Brevet FR3069637A1 — publié le 20190201

Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne un dispositif et un procédé de mesure de débit d'un écoulement diphasique, ainsi que leur application à la mise en froid d'un système cryogénique. Avant la mise en fonctionnement d'un système cryogénique, pour éviter un choc thermique excessif, il est souvent souhaitable de mettre en oeuvre une étape de mise en froid dans laquelle au moins certains éléments du système cryogénique sont graduellement refroidis vers leur température cryogénique de fonctionnement. Typiquement, cette mise en froid est effectuée par l'admission d'un écoulement de fluide cryogénique dans le système cryogénique. Or, à cause de la température plus élevée du système cryogénique avant sa mise en froid, cet écoulement va normalement être diphasique, avec une phase gazeuse initialement dominante, puis progressivement remplacée par une phase liquide. Dans certaines applications, notamment dans la mise en froid d'ensembles propulsifs comme par exemple les moteurs-fusées de lanceurs spatiaux, il convient de limiter autant que possible la consommation de fluide cryogénique pour la mise en froid. En effet, toute consommation excessive de fluide cryogénique se fait alors au détriment des ergols disponibles pour la propulsion et/ou de la charge utile. En particulier, quand l'ensemble propulsif est un moteur-fusée réallumable d'un étage supérieur d'un lanceur spatial, il peut normalement être mis en froid à plusieurs reprises avant et pendant son vol, ce qui augmente les répercussions négatives d'une consommation excessive de fluide cryogénique pour chaque mise en froid. Il convient donc d'optimiser, et donc aussi de mesurer avec précision, la quantité de fluide cryogénique utilisée pour chaque mise en froid. Or, bien que des dispositifs de mesure de débit simples et ne produisant presque aucune perte de charge sont connus, comme par exemple le débitmètre capacitif divulgué dans le brevet US 5,672,831, ils ne sont pas adaptés à la mesure du débit d'un écoulement diphasique, comme celui présent pendant au moins une partie de la mise en froid. 2 Actuellement, pour la mesure de débit d'un écoulement diphasique on fait notamment appel aux débitmètres à effet Coriolis, mais ils sont encombrants et produisent une perte de charge importante, ce qui les rend inappropriés à des applications telles que la propulsion spatiale. 5 Objet et résumé de l'invention La présente divulgation vise à remédier à ces inconvénients, en proposant un dispositif qui permette de mesurer le débit d'un écoulement 10 diphasique, et notamment d'un débit diphasique transitoire, de manière particulièrement simple et avec une perte de charge très limitée. Ce but est atteint grâce au fait que le dispositif de mesure comprend au moins un premier capteur et un deuxième capteur d'une même 15 propriété physique distinguant deux phases dudit écoulement diphasique, lesdits premier et deuxième capteurs étant séparés par une distance de décalage dans une direction d'écoulement, et un calculateur électronique connecté aux premier et deuxième capteurs pour calculer un temps de décalage entre signaux provenant des premier et deuxième capteurs, 20 diviser la distance de décalage par le temps de décalage pour obtenir une vitesse, et multiplier la vitesse par une aire de section d'écoulement pour obtenir un débit volumique. Grâce à ces dispositions, il est possible de mesurer la vitesse du 25 déplacement des variations du rapport volumique entre les deux phases de l'écoulement diphasique et l'utiliser pour déterminer au moins un débit volumique. Afin de limiter la perte de charge, tout en utilisant des capteurs 30 simples, le premier et le deuxième capteur peuvent notamment être des capteurs capacitifs, permettant ainsi d'utiliser la permittivité électrique du fluide comme propriété physique distinguant les deux phases de l'écoulement diphasique. Plus particulièrement, chacun des premier et deuxième capteurs peut comprendre une électrode de mesure et une 35 électrode de masse, de manière à permettre une mesure de la permittivité électrique par chacun des premier et deuxième capteurs à travers une 3 tension électrique entre les électrodes de mesure et de masse respectives. Chacun des