l'expérience a 5 montré qu'elle variait peu avec la température ambiante, et qui dépend donc essentiellement du niveau du liquide. La légère dépendance de la composante alternative A vis-à-vis de la température d'ambiance peut 10 être compensée au moyen de la composante continue C et de la différence de température ae du milieu liquide et du milieu gazeux, se trouvant au-dessus du liquide, mesurée au moyen de deux thermocouples 12, 13 en montage différentiel, dont l'un 13 se trouve dans 15 le liquide et l'autre 12 dans le milieu gazeux (les thermocouples 12, 13 sont représentés sur la figure 1). Des sondes à résistance pour la mesure de température en remplacement des thermocouples, peu20 vent aussi bien être utilisées. Ces sondes thermiques peuvent également être des sondes à résistance étant chauffées à la même fréquence et en phase avec le signal de chauffage des sondes de mesure Dans ce cas, on déduit les tempéra25 tures du liquide et du milieux gazeux au-dessus du liquide des valeurs différentes du flux de chaleur dans ces deux milieux. On dispose en effet de trois mesures (la valeur de la composante de température continue C, la 30 valeur de la composante alternative A et la différence de température A 8 entre la phase liquide et la phase gazeuse ou les températures absolues de ces deux phases) pour déterminer les trois paramètres inconnus: température du liquide e L 35 température du gaz ev, et niveau du liquide Y. Le schéma fonctionnel du circuit de traitement des signaux mesurés est représenté sur la figure 3 La résistance de chauffage 3 est alimentée par un amplificateur de puissance 14 La fréquence des impul5 sions de chauffage est définie par un module logique qui pilote l'amplificateur de puissance 14 avec un signal 16. L'élévation de la température est importante (de l'ordre de 1000 C par exemple) par rapport à 10 celle du liquide à mesurer Cet écart de température important permet d'améliorer la sensibilité de l'ensemble du capteur pendant les transitoires. La résistance de mesure 2 est alimentée par une source de courant constant 17 Un circuit d'adap15 tation 18 mesure la tension aux bornes 7 et 8 de ladite résistance Ce signal est proportionnel à la courbe montrée sur la figure 2 Le signal mesuré 19, c'est-àdire la tension, est appliqué à l'entrée de trois filtres 20, 21 et 22 Le premier filtre 20 extrait la 20 composante continue du signal mesuré Il est constitué d'un intégrateur et d'une mémoire à décalage L'intégrateur est commandé par un signal impulsionnel 23 venant du module 15 Le deuxième filtre 21 donne en sortie un signal proportionnel à l'amplitude de la compo25 sante alternative de la tension mesurée 19 en phase avec le signal de chauffage Il est constitué d'un système à découpage, commandé par le module 15, auquel est relié un intégrateur avec une mémoire à décalage. Le troisième filtre donne en sortie des signaux pro30 portionnels à l'amplitude de la composante alternative de la tension mesurée en quadrature avec le signal de chauffage Il est piloté aussi par le module 15, le signal découpé étant en quadrature avec le signal de commande 16 du chauffage. L'utilité du calcul des mesures en phase et en quadrature vient de ce que la variation de la ré- sistance de mesure présente avec le signal de chauffage un certain déphasage, variable avec la fréquence. On est ainsi assuré que l'un au moins de ces deux signaux ne sera pas nul Ils pourraient permettre en 5 outre de tenir compte d'une variation de la constante de temps du système, due par exemple au mouillage de la partie émergée du capteur. Les sorties des filtres 20, 21, 22 et le signal fourni par les thermocouples 12, 13 sont intro10 duits dans un module de calcul 29 représenté sur la figure 4 qui détermine la valeur du niveau de liquide et les températures du liquide et de la phase gazeuse. Les signaux Si délivrés par les filtres 20, 21, 22 ont la forme générale suivante: 15 Si = C Li (e L + Cvi (e V)) ; (i= 0, 1, 2) z O = Z est le niveau de liquide réduit, z étant la hauteur de liquide à mesurer, Z l'intervalle de mesu20 re; e L est la température de la phase liquide; V est la température de la phase vapeur (EV=OL+Ae); Cvi et C Li sont des fonctions qui dépendent de la fréquence et de la puissance de la composante alternative (V: vapeur, L: liquide, i repère du signal 50, Si, 25 52, venant des filtres 20, 21 et 22). Chacun des signaux de sortie des filtres 50, 51, 52 représente donc en partie l'évolution du niveau du liquide à mesurer. Selon l'invention, la