EP4555281A1 - Système de détection de défauts au sein d'un fluide en écoulement dans un circuit comprenant un équipement fluidique, et de prévention des pannes de l'équipement, afférentes aux défauts - Google Patents

Système de détection de défauts au sein d'un fluide en écoulement dans un circuit comprenant un équipement fluidique, et de prévention des pannes de l'équipement, afférentes aux défauts

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Publication number
EP4555281A1
EP4555281A1 EP24768084.6A EP24768084A EP4555281A1 EP 4555281 A1 EP4555281 A1 EP 4555281A1 EP 24768084 A EP24768084 A EP 24768084A EP 4555281 A1 EP4555281 A1 EP 4555281A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
math
electrodes
fluidic
excitation
equipment
Prior art date
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Pending
Application number
EP24768084.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Mathieu DARNAJOU
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP4555281A1 publication Critical patent/EP4555281A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/56—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects
    • G01F1/64—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects by measuring electrical currents passing through the fluid flow; measuring electrical potential generated by the fluid flow, e.g. by electrochemical, contact or friction effects
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B51/00—Testing machines, pumps, or pumping installations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D15/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/80—Devices generating input signals, e.g. transducers, sensors, cameras or strain gauges
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F15/00—Details of, or accessories for, apparatus of groups G01F1/00 - G01F13/00 insofar as such details or appliances are not adapted to particular types of such apparatus
    • G01F15/005—Valves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M3/00—Investigating fluid-tightness of structures
    • G01M3/40—Investigating fluid-tightness of structures by using electric means, e.g. by observing electric discharges
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/20—Investigating the presence of flaws

Definitions

  • the present invention relates to the field of monitoring fluidic equipment intended to be implemented in a fluidic circuit, in particular in an industrial installation.
  • the invention relates more particularly to the detection of a defect of any type likely to be present in a fluid flowing in a fluidic circuit and capable of causing a breakdown or even breakage of fluidic equipment in said circuit.
  • the invention can be applied to the monitoring of any type of fluidic equipment likely to be present in a fluidic circuit, in particular in an industrial installation.
  • fluidic equipment is meant here and within the scope of the invention, any component or set of mechanical or electromechanical components likely to be implemented in a fluidic circuit. It can be a device with at least one rotating component that moves volumes of fluid continuously and/or discontinuously (pump) or uses the force of a fluid (turbine). It can be a device with a fixed or moving component that modifies the flow of a fluid, such as a valve, a check valve, a piston, an elbow, a swan neck. It can also be a conduit in the fluid circuit that has at least one unwanted leak. It can be a fluid conduit that presents a risk of clogging, jamming or fouling.
  • any anomaly present in a fluid flowing in a fluid circuit which modifies the expected characteristics of the fluid, such as its temperature, its pressure, its flow rate, its viscosity, its single-phase behavior, as initially planned. It may be a foreign body suspended in a fluid flowing, such as a metallic body such as one or more welding residues, a bolt, etc. It may be agglomerate(s) of solid matter, a fouling of a wall, blockage by solid particles, clogging, or the formation of plug(s).
  • Prior art Pumps are a key element of industrial installations, and are today, after electric motors, the second most manufactured device in the world. Pumps transport the fluids necessary for human activities, particularly industrial ones, such as most raw materials, water, fluids from the food industry, chemicals, pharmaceuticals, construction, paper, electronics, mining, fossil fuels, etc. A failure, including a breakage, on a pump can quickly lead to the shutdown of an entire factory, and thus generate very significant production downtime costs.
  • the inventor was able to quantify with industrialists in a sector that approximately 5% of installations with new pumps were forced to be shut down upon first start-up due to the presence of metallic foreign bodies, such as welding residues, bolts, etc., which end up in the pumps and damage their mechanism.
  • metallic foreign bodies such as welding residues, bolts, etc.
  • the main causes of breakage in pumps are: - so-called cavitation phenomena, i.e. the presence of steam bubbles created by excessive suction power or by the absence of fluid at the suction of a pump, - the presence of foreign bodies, - blockages by solids.
  • the subject of the invention is, according to one of its aspects, a system for detecting at least one fault, likely to be present in a fluid flowing in a fluidic circuit comprising at least one fluidic equipment and, where appropriate, at least one fluidic bifurcation upstream of the fluidic equipment, and for preventing breakdowns of the fluidic equipment inherent in the fault(s), comprising: - at least one electrical sensor comprising a plurality of electrodes distributed around a section of the fluidic circuit upstream of the fluidic equipment, with their end flush with the internal surface of the section; - an electronic circuit for controlling the electrodes and for tomographic measurement by electrical impedance, the circuit being adapted to respectively simultaneously excite the electrodes, and measure electrical impedance matrices of the fluid flowing in the section; - a signal processing unit, adapted to identify the fault(s) and/or reconstruct images of the fluid flowing in the section from the impedance matrix measurements of the electronic circuit; - an electronic unit for automatic control of a control member of the
  • the fluidic equipment is a pump or a turbine, the control member being a frequency converter.
  • the operation of the electronic unit for automatic control of the fluidic equipment is controlled by that of the signal processing unit.
  • the system comprises a module to be arranged in the fluid circuit, upstream of the fluid equipment, the module comprising: - a conduit delimiting the fluid section, - a casing fixed around the conduit, housing the electrical sensor with the electrodes housed and fixed individually in a sealed manner in a through hole of the conduit.
  • the casing houses a power supply port for the electrodes.
  • the conduit comprises, at at least one of its ends, a flange for fixing to a conduit of the fluid circuit.
  • the signal processing unit is adapted to implement a neural network for image reconstruction.
  • ⁇ is a sign matrix defined such that: - if the excitation form [Math 2] is implemented, the i-th element of the j-th row of ⁇ is the sign of cosine([2 ⁇ /([j+1]/2)]*(i-1)/n e ) for odd j and the sign of sine([2 ⁇ /(j/2)]*(i-1)/ne) for even j, - if the excitation form [Math 5] is implemented, the opposite sign is assigned to the closest excitation electrode, in particular for a measurement electrode located at an equal distance between two excitation electrodes, the amplitude is experimentally measured to be of the order of O(10 ⁇ 7) A, corresponding to a negligible contribution to the data.
  • the driving circuit is adapted to implement step a/ with the set of potentials Vn exc satisfying the condition: [Math 4]
  • the electrodes of the electrical sensor are angularly distributed in a regular manner around the section of the fluid circuit upstream of the pump.
  • the invention also relates to the use of the detection and prevention system as described above for measuring foreign bodies and/or measuring blockages, clogging, fouling induced by foreign bodies, cavitation, air bubbles, absence of fluid and the presence of gas.
  • the invention also relates to an industrial installation, comprising at least one fluid circuit and a detection and prevention system as described above.
  • the invention can be implemented in any fluid circuit, in particular in a factory or an industrial production site, in particular in the fields of food processing, pharmaceuticals and cosmetics, chemistry and petrochemistry, water distribution and treatment.
  • the invention therefore essentially consists of a system for detecting fault(s) likely to cause a breakdown, or even breakage, of fluidic equipment installed in a fluid circuit.
  • the system comprises an electrical sensor with electrodes distributed, preferably regularly around a section upstream of the equipment and with their end flush with the internal wall of the section.
  • Electrical Impedance Tomography (EIT) measurements are performed using either trigonometric signals or paired electrodes, implemented simultaneously for the excitation of all the electrodes or sequentially on a subset of electrodes.
  • EIT Electrical Impedance Tomography
  • This measurement allows non-invasive and non-destructive visualization, in real time and continuously, of the interior of the section and therefore of the fluid flowing within it, by measuring the electrical properties (electric potential and current).
  • the analysis of the flow in the pipe is done either directly by the measured signals or by reconstruction of the electrical impedance map inside the section, by solving the inverse problem.
  • the acquisition speed of the images reconstructed by the processing unit can be very high, typically up to 31250 images/second, which makes it possible to observe fluids circulating at a flow rate of up to 300 meters/second.
  • an electronic unit will automatically control either a control device of the fluidic equipment or the fluidic equipment itself or, where appropriate, an upstream fluidic branch.
  • This unit therefore makes it possible to modify the operating frequency of the fluidic equipment, control its operation or interrupt its operation so as to respectively prevent breakdowns of the fluidic equipment or physically extract one or more faults upstream of the fluidic equipment.
  • the advantages of the invention which has just been described are numerous, among which we can cite: - a non-intrusive measurement in the fluid which does not create any pressure loss or accumulation of fouling; - a direct measurement of a fault causing a breakdown or even a breakage of fluidic equipment; - rapid detection and possible preventive action due to the possibility of acquiring measurements/images at a very high rate, up to 31250 images/second; - a robust system because it is reliable whatever the fluid used, even under very high pressure, typically up to 300 bars or even beyond, and/or at very high temperatures, typically up to 600°C or even beyond; - the possibility of detecting with the same system any type of defects, such as foreign bodies, blockages, fouling, clogging, air bubbles due to leaks or cavitation, unlike systems
  • Figure 1 illustrates a fluid circuit comprising a pump, in which a flowing fluid likely to have a defect can be detected by a system for detecting and preventing pump failures according to the invention, comprising an electrical sensor with electrodes for an electrical impedance tomography measurement.
  • Figure 2 schematically illustrates the hardware and software means of a system for detecting and preventing pump failures according to the invention.
  • Figure 3 illustrates a module integrating an electrical sensor of a system according to the invention, which can be implanted directly in a fluid circuit, new or already existing.
  • Figure 3A is a cross-sectional view of a module according to Figure 3, at the level of the electrodes of the electrical sensor.
  • FIG 4 Figure 4 illustrates spatial cosine patterns.
  • Figure 5 represents a part of an electronic circuit allowing the excitation of an electrode.
  • Figure 6 illustrates a method for generating excitation signals for the electrodes of the electrical sensor according to a first variant of the invention.
  • Figure 7 illustrates a method for measuring the signals generated by the electrodes.
  • Figure 8 graphically represents excitation signals in the form [Math 2] and some of their properties.
  • Figure 9 illustrates a sign matrix for a 16-electrode electrical sensor relating to excitation of the form [Math 2].
  • Figure 10 illustrates a sign matrix for a 32-electrode electrical sensor relating to shape excitation [Math 2].
