Brevet FR3060119A1 — publié le 20180615

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne un capteur de pression sans contact et trouve application dans la mesure de la pression d'un fluide véhiculé dans une tuyauterie. ETAT DE LA TECHNIQUE Dans le cadre de l'exploitation d'équipements sous pression comme ceux présents dans les centrales de production d'électricité ou dans l'industrie pétrochimique, les installations ne sont dotées à la conception que d'un nombre restreint de capteurs de pression. De plus, ces capteurs ne sont pas forcément adaptés au contrôle ou à la mesure de fluctuations de pression révélatrices d'un fonctionnement anormal de l'installation. Enfin, lors des phases de modification des aménagements, de mise en place des nouveaux équipements ou en exploitation, il est parfois nécessaire de disposer d'informations complémentaires permettant de garantir la conformité de nouveaux équipements ou d'en diagnostiquer leur mauvais fonctionnement. La mesure de ces fluctuations de pression permet de s'assurer du respect des conditions de fonctionnement nominales. Afin d'ajouter des capteurs supplémentaires, il est nécessaire d'ajouter de nouveaux piquages dans certains circuits sous pression. De tels piquages impliquent des modifications lourdes et parfois délicates des circuits sous pression. Les capteurs de pression, les plus couramment employés, sont installés sur des piquages de tuyauterie prévus à cet usage. Ils se composent d'un collecteur de force (membrane, piston, etc...) dont son déplacement ou sa déformée dépend de la pression qui lui est appliquée. Il est important de noter que ces capteurs ne permettent pas d'évaluer la pression en l'absence de piquage. La pression fluctuante du fluide engendre des déformations de la tuyauterie qui le transporte. Dans le cas d'une tuyauterie cylindrique, la formule de coque dite du « hoop stress » [1] détermine la déformation radiale instantanée xr d'un cylindre de module 3060119 2 d'Young E et de coefficient de Poisson y, de rayon extérieur R, et intérieur R,, sous l'effet d'une pression interne uniforme p : Eq1 : xr = (11+1 + E , En supposant la tuyauterie soumise à une pression fluctuante de l'ordre de 5 2 % de la perte de charge Ap d'une vanne ou d'un diaphragme, l'ordre de grandeur du déplacement radial RMS correspondant peut être déterminé par l'abaque de la figure 3. Il s'agit d'une courbe adimensionnée qui permet d'illustrer le gonflement de la tuyauterie en fonction du ratio épaisseur/rayon de la tuyauterie. Ce ratio définit la finesse de la tuyauterie. Plus il est faible, plus la tuyauterie gonfle sous 10 l'effet de la pression. Une technique de mesure de pression est basée sur des mesures de gonflement de la tuyauterie avec des accéléromètres (voir [2,3]). Cette technique consiste à disposer deux capteurs d'accélération de part et d'autre de la tuyauterie, et à mesurer leur différence. En étalonnant et en appariant 15 deux accéléromètres à 1 % près, une différence de deux signaux peut être mesurée jusqu'à environ 5 % de leur valeur moyenne. En d'autres termes, si la tuyauterie se déplace globalement de 10 pm (amplitude raisonnable en vibration de tuyauterie standard, correspondant à une vitesse d'environ 2 mm/s à 30Hz), il devrait être envisageable d'évaluer un 20 gonflement de la tuyauterie de l'ordre de 0,5 pm. Le bruit du fond du système de mesure complet est défini par : - le bruit de fond des capteurs d'accélération ; - la qualité de l'appariement ; - de la précision de l'alignement des paires de capteur. 25 Dans certain cas spécifiques (haute température par exemple), il ne sera pas envisageable d'avoir un contact entre le capteur et la tuyauterie. Une autre méthode de mesure (voir [4,5]) consiste à disposer des jauges de déformation le long d'une circonférence de la tuyauterie. De telles jauges permettent de mesurer des déplacements relatifs de l'ordre de 10-6. Dans le cadre 30 des tuyauteries sur lesquelles cette technologie peut être mise en oeuvre, il est envisageable de mesurer les déformations de la tuyauterie dues à son gonflement. 