Brevet FR2585132A1 — publié le 19870123

"Perfectionnement aux minicalorimètres électriques" La présente invention concerne un dispositif destiné à la mesure de l'humidité de la vapeur d'eau. De manière connue, on utilise pour cette mesure un calorimètre électrique, couramment appelé "minicalorimètre", du fait de sa petite taille, que l'on dispose dans le passage du fluide, de la vapeur en l'espèce, orienté dans la direction de l'écoulement. Plus précisément, le calorimètre comporte une sonde qui prélève dans la veine d'écoulement du fluide un échantillon de celui-ci. Afin de permettre une mesure correcte de l'humidité du fluide il convient de préserver la condition d'isocinétisme, ce qui revient, en pratique, à assurer une vitesse d'écoulement du fluide à l'entrée de la sonde identique à celle de l'écoulement dans la veine. Pour ce faire, on règle la vitesse à l'entrée de la sonde de prélèvement en ajustant le débit de vapeur à la sortie du calorimètre, à l'aide d'une vanne de laminage, par exemple. La vitesse d'écoulement de la vapeur dans la veine est simplement mesurée séparément généralement à l'aide d'un anémoclinomètre. A la sortie du calorimètre, en aval de la vanne, la vapeur est envoyée dans un condenseur, pour être transformée en eau. Connaissant la vitesse d'écoulement de la vapeur, on mesure lè débit d'eau condensée recueillie à l'aide d'un puits étalonné et d'un chronomètre. A l'intérieur du calorimètre, on surchauffe la vapeur par des moyens appropriés, afin de la faire passer de l'état saturé à l'état surchauffé, état-dans lequel sa température augmente de façon inversement proportionnelle au débit-masse de l'eau condensée, et de façon proportionnelle à la puissance fournie par les moyens de surchauffe. I1 est aisé de connaître l'énergie procurée par les moyens de surchauffe. Tous les autres paramètres étant donc connus, par mesures appropriées, l'humidité de la vapeur se déduit directement de la quantité d'énergie, électrique dans la plupart des réalisations, fournie au système pour surchauffer la vapeur. Ce type de mesure est couramment utilisé pour établir, par exemple, une cartographie de l'humidité en aval d'une turbine à vapeur, ou plus généralement en tout lieu ou l'on désire connaître le taux d'humidité de la vapeur. Cependant, la précision de mesure obtenue suivant ce procédé est généralement considérée comme insuffisante. En effet, en l'absence de surchauffe complète de la vapeur, le fluide ne peut être homogène et contient des gouttelettes en suspension. Il en résulte un manque de stabilité thermique, et donc une variation de la mesure obtenue, donc une imprécision. L'objet de la présente invention est de remédier à cet inconvénient. Plus précisément, l'objet de la présente invention est un minicalorimètre permettant des mesures précises du titre d'humidité de la vapeur, par une surchauffe totale de celle-ci. A cet effet, un calorimètre selon l'invention notamment destiné à la mesure du titre de la vapeur, comportant une buse de prélèvement de vapeur, un conduit permettant l'écoulement de ladite vapeur, des moyens de chauffage de la vapeur, des moyens de mesure de température, des moyens de mesure de pression disposés dans ledit conduit sur le trajet de la vapeur et en aval des moyens de chauffage, des moyens de mesure de l'énergie consouée par lesdits moyens de chauffage, et des moyens d'évacuation de la vapeur, est caractérisé en ce que les moyens de chauffage sont constitués par au moins une résistance électrique entourant un tampon de fils métalliques, ledit tampon obstruant le conduit de manière à ralentir I' leieat de la vapeur. Ceci permet de ralentir la progression des gouttelettes en suspension dans la vapeur & proximité des moyens de chauffage, ce qui a pour effet de favoriser leur évaporation totale. Avantageusement, un calorimètre selon l'invention est caractérisé en ce que ladite résistance est disposée dans un tube bobiné à la périphérie d'un rétreint ménagé dans le conduit, l'espace contenu dans ledit rétreint étant entièrement occupé par ledit tampon et ledit tube bobiné, et en ce que ledit rétreint est constitué d'un tube réfractaire. Une telle disposition permet de chauffer de façon homogène un espace totalement occupé par le tampon de fils métalliques. Avantageusement, un calorimètre selon l'invention est de plus caractérisé en ce que ledit rétreint est précédé, en amont, d'une grille d'aubes comportant un axe coaxial avec le conduit, muni d'aubes fixes sollicitant en rotation la vapeur passant dans le conduit, et en ce que la grille d'aubes est