  • FIG 11 illustrates images reconstructed respectively according to the state of the art and experimentally and simulated by neural network in a system according to the invention.
  • Detailed description Figure 1 illustrates an example of implementation of a system 1 for detecting defects within a fluid flowing in a circuit 2 comprising a pump 20.
  • This system also makes it possible to prevent breakdowns of the pump 2, relating to the defects according to the invention.
  • the defects can be of all types, such as foreign bodies, in particular metallic ones, jams, clogging, air bubbles due to cavitation or leaks.
  • the system 1 firstly comprises an electrical sensor 10, arranged in a section of the circuit 2 upstream of the pump 2. This electrical sensor 10 makes it possible to carry out measurements by Electrical Impedance Tomography of the fluid flowing in this section.
  • a unit 11 allows the operational control of the frequency converter of the pump, according to the real-time measurements of the faults so as to prevent breakdowns of the pump 20, in function of the flowing fluid signals representative of one or more faults, as detailed below.
  • the electrical sensor 10 comprises electrodes 100 angularly distributed in a regular or irregular manner, around the section 21 with their end flush with the internal surface of the section 21.
  • the block diagram of the hardware and software means of the system 1 is illustrated in FIG. 2.
  • the electrodes 100 are connected to a printed circuit 12 which is an electronic circuit for controlling the electrodes 100 and for tomographic measurement by electrical impedance, the circuit being adapted to respectively simultaneously excite the electrodes, and measure matrices of the electrical impedance of the fluid flowing in the section 21.
  • a signal processing unit 13 makes it possible to identify the defect(s) and/or reconstruct images of the fluid flowing in the section 21 from the measurements of impedance matrices of the electronic circuit 12.
  • An electronic automatic control unit 14 makes it possible, from a risk 13 identified or not for the pump 20, preferably by digital communication, to control the frequency converter of the pump, and more generally to carry out the supervision of the industrial installation in which the fluid circuit 2 is installed.
  • Figures 3 and 3A illustrate an advantageous mode of integration in the form of a module M, of an electrical sensor 10 within a fluid circuit.
  • the module M firstly comprises a conduit 22 delimiting the fluid section 21.
  • a casing 23 fixed around the conduit 22, houses the electrical sensor 10 with the electrodes 100 housed and fixed individually in a sealed manner in a through hole 24 of the conduit.
  • the casing 23 can house an electrical supply port 25 of the electrodes.
  • the conduit 22 comprises at its two ends, a fixing flange 26 to a conduit of the fluid circuit.
  • the driver circuit 12 may be connected to a data acquisition system.
  • a display 11 may be used to view the data and the images produced from this data.
  • the data acquisition system contains a Linux operating system (HOST) which controls a programmable logic network FPGA, also contained in the data acquisition system.
  • the logic network can also operate with a microcontroller type chip.
  • the acquisition system makes it possible to generate the analog excitation signals and to measure the analog measurement signals coming from the electrodes 2.
  • the acquisition system can integrate for example a cRIO-9039 controller from the manufacturer National Instruments which includes a programmable logic network, NI-9262 modules from the manufacturer National Instruments for the generation of the analog excitation signals and NI-9223 modules from the manufacturer National Instruments for the measurement of the analog signals coming from the electrodes 100.
  • a cRIO-9039 controller from the manufacturer National Instruments which includes a programmable logic network, NI-9262 modules from the manufacturer National Instruments for the generation of the analog excitation signals and NI-9223 modules from the manufacturer National Instruments for the measurement of the analog signals coming from the electrodes 100.
  • the method of measuring and processing the signals implemented by the system for the detection of faults and the prevention of breakdowns of the pump according to the invention, will now be described. It is specified that beforehand the electrical sensor 10 is installed within the fluid circuit with the electrodes 100 arranged as indicated previously.
  • Electrode Excitation A first step is to simultaneously excite all the electrodes 100 by a potential having a well-chosen shape
  • the excitation according to the trigonometric pattern variant [Math 2] is as follows: for a number of ne electrodes, there are (ne – 1) linearly independent excitation patterns. Fourier basis functions are a natural choice to describe these linearly independent patterns, according to the equation: [Math 1] According to a first alternative, all the electrodes are excited simultaneously using trigonometric excitations. This set of simultaneous excitations is decomposed into spatial oscillations according to the Fourier basis and into temporal oscillations. Different frequencies are imposed in order to distinguish between the different trigonometric signals in frequency multiplexing.
  • each electrode E n is associated with a static voltage V n sta .
  • the set of the n th static voltages V n sta forms a set of sinusoidal and cosinusoidal functions having different spatial frequencies m.
  • Figure 4 represents the spatial cosinusoidal patterns for m varying from 1 to 5. The sinusoidal patterns are not shown.
  • the n th electrodes are arranged on the periphery ⁇ of the body, represented by the broken lines in Figure 4. The solid lines represent the excitation potential imposed on the electrodes.
  • each simultaneous excitation potential Vn exc comprises a superposition of (ne – 1) trigonometric functions, each function oscillating at a particular frequency f m .
  • the excitation signal of an electrode n is V n exc , defined by the following equation: [Math 3]
  • V n exc we impose, simultaneously, each potential Vn exc (t) thus defined on each electrode E n .
  • the excitation can be done on all the electrodes simultaneously or on a subset of electrodes sequentially. Measurement of electrical properties The electrical properties of the flowing fluid are then measured in section 21 using the electrodes 100.
  • the unit 12 controls the programmable logic network of the acquisition system so as to generate 16 excitation signals having the properties described. These 16 digital signals are transformed into analog signals with the NI-9262 modules and transmitted by coaxial cables to the electrodes 100.
  • the printed circuit 12 comprises an excitation circuit for each electrode 100, each of these circuits comprising a resistor R as illustrated in figure 5.
  • the potential Vn exc is imposed on one side of the resistor R, the other side being connected to the electrode E n .
  • Data processing In a fourth step, the data measured in the second step are processed in order to either directly provide information to a processing algorithm or to obtain a signed data matrix representative of an image. In a first sub-step of the fourth step of the measurement method, the data points Mn are calculated for each electrode n.
  • the Fourier transform can be calculated at the frequency f 1 which corresponds to the frequency at which P Fourier coefficients are calculated.
  • the frequencies fm of the voltages Vn exc are chosen to be harmonics of f1. This allows the measured signals to be distinguished.
  • each coefficient k is associated with a particular frequency f m .
  • the set of data points Mn(k) for all n and all k constitutes the measurement data.
  • the excitation frequencies are determined as follows.
  • the signals are chosen to be harmonics of the lowest generated frequency f1.
  • the excitation amplitudes are determined as follows.
  • the voltage generation and acquisition modules operate within a range of ⁇ 10 V.
  • the amplitude A of the sinusoids must be significantly lower than the sum of the generated sinusoids due to constructive interference.
  • the amplitude A of the signal must be as large as possible to minimize the signal-to-noise ratio.
  • Another limit to be considered is the maximum permissible variation between two successively generated potentials.
  • the rapid transition between positive and negative values of the signal prevents the occurrence of electrolytic effects. For example, an electrolysis phenomenon in water appears when a DC voltage greater than 1.2 V is imposed. This phenomenon does not appear for AC voltages greater than 1.2 V if these voltages vary sufficiently rapidly.
  • a data matrix D is obtained from the data points Mn.
  • a fixed-point data format of 20 bits allocated to the number, including 5 bits for the precision digits, can be used.
  • the index n of the electrodes, between 1 and 16, and the Fourier coefficient k, between 1 and 15, can be described by binary numbers coded on 4 bits.
  • the fixed-point format ⁇ s, b, p> is used with s: signed/unsigned; b: number of allocated bits; p: number of bits for precision.
  • the Mn(k) data is encoded in U32 format.
  • ne – 1 vectors can be concatenated into a data matrix D: [Math 13] if the excitation form [Math 2] is implemented, or [Math 14] if the excitation form [Math 5] is implemented.
  • the method described in publications [2], [3], [4] results in 127 kB of data for an image, without additional information on the boundary conditions.
  • the measurement method implemented by the system according to the invention allows a higher image acquisition rate and also allows the data size to be reduced by a factor ne / 2 compared to the method described in publications [2], [3], [4].
  • Obtaining a signed data matrix In a third substep, a signed data matrix is obtained, which is representative of an image.
  • the Fourier transforms give a modulus and a phase.
  • the sign of each data point is estimated from the phase.
  • phase shift is large, wrapping effects may make it impossible to reconstruct the sign of the data. This is because the phase is symmetric to a transformation of 2 ⁇ N, where N is an integer. If the phase is larger than 2 ⁇ , it is wrapped around itself.
  • the following two cases have been identified: [Math 19] In the first case, the sign of the data points is calculated from the previous equation. The element of the signed data matrix corresponding to the k-th Fourier coefficient and the n-th electrode is then: [Math 20] In the second case, wrapping effects prevent the estimation of the sign of D n k . We then introduce a sign matrix ⁇ to assign an arbitrary sign to the data.
  • the sign matrix ⁇ is more particularly defined so that its rows represent the signs of a cosine function alternating with those of a sine function having an integer number of periods on each row. The first two rows have a single period and the number of periods increases by one for each subsequent pair of rows.
  • the rows of the sign matrix ⁇ are defined such that the i-th element of the j-th row is the cosine sign ([2 ⁇ /([j+1]/2)]*(i-1)/ne) for odd j and sine ([2 ⁇ /(j/2)]*(i-1)/ne) for even j.
  • the first element of the first row of the sign matrix is the cosine sign(0), i.e. +.
  • the sign of the fifth element of the first row is the cosine sign (2 ⁇ *[4/16]), i.e. 0.
  • the first row of the sign matrix represents the signs of one period of a cosine function, i.e. the cosine signs (2 ⁇ *(i-1)/n e ) for the i-th element of the row.
  • the second line represents the signs of one period of a sine function, i.e., the sine signs (2 ⁇ *(i-1)/n e ).
  • the third line represents the signs of two periods of a cosine function, i.e., the cosine signs ([2 ⁇ /2]*(i-1)/n e ).
  • the fourth line represents the signs of two periods of a sine function, i.e., the sine signs ([2 ⁇ /2]*(i-1)/n e ).
