Brevet FR2607250A1 — publié le 19880527

DEBITNETRE POUR FLUIDES DIELECTRIQUES, A INTERCORRELATION SUR BRUIT TRIBOELECTRIQUE ET APPLICATIONS NOTANNEET AUX FLUIDES DU SECTEUR PETROLIER La présente invention concerne la mesure de façon non intrusive du débit-volume d'un fluide de nature diélectrique s'écoulant dans une conduite. Un principe de mesure souvent employé est basé sur des techniques de corrélation. La méthode consiste à identifier des structures turbulentes telles que des tourbillons en deux points de la conduite séparés d'une certaine distance dans la direction axiale. L'intervalle de temps qui sépare l'identification de la même structure en regard desdits points est proportionnel à l'inverse de la vitesse moyenne de ladite structure, elle-meme liée au débit-volume. La méthode d'identification proprement dite est bien connue. Elle consiste à trouver l'abscisse du point correspondant au maximum de la fonction d'intercorrélation des signaux, généralement électriques, délivrés par deux capteurs primaires identiques situés sur la conduite et séparés d'une certaine distance axiale. Plusieurs principes physiques peuvent etre mis en oeuvre pour la réalisation desdits capteurs primaires. Dans tous les cas, leur signal de sortie doit être une signature de l'état turbulent de l'écoulement. On distingue notamment des capteurs de type ultrasoniques, acoustiques, optiques, de pression, capacitifs ou résistifs. La plupart de ces capteurs présentent l'inconvénient de ne pas faire une mesure parfaitement représentative de l'écoulement du fluide sur l'ensemble de la section du conduit. Par exemple, un capteur à ultrasons fait une mesure suivant une corde et un capteur capacitif privilégie un plan de symétrie particulier. I1 existe donc depuis longtemps un besoin, dans l'industrie pétrolière notamment, d'un débitmètre précis, fiable, simple d'emploi et robuste. La présente invention se rapporte à l'emploi de capteurs primaires basés sur la détection de charges électrostatiques générées naturellement par effet triboélectrique au sein d'un fluide diélectrique s'écoulant dans une conduite, et à la combinaison de ces capteurs primaires avec la technique d'intercorrélation des signaux. I1 a été découvert que cette combinaison répondait aux besoins spécifiques de l'industrie. La figure 1 représente une vue d'ensemble de l'invention. La figure 2 est une vue en coupe transversale du capteur primaire. La figure 3 représente une vue développée du capteur primaire. La figure 4 est une vue en coupe du capteur primaire. La figure 5 montre une réalisation de l'invention destinée plus particulièrement à la mesure de débit de fluides sous pression. La figure 6 est une vue en coupe montrant le principe de l'application donnée par la figure 5. La figure 7 est un exemple de courbe d'étalonnage obtenue avec un prototype construit selon l'invention. La figure 1 illustre l'invention dans son ensemble. Le débitmètre est composé d'un tube 1 réalisé en matériau diélectrique tel que polyurethane, teflon, plexiglas, céramique, etc... Les capteurs primaires 2.a et 2.b séparés d'une distance axiale d sont, dans un mode préféré de l'invention, disposés de manière à assurer un contact mécanique avec la manchette 1 sur l'ensemble de la circonférence de ladite manchette. Les capteurs primaires sont situés dans des plans parallèles perpendiculaires aux génératrices de la manchette 1. Les capteurs primaires faisant partie de la présente invention ont une symétrie parfaitement identique à celle du conduit et sont sensibles à l'ensemble de la section d'écoulement du fluide. Les capteurs 2.a et 2.b sont connectés à deux dispositifs électroniques 3.a et 3.b dont le rôle essentiel est de délivrer en sortie un signal électrique identique à celui d'entrée mais sous faible impédance de source. Les signaux de sortie des dispositifs électroniques 3.a et 3.b sont transmis à un dispositif de mesure et de calcul de la fonction d'intercorrélation 4. La figure 2 est une vue détaillée en coupe transversale d'un de ces capteurs primaires 2a ou 2b, constitué par deux antennes 2 et 5 réalisées en matériau conducteur. L'antenne interne 2, dite antenne de détection, est sensible à la présence de charges électrostatiques et constitue l'élément sensible proprement dit du capteur. Elle est entourée sur toute la circonférence du capteur par une antenne 5 de dimension transversale légèrement supérieure et dite antenne de garde. L'antenne de détection est isolée de l'antenne de garde par une couche de matériau diélectrique 6. L'antenne de détection 2 est connectée à l'entrée non inverseuse d'un amplificateur opérationnel 14 à trés haute impédance d'entrée. L'antenne de garde 5 est connectée à un boitier 12 réalisé en matériau conducteur et à l'intérieur duquel se trouve le dispositif amplificateur. Les