premier et deuxième capteurs peut par ailleurs comprendre une électrode de garde afin de limiter la zone d'influence électrostatique de l'électrode de mesure. En outre, les électrodes des deux capteurs 5 peuvent notamment être annulaires, afin de faciliter leur intégration dans une canalisation sans perturber l'écoulement. Par ailleurs, si les premier et deuxième capteurs sont des capteurs capacitifs, le calculateur électronique peut aussi être adapté à calculer une masse volumique dudit écoulement diphasique en fonction d'un signal provenant du premier ou du deuxième 10 capteur. Toutefois, d'autres types de capteurs permettant de mesurer des propriétés physiques distinguant les deux phases de l'écoulement, et donc indirectement le taux de vide, par exemple des capteurs optiques de mesure de turbidité, peuvent être utilisés alternativement ou en complément aux capteurs capacitifs. 15 Comme le premier et le deuxième capteur peuvent capter une propriété physique distinguant les deux phases dudit écoulement diphasique, il est envisageable que ledit calculateur électronique soit aussi adapté à calculer un rapport volumique entre les deux phases dans 20 l'écoulement diphasique en fonction d'un signal provenant du premier ou du deuxième capteur, offrant ainsi une mesure combiné du débit et du rapport entre les phases. Cette divulgation concerne également un système cryogénique, tel 25 que par exemple un ensemble propulsif et plus spécifiquement un ensemble propulsif spatial, comprenant un conduit d'admission de fluide cryogénique équipé d'un tel dispositif de mesure de débit. Cette divulgation concerne aussi un procédé de mesure de débit d'un 30 écoulement diphasique, comprenant la capture d'une propriété physique distinguant deux phases dudit écoulement diphasique, par un premier capteur, la capture de la même propriété physique par un deuxième capteur séparé du premier capteur par une distance de décalage dans une direction d'écoulement, le calcul, par un calculateur électronique connecté 35 aux premier et deuxième capteurs, d'un temps de décalage entre signaux provenant des premier et deuxième capteurs, la division, par le calculateur 4 électronique, de la distance de décalage par le temps de décalage pour obtenir une vitesse, la multiplication, par le calculateur électronique, de la vitesse par une aire de section d'écoulement pour obtenir un débit volumique. Les premier et deuxième capteurs peuvent notamment être 5 des capteurs capacitifs, comprenant chacun par exemple une électrode de mesure et une électrode de masse, et la propriété physique distinguant deux phases dudit écoulement diphasique être alors la permittivité électrique. Dans ce cas, le procédé de mesure peut comprendre en outre une étape de calcul, par le calculateur électronique, d'une masse 10 volumique en fonction de la permittivité électrique captée par le premier ou le deuxième capteur, ainsi qu'éventuellement le calcul d'un débit massique en multipliant la masse volumique par le débit volumique. Ce procédé peut comprendre, en outre, une étape de calcul, par le 15 calculateur électronique, d'un rapport volumique entre les deux phases dans l'écoulement diphasique en fonction d'un signal provenant du premier ou du deuxième capteur. En outre, cette divulgation concerne un procédé de mise en froid 20 d'un système cryogénique, et notamment d'un ensemble propulsif comme un ensemble propulsif spatial tel que, par exemple, un étage supérieur comprenant l'écoulement diphasique d'un fluide cryogénique vers le système cryogénique afin de le refroidir, et la mesure d'un débit de l'écoulement diphasique selon ce procédé de mesure. 