FR2607250A1 - Flow meter for dielectric fluids, using cross-correlation with triboelectric noise, and applications in particular to fluids of the petrochemicals sector - Google Patents
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Abstract
Description
DEBITNETRE POUR FLUIDES DIELECTRIQUES, A
INTERCORRELATION SUR BRUIT TRIBOELECTRIQUE
ET APPLICATIONS NOTANNEET AUX FLUIDES DU SECTEUR PETROLIER
La présente invention concerne la mesure de façon non intrusive du débit-volume d'un fluide de nature diélectrique s'écoulant dans une conduite. Un principe de mesure souvent employé est basé sur des techniques de corrélation. La méthode consiste à identifier des structures turbulentes telles que des tourbillons en deux points de la conduite séparés d'une certaine distance dans la direction axiale. L'intervalle de temps qui sépare l'identification de la même structure en regard desdits points est proportionnel à l'inverse de la vitesse moyenne de ladite structure, elle-meme liée au débit-volume.FLOW RATE FOR DIELECTRIC FLUIDS, A
INTERCORRELATION ON TRIBOELECTRIC NOISE
AND APPLICATIONS NOTANNEET TO FLUIDS OF THE OIL SECTOR
The present invention relates to the non-intrusive measurement of the volume flow rate of a fluid of dielectric nature flowing in a pipe. An often used measurement principle is based on correlation techniques. The method consists in identifying turbulent structures such as vortices at two points of the pipe separated by a certain distance in the axial direction. The time interval which separates the identification of the same structure opposite said points is proportional to the inverse of the average speed of said structure, itself linked to the volume flow.
La méthode d'identification proprement dite est bien connue. Elle consiste à trouver l'abscisse du point correspondant au maximum de la fonction d'intercorrélation des signaux, généralement électriques, délivrés par deux capteurs primaires identiques situés sur la conduite et séparés d'une certaine distance axiale.The identification method itself is well known. It consists in finding the abscissa of the point corresponding to the maximum of the function of intercorrelation of the signals, generally electrical, delivered by two identical primary sensors located on the pipe and separated by a certain axial distance.
Plusieurs principes physiques peuvent etre mis en oeuvre pour la réalisation desdits capteurs primaires. Dans tous les cas, leur signal de sortie doit être une signature de l'état turbulent de l'écoulement. On distingue notamment des capteurs de type ultrasoniques, acoustiques, optiques, de pression, capacitifs ou résistifs.Several physical principles can be implemented for the production of said primary sensors. In all cases, their output signal must be a signature of the turbulent state of the flow. There are in particular ultrasonic, acoustic, optical, pressure, capacitive or resistive type sensors.
La plupart de ces capteurs présentent l'inconvénient de ne pas faire une mesure parfaitement représentative de l'écoulement du fluide sur l'ensemble de la section du conduit. Par exemple, un capteur à ultrasons fait une mesure suivant une corde et un capteur capacitif privilégie un plan de symétrie particulier.Most of these sensors have the drawback of not making a perfectly representative measurement of the flow of the fluid over the entire section of the duct. For example, an ultrasonic sensor makes a measurement along a string and a capacitive sensor favors a particular plane of symmetry.
I1 existe donc depuis longtemps un besoin, dans l'industrie pétrolière notamment, d'un débitmètre précis, fiable, simple d'emploi et robuste. There has therefore been a need for a long time, in the petroleum industry in particular, for a precise, reliable, simple to use and robust flowmeter.
La présente invention se rapporte à l'emploi de capteurs primaires basés sur la détection de charges électrostatiques générées naturellement par effet triboélectrique au sein d'un fluide diélectrique s'écoulant dans une conduite, et à la combinaison de ces capteurs primaires avec la technique d'intercorrélation des signaux. I1 a été découvert que cette combinaison répondait aux besoins spécifiques de l'industrie.The present invention relates to the use of primary sensors based on the detection of electrostatic charges naturally generated by triboelectric effect within a dielectric fluid flowing in a pipe, and to the combination of these primary sensors with the technique of intercorrelation of signals. It has been discovered that this combination meets the specific needs of the industry.
La figure 1 représente une vue d'ensemble de l'invention.Figure 1 shows an overview of the invention.
La figure 2 est une vue en coupe transversale du capteur primaire.Figure 2 is a cross-sectional view of the primary sensor.
