Brevet FR2661002A1 — publié le 19911018

La présente invention concerne un procédé pour la détection d'interphases ou respectivement d'empilages de différents liquides immiscibles et se séparant par séparation par gravité, ainsi qu'un appareil de mesure pour la mise en oeuvre du procédé. Pour reconnaître les interphases ou respectivement les empilages de différents liquides immiscibles et se séparant par séparation par gravité, on connaît déjà divers procédés de mesure On peut mesurer la hauteur manométrique et le poids spécifique des divers liquides et on peut calculer l'interphase en formant un rapport des poids spécifiques, avec normalisation aux hauteurs manométriques mesurées De tels procédés sont insuffisants lorsque le poids spécifique d'un ou plusieurs des liquides participant varie fortement, ne peut être obtenu avec une précision suffisante ou bien si la façon dont le procédé est mené dans les récipients est prioritaire sur les valeurs de mesure, ce qui peut par exemple se produire du fait de 1 iaction de variations externes de pression en raison de processus d'accélération à l'intérieur des liquides ou bien par des influences étrangères hydrostatiques On connaît de plus des procédés de mesure par conduction, o la conductivité électrique des liquides est mesurée lorsque ceux-ci présentent une différence importante se rapportant à la conductivité électrique. Cela présente l'inconvénient qu'au moins l'un des liquides recouvre les électrodes du capteur en raison de l'adhérence et de la viscosité et qu'un nettoyage automatique au cours du procédé n'a pa lieu, donc les valeurs de mesure sont falsifiées Dans des procédés de mesure capacitive également connus, la constante diélectrique est mesurée en présence d'au moins un liquide qui n'est pas électriquement conducteur Ce procédé de mesure ne fonctionne pas lorsque la conductivité de la phase non conductrice dépasse, par exemple, la valeur de à 50 milli-siemens Cela peut se produire lorsque deux liquides qui normalement ne sont pas miscibles l'une avec l'autre forment une phase intermédiaire ayant la configuration d'une émulsion stable Un tel cas peut par exemple se présenter dans le cas d'un système à plusieurs phases eau (de mer) et liquides organiques On peut obtenir une émulsion stable en présence d'un agent émulsionnant naturel ou synthétique La couche limite entre une telle émulsion avec, par exemple, une proportion d'eau de mer de plus de 50 %, qui en raison d'un poids spécifique minime surnage, et l'eau libre dans la fosse d'un récipient ou appareil ne peut être reconnue par des mesures capacitives en raison de la conductivité de l'émulsion qui est identique à celle de l'eau Il est de plus possible de suivre, par mesure du poids spécifique, le mouvement d'une interphase On suppose dans ce cas que des différences importantes du paramètre poids spécifique donnent une information Lorsque des viscosités fortement variables, par exemple, allant de celles de l'eau jusqu'à plusieurs milliers de centistokes doivent être traitées, ce procédé n'est plus utilisable car le comportement dans le temps de l'appareil de mesure est très fortement influencé par les propriétés d'auto-nettoyage du capteur traditionnellement de forme tubulaire et qui est traversé par le liquide Les autres procédés de mesure de viscosité connus présupposent qu'il y a des différences importantes de viscosité des divers liquides Mais dans de nombreux cas, les valeurs de viscosité de divers liquides immiscibles et se séparant par la séparation par gravité sont très semblables, comme cela est par exemple le cas pour de l'eau et des huiles légères ou, respectivement, des pétroles de diverses exploitations Pour la reconnaissance des interfaces, on a également déjà proposé des procédés sonar au moyen desquels le temps de montée du bruit à l'intérieur de liquides est mesuré perpendi- culairement à l'interphase Dans ce cas, avantageusement, des ondes sonores sont envoyées par un émetteur, du dessous, dans la direction de l'interphase Ces ondes sonores sont réfléchies par l'interphase Le temps de parcours des ondes sonores est évalué en tant que mesure de la distance de l'interphase Le récepteur des signaux réfléchis peut être agencés à proximité directe du capteur Il est également possible de configurer le capteur et le récepteur en tant que convertisseur sonore. Comme le procédé sonar repose physiquement sur une mesure d'éloignement, il fait défaut lorsque les ondes sonores sont réfléchies de manière très diffuses sur