précédée, en amont, d'un tronçon de conduit cylindrique dit tranquiliseur comportant des éléments plans s'étendant parallèlement à la direction d'écoulement du fluide et régulièrement espacés en superposition. Une telle disposition permet, par centrifugation de la vapeur de former un film d'eau annulaire qui s'évapore au contact de la résistance électrique. Le tampon recueille les gouttelettes qui sont - soit restées en suspension dans l'écoulement en amont de la résistance, - soit issues de projections dues å l'éventuel éclatement du film d'eau au contact de la résistance. Les caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un calorimètre selon l'invention, et la figure 2 est une représentation schématique d'un dispositif mettant en oeuvre un calorimètre tel que représenté en 1. Plus en détail, comme le représente la figure 1, un calorimètre 10 selon l'invention comporte un tube enveloppe cylindrique terminé à l'une de ses extrémités, dite aval, par un filetage externe, et à son autre extrémité, dite auront, par une buse dite de prélèvement 12, coudée à angle droit. Avantageusement, et notamment dans le mode de réalisation représenté, une telle buse est constituée d'un corps métallique, effilé vers l'embouchure de la buse de manière à présenter des lèvres d'épaisseur négligeable afin de ne pas perturber l'écoulement de la vapeur. L'extrémité aval du corps de la buse 12 est, dans le mode de réalisation représenté, terminée par une saillie axiale annulaire filetée permettant au corps de la buse de se fixer et d'assurer une étanchéité nécessaire avec le tube il fileté de manière complémentaire. Le tube enveloppe 11 enferme un conduit creux 13 reliant l'embouchure de la buse 12 à une sortie 14 constituée d'un orifice ménagé sur un côté du conduit 13. La sortie 14 est reliée à un tube d'évacuation 15 dont l'axe est sensiblement perpendiculaire à celui du tube enveloppe 11. De préférence, le tube d'évacuation 15 est raccordé à un tuyau souple de manière à permettre un débattement angulaire du calorimètre autour de son axe. L'extrémité filetée du tube enveloppe est obturée par un bouchon 16 disposé å l'intérieur de celle-ci. Un tel bouchon est percé d'un passage axial 17, sensiblement cylindrique dans le mode de réalisation de l'invention décrit, destiné à permettre à un objet cylindrique sensiblement de même diamètre que ledit passage 17 de traverser le bouchon 16. Une sonde 18 traverse le bouchon 16 par le passage 17 et pénètre à l'intérieur du conduit 13. Deux joints toriques 19 et 20, axialement espacés et logés dans des rainures annulaires ménagées à cet effet dans le bouchon 16 assurent l'étanchéité entre la sonde 18 et le passage 17, ces joints venant entourer la sonde. Deux autres joints toriques 21 et 22 assurent, de même, une étanchéité entre le tube enveloppe Il et le bouchon 16 qui l'obture, ces joints 21,22 étant logés respectivement dans deux rainures annulaires axialement espacées ménagées dans le bouchon. Le bouchon 16 présente un épaulement à son extrémité axiale située vers l'extérieur du tube-enveloppe 11, épaulement venant prendre appui sur le bord d'extrémité du tube-enveloppe qu'il obture. Un évidement cylindrique 23, creusé coaxialement dans le bouchon 16 vers l'intérieur du conduit 13 loge l'extrémité de la paroi de celui-ci qui l'épouse. - Un deuxième évidement cylindrique 24, de diamètre et de profondeur inférieure à ceux du dégagement 23, est ménagé à l'opposé de celui-ci, coaxialement au bouchon 16, vers l'extérieur du minicalorimètre 10. Ce dégagement constitue un logement pour un ressort 27 qui exerce une pression axiale sur une culasse 28 filetée par l'intérieur et pouvant ainsi se visser sur le filetage d'extrémité du tube enveloppe 11. Plus précisément, une telle culasse 28, de forme générale cylindrique, est creusée sur une partie de sa longueur axiale par un évidement cylindrique 29 coaxial dont une portion d'extrémité est filetée. Le fond de l'évidement 29 est creusé d'un deuxième évidement cylindrique 30 coaxial au premier plus petit, qui sert de logement à une extrémité du ressort 27. La partie pleine de la culasse 28, dans laquelle est ménagée un passage 17' de même diamètre que le passage 17, comporte deux entailles 31,32 selon deux plans normaux l'un à l'autre. L'entaille 31 est normale à l'axe général de la culasse 28, tandis que le plan de l'entaille 32 contient cet axe. Les deux entailles 31, 32 s'étendent sur une même profondeur, supérieure au rayon de la culasse. L'entaille 31 délimite une partie 33 de la culasse située à son extrémité pleine, partie 