3060119 3 Cette approche de mesure requiert un savoir-faire en termes de collage des jauges de déformation et oblige l'opérateur à être en contact avec la tuyauterie. De manière similaire, la variation de section de la tuyauterie peut être estimée au moyen d'un matériau piézoélectrique (voir [6, 7, 8, 9]). La relation entre 5 la déformation relative E et la tension induite s'écrit : Eq2 : E1 = Yp/pbpd31 [ 1 - d32 où le coefficient de Poisson y de la tuyauterie, lp et bp la longueur et la largeur du film PVDF (en anglais, « PolyVinyliDene Fluoride» pour polyfluorure de vinylidène), Yp le module de Young du matériau piézoélectrique, d31 et d32 les coefficients piézoélectriques et Cp la capacité du film PVDF. 10 De manière idéalisée, un film PVDF peut être utilisé comme une jauge de déformation positionnée sur toute la circonférence du tube. Les charges générées par le capteur piézoélectrique solidaire de la tuyauterie sont suffisantes pour être aisément mesurées. La sensibilité de cette méthode, bien qu'excellente, est mise en défaut par 15 les changements des caractéristiques piézoélectriques des matériaux en PVDF avec la température, ce qui rend leur calibration difficile. Il est donc important de recaler le coefficient de calibration avant chaque utilisation. En conséquence, la mise en oeuvre de ce type de mesure se révèle particulièrement délicate. 20 Les solutions connues ne sont pas satisfaisantes. PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention propose de pallier des inconvénients de l'état de la technique. A cet effet, l'invention propose un dispositif de mesure de la pression d'un 25 fluide véhiculé dans une tuyauterie cylindrique, le dispositif comprenant : - une électrode de mesure destinée à être disposée, sans contact, autour d'une tuyauterie cylindrique ; - une électrode de garde disposée, sans contact, autour de l'électrode de mesure ; 30 - une alimentation connectée à l'électrode de garde ; VpCp 3060119 4 - un système de mesure délivrant une tension électrique proportionnelle à une variation de pression du fluide, le système de mesure étant connecté à l'électrode mesure et à l'électrode de garde. L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques 5 suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible. Le dispositif de mesure comprend une électrode de protection disposée autour de l'électrode de garde protégeant les intervenants contre la haute tension appliquée à l'électrode de garde. 10 L'électrode de mesure a un diamètre Dl supérieur au diamètre DO de la tuyauterie autour de laquelle l'électrode de mesure est destinée à être disposée, de diamètre D1=D0+x, avec x typiquement compris entre 1 et 30 mm, typiquement 10 MM. Le système de mesure comprend un ensemble haute-tension isolé 15 galvaniquement d'un ensemble basse-tension au moyen d'un opto-coupleur. L'ensemble haute-tension comprend un amplificateur couplant l'électrode de mesure à l'électrode de garde. Le système de mesure est à montage dit flottant sans mise à la terre et avec une alimentation autonome. 20 La présente invention permet d'évaluer les fluctuations de pression au sein d'une tuyauterie sans même être en contact avec cette dernière. Le dispositif de l'invention est un capteur capacitif distribué englobant une enveloppe cylindrique, dont les gonflements sont dus aux variations de pression interne. 25 Le dispositif de l'invention est particulièrement adapté aux tuyauteries de large diamètre (typiquement supérieur à 0,5 m) et d'épaisseur faible (typiquement inférieur à 0,001 m). Le dispositif de l'invention a l'avantage de permettre une mesure distribuée sur toute la périphérie de la tuyauterie. Ainsi, le moyennage spatial élimine le 30 déplacement global de la section de la tuyauterie ce qui permet à la mesure de n'être sensible qu'aux gonflements. 3060119 5 Afin de limiter le bruit de fond du dispositif de mesure, deux précautions sont prises : d'une part, l'électrode de garde qui englobe l'électrode de mesure, sert à isoler l'électrode de mesure, de toute influence extérieure, et d'autre part, les électrodes sont maintenues entre elles par des supports isolants reliés au génie civil, 5 sans contact avec la tuyauterie. Il faudra également veiller à ce que l'électrode de mesure soit la plus proche possible de la tuyauterie pour maximiser la sensibilité du dispositif. PRESENTATION DES FIGURES 10 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 dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre un dispositif de mesure selon l'invention ; - la figure 2 illustre un système de conditionnement d'une tension électrique 15 d'un dispositif de mesure selon l'invention ; - la figure 3 illustre un abaque de type connu utilisé dans le cadre de l'évaluation de la déformation d'une tuyauterie sous pression en fonction de son diamètre et son épaisseur 20 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION La figure 1 illustre un dispositif de mesure de la pression