connections entre les antennes 2.a et 2.b d'une part et les dispositifs électroniques 3.a et 3.b d'autre part sont dans un mode préféré de l'invention réalisées au moyen d'un cable coaxial 7. L'âme du cable coaxial est reliée d'une part à l'antenne de détection et autre part à l'entrée non inverseuse de l'amplificateur 14. La tresse du cable coaxial est connectée d'une part à l'électrode de garde 5 et d'autre part au boitier 12. La sortie de l'amplificateur 14 est rebouclée avec l'entrée inverseuse de façon à assurer un gain unitaire.La sortie de l'amplificateur 14 est également connectée au boitier 12 lui-même en contact électrique avec l'antenne de garde 5 par l'intermédiaire de la tresse du cable coaxial 7. Il s'agit d'une application du principe bien connu de la garde active : les pertes de signaux de l'antenne de détection 2 par couplage parasite sont considérablement réduites compte tenu du fait que ladite antenne est en tous points entourée d'une surface conductrice portée au même potentiel électrique. Une résistance 13 de trés forte valeur, dans tous les cas au moins égale à 500 M , est connectée entre la référence de l'instrumentation et l'entrée non inverseuse de l'amplificateur 14. Cette résistance permet aux courants de polarisation de l'amplificateur 14 de s'écouler et d'éviter ainsi la saturation dudit amplificateur. La figure 3 suggère un mode de fabrication du capteur constitué des antennes de détection 2.a, 2.b et des antennes de garde 5.a, 5.b. La figure 4 est une vue en coupe d'une partie de la figure 3. Un mode de réalisation préférée du capteur repose sur des techniques de photoerosion bien connues dans le domaine de la fabrication des circuits imprimés. On citera notamment la technologie circuit imprimé souple multicouches. L'épaisseur du substrat diélectrique 6 et/ou sa nature seront choisies de manière à assurer à l'ensemble du capteur la souplesse nécessaire de manière à pouvoir l'adapter sur la manchette 1. Ce mode de réalisation du capteur permet de s'assurer d'une part, du fait que les plans des antennes de détection sont rigoureusement parallèles et que, d'autre part, la distance d qui les sépare axialement reste constante. La figure 5 montre une réalisation de l'invention plus particulièrement destinée à la mesure de débit de fluides sous pression. Le conduit 8 est réalisé en métal amagnétique et plus particulièrement en titane ou en acier inoxydable. Chaque antenne 2, réalisée en circuit imprimé souple multicouches, est plaquée sur l'intérieur du conduit 8 et y est maintenue en place, éventuellement par collage. Le circuit imprimé souple se prolonge par une languette 7 contenant les connections de sortie de l'antenne, ceci de façon à éviter la connection par soudure d'un câble coaxial. Cette languette est partiellement surmoulée par un matériau diélectrique dur, du polyamide par exemple, à l'endroit de l'orifice de sortie 10 percé tangentiellement au diamètre du conduit. Le trou de sortie 10 comporte un filetage dans lequel est vissé un bouchon métallique 11 évidé en son axe de façon à laisser passer la languette 7. Ce bouchon 11 est destiné à reprendre les efforts exercés sur le surmoulage de la languette, sous l'effet de la forte pression (jusqu'à 100 MPa et au delà...) pouvant régner à l'intérieur du conduit. Une épaisseur uniforme d'un matériau diélectrique 9, résistant à l'abrasion, recouvre l'intérieur du conduit, isolant ainsi les antennes 2 du fluide circulant dans le conduit. Le matériau 9 sera de préférence choisi avec une dureté shore faible de façon à transmettre les pressions de manière hydrostatique. Ce matériau sera, dans un mode préféré de réalisation de l'invention, du polyuréthane. La réalisation de cette traversée fait également partie de l'invention. La figure 6 montre une réalisation de l'invention dans laquelle les antennes 2 sont plaquées à l'extérieur du conduit 8. Celui-ci doit alors être en matériau diélectrique. De façon à résister à l'effet de forte pression régnant au sein du fluide, selon une réalisation particulière de l'invention, le conduit 8 consiste en un matériau dit "composite" et plus particulièrement à base de fibres de verre, de carbone, aramide ou d'une céramique et plus particulièrement de l'alumine. La figure 7 est un exemple de courbe d'étalonnage d'un débitmètre construit selon l'invention. Le fluide utilisé est de l'huile hydraulique de type ISO HV E 32 dont la constante diélectrique est 2,30. La vitesse de référence est indiquée par un débitmètre à turbine. On a porté en ordonnée l'inverse du temps moyen correspondant au maximum de la fonction d'intercorrélation en fonction de la vitesse du fluide portée en abscisse. On constate une bonne linéarité de la courbe. L'étendue de mesure est plus importante que ce qui apparait sur la fig. 7 notamment