résolution de ces 30 équations est réalisée par trois circuits de calcul , 31, 32 de la figure 4. Une des possibilités de résolution de ces équations, qui est utilisée effectivement dans ces circuits de calcul est de minimiser les écarts Si au 35 sens des moindres carrés: i = C Li (L)> + C Vi (V) ( 1 Si o e L et sont des valeurs calculées à partir des mesures précédentes. Cette méthode donne, pour les inconnues et e L les équations d'évolution suivantes: dt= G i (C Li Cvi) i= O de L 2 C dt E-G (i ae L + ( 1 E) i=OL o G est un gain ajusté de façon à obtenir un compromis entre la rapidité et la stabilité du circuit. Les circuits de calcul tendent alors à réduire l'écart entre les signaux d'entrée et l'une de 20 ces valeurs de sortie significative du niveau. Les sorties des circuits de calcul sont intégrées par des intégrateurs 33 et 34, dont les sorties 35 et 36 donnent: le signal analogique de valeur du niveau de liquide 25 J à la sortie 36, le signal analogique de valeur de la température du liquide e L à la sortie 35. Le signal analogique de la valeur de la température de la phase vapeur peut être obtenu en fai30 sant la différence entre le signal de température du liquide et le signal de différence de température délivré par les thermocouples 12, 13. Les circuits de calcul et les filtres décrits précédemment peuvent être réalisés par des opé- rateurs analogiques et logiques, ou également par des moyens numériques, câblés ou programmés. REVENDICATIONS 1 Système thermique de mesure de niveau de liquide comprenant un capteur à effet thermique, avec une résistance de mesure ( 2) et une résistance de 5 chauffage ( 3) sous gaine ( 1), dans lequel la variation de température lors de son immersion dans un liquide ( 11) sert à la détermination dudit niveau, caractérisé en ce qu'il comprend: un module ( 15) commandant en régime impulsionnel un 10 amplificateur de puissance ( 14), alimentant la résistance de chauffage ( 3), un circuit d'adaptation ( 18), mesurant la tension aux bornes ( 7, 8) de la résistance de mesure ( 2), celle-ci étant alimentée par une source de courant 15 constant ( 17) , la sortie dudit circuit étant reliée en parallèle aux entrées d'un certain nombre de filtres ( 20, 21, 22) extrayant la composante continue et la composante alternative du signal de mesure, la dernière étant à la même fréquence que l'alimenta20 tion de chauffage, un module de calcul ( 29) dans lequel la valeur du niveau de liquide et sa température sont déterminées à partir des signaux de sortie des filtres et d'un signal fourni par des moyens de mesure de températu25 re du liquide et du milieu gazeux au-dessus du liquide. 2 Système thermique de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les filtres peuvent être au nombre de trois, à savoir: un premier filtre ( 20) extrayant la composante continue de la tension de mesure, un deuxième filtre ( 21) donnant en sortie un signal proportionnel à l'amplitude de la composante alternative de la tension de mesure en phase avec le si35 gnal de chauffage, un troisième filtre ( 22) donnant en sortie un signal proportionnel à l'amplitude de la composante alternative de la tension de mesure-en quadrature avec le signal de commande de chauffage, les trois filtres étant commandés par des signaux impulsionnels, engendrés par le module ( 15). 3 Système thermique de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que le module de calcul ( 29) comprend trois circuits de calcul ( 30, 31, 10 32) dont la somme des sorties délivre, à partir des trois signaux de sortie des filtres ( 20, 21, 22) et du signal des moyens de mesure des températures du liquide et du milieu gazeux, les dérivées temporelles des estimations du niveau du liquide et de la température 15 du liquide, ces dérivées temporelles étant intégrées dans deux intégrateurs ( 33, 34) dont les sorties sont rebouclées sur les entrées de ces circuits de calcul afin d'itérer les valeurs de la température du liquide et de niveau selon la méthode des moindres carrés. 4 Système thermique de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de mesure de température sont des thermocouples. Système thermique de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de mesure de 25 température sont des sondes à résistance. 6 Système thermique de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de mesure de température sont des sondes à résistance, celles-ci étant chauffées à la même fréquence et en phase 30 avec le signal de chauffage des sondes de mesure.