CA2927878A1 - Debitmetre pour fluide diphasique avec mesure simultanee ou alternee de la phase gaz et de la phase liquide - Google Patents

Abstract

Un débitmètre pour fluides diphasiques cryogéniques liquide/gaz, comprenant: -un séparateur (1) de phases liquide/gaz, préférentiellement constitué d'une cuve, dans la partie supérieure de laquelle estadmis le fluide cryogénique; -un capteur de débit liquide (3), situé sur une canalisation liquide (2) en communication de fluide avec la partie basse de la cuve, la cuve étant placée en position haute dans l'espace par rapport au capteur de débit liquide; -une canalisation gaz (4), en communication de fluide avec la partie haute de la cuve, munie d'un capteur (5) de débit de la phase gaz circulant dans cette canalisation gaz; -une vanne troisvoies (6) apte à récupérer en deux de ses voies (A/B) d'une part l'extrémité aval de ladite canalisation gaz et d'autre part l'extrémité aval de ladite canalisation liquide; -et un dispositif de mesure du niveau de liquide dans la cuve (7), comportant préférentiellement deux capteurs de niveau : un capteur de niveau bas et un capteur de niveau haut. Figure 1à reproduire.

Description

DEBITMETRE POUR FLUIDE DIPHASIQUE AVEC MESURE SIMULTANEE OU
ALTERNEE DE LA PHASE GAZ ET DE LA PHASE LIQUIDE
La présente invention concerne le domaine des débitmètres pour fluides diphasiques gaz/liquide.
La mesure de débit d'un fluide diphasique composé d'un liquide et d'un gaz est une opération difficile lorsqu'on cherche à mesurer un débit massique.

En effet, tous les capteurs mesurant un débit sont gênés lorsqu'ils sont mis en présence d'un liquide diphasique dont la densité change à tout moment. Ceci est en particulier valable pour la mesure de débit des fluides cryogéniques comme l'azote liquide.
Certains débitmètres répertoriés dans la littérature sont basés sur la mesure de la vitesse du fluide. Il s'agit par exemple :
- des débitmètres à turbine : une turbine est installée dans le fluide en mouvement et la vitesse de rotation de la turbine donne une image de la vitesse du fluide.
- Des débitmètres à tube de Pitot : deux tubes sont installés dans le fluide en mouvement à mesurer. Un tube est installé perpendiculairement au débit et donne la pression statique, l'autre est installé parallèlement au débit et donne la pression dynamique totale. La différence de pression dynamique entre ces deux mesures permet de calculer le débit.
- Des débitmètres à ultrasons : certains utilisent l'effet Doppler (analyse de la fréquence réfléchie par les particules du fluide qui donne une image de la vitesse de la particule et donc du fluide) alors que d'autres mesurent une différence de temps de parcours d'une onde ultrasonore de l'amont vers l'aval et de l'aval vers l'amont (image de la vitesse du fluide).

2 Dans tous ces cas, lorsque la densité du fluide varie continuellement, le passage du débit volumique au débit massique est délicat à réaliser précisément.
D'autres systèmes utilisent la mesure de perte de charge (perte de pression) pour en déduire le débit. Il s'agit par exemple des débitmètres à
orifice calibré qui mesurent la perte de charge en amont et en aval d'un orifice calibré placé dans le fluide en mouvement. La mesure de ces appareils est très perturbée lorsque le fluide n'a pas une densité constante et lorsque le taux de gaz augmente dans le liquide.
Les débitmètres électromagnétiques, applicables seulement aux fluides ayant une conductivité électrique suffisante utilisent le principe de l'induction électromagnétique : Un champ électromagnétique est appliqué au fluide et la force électromotrice créée (force proportionnelle au débit du fluide) est mesurée. Dans le cas de la mesure de débit de fluides cryogéniques (non conducteur) tel que l'azote liquide, ce principe n'est pas applicable.
Les débitmètres à effet vortex sont basés sur le phénomène de génération de tourbillons que l'on constate derrière un corps fixe non profilé
placé dans un fluide en mouvement (effet Karman). La mesure des variations de pression créées par ces tourbillons donne la fréquence des tourbillons, celle-ci étant proportionnelle à la vitesse du fluide lorsque le fluide garde des propriétés constantes. Lorsque la densité du fluide varie, la mesure est faussée.
Les débitmètres thermiques sont eux basés sur la mesure de l'augmentation de température créée par un apport constant d'énergie. Un système à deux sondes de température mesure la différence de température entre le débit entrant et sortant du débitmètre. Entre ces deux sondes, une résistance apporte une quantité connue d'énergie. Lorsque l'on connait la capacité calorifique du fluide en mouvement, le débit peut être calculé à
partir de ces mesures. Cependant, ce principe n'est pas applicable aux liquides

