FR2488991A1

FR2488991A1 - Procede et installation pour la mesure de grandeurs d'etat thermique de fluides

Info

Publication number: FR2488991A1
Application number: FR8115907A
Authority: FR
Inventors: Alfred Dr Hirt
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1980-08-22
Filing date: 1981-08-19
Publication date: 1982-02-26
Also published as: DE3031678A1; DE3031678C2; IT8149136A0

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN PROCEDE ET UNE INSTALLATION POUR LA MESURE DE GRANDEUR D'ETAT THERMIQUE DE FLUIDE. LE PROBLEME RESOLU CONSISTE A EFFECTUER LES MESURES DE FACON SIMPLE ET PRECISE, MEME DANS DES DOMAINES DE TEMPERATURES ELEVEES. LE PROCEDE EST CARACTERISE EN CE QU'ON ENVOIE UNE IMPULSION SONORE DANS LE FLUIDE AU MOYEN D'UN EMETTEUR SONORE 12 ET ON RECOIT CETTE IMPULSION DANS UN RECEPTEUR ACOUSTIQUE 13 APRES UN TRAJET PREDETERMINE DANS LE FLUIDE, ET EN CE QU'ON MESURE LE TEMPS DE PARCOURS DE L'IMPULSION ENTRE L'EMETTEUR SONORE ET LE RECEPTEUR ET ON L'EXPLOITE POUR DETERMINER LA GRANDEUR D'ETAT DESIREE. L'INVENTION EST APPLICABLE NOTAMMENT POUR MESURER LA TEMPERATURE ET L'ENTHALPIE DES LIQUIDES ET DES GAZ DANS LES TURBOMACHINES.

Description

Procédé et installation pour la mesure de grandeurs d'état thermique de fluides.

L'invention a pour objet un procédé et une installation pour la mesure de grandeurs d'état thermique de fluides.

L'expression grandeurs d'état themique doit s'entendre comme désignant des grandeurs d'état dépendant de l'énergie thermique du fluide, telles que la température et l'enthalpie, par exemple.

Pour mesurer de telles grandeurs, on se sert en général de sondes de mesure comprenant des éléments dilatables ou des matières dilatables, notamment de sondes de mesure de température, amenées en contact avec l'objet ou le fluide faisant l'objet de la mesure. Pour les mesures de haute précision, on utilise des jauges extensométriques raccordées à un circuit électrique, dans lesquelles le courant passant dans la sonde est mesuré en tant que grandeur dépendant de la température et exploité. Cependant les sondes de mesure de ce type ne conviennent en général pas pour les mesures effectuées dans des fluides à températures élevées.Dans de tels cas, une température élevée en conséquence serait transmise par les connexions de la sonde de mesure à l'appareillage de mesure, ce qui pourrait entraîner, notamment dans le cas d'appareillages de mesure élec- troniques, la destruction rapide des composants. Pour éviter l'échauffement de l'appareillage de mesure, on doit prendre des dispositions pour evacuer l'anergie thermique des organes d'amenee à la sonde de mesure, ce qui entraîne une dépense technique de fabrication supplémentaire.

L'invention a pour but de mettre au point un procédé du type indiqué dans le préambule et à l'aide duquel on puisse effectuer de façon simple et avec une précision élevée des mesures de grandeurs d'état thermique, meme dans des domaines de temperatures élevés.

L'invention concerne à cet effet un procédé du type ci-dessus, caractérisé en ce qu'on envoie une impulsion sonore dans le fluide au moyen d'un émetteur sonore et en reçoit cette impulsion dans un récepteur acoustique après un trajet prédéterminé, et en ce qu'on mesure le temps de parcours de l'impulsion entre l'émetteur sonore et le récepteur et on l'exploite pour déterminer la grandeur d'état désirée.

Suivant un premier mode de réalisation de l'invention, on determine la température du fluide.

Cette solution est basée sur la notion connue suivant laquelle la vitesse de propagation d'une onde sonore dans un fluide liquide ou gazeux varie avec la température du fluide lorsque la pression est sensiblement constante. Pour les liquides, la relation entre la vitesse du son et la température du liquide peut être déterminée expérimentalement. Dans le cas des gaz, la fonction est obtenue à partir de la formule générale donnant la vitesse de propagation C du son

et en utilisant pour la densité p, la formule

valable dans de larges limites pour les gaz, on obtient alors

Dans cette formule, T est la température du gaz mesurée en degrés Kelvin, R est la compressibilité adiabatique et p la pression du gaz. L'indice n correspond à des conditions normales : 2730K et 1 bar.