25 Brève description des dessins L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation 30 représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre schématiquement un lanceur spatial rnultiétages, avec un ensemble propulsif cryogénique, à l'étage supérieur, pouvant être équipé d'un dispositif de mesure de débit 35 suivant un mode de réalisation ; 5 - la figure 2 illustre schématiquement l'écoulement diphasique transitoire dans un conduit d'admission de fluide cryogénique de l'ensemble propulsif cryogénique de la figure 1 lors de sa mise en froid ; 5 _ la figure 3 illustre schématiquement un dispositif de mesure de débit d'un écoulement diphasique suivant le mode de réalisation ; - la figure 4 illustre un capteur de taux de vide du dispositif de mesure de débit de la figure 3 ; et - la figure 5 illustre l'évolution des signaux provenant de deux 10 capteurs de taux de vide du dispositif de mesure de débit de la figure 3 lors de l'écoulement diphasique transitoire de la figure 3. Description détaillée de l'invention 15 La figure 1 montre un lanceur spatial 1 qui est un exemple d'application pour un dispositif et un procédé de mesure de débit suivant un mode de réalisation. Ce lanceur spatial 1 comprend deux étages, chacun équipé de son propre ensemble propulsif, et l'ensemble propulsif 2 de l'étage supérieur 3 est un ensemble propulsif cryogénique alimenté en 20 ergols cryogéniques (p.ex. oxygène et hydrogène liquides) à partir de réservoirs 4 et 5. Afin de permettre la mise en orbite de plusieurs charges utiles sur des orbites différentes, cet ensemble propulsif cryogénique 2 peut être 25 réallumable. Au moins certains éléments de cet ensemble propulsif étant conçus pour fonctionner à des températures cryogéniques, il peut convenir de procéder à une nouvelle mise en froid avant chaque nouvel allumage de l'ensemble propulsif cryogénique 2, afin d'atteindre certains critères fonctionnels, notamment des températures cryogéniques de veines fluides 30 de passage des ergols et/ou des parois les délimitant. Pour cette mise en froid, l'ensemble propulsif cryogénique 2 comprend au moins un conduit d'admission 10 de fluide cryogénique. Ce fluide cryogénique peut être l'ergol correspondant, ou un fluide cryogénique différent, éventuellement inerte. 35 6 Comme illustré sur la figure 2, pendant au moins une partie de la mise en froid, l'écoulement de ce fluide cryogénique dans le conduit d'admission 10 va être transitoirement diphasique. En effet, le conduit d'admission 10 étant sensiblement plus chaud que le fluide cryogénique 5 avant son arrivée, sa chaleur va initialement porter le fluide cryogénique à ébullition, de telle manière que l'écoulement va être monophasique gazeux en aval, monophasique liquide en amont, où le conduit d'admission 10 aura été suffisamment refroidi par le fluide cryogénique déjà écoulé, sera monophasique liquide, et diphasique dans une zone de transition 11 entre 10 l'écoulement monophasique liquide 12 en amont et l'écoulement monophasique gazeux 13 en aval. On peut encore diviser cette zone de transition 11, d'amont en aval, en une zone 11a d'ébullition nucléée, une zone 11b d'ébullition en film, 15 une zone 11c d'écoulement annulaire inverse et une zone 11d d'écoulement dispersé. Dans la zone d'ébullition nucléée 11a, des bulles se forment sur la paroi interne du conduit d'admission 10, mais la phase liquide 20 reste encore partiellement en contact avec cette paroi interne. Dans la zone 11b d'ébullition en film, la phase gazeuse 30 forme un film 20 séparant la phase liquide 20 de la paroi interne du conduit d'admission 10. Dans la zone 11c d'ébullition annulaire inversée, ce film s'épaissit progressivement vers l'aval, jusqu'à ce que, dans la zone 11d d'écoulement dispersé, la phase liquide 20 se disperse en gouttelettes circulant vers l'aval dans la phase gazeuse 30. 25 La zone de transition 11 se déplace vers l'aval à la vitesse d'écoulement du fluide cryogénique. Ainsi, il est possible de mesurer cette vitesse d'écoulement à travers l'avancement de la zone de transition 11. Un dispositif 100 conçu justement pour mesurer ainsi cette vitesse et le 30 débit volumique de l'écoulement diphasique est illustré schématiquement sur la figure 3. Ce dispositif 100 de mesure du débit de l'écoulement diphasique comprend un premier capteur 101 et un deuxième capteur 102 décalés l'un par rapport à l'autre, dans la direction X d'écoulement du fluide cryogénique dans le conduit d'admission 10, par une distance de 35 décalage D. Dans le mode de réalisation illustré, chacun des deux capteurs 101, 102 peut être un capteur de taux de vide, et plus 7 spécifiquement un capteur capacitif de taux de vide tel qu'illustré sur la figure 4. Dans ce mode de réalisation, chaque capteur capacitif de taux de vide 101, 102 peut comprendre une électrode de mesure 111, une électrode de masse 112 en amont de l'électrode