FR2744526A1 - Procede de traitement en temps reel pour sonde de detection de phases - Google Patents

Abstract

Procédé de traitement, en temps réel et sans rejet, d'un signal électrique délivré par un capteur plongé dans un écoulement fluide multiphasique pour y détecter des interfaces: on établit initialement (1) des niveaux d'amplitude prédéterminés (1); on détecte (6) en temps réel les instants respectifs où l'amplitude du signal de sortie dudit capteur (3) correspond à des niveaux prédéterminés précités; on compare (7) les points de mesure avec des données préalablement mémorisées (2) sur les valeurs limites des niveaux relatifs, sur les durées relatives des événements et des formes type des signaux susceptibles d'être délivrés par le capteur; on sélectionne (8), à partir de cette comparaison, des événements considérés comme caractéristiques, du passage d'une interface et on en déduit (9) des informations pertinentes sur une interface présente dans l'écoulement fluide.

Description

Procédez de traitement en temps réel pour sonde de détection de phases.

La présente invention concerne des perfectionnements apportés aux capacités de mesure des sondes de détection de phases, quel que soit le principe physique de fonctionnement de la sonde (optique, à impédance, électrochimique, thermique, etc.). L'emploi de tels capteurs est bien connu pour la détection des phases présentes dans un milieu multiphasique en mouvement relatif vis-à-vis de la sonde.

On a proposé un principe efficace de mesure applicable à tous les types de sonde (pour une sonde optique monofibre, voir A. CARTELLIER, Review of Scientific Instruments, 1992, 63(11), 5442-5454) qui consiste à détecter, sur le signal de sortie par la sonde, les discontinuités ou fronts qui apparaissent chaque fois qu'une interface balaie certaine(s) partie(s) sensible(s) de la sonde, puis à mesurer la durée Tm de cette transition de passage d'une première phase à une seconde phase ; une qualification effectuée préalablement dans des conditions contrôlées permet de lier cette durée Tm à la vitesse V de l'interface ou de l'inclusion. En conséquence, la mesure de vitesse de l'interface ou de l'inclusion s'effectue par la mesure du temps de transit entre deux ou plusieurs de ces évènements qui sont générés en des emplacements géographiquement définis sur la sonde.

Toutefois, une des difficultés de cette technique est due à la grande variabilité de cette courbe d'étalonnage
Tm(V) selon la sonde employée. Interviennent dans cette réponse la nature des phases en présence, les conditions de perçage (angle d'attaque de la sonde par rapport à la normale à l'interface et par rapport au vecteur vitesse de l'inclusion), et le capteur lui-meme. Ainsi pour les sondes optiques, l'évolution de la courbe Tm(V) peut dépendre également des conditions d'injection de la lumière dans la fibre lorsque celle-ci est multimode et dépendre également de la géométrie de la tête de la sonde. En effet, cette géométrie et la distribution de l'indice de réfraction influencent fortement l'aspect des signaux de sortie (et notamment la forme des transitions), et donc la courbe
Tm(V). Une très grande précision de positionnement et de conformation des parties sensibles sur l'extrémité de la sonde, en cours de fabrication de celle-ci, permet d'atténuer notablement ces fluctuations de la courbe de réponse d'une sonde à l'autre.

Outre les inconvénients qui précédent, les sondes voient passer, dans la plupart des applications, de nombreuses interfaces qu'il faut parvenir à caractériser individuellement malgré leur nombre et leur vitesse. En outre, la relation Tm(V) étant sensible aux conditions d'impact des interfaces sur les parties sensibles de la sonde, une bonne mesure de vitesse nécessite de trier parmi tous les signaux ceux qui sont significatifs pour la mesure de vitesse recherchée.

Enfin, une autre difficulté de la mesure réside dans la nécessité de traiter en temps réel les signaux fournis par la sonde, puisqu'il faut accumuler des informations pendant un temps prédéterminé (typiquement une minute) pour réaliser un échantillonnage significatif du processus physique analysé permettant ensuite un traitement statistique des diverses variables mesurées.

L'invention a précisément pour but de proposer un procédé perfectionné qui permette de surmonter toutes les difficultés précitées et de permettre une caractérisation précise des interfaces ou inclusions rencontrées par la sonde, notamment pour ce qui est de leur nombre et de leur vitesse, et cela pour des évènements de durée très variable depuis des événements très longs jusqu'à des évènements très courts (par exemple de l'ordre de quelques microsecondes).