  • the fifth line represents the signs of three periods of a cosine function, i.e., the cosine signs ([2 ⁇ /3]*(i-1)/n e ), and so on up to the (n e -1)-th line.
  • the sign matrix takes the form shown in Figure 9.
  • the sign matrix takes the form shown in Figure 10.
  • the excitation form [Math 5] is implemented, the opposite sign is assigned to the closest excitation electrode, especially for a measurement electrode located equidistant between two excitation electrodes.
  • the amplitude is experimentally measured to be of the order of O(10 ⁇ 7) A, corresponding to a negligible contribution to the data.
  • the FPGA receives the data points 16 by 16 in a loop clocked at 1 MS/s to create 16 analog signals.
  • the system is initialized. Initially, the FPGA is empty. The HOST loads the FPGA and then the NI-9262 modules are reset.
  • an interrupt request is sent and received. A hardware interrupt is used to notify the HOST when the FPGA is ready to begin data acquisition. The FPGA waits for validation from the HOST to begin acquisition.
  • a sampling verification is performed. A sample pulse generation function is called to begin data point generation. The frequency at which the function is called determines the sampling rate for data point generation.
  • an I/O status write function is called at the same frequency to check the status of each generated sample.
  • digital excitation signal functions are generated.
  • the HOST commands the FPGA to begin generating the excitation signal functions.
  • the analog excitation signals are generated.
  • the sixteen excitation signals are sent to the electrodes.
  • the HOST confirms signal generation and reports any errors at the HOST or FPGA level. Steps 1 and 2 are performed once at algorithm start. Steps 3 through 6 are iterated for each output point at the sample rate.
  • the sampling frequency may be between 10 kHz and 500 MHz, preferably between 500 kHz and 50 MHz.
  • Figure 7 represents an algorithm for processing data received from the electrodes 100.
  • the measurement of voltages across the resistors R allows the Neumann boundary conditions to be deduced for the implementation of the image reconstruction algorithm.
  • the acquisition rate of 1 MS/s on 16 channels corresponds to a data transfer rate of 320 MB/s.
  • the use of fast Fourier transforms by considering only the Fourier coefficients related to a generated signal, allows the size of the data to be reduced without impacting their quality. This also acts as an effective band filter.
  • the real-time calculation of 16 fast Fourier transforms requires a high computing capacity.
  • the FPGA which allows the real-time and parallel transformation of signals into their Fourier components on several channels, is a suitable tool for carrying out this task.
  • A the system is initialized.
  • the FPGA resets the NI-9223 analog signal acquisition modules.
  • a second step (B) the memories are configured.
  • the HOST configures and starts a direct memory access to the FPGA.
  • the FPGA configures and starts sixteen first-in-first-out queues to ensure the communication of the sixteen measurement channels with their fast Fourier transform calculations.
  • a third step (C) an interrupt request is sent and received.
  • a hardware interrupt ensures that the queues and the direct memory access are ready.
  • D the sampling is checked.
  • a sample pulse generation function is called to control the sampling frequency and an I/O status reading function is called at the same frequency to check the status of each sample and report a possible error to the HOST.
  • a fifth step (E) the analog measurement signals are acquired.
  • the I/O read function is configured to read a single sample from each channel of each NI-9223 module. This function is called at 1 MHz and regulated by the sample pulse generation function.
  • a sixth step F the fast Fourier transform of each channel is calculated in a 1 MHz loop. The calculation time is determined by the number P of points considered for the Fourier transform. Once the P measured data points have been transferred for the Fourier transform calculations, the function returns the P Fourier coefficients one by one at each iteration of the Fourier transform loop.
  • the amplitudes of the Fourier coefficients are calculated at a frequency of 1 MHz.
  • the data addressing is performed.
  • the amplitude data points in U32 format form, together with the corresponding Fourier coefficient (in U16 format) and the corresponding channel (in U16 format), a data element in U64 format.
  • 16 elements for the 16 channels are written to the RAM for transmission to the HOST.
  • the data matrix is built. The HOST waits for the RAM to collect at least 240 elements, representing a complete data image. The address of the nth electrode and the associated Fourier coefficient with the amplitude are used to form the data matrix D.
  • the data matrices are recorded. The data are used to perform real-time image reconstruction or to be recorded.
  • the image is based on a one-step least square iterative reconstruction algorithm, for example the algorithm described in publication [5].
  • Real-time image reconstruction can generate on the order of a hundred images per second.
  • a tenth step J the acquisition of the signals is confirmed and an error check is performed. The synchronization of the analog signal generation and measurement modules is checked and any errors are reported.
  • Steps A to C are performed once when the algorithm is launched.
  • Steps D to G are iterated for each output point at the sampling rate. Once a complete data matrix containing ne*(ne – 1) data points is acquired, the algorithm proceeds to step H. Steps H to J are iterated at the image acquisition rate.
  • the sampling rate can be between 10 kHz and 500 MHz, preferably between 500 kHz and 50 MHz.
  • Figure 8 shows, in the left-hand plots, the excitation signals for six of the sixteen electrodes. Each signal consists of a sum of 15 sinusoidal functions.
  • the dashed lines represent the Fourier transforms of the voltages of the generated signals.
  • Figure 11 illustrates the experimental images obtained by reconstruction using a neural network from the aforementioned measurement matrices of a water flow comprising plastic foreign bodies, according to the invention and, for comparison, the experimental images according to the state of the art. It is clear that the detection according to the invention is much more precise than according to the state of the art and corresponds almost perfectly to the experimental situation.
  • the automatic control electronic unit 14 modifies or does not modify the operating frequency of the pump 20 or even interrupts it, so as to prevent any breakdown or even breakage of the latter.
  • the invention is not limited to the examples which have just been described; it is possible in particular to combine characteristics of the illustrated examples within variants not illustrated.
  • the method implemented by the system according to the invention can use acquisition systems other than that described.
  • the system according to the invention can detect all types of defects, in particular a risk of breakage of the pump by cavitation due to lack of fluid. If in the illustrated example, the number of sensor electrodes is equal to 16 or 32, a smaller number, in particular 4 or 12 electrodes, or greater than 32 can be considered.

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Abstract

L'invention consiste essentiellement en un système de détection de défaut(s) susceptible(s) d'engendrer une panne, voire une casse, d'un équipement fluidique installé dans un circuit fluidique. Le système comprend un capteur électrique à électrodes réparties, de préférence régulièrement autour d'une section en amont de l'équipement et avec leur extrémité affleurant la paroi interne de la section. Des mesures par Tomographie par Impédance Electrique (TIE) sont réalisées en utilisant des signaux soit trigonométriques, soit par paires d'électrodes, mis en œuvre simultanément pour l'excitation de l'ensemble des électrodes ou de manière séquentielle sur un sous-ensemble d'électrodes. Cette mesure permet de manière non invasive et non destructive de visualiser, en temps réel et en continu, l'intérieur de la section et donc du fluide en écoulement en son sein, en mesurant les propriétés électriques (potentiel et courant électrique).

Description

Description Titre : Système de détection de défauts au sein d’un fluide en écoulement dans un circuit comprenant un équipement fluidique, et de prévention des pannes de l’équipement, afférentes aux défauts. Domaine technique La présente invention concerne le domaine de la surveillance des équipements fluidiques destinés à être mis en œuvre dans un circuit fluidique, notamment dans une installation industrielle. L’invention porte plus particulièrement sur la détection d’un défaut de n’importe quel type susceptible d’être présent dans un fluide en écoulement dans un circuit fluidique et apte à engendrer une panne voire une casse d’un équipement fluidique dans ledit circuit. Bien que décrite en référence à une application de surveillance de pompes, l’invention peut être appliquée à la surveillance de tout type d’équipement fluidique susceptible d’être présent dans un circuit fluidique, notamment dans une installation industrielle. Par « équipement fluidique », on entend ici et dans le cadre de l’invention, tout composant ou ensemble de composants mécaniques ou électromécaniques susceptibles d’être mis en œuvre dans un circuit fluidique. Il peut s’agir d’un dispositif dont au moins un composant rotatif déplace des volumes de fluide de manière continue et/ou discontinue (pompe) ou utilise la force d’un fluide (turbine). Il peut s’agir d’un dispositif à composant fixe ou mobile qui modifie l’écoulement d’un fluide, tel qu’une vanne, un clapet anti-retour, un piston, un coude, un col de cygne. Il peut s’agir aussi d’un conduit du circuit fluidique qui présente au moins une fuite non souhaitée. Il peut s’agir d’un conduit fluidique présentant un risque de colmatage, bourrage ou encrassement. Il peut s’agir également d’un capteur fluidique intrusif ou non intrusif pour mesurer au moins une propriété d’un fluide. Par « défaut », on entend ici et dans le cadre de l’invention, toute anomalie présente dans un fluide en écoulement dans un circuit fluidique, qui modifie les caractéristiques attendues du fluide, comme sa température, sa pression, son débit, sa viscosité, son comportement monophasique, telles que prévues initialement. Il peut s’agir d’un corps étranger en suspension dans un fluide en écoulement, comme