de mesure 111 et une 5 électrode de garde 113 en aval de l'électrode de mesure 111, de manière à restreindre la zone d'influence électrostatique de l'électrode de mesure 111, et donc la zone de mesure de chacun des capteurs 101, 102, au volume situé entre son électrode de mesure 111 et son électrode de masse 112. Chacune de ces électrodes 111, 112, 113 peut être annulaire 10 et être disposée dans le conduit d'admission 10, par exemple affleurant à l'intérieur de ce conduit d'admission 10, pour être en contact avec l'écoulement de fluide cryogénique sans causer une perte de charge importante. Une entretoise isolante 114 peut être disposée entre l'électrode de mesure 111 et l'électrode de masse 112, de manière à isoler 15 électriquement l'électrode de mesure 111 et l'électrode de garde 113 de l'électrode de masse 112 et des parois du conduit d'admission 10. Un isolant secondaire 115 peut être disposé entre l'électrode de mesure 111 et l'électrode de garde 113 afin de les isoler électriquement l'une de l'autre. Un isolant arrière 116 peut être disposé derrière l'électrode de 20 garde 113, adjacent à celle-ci, pour l'isoler électriquement des parois du conduit d'admission 10. L'isolant secondaire 115 et l'isolant arrière 116 peuvent présenter des réceptacles pour des extrémités opposées de broches 117 traversant l'électrode de garde 113 afin de fixer leur position angulaire relative. L'électrode de mesure 111 peut être connectée à un 25 premier contact 117, tandis que l'électrode de garde 113 peut être connectée à un deuxième contact 118, coaxial avec le premier contact 117 à l'extérieur de celui-ci. Une gaine isolante intérieure 119 peut être interposée entre les premier et deuxième contacts 117, 118, de manière à les isoler électriquement l'un par rapport à l'autre, tandis qu'une gaine 30 isolante extérieure 120 peut être disposée autour du deuxième contact 118 afin de l'isoler électriquement de l'extérieur. Le premier contact 117 peut être connecté à un premier générateur de tension alternative 121 avec une fréquence coo et qui peut être relié à 35 l'entrée d'un amplificateur de charge 122 apte à produire une tension de sortie proportionnelle à une charge collectée à son entrée pendant une 8 période de temps. Le deuxième contact 118 est connecté à un deuxième générateur de tension alternative 130 avec la même fréquence wo. La sortie de l'amplificateur de charge 122 peut à son tour être connectée à l'entrée d'un filtre passe-bande 123, avec une bande passante qui peut, de 5 préférence, être centrée sur la fréquence con, et dont la sortie soit à son tour connectée à l'entrée d'un démodulateur 124, piloté par un oscillateur sinusoïdal 125 avec la même fréquence con. La sortie du démodulateur 124 est finalement connectée à un filtre passe bas 126 pour produire un signal de sortie, sous forme d'une tension électrique V, proportionnelle à la 10 permittivité du fluide traversant la zone du mesure du capteur 101, 102. Les capteurs 101, 102 sont connectés à un calculateur électronique 103 pour lui transmettre leurs signaux de sortie correspondants. Comme la permittivité des différentes phases est sensiblement différente, le signal 15 transmis par chacun des capteurs 101, 102 variera pendant le passage de la zone de transition 11 à travers la zone de mesure correspondante. La figure 5 illustre les courbes 201, 202 correspondant à l'évolution temporelle des signaux transmis, respectivement, par les capteurs 101, 102. Comme on peut apprécier sur cette figure, ces courbes 201, 202 ont 20 une correspondance très forte, avec un temps de décalage tD correspondant au temps pris par la zone de transition 11 pour avancer, à la vitesse d'écoulement, du capteur 101 jusqu'au capteur 102 décalé en aval. La correspondance entre les courbes 201 et 202 sera d'autant plus forte que la distance de décalage D sera réduite : il convient donc 25 d'utiliser une distance de décalage D aussi réduite que possible, par exemple de l'ordre du diamètre du conduit d'admission 10. Néanmoins, isoler thermiquement ce conduit d'admission 10 entre les capteurs 101, 102 peut permettre de maintenir la correspondance entre les courbes 201 et 202 même avec une distance de décalage D plus grande, ce qui, en 30 augmentant le temps de décalage