BE1007039A3 - Dispositif et methode pour mesurer le degre d'humidite d'un echantillon d'une substance liquide. - Google Patents

Abstract

Dispositif et procédé pour mesurer le degré d'humidité d'un échantillon d'une substance liquide, en particulier de pétrole brut, ledit dispositif comportant une cellule de mesure construite en un matériau diélectrique et ayant une cavité agencée pour y introduire l'échantillon. La cellule peut être branchée dans un mode de référence respectivement de mesure dans lequel un signal à micro-onde incident traverse la matière diélectrique respectivement la cavité et la matière diélectrique. Le branchement est réalisé à l'aide de moyens de déflexion permettant une déflexion du signal à micro-onde à l'intérieur de la cellule. Le degré d'humiditié est déterminé sur base du résultat obtenu lorsque la cellule est branchée dans les modes de référence et de mesure.

Description

"Dispositif et méthode pour mesurer le degré d’humidité d'un échantillon d'une substance liquide" L’invention concerne un dispositif pour mesurer le degré d’humidité d'un échantillon d'une substance liquide, en particulier du pétrole brut, ledit dispositif comportant une cellule de mesure qui comprend des moyens de branchement agencés pour brancher ladite cellule dans un mode de référence, respectivement un mode de mesure, un générateur de signal à micro-onde agencé pour produire un premier signal à micro-onde et transmettre ledit premier signal à micro-onde vers ladite cellule, un récepteur agencé pour recevoir un deuxième, respectivement un troisième, signal à microonde produit à partir de la transmission dudit premier signal à micro-onde à travers ladite cellule lorsqu'elle est branchée dans ledit mode de référence, respectivement ledit mode de mesure, ledit récepteur étant connecté à un générateur de valeur de mesure agencé pour produire, à partir dudit deuxième et troisième signal à micro-onde, une valeur de mesure indiquant ledit degré d'humidité. L'invention concerne également un procédé pour mesurer un tel degré d'humidité.

Un tel dispositif et un tel procédé sont connus du certificat d'auteur russe n° 1015287. Dans le dispositif connu, l'échantillon contenant la substance liquide de laquelle le degré d'humidité doit être mesuré est déplacé en dedans et en dehors d'un faisceau produit par le premier signal à micro-onde. Lorsque l'échantillon se trouve hors du faisceau, le dispositif est branché dans le mode de référence afin de mesurer un signal de référence ou un signal non atténué. Lorsque l'échantillon est placé dans le faisceau, une partie de l'énergie du signal à micro-onde est absorbé par l'humidité de l'échantillon. La quantité d'énergie absorbée sera fonction du degré d'humidité contenu dans l'échantillon, . Le degré d'humidité dans l'échantillon est ainsi déterminé à partir de la différence entre le signal mesuré dans le mode de référence et celui mesuré dans le mode de mesure. Le signal reçu est fourni à un générateur de valeur de mesure qui détermine la valeur de mesure et l'affiche.

Un désavantage du dispositif et du procédé connus est qu'ils ne sont pas applicables pour des mesures de degré d'humidité d'une substance qui circule de façon continue, par exemple à travers un pipeline. Ceci est dû au fait qu'un échantillon de référence doit être introduit dans le faisceau du signal à micro-onde afin de produire le second signal à micro-onde. Par conséquent, le courant continu de la substance liquide doit être interrompu lorsque le dispositif est branché dans le mode de référence. Dans l'exemple du pétrole brut qui coule dans le pipeline, une telle interruption de l'écoulement du pétrole doit être évitée.

L'invention a pour but de réaliser un dispositif et une méthode pour mesurer le degré d'humidité d'un échantillon d'une substance liquide qui permet d'effectuer cette mesure sans devoir interrompre le courant continu de la substance liquide.

Un dispositif selon 1'invention est caractérisé en ce que ladite cellule est construite en un matériau diélectrique et comporte une cavité agencée pour y introduire ledit échantillon, lesdits moyens de branchement étant formés par des moyens de déflexion de signal à micro-onde montés dans le matériau diélectrique, lesdits moyens de déflexions étant agencés pour orienter ledit premier signal à micro-onde dans un canal de référence qui s'étend à travers ledit matériau diélectrique respectivement un canal de mesure qui s'étend à travers ledit matériau diélectrique et ladite cavité lorsqu'ils sont branchés dans une première, respectivement une seconde, position. L'utilisation d'une cellule en matière diélectrique permet de réduire substantiellement les pertes d'énergie du signal à micro-onde. De plus, ce matériau diélectrique permet de monter des moyens de déflexion à l'intérieur de la cellule permettant ainsi une déflexion du signal à micro-onde dans la cellule. Du fait que la cellule comporte une cavité, l'échantillon peut y être introduit à chaque instant, ce qui permet donc d'effectuer la mesure dans un courant continu d'une substance liquide traversant cette cavité. Du fait que le canal de mesure s'étend à travers le matériau diélectrique et la cavité et que le canal de référence ne s'étend qu'au travers du matériau diélectrique, la cellule peut être branchée du mode de mesure vers le mode de référence sans pour autant devoir interrompre le courant de substance liquide, ce qui permet donc d'effectuer une mesure dans un courant qui circule de façon continue.