l'interphase. Cela se produit lorsqu'une phase de liquide forme une émulsion avec une viscosité nettement plus élevée que l'autre liquide ou bien lorsque l'interphase change en permanence de structure et de position à cause des influences d'écoulement ou des mouvements du récipient, ce qui par exemple se produit dans un réservoir de bateau. Pour remédier aux inconvénients des procédés décrits de mesure, on a déjà tenté d'utiliser des appareils de mesure avec divers capteurs, au moyen desquels les procédés indiqués de mesure peuvent être liés les uns aux autres De tels agencements à plusieurs capteurs sont cependant techniquement très importants et nécessitent une analyse complexe, donc l'utilisation des appareils de mesure est très coûteuse. La présente invention a pour tâche d'indiquer un procédé pour obtenir l'interphase ou respectivement l'empilage d'une masse de liquides immiscibles ainsi qu'un appareil pour la mise en oeuvre du procédé, qui soit simple et peu sujet aux perturbations et permette en toute fiabilité une évaluation fiable de la mesure. Selon l'invention, la solution de cette tâche est résolue par le fait que, dans le liquide, des ondes sonores sont envoyées par un émetteur sonore, lesquelles ondes sont réfléchies par un réflecteur agencé à une distance fixe de l'émetteur, sur un récepteur sonore, alors, par comparaison électrique de signaux d'émetteur et des signaux réfléchis, on détermine l'impédance de la propagation du son du liquide qui se trouve dans la zone de mesure entre l'émetteur sonore et le réflecteur et on en obtient l'interphase ou respectivement l'empilage. Par ailleurs, des ondes sonores pulsées peuvent être envoyées à travers le liquide, d'un émetteur sonore, à une fréquence dans la plage des mégahertz, pour être réfléchies par un réflecteur agencé à une distance fixe de l'émetteur sonore sur un récepteur sonore, et le temps de parcours et l'affaiblissement de l'intensité du paquet d'ondes sonores réfléchies par le récepteur est mesuré et de cette valeur, on obtient l'interphase ou respectivement l'empilage On utilise, dans ce but, un appareil de mesure dans lequel une unité d'évaluation est reliée à un capteur entouré du liquide à détecter, qui présente un émetteur sonore, un réflecteur et un récepteur sonore, le réflecteur étant agencé en formant une zone de mesure remplie du liquide à détecter et géométriquement définie entre le réflecteur et l'émetteur sonore et le récepteur sonore, à une certaine distance de l'émetteur sonore et du récepteur sonore. Selon l'invention, un seul capteur est nécessaire, pour obtenir, même pour des mesures difficiles, comme par exemple, d'émulsions huile-eau, et en eau de mer libre, un signal univoque avec une haute résolution Grâce à ce signal, on peut indiquer sûrement si l'interphase d'un mélange de liquides immiscibles avec des poids spécifiques différents, comme des phases aqueuses et des liquides organiques, se trouve en-dessus ou au dessous d'un point fixe de mesure Il n'y a aucune influence, sur la qualité de la mesure, de la conductivité électrique d'une ou de toutes les phases, de la viscosité, des poids spécifiques variables et de la formation d'une phase intermédiaire en émulsion Le processus de mesure n'est pas handicapé par une utilisation sur des systèmes mobiles, par exemple, qui se déplacent dans la mer De plus, un fonctionnement dans des conditions anti-déflagrantes zone O est possible Les plages préférées d'utilisation du procédé et de l'appareil de mesure selon l'invention sont les détections de l'état plein ou, respectivement, des interphases dans le domaine complet de la technologie en mer, de la pétrochimie, du transport et de l'utilisation du pétrole et en technologie des procédés industriels en général. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence au dessin schématique annexé donné uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention, et dans lequel: la figure unique représente schématiquement un appareil de mesure selon l'invention. L'appareil de mesure 1 se compose d'un capteur 7 et d'une unité électronique d'évaluation 6 Le capteur 7 et l'unité d'évaluation 6 sont reliés l'un à l'autre Le capteur 7 présente un convertisseur sonore 12 dans lequel sont intégrés un émetteur sonore 8 fonctionnant à une fréquence comprise entre 15 et 50 k Hz et un récepteur sonore 10 Le convertisseur sonore 12, éventuellement avec les étages amplificateurs qui lui sont reliés, est agencé avec la partie de commande d'émetteur et de récepteur 19 