3 diphasiques dont le comportement thermique (vaporisation du liquide) est totalement différent des liquides monophasiques.
Seul le débitmètre massique à effet Coriolis donne une mesure précise du débit massique d'un fluide. Le débitmètre est constitué d'un tube en U ou oméga ou courbe dans lequel circule le fluide. Le U est soumis à une oscillation latérale et la mesure du déphasage des vibrations entre les deux branches du U donne une image du débit massique. Cependant, son coût est assez élevé et lorsqu'il est utilisé à des températures très basse (azote liquide à -196 C par exemple) et avec un fluide dont la densité varie énormément et comportant une partie importante en phase gazeuse, il y a nécessité d'isoler fortement le système (isolation performante telle qu'une isolation sous vide par exemple) et malgré tout, les mesures sont faussées lorsque le taux de gaz dépasse quelques pourcent en masse. On notera aussi que la mesure est souvent rendue impossible lorsque la vitesse du fluide est faible ou nulle (dans la première moitié de la plage de mesure).
Comme on peut le constater, la mesure du débit d'un liquide diphasique et en particulier la mesure du débit d'un fluide cryogénique avec une précision acceptable n'est pas facile à réaliser avec les appareils actuellement disponibles sur le marché.
La littérature a alors proposé d'autres types de solutions, parmi lesquelles les systèmes basés sur le principe de la mesure du niveau d'un liquide s'écoulant dans un canal juste avant une restriction de la section de passage. Ce système, décrit dans le document US- 5 679 905 fonctionne en substance comme suit : le fluide diphasique est d'abord séparé en une phase gazeuse qui n'est pas mesurée et une phase liquide dont le débit est mesuré.
Ce liquide passe dans un canal qui présente une réduction de section en sa sortie. Plus le débit est important, plus le niveau de liquide dans le canal est important et une mesure de niveau dans ce canal permet de déduire le débit instantané. Comme on le constate, ce système ne prend pas en compte le

4 débit gazeux qui dans certaines applications est négligeable. Par contre, ce système permet de mesurer avec une précision relativement bonne le débit de liquide sans être perturbé par le taux de gaz ce qui est le but recherché.
On remarquera au passage que pour que ce système fonctionne correctement, il doit être bien isolé des entrées de chaleur qui pourraient vaporiser une partie du liquide isolé et ainsi perturber la mesure de niveau.
C'est pour cela que l'isolation sous vide est utilisée dans ce système.
On remarquera aussi que pour que le système fonctionne, il doit y avoir la présence de deux phases dans le débitmètre ce qui interdit son fonctionnement avec un liquide sous refroidi (liquide franc sans phase gazeuse).
Dans le cas où la mesure des débits de liquide et de gaz est nécessaire, on utilise parfois un système qui reprend le même principe de séparation des phases avant la mesure de débit.
Ainsi, des appareils présentent le dispositif qui suit :
- Le liquide diphasique passe d'abord dans un séparateur de phase qui sépare la phase liquide de la phase gazeuse ;
- La phase gazeuse est dirigée vers un débitmètre volumique (de type turbine par exemple) avec une compensation en température ;
- La phase liquide est aussi dirigée vers un débitmètre volumique (de type turbine par exemple) ;
- Ces deux mesures de débit sont ensuite converties en mesure de masse et ajoutées.
A priori, ce dispositif est plus couteux que le précédent, on peut penser qu'il sera très précis. Dans la pratique, on constate que la mesure du débit liquide est entachée d'erreurs qui fluctuent suivant les conditions de pression et de température du liquide entrant dans le débitmètre. Ces erreurs de mesure sont dues à la présence de gaz dans la phase liquide qui traverse le débitmètre. En effet, lorsque le liquide quitte le séparateur de phase pour aller vers le débitmètre, une partie de liquide se vaporise, soit à cause des entrées de chaleur soit à cause de la chute de pression due à une remontée du liquide, soit à cause d'une chute de pression due à la perte de charge créée par le débitmètre lui-même.