un corps métallique tel qu’un ou des résidus de soudure, un boulon… Il peut s’agir d’agglomérat(s) de matière solide, d’un encrassement d’une paroi, d’un bourrage par des particules solides, d’un colmatage, ou d’une formation de bouchon(s). Il peut aussi s’agir de bulles d’air soit dues à une ou des fuites, soit dues à une cavitation. Technique antérieure Les pompes constituent un élément clé des installations industrielles, et sont aujourd’hui, après les moteurs électriques, le deuxième appareil le plus fabriqué au monde. Les pompes transportent les fluides nécessaires aux activités humaines, notamment industrielles, comme la plupart des matières premières, l’eau, les fluides de l’agro- alimentaire, de la chimie, de la pharmacie, de la construction, de la papeterie, de l’électronique, des mines, des énergies fossiles, … Une défaillance, dont une casse, sur une pompe peut amener rapidement à la mise à l’arrêt de toute une usine, et par là, engendrer des coûts d’arrêts de production très importants. L’inventeur a pu quantifier auprès d’industriels d’un secteur, qu’environ 5% des installations avec des pompes neuves étaient forcées d’être mises à l’arrêt dès le premier démarrage du fait de la présence de corps étrangers métalliques, tels que des résidus de soudure, des boulons…, qui se retrouvent dans les pompes et endommagent leur mécanisme. En outre, les premières causes de casse dans les pompes sont : - les phénomènes dits de cavitation, i.e. la présence de bulles de vapeur créées par une puissance d’aspiration trop importante ou par absence de fluide à l’aspiration d’une pompe, - la présence de corps étrangers, - les bourrages par des solides. Pour résoudre ce problème, les pompes peuvent être démontées et des pièces remplacées ou nettoyées dans le cadre d'une maintenance programmée. Cependant, cela peut entraîner des dépenses inutiles car, pour être sûres, les pompes doivent être entretenues plus fréquemment qu'il n'est réellement nécessaire. Il existe un grand nombre de systèmes de surveillance de circuits fluidiques intégrant une ou plusieurs pompes. Ils se basent principalement sur des mesures de différences de pressions, de vibrations, des mesures infrarouges ou par ultrasons, comme respectivement décrits dans les demandes de brevet/brevets FR3026443A1, CN111197581A et EP1297331B1. Ces systèmes existants ne permettent pas d’anticiper réellement les casses des pompes et/ou d’identifier précisément toutes les défaillances qui en sont à l’origine. En particulier, les solutions commerciales mises en œuvre, qui permettent une détection d’un degré élevé de cavitation, ne mesurent pas dans le fluide les risques de corps étrangers, de bourrages, de colmatage. Il existe par conséquent un besoin d’un système de surveillance de pompe dans un circuit fluidique qui pallie les inconvénients des systèmes connus, notamment pour permettre de détecter tous les défauts susceptibles d’engendrer une panne voire une casse de pompe, autres que la cavitation. De manière plus générale, il existe un besoin d’un système de surveillance d’un équipement fluidique mis en œuvre dans un circuit fluidique, qui soit capable de détecter n’importe quel type de défaut susceptible d’engendrer une panne voire une casse d’au moins une partie de l’équipement, et ainsi de prévenir ladite panne. Le but de l’invention est de répondre au moins partiellement à ces besoins. Exposé de l’invention Pour ce faire, l’invention a pour objet, selon un de ses aspects, un système de détection d’au moins un défaut, susceptible d’être présent dans un fluide en écoulement dans un circuit fluidique comprenant au moins un équipement fluidique et le cas échéant au moins une bifurcation fluidique en amont de l’équipement fluidique, et de prévention de pannes de l’équipement fluidique inhérentes au(x) défaut(s), comprenant : - au moins un capteur électrique comprenant une pluralité d’électrodes réparties autour d’une section du circuit fluidique en amont de l’équipement fluidique, avec leur extrémité affleurant la surface interne de la section; - un circuit électronique de pilotage des électrodes et de mesure tomographique par impédance électrique, le circuit étant adapté pour respectivement exciter simultanément les électrodes, et mesurer des matrices d’impédance électrique du fluide en écoulement dans la section ; - une unité de traitement de signaux, adaptée pour identifier le(s) défaut(s) et/ou reconstruire des images du fluide en écoulement dans la section à partir des mesures de matrices d’impédance du circuit électronique ; - une unité électronique de pilotage automatique d’un organe de pilotage de l’équipement fluidique ou de l’équipement fluidique lui-même ou le cas échéant de la bifurcation fluidique, adaptée pour respectivement modifier la fréquence de fonctionnement de l’équipement fluidique ou contrôler son fonctionnement ou interrompre son fonctionnement de sorte à respectivement prévenir les pannes de l’équipement fluidique ou extraire physiquement un (des) défaut(s) en amont de l’équipement fluidique, en fonction des signaux du fluide en écoulement représentatifs d’un ou de défauts. Selon une variante de réalisation, l’équipement fluidique est une pompe ou une turbine, l’organe de pilotage étant un variateur de fréquence. Avantageusement, le fonctionnement de l’unité électronique de pilotage automatique de l’équipement fluidique est asservi à celui de l’unité de traitement des signaux. Selon un mode de construction avantageux, le système comprend un module à agencer dans le circuit fluidique, en amont de l’équipement fluidique, le module comprenant : - un conduit délimitant la section fluidique, - un carter fixé autour du conduit, logeant le capteur électrique avec les électrodes logées et fixées individuellement de manière étanche dans un trou débouchant du conduit. De préférence, le carter loge un port d’alimentation électrique des électrodes. De préférence encore, le conduit comprend, à au moins une de ses extrémités, une bride de fixation à un conduit du circuit fluidique. Un tel module peut être ainsi directement et facilement implanté dans un circuit fluidique existant ou nouveau. Il peut donc servir de module de rétrofit d’un circuit existant. Le module peut également être intégré directement dans l’équipement fluidique (corps de pompe, de vanne, etc.). Selon une variante de réalisation avantageuse, l’unité de traitement des signaux est adaptée pour mettre en œuvre un réseau de neurones pour la reconstruction des images. Selon un mode avantageux de réalisation, le circuit de pilotage est adapté pour mettre en œuvre les étapes suivantes : a/ excitation des électrodes, chaque électrode étant excitée par un potentiel Vn exc ayant soit la forme : [Math 2] où A est une amplitude de signal, ^^ le nombre d’électrode, θn est la position angulaire de l’électrode n, fm = m * f0 est une fréquence d’oscillation, f0 est une fréquence fondamentale choisie telle que fm soit inférieure à la fréquence de Nyquist du système pour tout m, ^ l’ensemble des entiers naturels impairs, ^ l’ensemble des entiers naturels pairs, soit la forme : [Math 5] ^^ ^^^^^^ dans laquelle, par convention, une somme est identiquement nulle si la valeur de l'indice de départ est supérieure à celle de l'indice final, où : [Math 6] %-^^^ = ^ sin^2^^-^^ , [Math 7] et [Math 8] et avec désignant le (n-1) ième élément de l’identité définissant le voltage ^!^^^, sous la convention selon laquelle les termes sont toujours disposés dans l'ordre croissant des indices i dans une telle identité, l’excitation étant réalisée soit de manière simultanée sur toutes les électrodes selon [Math 5], soit de manière séquentielle sur un ou plusieurs sous- ensembles d’électrodes ; b/ mesure des propriétés électriques Vn meas de l’écoulement du fluide avec les électrodes, c/ traitement des données issues de l’étape b/ de mesure, comportant les sous-étapes suivantes : c1/ pour chaque électrode En, calcul des points de données Mn définis par : [Math 10] où R est la valeur de la résistance utilisée pour la mesure de Vnmeas avec Vnmeas = R In aux bornes de la résistance, P est le nombre de points d’une séquence discrète de mesure du courant In, p est le temps discret, k est un coefficient de Fourier compris entre 1 et (ne – 1) et βp = (2πp/P), c2/ constitution d’une matrice de données D à partir des points de données Mn(k) pour tout n et pour tout k, selon l’équation : [Math 13] si la forme d’excitation [Math 2] est mise en œuvre, ou [Math 14] si la forme d’excitation [Math 5] est mise en œuvre, c3/ constitution d’une matrice de données signée dont les éléments sont définis par l’équation suivante lorsque le décalage de phase Φn,l(k) entre le potentiel d’excitation à l’électrode l et le courant mesuré à l’électrode n est inférieur à π/2 : [Math 20] et dont les éléments sont définis par l’équation suivante lorsque le décalage de phase Φn,l(k) entre le potentiel d’excitation à l’électrode l et le courant mesuré à l’électrode n est supérieur ou égal à π/2 : [Math 22] QR ^ ^ = W^ ^Q^ ^. où Σ est une matrice de signe définie de telle sorte que : - si la forme d’excitation [Math 2] est mise en œuvre, le i-ième élément de la j-ième ligne de Σ est le signe de cosinus([2π/([j+1]/2)]*(i-1)/ne) pour j impair et le signe de sinus([2π/(j/2)]*(i-1)/ne) pour j pair, - si la forme d’excitation [Math 5] est mise en œuvre, le signe opposé est attribué à l'électrode d'excitation la plus proche, notamment pour une électrode de mesure située à égale distance entre deux électrodes d'excitation, l'amplitude est expérimentalement mesurée pour être de l'ordre de O(10−7) A, correspondant à une contribution négligeable aux données. De préférence, le circuit de pilotage est adapté pour mettre en œuvre l’étape a/ avec l’ensemble des potentiels Vnexc vérifiant la condition : [Math 4] Selon une configuration avantageuse, les électrodes du capteur électrique sont angulairement réparties de manière régulière autour de la section du circuit fluidique en amont de la pompe. L’invention a également pour objet l’utilisation du système de détection et de prévention tel que décrit précédemment pour mesurer les corps étrangers et/ou mesurer les bourrages, les colmatages, les encrassements induits par les corps étrangers, la cavitation, les bulles d’air, l’absence de fluide et la présence de gaz. L’invention a également pour objet une installation industrielle, comprenant au moins un circuit fluidique et un système de détection et de prévention tel que décrit précédemment. De manière générale, l’invention peut être mise en œuvre dans n’importe quel circuit fluidique, notamment dans une usine ou un site de production industriel, en particulier dans le domaine de l’agroalimentaire, de la pharmacie et