Un premier mode de réalisation préférentiel d'un dispositif suivant l'invention est caractérisé en ce que lesdits moyens de déflexion sont formés par un jeu de plaques magnétiques, chacune en combinaison avec une grille, ladite plaque magnétique étant disposée devant ladite grille par rapport à un signal incident, ladite plaque magnétique et ladite grille étant électriquement polarisables. L'usage de plaques magnétiques et de grilles est compatible avec le matériau diélectrique de la cellule et permet d'orienter le signal à microonde à l'intérieur de la cellule.

Un second mode de réalisation préférentiel d'un dispositif suivant l'invention est caractérisé en ce que lesdits moyens de déflexion et ledit générateur de signal à micro-onde sont reliés à une unité de contrôle agencée pour produire des premières, respectivement des secondes, impulsions de contrôle pour contrôler ledit générateur de signal à micro-onde, respectivement lesdits moyens de déflexion, lesdites premières et secondes impulsions de contrôle étant synchronisées entre elles. La synchronisation facilite le contrôle et l'opération du générateur de valeur de mesure.

De préférence, un atténuateur et un élément d'adaptation d'impédance sont disposés entre ladite cellule et ledit générateur de signal à microonde. Des pertes dues à des transitions entre la cellule et l'émetteur et le récepteur sont ainsi réduites .

L'invention sera maintenant décrite en détail en faisant référence aux dessins dans lesquels : la figure 1 illustre une courbe expérimentale de l'erreur SW de mesure dans le degré d'humidité mesuré en fonction de la longueur d'onde du signal transmis ; la Figure 2 montre une vue schématique d'un exemple d'un dispositif suivant la présente invention ; la Figure 3 illustre la façon dont le dispositif suivant la présente invention peut être monté sur un pipeline ; la Figure 4 montre une série de signaux de contrôle pour contrôler l'opération du dispositif.

Dans les dessins une même référence a été attribuée à un même élément ou à un élément analogue.

La courbe expérimentale illustrée à la Figure 1, qui montre l'erreur SW de mesure (exprimée en % de volume) dans ,1e degré d'humidité du pétrole brut mesuré en fonction de la longueur d'onde (exprimée en mm) du signal transmis, montre qu'il y a un minimum dans cette erreur. Ce minimum se situe dans une plage d'ondes comprise entre 1,5 et 2,5 mm. Cette courbe a été établie de façon expérimentale et est le résultat de diverses mesures réalisées sur différentes variétés de pétrole brut. La présente courbe montre qu'afin de maintenir l'erreur de mesure suffisamment basse, il est nécessaire d'utiliser un signal dont la longueur d'onde λ est située entre 1,5 et 2,5 mm, c'est-à-dire un signal à micro-onde.

La Figure 2 montre un exemple d'un dispositif suivant l'invention pour mesurer le degré d'humidité d'un échantillon d'une substance liquide, en particulier du pétrole brut. Le dispositif 1 comporte une unité 2 d'alimentation et de synchronisation reliée à un générateur 3 de signal à micro-onde muni d'une antenne 4 de transmission ayant la forme d'une corne. Le dispositif comporte de plus un récepteur 6 également muni d'une antenne 5 ayant la forme d'une corne. Le récepteur est connecté à un générateur 7 de valeur de mesure pourvu d'une unité 8 d'affichage agencé pour afficher la valeur du degré d'humidité mesuré. Le générateur 7 de valeur de mesure est également connecté a l'unité d'alimentation et de synchronisation pour des raisons qui seront décrites ci-dessous.