d'un fluide véhiculé dans une tuyauterie 10 cylindrique comme celles employées dans les installations des centrales de production d'électricité ou de l'industrie pétrochimique. Un tel dispositif comprend une électrode 1 de mesure, de diamètre D1 25 légèrement supérieure au diamètre DO de la tuyauterie 10 et disposée sans contact autour de la tuyauterie 10. De préférence, l'électrode 1 de mesure a un diamètre supérieur au diamètre de la tuyauterie 10 autour de laquelle elle est disposée, avec D1=D0+x, où x est compris entre 1 et 30 mm, typiquement x=10 mm. 30 Une électrode 2 de garde, a un diamètre D2 suffisamment important pour permettre de disposer et de connecter, entre elle et l'électrode 1 de mesure, un système de mesure 5 configuré pour délivrer une tension électrique proportionnelle 3060119 6 à la variation de pression dans la tuyauterie. Un dispositif 6 d'acquisition de la mesure est connecté au système de mesure 5. L'électrode 2 de garde sert à isoler l'électrode 1 de mesure de toute influence extérieure. 5 De manière avantageuse, le système de mesure 5 permet de maintenir l'électrode 1 de mesure et l'électrode 2 de garde à des potentiels identiques. Une alimentation 7 est connectée à l'électrode 2 de garde. Cette alimentation délivre une tension typiquement égale à 5 kV et permet de mettre sous tension le dispositif de mesure. 10 Une électrode 3 de protection peut optionnellement être disposée sans contact autour de l'électrode 2 de garde. Elle a pour rôle de barrière physique contre la haute tension appliquée sur l'électrode 2 de garde. En outre, la tuyauterie 10 dans laquelle circule le fluide peut être mise à la terre par exemple au moyen d'une ligne de terre. 15 Enfin, les électrodes sont maintenues entre elles par des supports 4 isolants reliés au génie civil, sans contact avec la tuyauterie. Le dispositif de mesure est basé sur la mesure de la variation de la capacité électrique entre la tuyauterie 10 et l'électrode 1 de mesure. A la différence des capteurs capacitifs communément employés mesurant des déplacements ponctuels 20 (technique identique à celle décrite avec les accéléromètres), le dispositif de mesure ci-dessus décrit est distribué. En effet, en assimilant la tuyauterie et l'électrode 1 de mesure à un condensateur plan, la capacité du système est donnée par C = 27CE R'I'd , où E est la permittivité diélectrique de l'air, Ro le rayon extérieur de la tuyauterie 10, L la 25 longueur de l'électrode de mesure 1 prise le long de la tuyauterie 10 et d la distance entre l'électrode 1 et la tuyauterie 10. La charge q engendrée par une variation de la distance d s'écrit par linéarisation de l'expression de la capacité : Eq3 : q = -27rs R4 Xr = -CIct, avec xr la déformation radiale de la tuyauterie 10. 30 La figure 2 présente le système 5 de mesure comprenant un ensemble 51 haute-tension isolé galvaniquement d'un ensemble basse-tension 52 au moyen d'un opto-coupleur. 3060119 7 L'ensemble haute-tension 51 permet le couplage de l'électrode 2 de garde à l'électrode 1 de mesure. Ce couplage permet la mesure d'un courant de très faible intensité (de l'ordre du nanomètre) proportionnel au gonflement de la tuyauterie (déformation radiale xr de la tuyauterie). 5 En particulier, l'électrode 1 de mesure est couplée à l'électrode de garde 2, au moyen d'un amplificateur opérationnel (V+=V- et I+=i-=0) qui garantit l'égalité des potentiels des deux électrodes (VD1 = VD2). Le système 5 de mesure est flottant en raison son mode d'alimentation autonome et de sa non mise à la terre. Les alimentations autonomes des deux 10 circuits évitent les boucles de terre dont les courants qu'elles génèrent peuvent être particulièrement grands devant ceux circulants dans le circuit « haute-tension ». Les fluctuations de pression dans la tuyauterie 10 modifient le diamètre del'enveloppe cylindrique et par conséquent l'épaisseur de la lame d'air qui sépare la tuyauterie 10 de l'électrode de mesure 1. 15 Dans le cas d'une augmentation de pression, la capacité, formée par la tuyauterie 10 et l'électrode 1 de mesure, croit. Ainsi, le champ électrique, entre la tuyauterie et l'électrode de mesure 1 s'élève. Alors, le courant provenant de l'électrode 1 de mesure et traversant la résistance de rétroaction R2 augmente. En conséquence, la tension aux bornes de l'entrée de l'opto-coupleur s'accroit. 20 En pratique, l'amplificateur opérationnel et la partie émettrice de l'opta- coupleur sont soudés sur un circuit imprimé doté d'une alimentation flottante autonome. De plus, la réception de l'opto-coupleur est montée sur un second circuit galvaniquement isolé du précédent. 