33 dite de serrage et scindée en deux moitiés par l'entaille 32. Un moyen de serrage 34, en l'espèce constitué d'une vis coopérant avec un logement fileté, permet de resserrer l'entaille 32, tendant ainsi à rapprocher les deux moitiés de la partie de serrage 33. Ce faisant, la partie de serrage 33 tend à bloquer la sonde 18 lorsque celle-ci traverse la culasse 28. La sonde 18 traverse la culasse 28, le bouchon 16, et pénètre dans le conduit 13 à l'intérieur duquel elle est supportée par trois ailettes 35 soudées à 120- sur son extrémité, disposées transversalement en étoile. De telles ailettes sont aptes à coulisser axialement dans le conduit 13. Ainsi, la position axiale de la sonde 18 dans le conduit 13 est réglable à volonté, et peut, une fois réglée, être bloquée par serrage de la partie de serrage 33 de la culasse 28. Plus en détail, la sonde 18 se présente sous la forme d'un tube se terminant en pointe à l'une de ses extrémités 36. Cette extrémité 36 est celle qui se trouve dans le conduit 13 lorsque la sonde est installée. L'extrémité 36 porte trois capteurs de température 37 se présentant, dans le mode de réalisation décrit, sous forme de filament en saillie à partir de la pointe de l'extrémité 36, l'un coaxialement avec la sonde 18, les deux autres divergeants. Axialement à proximité de l'extrémité 36, la sonde 18 porte une prise de pression 38, avantageusement disposée en amont des ailettes 35. Une telle prise de pression 38 est une simple ouverture débouchant sur un tube interne connecté à un capteur de pression extérieur à la sonde. Les capteurs 37 et la prise de pression 38 portés par la sonde 18 sont reliés & des moyens connecteurs (non représentés) dont les fils et le tube font saillie hors de l'extrémité opposée de la sonde 18. Ces moyens connecteurs comportent de plus des éléments de connection 39,40 fixés sur une plaquette 41 traversée par la sonde 18, cette plaquette se trouvant à l'extérieur du tube-enveloppe 11, et donc du conduit 13. La sonde 18 et la plaquette 41 sont fixéespar un moyen de serrage 42 solidaire de ladite plaquette, moyen similaire par sa structure à la partie de serrage 33 de la culasse 28, quoique plus petit de dimension. Le conduit 13, disposé à l'intérieur du tube-enveloppe 11 coaxialement à celui-ci, présente un diamètre extérieur tel qu'un espace annulaire 43 est préservé à sa périphérie, le séparant de la paroi interne du tube-enveloppe 11. L'espace annulaire ainsi délimité est obturé à une extrémité par le corps de la buse de prélèvement 12 et à l'autre extrémité par le bouchon 16. Un deuxième espace annulaire 44, concentrique, est délimité par un tube métallique 45 disposé entre le conduit 13 et le tube-enveloppe 11, son diamètre étant intermédiaire entre les diamètres externe et interne respectifs de ceux-ci. Deux bagues 46 obturent le deuxième espace annulaire entre le tube enveloppe 11 et le tube 45, l'une étant située en amont, contre le corps de la buse 12, et l'autre étant situé axialement en aval de la conduite 48 deux joints toriques 47 logés dans des rainures ménagées à cet effet dans les bagues 46 assurent l'étanchéité de chaque bague entre le tube-enveloppe 11. Une conduite de raccordement 48, en saillie radiale à partir du tube-enveloppe 11, relie le deuxième espace annulaire 44 à une pompe à vide (non représentée). Ainsi, l'espace annulaire 44, étant confiné de façon étanche, peut être mis sous vide. Ainsi, une enveloppe de vide peut entourer le conduit 13, ce qui assure une bonne isolation thermique de celui-ci, et évite notamment des pertes d'énergie fournie au calorimètre. Le conduit 13 est globalement constitué de quatre parties s'étendant en succession axiale, d'amont en aval, comme suit - une première partie 51 dite d'admission - une deuxième partie 52, dite de chauffage - une troisième partie 53, dite de mesure - une quatrième partie 54, dite terminale. Plus en détail, la partie d'admission 51 est globalement cylindrique, de préférence est constituée d'un tube cylindrique creux, de section transversale identique à la sortie de la buse 12 à laquelle elle est connectée. Elle comporte en amont un tranquiliseur 60 constitué d'un tronçon cylindrique comportant des éléments plans 61 s'étendant parallèlement à l'axe général du calorimètre 10, définissant la direction d'écoulement d'un fluide prélevé par la buse 12. Ainsi, la vapeur peut s'écouler à travers le calorimètre, en aval à partir du tranquiliseur 60 selon un flux laminaire jusqu'à une grille d'aubes 62. La grille d'aubes 62 est constituée d'un axe 63 concentrique au