5 Enfin, pour mesurer le débit d'un liquide cryogénique, on peut aussi s'affranchir des problèmes cités ci-dessus en créant des conditions de pression et de température différentes de la pression d'équilibre (limite d'ébullition).
Dans ce domaine, la méthode la plus couramment utilisée est l'augmentation de la pression du liquide. Dans la pratique, on installera par exemple un débitmètre en sortie d'une pompe cryogénique (coté haute pression). Dans ce cas, le liquide est par exemple pompé dans une cuve où il est à l'équilibre et il est monté en pression par la pompe, ceci presque sans augmentation de température. Les tuyauteries et le débitmètre qui suivent peuvent alors créer une perte de charge, cela n'aura pas pour conséquence de vaporiser le liquide pourvu que la perte de charge soit nettement inférieure à l'augmentation de pression créée par la pompe.
Dans ce cas, on peut utiliser un débitmètre classique type vortex, turbine ou autre dans la mesure où il supporte les basses températures.
Cette technique est par exemple parfaitement adaptée à la mesure de débit des camions de livraison d'azote. Elle est fiable est d'un cout acceptable dans la mesure où la pompe cryogénique est requise pour d'autres raisons.
En revanche, lorsque qu'il faut mesurer le débit d'azote liquide à un point où il n'y a pas de pompe cryogénique, alors cette technique n'est plus intéressante.
La présente invention s'attache alors à proposer une nouvelle solution simple et fiable de mesure du débit de fluides diphasiques gaz/liquide cryogéniques, permettant de solutionner tout ou partie des problèmes techniques évoqués ci-dessus.
Comme on le verra plus en détails dans ce qui suit la solution proposée ici peut se résumer ainsi :

6 - Le fluide arrive à une pression variable mais généralement faible (entre 1 et 6 bars).
- Le fluide arrive dans des conditions de pression et température connues ou non. En particulier, la phase liquide peut être à l'équilibre (limite d'ébullition).
- Le fluide peut être composé d'une phase liquide et d'une phase gazeuse (liquide diphasique) en proportion variable.
- Aucun dispositif permettant d'augmenter la pression (pompe) n'est requis, ni disponible, sur l'installation.
- La solution peut s'appliquer à tout fluide lorsque ce dernier a une température d'ébullition inférieure à la température ambiante du local où
est installé le débitmètre.
Le dispositif proposé comprend les éléments suivants :
- Une cuve jouant le rôle de séparateur de phases, cette cuve est avantageusement équipée d'un capteur du niveau de la phase liquide, d'un capteur de température du liquide et d'un capteur de pression de la phase gaz. On l'a compris on privilégie selon l'invention l'utilisation d'une cuve, volume où le liquide est au calme pour permettre la séparation des phases, mais on peut utiliser également un gros tuyau qui jouera ce rôle de séparateur.
- Une canalisation d'alimentation en fluide diphasique reliée à la partie haute de la cuve.
- Une canalisation reliant le haut de la cuve (donc en communication avec la phase gaz présente en haut de cuve) à une entrée d'une vanne 3 voies et passant par un capteur de débit gaz. Cette canalisation est équipée d'un capteur de température du gaz circulant dans cette canalisation gaz.
- Une canalisation reliant le bas de la cuve (donc en communication avec la phase liquide stockée en bas de cuve) à une autre entrée de la vanne 3 voies précédemment évoquée et passant par un capteur de débit liquide.

7 - Une canalisation de sortie du fluide diphasique reliée à la 3e voie de la vanne 3 voies : la troisième voie, voie de sortie de la vanne, combinant l'ensemble de ces deux apports (mélange) pour le diriger par exemple vers un poste aval utilisateur d'un tel fluide (tunnel cryogénique, baratte ou autre par exemple).
- L'ensemble est préférentiellement isolé thermiquement.
Comme on l'a expliqué précédemment, pour que la mesure de la phase liquide soit précise, le liquide circulant dans le capteur de débit liquide ne doit pas (ou quasi pas) comporter de gaz. Chaque bulle de gaz passant dans le capteur entraine une importante erreur de mesure.
Pour réaliser une mesure précise, ce système conforme à l'invention procède aux actions suivantes :
- séparation des deux phases du fluide ; le fluide arrive dans la cuve qui est en fait un séparateur de phase. Le liquide s'accumule naturellement en bas de la cuve et le gaz dans la partie haute de la cuve.
- mesure du débit massique de gaz : cette mesure est réalisée de manière classique et bien connue de l'homme du métier, la phase gazeuse du fluide passe par le débitmètre présent sur la canalisation gaz, qui mesure le débit volumique du gaz. Ce débitmètre peut par exemple être de type à vortex, à ultrasons, à turbine ou à orifice calibré. La sonde de température mesure la température du gaz, le capteur de pression mesure sa pression. En considérant ces deux mesures, pour un gaz donné, le calculateur du système calcule la densité du gaz passant dans le débitmètre. En disposant ainsi du débit volumique et de la densité du gaz, le calculateur calcul alors de façon connue le débit massique du gaz. La mesure du débit massique du gaz peut aussi être réalisée directement au moyen d'un débitmètre thermique ou à effet Coriolis.

