Brevet FR2906609A1 — publié le 20080404

Dispositif de mesure du débit d'un des constituants d'un fluide multiphasique en écoulement dans un conduit La présente invention concerne, de façon générale, le domaine des capteurs de mesure du débit d'un des constituants d'un fluide ou d'un flux multiphasique en écoulement dans un conduit. Plus précisément, l'invention concerne un dispositif de mesure du débit d'au moins un premier des constituants d'un fluide multiphasique en écoulement dans un conduit par mesure d'un bruit de friction généré par le premier constituant du fluide multiphasique, le dispositif de mesure comprenant un détecteur de bruit non intrusif lié à une face extérieure du conduit. A titre préalable, notons que la maîtrise du débit, par exemple, d'une phase solide dans le fluide multiphasique, par exemple, du type gaz/poudre , a une grande importance pour divers procédés industriels impliquant un transport pneumatique des particules, par exemple, pour réguler un bon fonctionnement d'un four de combustion, en particulier dans la combustion des déchets pour lesquels le traitement des fumées nécessite un contrôle précis des réactifs utilisés. Une première approche consiste à contrôler la phase solide (poudre) avant son mélange avec une phase gazeuse (air), c'est-à-dire, à évaluer une quantité des particules pénétrant dans le conduit pneumatique. De manière connue, des machines avec des vis sans fin sont utilisées pour alimenter les conduits pneumatiques. Une solution simpliste consistant à mesurer, par exemple, une vitesse de rotation de la vis sans fin pour contrôler la quantité de la poudre acheminée au conduit, n'est pas 2906609 2 satisfaisante. En effet, la rotation de la vis sans fin ne garantit aucunement l'apport effectif de la matière dans le conduit pneumatique. Une autre approche vise à mesurer le débit de la 5 phase solide dans le fluide multiphasique déjà formé dans le conduit pneumatique. Il est à noter que ces mesures sont particulièrement délicates pour les poudres. En effet, ces dernières ont tendance à se charger en électricité statique ce qui perturbe la plupart des 10 capteurs existants, par exemple, des capteurs à ultrasons ou à microondes. Pour contourner cette difficulté, on utilise de manière connue des appareils mesurant le bruit de friction produit lors du passage du flux multiphasique dans le conduit pneumatique. 15 Comme illustré sur les figures 1 et 2 de l'état de l'art, un tel dispositif est bien connu de l'homme du métier, spécialiste du transport pneumatique des matériaux granuleux ou poudres S dans un conduit 1, notamment par exemple comme le décrit un manuel 20 d'instruction édité par la société SIEMENS en août 2005 (référencé 7ML19985DMO2) et portant sur un capteur SITRANS AS 100. Il s'agit d'une sonde 2a, 2b non intrusive dite acoustique stable à haute fréquence (de 75 kHz à 175 kHz). La sonde est installée, par exemple, 25 directement sur une face extérieure 12 du conduit 1 (figure 1, sonde 2a) ou sur un support rigide 7 solidaire avec une bride 10 reliant deux parties du conduit 1 (figure 1, sonde 2b) et de préférence sur la partie concave d'un coude (figure 1). Il est à noter qu'une 30 installation d'un capteur des particules solides sur la partie convexe du coude du conduit pneumatique est décrite dans le brevet japonais JP 59163521. 2906609 3 Comme le montre schématiquement la figure 1, les particules solides S constituant le matériau granulé, en suspension dans le flux d'air comprimé GS, frottent, au cours de leur déplacement le long de l'axe privilégié AB 5 du conduit 1, contre la face interne 13 du conduit 1. Les émissions acoustiques qui en résultent se propagent à travers la paroi 11 du conduit 1. La sonde capte le bruit de friction en délivrant à sa sortie un signal, par exemple, un signal analogique de tension en Volt ou de 10 courant électrique en mA, proportionnel au bruit de friction et, donc, au débit des particules solides dans le conduit 1. Généralement le capteur SITRANS AS 100 est utilisé dans le domaine de protection de procédés industriels à 15 des fins de surveillance et d'avertissement précoce. Une alerte est émise par l'interface du capteur 2a, 2b à un opérateur dès que le débit de la