conduit fixe à l'intérieur de celui-ci, axe auquel sont rattachées des aubes 64 en forme de pales incurvées reliant l'axe 63 à partir duquel elles s'étendent radialement à la paroi du conduit 13. L'orientation des aubes 64, au nombre de quatre dans le mode de réalisation représenté, est circonférentiellement identique d'une aube à l'autre et leur espacement circonférentiel est constant. Afin de ne pas perturber l'action des aubes 64 sur l'écoulement de la vapeur, l'axe 63 est légèrement profilé. Plus précisément, il comporte, dans le mode de réalisation représenté, une tête hémisphérique située en amont, un tronçon principal cylindrique supportant les aubes 64 et présentant la même extension axiale que celle-ci, et une queue conique en aval. La grille d'aubes 62 imprime ainsi un mouvement rotatif à la vapeur qui la traverse, de manière å la centrifuger. La partie d'admission 51 est connectée à la partie de chauffage 52 par l'intermédiaire d'une jonction annulaire à section axiale en L, la partie saillante de la partie d'admission 51 coopérant avec la partie en récession de la partie de chauffage 52, ces deux parties s'interpénétrant axialement. La partie de chauffage 52, constituée d'un'tube cylindrique en matériau réfractaire, présente un premier segment de jonction 65 en amont présentant un diamètre interne amont identique à celui de la partie d'admission 51 et un diamètre interne aval plus petit, identique à celui du deuxième segment, ou rétreint 66. En pratique, la partie de chauffage 52 est principalement constituée du rétreint 66 et d'éléments y contenus, la partie de jonction 65 ayant pour rôle d'éviter une brusque rupture de section du conduit 13. La paroi interne du rétreint 66 est recouverte d'une résistance 67 interne à un tube 69 bobiné à la manière d'un solénoïde. L'espace cylindrique défini par l'intérieur de la résistance 67 et du tube 69 bobinés est rempli d'un tampon de fils métalliques enchevêtrés 68, qui obstrue globalement la totalité de cet espace. De part sa construction, la résistance 67 est coaxiale au tube 69 réalisé en acier inoxydable. Elle est brasée étanche à son extrémité amont sur ce tube. Celui-ci transmet par rayonnement l'énergie calorifique de la résistance électrique. Le tube est brasé au conduit 13 lors de la traversée de celui-ci, immédiatement en aval de la partie de chauffage 52. il chemine dans l'espace annulaire orpris entre ce conduit et le tube 45. La résistance est raccordée à un fil conducteur par des moyens de connexion, ce dernier sortant de l'appareil en aval de la bague 46. L'alimentation de la résistance en énergie électrique se fait entre le fil conducteur et la masse métallique du calorimètre 10. La partie de chauffage 52 est connectée à une partie de mesure 53 constituée d'un tube métallique mince, de diamètre interne supérieur à celui du rétreint qui s'emboîte dans un logement annulaire ménagé à cet effet dans la partie de chauffage 52. La transition entre la partie de chauffage 52 et la partie de mesure 53 s'effectue brutalement, présentant une discontinuité de section transversale interne à la jonction entre ces deux parties. Un fil connecteur traverse la paroi de la partie de mesure de façon étanche, et relie la résistance 67 à un bornier terminal (non représenté). La partie terminale 54 présente une section transversale interne identique à celle de la partie de mesure qu'elle prolonge. Elle est constituée d'un tube serti dans l'évidement cylindrique 23 du bouchon 16, qui en obture l'extrémité. Une ouverture 14 est ménagée dans la partie inférieure du tube, mettant ainsi en communication l'intérieur de celui-ci avec le tube d'évacuation 15. Comme le représente la figure 2, le tube d'évacuation 15 connecte le calorimètre 10 à un condenseur 70 par l'intermédiaire d'une vanne de réglage du débit 71. Une telle vanne, connue en soi, fait partie d'un dispositif de mesure du titre de la vapeur comportant le calorimètre 10 décrit précédemment, un condenseur 70 relié au calorimètre par un conduit interrompu par la vanne 71 de réglage du débit, un puits de mesure 72 et un dispositif de lecture du niveau 73 de liquide recueilli dans le puits. Le fonctionnement du calorimètre 10 tel que décrit précédemment présente l'avantage de permettre l'obtention d'une vapeur totalement sèche, condition nécessaire à une mesure efficace du titre de la vapeur dans une veine d'écoulement. A cette fin, la vapeur prélevée par la buse 12 traverse le tranquiliseur 61 qui lui confère un écoulement lamanavre. L passage tK lez vapeur dans la grille à aubes 62 lui imprime