8 - mesure du débit massique de liquide : on l'a dit plus haut, cette mesure est plus délicate. Considérant de plus que le liquide représente dans certaines applications comme les applications cryogéniques plus de 95% du débit massique, c'est de la précision de cette mesure que dépend la précision de mesure (globale) de l'appareil. Pour réaliser cette mesure sans créer de bulles de gaz dans un liquide, on procède grâce à l'invention de la manière suivante : A la sortie de la cuve, le liquide est à son point d'équilibre liquide/vapeur. Toute chute de pression aussi minime soit-elle provoque l'apparition de bulles de gaz qui perturbent sensiblement la mesure. On crée alors une légère surpression du liquide en installant le débitmètre liquide (présent sur la canalisation de sortie liquide) à une distance suffisante sous la cuve, préférentiellement entre 0.5 et 6 mètres sous le niveau de la cuve, typiquement voisine de 1 mètre. En d'autres termes, la cuve est placée en position haute dans l'espace (hauteur h ) par rapport au capteur de débit liquide.
Avec cette disposition qui permet de créer une très légère surpression due à la hauteur de charge du liquide dans la tuyauterie descendante (isolée thermiquement), le liquide arrive dans le débitmètre très légèrement sous-refroidi. Entre la sortie de la cuve et le débitmètre, la température du liquide ne change pas mais sa pression augmente. Il est alors possible de mesurer le débit volumique du liquide sans créer de bulles de gaz pourvu que le capteur de débit ne provoque pas une perte de charge supérieure à la surpression créée par la différence de hauteur entre la cuve et le débitmètre. Le débitmètre liquide utilisé peut par exemple être de type à vortex, à ultrasons, ou encore à turbine. Le débit volumique ainsi mesuré est ensuite corrigé par la densité du liquide pour obtenir le débit massique. Cette densité liquide est calculée par le calculateur du système grâce à la température du liquide mesurée par le capteur de température dont est équipée la cuve comme mentionné
plus haut.

9 -mélange des deux phases et sortie du fluide : La partie gazeuse et la partie liquide qui viennent de passer respectivement par un débitmètre gaz et un débitmètre liquide sont alors mélangées au niveau de la vanne trois voies avant de quitter l'appareil.
Selon l'invention, cette vanne trois voies est pilotée selon l'un des modes que nous expliciterons mieux ci-dessous, mais l'homme du métier comprend au vu de ce qui précède qu'elle représente une sorte de robinet mitigeur qui mélange l'azote gazeux et l'azote liquide qui lui parviennent, dans des proportions que l'on peut dicter (et ainsi dicter ce qui sort de cette vanne en sa troisième voie).
La vanne 3 voies est asservie au niveau de liquide dans la cuve via l'information donnée par le capteur de niveau de liquide dont est équipée la cuve.
A titre illustratif, lorsque le niveau de liquide dans la cuve est inférieur à

une consigne basse, la vanne 3 voies se positionne pour faire monter le niveau : Elle laisse passer le gaz et ferme le passage du liquide. Ainsi, le niveau de liquide va monter dans la cuve.
Toujours à titre illustratif, lorsque le niveau de liquide est compris entre une consigne basse et une consigne haute dans la cuve, la vanne 3 voies se positionne pour laisser passer le liquide et le gaz en quantité plus ou moins égale 50/50. Selon un des modes de réalisation, on peut envisager que la vanne laisse passer le liquide et le gaz dans des proportions différentes et même variables suivant la valeur du niveau de liquide.
Toujours à titre illustratif, lorsque le niveau de liquide est supérieur à
une consigne haute dans la cuve, la vanne trois voies se positionne pour faire baisser le niveau : Elle ferme le passage du gaz et laisse passer le liquide, ainsi le niveau de liquide va baisser dans la cuve.