tp, permettra aussi une plus grande précision dans la mesure de la vitesse d'écoulement. Le calculateur électronique 103 est configuré pour obtenir cette vitesse d'écoulement en divisant la distance de décalage D par le temps de décalage ti, entre les courbes 201 et 202. Le calculateur électronique 103 est également 35 configuré pour obtenir le débit volumique de cet écoulement en multipliant la vitesse d'écoulement par l'aire A de la section d'écoulement du fluide 9 cryogénique à travers le conduit d'admission 10, entre les capteurs 101, 102. En outre, comme la permittivité électrique de l'écoulement varie en 5 fonction du rapport volumique entre les différentes phases dans l'écoulement, le calculateur électronique 103 peut être aussi configuré pour calculer ce rapport, en inversant cette fonction, à partir du signal transmis par au moins un des capteurs 101, 102. De manière analogue, le calculateur électronique peut aussi être configuré pour calculer la masse 10 volumique de l'écoulement traversant la zone de mesure de chacun des capteurs 101, 102 en fonction de la permittivité électrique de l'écoulement dans cette zone de mesure, c'est-à-dire à partir du signal transmis par le capteur 101, 102 correspondant. Par ailleurs, le calculateur électronique 103 peut aussi être configuré pour calculer le débit massique de 15 l'écoulement à partir de la masse volumique et du débit volumique de l'écoulement. Ainsi, lors d'une mise en froid d'un système cryogénique tel que le ensemble propulsif cryogénique 2 de l'étage supérieur 3 du lanceur spatial 20 1 de la figure 1, on permet l'écoulement d'un fluide cryogénique à travers un conduit d'admission 10 de ce système cryogénique afin de refroidir au moins certains éléments du système cryogénique et remplir des critères fonctionnels prédéterminés. Cet écoulement, au moins transitoirement diphasique, va ainsi traverser les zone d'influence électrostatique des 25 capteurs 101,102, qui vont ainsi capter chacune une tension électrique évoluant avec le rapport volumique entre les phases gazeuse et liquide de l'écoulement suivant une fonction pouvant être prédéterminée. Ce rapport volumique peut donc être calculé à partir de la tension électrique capturée par le premier ou le deuxième capteur 101, 102 en inversant cette 30 fonction. A cause de la distance de décalage D, l'évolution du signal transmis par le capteur 102 sera décalée, par rapport à celui transmis par le capteur 101, d'un temps de décalage ti, correspondant au temps pris par la zone de transition 11 de l'écoulement pour traverser la distance de décalage à la vitesse d'écoulement. Cette vitesse d'écoulement peut donc 35 être déterminée par le calculateur électronique 103 en calculant ce temps de décalage ti, entre les deux courbes 201,202 des signaux transmis par 10 les capteurs 101, 102 respectifs et en divisant la distance de décalage D par ce temps de décalage tp. Ensuite, en multipliant la vitesse d'écoulement ainsi déterminée par l'aire A de la section d'écoulement du fluide cryogénique à travers le conduit d'admission 10, entre les capteurs 5 101, 102, le calculateur électronique 103 peut déterminer le débit volumique de l'écoulement. Finalement, le calculateur électronique peut déterminer la masse volumique de l'écoulement traversant la zone de mesure de l'un des capteurs 101, 102 à partir du signal, proportionnel à la permittivité de l'écoulement dans cette zone de mesure, transmis par le 10 capteur 101, 102 correspondant, pour ensuite calculer, à partir de cette masse volumique et du débit volumique, le débit massique de l'écoulement. Le rapport volumique entre les phases dans la zone de mesure de chaque capteur 101, 102 peut également être calculé à partir du signal transmis par le capteur 101, 102 correspondant. 