Brevet FR2661001A1 — publié le 19911018

L'invention concerne un procédé de détection de surfaces limites de phases ou de stratifications de liquides différents, non miscibles et se séparant par l'effet de la pesanteur, et un appareil de mesure pour l'exécution du procédé. Pour détecter les surfaces limites de phases ou les stratifications de liquides différents non miscibles et se séparant par l'effet de la pesanteur, plusieurs procédés sont actuellement connus. On peut mesurer le niveau de pression et le poids spécifique des différents liquides et, en formant le rapport des poids spécifiques et par cadrage sur le niveau de pression mesuré, on peut calculer la surface limite des phases.De tels procédés travaillent de façon insuffisante, si le poids spécifique d'un ou de plusieurs des liquides séparés varie fortement, ne peut être déterminée avec suffisamment de précision, ou si les valeurs mesurées se superposent par la manière dont le processus est conduit dans le récipient, ce qui, par exemple, peut se produire par superposition de variations de pression externes, s'il se produit des accélérations à l'intérieur des liquides, ou par diverses influences hydrostatiques extérieures. De plus, on connait des procédés de mesure par conduction, dans le cas desquels la conductibilité électrique des liquides est mesurée, si ceux-ci présentent une différence significative en ce qui concerne la conductibilité électrique.Ce cas présente l'inconvénient qu'au moins l'un des liquides, par suite de son adhérence et de sa viscosité, recouvre les électrodes du détecteur et qu'il n'y a pas de nettoyage automatique dû au processus, de telle sorte que les valeurs mesurées sont entachées d'erreur. Dans le cas de procédés de mesure capacitifs également connus, la constante diélectrique est mesurée, dans le cas de la présence d'au moins un liquide non conducteur de l'électricité. Ce procédé de mesure ne fonctionne pas si la conductibilité de la phase non conductrice dépasse, par exemple, la valeur de 10 à 50 millisiemens. Cela peut se produire si deux liquides normalement non miscibles entre eux forment une phase intermédiaire sous la forme d'une émulsion stable. Cette émulsion peut, par exemple, se produire dans le cas du système à plusieurs phases eau (de mer) et liquides organiques.En présence d'un agent émulsionnant, naturel ou de synthèse, il peut se produire une émulsion stable. La couche limite, entre une émulsion de ce type, comportant, par exemple, une proportion d'eau de mer de plus de 50%, surnageant par suite de son poids spécifique plus faible, et l'eau libre au fond d'un récipient ou d'un appareil, ne peut pas être déterminée par des mesures de capacité, en raison de la conductibilité de l'émulsion identique à celle de l'eau. De plus, il est possible, en mesurant la masse spécifique, de suivre à distance les mouvements d'une surface limite entre phases. Cela suppose pour cela que des différences significatives du paramètre masse spécifique permettent une information fiable. Si on doit travailler sur des viscosités, celle de l'eau par exemple, variant fortement, jusqu'à plusieurs milliers de centistockes, on ne peut plus utiliser ce procédé, car le comportement dans le temps de l'appareil de mesure est très fortement influencé par les propriétés auto-nettoyantes du détecteur placé dans le courant et réalisé usuellement sous la forme d'un tube. Les autres procédés de mesure de viscosité connus supposent que l'on dispose de différences significatives de viscosité entre les différents liquides.Mais, dans beaucoup de cas, les valeurs de la viscosité de liquides différents non miscibles et se séparant sous l'effet de la pesanteur sont très semblables, comme cela arrive, par exemple, dans le cas d'eau et d'huiles légères, ou de pétroles bruts provenant de secteurs déterminés. Pour reconnaître les surfaces limites entre phases, on propose également encore des procédés par sonar, au moyen desquels on