Ainsi, grâce à un tel mode de régulation, le niveau de liquide dans la cuve reste compris entre une consigne basse et une consigne haute et le capteur de débit liquide ne laisse passer que du liquide sans bulles de gaz.
5 On obtient alors une mesure précise du débit massique du gaz et du liquide. Le calculateur peut alors soit faire apparaitre le débit massique total ou les débits massiques des phases gaz et liquide séparément. D'autres modes d'affichage peuvent être envisagés pour par exemple faire apparaitre l'équivalent énergétique du débit de fluide ou pour faire apparaitre les taux

10 massique et volumique de gaz dans le fluide.
La présente invention concerne alors un débitmètre pour fluides diphasiques cryogéniques liquide/gaz, comprenant :
- un séparateur de phases liquide/gaz, préférentiellement constitué
d'une cuve, dans la partie supérieure de laquelle est admis le fluide cryogénique;
- - un capteur de débit liquide, situé sur une canalisation liquide en communication de fluide avec la partie basse de la cuve, la cuve étant placée en position haute dans l'espace par rapport au capteur de débit liquide ;
- une canalisation gaz, en communication de fluide avec la partie haute de la cuve, munie d'un capteur de débit de la phase gaz circulant dans cette canalisation gaz;
- une vanne trois voies apte à récupérer en deux de ses voies d'une part l'extrémité aval de ladite canalisation gaz et d'autre part l'extrémité
aval de ladite canalisation liquide.
- un dispositif de mesure du niveau de liquide dans la cuve, comportant préférentiellement deux capteurs de niveau : un capteur de niveau bas et un capteur de niveau haut.
L'invention pourra par ailleurs adopter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :

11 - on utilise un débitmètre liquide ayant une perte de charge aussi réduite que possible.
On rappellera que les fournisseurs de débitmètres donnent cette information dans les spécifications des débitmètres qu'ils commercialisent.
En effet cette disposition se révèle tout particulièrement avantageuse pour assurer le fait que la perte de charge créée par le débitmètre liquide soit inférieure à la hauteur de charge entre la cuve et le débitmètre liquide, et ainsi s'assurer qu'il n'est pas nécessaire de mettre en place une distance trop importante entre la cuve et le débitmètre liquide, distance trop importante (par exemple plusieurs mètres) qui rendrait l'appareil difficile à installer dans des locaux industriels.
A titre illustratif, la perte de charge du capteur de débit liquide est inférieure à la hauteur de charge du liquide entre la partie basse de la cuve et le capteur de débit liquide, et préférentiellement inférieur à 2 mètres de hauteur de liquide.
- on utilise le débitmètre liquide choisi dans la partie basse de sa gamme de mesure recommandée par le fabricant. Travaillant à faible débit, le débitmètre crée alors une perte de charge très réduite. A titre illustratif, à
30%
de son débit maximum, la perte de charge des débitmètres du marché est classiquement proche de 10% de sa perte de charge maximale (débit divisé
par 3, perte de charge divisée par 10).
A titre illustratif, le capteur de débit liquide étant commercialisé pour une utilisation dans une gamme recommandée de débits, gamme délimitée par un débit bas recommandé et un débit haut recommandé, le débit de liquide circulant dans la canalisation liquide est toujours situé dans une gamme restreinte basse située entre ledit débit bas recommandé et 30 à 70% dudit débit haut recommandé.
En d'autres termes, on surdimensionne le débitmètre choisi en utilisant un débitmètre dans sa plage de mesure basse : à titre d'exemple, un débitmètre recommandé en utilisation dans la gamme 300 ¨ 3000 1/h sera utilisé sur sa plage basse de 300 à 1500 l/h.

12 On pourrait considérer que cette disposition présente l'inconvénient de réduire la plage de mesure du capteur. A titre illustratif, un capteur qui présente initialement une plage de mesure allant de 1 à 10 (300 à 30001/h) ne peut être utilisé avec cette technique que sur une plage par exemple de 1 à 5. Cela peut apparaître comme un facteur limitant l'utilisation de cette technique.
- On propose alors d'avoir recours à un mode avantageux de mise en oeuvre de l'invention, selon lequel on utilise le débitmètre liquide choisi de manière discontinue, suivant les deux phases de fonctionnement suivantes :
-- > durant une Phase 1 (que l'on peut qualifier de stockage ) :
le débitmètre liquide mesure un débit supérieur au débit sortant par la 3e voie de la vanne 3 voies (et donc au débit sortant de l'appareil) par le fait que l'on effectue un stockage de liquide. En effet une partie du débit de liquide extrait de la cuve et transitant par le débitmètre liquide sort de l'appareil (via la 3e voie) tandis qu'une autre partie (par exemple selon un rapport 50/50) du débit de liquide extrait de la cuve et transitant par le débitmètre liquide est autorisée par le contrôleur et la vanne trois voies à remonter dans la canalisation gaz (canalisation utilisée normalement pour faire descendre le gaz vers la vanne 3 voies). Le liquide s'accumule alors dans cette canalisation gaz.
Lorsque les niveaux dans la cuve et dans la canalisation se rapprochent, la différence de pression diminue et le débit ralentit, ce qui est détecté au niveau du débitmètre liquide lorsque la valeur mesurée devient inférieure au débit minimum de son cahier des charges (par exemple 3001/h dans le cas évoqué
plus haut). Dans ce cas, l'automatisme (contrôleur) du système positionne la vanne 3 voies de manière à bloquer le passage du liquide, le débit passe alors progressivement de 300 à 01/h.
durant une Phase 2 (que l'on peut qualifier de déstockage : blocage du débit dans le débitmètre liquide et déstockage du liquide accumulé dans la canalisation gaz) : Lorsque la vanne 3 voies bloque le passage du liquide et laisse passer le gaz, le liquide stocké dans la canalisation gaz est alors évacué par la sortie de l'appareil (3e voie).
Lorsqu'il n'y a plus de liquide, l'appareil délivre alors du gaz et le niveau de liquide dans la cuve monte. Lorsque ce niveau passe au dessus d'un seuil (consigne

