Brevet FR3032789A1 — publié le 20160819

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention concerne le domaine de la mesure du débit de fluide dans une conduite, et trouve notamment une application dans le domaine des turbines pour fluide cryogénique. ETAT DE L'ART Les mesures de débit sont essentielles en vue de la détermination des performances et de l'amélioration de la consommation d'ergol par les moteurs d'engins spatiaux, notamment afin de pouvoir quantifier de manière précise les quantités de fluide consommées. En effet, la détermination des quantités de fluide consommées permet notamment d'optimiser la quantité d'ergol embarquée, et donc de limiter 1 5 la masse embarquée. Ces mesures de débit de fluide cryogénique sont actuellement réalisées au moyen de débitmètres à turbine, comprenant des capteurs utilisant la technologie inductive pour déterminer la fréquence de rotation des 20 pales de la turbine positionnée dans un conduit de circulation de fluide cryogénique, et permettant ainsi de calculer le débit circulant dans le conduit. Cependant, l'utilisation d'une telle technologie inductive s'avère contraignante. 25 En effet, l'utilisation d'un capteur inductif impose que les pales de la turbine soient réalisées en matériau ferromagnétique. Or, le matériau du moyeu de la turbine est quant à lui imposé par la conception du débitmètre, afin de supporter le milieu cryogénique. Le moyeu est ainsi typiquement réalisé en inox AISI 316L, tandis que les pales sont 30 réalisées en inox AISI 430C. Or, la réalisation de la soudure entre de telles pales et un tel moyeu est problématique, et une telle soudure est fragilisée par un phénomène de décohésion des joints de grain, qui est accentué lors du contact avec de 3032789 2 l'hydrogène gazeux. La zone de soudure s'avère en effet très fragile à des températures cryogéniques, et le moindre choc sur une pale peut entrainer une fissure dans la soudure associée. 5 Il y a donc un risque de rupture de la soudure, ce qui peut conduire à endommager les autres éléments du système, et également un risque que la pale s'écarte légèrement du moyeu du fait de la fissuration de la soudure, et entre ainsi en contact avec les parois du conduit. 1 0 PRESENTATION DE L'INVENTION La présente invention vise à répondre au moins en partie à ces problématiques, et propose ainsi un système de mesure d'un débit de fluide, par exemple de fluide cryogénique, dans une conduite, 15 comprenant - une turbine disposée dans la conduite, comprenant un moyeu monté tournant autour d'un axe, et des pales rapportées sur le moyeu, - un capteur, configuré de manière à déterminer la fréquence de rotation de la turbine, 20 caractérisé en ce que ledit capteur est un capteur optique, configuré de manière à détecter le passage des pales de la turbine en une portion donnée de la conduite. Le capteur optique est par exemple configuré de manière à émettre un 25 signal lumineux dans une portion de ladite conduite, ledit signal lumineux étant réfléchi par les pales de la turbine lorsqu'elles passent par ladite portion de conduite. Le capteur optique délivre par exemple un signal traduisant le passage 30 des pales de la turbine en une portion donnée de la conduite à une unité de traitement, ladite unité de traitement étant configurée de manière à déterminer le débit dans la conduite à partir dudit signal. 3032789 3 L'invention concerne également un procédé de mesure d'un débit de fluide, par exemple de fluide cryogénique, dans une conduite, dans lequel, au moyen d'un capteur optique, on détecte le passage de pales d'une turbine disposée dans une portion de la conduite, de manière à 5 déterminer la fréquence de rotation de la turbine. Le capteur optique délivre par exemple un signal traduisant le passage des pales de la turbine en une portion donnée de la conduite à une unité de traitement, ladite unité de traitement déterminant ainsi le débit dans 10 la conduite à partir dudit signal. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des figures annexées, sur lesquelles : - Les figures 1 et 2 présentent deux vues d'un exemple de système selon un aspect de l'invention, - La figure 3 représente un exemple de mesures obtenues avec un tel système. Sur l'ensemble des figures, les éléments en commun sont repérés par des références numériques identiques. DESCRIPTION DETAILLEE Les figures 1 et 2 présentent deux vues schématiques d'un exemple de système selon un aspect de l'invention. On représente sur ces figures une conduite 1 pour l'écoulement de fluide, par exemple de fluide cryogénique, équipée d'un système de mesure de débit. 3032789 4 Les deux vues présentées sur les figures 1 et 2 sont décalées de 90° autour d'un axe central Z-Z de la conduite 1. La conduite 1 comprend une turbine 2 comprenant un moyeu et des 5 pales, disposée au sein de son volume interne, de manière à être positionnée au sein de l'écoulement de fluide, afin que l'écoulement de fluide au sein de la conduite 1 entraine la turbine 2 en rotation. La turbine 2 telle que représentée est montée tournante selon un axe X-X perpendiculaire à l'axe central Z-Z de la conduite 1. 10 Ce montage n'est toutefois pas limitatif ; on comprend que la turbine 2 peut également être montée tournante par exemple selon un axe X-X parallèle à l'axe central Z-Z de la conduite 1. La conduite 1 est également équipée d'un capteur optique 3, disposé de 1 5 manière à émettre un signal lumineux adapté de manière à détecter la rotation de la turbine. Plus précisément, le capteur optique 3 est disposé de manière à ce que le signal lumineux qu'il émet soit réfléchi vers le capteur optique 3 20 lorsqu'une pale de la turbine 2 coupe ce signal lumineux. Dans le mode de réalisation représenté, le faisceau lumineux est émis selon une direction parallèle à l'axe de rotation X-X de la turbine 2, et décalée par rapport à cet axe de rotation X-X de la turbine 2. Dans l'exemple illustré, le capteur optique 3 est disposé derrière une 25 section vitrée 11 de la conduite 1, par exemple de manière à former un hublot dans la conduite 1, de manière à permettre le passage du signal lumineux sans perturber l'écoulement dans la conduite 1 et à isoler le capteur optique 3 du fluide circulant dans la conduite 1. 