Le dispositif comporte également une cellule 9 de mesure fabriquée en un matériau diélectrique ayant une constante e diélectrique située dans une plage : 9 < e < 25. La dimension 1, d de la cellule est choisie de telle façon que tous les composants de la cellule de mesure soient situés dans un champ proche (near field) de l'antenne de transmission, c'est-à-dire :

dans laquelle λ est la longueur d'onde du signal à micro-onde utilisée et produite par le générateur 3, L la longueur du trajet parcouru par le faisceau à travers le canal de mesure et b la dimension de l'ouverture du champ de rayonnement de l'antenne. La matière diélectrique est soit homogène, soit non homogène.

La cellule de mesure 9 comporte une cavité 10 qui s'étend à travers la cellule et est pourvue pour recevoir l'échantillon à mesurer. La cavité est située entre deux plaques diélectriques 11 et 12, formées par exemple par des plaques X/4. Les plaques sont utilisées à une fin d'adaptation de l'impédance et permettent donc de réduire les pertes du signal due à des réflexions lors de la transmission entre le matériau diélectrique de la cellule et l'échantillon.

Entre l'antenne 4 d'émission, respectivement l'antenne 5 de réception, et le matériau diélectrique de la cellule 9 est monté un élément 13, respectivement 15, permettant une adaptation de l'impédance. L'élément d'adaptation de l'impédance évite les pertes d'impédance entre l'antenne et la cellule. Une plaque diélectrique 14 fabriquée d'un matériau permettant d'absorber le signal à micro-onde est également disposée entre l'élément d'adaptation de l'impédance 13 et la cellule 9. La plaque 14 est en contact avec la cellule et l'élément d'adaptation de l'impédance 13 et permet une diminution du signal à micro-onde pour une opération normale du récepteur 6.

Des moyens de déflexion sont montés dans la cellule de mesure 9. Ces moyens de déflexion sont agencés pour orienter le signal à micro-onde incident à l'intérieur de la cellule de mesure. Les moyens de déflexion sont formés par un jeu de plaques magnétiques avec des grilles en métal. Un premier jeu est formé par la grille en métal. 17 et la plaque magnétique 16 placé dans le voisinage direct de l'antenne 4 de transmission. La plaque magnétique est disposée devant la grille par rapport au sens incident du signal, c'est-à-dire que le signal incident atteint d'abord la plaque magnétique et ensuite la grille. La grille 17 en métal forme un angle d'à peu près 45° par rapport à la plaque magnétique 16 qui est disposée sensiblement en parallèle avec la surface de sortie de la corne de l'antenne 4. L'inclinaison de la grille 17 provoque une déflexion du signal à micro-onde en fonction du courant appliqué sur la plaque magnétique 16, comme il sera décrit en détail ci-dessous.

Un second jeu, formé par la grille 19 en métal et la plaque 18 magnétique, est disposé à gauche de l'émetteur. Un troisième jeu, formé par la grille 21 en métal et la plaque 20 magnétique, est placé derrière la cavité 10. Dans le second et le troisième jeu, la grille et la plaque magnétique sont placées sensiblement parallèlement l'une par rapport à l'autre. Un quatrième jeu, formé par la plaque magnétique 22 et la grille 23 en métal, est placé dans le voisinage du récepteur 5. La grille 23 en métal forme un angle d'à peu près 45° afin d'orienter le signal vers l'antenne 5 réceptrice. De préférence au moins une partie du matériau diélectrique situé derrière les grilles 19, 21 et 23 est fabriqué d'une matière absorbante permettant ainsi d'éliminer des réflexions parasites entre les différents composants de la cellule de mesure.

Chacun des jeux est connecté à l'aide de fils 24 à l'unité 2 d'alimentation et de synchronisation. Pour des raisons de clarté, le câblage à l'intérieur de la cellule n'est pas illustré.

L'opération du dispositif et des différentes étapes du procédé de mesure seront maintenant décrites plus en détail. La Figure 4 montre une série de signaux de contrôle permettant de contrôler l'opération du dispositif. Le signal illustré à la Figure 4 (b) est produit par l'unité 2 d'alimentation et de synchronisation et fournit par l'intermédiaire des lignes 24 au moyen de déflexion. A instant tlf après initia- lisation du dispositif, un premier signal de contrôle est produit, par exemple un signal ayant un niveau positif de 5 volts pour brancher la cellule dans le mode de référence. Le premier signal de contrôle maintient ce haut niveau durant une période Δ Ti = t3 - tj de par exemple une seconde. Durant cette période Δ T,, la cellule de mesure est maintenue dans le mode de référence. Lorsque la cellule est branchée dans le mode de référence, le courant appliqué sur les plaques 16, 18, 20 et 22 magnétique sera cause que le premier signal à micro-onde incident, illustré sous (c) dans la Figure 4, sera orienté suivant un canal de référence tel qu'indiqué à la Figure 2 par les lignes pointillées. Le premier signal à micro-onde produit à l'instant t2 durant la période Δ T, est polarisé suivant un premier plan de polarisation afin d'être compatible avec le premier signal de contrôle appliqué sur les plaques magnétiques et sera cause que le signal à micro-onde injecté dans le matériau diélectrique sera défléchi suivant le canal de référence.