13 haute), l'automatisme ouvre alors la vanne coté gaz et coté liquide (par exemple 50/50) et l'on revient alors dans la Phase 1.
Ainsi, par ce fonctionnement alterné, l'appareil peut mesurer des débits dans une plage très large, pratiquement de 150 à 15001/h dans notre exemple soit une plage de 1 à 10 comme voulu au départ.
En d'autres termes, ce fonctionnement discontinu du débitmètre liquide avec stockage puis déstockage du liquide permet de ne faire fonctionner le débitmètre que dans sa plage nominale tout en obtenant au final un débit moyen inférieur à la valeur basse de la plage nominale.
- on dispose d'un système d'acquisition et de traitement de données, apte :
i) à procéder à l'acquisition d'une mesure de niveau de liquide dans ledit séparateur;
j) à procéder à une comparaison de cette mesure à au moins une consigne de niveau de liquide dans le séparateur, k) et à procéder, selon le résultat de cette comparaison, à une rétroaction sur le fonctionnement de la vanne trois voies pour dicter un ratio des deux fluides arrivant respectivement dans les branches liquide et gaz de la vanne, et ainsi dicter la composition du mélange sortant en sa troisième voie (rétroaction au travers typiquement d'un système de commande pilotant la vanne trois voies).
- on dispose d'un ou de plusieurs capteurs de pression et de température, aptes à mesurer la pression notamment dans la phase gaz de la cuve et à mesurer la température dans la phase liquide de la cuve et le cas échéant dans la phase gaz de la cuve et/ou dans la phase gaz sortant par ladite canalisation gaz.
Les essais menés avec ce système conforme à l'invention, utilisé pour la mesure d'un débit d'azote liquide, ont montré qu'il était possible d'obtenir une précision de l'ordre de 3% sur une gamme de débit allant de 1 à 10 ce qui est très satisfaisant pour de nombreuses utilisations.

14 Ce système permet une mesure précise du débit d'un fluide diphasique sans dispositif de mise en pression, ceci quelles que soient les conditions de pression et de température de celui-ci à l'alimentation du système. Ce système peut s'appliquer à tout fluide diphasique gaz/vapeur pourvu qu'a la pression de travail du système, la température de vaporisation du fluide soit inférieure à
la température ambiante du local où est installé le débitmètre.
L'invention sera mieux comprise à l'aide des figures annexées.
On reconnaît sur la figure 1 la présence des éléments suivants :
- un séparateur 1 de phases liquide/gaz, constitué ici d'une cuve, dans la partie supérieure de laquelle est admis le fluide cryogénique diphasique;
- un capteur de débit liquide 3, situé sur une canalisation liquide 2 en communication de fluide avec la partie basse de la cuve, la cuve étant placée en position haute dans l'espace par rapport au capteur de débit liquide ;
- une canalisation gaz 4, en communication de fluide avec la partie haute de la cuve, munie d'un capteur 5 de débit de la phase gaz circulant dans cette canalisation gaz;
- une vanne trois voies 6 apte à récupérer en deux de ses voies (A, B) d'une part l'extrémité aval de ladite canalisation gaz et d'autre part l'extrémité
aval de ladite canalisation liquide ;
- un dispositif de mesure 7 du niveau de liquide dans la cuve, comportant préférentiellement deux capteurs de niveau : un capteur de niveau bas et un capteur de niveau haut ;
- la cuve est par ailleurs munie ici d'un capteur de pression 8 dans la phase gaz située en position haute de la cuve mais nous ne détaillerons pas ici les différents capteurs de pression et de température qui peuvent être présents sur l'installation, étant aptes à mesurer la pression notamment dans la phase gaz de la cuve et à mesurer la température dans la phase liquide de la cuve et le cas échéant dans la phase gaz de la cuve et/ou dans la phase gaz sortant par ladite canalisation gaz, pour des raisons bien connues de l'homme du métier.