mesure le temps de propagation du son à l'intérieur de liquides, perpendiculairement à la surface limite entre phases. Dans ce cas, des ondes sonores, de préférence, sont émises par un émetteur, d'en bas vers la surface limite entre phases. Ces ondes sonores sont réfléchies par la surface limite entre phases. Le temps de propagation des ondes sonores est exploité comme mesure de la distance de la surface limite entre phases.Le récepteur pour les signaux réfléchis peut être placé au voisinage direct du détecteur. Il est aussi possible de réaliser le détecteur et le récepteur sous la forme d'un transducteur acoustique. Comme le procédé par sonar repose, du point de vue de la physique, sur une mesure de distance, il ne fonctionne pas si les ondes sonores se réfléchissent de manière diffuse, de façon importante, sur la surface limite entre phases. Cela se produit quand une phase liquide forme une émulsion comportant une viscosité nettement plus élevée que les autres liquides, ou si la surface limite entre phases modifie en permanence sa structure et sa position sous l'influence de l'écoulement ou de mouvements du récipient, ce qui se produit, par exemple, dans un réservoir de navire. Pour faire face aux inconvénients décrits, on a précisément cherché à mettre en service des appareils de mesure comportant plusieurs détecteurs, avec lesquels on puisse combiner entre eux plusieurs des procédés de mesure cités. De tels arrangements comportant plusieurs détecteurs sont toutefois très coûteux techniquement et réclament une interprétation complexe, de telle façon que la mise en oeuvre de ces appareils de mesure coûte très cher. Le but de l'invention est de présenter un procédé de détection de la surface limite entre phases ou de la stratification d'une quantité de liquides différents non miscibles, et un appareil de mesure pour l'exécution du procédé, qui soit simple et peu soumis à des pannes et qui rende possible, avec une grande facilité de fonctionnement, une saisie précise des valeurs mesurées. La solution selon l'invention de ce problème résulte, dans un procédé caractérisé en ce qu'un émetteur sonore émet dans le liquide des ondes sonores, qui sont réfléchies, au moyen d'un réflecteur disposé à une distance fixe de l'émetteur sonore, vers un récepteur d'ondes sonores, en ce qu'ensuite, en comparant électriquement des signaux émis et des signaux réfléchis, on détermine l'impédance de la propagation sonore dans le liquide se trouvant dans la zone de mesure située entre l'émetteur sonore et le réflecteur, et qu'on en déduit la surface limitant les phases, ou la stratification. L'invention vise également un procédé de détection de surfaces limites de phases ou de stratifications de liquides différents non miscibles et se séparant par l'effet de la pesanteur, caractérisé en ce qu'au travers du liquide, un émetteur sonore envoie, sous la forme d'impulsions, des ondes sonores ayant une fréquence située dans le domaine des mégahertz, ondes qui sont réfléchies sur un récepteur d'ondes par un réflecteur disposé à une distance fixe de l'émetteur sonore, en ce qu'alors le temps de parcours et la diminution d'intensité des trains d'ondes sonores réfléchies vers le récepteur d'ondes sonores sont mesurés et qu'ensuite, à partir de ces valeurs de mesure, on détermine la surface limite des phases, ou la stratification. L'invention vise encore un appareil de mesure pour la mise en oeuvre du procédé caractérisé en ce que l'unité d'interprétation est raccordée avec un détecteur entouré par le courant du liquide à détecter, comportant un émetteur sonore, un réflecteur et un récepteur d'ondes sonores, étant entendu que le réflecteur est disposé à une certaine distance de l'émetteur sonore et du récepteur d'ondes sonores, en formant une zone de mesure, définie géométriquement, et remplie par le liquide à détecter. Selon l'invention, un capteur est purement et simplement nécessaire, même dans le cas de mesures