A ces fins, l'invention propose un procédé de traitement, en temps réel et sans rejet, d'un signal électrique délivré par un capteur plongé dans un écoulement fluide multiphasique pour détecter des interfaces dudit fluide multiphasique, lequel procédé se caractérise essentiellement en ce qu'il comprend les étapes qui suivent a/ on établit initialement des niveaux d'amplitude prédéter
minés, b/ on détecte en temps réel les instants respectifs où
l'amplitude du signal de sortie dudit capteur correspond
à des niveaux prédéterminés précités, c/ on compare les points de mesure avec des données préala
blement mémorisées sur les valeurs limites des niveaux
relatifs, sur les durées relatives des évènements et des
formes type des signaux susceptibles d'être délivrés par
le capteur, d/ on sélectionne, à partir de cette comparaison, des
évènements considérés comme caractéristiques du passage
d'une interface, e/ et on en déduit des informations pertinentes sur une
interface présente dans l'écoulement fluide.

De préférence, à partir des évènements caractéristiques du passage d'une interface sélectionnés à l'étape d/, on en déduit les fronts et les paliers caractéristiques du signal de réponse du capteur au passage de l'interface.

Avantageusement, dans un but de simplification les niveaux d'amplitude fragmentaire prédéterminés ne sont pas équidistants.

Le procédé conforme à l'invention permet de mettre en évidence les discontinuités ou ruptures de pentes de la courbe de réponse du capteur. On connaît, par ailleurs, la forme type de la courbe de réponse de la sonde utilisée. Il est alors possible, par la mise en oeuvre de critères de sélection fondés par exemple sur les valeurs limites des niveaux fragmentaires prédéterminés, sur les durées relatives et sur les formes caractéristiques des signaux recherchés, d'en déduire les informations pertinentes telles que la présence et/ou la vitesse et/ou la taille et/ou la concentration et/ou la densité d'aire interfaciale des interfaces dans un milieu fluide multiphasique en écoulement relatif par rapport au capteur.

Les modalités de mise en oeuvre du procédé sont indépendantes de la nature du milieu multiphasique (par exemple gaz/liquide ou liquide/liquide, ou même gaz/solide ou liquide/solide).

De même les modalités de mise en oeuvre du procédé de l'invention sont indépendantes du type de capteur utilisé.

Enfin, il est possible de traiter également des signaux délivrés par des capteurs doubles, souvent appelés bi-sondes (c'est-à-dire possédant deux têtes sensibles séparées d'une distance connue) : il faut alors mettre en oeuvre deux dispositifs d'analyse identiques ou, avec un dispositif d'analyse unique, traiter alternativement chacun des signaux.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit et dans laquelle on se réfère au dessin annexé sur lequel
- la figure 1 est un schéma synoptique très simplifié illustrant le déroulement du procédé de l'invention ; et
- la figure 2 est un exemple de courbe de réponse permettant de comprendre le procédé de la figure 1
- les figures 3, 4A, 4B, SA et 5B sont des courbes ou parties de courbe illustrant certains aspects du procédé de l'invention; et
- la figure 6 est une représentation d'un exemple concret de réponse susceptible d'être obtenu conformément à l'invention.

En se référant aux figures 1 et 2, pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention on commence (en 1 sur la fig. 1) par prédéterminer N niveaux d'amplitudes, ou fragments d'échantillonnage en amplitude, correspondant à des niveaux de tension électrique et repérés sur la Fig. 2 par F1, F2,..., FN ; de préférence pour simplifier les procédures ultérieures, les écarts entre les niveaux successifs ne sont pas égaux, comme cela apparaitra plus loin.

On mémorise également (en 2 sur la fig. 1) des informations relevées au cours d'essais d'étalonnage menés avec une sonde telle que celle qui sera utilisée pour la mesure : ces informations peuvent consister par exemple en des durées relatives et des formes caractéristiques de signaux obtenus lors de l'étalonnage avec un milieu multiplasique de même nature que celui de la mesure.

On met en place une sonde 3 (fig. 1) dans un milieu multiphasique à mesurer qui est en écoulement relatif (flèche 4) par rapport à ladite sonde 3. Le signal de sortie de la sonde, détecté et éventuellement traité (filtrage) en 5, est comparé en 6 aux N niveaux F1 à F et on en déduit n
N points P1, P2,...,Pn caractérisés par un écart d'amplitude (en valeur absolue) entre deux points consécutifs au moins égal à un pas élémentaire d'amplitude. Ces points Pl,...,Pn définissent n-1 fragments sur le signal, le premier fragment débutant avec le premier point Pl qui sort du bruit à l'instant tl.