La figure 2 permet alors de mieux visualiser le fonctionnement de la vanne trois voies.
L'arrivée G désigne l'arrivée de la voie gaz, l'arrivée L désigne 5 l'arrivée de la voie liquide et la voie S désigne la sortie de la vanne.
Ainsi en figure 2 i) on a illustré le cas où le système ordonne la fermeture de la voie liquide et l'ouverture de la voie gaz.
En figure 2 j) on a illustré le cas où le système ordonne l'ouverture de la voie liquide et l'ouverture de la voie gaz, par exemple en proportions 50-50.
10 Et la figure 2 k) illustre le cas où le système ordonne la fermeture de la voie gaz et l'ouverture de la voie liquide.
Examinons maintenant les figures suivantes qui illustrent différentes phases de fonctionnement du débitmètre et notamment des scénarios de

15 régulation.
Comme on l'a dit, la vanne 6 est asservie au niveau de liquide dans la cuve via l'information donnée par le capteur de niveau 7.
Comme l'illustre la figure 3, lorsque le niveau de liquide est inférieur à
une consigne de niveau bas, la vanne 6 est positionnée par la contrôleur pour faire monter le niveau dans la cuve : Elle laisse passer le gaz et ferme le passage du liquide. Ainsi, le niveau de liquide va monter dans la cuve.
Lorsque le niveau de liquide est compris entre une consigne de niveau bas et une consigne de niveau haut (figure 4), la vanne 6 est positionnée pour laisser passer le liquide et le gaz en quantité par exemple sensiblement égales. Dans certains cas, on peut envisager que la vanne laisse passer le liquide et le gaz dans des proportions différentes et même variables suivant la valeur du niveau de liquide.
Lorsque le niveau de liquide est supérieur à une consigne haute (figure 5), la vanne 6 se positionne pour faire baisser le niveau : elle ferme le passage

16 du gaz et laisse passer le liquide, ce qui va faire baisser le niveau de liquide dans la cuve 1.
La figure 6 illustre alors le fonctionnement de l'appareil en Phase 1 explicitée plus haut dans la présente description : cette phase 1 est aussi appelée phase de stockage du liquide.
Le capteur 3 mesure un débit supérieur au débit qui sort de l'appareil.
En effet une partie de ce débit remonte dans la canalisation 4 (prévue pour faire descendre le gaz vers la vanne 6) et s'y accumule, jusqu'à ce que les niveaux dans la cuve et dans la canalisation 4 se rapprochent, la différence de pression diminue alors et le débit ralenti.
L'automatisme du système (contrôleur) détecte alors cette situation (valeur mesurée par la vanne 6 inférieure à un débit minimum) et positionne alors la vanne de manière à bloquer le passage du liquide (figure 7), pour déstocker le liquide stocké dans la canalisation 4, la vanne délivre alors par sa 3e voie de sortie du liquide, puis du gaz (quand tout le liquide est déstocké), le niveau de liquide dans la cuve monte, jusqu'à ce que ce niveau repasse entre les consignes haute et basse, le contrôleur va alors rouvrir la vanne des deux cotés (par exemple à 50% coté gaz et 50% coté liquide) etc... et nous revenons dans la phase 1.

Claims (7)

Revendications

1. Débitmètre pour fluides diphasiques cryogéniques liquide/gaz, comprenant :
- un séparateur (1) de phases liquide/gaz, préférentiellement constitué
d'une cuve, dans la partie supérieure de laquelle est admis le fluide cryogénique;
- un capteur de débit liquide (3), situé sur une canalisation liquide (2) en communication de fluide avec la partie basse de la cuve, la cuve étant placée en position haute dans l'espace par rapport au capteur de débit liquide ;
- une canalisation gaz (4), en communication de fluide avec la partie haute de la cuve, munie d'un capteur (5) de débit de la phase gaz circulant dans cette canalisation gaz;
- une vanne trois voies (6) apte à récupérer en deux de ses voies (A/B) d'une part l'extrémité aval de ladite canalisation gaz et d'autre part l'extrémité
aval de ladite canalisation liquide ;
- un dispositif de mesure du niveau de liquide dans la cuve (7), comportant préférentiellement deux capteurs de niveau : un capteur de niveau bas et un capteur de niveau haut.

