Brevet FR2699281A1 — publié le 19940617

La présente invention concerne un dispositif et une méthode permettant à partir des pertes par courants de Foucault créés dans un milieu ou corps partiellement conducteur, d'obtenir au moins une caractéristique de ce milieu. L'invention s'applique, en particulier, en production pétrolière o l'on cherche généralement à connaître les quantités ou les débits des composants des hydrocarbures contenus dans un même volume, ces composants constituant trois phases distinctes difficiles à analyser en continu. Cette invention trouve plus particulièrement son application dans le cadre de la déshydratation des bruts, de la protection de l'environnement ou de la gestion de stockage des bruts. L'invention permet aussi, dans le cas de la gestion de stockage des fluides, de suivre la dynamique de séparation des phases constituantes d'un fluide contenues dans un même volume, l'une des phases étant conductrice, et en particulier, d'obtenir la durée de décantation du fluide. L'invention peut aussi servir à la connaissance du niveau ou du volume de la phase conductrice d'un fluide, notamment pour une phase conductrice liquide, le fluide étant contenu dans un volume déterminé ou en écoulement dans une conduite. Les techniques habituellement utilisées pour détecter une caractéristique d'un milieu conducteur représentative de sa conductivité font appel à des moyens capacitifs et présentent, de fait, l'inconvénient d'être intrusives. On connait par le brevet US-4 717 600 un dispositif qui permet d'obtenir une information sur la nature des pièces de monnaie en observant la décroissance des courants de Foucault créés par un champ magnétique variable Ce dispositif fonctionne en envoyant des successions d'impulsions de tension de valeur constante dans une bobine ou inductance de façon continue et en observant la durée de relaxation du système excité Il ne permet donc pas de déterminer en continu la nature des pièces de monnaie. De plus le caractère non uniforme du champ magnétique créé à l'extrémité de l'inductance rend imprécise et difficile l'analyse quantitative des dissipations dues aux courants de Foucault. Le dispositif et la méthode selon l'invention permettent de remédier à ces inconvénients. La présente invention concerne une méthode pour obtenir une caractéristique d'un milieu ou corps comportant au moins une partie conductrice Elle se caractérise en ce que l'on détecte la présence du corps partiellement conducteur en mesurant par exemple une de ses caractéristiques par la variation du coefficient de surtension d'un circuit inductif résonnant excité par un signal périodique d'excitation de fréquence choisie pour engendrer une surtension dans ledit circuit. On détecte, par exemple, une caractéristique du corps comportant au moins une partie conductrice par la variation du coefficient de surtension d'un circuit inductif résonnant excité par un signal périodique d'excitation de fréquence choisie pour engendrer une surtension dans le circuit. On peut choisir la valeur de la fréquence du signal périodique d'excitation voisine de la fréquence de résonance du circuit ou pulsation propre du circuit. On peut choisir le signal périodique d'excitation de façon à ce que sa fréquence soit sensiblement égale à la valeur de la fréquence de résonance du circuit résonnant activé. Le signal périodique d'excitation peut être un signal permanent. Le signal périodique d'excitation est constitué de trains d'impulsions de durées connues. Lorsque le corps est un fluide comprenant une phase conductrice de volume connu et une phase non conductrice, on peut déterminer la conductivité moyenne de la phase conductrice. Lorsque le corps est un fluide composé d'au moins une phase conductrice de conductivité connue et d'au moins une phase non conductrice on peut déterminer le volume de la phase conductrice dudit fluide. Pour un fluide composé de plusieurs phases dont l'une au moins est conductrice, ledit fluide étant en écoulement dans une conduite passant au moins en partie au voisinage du circuit inductif, on peut déterminer, par exemple, le débit massique de la phase conductrice. Lorsque les phases ont des vitesses d'écoulement sensiblement identiques, on peut alors déterminer le débit volumique du fluide. Lorsque le corps est un fluide de volume connu, contenu dans un récipient au moins une partie du fluide passant au voisinage du circuit inductif, ledit fluide comprenant au