En mesurant le temps de parcours par l'impulsion sonore d'un trajet prédéterminé, on obtient la valeur de la température du fluide au moyen de la vitesse du son calculée à partir de là et en se référant à la courbe d'étalonnage dressée pour le fluide correspondant ou à la fonction C = f (T) correspondante.

Suivant un autre mode de réalisation de l'invention, on met le procédé en application pour mesurer les variations d'enthalpie d'un gaz auquel on amène de la chaleur ou duquel on en retire. On envoie alors des impulsions sonores à intervalles dans le gaz et on mesure la différence de temps de parcours entre deux impulsions successives. On utilise ensuite le résultat de mesure pour calculer la variation de la vitesse du son au carré.

Avec la variation du carré de la vitesse du son ss 2 on obtient directement la variation correspondante de l'enthalpie

Cela est obtenu en utilisant la formule (2) ci-dessus en liaison avec l'équation ci-après relative à la compressibilité adiabatique

En transposant la formule (4) dans (2) et en élevant au carré, on obtient

Il en resulte, en tenant compte de l'equa- tion (3)

Dans ces formules, C et Cp désignent res
v p pectivement les chaleurs spécifiques du gaz à volume constant et à pression constante.

Dans les turbines à gaz, une partie de l'augmentation de l'enthalpie obtenue lors du chauffage du gaz est convertie en travail mécanique. Dans de tels cas, par exemple, on doit faire appel à la variation d'enthalpie pour juger du rendement de l'échangeur de chaleur pour le réchauffage du gaz ou du rendement d'ensemble de l'installation. Pour cette installation et des installations similaires, l'invention- procure un procédé parfait pour le calcul indirect du rendement.

Avec des moyens simples, à savoir un couple émetteur sonore /.

récepteur acoustique et un circuit de mesure raccordé, on peut capter rapidement et enregistrer des valeurs précises de variations d'enthalpie et, avec un calcul électronique supplémentaire, aussi les rendements d'installations convertissant de l'énergie. Au point de vue de la technique des mesures, on n'effectue avec le procédé suivant l'invention que des mesures de temps. Avec l'état actuel de développement de l'électronique, de telles mesures peuvent être effectuées avec-une très grande précision. A partir de là, on peut calculer en même temps, avec une précision correspondante, les temperatures, les variations d'enthalpie ou ces deux grandeurs d'état.

Avec le procédé conforme à l'invention, on remplace simultanément par une onde sonore les sondes de mesure utilisées dans les procédés de mesure usuels. On supprime ainsi la nécessité d'avoir a accrocher directement à l'emplacement de mesure des composants du dispositif de mesure, par exemple une sonde de mesure, composants qui seraient alors directement exposés à la chaleur. Cela agit de façon particulièrement avantageuse, notamment pour des températures de fluides élevées.

Les composants éventuellement sensibles à la chaleur du dispositif de mesure, par exemple l'émetteur sonore et le récepteur peuvent être disposés sans difficulté en des emplacements frais ou dans des conduites d'équilibrage.

Pour donner un degré de liberté supplémentaire à la détermination de position, il est avantageux que l'émetteur sonore et le récepteur soient disposés l'un à côté de l'autre, ou utilises comme une unité de construction, et que l'impulsion sonore soit déviée sur un ou plusieurs réflecteurs sonores disposés dans le fluide. Dans le cas de températures de fluides élevées et/ou variant localement, on mesure, pour déterminer la grandeur d'état d'une zone de fluide déterminée, le temps de parcours de l'onde sonore entre deux réflecteurs disposés dans cette zone.

Avec les sondes de mesure classiques, la mesure de la température de fluides en écoulement pose quelques problèmes car pour effectuer des mesures le plus possible sans erreurs, on doit veiller à ce que la sonde de mesure se trouve dans un environnement qui, dans toute la mesure du possible, ne soit pas en écoulement. Ce problème disparaît egalement avec le procédé conforme a l'invention, car dans le cas des fluides liquides, la courbe d'étalonnage est établie pour l'écoulement déterminé et, dans le cas des gaz, on tient compte de la correction de la vitesse du son conformément à la formule suivante

Dans cette formule, CO est la vitesse du son dans le gaz immobile, w est la vitesse du gaz et # = Cp/Cv.

te autre avantage du procédé conforme à l'invention est qu 'aucun retardement du par exemple à un processus de transmission de chaleur, ne vient nuire à l'opération de mesure, cote c'est le cas avec les jauges extensométriques usuelles. En conséquence le procédé convien-r particulièrement bien pour la détermination rapide de variation d état du fluide dans le temps.

