Brevet FR3138208A1 — publié le 20240126

L’invention concerne un procédé de mesure d’un débit d’un liquide conducteur électrique (Mat) dans une canalisation, ladite mesure étant réalisée par un débitmètre à distorsion de flux (1), ledit procédé de mesure comprenant : une étape de mesure de la température (T) du liquide conducteur électrique, une étape de calcul d’une conductivité électrique (σ_Mat (T)) dudit liquide à ladite température (T) ; une étape de fixation à chaque instant de la fréquence d’excitation (Fpeak(T)) dans une bobine d’excitation, une étape d’acquisition, par un amplificateur à détection synchrone appartenant au débitmètre à distorsion de flux, d’une première valeur dans la première bobine réceptrice (11) et d’une seconde valeur dans la seconde bobine réceptrice (12), une étape de calcul d’une donnée de sortie, ladite donnée de sortie étant indépendante d’une variation de température dans le liquide conducteur électrique (Mat). . Figure pour l’abrégé : Fig.1 Procédé de mesure du débit d’un liquide conducteur électrique dans une canalisation avec correction de l’effet de la température La présente invention concerne les débitmètres électromagnétiques à champ magnétique alternatif, et plus particulièrement les débitmètres à distorsion de flux. Elle concerne les applications de mesure d’un débit de métal liquide dont la température est amenée à varier. Il est connu du document US2435043 d’utiliser un Débitmètre à Distorsion de Flux (DDF) comme capteur pour mesurer la vitesse axiale d’un liquide. Un tel DDF a été développé il y a plusieurs décennies, notamment pour les besoins de la filière de réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium (RNR-Na). Un DDF selon l’art antérieur est constitué de trois bobines, une bobine excitatrice située entre deux bobines réceptrices, enroulées en série autour d’un noyau ferromagnétique. L’ensemble est contenu dans un doigt de gant qui vient se positionner dans l’axe de l’écoulement dont on veut mesurer la vitesse. La bobine excitatrice est alimentée par un courant sinusoïdal et crée ainsi un champ magnétique dans le sodium. Le sodium étant un matériau conducteur électrique, le champ magnétique combiné à un mouvement du sodium va créer des courants de Foucault dans ce sodium. Ces derniers vont déformer le champ magnétique dans la direction et le sens de l’écoulement. Dans le cas où le sodium est statique, une symétrie des flux magnétiques traversant les deux bobines réceptrices est observée et les tensions aux bornes des deux bobines sont égales. Lorsque le sodium est en mouvement, la différence des tensions aux bornes des deux bobines est alors proportionnelle à la vitesse du sodium. Le DDF possède généralement une réponse intrinsèque qui dépend de la température, puisque les propriétés physiques des matériaux le constituant en dépendent (notamment le fer doux du noyau ferromagnétique). La solution la plus évidente pour compenser l’effet de température consisterait donc à fabriquer un DDF avec des matériaux dont les propriétés ne varient pas avec la température. Cependant, la dépendance en température du DDF ne s’arrête pas seulement à ses propriétés intrinsèques. En effet, la conductivité électrique du sodium, propriété directement exploitée par le capteur pour délivrer sa mesure, varie considérablement avec la température. On pourrait ainsi, en plus, corriger la fréquence du courant d’excitation du capteur pour compenser la variation de conductivité électrique du sodium avec la température et ainsi conserver le même effet de peau dans le sodium. Par effet de peau, on entend le phénomène électromagnétique qui fait que, à fréquence élevée, le courant a tendance à ne circuler qu'en surface des conducteurs. Cependant, cette voie de correction ne s’applique qu’aux DDF dont les propriétés, et en particulier la perméabilité magnétique et la conductivité électrique, sont indépendantes de la température. Les matériaux présentant de telles propriétés sont rares, et de surcroit ne sont pas bien adaptés pour donner une bonne sensibilité du capteur. Un remède aux problèmes évoqués ci-dessus est proposé dans la publication K. Ara, « A Differential Transformer with Temperature- and Excitation-Independent Output », IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 21, no 3, p. 249‑255, août 1972, doi: 10.1109/TIM.1972.4314011 pour un capteur de mesure de déplacement bien connu, le LVDT (« Pour Linear Variable Differential Transformer » en anglais). Cette méthode a été reprise par l’Institut de R&D sur les RNR-Na en Inde (IGCAR) pour les DDF dans la publication P. Sharma et al. , « Development, computer simulation and performance testing in sodium of an eddy current flowmeter », Ann. Nucl . Energy , vol. 37, n o 3, p. 332‑338, mars 2010, doi: 10.1016/j.anucene.2009.12.009 et dans la publication R. Veerasamy et al. , « Eddy Current Flow Sensor Development and Testing for LMFBR Sodium Pumps », présenté à 15th International Conference on Nuclear Engineering, Nagoya, Japan, avr. 2007. Afin de compenser la dépendance en température du DDF, les auteurs proposent d’utiliser une donnée de sortie compensé appelée « Normalized Signal Output » ou « Compensated Signal Output » ou encore (S2-S1)/(S1+S2) et cette grandeur est définie par la relation : où et représentent respectivement la valeur efficace des tensions des bobines secondaires S1 et S2. D’après les auteurs de ces publications, pour une certaine fréquence d’excitation, la grandeur est indépendante de la température, tout en restant proportionnelle à la vitesse. Les inventeurs ont montré que cette affirmation est fausse. En effet, contrairement à ce qu’affirme IGCAR, les inventeurs ont montré que, aucune fréquence ne permet d’obtenir une compensation en température avec cette grandeur. Les résultats obtenus avec la simulation numérique menée par les inventeurs confirment le fait que cette grandeur ne fonctionne pas en l’état. Il existe donc un besoin de proposer un procédé de mesure d’un débit d’un liquide conducteur électrique par DDF permettant de compenser de manière précise, simple, et fiable, l’effet de la température sur le débit (ou la vitesse). La présente invention vise à remédier au moins en partie à ce besoin. Plus particulièrement, la présente invention a pour objectif de couvrir un procédé de mesure d’un débit d’un liquide conducteur électrique dans une canalisation, ladite mesure étant réalisée par un débitmètre à distorsion de flux, ledit débitmètre à distorsion de flux comprenant une bobine excitatrice disposée entre une première bobine réceptrice et une seconde bobine réceptrice, ladite bobine excitatrice et lesdites bobines réceptrices étant enroulées en série autour d’un noyau ferromagnétique, ladite bobine excitatrice étant excitée par un courant sinusoïdal à une fréquence d’excitation, ledit procédé de mesure comprenant : - une étape de mesure de la température du liquide conducteur électrique ; - une étape de calcul d’une conductivité électrique dudit liquide à ladite température ; - une étape de fixation (E3) à chaque instant de la fréquence d’excitation dans la bobine d’excitation, ladite fréquence d’excitation étant fonction de la température mesurée, ladite fréquence d’excitation étant donnée par la relation : avec une conductivité du liquide conducteur électrique à une température de référence T ref , la conductivité du liquide conducteur électrique à la température mesurée T, une fréquence d’excitation de la bobine excitatrice à la température de référence T ref ; - une étape d’acquisition, par un amplificateur à détection synchrone appartenant au débitmètre à distorsion de flux, d’une première valeur fonction d’une amplitude d’une première tension sinusoïdale dans la première bobine réceptrice (11) et d’une seconde valeur fonction d’une amplitude d’un seconde tension sinusoïdale dans la seconde bobine réceptrice (12) ; - une étape de calcul (E5) d’une donnée de sortie du débitmètre à distorsion de flux, ladite donnée de sortie étant donnée par la relation : , ladite donnée de sortie étant indépendante d’une variation de température dans le liquide conducteur électrique (Mat). La méthode proposée avec la présente invention permet d’utiliser un DDF dans sa version la plus sensible, c’est-à-dire un DDF avec un noyau ferromagnétique, ce que ne permet pas l’art antérieur. En effet le matériau ferromagnétique est conducteur électrique. Le changement de fréquence va changer la profondeur de peau dans celui-ci et donc perturber la conservation de l’effet de peau dans le liquide. Par effet de peau, on entend le phénomène électromagnétique qui fait que, à fréquence élevée, le courant a tendance à ne circuler qu'en surface des conducteurs. L’invention permet ainsi de compenser l’effet de température uniquement par un traitement du signal de sortie. Cette solution évite d’avoir à déterminer la loi de compensation par des essais d’étalonnage en fonction de la température. Par ailleurs, cette loi de compensation pourrait évoluer au cours de la vie du capteur, ce qui nécessiterait un étalonnage périodique. La nouvelle solution