moins deux phases liquides, l'une des deux phases étant une phase conductrice, on peut déterminer le niveau de la phase conductrice dudit fluide dans le récipient. Lorsque le corps est un fluide composé de deux phases liquides en émulsion, le fluide étant situé au moins en partie au voisinage du circuit inductif, on peut déterminer le temps de décantation du fluide, c'est-à-dire, le temps écoulé entre le moment o le fluide est en émulsion totale et le moment o les phases liquides constituant le fluide sont séparées. La présente invention concerne un dispositif pour la mise en oeuvre de l'invention Le dispositif comporte en combinaison des moyens inductifs, des moyens de génération d'un signal périodique d'excitation propre à créer dans les moyens inductifs une surtension, des moyens de mesure de la variation du facteur de surtension des moyens inductifs due à la présence d'un corps partiellement conducteur placé à proximité des moyens inductifs, et des moyens de traitement pour déterminer à partir de ladite variation du facteur de surtension une caractéristique du corps partiellement conducteur. Les moyens inductifs peuvent comporter une bobine émettrice- réceptrice. La bobine émettrice-réceptrice comporte, par exemple, un double bobinage de façon à générer un champ électromagnétique uniforme à l'intérieur de la bobine. On peut appliquer la méthode à la caractérisation d'un effluent pétrolier composé d'au moins une phase conductrice et une phase non conductrice. Le dispositif et la méthode selon l'invention présentent l'avantage d'être plus simples et moins coûteux du fait que l'on ne fait appel qu'à une seule bobine fonctionnant en émetteur-récepteur. La géométrie retenue préférentiellement pour le dispositif qui consiste à positionner le milieu analysé à l'intérieur de la bobine permet de plus une analyse qualitative du milieu que l'on désire caractériser puisque le champ magnétique créé est homogène, c'est-à- dire que les lignes de champ utilisées pour analyser le milieu sont réparties régulièrement autour de la bobine. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante de modes de réalisation donnés à titres d'exemples non limitatifs et en référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 montre un schéma de dispositif selon l'invention comportant un moyen inductif unique; La figure 2 est une représentation schématique de la partie inductive et génératrice de courant selon l'invention; La figure 3 représente un dispositif selon l'invention adapté pour déterminer le volume de la phase conductrice d'un fluide; Les figures 4 A, 4 B, 4 C et 4 D montrent schématiquement des courbes expérimentales permettant d'obtenir le volume de la phase conductrice et la vitesse des particules; La figure 5 montre un dispositif permettant de d'effectuer un suivi de niveau de la phase conductrice d'un fluide; La figure 6 représente des courbes obtenues lors du suivi de niveau d'un fluide; La figure 7 représente un dispositif selon l'invention adapté au suivi de la décantation d'un fluide en émulsion; et La figure 8 montre des courbes expérimentales obtenues lors du suivi de la décantation d'un fluide. Dans la suite de la description, on définit en tant que corps ou milieu partiellement conducteur un corps ou milieu comportant au moins une partie ou phase conductrice. Dans l'invention décrite ci-après, on utilise le fait qu'un milieu ou corps partiellement conducteur, placé à proximité d'un moyen inductif tel qu'une bobine parcourue par un courant alternatif, est le siège de courants induits ou courants de Foucault qui se traduisent par des pertes au niveau du rendement, c'est-à-dire par une diminution de la valeur du facteur de surtension, du circuit résonnant activé dans lequel la bobine est incluse. La méthode selon l'invention permet, à partir de la variation du facteur de surtension du circuit résonnant activé, de déduire une caractéristique du corps partiellement conducteur. Ainsi, le facteur de surtension varie de façon inverse à la valeur de conductivité d'un corps ou d'un milieu, c'est-à-dire à la quantité de la partie ou de la phase conductrice du milieu. Le dispositif de mise en oeuvre de la méthode comporte, (Fig 1) un circuit inductif comprenant une bobine inductive 1, dans laquelle on place, par exemple, un corps partiellement conducteur 2. Un générateur de signal 3 permet d'envoyer à la bobine 1 un signal périodique d'excitation, un signal alternatif par