Le procédé conforme à l'invention peut éga liement être mis en application sans dépense supplémentaire notable pour la mesure d'une répartition de grandeur d'état à l'intérieur du fluide. On disposa alors des réflecteurs sonores aux différents emplacements de mesure du fluide et on mesure et on exploite le temps de parcours de l'onde sonore entre des réflecteurs voisins.

De telles mesures sont effectuées, par exemple, pour des échangeurs de chaleur chauffés de façon non uniforme, par exemple pour les échangeurs de chaleur de collecteurs solaires soumis au rayonnement solaire Dans de tels cas, l'émetteur sonore et le récepteur peuvent être disposés lorsque l'échangeur de chaleur est à l'état froid, cet échangeur de chaleur etant équipé de réflecteurs disposés à des distances définies avec un décalage. L'utilisation de ce procédé a pour avantage que l'échangeur de chaleur nest pas affaibli par des passages et des zones de soudure correspondantes, comme cela est nécessaire pour le passage des sondes de mesure.En outre, contrairement à ce qui a lieu avec les procédés de mesure classiques, il suffit d'un seul circuit de mesure avec le procédé conforme à l'invention. pour les réxlecteurs, on peut utiliser des petites feuilles, par exemple métalliques.

En conséquence1 le procédé conforme à l'in- vention se distingue en tant que procédé simple au point de vue de la technique de fabrication et-au point de vuede la technique de mesure. A l'aide de ce procédé, on peut effectuer des mesures précises et rapides, même dans le cas de tempéra- tures de fluides variant dans le temps et/ou dans l'espace ou dans le cas de variations d'enthalpie de gaz Dans le cas de grandeurs d'état variant dans le temps, des impulsions sont fournies par l'émetteur sonore à des intervalles de temps définis, l'intervalle de temps entre deux impulsions successives etant supérieur à celui correspondant au cas du temps de parcours maximal d'une onde sonore entre l'émetteur et le récep- teur.

Un autre avantage du procédé conforme à l'invention est qu'avec un seul couple émetteur sonore / recepteur, ou avec un dispositif de mesure; on peut mesurer simul tanément la température, des variations dans le temps ainsi que dans l'espace de la température et de l'enthalpie en plusieurs emplacements d'un volume de gaz1 et même à des intervalles de temps relativement faibles.

L'invention s'étend à une installation pour la mise en oeuvre du procédé, constituée par un émetteur sonore appliqué sur le réservoir de fluide et relié à un émetteur d'impulsions, ainsi que par un récepteur acoustique également applique sur le réservoir de fluide et auquel sont raccordées une unité d'exploitation d'impulsions et une unité d'exploitation de données de mesure.

On utilise de préférence un émetteur sonore piézo-électrique remplissant simultanément, en tant qu'élément composant, la fonction de l'émetteur et la fonction du récepteur.

L'invention sera mieux comprise en regard de la description ci-après et des dessins annexés représentant des exemples de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels
- La Fig. 1 représente un premier exemple de réalisation.

- La Fig. 2 et la Fig 3 représentent des diagrammes de propagation de la vitesse du son.

- La Fig. 4 représente un diagramme d'impulsions.

- La Fig. 5 représente un second exemple de réalisation.

La Fig. 1 représente un réservoir de fluide 10 avec une conduite d'équilibrage 11. Un émetteur sonore 12 et un récepteur acoustique 13 sont disposés à l'extrémité libre de la conduite d'equilibrage 11.

A partir d'un générateur d'impulsions classique 14 et d'un oscillateur 15 également usuel en électronique, l'émetteur 12 reçoit une impulsion électrique 20 (Fig. 4) qu'il convertit en une impulsion sonore qui se propage â une vitesse C dans le fluide 21.

Dans le cas ou les mesures sont effectuées dans l'air, les impulsions ultrasoniques à une fréquence de 30 KHz environ et avec une longueur d'impulsion de 10 3 sec environ conviennent particulièrement bien. Dans ce fluide, le temps de parcours at/d de l'onde sonore à des températures supérieures à 3000C est sensiblement compris entre 3 et 4.10 sec/m.

Deux réflecteurs sonores 22 et 23 sont disposés dans le fluide, respectivement à des distances définies a1, d2 de l'émetteur 12 et du récepteur 13. L'impulsion envoyée par l'émetteur sonore 12 est déviée successivement sur les réflecteurs 22 et 23. Les impulsions déviées sont reçues sous forme d'une suite d'impulsions (Fig. 4) par le récepteur 13.