proposée permet de prendre en compte les propriétés « courantes » des matériaux du capteur et de les compenser en temps réel, et donc d’éviter ces étalonnages périodiques. Dans un mode de réalisation particulier, la fréquence d’excitation injectée est comprise entre 150 Hz et 1500 Hz. Dans un mode de réalisation particulier, la température de référence est comprise entre 200°C et 600°C. Dans un mode de réalisation particulier, le noyau ferromagnétique comprend du fer doux. Dans un mode de réalisation particulier, le liquide conducteur électrique contient du sodium. Dans un mode de réalisation particulier, le liquide conducteur électrique contenant le sodium est utilisé pour refroidir un réacteur nucléaire à neutrons rapides. Dans un mode de réalisation particulier, le liquide conducteur électrique est un mélange comportant du Plomb et du Lithium. Dans un mode de réalisation particulier, le liquide conducteur électrique est utilisé pour refroidir un réacteur de fusion comme ITER. Dans un mode de réalisation particulier, le liquide conducteur électrique est un fluide caloporteur adapté pour être utilisé dans une centrale solaire. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de modes de réalisation pris à titre d’exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : la illustre un débitmètre à distorsion de flux adapté pour mettre en œuvre un procédé de mesure d’un débit selon l’invention ; la illustre les étapes du procédé de mesure de débit selon l’invention ; la figure 3 représente l’évolution d’une valeur calculée et tracée avec le logiciel COMSOL®, ladite valeur étant fonction de différentes vitesses de liquide mesurées par le DDF selon le procédé de la ; la figure 4 représente l’évolution d’une valeur calculée et tracée avec le logiciel COMSOL®, ladite valeur étant fonction de différentes fréquences d’excitations. L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation et variantes présentées et d’autres modes de réalisation et variantes apparaîtront clairement à l’homme du métier. La illustre un débitmètre à distorsion de flux 1 adapté pour mesurer le débit d’un liquide conducteur électrique. Ce débitmètre à distorsion de flux 1 comprend : - une bobine excitatrice 10 ; - deux bobines réceptrices 11, 12 ; - un noyau ferromagnétique 13 ; - un détecteur de température 14 ; - un générateur de courant 15. La bobine excitatrice 10 est adaptée pour recevoir un courant sinusoïdal présentant une certaine fréquence d’excitation. A partir de ce courant, la bobine excitatrice 10 génère un champ magnétique dans le liquide se déplaçant dans une canalisation 18. Le flux de déplacement de ce liquide est notamment représenté par les flèches référencées 17, ce liquide étant conducteur électrique. Les bobines réceptrices 11, 12 sont disposées de part et d’autre de la bobine excitatrice 10. Ces bobines 11, 12 sont adaptées pour recevoir le champ magnétique généré par la bobine excitatrice 10. Le noyau 13 est adapté pour porter la bobine excitatrice 10 et les deux bobines réceptrices 11, 12. Il est préférentiellement ferromagnétique de façon à amplifier le champ magnétique généré par la bobine excitatrice 10. Préférentiellement, ce noyau ferromagnétique 13 comprend du fer doux. Le détecteur de température 14 est adapté pour mesurer la température T du liquide se déplaçant dans la canalisation 18. Le générateur de courant 15 permet d’avoir un champ magnétique de la bobine primaire constant. Ce champ magnétique est proportionnel au courant dans la bobine. Cela peut être un générateur de tension couplé à un convertisseur tension/courant. Le liquide qui se déplace dans la canalisation 18 comprend ici du sodium comme matériau conducteur électrique. Un tel liquide est notamment utilisé pour le refroidissement dans un réacteur nucléaire à neutrons rapides. En variante, le liquide qui se déplace dans la canalisation 18 comprend un mélange comportant du Plomb et du Lithium. Dans une autre variante, le liquide qui se déplace dans la canalisation 18 est un liquide caloporteur. Un tel liquide est notamment utilisé pour le refroidissement dans une centrale solaire à thermodynamique. La figure 2 illustre les étapes de procédé de mesure de débit selon l’invention. Ainsi, dans une première étape E1, on vient mesurer la température T du liquide. Dans une seconde étape E2, la conductivité électrique du matériau conducteur est déterminée à la température T du liquide. Cette valeur de la conductivité est préférentiellement déterminée par calcul. On notera que le rapport de fréquence d’excitation