phase solide S dépasse une valeur seuil prédéterminée. Ainsi, on peut éviter des couteuses interruptions de procédés et/ou des pannes 20 mécaniques dues à une baisse et/ou à une rupture inopinée de la phase solide (particules) S dans le flux multiphasique GS du type air/poudre . Une note référencée 7ML1996-5AN13 et publiée par la société SIEMENS en premier semestre 2006 sur 25 www.siemens.com/processprotection décrit un exemple d'utilisation du capteur pour surveiller le débit très élevé du charbon pulvérisé alimentant un four fonctionnant à 1200 C dans une aciérie. Cependant, l'étendue de mesure du capteur SITRANS 30 AS 100 et/ou sa résolution ne sont pas toujours satisfaisantes. Par exemple, malgré ses deux plages de sensibilité (haute et basse) au bruit de friction 2906609 4 correspondantes à ses deux plages de fonctionnement, la résolution du capteur SITRANS AS 100 peut être insuffisante à tel point que son installation sur des portions droites du conduit 1 comme celle illustrées sur 5 la figure 2, est formellement déconseillée par SIEMENS à cause des faibles émissions acoustiques résultant dans ce cas d'une friction limitée entre les particules S et la face interne 13 du conduit 1. La présence dans le conduit 1 d'au moins une partie coudée 101 dont l'axe privilégié 10 AOB forme un angle a tel que a multiphasique GS, impactent une première fois le segment 10 33 de l'obstacle 3 en forme de la lamelle métallique dans cet exemple. Ces premiers impacts sont schématisés sur la figure 6 à l'aide des explosions référencées io. Ensuite, des lignes tourbillonnaires se créent autour de la portion 31 de l'obstacle 3. Ces tourbillons sont 15 schématisés sur la figure 6 à l'aide des flèches courbées référencées T1 à T5 en double ligne pointillée. Pour éviter une surcharge de la figure 6, une traînée des tourbillons en aval de l'obstacle 3 par rapport à la direction de l'écoulement AB, n'est pas représentée. 20 Après avoir impacté la première fois le segment 33 de l'obstacle 3, au moins une partie des particules solides S est entraînée le long de la portion 31 par les tourbillons T1 à T5 en frottant l'obstacle 3 et, notamment sa portion 31. En outre, au moins les 25 particules S tapent de nouveau l'obstacle 3 et, notamment sa portion 31. Ces deuxièmes impacts sont schématisés sur la figure 6 à l'aide des explosions référencées iT. Cette multiplicité d'impacts produite par la même particule S amplifie le nombre des émissions acoustiques 30 et, donc, le bruit de friction capté par le détecteur 2. Ce dernier génère alors à sa sortie le signal proportionnel au bruit de friction et, donc au débit de 26 2906609 la poudre S dans le conduit 1. L'équipement de gestion 6 recevant à son entrée le signal provenant du détecteur 2, pilote, à l'aide des moyens de régulation, le ventilateur 5 et/ou la machine 4 à vis sans fin 45 de manière, par 5 exemple, à maintenir la concentration prédéterminée constante du réactif S dans le flux multiphasique GS en amont du réacteur R. Il est à noter également que la portion 31 de l'obstacle 3 subit des vibrations induites par les 10 tourbillons Tl à T5. En résumé, le bruit de friction capté par le détecteur 2 peut résulter des différentes excitations de l'obstacle 3 faisant suite, par exemple : • des mouvements locaux des particules solides S 15 sensiblement tangentiels par rapport à la portion 31 produisant la friction proprement dite, • des mouvements locaux inclinés, voire perpendiculaires des particules solides S par rapport à la portion 31, résultant de leurs impacts contre la portion 31, 20 • d'un mouvement vibratoire de la portion 31 dans son entier induit par les tourbillons Tl à T5. Par ailleurs, la traînée des tourbillons en aval de l'obstacle 3 (non représentée sur la figure 6) crée un bruit dit d'écoulement turbulent. Ce dernier peut servir 25 pour calibrer le détecteur 2 et/ou pour vérifier son bon fonctionnement indépendamment de la présence des particules S dans le flux multiphasique GS. La traînée des tourbillons amplifie également les mouvements locaux des particules S en aval de l'obstacle 3 en favorisant 30 ainsi les nouveaux impacts des particules S contre la face interne 13 du conduit 1 quelque soit la géométrie du 27 2906609 