et l'unité d'évaluation 6 dans un boîtier de capteur 15. Sur l'enveloppe externe du boîtier du capteur 15 est formé un collier 18 A travers ce collier 18 sont guidées les vis de liaisons vissées 24, lesquelles sont vissées dans une plaque d'appui 29 sur le récipient 2 Entre la plaque d'appui 29 et le collier 18 se trouve une étanchéité 30. Le segment extrême tourné vers le récipient 2 du boîtier du capteur est fermé au moyen d'un couvercle 26 A travers le couvercle 26 passent des conduites de mesure 25 qui peuvent être raccordées à un appareil indicateur, ou une mémoire des valeurs mesurées et analogue, qui n'est pas plus amplement représenté. Dans le récipient se trouvent deux liquides 4, 5 entre lesquels est indiquée une interphase 3 Le capteur 7 se trouve au-dessus de l'interphase 3 dans le liquide 4. Un réflecteur 9 est agencé à une certaine distance de la surface de contact de convertisseur sonore 13, qui est à fleur avec la surface externe de la paroi 14 du boîtier 15 du capteur Le réflecteur 9 se compose d'un pôle réflecteur 20 qui est vissé dans une plaque de réflecteur 17 Le tronçon de tête 28 du pôle de réflecteur 20 est dirigé vers la surface de contact de convertisseur sonore 13 et est configuré en étant arrondi du côté du bord. Entre le tronçon de tête 28 du pôle réflecteur 20 et la surface de contact 13 du convertisseur sonore est formée une zone de mesure 11, qui sera traversée par les ondes sonores La zone de mesure 11 présente donc des dimensions géométriquement définies, de manière que le liquide 4 qui pénètre dans la zone de mesure 11 en un écoulement lent, puisse être détecté en toute fiabilité La distance du tronçon de tête 28 du pâle réflecteur 20 à la surface de contact de convertisseur sonore 13 peut, par exemple, être de quelques centimètres Pour l'ajustement du pôle réflecteur 20, celui-ci peut être tourné dans le perçage fileté 22 de la plaque de réflecteur 17 La plaque de réflecteur 17 est placée sur des écarteurs de manière que le plan du réflecteur soit parallèle au plan de la surface de contact de convertisseur sonore 13 La fixation de la plaque de réflecteur 17 sur les écarteurs 16 ainsi que des écarteurs 16 sur le boîtier 15 du capteur se produit au moyen de liaisons par vis 23 Le nombre des écarteurs 16 à utiliser peut être changé selon la grandeur du diamètre du boîtier 15 du capteur Avantageusement, on utilise quatre 7, écarteurs 16, car ainsi on peut éviter une influence néfaste de l'écoulement lent aux alentours de la zone de mesure 11 L'incorporation de l'appareil de mesure 1 se produit avantageusement avec une direction horizontale de la zone de mesure 11. La grandeur de la surface de contact de convertisseur sonore 13 est avantageusement de plusieurs centimètres carrés Pour éviter un extrême encrassement de la surface de contact du convertisseur sonore 13 ou respectivement pour supprimer celui-ci, un système de nettoyage peut être prévu Celui-ci peut être formé, comme cela est représenté sur le dessin, d'un élément d'essuyage 27 en forme de bande qui peut être pivoté en reposant contre la surface de contact de convertisseur sonore 13, sur celle-ci, au moyen d'une commande motorisée La commande motorisée peut être agencée dans le boîtier 15 du capteur Lors de l'actionnement de l'élément d'essuyage 27 sur la surface 13 de contact de convertisseur sonore, les rayures ou éraflures qui en résultent ne perturbent pas le processus de mesures car aucune mesure optique ne doit être effectuée. Dans l'appareil décrit de mesure 1, les ondes sonores envoyées par le convertisseur sonore 12, sont réfléchies par le pôle réflecteur 20 et sont détectées par la partie de récepteur du convertisseur sonore 12 Par comparaison électrique des signaux d'émetteur et des signaux réfléchis en ce qui concerne l'intensité et/ou la position de phase ou, respectivement, le retard, on obtient une valeur de mesure qui décrit l'impédance de la propagation du son du liquide qui se trouve dans la zone de mesure 11 De ce fait, une détection de couche limite, en particulier pour tout type d'émulsion huile-eau et eau de mer libre est possible Si, pendant la mesure, l'interphase 3 des liquides 4, 5 monte ou descend en raison d'influences dues au procédé, le liquide dans la zone de mesure 11 change également En raison du grand diamètre libre de la zone de mesure 11, on peut mesurer des liquides fluides jusqu'à des viscosités de 000 centistockes Grâce à la configuration optimisée de la zone de mesure 11, de la surface de contact de