de la cosmétique, de la chimie et de la pétrochimie, de la distribution et du traitement de l’eau. L’invention consiste donc essentiellement en un système de détection de défaut(s) susceptible(s) d’engendrer une panne, voire une casse, d’un équipement fluidique installé dans un circuit fluidique. Le système comprend un capteur électrique à électrodes réparties, de préférence régulièrement autour d’une section en amont de l’équipement et avec leur extrémité affleurant la paroi interne de la section. Des mesures par Tomographie par Impédance Electrique (TIE) sont réalisées en utilisant des signaux soit trigonométriques, soit par paires d’électrodes, mis en œuvre simultanément pour l’excitation de l’ensemble des électrodes ou de manière séquentielle sur un sous-ensemble d’électrodes. Cette mesure permet de manière non invasive et non destructive de visualiser, en temps réel et en continu, l’intérieur de la section et donc du fluide en écoulement en son sein, en mesurant les propriétés électriques (potentiel et courant électrique). L’analyse du flux dans la canalisation se fait soit directement par les signaux mesurés, soit par reconstruction de la carte de l’impédance électrique à l’intérieur de la section, par résolution du problème inverse. La vitesse d’acquisition des images reconstruites par l’unité de traitement peut être très élevée, typiquement jusqu’à 31250 images/seconde, ce qui permet d’observer des fluides circulant à un débit jusqu’à 300 mètres/seconde. En fonction des signaux du fluide en écoulement représentatifs d’un ou de plusieurs défauts, une unité électronique va piloter automatiquement soit un organe de pilotage de l’équipement fluidique soit l’équipement fluidique lui-même ou le cas échéant une bifurcation fluidique en amont. Cette unité permet donc respectivement de modifier la fréquence de fonctionnement de l’équipement fluidique, contrôler son fonctionnement ou interrompre son fonctionnement de sorte à respectivement prévenir les pannes de l’équipement fluidique ou extraire physiquement un (des) défaut(s) en amont de l’équipement fluidique. Les avantages de l’invention qui vient d’être décrite sont nombreux parmi lesquels on peut citer : - une mesure non intrusive dans le fluide qui ne crée ni perte de charge ni accumulation d’encrassement ; - une mesure directe d’un défaut à l’origine d’une panne voire d’une casse d’un équipement fluidique ; - une rapidité de détection et d’action éventuelle préventive du fait de la possibilité d’acquisition de mesures/d’images à une cadence très élevée, jusqu’à 31250 images/seconde; - un système robuste car fiable quel que soit le fluide utilisé même sous très haute pression typiquement jusqu’à 300 bars voire au-delà et/ou à très hautes températures, typiquement jusqu’à 600°C voire au-delà ; - la possibilité de détecter avec un même système n’importe quel type de défauts, tels que les corps étrangers, les bourrages, encrassements, colmatages, bulles d’air dues à des fuites ou à une cavitation, contrairement aux systèmes selon l’état de l’art configurés pour détecter exclusivement un type de défauts. Brève description des dessins [Fig 1] La figure 1 illustre un circuit fluidique comprenant une pompe, dans lequel un fluide en écoulement susceptible de présenter un défaut peut être détecté par un système de détection et de prévention de pannes de la pompe selon l’invention, comprenant un capteur électrique à électrodes pour une mesure de tomographie à impédance électrique. [Fig 2] La figure 2 illustre de manière schématique les moyens matériels et logiciels d’un système de détection et de prévention de pannes de la pompe selon l’invention. [Fig 3] La figure 3 illustre un module intégrant un capteur électrique d’un système selon l’invention, qui peut être implanté directement dans un circuit fluidique, neuf ou déjà existant. [Fig 3A] La figure 3A est une vue en coupe transversale d’un module selon la figure 3, au niveau des électrodes du capteur électrique. [Fig 4] La figure 4 illustre des motifs cosinusoïdaux spatiaux. [Fig 5] La figure 5 représente une partie de circuit électronique permettant l’excitation d’une électrode. [Fig 6] La figure 6 illustre un procédé de génération des signaux d’excitation des électrodes du capteur électrique selon une première variante de l’invention. [Fig 7] La figure 7 illustre un procédé de mesure des signaux générés par les électrodes. [Fig 8] La figure 8 représente sous forme graphique des signaux d’excitation sous la forme [Math 2] et certaines de leurs propriétés. [Fig 9] La figure 9 illustre une matrice de signes pour un capteur électrique à 16 électrodes relative à l’excitation de forme [Math 2]. [Fig 10] La figure 10 illustre une matrice de signes pour un capteur électrique à 32 électrodes relative à l’excitation de forme [Math 2]. [Fig 11] La figure 11 illustre des images reconstruites respectivement selon l’état de l’art et de manière expérimentale et simulée par réseau de neurones dans un système selon l’invention. Description détaillée On a illustré en figure 1 un exemple de mise en œuvre d’un système 1 de détection de défauts au sein d’un fluide en écoulement dans un circuit 2 comprenant une pompe 20. Ce système permet en outre de prévenir les pannes de la pompe 2, afférentes aux défauts selon l’invention. Les défauts peuvent être de tous types, comme des corps étrangers, notamment métalliques, des bourrages, des colmatages, des bulles d’air dues à la cavitation ou à des fuites. Le système 1 comprend tout d’abord un capteur électrique 10, agencé dans une section du circuit 2 en amont de la pompe 2. Ce capteur électrique 10 permet d’effectuer des mesures par Tomographie d’Impédance Electrique du fluide en écoulement dans cette section. Une unité 11 permet le pilotage opérationnel du variateur de fréquence de la pompe, selon les mesures en temps réel des défauts de sorte à prévenir les pannes de la pompe 20, en fonction des signaux du fluide en écoulement représentatifs d’un ou des défauts, comme détaillé par la suite. Plus précisément, le capteur électrique 10 comporte des électrodes 100 angulairement réparties de manière régulière ou non, autour de la section 21 avec leur extrémité affleurant la surface interne de la section 21. Le synoptique des moyens matériels et logiciels du système 1 est illustré à la figure 2. Les électrodes 100 sont reliées à un circuit imprimé 12 qui est un circuit électronique de pilotage des électrodes 100 et de mesure tomographique par impédance électrique, le circuit étant adapté pour respectivement exciter simultanément les électrodes, et mesurer des matrices de l’impédance électrique du fluide en écoulement dans la section 21. Une unité de traitement de signaux 13 permet d’identifier le(s) défaut(s) et/ou reconstruire des images du fluide en écoulement dans la section 21 à partir des mesures de matrices d’impédance du circuit électronique 12. Une unité électronique 14 de pilotage automatique, permet, à partir d’un risque 13 identifié ou non pour la pompe 20, de préférence par communication numérique, de piloter le variateur de fréquence de la pompe, et de manière plus générale de réaliser la supervision de l’installation industrielle dans laquelle le circuit fluidique 2 est implanté. Les figures 3 et 3A illustrent un mode avantageux d’intégration sous la forme d’un module M, d’un capteur électrique 10 au sein d’un circuit fluidique. Le module M comprend tout d’abord un conduit 22 délimitant la section fluidique 21. Un carter 23 fixé autour du conduit 22, loge le capteur électrique 10 avec les électrodes 100 logées et fixées individuellement de manière étanche dans un trou débouchant 24 du conduit. Le carter 23 peut loger un port d’alimentation électrique 25 des électrodes. Afin d’intégrer et fixer aisément et rapidement le module M dans un circuit fluidique, le conduit 22 comprend à ses deux extrémités, une bride de fixation 26 à un conduit du circuit fluidique. Le circuit de pilotage 12 peut être connecté à un système d’acquisition de données. Un écran 11 peut permettre de visualiser les données et les images produites à partir de ces données. Le système d’acquisition de données contient un système d’exploitation linux (HÔTE) qui contrôle un réseau logique programmable FPGA, également contenu dans le système d’acquisition de données. Le réseau logique peut également fonctionner avec une puce de type micro-contrôleur. Le système d’acquisition permet de générer les signaux analogiques d’excitation et de mesurer les signaux analogiques de mesure en provenance des électrodes 2. Le système d’acquisition peut intégrer par exemple un contrôleur cRIO-9039 du fabricant National Instruments qui inclut un réseau logique programmable, des modules NI-9262 du fabricant National Instruments pour la génération des signaux analogiques d’excitation et des modules NI-9223 du fabricant National Instruments pour la mesure des signaux analogiques en provenance des électrodes 100. Le procédé de mesure et traitement des signaux mis en œuvre par le système pour la détection de défauts et la prévention de pannes de la pompe selon l’invention, va maintenant être décrit. On précise qu’au préalable le capteur électrique 10 est installé au sein du circuit fluidique avec les électrodes 100 agencées comme indiqué précédemment. Excitation des électrodes Une première étape consiste à exciter simultanément toutes les électrodes 100 par un potentiel ayant une forme bien choisie. Les électrodes 100 constituent un ensemble d’électrodes linéairement indépendantes. Elles sont utilisées pour créer des excitations électriques sur la surface du corps et pour en mesurer les propriétés électriques. L’excitation selon la variante de patrons trigonométriques [Math 2] est la suivante : pour un nombre de ne électrodes, il existe (ne – 1) motifs linéairement indépendants d’excitation. Les fonctions de base de Fourier constituent un choix naturel pour décrire ces motifs linéairement indépendants, selon l’équation : [Math 1] Selon une première alternative, on excite simultanément l’ensemble des électrodes à l’aide d’excitations de forme trigonométrique. Cet ensemble d’excitations simultanées est décomposé en oscillations spatiales selon la base de Fourier et en oscillations temporelles. Différentes fréquences sont imposées afin d’établir une distinction entre les différents signaux trigonométriques en multiplexage fréquentiel. Pour chaque motif d’excitation trigonométrique, chaque électrode En est associée à une tension statique Vn sta. L’ensemble des ne tensions statiques Vnsta forme un ensemble de fonctions sinusoïdales et cosinusoïdales ayant différentes fréquences spatiales m. La figure 4 représente les motifs cosinusoïdaux spatiaux pour m variant de 1 à 5. Les motifs sinusoïdaux