Elles sont enregistrées et exploitées au moyen d'une unité d'exploitation d'impulsions usuelle 26. L'exploitation consiste dans la détermination du temps de parcours t d'une onde sonore entre l'émetteur 12 et le récepteur 13 ainsi que dans le calcul de la différence de temps de parcours At entre deux impulsions successives. La différence de temps de parcours At constitue ainsi le temps de parcours mis par l'onde sonore pour parcourir un trajet Ad = 2 (dn ~ dn 1) entre deux réflecteurs voisins.

Pour l'exploitation des impulsions, il est avantageux d'utiliser une mémoire de transit 26 connue dans le domaine de l'électronique. Avec un tel composant, on peut en effet mesurer de très faibles intervalles de temps et les mettre simultanément en mémoire. Les données en mémoire peuvent ensuite être reprises à volonté sans délai et être exploitées.

Les signaux parasites sont éliminés par un filtre de fréquence (de type usuel) intercalé entre le récepteur 13 et la mémoire de transit 26.

Les données de temps stockées dans la-mémoire de transit 26 peuvent, en cas de besoin, être affichées par voie optique au moyen d'un oscillographe 28. Du reste, ces données sont exploitées de façon appropriée au cas individuel considéré dans une unité usuelle d'exploitation de données de mesure. Le résultat est enfin enregistré au moyen d'une unité enregistreuse 30.

L'exploitation des données de mesure a lieu de la façon suivante
A partir des valeurs mesurées du temps de parcours t ou de la différence de temps de parcours At, on calcule la vitesse de propagation moyenne
C = 2d ou C = " (7)
t de l'onde sonore entre l'émetteur 12 et le récepteur 13 ou entre deux réflecteurs .voisins 22, 23. Dans le cas de gaz en écoulement intense, on calcule en appliquant la formule de correction (6), à partir de la valeur expérimentale C, la vi tesse du son correspondante C à l'état de repos.

o
Avec la vitesse du son calculée C, on calcule suivant les besoins, au moyen d'une courbe d'étalonnage
C = f (temps) représentée sur la Fig. 2 ou, dans le cas des gaz, au moyen de la formule (2), la température ou, au moyen de la formule (5), la variation d'enthalpiea. Ces calculs sont effectués avec l'unité d'exploitation de données de mesure 29 en introduisant les données appropriées contenues dans les formules ci-dessus pour le fluide considéré faisant l'objet de la mesure.

Si l'on doit mesurer, par exemple, la variation de l'état thermique dans le temps d'un fluide à repartition thermique homogène et à faible température, on peut disposer l'émetteur sonore 12 et le récepteur 13 directement dans le réservoir 10, c'est-à-dire sans faire appel à une conduite d'équilibrage 11.Dans ce cas, il est avantageux que l'emet- teur 12 et le récepteur 13 ne soient pas disposés l'un à côté de l'autre, comme représenté sur la figure, mais l'un en face de l'autre, de sorte que le récepteur puisse recevoir directement, sans réflexion, le son émis par l'émetteur -12. Pour capter en fonction du temps les grandeurs d'état ou leurs variations, des impulsions sonores sont envoyées par l'émetteur 12 à des intervalles de temps définis et on mesure les temps de parcours de ces impulsions. A partir des valeurs de mesure, on peut calculer les vitesses correspondantes C et les inscrire sous forme de courbe en escalier C(t), comme représenté sur la Fig. 3.A partir de la courbe de variation C(t) on obtient directement la variation de la température du fluide en fonc tion du temps, tandis que l'on peut calculer les variations de température et d'enthalpie au moyen des gradins de la courbe
C(t).

Cependant, si les températures du fluide de l'exemple précédent sont trop élevées pour permettre un contact direct des composants de l'émetteur et du récepteur, ces composants sont disposés en un emplacement frais existant dans le réservoir 10 ou dans une conduite d'équilibrage 11 prévue précisément pour cela. Etant donné que dans ce cas l'onde sonore faisant l'objet de la mesure doit traverser des zones à températures différentes, on dispose alors deux réflecteurs 22, 23 dans la zone du fluide dans laquelle on doit effectuer les mesures.A partir de la mesure de la différence de temps de parcours At entre les deux signaux successivement réfléchis et reçus et de la distance d2 - dl entre les réflec- teurs 22 et 23, on calcule la vitesse de propagation

de l'onde sonore à l'intérieur de la zone du fluide interes- sante pour la mesure.