difficiles, comme, par exemple, d'émulsions huile-eau et d'eau de mer libre, pour obtenir un signal univoque avec une définition élevée. Au moyen de ce signal, on obtient une information fiable indiquant si la surface limite entre phases d'une quantité de liquides non miscibles comportant des poids spécifiques différents, comme des phases aqueuses et des liquides organiques, se trouve au-dessus ou au-dessous d'un point de mesure fixe. La qualité de la mesure n'est pas influencée par la conductibilité électrique d'une ou de toutes les phases, par la viscosité, par des poids spécifiques qui varient et par la formation de phases intermédiaires s 'émulsifiant.L'opération de mesure n'est pas affectée défavorablement dans le cas d'un fonctionnement sur des installations en mouvement, se mouvant, par exemple, sur les vagues. De plus, un fonctionnement dans les conditions de la zone zéro de domaines antidéflagrants est possible. Des domaines d'emploi préférés du procédé et de l'appareil de mesure selon l'invention sont la détection des surfaces correspondant à la situation de surfaces de remplissage et de surfaces limites entre phases dans tout le domaine de la technologie Off-Shore, de la pétrochimie, des activités de transport et d'utilisation du pétrole, et de l'industrie de l'instrumentation technique en général. On décrira ci-après l'invention sur l'exemple de l'appareil de mesure selon l'invention, représenté schématiquement sur le dessin annexé. L'appareil de mesure 1 est constitué d'un détecteur 7 et d'une unité d'interprétation électrotechnique 6. Le détecteur 7 et l'unité d'interprétation 6 sont reliés entre eux. Le détecteur 7 présente un transducteur acoustique 12, dans lequel est intégré un émetteur 8 et un récepteur d'ondes sonores 10. Le transducteur acoustique 12 est disposé, avec la partie commande de l'émetteur et la partie commande du récepteur 19 et avec l'unité d'interprétation 6, dans un boîtier 15 du détecteur. Sur la surface externe du boîtier 15 du détecteur, est adaptée une bride annulaire 18. Des vis de fixation par vis 24 traversent cette bride annulaire 18 et sont vissées dans une plaque support 29 sur le réservoir 2. Un joint 30 se trouve entre la plaque support 29 et la bride annulaire 18. L'élément de l'extrémité du boîtier 15 du détecteur, opposé au réservoir 2, est fermé par un couvercle 26. Au travers du couvercle 26, passent des conducteurs de mesure 25, qui peuvent être raccordés à un appareil indicateur, à un enregistreur de valeurs de mesure, ou similaire, non représentés plus en détail. Dans le réservoir, se trouvent deux liquides 4, 5, entre lesquels une surface limite entre phases est indiquée par 3. Le détecteur 7 se trouve dans le liquide 4, au dessus de la surface limite entre phases 3. Un réflecteur 9 est disposé à une certaine distance en avant de la surface de contact 13 du transducteur acoustique, surface qui est réglée de façon à affleurer par rapport à la surface externe de la paroi 14 du boîtier 15 du détecteur. Le réflecteur 9 est constitué d'un pôle de réflecteur 20, vissé dans une plaque du réflecteur 17. La partie tête 28 du pôle de réflecteur 20 est tournée vers la surface de contact 13 du transducteur acoustique et réalisée arrondie sur son bord. Une zone de mesure 11 est réalisée entre la partie tête 28 du pôle de réflecteur 20 et la surface de contact 13 du transducteur acoustique, zone qui est traversée par les ondes sonores.La zone de mesure 11 présente ainsi des dimensions définies géométriquement de telle façon que le liquide 4 traversant, à l'intérieur d'un courant, la zone de mesure 11 peut être détecté de façon fiable. La distance de la partie tête 28 du pôle de réflecteur 20, à la surface de contact 13 du transducteur acoustique peut, par exemple, être de quelques centimètres. Pour ajuster le pôle de réflecteur 20, on peut faire tourner celui-ci dans l'alésage fileté 22 de la plaque du réflecteur 17. La plaque du réflecteur 