convertisseur sonore 13 et du pôle réflecteur 20, l'influence perturbatrice de parties constitutives du liquide qui s'accrochent est réduite au minimum Leur épaisseur de couche reste limitée à quelques millimètres, l O donc l'influence perturbatrice se trouve dans la plage de la précision de mesure Par une configuration appropriée de l'unité d'évaluation 6 en liaison avec la partie de commande d'émetteur et de récepteur 19, l'évaluation de la valeur de mesure, jusqu'à la sortie du signal, peut se produire en moins d'une seconde. A l'aide d'un élément de mesure de température, on peut entreprendre une compensation des influences de la température sur la valeur de mesure Cet élément de mesure de température sera agencé dans la paroi 14 du boîtier 15 du capteur et sera relié à l'unité d'évaluation 6. Le convertisseur sonore 12 peut être de configuration différente On pourrait par exemple utiliser des appareils électrodynamiques, magnétostrictifs et pièzocéramiques, le choix dépendant de la plage recherchée des fréquences A la base, des fréquences de l'émetteur sonore allant de la plage des ultrasons jusqu'à la plage des mégahertz est possible Le choix de la fréquence dépend de la résolution nécessaire Plus une haute résolution est souhaitée, d'autant plus élevées doivent 03 également être les fréquences sonores De plus, le choix de la fréquence d'émetteur dépend des propriétés physiques des liquides à détecter et du procédé utilisé d'émission. Dans la plage des ultrasons, il peut aussi bien y avoir une émission continue avec détection du déphasage et de l'amortissement qu'un procédé avec paquets d'impulsions en mesurant le temps de parcours et l'amortissement Dans la plage des mégahertz, on utilise par contre, de préférence, un procédé avec paquets d'impulsions en détectant le temps de parcours et l'amortissement La fréquence d'émetteur peut également être produite par un oscillateur autonome, en mesurant alors le temps de parcours du signal sonore à travers le liquide et ensuite on obtient la fréquence en tant que grandeur caractéristique du liquide. R E V E N D I C A T I O N S 1 Procédé pour la détection des interphases ou des empilages de divers liquides non miscibles et se séparant du fait de différences de gravités, caractérisé en ce que des ondes sonores sont envoyées dans le liquide par un émetteur sonore, lesquelles sont réfléchies par un réflecteur agencé à une distance fixe de l'émetteur sonore, sur un récepteur sonore, en ce qu'alors, par comparaison électrique des signaux d'émetteur et des signaux réfléchis, on détermine l'impédance de la propagation du son du liquide se trouvant dans la zone de mesure entre l'émetteur sonore et le réflecteur et on en obtient l'interphase ou respectivement l'empilage. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'émetteur sonore fonctionne à une fréquence continue d'émission comprise entre 15 k Hz et 50 k Hz. 3 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que des paquets d'impulsions ayant une fréquence de base comprise entre k Hz et 50 k Hz sont envoyés pendant une phase d'émission et ensuite le signal réfléchi est reçu et l'envoi du paquet suivant d'impulsions est déclenché de manière électronique, la récurrence des paquets envoyés d'impulsions (fréquence) représentant ainsi une mesure des grandeurs caractéristiques évaluées de matériaux. 4 Procédé pour la détection d'interfaces ou d'empilages de divers liquides immiscibles et se séparant du fait de la séparation par gravité, caractérisé en ce qu'à travers le liquide, des ondes sonores pulsatoires provenant d'un émetteur sonore sont envoyées à une fréquence dans la plage des mégahertz, lesquelles ondes sont réfléchies par un réflecteur agencé à une distance fixe de l'émetteur sonore, sur un récepteur sonore et en ce qu'ainsi on mesure le temps de parcours et l'affaiblissement de l'intensité du paquet d'ondes sonores réfléchies par le récepteur sonore et ensuite on obtient, de ces valeurs de mesure, l'interphase ou respectivement l'empilage. 5 Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la fréquence d'émission est au maximum de six magéhertz. 6 Appareil de mesure avec une unité électronique d'évaluation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que l'unité d'évaluation ( 6) est reliée à un capteur ( 7) autour duquel s'écoule le liquide à détecter, qui présente un émetteur sonore ( 8), un réflecteur ( 9) et un récepteur sonore ( 10), le réflecteur ( 9) étant agencé à une certaine distance de l'émetteur sonore ( 8) et du récepteur sonore ( 10), en formant une zone de mesure ( 11) géométriquement définie et remplie du liquide ( 4) à détecter entre le réflecteur ( 9) et l'émetteur ( 8) et le récepteur sonore ( 10). 