FR3012608A1 - Sonde optique pour ecoulement biphasique - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un sonde optique (1) comportant : un guide optique (12) ; une gaine (3) entourant le guide optique ; une pointe conique (4) en saphir, de base (44) circulaire, montée à une extrémité du guide optique ; un tube de liaison (32) dans lequel est engagée la pointe et dont elle dépasse par ses deux extrémités (42, 44) ; et un corps (7) cylindrique dans lequel est engagé le tube et dont une extrémité est engagée dans un fourreau (33) ménagé à une extrémité de la gaine (3).

Description

B12890 1 SONDE OPTIQUE POUR ECOULEMENT BIPHASIQUE Domaine La présente description concerne de façon générale les systèmes d'analyse de grandeurs caractéristiques d'un écoulement biphasique et, plus particulièrement, une sonde optique apte à fournir des signaux permettant de déterminer de telles grandeurs. Exposé de l'art antérieur Pour déterminer des grandeurs caractéristiques d'un écoulement biphasique, on utilise généralement des sondes optiques qui utilisent les propriétés de réflexion et de transmission par l'interface entre deux phases du milieu suivant la valeur de leurs indices de réfractions respectifs. La sonde se termine par une pointe conique destinée à être disposée dans l'écoulement biphasique.

Un exemple de sonde optique et de système de détermination de grandeurs caractéristiques d'un écoulement biphasique est décrit dans le document WO-A-2009/138634 (B8839). De plus en plus, on cherche à réaliser des sondes optiques pour écoulement biphasique sous la forme d'une pointe20 B12890 2 conique en saphir dont la base est raccordée à l'extrémité d'une fibre optique. Un problème lié à la réalisation de sondes optiques et de systèmes de mesure d'écoulement biphasique est l'étanchéité à 5 l'interface entre la pointe et la conduite d'écoulement dans laquelle elle est placée. Résumé Un objet d'un mode de réalisation est de proposer une sonde optique à pointe en saphir, qui pallie tout ou partie des 10 inconvénients des sondes usuelles. Un autre objet d'un mode de réalisation est de proposer un mécanisme de montage et d'assemblage d'une pointe d'une sonde optique. Ainsi, on prévoit une sonde optique comportant : 15 un guide optique ; une gaine entourant le guide optique ; une pointe conique en saphir, de base circulaire, montée à une extrémité du guide optique ; un tube de liaison dans lequel est engagée la pointe 20 et dont elle dépasse par ses deux extrémités ; et un corps cylindrique dans lequel est engagé le tube et dont une extrémité est engagée dans un fourreau ménagé à une extrémité de la gaine. Selon un mode de réalisation, un joint est intercalé 25 entre le fond du fourreau et l'extrémité libre d'un rétrécissement du corps. Selon un mode de réalisation, l'interface entre la pointe et la fibre est située à l'intérieur du corps. Selon un mode de réalisation, la gaine et le corps 30 sont en inox. Selon un mode de réalisation, le tube est en un alliage à base de titane. Selon un mode de réalisation, l'étanchéité entre la pointe et le tube est assurée par une soudure réalisée sous 35 vide.