exemple, qui engendre dans la bobine 1 un courant périodique, ce dernier générant à l'intérieur du corps 2 des courants de Foucault Des moyens de mesure 4 connectés à la bobine 1, détectent la variation du facteur de surtension du circuit résonnant activé et transmettent un signal représentatif de cette variation à des moyens de traitement 5, tel qu'un processeur programmable qui permet d'obtenir à partir du signal mesuré une caractéristique du corps partiellement conducteur. Dans toute la suite du texte, on définira par le terme "circuit résonnant", le circuit électronique constitué par le générateur 3, la bobine inductive et éventuellement d'autres éléments placés dans le circuit. Le dispositif comporte aussi un dispositif de contrôle 6 du générateur de signal 3, qui permet de choisir les paramètres du signal alternatif envoyé dans la bobine 1. Afin d'améliorer la précision de mesure, on choisit les paramètres de la bobine 1, c'est-à-dire son coefficient de self-induction L, sa valeur capacitive C et sa résistance r de manière à avoir une valeur de rapport (L/r) la plus élevée possible. Afin d'obtenir un champ électromagnétique constant à l'intérieur de la bobine, on réalise la bobine, de préférence, en employant une technique de bobinage à double enroulement bien connue des spécialistes du domaine. La figure 2 schématise un exemple de montage possible pour les éléments inductifs et les différents éléments constituant le circuit résonnant. La résistance R de la figure schématise les valeurs de résistance de la bobine 1 et des résistances générées par les pertes dues aux courants de Foucault dans le corps conducteur. Les paramètres L et C représentent respectivement le coefficient de self-induction de la bobine et sa capacité parasite. La référence Cr représente une capacité variable qui permet de d'adapter la fréquence de résonance du circuit à la fréquence du signal appliqué par le générateur. Un générateur de signal 3 commande un générateur de courant GC relié à la bobine La mise en série du générateur avec la résistance R permet de négliger la valeur de la résistance interne du générateur 3 par rapport à la résistance R partiellement représentative de la mesure des pertes générées dans le corps par les courants de Foucault. La mesure de la surtension se fait après un amplificateur adaptateur-suiveur A suivant un agencement connu. Suivant la variante de la figure 2, les moyens de mesure 4 comportent, par exemple, une résistance placée en série avec le générateur et la bobine, et un voltmètre ou tout autre dispositif capable de détecter et mesurer une variation du facteur de surtension. Avec le mode de réalisation de la Fig 3, on peut déterminer la quantité ou volume de la phase conductrice d'un fluide, le fluide étant, par exemple, en écoulement dans une conduite et passant au moins en partie dans les moyens inductifs. On procède de la manière suivante: on fait s'écouler le fluide dans une conduite 7 contrôlée par deux vannes 8, 9, l'une située en amont et l'autre en aval du dispositif, et on active le circuit résonnant selon la méthode décrite en rapport avec la figure 1 On mesure la variation du facteur de surtension Q en fonction du temps Le signal représentatif de cette mesure est envoyé dans le processeur 5 qui l'analyse pour déduire, par exemple le volume ou la quantité d'eau constituant la phase conductrice du fluide en écoulement Lorsque l'on analyse un fluide diphasique de volume connu, on peut aussi obtenir le volume de la phase non conductrice. L'interprétation de la courbe obtenue en relevant les variations du facteur de surtension est faite, par le processeur 5 qui est programmé pour réaliser les opérations suivantes: Il compare la forme générale de la courbe avec des courbes telles que celles de la Fig 4 A par exemple, préalablement mémorisées dans une mémoire Ces courbes de référence sont obtenues à partir d'essais préalables de calibration de la bobine au cours desquels on a fait s'écouler dans une conduite un fluide de composition contrôlée, c'est- à-dire dont on connait à tout instant la proportion des volumes de phase conductrice et de phase non conductrice et pour lequel, on a relevé les variations du facteur de surtension Q associées à des changements de la proportion de la phase conductrice Par comparaison, avec ces courbes mémorisées, on en déduit le volume de la phase conductrice Vc à tout instant dans le fluide en écoulement dans la conduite 