On compare ensuite en 7 les points de mesure avec les données préalablement mémorisées en 2 : valeurs limites des niveaux relatifs, durées relatives des événements, formes type des signaux pour la sonde 3 utilisée,... A partir de cette comparaison on sélectionne en 8 un certain nombre de points P1, P4, P6, ...Pn considérés comme caractéristiques du passage d'une interface sur la sonde 3. On en déduit en 9 notamment les fronts et paliers caractéristique de la courbe de réponse fournie par la sonde au passage d'une interface, les informations recueillies pouvant être affichées et/ou imprimées en 10.

En pratique, on peut faire appel, pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention, à un processeur de signal (par exemple du type DSP 56 001 MOTOROLA) qui est capable d'effectuer l'acquisition des données et le traitement numérique de façon simultanée et en temps réel. Il est ainsi capable de caractériser des évènements de durée très variable, depuis des événements très longs jusqu'à des évènements très courts de l'ordre de quelques microsecondes, et cela de façon indépendante du type de sonde utilisée.

On va décrire maintenant de façon plus détaillée un exemple de processus de traitement qui est plus particulièrement bien adapté à l'analyse notamment des écoulements liquides à inclusions gazeuses ou d'écoulements gazeux contenant des goutelettes liquides.

On commence par une phase dite "d'apprentissage" qui permet, avant toute mesure, une détermination des niveaux de tension fournis par la sonde et caractéristiques des milieux en présence. Dans le cas d'un écoulement liquide contenant des inclusions gazeuses (bulles), le signal fourni par la sonde présente un niveau stable correspondant au contact de la sonde avec le fluide porteur seul (niveau dit "niveau liquide" VL dans le cas d'un écoulement liquide contenant des bulles gazeuses, ou bien "niveau gazeux" VG dans le cas d'un écoulement gazeux contenant des gouttelettes liquides): à ce niveau qui sert de référence est associé un bruit VB qui est quantifiable (bruit crête à crête autour du niveau moyen VL (ou VG) réputé stable).

La phase d'apprentissage consiste donc en une prédétermination du niveau stable VL (ou VG) et du niveau de bruit associé VB, ainsi qu'une prédétermination du niveau du (ou des) palier correspondant au milieu diffus dans l'écou- lement respectivement VG (ou VL). Sur la figure 3, on a schématisé le cas d'un écoulement liquide à bulles.

La phase de détection est décomposable en plusieurs étapes a) phase de détection du début d'un évènement.

Pour détecter le début ou démarrage d'un évènement (c'est-à-dire la venue d'une inclusion gazeuse en contact avec la sonde), on dira qu'un évènement est présent dès que le niveau instantané du signal fourni par la sonde excède le niveau liquide prédéterminé VL accru d'une fraction k1 du bruit prédéterminé VB, autrement dit dès que Y > VL + kl.VB.

Le coefficient k1 est un coefficient de sécurité qui peut avoir une valeur typique comprise entre 0,5 et 0,75. On détermine ainsi la date TA du premier point (point A) détecté de l'événement (début du contact de l'inclusion de gaz avec la sonde) survenant avec une amplitude Y > VL + kl.VB, comme montré à la figure 3.

b) phase d'échantillonnaghe en amplitude.

La détection d'un premier événement A déclenche la mise en oeuvre du processus d'échantillonnage en amplitude qui sert à analyser la forme de l'événement. Le pas de cet échantillonnage est déterminé en fonction des valeurs VL, VB, VG prédéterminées ci-dessus et selon les règles indiquées précédemment. En pratique, il faut respecter les contraintes suivantes - le pas d'échantillonnage doit être moindre qu'environ le
quart de la valeur VG - VL de manière que les indications
de temps et de durées soient suffisamment précises ; - le pas d'échantillonnage doit être supérieur à environ
0,75 VB pour que la détection soit à coup sûr effectuée
en dehors de la zone de bruit - la valeur du pas ne doit être choisir trop faible afin
d'éviter de surcharger le processeur de traitement des
informations et d'atteindre alors un temps de traitement
prohibitif : de façon typique, on prendra un pas supé
rieur à environ 5 % de la valeur VG - VL.

Le pas reste alors un paramètre ajustable à l'intérieur de ce pavé de contraintes.