17 est montée sur des entretoises d'écartement 16 de telle façon que le plan du réflecteur soit dirigé parallèlement au plan de la surface de contact 13 du transducteur acoustique. La fixation de la plaque du réflecteur 17 sur les entretoises d'écartement 16, ainsi que celle des entretoises d'écartement 16 sur le boîtier 15 du détecteur, se font au moyen de liaisons par vis 23.Le nombre des entretoises d'écartement 16 utilisées peut varier suivant la grandeur du diamètre du boîtier 15 du détecteur. On utilise de préférence quatre entretoises d'écartement 16, car on évite ainsi, dans la zone de mesure 11, d'influencer le courant traversant. Le montage de l'appareil de mesure 1 se fait, de préférence, en disposant horizontalement la zone de mesure 11. La grandeur de la surface de contact 13 du transducteur acoustique est, de préférence, de plusieurs centimètres carrés. Pour éviter et pour remédier à des encras sages très forts de la surface de contact 13 du transducteur acoustique, on peut prévoir un dispositif de nettoyage. Celui-ci peut, comme représenté sur la figure, présenter un organe d'essuyage 27 ayant la forme d'un balai, pouvant pivoter au moyen d'un moteur d'entraînement, en restant au contact de la surface de contact 13 du transducteur acoustique. Le moteur d'entraînement peut être placé dans le boîtier 15 du détecteur. Lors du fonctionnement de l'organe d'essuyage 27, des stries ou des raies se produisant sur la surface de contact 13 du transducteur acoustique n'affectent pas l'opération de mesure 11 car on ne mesure pas de grandeurs optique. Dans le cas de l'appareil de mesure 1 décrit, les ondes sonores émises par le transducteur acoustique 12 sont réfléchies par le pôle de réflecteur 20 et détectées par la partie réceptrice du transducteur acoustique 12. Par une comparaison électrique des signaux émis et des signaux réfléchis, du point de vue de leur intensité et/ou de leur position de phase, ou de leur décalage dans le temps, on obtient une valeur de mesure qui détermine l'impédance de propagation des ondes sonores du liquide se trouvant dans la zone de mesure 11. Ainsi, une détection de la couche limite est possible, en particulier dans le cas de tout type d'émulsion huile-eau et eau de mer libre. Si, pendant la mesure, la surface limite entre phases 3 des liquide 4, 5 monte ou descend sous l'influence de phénomènes dûs au process, il y a aussi échange du liquide dans la zone de mesure 11.En raison du grand diamètre libre de la zone de mesure 11, on peut mesurer des liquides susceptibles de s 'écouler, ayant des viscosités jusqu'à 1000 centistokes. Par la forme d'exécution optimisée de la zone de mesure 11, de la surface de contact 13 du transducteur acoustique et du pôle de réflecteur 20, l'influence perturbatrice de l'adhérence de parties constitutives du liquide est réduite à un minimum. Leur épaisseur de couche reste limitée à quelques millimètres, de telle façon que leur influence perturbatrice se trouve dans le domaine de la précision de la mesure. Par une exécution appropriée de l'unité d'interprétation 6, en liaison avec la partie commande de l'émetteur et la partie commande du récepteur 19, l'interprétation de la valeur de mesure peut se faire, jusqu'à émission de signal, en moins d'une seconde. A l'aide d'un organe de mesure de la température, on peut effectuer une compensation de l'influence de la température sur la valeur de la mesure. Cet organe de mesure de la température est disposé dans la paroi 14 du boîtier 15 du détecteur et est raccordé à l'unité d'interprétation 6. Le transducteur acoustique 12 peut être réalisé de différentes façons. On peut, par exemple, utiliser des appareils électrodynamiques, magnétostrictifs et piézo-céramiques, le choix dépendant de la plage de fréquences réclamée. Fondamentalement, des fréquences d'ondes sonores allant du domaine des ultra-sons à celui des mégahertz est possible. Le choix de la fréquence dépend de la