ne sont pas représentés. Les ne électrodes sont agencées sur la périphérie ∂Ω du corps, représentée par les traits discontinus en figure 4. Les lignes continues représentent le potentiel d’excitation imposé aux électrodes. Le potentiel statique Vn,msta associé à chaque électrode En est défini par l’équation suivante, pour n compris entre 1 et ne : [Math 2] où A est une amplitude de signal, m∈1,…, (n_e-1) représente la fréquence spatiale, ^^ le nombre d’électrode, θn est la position angulaire de l’électrode n, fm = m * f0 est une fréquence d’oscillation, f0 est une fréquence fondamentale choisie telle que fm soit inférieure à la fréquence de Nyquist du système pour tout m, ^ l’ensemble des entiers naturels impairs, ^ l’ensemble des entiers naturels pairs. Pour un ensemble donné de ne électrodes, tous les motifs d’excitation indépendants sont entièrement décrits avec (ne – 1) fréquences spatiales différentes. Pour le cas particulier où θn = 2π n/ne, les électrodes sont réparties de manière régulière sur la périphérie du corps. Chaque fréquence spatiale m est associée à une fréquence temporelle fm et est imposée de manière simultanée à chacune des électrodes. Ainsi, chaque potentiel simultané d’excitation Vnexc comporte une superposition de (ne – 1) fonctions trigonométriques, chaque fonction oscillant à une fréquence particulière fm. Le signal d’excitation d’une électrode n est Vn exc, défini par l’équation suivante : [Math 3] On impose, de manière simultanée, chaque potentiel Vnexc(t) ainsi défini à chaque électrode En. On veille à ce que la somme des tensions d’excitation des ne électrodes soit nulle quel que soit le temps t. Cela se traduit par la condition : [Math 4] Selon une deuxième alternative de l’invention, la forme d’excitation est la suivante : [Math 5] dans laquelle, par convention, une somme est identiquement nulle si la valeur de l'indice de départ est supérieure à celle de l'indice final, où : [Math 6] %-^^^ = ^ sin^2^^-^^ , [Math 7] Et [Math 8] 1^3^ ^ = ^ ^^ − ^^ + 1^ ^ 2 , et avec ^! ^^^"^#^ désignant le (n- 1) ième élément de l’identité définissant le voltage ^! ^^^, sous la convention selon laquelle les termes sont toujours disposés dans l'ordre croissant des indices i dans une telle identité. L’excitation peut se faire sur toutes les électrodes de manière simultanée ou sur un sous-ensemble d’électrodes de manière séquentielle. Mesure des propriétés électriques On procède alors à la mesure des propriétés électriques du fluide en écoulement dans la section 21 à l’aide des électrodes 100. L’unité 12 contrôle le réseau logique programmable du système d’acquisition de sorte à générer 16 signaux d’excitation ayant les propriétés décrites. Ces 16 signaux numériques sont transformés en signaux analogiques avec les modules NI-9262 et transmis par câbles coaxiaux aux électrodes 100. Le circuit imprimé 12 comporte un circuit d’excitation de chaque électrode 100, chacun de ces circuits comportant une résistance R comme illustré en figure 5. Comme visible sur cette figure, le potentiel Vnexc est imposé d’un côté de la résistance R, l’autre côté étant connecté à l’électrode En. La condition aux limites de Neumann à l’électrode En est le courant In passant dans le circuit d’excitation. Ce courant est obtenu par la mesure de tension Vnmeas = R In aux bornes de la résistance. Comme pour Vnexc, ce signal est une somme de fonctions trigonométriques. Traitement des données Dans une quatrième étape, les données mesurées lors de la deuxième étape sont traitées afin, soit de fournir directement des informations à un algorithme de traitement, soit d’obtenir une matrice de données signée représentative d’une image. Dans une première sous-étape de la quatrième étape du procédé de mesure, les points de données Mn sont calculés pour chaque électrode n. La transformée de Fourier du signal mesuré Vn meas est calculée à partir d’une séquence de mesure de courant à P-points In(p), où p est le temps discret et vérifie 0 ≤ p ≤ P, soit : [Math 9] où d; = 2^= , i = √−1 et le facteur de normalisation ^ = 1 . La transformée de Fourier peut être calculée à la fréquence f1 qui correspond à la fréquence à laquelle P coefficients de Fourier sont calculés. Les fréquences fm des tensions Vnexc sont choisies pour être des harmoniques de f1. Cela permet de distinguer les signaux mesurés. Ainsi, chaque coefficient k est associé à une fréquence particulière fm. Les données sont alors générées à une fréquence f1 et la résolution dans l’espace de Fourier est Δf = fm+1 – fm = f1. On peut noter que la fréquence la plus élevée est choisie pour être inférieure à la fréquence de Nyquist du système fNyq = 1/2 Δp, où Δp est le temps d’échantillonnage. Les points de données Mn(k) sont les modules de chaque coefficient de Fourier k pour chaque électrode n : [Math 10] où R est la valeur de la résistance utilisée pour la mesure de Vnmeas avec Vnmeas = R In aux bornes de la résistance, P est le nombre de points d’une séquence discrète de mesure du courant In, p est le temps discret, k est un coefficient de Fourier compris entre 1 et (ne – 1) et βp = (2πp/P), Chaque point de données définit le courant d’un motif trigonométrique donné à une électrode donnée. L’ensemble des points de données Mn(k) pour tous n et tous k constitue les données de mesure. Les fréquences d’excitation sont déterminées de la façon suivante. La fréquence d’échantillonnage fDAQ du système d’acquisition des données limite la fréquence fm maximale des tensions Vnexec, la fréquence de Nyquist fNyq = fDAQ/2 constituant une limite supérieure. Pour un système d’acquisition de données tel que fDAQ = 1 MS/s, la fréquence de Nyquist est égale à 500 kHz. Pour tirer parti des faibles erreurs de la tension résiduelle résultant de l’énergie stockée dans l’impédance de contact électrode – électrolyte, des signaux continus doivent être fournis. Pour générer des signaux continus à différentes fréquences, les signaux sont choisis pour être des harmoniques de la fréquence générée la plus basse f1. Lorsque l’on arrête d’imposer le potentiel sur une électrode, une partie de l’énergie électrique est stockée pendant quelques dizaines de microsecondes à l’interface entre l’électrode et le milieu. Ce phénomène d’impédance de contact entraîne une erreur dans la mesure et implique la nécessité d’introduire un temps mort entre deux excitations successives pour attendre que cette énergie se dissipe. La génération de signaux continus a pour avantage de ne jamais désexciter les tensions imposées et donc d’éviter les erreurs liées à l’impédance de contacts ainsi que la nécessité d’introduire des temps morts. Avec un nombre de 16 électrodes, on génère un ensemble de signaux d’excitation à 15 fréquences différentes (selon [Math 2]) et à 120 fréquences différentes (selon [Math 5]). Considérant le taux d’échantillonnage du système d’acquisition, par exemple de 1 MS/s, les fréquences peuvent être choisies telles que fi = i * f0 où f0 est la fréquence fondamentale et i est compris entre 1 et 15 ou 1 et 120, respectivement. En outre, dans le cas avec 15 fréquences, les transformées de Fourier discrètes peuvent être choisies pour être faites à P = 32 points car on ne considère que les résultats positifs. Cela résulte en un taux d’acquisition des données d’images de 1 * 106 / 32 = 31250 images par seconde. Ce choix implique que la fréquence de signal sinusoïdal la plus basse f1 soit égale à celle de la fréquence de calcul des transformées de Fourier discrètes, et que la fréquence la plus élevée f15 = 15 * f0 = 468,875 kHz, soit en-dessous de la limite de Nyquist de 500 kHz du système considéré. Les amplitudes d'excitation sont déterminées de la façon suivante. La génération de tension et les modules d’acquisition fonctionnent dans un intervalle de ± 10 V. Considérant les tensions Vn exc, l’amplitude A des sinusoïdes doit être significativement plus faible que la somme des sinusoïdes générées en raison des interférences constructives. Toutefois, l’amplitude A du signal doit être aussi grande que possible pour minimiser le signal-sur-bruit. Une autre limite à prendre en considération est la variation maximale autorisée entre deux potentiels générés successivement. Un contrôle en temps réel dans le système d’acquisition permet de choisir une valeur satisfaisante de A = 0,15 V, qui donne des pics de résonnance à ± 2,25 V. La transition rapide entre des valeurs positives et négatives du signal empêche l’apparition d’effets électrolytiques. Par exemple, un phénomène d’électrolyse dans l’eau apparaît lorsque l’on impose une tension continue supérieure à 1,2 V. Ce phénomène n’apparaît pas pour des tensions alternatives supérieures à 1,2 V si ces tensions varient suffisamment rapidement. Obtention d’une matrice de données D Dans une deuxième sous-étape, une matrice de données D est obtenue à partir des points de données Mn. Pour le système considéré à 16 électrodes et utilisant les modules NI-9223, un format de données en virgule fixe de 20 bits alloués au nombre, y compris 5 bits pour les chiffres de précision, peut être utilisé. L’index n des électrodes, compris entre 1 et 16, et le coefficient de Fourier k, compris entre 1 et 15, peuvent être décrits par des nombres binaires codés sur 4 bits. Pour un système à 32 électrodes, chaque module de point de donnée Mn(k) est codé avec les nombres n et k sous la forme suivante : [Math 11] 4^ ^5^ = ^ r+ ss, t8 s, s0 u^ + ^ r+ ss, t8 s, s0 u^ + ^ r± ss, s1 t6 s, s1 s1 u^ , @ ^ x où le format à virgule fixe <s, b, p> est utilisé avec s : signé/non signé ; b : nombre de bits alloués ; p : nombre de bits pour la précision . Les données Mn(k) sont encodées au format U32. Les ne points de données mesurés sur les ne électrodes pour un coefficient de Fourier k donné, c’est-à-dire pour une fréquence donnée fm, donnent le vecteur de données suivant : [Math 12] G4^^5^H = ^4^ ^5^ 4y ^5^ 4z ^5^ … 4^^ ^5^^ où les Mn(k) sont des entiers encodés au format U32. Les ne – 1 vecteurs peuvent être concaténés en une matrice de données D : [Math 13] si la forme d’excitation [Math 2] est mise en œuvre, ou [Math 14] si la forme d’excitation [Math 5] est mise en œuvre. La taille des données est alors S = ne (ne – 1). Seuls les modules des transformées de Fourier font partie des données. Pour une image, la taille des données est S * 32 bits = 4 kB. En comparaison, le procédé décrit dans les publications [2], [3], [4] aboutit à 127 kB de données pour une image, sans information supplémentaire sur les conditions aux limites. Ainsi, le procédé de mesure mis en œuvre par le système selon l’invention permet un taux d’acquisition d’images plus important et permet également de réduire la taille des données d’un facteur ne / 2 par rapport au procédé décrit dans les