Le premier niveau d'amplitude, ou premier fragment d'échantillonnage F1 coïncide avec le point A détecté précédemment. Dès que l'écart d'amplitude avec le fragment
F1 dépasse le pas prédéterminé, on atteint le fragment suivant F2 et l'on retient le premier échantillon de signal apparaissant dans ce fragment F2. Et ainsi de suite.

I1 faut noter que les écarts d'amplitude entre fragments successifs F+1 - Fi ne sont pas, de préférence, tous égaux, l'importance des écarts étant choisie en fonction de la fréquence d'échantillonnage et de la forme.

En particulier, des écarts importants peuvent être choisis dans des zones correspondant à des transitions (montée ou descente) brusques du signal tandis que des écarts faibles peuvent être retenus dans les zones de palier ou les zones de raccordement palier-transition du signal. I1 est ainsi possible d'établir un relevé de courbe avec une bonne précision à partir d'un nombre minimum de points de mesure.

La procédure d'échantillonnage se poursuit tant que le niveau du signal ne redescend pas en-dessous du seuil préfixé VL + klVB (par exemple VL + VB/2) en-dessous duquel le signal utile risque d'être noyé dans le bruit.

c) phase de détection de transitions significatives.

L'analyse de la réponse physique des capteurs montre que la mesure du temps de montée peut être représentative d'une mesure de vitesse à condition que la transition entre liquide et gaz soit complète, ou encore que le capteur soit suffisamment bien asséché. Pour trier les signaux propres à une mesure de vitesse, on recherche les signaux définissant un palier haut qui est relativement bien marqué, c'est-àdire qui soit relativement stable et suffisamment long. La mise en oeuvre de ces critères de sélection est facilitée par la procédure d'échantillonnage en amplitude.

En pratique, pour que la procédure puisse se dérouler en temps réel, on n'attend pas la fin de l'évènement pour tester le caractère significatif de la transition, et ce test est amorcé en cours même de relevé.

Un exemple de critère de sélection susceptible d'être mis en oeuvre dans le cadre de l'invention peut être le suivant. Durant la phase d'échantillonnage en amplitude, on calcule de façon continue la durée écoulée entre les deux derniers niveaux d'amplitude ou fragments détectés Fi et Fil, ainsi que la durée entre le dernier fragment défini Fi et le début détecté du signal F1 (point A). Si la durée entre les fragments Fi et Fil est supérieure à k2 fois (k2 étant un coefficient ajustable, de valeur typique 1 ou 2), on a alors détecté un palier significatif, et on lance la procédure de mesure de la transition. On comprend qu'il est possible d'engager à plusieurs reprises une procédure de mesure de transition, mais on ne prendra en compte qu'une seule valeur, qui sera celle correspondant à la durée Fi-FAl la plus grande.

Pour fixer les idées, on se reportera aux figures 4A et 4B qui montrent deux exemples : dans le cas d'un phénomène dont l'évolution est illustrée par la courbe de la figure 4A, on constate qu'en choisissant k2 = 1, il n'est pas possible de faire apparaître deux fragments Fi et Fil séparés par une durée supérieure à k2 fois (ici une fois) la durée en Fi et F1 : il n'est pas possible d'effectuer une mesure de durée de transition.

Par contre, dans le cas d'un phénomène évoluant comme illustré à la figure 4B, on peut effectuer une mesure de durée de transition à partir de F3 avec k2 = 1, ou bien à partir de F4 avec k2 = 2.

d) Procédure de mesure de la durée d'une transition.

Avant d'engager cette procédure, on s'assure que le niveau du palier courant (Fi - Fil) est suffisamment élevé et supérieur à un niveau de seuil Nivplat. Ce niveau de seuil est réglable et peut typiquement être pris égal à (VG - VL)/2. Ce contrôle permet de s'assurer de l'état d'assèchement de la sonde. Toutefois, ce critère n' est pas fondamental et peut ne pas être retenu.

La mesure de la durée de transition Tm s'effectue alors en recherchant les dates des points de la courbe situés à C% et D% de l'écart entre le niveau liquide VL et le niveau du fragment courant Fi - Fil, ce dernier étant déterminé par la moyenne arithmétique des niveaux du signal brut dans le fragment Fi - Fil. Les valeurs relatives C% et
D% des deux points extremes de la transition sont ajustables et doivent être choisis en correspondance avec les critères retenus pour l'étalonnage de la sonde utilisée : typiquement on prendra respectivement les valeurs 10 % et 90 % comme représenté à la figure 4B.

e) Procédure de détection de la fin d'un évènement.