Pour les tubes d'échangeurs de chaleur ou les cas similaires dans lesquels il y a une distribution de chaleur localisée, on répartit plusieurs réflecteurs à des distances définies à l'intérieur du fluide. -Une impulsion sonore 20 partant de l'émetteur 12 déclenche alors une suite de si-.

gnaux 25' pour le récepteur 13. A partir de l'instant de l'émission, ces signaux atteignent respectivement le récepteur après des temps de parcours t.. Les différences de temps de parcours A t = t. - t. 1 entre deux impulsions successivement
i i-1 reçues servent alors à calculer les vitesses du son dans les zones considérées ou la répartition de température et/ou la variation d'enthalpie le long du tube de l'échangeur de chaleur ou du récipient de fluide. Dans ce cas, la vitesse calcu lée donne une grandeur fonction du trajet d entre l'émetteur et les réflecteurs qui peut également être représentée sous forme de courbe en escalier c(d), comme représenté sur la Fig.3.

I1 est également possible dans ce cas d'effectuer des mesures de variations dans le temps des grandeurs d'état, en ce que, de la même façon que dans le premier exemple mentionné, on émet des impulsions sonores séparées par des intervalles de temps, on les mesure et on les exploite de façon appropriée.

On a représenté sur la Fig. 5 un échangeur de chaleur 35 avec plusieurs tubes d'échange de chaleur 36 ali mentés avec un fluide caloporteur au moyen d'un tube collecteur 37, le fluide-caloporteur étant chauffé dans les tubes 36.

Pour chaque tube 36, un émetteur / récepteur sonore 38 à 40 est disposé dans le tube collecteur 37. Les émetteurs / récepteurs 38 à 40 sont reliés par un conducteur d'amenée 41 à une unité commune de mesure et d'exploitation. Les tubes 36 sont munis de réflecteurs 42 répartis dans le fluide à des distances différentes du plan des émetteurs 38 à 40.

Des impulsions 20 émises en même temps par tous les émetteurs 38 à 40 sont suivies d'une série de signaux 25' respectivement enregistrés par les récepteurs correspondants 38 à 40. Dans ce cas, des signaux 25' successifs ne proviennent pas d'un tube commun 36 mais, en raison de la disposition choisie pour les réflecteurs 42, de tubes 36 voisins. En conséquence, pour l'exploitation des données de mesure, il y a lieu de calculer la différence entre les temps de parcours mesurés t. de signaux provenant d'un tube 36. Ainsi, dans l'exemple représenté sur la Fig. 5, on obtient en utilisant le diagramme d'impulsions de la Fig. 4, par exemple pour la zone de gauche du tube supérieur 36 11 tg t1

Claims

REVENDICATIONS .10) - Procédé pour la mesure de grandeur d'état thermique de fluides, caractérisé en ce qu'on envoie une impulsion sonore (20) dans le fluide au moyen d'un émetteur sonore (12) et on reçoit cette impulsion dans un récepteur acoustique (13) après un trajet prédéterminé dans le fluide, et en ce qu'on mesure le temps de parcours de l'impulsion entre l'émetteur sonore et le récepteur et on l'exploite pour déterminer la grandeur d'état désirée.

20) - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on exploite les données de mesure pour déterminer la température du fluide.
30) - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on exploite les données de mesure pour déterminer les variations d'enthalpie d'un gaz auquel on amène de la chaleur ou duquel on en retire.
40) - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on dispose l'émetteur sonore (12) et le récepteur (13) l'un à coté de l'autre, et en ce qu'on dévie l'impulsion sonore sur un réflecteur sonore (22) disposé dans le fluide (21).
50) - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on dispose des réflecteurs sonores (22, 23) dans le fluide à des distances définies, et en ce qu'on mesure et on exploite les différences de temps de parcours entre les impulsions (25) réfléchies sur des réflecteurs voisins.
60) - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on envoie une suite d'impulsions sonores par l'émetteur sonore (12).
70) - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on mesure et on exploite les temps de parcours respectifs (t) des impulsions individuelles.
80) - Procédé selon la revendication 6, carac térisé en ce qu'on mesure et on exploite les différence de temps de parcours (nit) entre des impulsions successives (25).
90) - Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comporte un émetteur sonore (12) appliqué sur le réservoir de fluide (10) et relié à un émetteur d'impulsions (14), ainsi qu'un récepteur acoustique (13) également appliqué sur le réservoir de fluide (10) et auquel sont raccordées une unité d'exploitation d'impulsions (26) et tune unité d'exploitation de données de mesure (29).
100) - Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'émetteur sonore (38 à 40) est constitué par un émetteur sonore piézo-électrique servant simultanément de récepteur.