15 Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à un exemple de réalisation spécifique, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les 20 revendications. Par conséquent, REVENDICATIONS1. Dispositif de mesure de débit (100) d'un écoulement diphasique, le dispositif de mesure de débit (100) comprenant au moins : un premier capteur (101) et un deuxième capteur (102) d'une même propriété physique distinguant deux phases dudit écoulement diphasique, lesdits premier et deuxième capteurs (101,102) étant séparés par une distance de décalage (D) dans une direction d'écoulement (X) ; et un calculateur électronique (103) connecté aux premier et 10 deuxième capteurs (101,102) pour calculer un temps de décalage (tD) entre signaux provenant des premier et deuxième capteurs (101,102), diviser la distance de décalage (D) par le temps de décalage (tD) pour obtenir une vitesse, et multiplier la vitesse par une aire (A) de section d'écoulement pour obtenir un débit volumique. 15 2. Dispositif de mesure de débit (100) selon la revendication 1, dans lequel les premier et deuxième capteurs (101,102) sont des capteurs capacitifs. 20 3. Dispositif de mesure de débit (100) selon la revendication 2, dans lequel chacun des premier et deuxième capteurs (101,102) comprend une électrode de mesure et une électrode de masse. 4. Dispositif de mesure de débit (100) selon la revendication 3, 25 dans lequel chacun des premier et deuxième capteurs (101, 102) comprend en outre une électrode de garde. 5. Dispositif de mesure de débit (100) selon la revendication 4, dans lequel les électrodes des premier et deuxième capteurs sont 30 annulaires. 6. Dispositif de mesure de débit (100) selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel le calculateur électronique (103) est aussi adapté à calculer une masse volumique dudit écoulement diphasique 35 en fonction d'un signal provenant du premier ou du deuxième capteur (101,102). 12 7. Dispositif de mesure de débit (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le calculateur électronique (103) est aussi adapté à calculer un rapport volumique entre les deux phases dans 5 l'écoulement diphasique en fonction d'un signal provenant du premier ou du deuxième capteur (101,102). 8. Système cryogénique comprenant un conduit d'admission (10) de fluide cryogénique équipé d'un dispositif de mesure de débit (100) suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7. 9. Système cryogénique selon la revendication 8, le dispositif cryogénique étant un ensemble propulsif. 10. Procédé de mesure de débit d'un écoulement diphasique, comprenant les étapes suivantes : capture d'une propriété physique distinguant deux phases dudit écoulement diphasique, par un premier capteur (101) ; capture de la même propriété physique par un deuxième 20 capteur (102) séparé du premier capteur (101) par une distance de décalage (D) dans une direction d'écoulement (X) ; calcul, par un calculateur électronique (103) connecté aux premier et deuxième capteurs (101,102), d'un temps de décalage (tD) entre signaux provenant des premier et deuxième capteurs (101,102) ; 25 division, par le calculateur électronique (103), de la distance de décalage (D) par le temps de décalage (tD) pour obtenir une vitesse ; et multiplication, par le calculateur électronique (103), de la vitesse par une aire (A) de section d'écoulement pour obtenir un débit volumique. 30 11. Procédé de mesure suivant la revendication 10, dans lequel les premier et deuxième capteurs (101,102) sont des capteurs capacitifs et la propriété physique distinguant deux phases dudit écoulement diphasique est la permittivité électrique. 35 13 12. Procédé de mesure suivant la revendication 11, dans lequel chacun des premier et deuxième capteurs (101,102) comprend une électrode de mesure (101a,102a) et une électrode de masse (101b,102b). 5 13. Procédé de mesure suivant l'une quelconque des revendications 11 ou 12, comportant en outre une étape de calcul, par le calculateur électronique (103), d'une masse volumique en fonction de la permittivité électrique captée par le premier ou le deuxième capteur (101, 102). 10 14. Procédé de mesure suivant l'une quelconque des revendications 10 à 12, comprenant en outre une étape de calcul, par le calculateur électronique (103), d'un rapport volumique entre les deux phases dans l'écoulement diphasique en fonction d'un signal provenant du premier ou du deuxième capteur (101,102). 15 15. Procédé de mise en froid d'un système cryogénique, comprenant les étapes suivantes : écoulement diphasique d'un fluide cryogénique vers le système cryogénique afin de le refroidir ; mesure d'un débit de l'écoulement diphasique selon le procédé de mesure suivant l'une quelconque des revendications 10 à 14.