entre deux températures est donné par la relation suivante : Ce rapport est issu de la conservation du rapport avec e l’épaisseur radiale de l’écoulement et l’épaisseur de peau. Ce rapport est ainsi conservé quel que soit la température T du liquide. L’épaisseur de peau est, quant à elle, donnée par la relation suivante : avec la perméabilité magnétique du matériau. Dans une troisième étape E3, on vient fixer à chaque instant la fréquence d’excitation F peak (T) dans la bobine d’excitation 10, ladite fréquence d’excitation étant fonction de la température (T) mesurée, ladite fréquence d’excitation étant donnée par la relation suivante : avec La fréquence du pic de référence est déterminée soit expérimentalement avec un essai d’étalonnage pour le palier de température de référence, soit avec un logiciel permettant de coupler les physiques électromagnétiques (induction) et mécanique des fluides, par exemple COMSOL®. La fréquence d’excitation injectée est comprise entre 150 Hz et 1500 Hz. Cette fréquence d’excitation dépend des dimensions de la section d’écoulement, de la conductivité électrique du liquide, etc. Préférentiellement, cette fréquence d’excitation est comprise entre 300 Hz et 700 Hz. Préférentiellement, cette fréquence d’excitation est comprise entre 400 Hz et 600 Hz. La température de référence est comprise entre 200°C et 600°C. Préférentiellement, cette température de référence est comprise entre 350°C et 450°C. Dans une quatrième étape (E4), on vient acquérir une première valeur et une seconde valeur par l’intermédiaire d’un amplificateur à détection synchrone (ou « lock-in » en anglais). La première valeur est fonction d’une amplitude d’une première tension sinusoïdale dans la première bobine réceptrice 11. Plus particulièrement la première valeur est conforme à la relation suivante : , avec l’amplitude de la première tension dans la première bobine réceptrice 11.La seconde valeur est fonction d’une amplitude d’une seconde tension sinusoïdale dans la seconde bobine réceptrice 12. Plus particulièrement la seconde valeur est conforme à la relation suivante : , avec l’amplitude de la seconde tension dans la seconde bobine réceptrice 12. A partir de l’acquisition de cette première valeur et de cette seconde valeur il est possible de calculer dans une étape E5 une donnée de sortie du débitmètre à distorsion de flux. Cette donnée de sortie est conforme à la relation suivante : , ladite donnée de sortie étant indépendante d’une variation de température dans le liquide conducteur électrique. Le résultat de ce calcul va donner une information sur les grandeurs utiles à l’exploitation d’un réacteur, ici le débit de sodium, pour s’assurer, par exemple, de la puissance extraite par le liquide. La figure 3 donne une variation de la donnée de sortie en fonction de la vitesse du liquide. Cette vitesse du liquide est mesurée par un autre capteur externe au DDF pour plusieurs températures de 200 à 600°C à différentes fréquences d’excitation F peak (T) calculées. Pour ce calcul, on prend une fréquence de référence F peak (T ref ) à 500 Hz et une température de référence T ref à 400°C. Cette fréquence correspond à la fréquence du pic de Delta R, c’est-à-dire à la sensibilité maximale du DDF. Aux erreurs de calcul près, toutes les courbes sont confondues. Cela prouve que le procédé de l’invention compense très bien les effets de température, et ceci avec un DDF très sensible dont les propriétés du noyau ferromagnétique peuvent dépendre fortement de la température. D’ailleurs, cette compensation ne fonctionne pas seulement aux différentes valeurs de fréquences d’excitation F peak (T) calculées mais sur toute la plage de fréquence comme le montre la pour différentes températures du liquide. Ainsi, l’originalité et l’intérêt de l’invention réside dans le fait qu’elle permet d’utiliser un DDF dans sa version la plus sensible, c’est-dire avec un noyau ferromagnétique, et de compenser l’effet de température uniquement par un traitement de son signal de sortie. Plus précisément, il s’agit d’utiliser une grandeur de sortie normalisée, issue d’une compensation en température et d’y appliquer une correction de fréquence. La simulation numérique montre que la méthode est très efficace. Cette méthode s’applique particulièrement bien sur des gammes de vitesse ou de température plus larges, ou pour des matériaux (noyau du DDF, fluide en écoulement, doigt de gant, tuyauterie) induisant un effet de température plus important sur la réponse. Par ailleurs, l’effet de la température sur la