Brevet FR2602329A1 — publié le 19880205

DEBITMETRE MAGNETOELECTRIQUE L'invention concerne un débitmètre magnétoélectrique du type comportant un chenal à parois en matériau diélectrique pour le passage d'un fluide, un dispositif de production de champ électrique alimenté par un circuit d'excitation et placé au voisinage du chenal de manière à créer dans le chenal un champ électrique dirigé transversalement à la direction de défilement du fluide, et un dispositif de mesure de champ magnétique placé au voisinage du chenal de manière à mesurer le flux magnétique engendré par le fluide traversant le champ électrique, ledit dispositif fournissant un signal représentatif du débit de fluide. La théorie d'un tel débitmètre est connue par le brevet US-A-3 286 522 dont on incorpore ici l'enseignement par référence. Ces débitmètres non intrusifs possèdent les me mes avantages que les débitmètres électromagnétiques classiques en réalisant en pratique une intégration de la vitesse du fluide en mouvement, indépendante du profil des vitesses et de la rhéologie du fluide. Mais alors que les débitmètres électromagnétiques ne fonctionnent pas avec des fluides isolants, les débitmètres magnétoélectriques opèrent au contraire exclusivement avec ces fluides. Quoique le brevet mentionné ci-dessus soit déjà ancien, il semble qu'aucun débitmètre magnétoélectrique n'ait été développé dans la pratique jusqu'à ce jour malgré le caractère.atuactif de la théorie. Une des raisons principales de cet échec pourrait être la grande difficulté de mise au point d'un dispositif de mesure satisfaisant, compte tenu du niveau très faible du signal utile produit par rapport aux signaux parasites dont il est difficile de se débarrasser. Le but de l'invention est de proposer un agencement de débitmètre conduisant à un appareil de mesure efficace et fiable. Ce but est atteint par le fait que le chenal a une section rectangulaire, que le dispositif de production de champ électrique comprend deux plaques d'électrodes placées symétriquement sur deux côtés opposés du chenal, chaque électrode étant reliée au circuit d'excitation par deux branches de connexion disposées symétriquement par rapport au dispositif de mesure, chaque électrode étant fendue en deux demiélectrodes symétriques reliée chacune par une des deux branches de connexion au circuit d'excitation, et que le dispositif de mesure du champ magnétique est disposé sur au moins l'un des deux autres côtés du chenal. Bien que l'on puisse envisager pour mesurer le flux magnétique des dispositifs divers, il est avantageux de choisir un dispositif constitué de deux bobines disposées symétriquement de chaque côté du chenal. Toutefois, contrairement à ce qu'on pourrait attendre compte tenu de la faiblesse du signal à mesurer, on choisira un nombre due spires restreint (de l'ordre d'un à quelques milliers) par rapport à ce qu'il serait logique d'adopter vpar exemple 80.000 spires) pour des raisons qui seront détaillées plus loin. La détection du champ sera toutefois améliorée grâce à un noyau de ferrite (qui, suffisamment isolant, ne laisse pas se développer de courants de Foucault). Un amplificateur de signal est prévu en sortie de bobines. L'invention repose sur une analyse fine des composantes de l'induction magnétique B. L'équation fondamentale régissant l'ensemble des phénomènes magnétiques peut s'écrire (quatrième équation de Maxwell) : V x B = Uc (j +p v + O + V x (P x v)) où p0 est la perméabilité du vide. Le dernier terme, où P est la polarisation et v la vitesse du fluide, représente la partie utile du champ, sur laquelle repose le principe de la mesure. Le terme j représente la densité des courants de conduction dans le fluide, et peut s'écrire oE où a est la conductivité du fluide et E le champ électrique, lequel, grâce à la forme donnée au chenal et aux électrodes, est sensiblement uniforme. Le champ magnétique tournant ainsi créé est sensiblement parallèle au plan des bobines, et est par ailleurs très faible compte tenu de la faible conductivité des fluides concernés (par exemple les hydrocarbures) puisque ce sont des isolants. On voit donc que, bien que ce champ soit en phase et ait la meme fréquence que le champ magnétique à mesurer, il ne perturbe pas la mesure d'une façon significative.En revanche, l'influence des courants de conduction traversant les connexions des électrodes doit être combattue, et l'est efficacement par la géométrie symétrique adoptée, comme cela sera expliqué en détails plus loin. Le terme pv, où p désigne la densité des charges du fluide et v sa vitesse, représente l'influence des charges électriques dues par exemple à la triboélectricité, charges qui par leur mouvement engendrent un champ magnétique non corrélé à la fréquence de travail et donc facile à discriminer. De plus, ce champ est parallèle au plan des bobines. Le terme O en revanche est particulièrement gênant. O est la dérivée