La figure 3 représente une vue développée du capteur primaire.FIG. 3 represents a developed view of the primary sensor.
La figure 4 est une vue en coupe du capteur primaire.Figure 4 is a sectional view of the primary sensor.
La figure 5 montre une réalisation de l'invention destinée plus particulièrement à la mesure de débit de fluides sous pression.FIG. 5 shows an embodiment of the invention intended more particularly for measuring the flow rate of fluids under pressure.
La figure 6 est une vue en coupe montrant le principe de l'application donnée par la figure 5.FIG. 6 is a sectional view showing the principle of the application given by FIG. 5.
La figure 7 est un exemple de courbe d'étalonnage obtenue avec un prototype construit selon l'invention.FIG. 7 is an example of a calibration curve obtained with a prototype constructed according to the invention.
La figure 1 illustre l'invention dans son ensemble. Le débitmètre est composé d'un tube 1 réalisé en matériau diélectrique tel que polyurethane, teflon, plexiglas, céramique, etc... Les capteurs primaires 2.a et 2.b séparés d'une distance axiale d sont, dans un mode préféré de l'invention, disposés de manière à assurer un contact mécanique avec la manchette 1 sur l'ensemble de la circonférence de ladite manchette. Les capteurs primaires sont situés dans des plans parallèles perpendiculaires aux génératrices de la manchette 1. Les capteurs primaires faisant partie de la présente invention ont une symétrie parfaitement identique à celle du conduit et sont sensibles à l'ensemble de la section d'écoulement du fluide.Figure 1 illustrates the invention as a whole. The flow meter is composed of a tube 1 made of dielectric material such as polyurethane, teflon, plexiglass, ceramic, etc. The primary sensors 2.a and 2.b separated by an axial distance d are, in a preferred mode of the invention, arranged so as to ensure mechanical contact with the cuff 1 over the entire circumference of said cuff. The primary sensors are located in parallel planes perpendicular to the generatrices of the cuff 1. The primary sensors forming part of the present invention have a symmetry perfectly identical to that of the conduit and are sensitive to the whole of the fluid flow section. .
Les capteurs 2.a et 2.b sont connectés à deux dispositifs électroniques 3.a et 3.b dont le rôle essentiel est de délivrer en sortie un signal électrique identique à celui d'entrée mais sous faible impédance de source. Les signaux de sortie des dispositifs électroniques 3.a et 3.b sont transmis à un dispositif de mesure et de calcul de la fonction d'intercorrélation 4.The sensors 2.a and 2.b are connected to two electronic devices 3.a and 3.b whose essential role is to deliver at the output an electrical signal identical to that of input but under low source impedance. The output signals from the electronic devices 3.a and 3.b are transmitted to a device for measuring and calculating the intercorrelation function 4.
La figure 2 est une vue détaillée en coupe transversale d'un de ces capteurs primaires 2a ou 2b, constitué par deux antennes 2 et 5 réalisées en matériau conducteur. L'antenne interne 2, dite antenne de détection, est sensible à la présence de charges électrostatiques et constitue l'élément sensible proprement dit du capteur. Elle est entourée sur toute la circonférence du capteur par une antenne 5 de dimension transversale légèrement supérieure et dite antenne de garde. L'antenne de détection est isolée de l'antenne de garde par une couche de matériau diélectrique 6.Figure 2 is a detailed cross-sectional view of one of these primary sensors 2a or 2b, consisting of two antennas 2 and 5 made of conductive material. The internal antenna 2, called the detection antenna, is sensitive to the presence of electrostatic charges and constitutes the actual sensing element of the sensor. It is surrounded over the entire circumference of the sensor by an antenna 5 of slightly greater transverse dimension and called the guard antenna. The detection antenna is isolated from the guard antenna by a layer of dielectric material 6.