2.
Débitmètre selon la revendication 1, se caractérisant en ce qu'il comprend un système d'acquisition et de traitement de données, apte :
i) à procéder à l'acquisition d'une mesure de niveau de liquide dans ledit séparateur;
j) à procéder à une comparaison de cette mesure à au moins une consigne de niveau de liquide dans le séparateur, k) et à procéder, selon le résultat de cette comparaison, à une rétroaction sur le fonctionnement de la vanne trois voies pour dicter un ratio des deux fluides arrivant respectivement dans les branches liquide et gaz de la vanne, et ainsi dicter la composition du mélange sortant en sa troisième voie.

3. Débitmètre selon la revendication 1 ou 2, se caractérisant en ce que le capteur de débit liquide (3) se caractérise par une très faible perte de charge, préférentiellement inférieure à la hauteur de charge du liquide entre la partie basse de la cuve et le capteur de débit liquide, et plus préférentiellement inférieur à 2 mètres de hauteur de liquide.

4. Débitmètre selon l'une des revendications 1 à 3, se caractérisant en ce que le capteur de débit liquide (3) est commercialisé pour une utilisation dans une gamme recommandée de débits, gamme délimitée par un débit bas recommandé et un débit haut recommandé, et en ce que le débit de liquide circulant dans la dite canalisation liquide (2) est toujours situé dans une gamme restreinte basse située entre ledit débit bas recommandé et 30 à 70%
dudit débit haut recommandé.

5. Méthode de mesure du débit de fluides diphasiques cryogéniques liquide/gaz, utilisant un débitmètre qui comprend :
- un séparateur (1) de phases liquide/gaz, préférentiellement constitué
d'une cuve, dans la partie supérieure de laquelle est admis le fluide cryogénique;
- un capteur de débit liquide (3), situé sur une canalisation liquide (2) en communication de fluide avec la partie basse de la cuve, la cuve étant placée en position haute dans l'espace par rapport au capteur de débit liquide ;
- une canalisation gaz (4), en communication de fluide avec la partie haute de la cuve, munie d'un capteur (5) de débit de la phase gaz circulant dans cette canalisation gaz;
- une vanne trois voies (6) apte à récupérer en deux de ses voies (A/B) d'une part l'extrémité aval de ladite canalisation gaz et d'autre part l'extrémité
aval de ladite canalisation liquide ;
- un dispositif de mesure du niveau de liquide dans la cuve (7), comportant préférentiellement deux capteurs de niveau : un capteur de niveau bas et un capteur de niveau haut ;
et qui comprend la mise en oeuvre des mesures suivantes :

i) on procède à l'acquisition d'une mesure de niveau de liquide dans ledit séparateur;
j) on procède à une comparaison de cette mesure à au moins une consigne de niveau de liquide dans le séparateur, k) on procède, selon le résultat de cette comparaison, à une rétroaction sur la configuration de la vanne trois voies pour dicter un ratio des deux fluides arrivant respectivement dans les branches liquide et gaz de la vanne, et ainsi dicter la composition du mélange sortant en sa troisième voie ;
et en ce que le débit massique de fluide diphasique que l'on cherche à
évaluer est évalué par la prise en compte d'une part du débit massique mesuré par ledit capteur de débit liquide (3) et d'autre part par ledit capteur de débit gaz (5), le débit massique que l'on souhaite évaluer étant obtenu par la somme des deux débits massiques précédents.

6. Méthode de mesure selon la revendication 5, se caractérisant en ce qu'elle comprend au moins les deux phases suivantes : :
- une phase dite de stockage , où ladite vanne 3 voies (6) est positionnée pour laisser une portion du débit de liquide qui circule dans la canalisation liquide (2) monter dans la canalisation gaz (4) et l'autre partie, complémentaire, du débit de liquide qui circule dans la canalisation liquide (2) sortir par la troisième voie de la vanne ;
- une phase dite de déstockage où l'on positionne la vanne 3 voies (6) de manière à bloquer le passage du liquide en provenance de la canalisation liquide (2) et à permettre au liquide précédemment monté dans la canalisation (4) de redescendre vers la vanne 3 voies pour sortir par la troisième voie de cette vanne.

7. Méthode de mesure selon la revendication 6, se caractérisant en ce que faisant suite à ladite phase de déstockage, quand le niveau de liquide dans la cuve monte jusqu'à ce que ce niveau repasse entre des consignes de niveau haute et basse, on procède à la réouverture de la vanne en ses deux voies d'arrivée pour admettre du liquide et du gaz en provenance de la cuve.