perméabilité du fer doux est assez peu connu à ces niveaux de température. Il n’est pas exclu de remplacer un jour le fer doux par un matériau dont la perméabilité est bien plus élevée (tout en étant pourquoi pas moins conducteur électrique) mais dont la dépendance en température est très importante. Dans ce cas-là, cette nouvelle méthode pourrait trouver tout son sens. Le nouveau procédé proposé permet de prendre en compte les propriétés « courantes » des matériaux du capteur et de les compenser en temps réel. Il est en effet assez probable que les propriétés des matériaux évoluent au cours de la vie du capteur, ce qui, avec un capteur non compensé par cette méthode, nécessiterait un étalonnage périodique. Ainsi, le procédé de l’invention combine à la fois une régulation de la fréquence d’excitation et un calcul d’une donnée de sortie . Cette invention trouve ainsi une application industrielle dans le domaine de l’instrumentation des écoulements de métaux liquides, en particulier dans le domaine des réacteurs refroidis par du sodium liquide (mais aussi pour les réacteurs d’autres filières utilisant des métaux ou alliages métalliques liquides, ITER avec la boucle Pb-Li, centrale solaire thermodynamique à caloporteur, etc.). Elle permet une économie dans l’étalonnage du capteur, que ce soit juste après la fabrication du capteur, ou durant l’utilisation du capteur tout au long de sa vie. Procédé de mesure d’un débit d’un liquide conducteur électrique (Mat) dans une canalisation, ladite mesure étant réalisée par un débitmètre à distorsion de flux (1), ledit débitmètre à distorsion de flux comprenant une bobine excitatrice (10) disposée entre une première bobine réceptrice (11) et une seconde bobine réceptrice (12), ladite bobine excitatrice (10) et lesdites bobines réceptrices (11,12) étant enroulées en série autour d’un noyau ferromagnétique, ladite bobine excitatrice étant excitée par un courant sinusoïdal à une fréquence d’excitation (F peak (T)), ledit procédé de mesure comprenant : - une étape (E1) de mesure de la température (T) du liquide conducteur électrique ; - une étape (E2) de calcul d’une conductivité électrique ( ) dudit liquide à ladite température (T) ; - une étape de fixation (E3) à chaque instant de la fréquence d’excitation (F peak (T)) dans la bobine d’excitation, ladite fréquence d’excitation étant fonction de la température (T) mesurée, ladite fréquence d’excitation étant donnée par la relation suivante : avec une conductivité du liquide conducteur électrique à une température de référence T ref , la conductivité du liquide conducteur électrique à la température mesurée T, une fréquence d’excitation de la bobine excitatrice à la température de référence T ref ; - une étape d’acquisition (E4), par un amplificateur à détection synchrone appartenant au débitmètre à distorsion de flux, d’une première valeur fonction d’une amplitude d’une première tension sinusoïdale dans la première bobine réceptrice (11) et d’une seconde valeur fonction d’une amplitude d’une seconde tension sinusoïdale dans la seconde bobine réceptrice (12) ; - une étape de calcul (E5) d’une donnée de sortie du débitmètre à distorsion de flux, ladite donnée de sortie étant donnée par la relation : , ladite donnée de sortie étant indépendante de la valeur de température dans le liquide conducteur électrique (Mat). Procédé de mesure selon la revendication 1 dans laquelle la fréquence d’excitation injectée (F peak (T)) est comprise entre 150 Hz et 1500 Hz. Procédé de mesure selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel la température de référence (T ref ) est comprise entre 200°C et 600°C. Procédé de mesure selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le noyau ferromagnétique comprend du fer doux. Procédé de mesure selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le liquide conducteur électrique contient du sodium. Procédé de mesure selon la revendication 5, dans lequel le liquide conducteur électrique contenant le sodium est utilisé pour refroidir un réacteur nucléaire à neutrons rapides. Procédé de mesure mesure selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le liquide conducteur électrique est un mélange comportant du Plomb et du Lithium. Procédé de mesure selon la revendication 7, dans lequel le liquide conducteur électrique est utilisé pour refroidir un réacteur de fusion. Procédé de mesure selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le liquide conducteur électrique est un fluide caloporteur adapté pour être utilisé dans une centrale solaire.