Lorsque la cellule de mesure est branchée dans le mode de référence, le premier signal à microonde est défléchi par le premier jeu (16, 17) vers le second jeu (18, 19). La grille 19 réfléchit le signal vers la plaque magnétique 22 et la grille 23. Dans le mode de référence, le signal reste à l'intérieur du matériau diélectrique et ne croise pas l'échantillon situé dans la cavité 10.

Le récepteur 5 reçoit maintenant un second signal à micro-onde (U[) , illustré en (d) à la Figure 4, lorsque la cellule de mesure est branchée dans le mode de référence. La .puissance du second signal Uj représente la puissance de référence (Pr) de la radiation. Du fait que ce second signal à micro-onde croise uniquement le matériau diélectrique, les pertes sont relativement faibles et sont strictement déterminées par le matériau diélectrique de la cellule et la réflexion à hauteur des premier, second et quatrième jeux de moyens de déflexion.

A un instant t3, le niveau descendant du premier signal de contrôle provoquera la production d'un second signal de contrôle, illustré sous (e) à la Figure 4. Ce second signal est produit par l'unité d'alimentation et de synchronisation. Ce signal de contrôle est fourni au générateur 7 de valeur de mesure. Sous contrôle de ce second signal de contrôle, le générateur reçoit la valeur Pr du second signal à micro-onde et stocke temporairement cette valeur. Du fait que le second signal de contrôle est activé par le niveau descendant du premier signal de contrôle, les deux signaux sont synchronisés entre eux, ce qui permet au générateur 7 d'être activé à un instant où le signal a été reçu par le récepteur 5.

A un instant t3, la polarité du premier signal de contrôle change. Dans le présent exemple, le signal change d'un niveau positif vers un niveau négatif de par exemple -5 volts. La polarité du premier signal à micro-onde (figure 4 (c)) change également durant la seconde période ΔΤ2 = t5 - t3. Durant cette seconde période ΔΤ2 la polarité du premier signal de contrôle et du premier signal à micro-onde sont opposées par rapport à celles durant la période ΔΤ^

Cette polarité opposée va maintenant provoquer le branchement de la cellule de mesure dans le mode de mesure et orienter le signal à micro-onde incident dans le canal de mesure. Le canal de mesure est indiqué par les lignes pleines dans la Figure 2 et s'étend à travers le matériau diélectrique et la cavité 10 dans laquelle l'échantillon est introduit. La grille 17 va maintenant provoquer que le signal à micro-onde incident sera dirigé à travers la cavité et croisera l'échantillon comportant la substance liquide traversant ladite cavité. Le signal à micro-onde est réfléchi par la plaque 20 magnétique et la grille 21 et croise à nouveau l'échantillon avant d'atteindre la grille 17. La grille 17 dirige alors le signal vers la plaque 22 magnétique et la grille 23 afin de diriger le signal vers le récepteur 5.

Lorsque la cellule de mesure est branchée dans le mode de mesure, un troisième signal à micro-onde (U2) est produit, lequel est obtenu en laissant le premier signal à micro-onde incident croiser le matériau diélectrique de la cellule et la substance liquide de l'échantillon. Le puissance (Pm) du troisième signal à micro-onde sera inférieure à la puissance (Pr) du second signal à micro-onde puisqu'une partie de l'énergie du signal à micro-onde incident a été absorbée par l'humidité présente dans l'échantillon à mesurer. Plus il y aura d'humidité présente dans cet échantillon, plus d'énergie aura été absorbée et plus faible sera le troisième signal.

Le niveau montant du premier signal de contrôle à l'instant t5 provoquera la production d'un autre signal de contrôle tel qu'illustré à la Figure 4 (e) . Cet autre signal de contrôle forcera le générateur 7 à lire le signal reçu par le détecteur 6. Maintenant le générateur de valeur de mesure connaît les valeurs Pr et Pm et peut déterminer à partir de ces valeurs le degré W d'humidité de l'échantillon mesuré. A cette fin, le générateur applique le calcul suivant :

Δα = 10 log (Pr/PJ

dans laquelle A et B sont des coefficients représentant une valeur moyenne des coefficients de l'expansion zéro et un de la fonction Δα (W) dans une série exponentielle suivant w. Le degré d’humidité est affiché sur l'unité 8 d'affichage.