7 On peut aussi, connaissant la quantité totale du fluide ayant circulé dans la conduite, obtenir le volume de la phase non conductrice. Une autre façon d'interpréter les résultats consiste lorsque l'on connait la valeur moyenne de la conductivité d'un fluide, à déduire le volume de la phase ou partie conductrice du fluide circulant dans la conduite 7 à partir de la relation connue reliant la valeur de surtension U du circuit résonnant activé, avec la conductivité a et le volume V de la phase conductrice: U = a V. De façon inverse, lorsque l'on connaît le volume de la phase conductrice du fluide analysé, le processeur 5 peut aussi calculer à partir des données enregistrées du facteur de surtension, la valeur de la conductivité moyenne de la phase ou partie conductrice du fluide. La quantité totale ou volume total du fluide ayant circulé dans la conduite pendant un temps donné est obtenue, par exemple, par intégration de la fonction représentative de la courbe (Fig 4 A) comme il est bien connu de l'homme de métier. La méthode selon l'invention permet aussi d'obtenir une information complémentaire sur la vitesse des particules conductrices. Le mot particule s'applique aussi bien pour les gouttelettes d'une des phases lorsque le fluide est en émulsion que pour des particules solides. On exploite pour celà les irrégularités de la pente de la courbe (FIG 4 B) Cette courbe a été obtenue par mesure en fonction du temps du facteur de surtension Q pour un fluide diphasique composé d'eau pour sa phase conductrice et d'huile pour sa phase non conductrice. Sur cette courbe, on distingue deux plages constantes séparées par une pente présentant des irrégularités La valeur de la pente est représentative de l'évolution de la structure du fluide, c'est-à-dire de la façon dont varient les quantités de phase conductrice et de phases non conductrices présentes dans le fluide, le palier situé sur la gauche de la courbe caractérisant le facteur de surtension Q lorsque le fluide comporte 100 % d'eau ou phase conductrice et le palier de droite 100 % d'huile ou phase non conductrice. Ainsi, pour un fluide comportant des particules conductrices dans un milieu peu conducteur, le spectre des vitesses des particules ou gouttelettes est obtenu par analyse de la fonction A(t) d'autocorrélation de la partie de la courbe présentant des irrégularités et de la connaissance de la concentration moyenne des particules 1 i O contenues dans le fluide en écoulement. La figure 4 C représente en fonction du temps, la fonction d'autocorrélation de la courbe Q(t) obtenue à partir de mesures effectuées sur un fluide dont la phase conductrice est de l'eau et la phase non conductrice de l'huile Ainsi, la valeur du temps X mesurée, 1 5 par exemple, pour une amplitude à mi-hauteur de la courbe est proportionnelle au produit de la concentration moyenne des particules et de l'inverse de la vitesse des particules. Lorsque la concentration moyenne des particules n'est pas connue, on peut lever l'ambiguïté en utilisant deux bobines situées à une distance connue l'une de l'autre. Le principe consiste à mesurer le signal obtenu dans la première bobine, puis le signal au niveau de la deuxième bobine, et ensuite d'effectuer une intercorrélation des deux signaux précédemment obtenus. La figure 4 D représente une courbe obtenue de cette façon. L'amplitude relative maximale est décalée temporellement d'une valeur 'Cd qui est directement proportionnelle à la vitesse des particules conductrices. La largeur 8 prise à mi-hauteur, par exemple, du signal donne une indication sur la concentration moyenne des particules. A partir de la vitesse des particules de la phase conductrice, le processeur 5 déduit le débit massique de la phase conductrice circulant dans la conduite 7 dont la section connue, par la relation bien connue: débit = vitesse X surface. Lorsque le fluide est composé de plusieurs phases dont l'une au moins est une phase conductrice, et quand les phases ne présentent pas de contraste de viscosité importante, c'est-à-dire quand leurs vitesses d'écoulement sont sensiblement égales, la mesure de la vitesse des particules est alors considérée comme représentative de la vitesse des différentes phases contenues dans le fluide Le processeur peut calculer la valeur du débit total du fluide circulant dans la conduite 7. La figure 5 décrit un dispositif de géométrie donnée, à partir duquel on détermine le niveau de la phase conductrice