un mouvement rotationnel qui provoque une centrifugation des gouttelettes en suspension. Cette centrifugation forme un film d'eau qui se dépose en paroi du conduit 13. A l'entrée de la section de chauffage 52, le fluide est composé d'une phase aqueuse qui sera vaporisée au contact de la paroi chauffaSe du tube 69, et d'une phase gazeuse comportant encore des gouttelettes en suspension qui seront retenues par le tampon de fils métalliques enchevêtrés et chauffés par le tube chauffant 69 et vaporisés. Ce tampon recueille également les gouttes éventuellement issues de l'éclatement du film d'eau au contact de la résistance électrique. La présence du tampon 66 dans le conduit a pour effet secondaire, néanmoins, de réduire la vitesse d'écoulement de la vapeur et de créer ainsi une perte de charge de vapeur. Un compromis doit par conséquent être trouvé entre un tampon de densité trop faible, ne garantissant pas une évaporation totale de la phase aqueuse du mélange de vapeur, et un tampon de densité trop forte freinant trop l'écoulement de la vapeur, et ne laissant pas de marge de réglage du débit permettant de préserver la condition d'isocinétisme. La vapeur sèche, dite surchauffée, présente une température directement proportionnelle à l'énergie électrique qui lui est fournie, ce qui permet, tous les paramètres étant connus ou mesurés, d'obtenir par calcul à partir de la lecture du débit d'eau condensée à l'aide du lecteur de niveau 73, le titre de la vapeur. La présente invention ne se limite pas au mode de réalisation préférentiel décrit, mais englobe toutes variantes d'exécution qui pourraient être apportés par l'homme de l'art, notamment en ce qui concerne la réalisation des principaux éléments du calorimètre. REVENDICATIONS 1) Calorimètre notamment destiné à la mesure du titre de la vapeur, comportant une buse de prélèvement de vapeur, un conduit permettant l'écoulement de ladite vapeur, des moyens de chauffage de la vapeur, des moyens de mesure de température, des moyens de mesure de pression disposés dans ledit conduit sur le trajet de la vapeur et en aval des moyens de chauffage, des moyens de mesure de l'énergie consommée par lesdits moyens de chauffage, et des moyens d'évacuation de la vapeur, calorimètre caractérisé en ce que les moyens de chauffage sont constitués par au moins une résistance électrique (67) entourant un tampon de fils métalliques (68), ledit tampon obstruant le conduit (13) de manière & ralentir l'écoulement de la vapeur. 2) Calorimètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite résistance (67) est disposée dans un tube bobiné 69 & la périphérie d'un rétreint (66) ménagé dans le conduit, l'espace contenu dans ledit rétreint étant entièrement occupé par ledit tampon et ledit tube bobiné. 3) Calorimètre selon la revendication 2 caractérisé en ce que ledit rétreint (66) est constitué d'un tube réfractaire. 4) Calorimètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit rétreint (66) est précédé, en amont, d'une grille d'aubes (62) comportant un axe coaxial avec le conduit, muni d'aubes fixes (64) sollicitant en rotation la vapeur passant dans le conduit. 5) Calorimètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la grille d'aubes (62) est précédée, en amont, d'un tronçon de conduit cylindrique dit tranquiliseur (60) comportant des éléments plans (61) s'étendant parallèlement à la direction d'écoulement du fluide et régulièrement espacés en superposition. 6) Calorimètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tranquiliseur (60) est relié, en amont, à une buse (12) dont la section transversale se rétrécit vers l'amont, ladite buse étant coudée sensiblement à angle droit. 7) Calorimètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de mesure de température et les moyens de mesure de pression sont des capteurs 37 et une prise de pression 38 portés par une sonde (18) de position réglable axialement dans une partie cylindrique du conduit située en aval du rétreint. 8) Calorimètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une enveloppe (45) confinant un espace (44)pouvant être mis sous vide, ledit espace étant muni de moyens de mise sous vide, entoure le conduit (13). 9) Dispositif de mesure de l'humidité de vapeur d'eau, caractérisé en ce qu'il comporte un calorimètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, une vanne (71) de réglage du débit de prélèvement en aval des moyens d'évacuation du fluide, un condenseur (70), et un puits de mesure (72) muni d'un dispositif (73) de lecture du niveau de liquide recueilli dans le puits.