Puisque la mesure de la puissance de référence Pr et la mesure de la puissance de mesure Pm sont réalisées de façon consécutives utilisant la même cellule de mesure, le même émetteur et le même récepteur, des fluctuations de temps et de températures n'affecteront pas ces résultats. Le cycle de mesure (ATj + ΔΤ2) est suffisamment court pour que le temps ne puisse affecter négativement les valeurs de mesure.

L'usage d'une cellule de mesure fabriquée d'un matériau diélectrique réduit sensiblement les effets parasites dus à des réflexions entre l'antenne réceptrice et émettrice et la cellule. L'erreur de mesure peut également être réduite en faisant varier la fréquence du signal à micro-onde, de telle façon qu'une interférence résiduaire de faisceaux parasites est nivelée.

Le signal incident passe à deux reprises à travers l'échantillon et est de ce fait plus sensible à l'humidité en comparaison d'un dispositif où le faisceau incident ne passe qu'une seule fois à travers l'échantillon.

La cavité dans la cellule de mesure permet de monter le dispositif par exemple sur un pipeline comme illustré à la Figure 3. De cette manière il est possible de mesurer le degré d'humidité dans un courant continu d'une substance liquide, comme par exemple du pétrole brut.

Claims (5)

1. Dispositif pour mesurer le degré d'humidité d'un échantillon d'une substance liquide, en particulier du pétrole brut, ledit dispositif comportant une cellule de mesure qui comprend des moyens de branchement agencés pour brancher ladite cellule dans un mode de référence, respectivement un mode de mesure, un générateur de signal a micro-onde agencé pour produire un premier signal à micro-onde et transmettre ledit premier signal à micro-onde vers ladite cellule, un récepteur agencé pour recevoir un deuxième, respectivement un troisième, signal à micro-onde produit à partir de la transmission dudit premier signal à micro-onde à travers ladite cellule lorsqu'elle est branchée dans ledit mode de référence, respectivement ledit mode de mesure, ledit récepteur étant connecté à un générateur de valeur de mesure agencé pour produire, à partir dudit deuxième et troisième signal à micro-onde, une valeur de mesure indiquant ledit degré d'humidité, caractérisé en ce que ladite cellule est construite en un matériau diélectrique et comporte une cavité agencée pour y introduire ledit échantillon, lesdits moyens de branchement étant formés par des moyens de déflexion de signal à micro-onde montés dans le matériau diélectrique, lesdits moyens de déflexion étant agencés pour orienter ledit premier signal à micro-onde dans un canal de référence qui s'étend à travers ledit matériau diélectrique respectivement un canal de mesure qui s1 étend à. travers ledit matériau diélectrique et ladite cavité lorsqu'ils sont branchés dans une première, respectivement une seconde, position.

2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de déflexion sont fermés par un jeu de plaques magnétiques chacune en combinaison avec une grille, ladite plaque magnétique étant disposée devant ladite grille par rapport à un signal incident, ladite plaque magnétique et ladite grille étant électriquement polarisables.

3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en cé que lesdits moyens de déflexion et ledit générateur de signal à micro-onde sont reliés à une unité de contrôle agencée pour produire des premières, respectivement des secondes, impulsions de contrôle pour contrôler ledit générateur de signal à micro-onde respectivement lesdits moyens de déflexion, lesdites premières et secondes impulsions de contrôle étant synchronisées entre elles.

4. Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'un atténuateur et un élément d'adaptation d'impédance sont disposés entre ladite cellule et ledit générateur de signal à microonde.

5. Procédé pour mesurer le degré d'humidité d'un échantillon d'une substance liquide, en particulier du pétrole brut, par lequel ledit échantillon est introduit dans une cellule de mesure, irradiée par un premier signal à micro-onde afin de produire un troisième signal à micro-onde qui est reçu par un récepteur, un deuxième signal à micro-onde étant produit et fourni audit récepteur par transmission dudit premier signal à travers un canal de référence dans ladite cellule, une valeur de mesure étant déterminée à partir du deuxième et troisième signal, caractérisé en ce que ledit échantillon est introduit dans un milieu diélectrique formant ladite cellule, ledit deuxième respectivement troisième signal étant produit par déflexion dudit premier signal à l'intérieur de ladite cellule.