d'un fluide passant au moins en partie dans la bobine constituant les moyens inductifs du circuit résonnant. Le fluide comportant de l'eau et de l'huile arrive par une conduite et passe dans une colonne 11 par exemple placée à l'intérieur de la bobine de mesure 1 Un dispositif de réglage 12, telle qu'une vanne permet de contrôler le débit du fluide passant dans la colonne 11 On applique un signal alternatif d'excitation à la bobine 1, de fréquence égale de préférence à la fréquence de résonance du circuit A partir du moment o le signal est appliqué, on enregistre à l'aide des moyens de mesure 4 (Fig 2), la valeur du coefficient de surtension du circuit Ces données sont ensuite transmises au processeur 5 On effectue la mesure, par exemple, en continu. On effectue un suivi de niveau de la phase conductrice en enregistrant la variation du facteur de surtension Q résultant de la variation de la quantité de phase conductrice dans la partie située dans les moyens inductifs Les pertes dues aux courants de Foucault dans la partie conductrice et qui sont représentatives de la quantité de phase conductrice présente dans le fluide, se traduisent par une variation du facteur de surtension. A partir des données, on obtient la valeur du niveau de l'eau contenue dans le fluide par exemple en effectuant une comparaison avec un réseau de courbes expérimentales de référence obtenues préalablement. Ces courbes peuvent être obtenues par exemple en réalisant dans la colonne Il un mélange d'une phase conductrice, une saumure faite d'eau additionnée de chlorure de sodium par exemple, et d'une phase non conductrice, de l'huile par exemple, et en mesurant les variations du coefficient de surtension Q de la bobine 1 pour différentes proportions d'huile et d'eau et différentes concentrations de chlorure. Les différents tracés Cl, C 2, C 3, C 4, C 5 des courbes expérimentales de la figure 6 correspondent à des valeurs de salinité variables de fluides Ainsi les courbes Cl, C 2, C 3, C 4, C 5 correspondent respectivement à des valeurs de salinité de lg/l, 5 g/l, l Og/1, 20 g/1, 30 g/l A partir des données enregistrées, des paramètres de l'eau analysée notamment la salinité de l'eau et des courbes de référence, le processeur 5 déduit par comparaison le niveau d'eau contenue dans la colonne 1 I pour une valeur de surtension Qo mesurée. Des essais ont montré que le dispositif avait une sensibilité de mesure de l'ordre de 1 %. Le mode de réalisation, de la figure 7, est particulièrement bien adapté pour effectuer un suivi de la séparation des phases d'un fluide, dont au moins l'une des phases est une phase conductrice Cette opération est aussi appelée décantation d'un fluide Ce mode de réalisation est notamment utilisé pour caractériser un fluide se présentant sous forme d'émulsion par exemple, une émulsion d'huile dans l'eau, o des gouttelettes d'huile sont dispersées dans l'eau. Le dispositif comporte une capacité 13 située de préférence à l'intérieur d'une bobine de mesure 1 reliée à un appareillage de commande et de traitement 3, 4, 5 analogue à celui de la Figure 5 La capacité 13 est pourvue d'une conduite d'arrivée 14 d'introduction de l'émulsion, de moyens de soutirage 15 de l'eau et de moyens 16 de soutirage de l'huile. Le circuit est excité et les signaux de mesure sont mémorisés dans le processeur 5 A partir des valeurs enregistrées, le processeur établit, par exemple, la courbe d'évolution de la surtension U en fonction du temps, ainsi que les variations de sa pente, et il en déduit le temps ou durée de décantation du fluide en émulsion, à l'issue duquel les deux phases, l'eau et l'huile dans notre exemple, sont pratiquement séparées. La figure 8 est un exemple de courbe expérimentale obtenue lors d'essais de décantation réalisés pour un fluide en émulsion composé de 38 % de dodécane et 62 % de saumure On peut aussi déduire de la pente prise à mi-hauteur par exemple, l'indice de stabilité du fluide en décantation. 