L'antenne de détection 2 est connectée à l'entrée non inverseuse d'un amplificateur opérationnel 14 à trés haute impédance d'entrée. L'antenne de garde 5 est connectée à un boitier 12 réalisé en matériau conducteur et à l'intérieur duquel se trouve le dispositif amplificateur. Les connections entre les antennes 2.a et 2.b d'une part et les dispositifs électroniques 3.a et 3.b d'autre part sont dans un mode préféré de l'invention réalisées au moyen d'un cable coaxial 7. L'âme du cable coaxial est reliée d'une part à l'antenne de détection et autre part à l'entrée non inverseuse de l'amplificateur 14. La tresse du cable coaxial est connectée d'une part à l'électrode de garde 5 et d'autre part au boitier 12. La sortie de l'amplificateur 14 est rebouclée avec l'entrée inverseuse de façon à assurer un gain unitaire.La sortie de l'amplificateur 14 est également connectée au boitier 12 lui-même en contact électrique avec l'antenne de garde 5 par l'intermédiaire de la tresse du cable coaxial 7. Il s'agit d'une application du principe bien connu de la garde active : les pertes de signaux de l'antenne de détection 2 par couplage parasite sont considérablement réduites compte tenu du fait que ladite antenne est en tous points entourée d'une surface conductrice portée au même potentiel électrique.The detection antenna 2 is connected to the non-inverting input of an operational amplifier 14 with very high input impedance. The guard antenna 5 is connected to a box 12 made of conductive material and inside which is the amplifier device. The connections between the antennas 2.a and 2.b on the one hand and the electronic devices 3.a and 3.b on the other hand are in a preferred embodiment of the invention made by means of a coaxial cable 7. The core of the coaxial cable is connected on the one hand to the detection antenna and on the other hand to the non-inverting input of the amplifier 14. The braid of the coaxial cable is connected on the one hand to the guard electrode 5 and on the other hand to the housing 12. The output of the amplifier 14 is looped back with the inverting input so as to ensure a unit gain. The output of the amplifier 14 is also connected to the housing 12 itself in contact electric with the guard antenna 5 via the braid of the coaxial cable 7. This is an application of the well-known principle of active guard: the loss of signals from the detection antenna 2 by coupling parasites are considerably reduced taking into account the fact that said antenna is in all points surrounded by a conductive surface carried at the same electrical potential.
Une résistance 13 de trés forte valeur, dans tous les cas au moins égale à 500 M , est connectée entre la référence de l'instrumentation et l'entrée non inverseuse de l'amplificateur 14. Cette résistance permet aux courants de polarisation de l'amplificateur 14 de s'écouler et d'éviter ainsi la saturation dudit amplificateur.A resistor 13 of very high value, in all cases at least equal to 500 M, is connected between the reference of the instrumentation and the non-inverting input of the amplifier 14. This resistor allows the bias currents of the amplifier 14 to flow and thus avoid saturation of said amplifier.
La figure 3 suggère un mode de fabrication du capteur constitué des antennes de détection 2.a, 2.b et des antennes de garde 5.a, 5.b.FIG. 3 suggests a method of manufacturing the sensor constituted by the detection antennas 2.a, 2.b and the guard antennas 5.a, 5.b.
La figure 4 est une vue en coupe d'une partie de la figure 3. Un mode de réalisation préférée du capteur repose sur des techniques de photoerosion bien connues dans le domaine de la fabrication des circuits imprimés. On citera notamment la technologie circuit imprimé souple multicouches. L'épaisseur du substrat diélectrique 6 et/ou sa nature seront choisies de manière à assurer à l'ensemble du capteur la souplesse nécessaire de manière à pouvoir l'adapter sur la manchette 1. Ce mode de réalisation du capteur permet de s'assurer d'une part, du fait que les plans des antennes de détection sont rigoureusement parallèles et que, d'autre part, la distance d qui les sépare axialement reste constante. Figure 4 is a sectional view of part of Figure 3. A preferred embodiment of the sensor is based on photoerosion techniques well known in the field of manufacturing of printed circuits. These include flexible multilayer printed circuit technology. The thickness of the dielectric substrate 6 and / or its nature will be chosen so as to provide the whole of the sensor with the necessary flexibility so as to be able to adapt it to the sleeve 1. This embodiment of the sensor makes it possible to ensure on the one hand, because the planes of the detection antennas are strictly parallel and, on the other hand, the distance d which separates them axially remains constant.
La figure 5 montre une réalisation de l'invention plus particulièrement destinée à la mesure de débit de fluides sous pression.FIG. 5 shows an embodiment of the invention more particularly intended for measuring the flow rate of fluids under pressure.