25 Un intérêt du système de mesure est qu'il permet de mesurer des courants de très faible intensité (de l'ordre du nanoampère) circulant dans l'ensemble 51 haute tension. En effet, les variations de tension aux bornes du récepteur de l'opta-coupleur sont proportionnelles aux variations de pression dans la tuyauterie 10. La tension de sortie de l'amplificateur opérationnel est donnée par : 30 Eq 4 : Vs = - &15: 17132- I. Ri, Eq 6 : Vs = -I. R2. .?k( ? 17.131 VD2), 3060119 8 En introduisant l'équation 3 dans l'équation 6, la tension de sortie de l'amplificateur peut s'écrire en fonction du gonflement : , R2C dxr Eq 7 vs = d dt Le courant circulant dans la diode est donné par : V+ R2c cbcr Eq 8 = R3 ut3 Le coefficient de couplage K entre la diode émettrice et la photo diode est défini par : Eq 9 : K = IF où IF et le sont respectivement les courants de polarisation de la diode 10 émettrice et le courant de passe du collecteur. La tension de sortie Vour aux bornes du phototransistor s'écrit : R4i K2R4C dt 3 dxr Eq 10 : VOUT = V+ [1 - R R3d En ôtant la composante continue de la tension de sortie du capteur, on obtient la relation suivante : Eq 11 : V OUT-AC = Rad dt 15 En introduisant l'équation 1 et l'équation 3 dans l'équation 11 et en négligeant l'effet des capacités parasites, la tension de sortie du capteur dépend des fluctuations de pression et est donnée par: Eq 12 : V OUT-AC 27CER01, K R2R4 Ri + Ri dp d2 R3 - E - Ri2 dt Liste des références citées 20 [1] Fundamentals of Machine Elements, 3rd ed., Schmid, Hamrock and Jacobson, 2014 CRC Press [2] Method and device for non intrusively measuring the pressure fluctuations of a fluid within a conduit, Brevet Européen 0 720 006 Bl, E. Landel, D. King, V. De Laharpe, 1999 25 [3] Displacement based pressure sensor measuring unsteady pressure in a pipe, United States Patent 6.463.813 Bl, D. L. Gysling, 2002 [4] Dilatometer, United States Patent 4.290.311 Al, G. A. Brewer, 1981 5 KR2R4C dx, 3060119 9 [5] Method and apparatus for pipe pressure measurements, United States Patent 2014/0251020 Al, H. Offer et al., 2014 [6] Piezoelectric sensor for measuring pressure fluctuations, United States Patent 2012/0065526 A9, R. Kopetsch, M. Nasseri, S. Bergmann, 2012 5 [7] Apparatus and method for measuring unsteady pressures within a large diameter pipe, United States 7058549 B, D. L. Gysling, D. H. Loose, R. Maron, T. Engel, P. Croteau, 2006 [8] Piezocable based sensor for measuring unsteady pressures inside a pipe, United States 7308820 B2, T. W. Engel, 2007 10 [9] Method and apparatus for measuring parameters of a fluid flowing within a pipe using a configurable array of sensors, United States US 8336393 B2, T. J. Bailey, M. A. Davis, M. R. Fernald, 2012 REVENDICATIONS1. Dispositif de mesure de la pression d'un fluide véhiculé dans une tuyauterie cylindrique (10), le dispositif comprenant : - une électrode (1) de mesure destinée à être disposée, sans contact, autour d'une tuyauterie cylindrique (10) ; - une électrode (2) de garde disposée, sans contact, autour de l'électrode (1) de mesure ; - Une alimentation (7) connectée à l'électrode (2) de garde ; - Un système (5) de mesure délivrant une tension électrique proportionnelle à une variation de pression du fluide, le système de mesure étant connecté à l'électrode mesure (1) et à l'électrode de garde (2). 2. Dispositif selon la revendication 1, comprenant en outre une électrode (3) de protection disposée autour de l'électrode (2) de garde. Elle a pour rôle de barrière physique contre la haute tension appliquée sur l'électrode 2 de garde. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel l'électrode (1) de mesure a un diamètre D1 supérieur au diamètre DO de la tuyauterie autour de laquelle l'électrode (1) de mesure est destinée à être disposée, de diamètre D1=D0+x, avec x typiquement compris entre 1 et 30 mm, typiquement 10 mm. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le système de mesure comprend un ensemble (51) haute-tension isolé galvaniquement d'un ensemble basse-tension (52) au moyen d'un opto-coupleur. 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel l'ensemble (51) haute tension comprend un amplificateur couplant l'électrode (1) de mesure à l'électrode (2) de garde. 3060119 11 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le système de mesure est à montage dit flottant sans mise à la terre et avec une alimentation autonome.