30 Ainsi, lors de la rotation de la turbine 2, les pales coupent le faisceau lumineux émis par le capteur optique 3 de manière à ce qu'il soit réfléchi vers le capteur optique 3. 3032789 5 Le capteur optique 3 délivre alors par exemple un signal traduisant l'intensité du signal lumineux réfléchi à une unité de traitement 4, qui traite ce signal de manière à déterminer le débit correspondant. 5 Dans le mode de réalisation représenté, la conduite 1 est une portion de conduite pouvant par exemple être intercalée entre une portion amont et une portion aval. Le système de détection, comprenant notamment la turbine 2 et le capteur optique 3 peuvent être implantés dans tous types de conduite. 10 La figure 3 représente ainsi un exemple de mesure obtenu au moyen d'un tel capteur optique. On représente sur la figure 3 le signal délivré par le capteur optique 3 en 15 fonction du temps. Cette figure présente : - un graphe G1 qui est un exemple de signal brut délivré par un capteur optique tel que le capteur optique 3 présenté précédemment ; 20 - un graphe G2 qui correspond au graphe G1 après traitement (par exemple redressement) du signal brut. La figure 3 représente également un graphe G3, qui illustre à titre comparatif le signal délivré par un capteur inductif réalisant la même mesure que le capteur optique 3. 25 Le graphe G3 est déphasé par rapport aux graphes G1 et G2, car le graphe G3 a été réalisé au moyen d'un capteur inductif décalé de 90° autour de l'axe Z-Z de la conduite par rapport au capteur optique 3 utilisé pour la réalisation du graphe Gl. 30 Comme on le voit sur ces graphes, le capteur optique 3 délivre un signal instantané, ce qui permet d'améliorer les mesures effectuées en réduisant le temps nécessaire à la détection. 3032789 6 De plus, un capteur optique présente une bande passante nettement supérieure à celle d'un capteur inductif. La mesure de débit est ainsi améliorée en termes de performance dynamique, et permet également d'accéder aux signaux en transitoire. 5 En outre, l'analyse du signal brut délivré par le capteur optique 3 permet d'obtenir des informations additionnelle sur le comportement et l'intégrité de la turbine 2, notamment la détection de défauts d'état de surface, l'usure du palier de roulement assurant la rotation de la turbine 10 2, ou encore la détection d'un balourd éventuel. Des essais ont permis de montrer que le système de mesure optique proposé permet d'obtenir des résultats ayant une précision similaire, voire supérieure aux résultats obtenus au moyen d'un capteur inductif. 1 5 Le système proposé permet de plus d'obtenir une meilleure répétabilité, ce qui réduit de fait l'incertitude sur les mesures de débit. Le système proposé permet ainsi de s'affranchir de la nécessité de réaliser les pales de la turbine en matériau ferromagnétique ; les pales 20 peuvent donc être réalisées dans le même matériau que le moyeu, et peuvent donc être réalisées en une seule pièce avec le moyeu, supprimant de ce fait la liaison par soudure. Le système proposé permet de plus de réaliser la turbine en un matériau non métallique, par exemple en polyétheréthercétone (PEEK), en 25 matériau composite à matrice organique (CMO), ou en matériau thermoplastique, par exemple le matériau commercialisé sous la dénomination commerciale VESPEL. Les mesures effectuées sont ainsi fiabilisées, du fait de la suppression du risque de détachement des pales. 30 REVENDICATIONS1. Système de mesure d'un débit de fluide dans une conduite (1), comprenant - une turbine (2) disposée dans la conduite (1), comprenant un moyeu monté tournant autour d'un axe, et des pales rapportées sur le moyeu, - un capteur (3), configuré de manière à déterminer la fréquence de rotation de la turbine (2), caractérisé en ce que ledit capteur (3) est un capteur optique, configuré de manière à détecter le passage des pales de la turbine (2) en une portion donnée de la conduite (1). 2. Système selon la revendication 1, dans lequel le capteur optique (3) est configuré de manière à émettre un signal lumineux dans une portion de ladite conduite (1), ledit signal lumineux étant réfléchi par les pales de la turbine (2) lorsqu'elles passent par ladite portion de conduite (1). 3. Système selon l'une des revendication 1 ou 2, dans lequel ledit capteur optique (3) délivre un signal traduisant le passage des pales de la turbine (2) en une portion donnée de la conduite (1) à une unité de traitement (4), ladite unité de traitement étant configurée de manière à déterminer le débit dans la conduite (1) à partir dudit signal. 4. Procédé de mesure d'un débit de fluide dans une conduite (1), dans lequel, au moyen d'un capteur optique (3), on détecte le passage de pales d'une turbine (2) disposée dans une portion de la conduite (1), de manière à déterminer la fréquence de rotation de la turbine (2). 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel ledit capteur optique (3) délivre un signal traduisant le passage des pales de la turbine (2) en une portion donnée de la conduite (1) à une unité de traitement (4), ladite unité de traitement (4) déterminant ainsi le débit dans la conduite (1) à partir dudit signal.