résolution nécessaire. Plus on souhaite que la résolution soit haute, plus les fréquences sonores doivent être élevées. De plus, le choix de la fréquence d'émission dépend des propriétés physiques des liquides à détecter et du procédé d'émission mis en oeuvre. Dans le domaine des ultra-sons on peut aussi bien avoir une émission en continu avec saisie du décalage de phase et de l'amortissement, qu'également un procédé d'impulsions par trains d'oscillations, avec mesure du temps de parcours et de l'amortissement. Dans le domaine des mégahertz, au contraire, on utilise de préférence un procédé d'impulsions par trains d'oscillations, avec saisie du temps de parcours et de l'amortissement. La fréquence d'émission peut également être réalisée par un oscillateur à oscillation libre, et on mesure le temps de parcours du signal sonore au travers du liquide et, à partir de là, on saisit la fréquence comme grandeur caractéristique de la matière pour le liquide concerné. REVENDICATIONS 1. Procédé pour détection de surfaces limites de phases ou de stratifications de liquides différents non miscibles et se séparant sous l'effet de la pesanteur, caractérisé en ce qu'un émetteur sonore émet dans le liquide des ondes sonores, qui sont réfléchies, au moyen d'un réflecteur disposé à une distance fixe de l'émetteur sonore, vers un récepteur d'ondes sonores, en ce qu'ensuite, en comparant électriquement des signaux émis et des signaux réfléchis, on détermine l'impédance de la propagation sonore dans le liquide se trouvant dans la zone de mesure située entre l'émetteur sonore et le réflecteur, et qu'on en déduit la surface limitant les phases, ou la stratification. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'émetteur sonore fonctionne avec une fréquence d'émission continue comprise entre 15 kHz et 50 kHz. 3. Procédé suivant la revendication 1 et la revendication 2, caractérisé en ce que le train d'impulsions est émis avec une fréquence de base comprise entre 15 kHz et 50 kHz pendant une phase d'émission, et qu'ensuite, le signal réfléchi est reçu et que l'émission du train d'impulsions suivant suit une voie électronique, la fréquence du train d'impulsions renvoyé représentant une mesure pour l'évaluation de la grandeur caractéristique de la matière. 4. Procédé de détection de surfaces limites de phases ou de stratifications de liquides différents non miscibles et se séparant par l'effet de la pesanteur, caractérisé en ce qu'au travers du liquide, un émetteur sonore envoie, sous la forme d'impulsions, des ondes sonores ayant une fréquence située dans le domaine des mégahertz, ondes qui sont réfléchies sur un récepteur d'ondes par un réflecteur disposé à une distance fixe de l'émetteur sonore, en ce qu'alors le temps de parcours et la diminution d'intensité des trains d'ondes sonores réfléchies vers le récepteur d'ondes sonores sont mesurés et qu'ensuite, à partir de ces valeurs de mesure, on détermine la surface limite des phases, ou la stratification. 5. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la fréquence d'émission est au maximum de six mégahertz. 6. Appareil de mesure comportant une unité d'interprétation électronique pour l'exécution du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'unité d'interprétation (6) est raccordée avec un détecteur (7) entouré par le courant du liquide à détecter, comportant un émetteur sonore (8), un réflecteur (9) et un récepteur d'ondes sonores (10), étant entendu que le réflecteur (9) est disposé à une certaine distance de l'émetteur sonore (8) et du récepteur d'ondes sonores (10), en formant une zone de mesure (11), définie géométriquement, et remplie par le liquide (4) à détecter. 7. Appareil de mesure suivant la revendication 6, caractérisé en ce que l'émetteur sonore (8) et le récepteur d'ondes sonores (10) sont réalisés en une seule pièce, en formant le transducteur acoustique (12), dont la surface de contact (13), associée au réflecteur (9), est disposée dans l'une des parois d'un boîtier (15) du détecteur résistant à la pression, devant lequel est placé le réflecteur (9), maintenu à distance au moyen d'entretoises d'écartement (16). 