par rapport au temps.du déplacement électrique et représente la densité des courants de déplacement, qui se superposent aux courants de conduction. Bien que le champ magnétique ainsi produit soit théoriquement en quadrature avec le champ à mesurer (D - iwE où i est le signe de l'imaginaire et w la fréquence), il est très genant en raison de son ampleur par rapport au champ à mesurer (il est de 103 à 104 plus élevé) ce qui conduit à des problèmes de saturation de l'instrument de mesure, et à une perturbation marquée sur la composante en phase si la quadrature n'est pas rigoureuse.Là encore, c'est grâce à la parfaite symétrie du dispositif de l'invention, et notamment des plaques d'électrodes, qu'il est possible de minimiser les effets de ces courants. Avec ce même souci de minimiser les courants de déplacement, on a intérêt à choisir une fréquence de travail relativement basse, de préférence entre 5 et 15kHZ, ce qui a également pour avantage de diminuer les courants de Foucault. La symétrie du dispositif de l'invention s'étend également au circuit électrique d'excitation et au circuit de réception du signal représentatif du débit de fluide. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante d'un mode préféré de réalisation. Il sera fait référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une perspective partiellement éclatée et arrachée d'un dispositif conforme à l'invention ; les figures 2, 3, 4 sont des vues en coupe respectivement longitudinale, transversale et horizontale du dispositif de la figure 1. la figure 5 est un schéma descifcuits électriques d'excitation des électrodes et de réception du signal de mesure. la figure 6 est un schéma de principe montrant la disposition et la densité du champ magnétique dû aux courants d'excitation, au niveau des électrodes. Le dispositif comporte un chenal 1 à section rectangulaire, dont les parois sont en matériau diélectrique (une matière plastique par exemple). Le chenal ménage un passage pour l'écoulement du liquide dont on cherche à mesurer le débit, et est donc relié à des conduites amont et aval non représentées. La section rectangulaire donnée au canal est préférée car elle permet d'obtenir à l'aide d'une paire de plaques d'électrodes placées symétriquement sur les deux grands côtés opposés du chenal, un champ électrique d'excitatio-n uniforme à lignes de champ bien définies parallèles aux petits cotés. Des plaques d'électrodes de polarisation 2 et 3, réalisées en matériauamagnétique sont noyées dans l'épaisseur des parois respectivement supérieure 4 et inférieure 5 du chenal 1. Chaque électrode 2,3 est sous forme d'une plaque fendue 2a,3b ; 3a,3b prolongée par des connexions symétriques longitudinales 6a,6b 7a,7b, également noyées, permettant leur raccord à d'autres connexions formant deux branches symétriques en L 8a,Bb et 9a,9b, elles-mêmes reliées en 10 et 11, par des connexions non représentées à un circuit d'alimenta.ion haute-tension. L'intéret de la configuration adoptée sera mieux compris à l'aide du schéma de la figure 6 qui montre d'une part les électrodes 2,3 et leur connexions 6,7 traversées par un courant +I/2,-I/2, et d'autre part la disposition du champ magnétique du aux courants d'excitation, ainsi que la densité desdits courants. Il convient d'abord d'observer le choix d'une alimentation symétrique +I/2,-I/2 qui a par ailleurs l'avantage de réduire les parasites dus à des couplages capacitifs. Les lignes du champ coupent le plan de la figure 6 perpendiculairement et sont en sens inverse de part et d'autre des fentes des électrodes. Par ailleurs, leur intensité, comme les densités des courant d'excitation représentés par la courbe D tracée en considérant l'électrode 2 comme abcisse, croit avec l'éloignement des fentes des électrodes.L'ensemble de ces mesures conduit à la minimisation la plus poussee du flux magnétique total traversant la zone entre plaques indiquée en pointillés, dans laquelle se situe le dispositif de mesure du champ magnétique utile. Dans le. voisinage latéral immédiat des électrodes 2 et 3 sont placées deux bobines 12 et 13 de détection enroulées autour des noyaux de ferrite en barres rectangulaires 14 et 15. Les bobines 12 et li ont un nombre de spires relativement restreint (par exemple un millier), ce qui évite une capacitance trop élevée risquant d'atténuer le signal. Dans un exemple de réalisation l'inductance était de 78mH pour chacune des bobines seules, et s'élevait à LOOCH avec le noyau de ferrite, valeur qui s est avérée constante sur une large gamme de fréquence allant jusqu'à 10 fois la frequence de travail (lOkHz). Le noyau de ferrite joue un rôle important puisqu'il fournit un chemin de faible réluctance magnétique pour le champ magnétique utile, de manière que la totalité de flux correspondant traverse les bobines 12,13. Les bobines 12,13 sont blindées contre les champs magnétiques dus au courants de déplacement et aux