pour ce qui concerne des vitesses de fluide supérieures à 15 m/s. Revendications : 1. Débitmètre pour fluides diélectriques caractérisé en ce qu'il comporte deux antennes (2.a)(2.b) de géométrie identique, en matériau conducteur de l'électricité, séparées du fluide à mesurer par un matériau diélectrique, disposées de manière telle que la position de l'une se déduit de l'autre par simple translation linéaire d'une distance non nulle parallèlement à la direction moyenne d'écoulement du fluide à proximité immédiate des deux antennes, et en ce que lesdites antennes sont chacune connectées à un dispositif électronique amplificateur de charge (3.a)(3.b), permettant la détection des charges électriques créées au sein des turbulences du fluide par effet triboélectrique et véhiculées par ledit fluide, et en ce que les signaux de sortie des deux dispositifs amplificateurs sont connectés à un dispositif électronique (4) réalisant leur intercorrelation, ledit dispositif produisant un signal de sortie fournissant une mesure du débit du fluide. 2. Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque antenne est constituée de deux conducteurs (2)(5) isolés l'un de l'autre par un matériau diélectrique (6), tels que le premier (dite antenne de détection (2)) est en regard du fluide alors que le deuxième (dite antenne de garde (5)) entoure le premier sans s'intercaler entre celui-ci et le fluide et en ce que chaque double antenne est reliée au dispositif électronique amplificateur au moyen d'une connection électrique (7) du type coaxiale, dans laquelle le conducteur central est connecté à l'antenne de détection alors que le conducteur périphérique est connecté d'une part à l'antenne de garde (5) et d'autre part à l'enveloppe conductrice (12) du boitier électronique. 3. Débitmètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque dispositif amplificateur de charge (3a) (3b) comporte un amplificateur opérationnel (14) à trés forte impédance d'entrée dont l'entrée signal positive est connectée d'une part à l'antenne de détection, d'autre part à une sortie potentiel zero via une resistance (13) de forte valeur et dont la sortie est connectée d'une part à l'entrée signal négative dudit amplificateur opérationnel, d'autre part à l'enveloppe conductrice du boitier électronique de façon à maintenir le potentiel de celui-ci égal à chaque instant à celui de l'antenne de détection, permettant ainsi d'annuler les pertes de signal entre l'antenne de détection et son entourage (garde active") 4.Débitmètre selon l'une quelconque des revendications -1 à 3, caractérisé en ce que les antennes ont une géométrie cylindrique et en ce que aucun obstacle n'est opposé à l'écoulement fluide dans la zone de mesure. 5. Débitmètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les antennes sont réalisées en technologie circuit imprimé souple multicouches et en ce que les connexions de sorties (7) sont réalisées dans le même circuit imprimé souple, dans le prolongement de chaque antenne. 6. Débitmètre delon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les antennes, de forme cylindrique, sont plaquées à l'intérieur d'un conduit cylindrique (8), éventuellement conducteur, et en ce que lesdites antennes sont séparées du fluide par une couche d'un matériau diélectrique (9) recouvrant d'une épaisseur uniforme l'intérieur dudit conduit. 7. Débitmètre selon la revendication 6, caractérisé en ce que le conduit (8) véhiculant le fluide est en métal et plus particulièrement de l'un des types suivants : titane, acier inoxydable, aluminium, et leur alliages, et en ce que le matériau diélectrique (9) recouvrant l'intérieur du conduit est en polyuréthane. 8. Débitmètre selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisée en ce que le conduit cylindrique (8) est percé de deux trous cylindriques (10) reliant l'intérieur et l'extérieur dudit conduit tangentiellement au diamètre intérieur de celui-ci, lesdits trous permettant le passage des connexions électriques (7) de chaque antenne, lesdites connexions (7) étant surmoulées d'un matériau diélectrique dur à l'endroit de leur passage dans lesdits trous et en ce que un bouchon métallique fileté (11), percé en son axe pour permettre le passage des connexions (7) est vissé dans chaque trou (10) de façon à assurer le blocage de l'ensemble. 9. Débitmètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les antennes, de forme cylindrique, sont plaquées à l'extérieur d'un conduit cylindrique (1) en matériau diélectrique. 10.Débitmètre selon la revendication 9, caractérisé en ce que le matériau diélectrique constituant le conduit 1 véhiculant le fluide peut être un matériau dit composite et plus particulièrement réalisé à partie de fibres de verre, de carbone ou aramide ou une céramique et plus particulièrement de l'alumine.