7 Appareil de mesure selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'émetteur sonore ( 8) et le récepteur sonore ( 10) sont configurés en une pièce sous la forme d'un convertisseur sonore ( 12), dont la surface de contact de convertisseur sonore ( 13) affectée au réflecteur ( 9) est agencée dans une paroi ( 14) d'un boîtier de capteur ( 15) étanche à la pression, dont le réflecteur ( 9) est maintenu distant au moyen d'écarteurs ( 16). 8 Appareil de mesure selon la revendication 7, caractérisé en ce que le réflecteur ( 9) est agencé sur une plaque de réflecteur ( 17) qui est reliée aux écarteurs ( 16). 9 Appareil de mesure selon la revendication 7, caractérisé en ce que sur le boîtier ( 15) du capteur est formé un collier ( 18) l'étanchéifiant par rapport au liquide ( 4, 5), au moyen duquel le boîtier ( 15) du capteur est fixé au récipient ( 2) reçevant le liquide ( 4, 5). Appareil de mesure selon la revendication 7, caractérisé en ce que la surface de contact de convertisseur sonore ( 13) se raccorde à fleur avec la surface externe de la paroi ( 14) du boîtier ( 15) du capteur qui est tournée vers le liquide ( 4, 5). 11 Appareil de mesure selon l'une quelconque des revendications 6, 7, 8, 9 ou 10, caractérisé en ce que le convertisseur sonore ( 12) et l'unité d'évaluation ( 6) sont d'une configuration antidéflagrante pour zone O. 12 Appareil de mesure selon la revendication 11, caractérisé en ce que le convertisseur sonore ( 12) et l'unité d'évaluation ( 6) sont agencés dans un boîtier de capteur d'une configuration antidéflagrante pour zone 0. 13 Appareil de mesure selon l'une quelconque des revendications 6, 7, 8, 9, 10, 11 ou 12, caractérisé en ce que le convertisseur sonore ( 12) avec sa partie de commande d'émission et de récepteur ( 19) et l'unité d'évaluation ( 6) sont agencés dans le boîtier ( 15) du capteur. 14 Appareil de mesure selon l'une quelconque des revendications 6, 7, 8, 9, 10, 11 ou 12, caractérisé en ce que le convertisseur ( 12) et, le cas échéant, les étages amplificateurs qui lui sont reliés, sont agencés dans le boîtier ( 15) du capteur et en ce que la partie de commande d'émission et de réception ( 19) et l'unité d'évaluation ( 6) sont agencées dans un bottier séparé. Appareil de meusre selon l'une quelconque des revendications 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 ou 14, caractérisé en ce que sur la paroi ( 14) tournée vers le liquide ( 4, 5) du boîtier ( 15) du capteur est agencé un système de nettoyage de la surface de contact de convertisseur sonore ( 13). 16 Appareil de mesure selon la revendication 15 caractérisé en ce que le système de nettoyage présente un élément d'essuyage ( 27) en forme de bande, qui peut être pivoté au moyen d'une commande motorisée sur la surface ( 13) de contact du convertisseur sonore en reposant sur celle-ci. 17 Appareil de mesure selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le réflecteur ( 9) est configuré comme un pôle réflecteur ( 20). 18 Appareil de mesure selon l'une quelconque des revendications 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 ou 17, caractérisé en ce que le pale réflecteur ( 20) est agencé en étant tourné vers la surface de contact de convertisseur sonore ( 13) sur la plaque de réflecteur ( 17), en dépassant vis-à-vis de son plan. 19 Appareil de mesure selon la revendication 17 ou 18, caractérisé en ce que la section de la tête du pale réflecteur ( 20) est configurée en étant arrondie du côté de son bord. 20 Appareil de mesure selon la revendication 17, 18 ou 19, caractérisé en ce que le pôle réflecteur ( 20) est réglable en distance par rapport à la surface de contact de convertisseur sonore ( 13). 21 Appareil de mesure selon la revendication 20, caractérisé en ce que le pale réflecteur ( 20) est maintenu au moyen d'un filetage externe ( 21) dans un perçage fileté ( 22) de la plaque de réflecteur ( 17). 22 Appareil de mesure selon les revendications 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 et 21, caractérisé en ce que dans la zone de la paroi ( 14) du boîtier de capteur ( 15) tournée vers le liquide ( 4, 5) est agencé un élément de mesure de température dont le signal compense, par fonction logique à l'intérieur de l'unité d'évaluation électronique ( 6), les influences thermiques sur le signal de mesure.