publications [2], [3], [4]. Obtention d’une matrice de données signée Dans une troisième sous-étape, on obtient une matrice de données signée, qui est représentative d’une image. Les transformées de Fourier donnent un module et une phase. Le signe de chaque point de donnée est estimé à partir de la phase. Ainsi, considérant un signal d’excitation imposé à chaque électrode En à une fréquence fm ayant la forme : [Math 15] ^^ ^ ,^ ^^^ ^ ^ = la phase du signal s’exprime : [Math 16] La phase du courant Ilmeas(t) mesuré à l’électrode El à la fréquence fm est : [Math 17] En supposant un échantillonnage synchrone entre l’entrée du signal analogique AI et la sortie du signal échantillonné AO, le décalage de phase entre le potentiel d’excitation et le courant mesuré est : [Math 18] T^,& ^5^ = |^ ^ ^5^ − |& }^5^. Le décalage de phase dépend de la conception des capteurs TIE et de la nature de l’écoulement au sein du corps. Si le décalage de phase est important, des effets d’enveloppement peuvent rendre impossible la reconstruction du signe des données. En effet, la phase est symétrique à une transformation de 2πN, où N est un entier. Si la phase est supérieure à 2π, elle est enveloppée sur elle-même. Les deux cas suivants ont été identifiés : [Math 19] Dans le premier cas, le signe des points de données est calculé à partir de l’équation précédente. L’élément de la matrice de données signée correspondant au k-ième coefficient de Fourier et à la n-ième électrode est alors : [Math 20] Dans le deuxième cas, les effets d’enveloppement empêchent l’estimation du signe de Dn k. On introduit alors une matrice de signe Σ pour allouer un signe arbitraire aux données. La matrice de signe Σ est estimée à partir du signe du signal d’excitation à t = 0 pour une harmonique donnée à une électrode donnée par l’introduction de la fonction de signe : [Math 21] 1 si ^^^39 ^ > 0, W^,^ = ^0 si ^ ^ ^^39 ^^ = 0, −1 si ^ 39 ^ < 0, avec Vnmeas tel que défini précédemment. La matrice de signes Σ est plus particulièrement définie de sorte que ses lignes représentent les signes d’une fonction cosinus en alternance avec ceux d’une fonction sinus ayant un nombre entier de périodes sur chaque ligne. Les deux premières lignes ont une unique période et le nombre de périodes augmente d’une unité pour chaque paire de lignes suivantes. Autrement dit, si la forme d’excitation [Math 2] est mise en œuvre, les lignes de la matrice de signe Σ sont définies telles que le i-ième élément de la j-ième ligne est le signe de cosinus ([2π/([j+1]/2)]*(i-1)/ne) pour j impair et sinus ([2π/(j/2)]*(i-1)/ne) pour j pair. Par exemple, le premier élément de la première ligne de la matrice de signes est le signe de cosinus(0), soit +. Pour un nombre d’électrodes ne égal à 16, le signe du cinquième élément de la première ligne est le signe de cosinus (2π*[4/16]), soit 0. Ainsi, la première ligne de la matrice de signes représente les signes d’une période d’une fonction cosinus, soit les signes de cosinus (2π*(i-1)/ne) pour le i-ième élément de la ligne. La deuxième ligne représente les signes d’une période d’une fonction sinus, soit les signes de sinus (2π*(i-1)/ne). La troisième ligne représente les signes de deux périodes d’une fonction cosinus, soit les signes de cosinus ([2π/2]*(i-1)/ne). La quatrième ligne représente les signes de deux périodes d’une fonction sinus, soit les signes de sinus ([2π/2]*(i-1)/ne). La cinquième ligne représente les signes de trois périodes d’une fonction cosinus, soit les signes de cosinus ([2π/3]*(i-1)/ne), et ainsi de suite jusqu’à la (ne-1)-ième ligne. Par exemple, pour un dispositif à 16 électrodes, la matrice de signes prend la forme illustrée en figure 9. Pour un dispositif à 32 électrodes, la matrice de signes prend la forme illustrée en figure 10. Si la forme d’excitation [Math 5] est mise en œuvre, le signe opposé est attribué à l'électrode d'excitation la plus proche, notamment pour une électrode de mesure située à égale distance entre deux électrodes d'excitation. L'amplitude est expérimentalement mesurée pour être de l'ordre de O(10−7) A, correspondant à une contribution négligeable aux données. L’utilisation d’une telle matrice de signes permet d’optimiser le traitement des données pour former une image. Elle permet d’estimer le signe de chaque point de donnée et de reconstruire une image. Pour un décalage de phase important, c’est-à-dire supérieur ou égal à π/2, les amplitudes signées arbitrairement des ne – 1 motifs d’excitation des ne électrodes, autrement dit les éléments de la matrice de données signée correspondant au k-ième coefficient de Fourier et à la n-ième électrode, sont donnés par : [Math 22] QR ^ ^ = W^ ^Q^ ^. La partie HÔTE du système d’acquisition envoie en continu les paramètres de fréquences et d’amplitudes au FPGA du système d’acquisition. La figure 6 illustre un algorithme de génération des signaux d’excitation des 16 électrodes. Avec le système considéré, le FPGA reçoit les points de données 16 par 16 dans une boucle cadencée à 1 MS/s pour créer 16 signaux analogiques. Dans une première étape, le système est initialisé. Au départ, le FPGA est vide. L’HÔTE charge le FPGA puis les modules NI-9262 sont réinitialisés. Dans une deuxième étape, une requête d’interruption est envoyée et reçue. Une interruption matérielle est utilisée pour avertir l’HÔTE lorsque le FPGA est prêt à commencer l’acquisition de données. Le FPGA attend la validation de l’HÔTE pour commencer l’acquisition. Dans une troisième étape, une vérification de l’échantillonnage est effectuée. Une fonction de génération d’impulsion d’échantillon est appelée pour commencer la génération des points de données. La fréquence à laquelle la fonction est appelée détermine le taux d’échantillonnage pour la génération des points de données. En parallèle, une fonction d’écriture de statut d’E/S est appelée à la même fréquence pour vérifier le statut de chaque échantillon généré. Dans une quatrième étape, des fonctions de signaux d’excitation digitaux sont générés. L’HÔTE commande le FPGA pour commencer la génération des fonctions des signaux d’excitation. Dans une cinquième étape, les signaux d’excitation analogiques sont générés. Les seize signaux d’excitation sont envoyés aux électrodes. Dans une sixième étape, l’HÔTE confirme la génération des signaux et signale d’éventuelles erreurs au niveau de l’HÔTE ou du FPGA. Les étapes 1 et 2 sont effectuées une fois au lancement de l’algorithme. Les étapes 3 à 6 son itérées pour chaque point de sortie à la fréquence d’échantillonnage. La fréquence d’échantillonnage peut être comprise entre 10 kHz et 500 MHz, de préférence entre 500 kHz et 50 MHz. La figure 7 représente un algorithme de traitement des données reçues des électrodes 100. La mesure de tensions aux bornes des résistances R permet de déduire les conditions aux limites de Neumann pour la mise en œuvre de l’algorithme de reconstitution d’image. Le taux d’acquisition de 1 MS/s sur 16 canaux correspond à un taux de transfert de données de 320 MB/s. L’utilisation de transformées de Fourier rapides, en considérant uniquement les coefficients de Fourier liés à un signal généré, permet de réduire la taille des données sans impacter leur qualité. Cela agit également comme un filtre de bande efficace. Cependant, le calcul en temps réel de 16 transformées de Fourier rapides requiert une capacité de calcul élevée. Le FPGA, qui autorise la transformation en temps réel et en parallèle des signaux en leurs composants de Fourier sur plusieurs canaux, est un outil adapté à la réalisation de cette tâche. Dans une première étape A, le système est initialisé. Le FPGA réinitialise les modules d’acquisition de signaux analogiques NI-9223. Dans une seconde étape B, les mémoires sont configurées. L’HÔTE configure et démarre un accès direct à la mémoire du FPGA. Le FPGA configure et démarre seize files d’attentes premier entré premier sorti pour assurer la communication des seize canaux de mesure avec leurs calculs de transformées de Fourier rapides. Dans une troisième étape C, une requête d’interruption est envoyée et reçue. Une interruption matérielle permet de s’assurer que les files d’attente et l’accès direct à la mémoire sont prêts. Dans une quatrième étape D, l’échantillonnage est vérifié. Une fonction de génération d’impulsion d’échantillon est appelée pour contrôler la fréquence d’échantillonnage et une fonction de lecture de statut d’E/S est appelée à la même fréquence pour vérifier le statut de chaque échantillon et signaler une erreur éventuelle à l’HÔTE. Dans une cinquième étape E, les signaux de mesure analogiques sont acquis. La fonction de lecture d’E/S est configurée pour lire un unique échantillon de chaque canal de chaque module NI-9223. Cette fonction est appelée à 1 MHz et régulée par la fonction de génération d’impulsion d’échantillon. Dans une sixième étape F, la transformée de Fourier rapide de chaque canal est calculée dans une boucle à 1 MHz. Le temps de calcul est déterminé par le nombre P de points considérés pour la transformée de Fourier. Une fois les P points de données mesurées transférés pour les calculs de transformée de Fourier, la fonction restitue les P coefficients de Fourier un par un à chaque itération de la boucle de transformée de Fourier. Dans un second temps, les amplitudes des coefficients de Fourier sont calculées à une fréquence de 1 MHz. Dans une septième étape G, l’adressage des données est effectué. Les points de données d’amplitude au format U32 forment avec le coefficient de Fourier (au format U16) correspondant et le canal correspondant (au format U16) un élément de donnée au format U64. A chaque itération de la boucle de transformée de Fourier, 16 éléments pour les 16 canaux sont écrits dans la mémoire à accès direct pour être transmis à l’HÔTE. Dans une huitième étape H, la matrice de données est construite. L’HÔTE attend que la mémoire à accès direct collecte au moins 240 éléments, représentant une image de données complète. L’adresse de la n-ième électrode et le coefficient de Fourier associé avec l’amplitude sont utilisés pour former la matrice de données D. Dans une neuvième étape I, les matrices de données sont enregistrées. Les données sont utilisées pour effectuer une reconstruction d’image en temps réel ou pour être enregistrées. L’image est basée sur un algorithme de reconstruction itérative de moindre carré en une étape, par exemple l’algorithme décrit dans la publication [5]. La reconstruction d’images en temps réel peut générer de l’ordre d’une centaine d’images par seconde. Dans une dixième étape J, l’acquisition des signaux est confirmée et une vérification d’erreurs est effectuée. La synchronisation des modules de génération et de mesure de signaux analogiques est