conduit 1 et, notamment pour les parties droites du conduit 1. Il est à noter que les paramètres caractérisant le bruit de friction tels que sa fréquence et son intensité 5 peuvent être régulés par l'installateur du dispositif selon l'invention dans le conduit 1 et/ou par l'opérateur. Par exemple, il est possible d'optimiser la vitesse du flux multiphasique GS, sa composition, le diamètre du conduit 1, le nombre des obstacles 3 rapportés dans le 10 conduit 1, la forme de l'obstacle 3, son positionnement dans le conduit 1, son matériau de fabrication, son épaisseur etc., sans toutefois trop freiner la vitesse d'écoulement car de tels obstacles 3 dont les dimensions sont exagérées sur les figures, ne créent pas beaucoup de 15 perte de charge. L'étendue de mesure du dispositif selon l'invention peut être aisément modifiée, par exemple, par l'installateur, de manière à ajuster, si besoin, une échelle de mesure du dispositif en fonction, par exemple, 20 des différents régimes d'écoulement du flux multiphasique GS dans le conduit 1 et/ou, entre autres, d'une hausse et/ou d'une baisse de la concentration de la phase solide S dans le flux multiphasique GS. Une telle modification de l'étendue de mesure peut 25 être réalisée à l'aide, par exemple, d'au moins deux détecteurs 2a, 2b de bruit installés sur les équerres 20 en série respectivement à deux distances L1, L2 prédéterminées distinctes de l'obstacle 3 telles que Li REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure du débit d'au moins un premier des constituants d'un fluide multiphasique (GS) en écoulement dans un conduit (1) par mesure d'un bruit de friction généré par le premier constituant (S) du fluide multiphasique (GS), le dispositif de mesure comprenant un détecteur (2) de bruit non intrusif lié à une face extérieure (12) du conduit (1), caractérisé en ce qu'il comprend au moins un obstacle (3) rapporté à l'intérieur (14) du conduit (1). 2. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'obstacle (3) comprend au moins une portion s'étendant le long d'une direction privilégiée (AB) de l'écoulement sur une longueur (LO) prédéterminée. 3. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'obstacle (3) est formé par au moins une lamelle (31) métallique. 4. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'obstacle (3) coopérant avec l'écoulement du fluide multiphasique (GS) dans le conduit (1) génère le bruit de friction au moins dans un domaine de hautes fréquences, tel qu'entre de préférence environ 75 kHz et environ 175 kHz. 5. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des 25 revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend : • au moins un moyen de régulation (5) d'une phase gazeuse (G) du fluide multiphasique (GS) en écoulement dans le conduit (1), • au moins un moyen de régulation (4) d'une phase solide 30 (S) du fluide multiphasique (GS) en écoulement dans le conduit (1), 2906609 32 • au moins un équipement de gestion (6) lié par au moins un lien électrique et/ou fluidique avec le détecteur (3) de bruit et avec au moins l'un des moyens de régulation (4, 5) du fluide multiphasique (GS) en 5 écoulement dans le conduit (1). 6. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'un moyen absorbant (21) sélectivement le bruit de friction est agencé entre le détecteur (3) de bruit et le conduit (1). 10 7. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux détecteurs (3) de bruit installés respectivement à deux distances prédéterminées distinctes (L1, L2) de l'obstacle (3). 15 8. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'obstacle (3) est prolongé à travers une paroi {11) du conduit (1) solidairement avec le conduit (1), formant un ergot (32) sur la face extérieure (12) du conduit (1). 20 9. Dispositif de mesure selon la revendication 8, caractérisé en ce que le détecteur (2) de bruit est disposé sur l'ergot (32), le détecteur (2) avec l'ergot (32) formant une unité de mesure. 10. Dispositif de mesure selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux unités de mesure installées selon l'une des configurations choisies parmi les configurations suivantes par rapport à la direction privilégiée (AB) de l'écoulement : (a) en parallèle ; (b) en série.