Le conduit 8 est réalisé en métal amagnétique et plus particulièrement en titane ou en acier inoxydable. Chaque antenne 2, réalisée en circuit imprimé souple multicouches, est plaquée sur l'intérieur du conduit 8 et y est maintenue en place, éventuellement par collage. Le circuit imprimé souple se prolonge par une languette 7 contenant les connections de sortie de l'antenne, ceci de façon à éviter la connection par soudure d'un câble coaxial. Cette languette est partiellement surmoulée par un matériau diélectrique dur, du polyamide par exemple, à l'endroit de l'orifice de sortie 10 percé tangentiellement au diamètre du conduit.The conduit 8 is made of non-magnetic metal and more particularly of titanium or stainless steel. Each antenna 2, produced in a flexible multilayer printed circuit, is pressed against the inside of the duct 8 and is held there, possibly by bonding. The flexible printed circuit is extended by a tongue 7 containing the antenna output connections, this so as to avoid the connection by soldering of a coaxial cable. This tongue is partially overmolded with a hard dielectric material, for example polyamide, at the location of the outlet orifice 10 pierced tangentially to the diameter of the conduit.
Le trou de sortie 10 comporte un filetage dans lequel est vissé un bouchon métallique 11 évidé en son axe de façon à laisser passer la languette 7. Ce bouchon 11 est destiné à reprendre les efforts exercés sur le surmoulage de la languette, sous l'effet de la forte pression (jusqu'à 100 MPa et au delà...) pouvant régner à l'intérieur du conduit. Une épaisseur uniforme d'un matériau diélectrique 9, résistant à l'abrasion, recouvre l'intérieur du conduit, isolant ainsi les antennes 2 du fluide circulant dans le conduit.The outlet hole 10 includes a thread into which is screwed a metal plug 11 hollowed out on its axis so as to allow the tongue 7 to pass. This plug 11 is intended to take up the forces exerted on the molding of the tongue, under the effect high pressure (up to 100 MPa and above ...) that can prevail inside the duct. A uniform thickness of a dielectric material 9, resistant to abrasion, covers the interior of the duct, thus isolating the antennas 2 from the fluid flowing in the duct.
Le matériau 9 sera de préférence choisi avec une dureté shore faible de façon à transmettre les pressions de manière hydrostatique. Ce matériau sera, dans un mode préféré de réalisation de l'invention, du polyuréthane.The material 9 will preferably be chosen with a low shore hardness so as to transmit the pressures in a hydrostatic manner. This material will, in a preferred embodiment of the invention, polyurethane.
La réalisation de cette traversée fait également partie de l'invention. The realization of this crossing is also part of the invention.
La figure 6 montre une réalisation de l'invention dans laquelle les antennes 2 sont plaquées à l'extérieur du conduit 8. Celui-ci doit alors être en matériau diélectrique.FIG. 6 shows an embodiment of the invention in which the antennas 2 are pressed outside the duct 8. The latter must then be made of dielectric material.
De façon à résister à l'effet de forte pression régnant au sein du fluide, selon une réalisation particulière de l'invention, le conduit 8 consiste en un matériau dit "composite" et plus particulièrement à base de fibres de verre, de carbone, aramide ou d'une céramique et plus particulièrement de l'alumine.In order to resist the high pressure effect prevailing within the fluid, according to a particular embodiment of the invention, the conduit 8 consists of a material called "composite" and more particularly based on glass fibers, carbon, aramid or ceramic and more particularly alumina.
La figure 7 est un exemple de courbe d'étalonnage d'un débitmètre construit selon l'invention. Le fluide utilisé est de l'huile hydraulique de type ISO HV E 32 dont la constante diélectrique est 2,30. La vitesse de référence est indiquée par un débitmètre à turbine. On a porté en ordonnée l'inverse du temps moyen correspondant au maximum de la fonction d'intercorrélation en fonction de la vitesse du fluide portée en abscisse. On constate une bonne linéarité de la courbe. L'étendue de mesure est plus importante que ce qui apparait sur la fig. 7 notamment pour ce qui concerne des vitesses de fluide supérieures à 15 m/s. FIG. 7 is an example of a calibration curve for a flow meter constructed according to the invention. The fluid used is hydraulic oil of type ISO HV E 32 whose dielectric constant is 2.30. The reference speed is indicated by a turbine flow meter. The inverse of the mean time corresponding to the maximum of the intercorrelation function is plotted on the ordinate as a function of the speed of the fluid plotted on the abscissa. There is a good linearity of the curve. The measurement range is larger than what appears in fig. 7 in particular with regard to fluid speeds greater than 15 m / s.
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