courants d'excitation. Le role du blindage est aussi d'éliminer les effets du couplage capacitif autour des électrodes et des bobines de détection, et d'atténuer les effets de rayonnements électromagnétiques externes, notamment dans les fréquences usuelles dans l'environ- nement (50 Hz en France). Toutefois, ce blindage doit être sensiblement transparent au champ utile à mesurer. L'efficacité du blindage d'une matériau dépend de trois composantes qui sont les pertes par absorption, les pertes par reflexion, et un facteur de correction tenant compte des réflexions multiples. En comparant divers matériaux et diverses épaisseurs de feuille, il a été trouvé qu'un blindage de fer doux de 4mm d'épaisseur (sauf à l'endroit où le champ utile doit pénétrer) est très efficace aux fréquences de travail : l'efficacité de blindagedépasse 200dB pour les champs électriques et 300dB pour les champs magnétiques. Le blindage comporte des coquilles cylindriques 16,17 en fer doux dont la périphérie est maintenue à distance des bobines 12 et 13 pour éviter tout couplage capacitif. La paroi externe 18,19 des coquilles, formant couvercle, est ajustable grâce à une vis de fer 20,21 prenant appui sur les noyaux 14,15. Un dispositif de maintien, constitué d'appuis 22 et de tiges filetées 23, relie mécaniquement et électriquement les deux coquilles cylindriques, de sorte que le blindage sert aussi à la fermeture des lignes de champ, ce qui conduit à une meilleure stabilité du système (le système est moins sujet aux perturbations dues aux influences extérieures). Pour laisser passer les champs qu'on cherche à détecter, le blindage de 4mm est remplacé, au niveau des noyaux 14,-15 de ferrite, par un mince feuillard 24,25 de 0,05mm (donc d'épaisseur inférieure à l'épaisseur de peau, de manière à bénéficier des effets des réflexions multiples). Ce feuillard ferme les bobines et évite des couplages capacitifs. Il participe également à la fermeture électrostatique du blindage. Le connexions 26,27 reliant les bobines à l'amplificateur 28 sont blindées par des tubes de cuivre, l'amplificateur 28 étant lui-même placé dans un boîtier de blindage métallique. L'ensemble du blindage est mis à la terre. La partie gauche de la figure 5 montre un mode de réalisation du circuit d'excitation 45 des électrodes, les alimentant en courant de haute tension et haute fréquence. Un générateur de signal alternatif 40 est relié aux entrées de deux amplificateurs de puissance 41a,41b au travers de condensateurs de liaison 42a,42b. A la sortie du premier amplificateur 41a sont reliées en parallèle les premières extrémités du bobinage primaire de deux transformateurs élévateurs 43a,43b ayant, par exemple, un rapport de transformation de 100. L'autre extrémité du bobinage primaire du premier transformateur 43a est mise à la terre, tandis que l'autre extrémité du bobinage primaire du second transformateur est connectée à la sortie du second amplificateur 41b à gain variable. Le réglage fin du gain du second amplificateur permet d'ajuster avec précision les tensions les plus basses des électrodes d'excitation 2,3. On commande à la fois la différence de potentiel entre les électrodes 2,3, et entre les électrodes et la terre, ce qui permet de mieux contrôler la symétrie de l'ensemble. Comme le déphasage entraîné par les deux amplificateurs 41 n'est pas exactement le même, une résistance ajustable 44 est interposée entre l'entrée du second amplificateur 41b et la terre pour introduire un déphasage ajustable. Les secondaires des transformateurs 43a,43b sont reliés aux électrodes 2,3 et aussi à deux diviseurs de tension semblables 46a,46b, composés de deux circuits mettant en parallèle une résistance et une capacité, dont les paramètres sont déterminés pour obtenir par exemple un rapport de division de 1 : 1000, avec une constante de temps identique. L'intérêt du signal obtenu aux sorties des diviseurs, relativement faible, mais proportionnel à la haute tension est multiple : il permet de contrôler les valeurs et la phase des courants dans les électrodes d'excitation 2,3 ; par ailleurs, il peut être utilisé pour déclencher la détection synchrone 49 ; cette détection de phase est impérative compte tenu des différents décalages de phase entre courants d'excitation, courants de déplacement et courants de mesure, comme on l'a vu plus haut. Un transformateur 48 est par ailleurs prévu sur le circuit haute-tension de manière à obtenir des informations tant quantitatives que qualitatives sur les courants passant dans le circuit, et pour détecter la saturation des transformateurs élévateurs 43a,43b, par exemple. Enfin, une inductance 47 en sortie de l'amplificateur 41a, permet de mieux piloter un circuit par ailleurs essentiellement capacitif. La partie droite du schéma de la figure 5 montre le circuit de réception du signal électrique parcourant s bobines 12,13. Les bobines 12,13 sont raccordées aux