A partir du dernier niveau d'amplitude ou fragment défini pour l'événement analysé, on définit, en remontant le temps, le point B de fin de bulles. Pour une forme de signal définie par plusieurs fragments (Fig. 5A), on recherche un point du signal situé au niveau k3 (VG-VL) ou encore k3 fois le niveau du fragment le plus élevé, k3 étant un coefficient ajustable qui est typiquement de l'ordre de 60 % à 70 8. Si la forme du signal n'est définie que par un seul intervalle
F1, F2, on identifie le point B au dernier fragment F2 (fig.

5B).

A la figure 6 on a représenté une exemple concret de relevé effectué conformément à l'invention, en mettant en oeuvre les procédures décrites ci-dessus. Sur cette figure, on a conservé les notations précédemment utilisées. Les points correspondent à l'échantillonnage temporel, tandis que les croix correspondent aux niveaux d'amplitude ou fragments. Les critères retenus sont les suivants
C = 10 %
D = 80 %
VG = 8,65
k1 = 1
k2 = 1
k3 = 0,70.

Les résultats obtenus sont les suivants
Tm = 9,8
Détection palier = 7,18
Niv. Fragment = 1,00
Comme il va de soi et comme il résulte déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus particulièrement envisagés ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Procédé de traitement, en temps réel et sans rejet, d'un signal électrique délivré par un capteur plongé dans un écoulement fluide multiphasique pour détecter des interfaces dudit fluide multiphasique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes qui suivent a/ on établit initialement (1) des niveaux d'amplitude

prédéterminés, b/ on détecte (6) en temps réel les instants respectifs où

l'amplitude du signal de sortie dudit capteur (3) corres

pond à des niveaux prédéterminés précités, c/ on compare (7) les points de mesure avec des données

préalablement mémorisées (2) sur les valeurs limites des

niveaux relatifs, sur les durées relatives des évènements

et des formes type des signaux susceptibles d'être

délivrés par le capteur, d/ on sélectionne (8), à partir de cette comparaison, des

événements considérés comme caractéristiques, du passage

d'une interface, e/ et on en déduit (9) des informations pertinentes sur une

interface présente dans l'écoulement fluide, ce grâce à quoi il est possible de détecter notamment la présence et/ou la vitesse et/ou la taille et/ou la concentration et/ou la densité d'aire interfaciale d'interfaces dans un milieu fluide multiphasique.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'à partir des évènements caractéristiques du passage d'une interface sélectionnés à l'étape d/, on en déduit les fronts et les paliers caractéristiques du signal de réponse du capteur au passage de l'interface.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les niveaux d'amplitude fragmentaire prédéterminés ne sont pas équidistants et sont relativement plus écartés dans la zone où se situent les transitions et relativement plus rapprochés dans la zone où se situe le palier.

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier niveau d'amplitude fragmentaire est situé au-dessus du niveau maximum de crête du bruit, et en ce que le point de mesure effectué sur ce premier niveau d'amplitude fragmentaire est considéré comme le début d'un évène- ment.

5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les pas de niveaux d'amplitude fragmentaire sont choisis de manière telle que

- les pas sont moindres qu'environ 0,25 (VG - VL),

VG étant le niveau gazeux et VL étant le niveau

liquide,

- les pas sont supérieurs à environ 0,75 VB, où VB

est l'amplitude du bruit,

- les pas sont supérieurs à environ 0,05 (VG-VL).

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on détecte une transition significative d'un évènement en mesurant si la durée entre deux niveaux fragmentaires consécutifs (Fi, Fil) est supérieure à un nombre entier k2 (kz = 1,2,...) fois la durée entre le dernier niveau détecté (Fi) et le début (TA) détecté de l'événement (F,).

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on engage successivement plusieurs procédures de détection de transition et en ce qu'on ne retient, en tant que transition significative, que la valeur correspondant à la durée entre niveaux successifs (Fi, Fil) la plus grande.

8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la mesure de la durée (Tm) de transition significative s'effectue en recherchant les dates des points situés à C% et D% de l'écart entre le niveau liquide (VL) et le niveau du fragment courant (Fi, Fi1).

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que, pour déterminer la fin d'un événement, on recherche un point situé au niveau k3 (VG-VL), k3 étant un coefficient ajustable, notamment de l'ordre de 0,6 à 0,7.