8. Appareil de mesure suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le réflecteur (9) est disposé sur une plaque de réflecteur (17), qui est fixée avec les entretoises d'écartement (16). 9. Appareil de mesure suivant la revendication 7, caractérisé en ce que, sur le boîtier (15) du détecteur, est réalisée une bride annulaire (18) assurant l'étanchéité de celui-ci avec le liquide (4, 5), bride au moyen de laquelle le boîtier (15) du détecteur est fixé sur le récipient recevant le liquide (4, 5). 10. Appareil de mesure suivant la revendication 7, caractérisé en ce que la surface de contact (13) du transducteur acoustique fait obturation, en affleurant sur la surface externe de la paroi (14) du boîtier (15) du détecteur, tournée vers le liquide (4, 5). 11. Appareil de mesure suivant les revendications 6 à 10, caractérisé en ce que le transducteur acoustique (12) et l'unité d'interprétation (6) sont réalisés sous la forme antidéflagrant pour zone 0. 12. Appareil de mesure suivant la revendication 11, caractérisé en ce que le transducteur acoustique (12) et l'unité d'interprétation (6) sont disposés dans un boîtier (15) de détecteur réalisé sous la forme antidéflagrant pour zone 0. 13. Appareil de mesure suivant les revendications 6 à 12, caractérisé en ce que le transducteur acoustique (12), comportant la partie émetteur et la partie récepteur (19), et l'unité d'interprétation (6) sont disposés dans le boîtier (15) de détecteur. 14. Appareil de mesure suivant les revendications 6 à 12, caractérisé en ce que le transducteur acoustique (12), et, le cas échéant, comportant les étages d'amplification associés à celui-ci, est disposé dans le boîtier (15) du détecteur et que l'unité d'interprétation (6) est disposée dans un boîtier séparé ou dans une armoire de commande 15. Appareil de mesure suivant les revendications 6 à 14, caractérisé en ce qu'un dispositif de nettoyage pour la surface de contact (13) du transducteur acoustique est disposé sur la paroi (14) du boîtier (15) du détecteur, tournée vers le liquide (4, 5). 16. Appareil de mesure suivant la revendication 15, caractérisé en ce que le dispositif de nettoyage présente un organe d'essuyage (27), ayant la forme d'un balai, pouvant pivoter, au moyen d'un moteur d'entraînement, en restant sur la surface de contact (13) du transducteur acoustique. 17. Appareil de mesure suivant les revendications 6 et 7, caractérisé en ce que le réflecteur (9) est réalisé sous la forme d'un pôle de réflecteur (20). 18. Appareil de mesure suivant les revendications 8 à 17, caractérisé en ce que le pôle de réflecteur (20) est disposé sur la plaque du réflecteur (17), en saillie par rapport au plan de cette dernière, ezt tourné vers la surface de contact (13) du transducteur acoustique. 19. Appareil de mesure suivant les revendications 17 et 18, caractérisé en ce que la partie formant tête du pôle de réflecteur (20) est réalisée arrondie sur son bord. 20. Appareil de mesure suivant les revendications 17 à 19, caractérisé en ce que le pôle de réflecteur (20) peut être réglé à une certaine distance de la surface de contact (13) du transducteur acoustique. 21. Appareil de mesure suivant la revendication 20, caractérisé en ce que le pôle de réflecteur (20) est maintenu au moyen d'un filetage externe (21) dans un alésage fileté (22) de la plaque du réflecteur (17). 22. Appareil de mesure suivant les revendications 6 à 21, caractérisé en ce que, dans la zone de la paroi (14) du boîtier (15) du détecteur tournée vers le liquide (4, 5), est disposé un organe de mesure de la température, dont le signal, par l'intermédiaire d'un opérateur logique à l'intérieur de l'unité d'interprétation (6) électronique, compense les influences thermiques sur le signal de mesure.