entrées d'un amplificateur différentiel 51 (par exemple un amplificateur d'instrumentation de marque PMI, type AMP 01 FX), à gain ajustable en fonction du rapport Zs/ZG, où Zs est réglable. La présence d'une capacité de 300nF en série avec une résistance de 300 Q pour ZG réalise une connexion de l'amplificateur en tant que filtre passe-haut, ce qui est nécessaire en raison des interférences 50 Hz dues aux lignes d'alimentation. L'amplificateur 51 est alimenté de façon symétrique, en courant continu -15V, +15V, par des connexions traversant le blindage 52, à la masse via des condensateurs de traversée 53, auxquels sont adjoints des perles de ferrite 54, l'ensemble étant destiné à atténuer les composantes hautes-fréquences qu'on pourrait observer. Ces hautes fréquences sont court-circuitées au travers des circuits capacitifs 55 vers la masse B du matériel. Il est à noter que la-masse B du matériel et la masse A du signal sont séparées. La référence de la masse de signal A est obtenue via la détection synchrone 49, et cette masse est par ailleurs relié au OV flottant de l'alimentation. Pour éviter au maximum les pertes de signal résultant de courts-circuits par couplage capacitif entre les fils 56 des bobines 12,13 et leur gaine de blindage 57, on emploie la technique- dite de garde active selon laquelle on pilote, grâce à des circuits de rétro-action comportant un amplificateur opérationnel 58, les blindages 57 au même potentiel que celui des fils 56. Enfin, comme la symétrie parfaite constitue un des éléments clefs du montage conforme à l'invention, on équilibre les éventuelles asymétries entre l'impédance des deux bobines 12,18 grâce à un potentionmètre 59 commun interposé sur le fil de retour entre les bobines 12,18 et la masse. Cette connexion sert par ailleurs à fournir un passage au courant de polarisation d'entrée de l'amplificateur 51. Exemple La figure 7 annexée représente l'enregistrement signal/débit obtenu pour une huile SF 32" de constante diélectrique = 2,3. Pour la référence, on a utilisé un débimètre classique à turbine. Gain du préamplificateur : 2000 Fréquence de travail : 10 kHz Champ électrique d'excitation : 250 kV/m Distance inter-électrodes: 14 mm (hauteur du chenal 10 mm + 2x2 mm d'isolation plexiglas). Longueur totale des deux demi-électrodes selon l'axe longitudinal (2a + 2b + fente entre 2a et 2b, par exemple 65 mm). On voit que 'on parvient à un signal proche de la théorie. REVENDICATIONS 1. Débitmètre magnétoélectrique du type comportant un chenal (1) à parois en matériau diélectrique pour le passage d'un fluide, un dispositif (2,3) de production de champ électrique alimenté par un circuit d'excitation (45) et placé au voisinage du chenal (1) de manière à créer dans le chenal un champ électrique dirigé transversalement à la direction de défilement du fluide, et un dispositif de mesure (12,13) de champ magnétique placé au voisinage du chenal (1) de manière à mesurer le flux magnétique engendré par le fluide traversant le champ électrique, ledit dispositif (12,13) fournissant un signal représentatif du débit de fluide, caractérisé en ce que le chenal (1) a une section rectangulaire, que le dispositif de production de champ électrique comprend deux plaques d'électrodes (2,3) placées symétriquement sur deux côtés opposés du chenal (1) chaque. électrode étant reliée au circuit d'excitation (45)pardeux branches de connexion (8,9) disposées symétriquement par rapport au dispositif de mesure (12,13), chaque électrode étant fendue en deux demi-électrodes symétriques (2a,2b;3a,3b) reliées chacune par une des deux branches (8a,8b;9a,9b) de connexion au circuit d'excitation (41), et en que le dispositif (12,13) de mesure du champ magnétique est disposé sur au moins l'un des deux autres côtés du chenal (1). 2. Débitmètre magnétoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de mesure du champ magnétique est constitué par deux bobines (12,13) disposées symétriquement de chaque côté du chenal (1). 3. Débitmètre magnétoélectrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque bobine (12,13) a une nombre de spires de l'ordre d'un à quelques milliers. 4. Débitmètre magnétoélectrique selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que chaque bobine (12,13) comporte un noyau de ferrite (14,15). 5. Débitmètre magnétoélectrique selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que chaque bobine (12,13) comporte un blindage en fer doux (16,17). 6. Débitmètre magnétoélectrique selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la fréquence de travail est comprise entre 5 et 15khi 7. Débitmètre magnétoélectrique selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé par la symétrie du circuit électrique d'excitation (45). 8. Débitmètre magnétoélectrique selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé par la symétrie du circuit de réception (50) du signal représentatif du débit de fluide.