1 1 On ne sortirait pas du cadre de l'invention si l'on appliquait cette méthode à un milieu tel qu'un fluide dans lequel la phase non conductrice est de l'air ou tout autre phase non conductrice. On n'en sortirait pas non plus en modifiant la position de la bobine d'excitation par rapport à l'enceinte Elle pourra être placée aussi bien à l'intérieur d'une enceinte contenant le fluide à analyser qu'à l'extérieur et à proximité de celle-ci. Bien entendu, diverses modifications et/ou adjonctions peuvent être apportées par l'homme de métier au procédé et au dispositif dont la description vient d'être donnée à titre nullement limitatif, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1) Méthode pour obtenir une caractéristique d'un milieu ou corps comportant au moins une partie conductrice, caractérisée en ce que l'on détecte la présence du corps partiellement conducteur par la variation du coefficient de surtension d'un circuit inductif résonnant ( 1) excité par un signal périodique d'excitation de fréquence choisie pour engendrer une surtension dans ledit circuit. 1 i O 2) Méthode pour obtenir une caractéristique d'un milieu ou corps comportant au moins une partie conductrice, caractérisée en ce que l'on détecte une caractéristique dudit corps par la variation du coefficient de surtension d'un circuit inductif résonnant ( 1) excité par un signal périodique d'excitation de fréquence choisie pour engendrer une surtension dans ledit circuit. 3) Méthode selon la revendication 2, caractérisée en ce que la fréquence du signal périodique d'excitation est choisie voisine de la fréquence de résonance ou pulsation propre du circuit inductif. 4) Méthode selon la revendication 3, caractérisée en ce que la fréquence du signal périodique d'excitation est sensiblement égale à la valeur de la fréquence de résonance du circuit. ) Méthode selon la revendication 2, caractérisée en ce que le signal périodique d'excitation appliqué est un signal permanent. 6) Méthode selon la revendication 2, caractérisée en ce que le signal périodique d'excitation appliqué est constitué de trains d'impulsions de durées connues. 7) Méthode selon la revendication 2 appliqué à un corps tel qu'un fluide, composé d'une phase conductrice de volume connu et d'une phase non conductrice, caractérisée en ce que l'on détermine la conductivité moyenne de la phase conductrice. 8) Méthode selon la revendication 2 appliqué à un corps tel qu'un fluide, composé au moins d'une phase conductrice de conductivité connue et au moins d'une phase non conductrice, caractérisée en ce que l'on détermine au moins le volume de la phase conductrice dudit fluide. 9) Méthode selon la revendication 2 appliquée à un fluide composé de plusieurs phases dont l'une au moins est conductrice, ledit fluide étant en écoulement dans une conduite passant au moins en partie au voisinage du circuit inductif, caractérisée en ce que l'on détermine le débit massique de la phase conductrice. ) Méthode selon la revendication 9, caractérisée en ce que lesdites phases du fluide ayant des vitesses d'écoulement sensiblement identiques, on détermine le débit volumique du fluide. 11) Méthode selon la revendication 2, caractérisée en ce que le corps étant un fluide de volume connu contenu dans un récipient, au moins une partie du fluide passant au voisinage dudit circuit inductif, ledit fluide comprenant au moins deux phases liquides et l'une des deux phases étant une phase conductrice, on détermine le niveau dans le récipient de la phase conductrice dudit fluide. 12) Méthode selon la revendication 2, caractérisée en ce que le corps étant un fluide composé de deux phases liquides en émulsion et le fluide étant situé au moins en partie au voisinage dudit circuit inductif, on détermine le temps de décantation du fluide. 13) Dispositif pour la mise en oeuvre de la méthode selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison des moyens inductifs ( 1), des moyens de génération ( 3) d'un signal périodique d'excitation propre à créer dans les moyens inductifs ( 1) une surtension, des moyens de mesure ( 4) de la variation du facteur de surtension des moyens inductifs ( 1) due à la présence d'un corps partiellement conducteur placé à proximité des moyens inductifs ( 1), et des moyens de traitement ( 5) pour déterminer à partir de ladite variation du facteur de surtension une caractéristique du corps partiellement conducteur. 14) Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que les moyens inductifs ( 1) comportent une bobine émettrice-réceptrice. ) Dispositif selon la revendication 14, caractérisée en ce que la bobine émettrice-réceptrice comporte un double bobinage permettant de générer un champ électromagnétique uniforme à l'intérieur de ladite bobine. 16) Application selon l'une des revendications précédentes à la caractérisation d'un effluent pétrolier composé d'au moins une phase conductrice et d'une phase non conductrice.