vérifiée et les éventuelles erreurs sont signalées. Les étapes A à C sont effectuées une fois au lancement de l’algorithme. Les étapes D à G sont itérées pour chaque point de sortie à la fréquence d’échantillonnage. Une fois qu’une matrice complète de données contenant ne*(ne – 1) points de données est acquise, l’algorithme passe à l’étape H. Les étapes H à J sont itérées à la fréquence d’acquisition des images. La fréquence d’échantillonnage peut être comprise entre 10 kHz et 500 MHz, de préférence entre 500 kHz et 50 MHz. La figure 8 représente, sur les graphiques de la partie gauche, les signaux d’excitation pour six des seize électrodes. Chaque signal est constitué d’une somme de 15 fonctions sinusoïdales. Les lignes continues des graphiques de droite de la figure 8 représentent, dans l’espace de Fourier équivalent, les amplitudes des tensions mesurées Vmeas au niveau des résistances R représentées en figure 2, avec R = 200 Ω. Les lignes discontinues représentent les transformées de Fourier des tensions des signaux générés. On a illustré à la figure 11, les images expérimentales et obtenues par reconstruction par réseau de neurones à partir des matrices de mesure précitées, d’un écoulement d’eau comprenant des corps étrangers plastiques, selon l’invention et à titre comparatif les images expérimentales selon l’état de l’art. Il ressort clairement que la détection selon l’invention est bien plus précise que selon l’état de l’art et correspond quasi parfaitement à la situation expérimentale. En fonction des signaux du fluide en écoulement représentatifs d’un ou des défauts, l’unité électronique de pilotage automatique 14 modifie ou pas la fréquence de fonctionnement de pompe 20 voire l’interrompt, de sorte à prévenir toute panne voire casse de cette dernière. L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits ; on peut notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées. D’autres variantes et améliorations peuvent être envisagées sans pour autant sortir du cadre de l’invention. En particulier, le procédé mis en œuvre par le système selon l’invention peut utiliser d’autres systèmes d’acquisition que celui décrit. Bien qu’illustré en relation avec un défaut de type corps étranger en suspension dans un fluide, le système selon l’invention peut détecter tous types de défauts, notamment un risque de casse de la pompe par cavitation par manque de fluide. Si dans l’exemple illustré, le nombre d’électrodes du capteur est égal à 16 ou 32, on peut envisager un nombre plus petit, notamment 4 ou 12 électrodes, ou supérieur à 32. Liste des références citées [1] Teague, G. (2002). Mass flow measurement of multi-phase mixtures by means of tomographic techniques. University of Cape Town, Faculty of Engineering, Department of Electrical Engineering. [2] Dupré, A., Mylvaganam, S. (2017). Simultaneous and Continuous Excitation Strategy for High Speed EIT: the ONE-SHOT method. In Proceedings of the 9th World Congress on Industrial Process Tomography, pages 667 – 674. [3] Darnajou, M., Dupré, A., Dang, C., Ricciardi, G., Bourennane, S., Bellis, C. (2019). On the implementation of simultaneous multi-frequency excitations and measurements for electrical impedance tomography. Sensors, 19(17). [4] Darnajou, M., Dupré, A., Dang, C., Ricciardi, G., Bourennane, S., Bellis, C., Mylvaganam, S. (2020). High Speed EIT with Multifrequency Excitation using FPGA and Response Analysis using FDM. IEEE Sensors. [5] https://www.math.colostate.edu/~siamcsu/files/NOSER.pdf

Claims

Revendications 1. Système de détection d’au moins un défaut, susceptible d’être présent dans un fluide en écoulement dans un circuit fluidique comprenant au moins un équipement fluidique et le cas échéant au moins une bifurcation fluidique en amont de l’équipement fluidique, et de prévention de pannes de l’équipement fluidique inhérentes au(x) défaut(s), comprenant : - au moins un capteur électrique comprenant une pluralité d’électrodes réparties autour d’une section du circuit fluidique en amont de l’équipement fluidique, avec leur extrémité affleurant la surface interne de la section; - un circuit électronique de pilotage des électrodes et de mesure tomographique par impédance électrique, le circuit étant adapté pour respectivement exciter simultanément les électrodes, et mesurer des matrices d’impédance électrique du fluide en écoulement dans la section ; - une unité de traitement de signaux, adaptée pour identifier le(s) défaut(s) et/ou reconstruire des images du fluide en écoulement dans la section à partir des mesures de matrices d’impédance du circuit électronique ; - une unité électronique de pilotage automatique d’un organe de pilotage de l’équipement fluidique ou de l’équipement fluidique lui-même ou le cas échéant de la bifurcation fluidique, adaptée pour respectivement modifier la fréquence de fonctionnement de l’équipement fluidique ou contrôler son fonctionnement ou interrompre son fonctionnement de sorte à respectivement prévenir les pannes de l’équipement fluidique ou extraire physiquement un (des) défaut(s) en amont de l’équipement fluidique, en fonction des signaux du fluide en écoulement représentatifs d’un ou des défauts. 2. Système de détection et de prévention selon la revendication 1, l’équipement fluidique étant une pompe ou une turbine, l’organe de pilotage étant un variateur de fréquence. 3. Système de détection et de prévention selon la revendication 1 ou 2, le fonctionnement de l’unité électronique de pilotage automatique de l’équipement fluidique étant asservi à celui de l’unité de traitement des signaux. 4. Système de détection et de prévention selon la revendication 1 ou 2, comprenant un module à agencer dans le circuit fluidique, en amont de l’équipement fluidique, le module comprenant : - un conduit délimitant la section fluidique, - un carter fixé autour du conduit, logeant le capteur électrique avec les électrodes logées et fixées individuellement de manière étanche dans un trou débouchant du conduit. 5. Système de détection et de prévention selon la revendication 4, le carter logeant un port d’alimentation électrique des électrodes. 6. Système de détection et de prévention selon la revendication 4 ou 5, le conduit comprenant, à au moins une de ses extrémités, une bride de fixation à un conduit du circuit fluidique. 7. Système de détection et de prévention selon l’une des revendications précédentes, l’unité de traitement des signaux étant adaptée pour mettre en œuvre un réseau de neurones pour la reconstruction des images. 8. Système de détection et de prévention selon l’une des revendications précédentes, le circuit de pilotage étant adapté pour mettre en œuvre les étapes suivantes : a/ excitation des électrodes, chaque électrode étant excitée par un potentiel Vn exc ayant soit la forme : [Math 2] où A est une amplitude de signal, ^ ∈ 1, … , ^^^ − 1^représente la fréquence spatiale, ^^ le nombre d’électrode, θn est la position angulaire de l’électrode n, fm = m * f0 est une fréquence d’oscillation, f0 est une fréquence fondamentale choisie telle que fm soit inférieure à la fréquence de Nyquist du système pour tout m, ^ l’ensemble des entiers naturels impairs, ^ l’ensemble des entiers naturels pairs, soit la forme : [Math 5] dans laquelle, par convention, une somme est identiquement nulle si la valeur de l'indice de départ est supérieure à celle de l'indice final, où : [Math 6] %-^^^ = ^ sin^2^^-^^ , [Math 7] et [Math 8] et avec désignant le (n- 1) ème élément de l’identité définissant le voltage ^! ^^^, sous la convention selon laquelle les termes sont toujours disposés dans l'ordre croissant des indices i dans une telle identité, l’excitation étant réalisée soit de manière simultanée sur toutes les électrodes selon [Math 5], soit de manière séquentielle sur un ou plusieurs sous- ensembles d’électrodes ; b/ mesure des propriétés électriques Vn meas de l’écoulement du fluide avec les électrodes, c/ traitement des données issues de l’étape b/ de mesure, comportant les sous-étapes suivantes : c1/ pour chaque électrode En, calcul des points de données Mn définis par : [Math 10] où R est la valeur de la résistance utilisée pour la mesure de Vn meas avec Vn meas = R In aux bornes de la résistance, P est le nombre de points d’une séquence discrète de mesures du courant In, p est le temps discret, k est un coefficient de Fourier compris entre 1 et (ne – 1) et βp = (2πp/P), c2/ constitution d’une matrice de données D à partir des points de données Mn(k) pour tout n et pour tout k, selon l’équation : [Math 13] si la forme d’excitation [Math 2] est mise en œuvre, ou [Math 14] si la forme d’excitation [Math 5] est mise en œuvre, c3/ constitution d’une matrice de données signée dont les éléments sont définis par l’équation suivante lorsque le décalage de phase Φn,l(k) entre le potentiel d’excitation à l’électrode l et le courant mesuré à l’électrode n est inférieur à π/2 : [Math 20] et dont les éléments sont définis par l’équation suivante lorsque le décalage de phase Φn,l(k) entre le potentiel d’excitation à l’électrode l et le courant mesuré à l’électrode n est supérieur ou égal à π/2 : [Math 22] QR ^ ^ = W^ ^ Q^ ^ . où Σ est une matrice de signe définie de telle sorte que : - si la forme d’excitation [Math 2] est mise en œuvre, le i-ième élément de la j-ième ligne de Σ est le signe de cosinus([2π/([j+1]/2)]*(i-1)/ne) pour j impair et le signe de sinus([2π/(j/2)]*(i-1)/ne) pour j pair, - si la forme d’excitation [Math 5] est mise en œuvre, le signe opposé est attribué à l'électrode d'excitation la plus proche, notamment pour une électrode de mesure située à égale distance entre deux électrodes d'excitation, l'amplitude est expérimentalement mesurée pour être de l'ordre de O(10−7) A, correspondant à une contribution négligeable aux données. 9. Système de détection et de prévention selon la revendication 8, le circuit de pilotage étant adapté pour mettre œuvre l’étape a/ avec l’ensemble des potentiels Vnexc vérifiant la condition : [Math 4] 10. Système de détection et de prévention selon l’une des revendications précédentes, les électrodes du capteur électrique étant angulairement réparties de manière régulière autour de la section du circuit fluidique en amont de la pompe. 11. Utilisation du système de détection et de prévention selon l’une des revendications précédentes pour mesurer les corps étrangers et/ou mesurer les bourrages, les colmatages, les encrassements induits par les corps étrangers, la cavitation, les bulles d’air, l’absence de fluide et la présence de gaz. 12. Installation industrielle, comprenant au moins un circuit fluidique et un système de détection et de prévention selon l’une des revendications précédentes.
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