B12890 3 Selon un mode de réalisation, l'étanchéité entre le corps et le tube et entre la gaine et le corps est assurée par des soudures externes. Un mode de réalisation prévoit également un procédé de 5 détermination de grandeurs caractéristiques d'un écoulement biphasique exploitant un signal représentatif d'un flux lumineux réfléchi par une sonde optique, comportant au moins une étape de détermination à l'apparition d'un créneau dans ce signal, de la durée de ce créneau par comparaison du niveau d'un signal 10 électrique par rapport à un seuil. Un mode de réalisation prévoit également un système de détermination de grandeur caractéristique d'un écoulement biphasique, comportant : au moins une sonde optique ; 15 au moins une interface optique ; et un dispositif de traitement d'au moins un signal fourni par un photo-détecteur de l'interface. Brève description des dessins Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, 20 seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 représente, de façon très schématique, un exemple de système de détermination de grandeurs d'un écoulement 25 biphasique ; la figure 2 est une vue en coupe d'un mode de réalisation d'une sonde optique ; les figures 3A et 3B illustrent un mode de réalisation d'un procédé d'exploitation de signaux fournis par une sonde 30 optique ; et la figure 4 représente, de façon très schématique, un exemple de réalisation d'un circuit de détection. Description détaillée De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes 35 références aux différentes figures. Par souci de clarté, seuls B12890 4 les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation qui vont être décrits ont été représentés et seront détaillés. En particulier, l'interprétation et l'exploitation des mesures n'ont pas été détaillées, les modes de réalisation 5 décrits étant compatibles avec les outils usuels d'interprétation et d'exploitation de mesures dans un écoulement biphasique. De plus, les différents types d'écoulement auxquels peuvent s'appliquer les modes de réalisation décrits n'ont pas non plus été détaillés, ces modes de réalisation étant là encore 10 compatibles avec toute application usuelle d'une sonde optique de détermination de grandeurs dans un écoulement biphasique. La figure 1 représente, de façon très schématique, un exemple de système de détermination de grandeurs caractéristiques dans un écoulement biphasique, par exemple le taux de 15 présence, la vitesse d'écoulement, la taille de bulles de gaz g dans une phase liquide ou de gouttes d'une phase liquide dans une autre phase liquide (par exemple, des gouttes d'eau dans de l'huile), etc. Dans cet exemple, le système utilise une sonde 1 formée d'un guide optique 12, typiquement une fibre optique, et 20 d'une pointe 4, typiquement une pointe en saphir ayant une extrémité libre tronconique. Une première extrémité de la fibre 12 est raccordée, par un connecteur optique (non représenté), à un boîtier 2. Ce boîtier 2 comporte une source de lumière 21 destinée à émettre de la lumière au départ de la fibre 12 à 25 destination de la pointe 4. Dans cet exemple et de façon schématique, une lame semi-transparente 23 est associée au trajet lumineux de façon à renvoyer, vers des photorécepteurs 25, le flux réfléchi par la fibre optique 12. La pointe 4 est rapportée par sa base 44 contre l'autre extrémité de la fibre 12 30 et une gaine 3 entoure la fibre et sa jonction à la pointe 4, en laissant libre une extrémité tronconique 42 de la pointe 4. La pointe 4 est destinée à être placée dans l'écoulement biphasique à mesurer. En pratique, la pointe 4 est généralement placée dans un tube ou conduit 16 dans lequel s'écoule le fluide, la 35 traversée de la paroi du conduit 16 s'effectuant par B12890 l'intermédiaire d'un élément d'étanchéité 14. Les signaux récupérés par le photorécepteur 25 sont, le cas échéant après prétraitement, transmis à un dispositif de traitement 5, par exemple de type micro-ordinateur pourvu d'une unité centrale 51 5 et de périphériques d'entrée/sortie (par exemple un écran 53, un clavier 55, une souris 57, etc.). Lorsqu'une bulle g gazeuse (ou d'un liquide différent du liquide principal présent dans le tube 16) est "embrochée" par l'extrémité de la pointe 4, la modification sur la lumière 10 sortant de la fibre optique est liée à la variation d'indice du milieu entre le liquide et le gaz. La diminution d'indice entre forme liquide et forme gazeuse provoque une brusque élévation de la quantité de lumière réfléchie, captée par les photo-détecteurs 25. Une fois que la bulle quitte la pointe, la 15 quantité de lumière réfléchie revient à son état de repos. L'analyse des signaux fournis par la sonde permet de déterminer, par exemple, la taille des bulles g, la vitesse de l'écoulement (symbolisée par la flèche F en figure 1), etc. Le cas échéant, une deuxième pointe similaire est 20 placée dans l'écoulement pour déterminer d'autres grandeurs, par exemple, la vitesse de d'écoulement. Par ailleurs, l'orientation de la pointe dans le conduit peut être différente de celle illustrée en figure 1 (par exemple, oblique ou parallèle à l'écoulement). 25 Pour des applications à haute pression et haute température, on préfère utiliser des pointes en saphir plutôt que des pointes en verre traditionnel qui ne peuvent être collées que par un lien optique qui ne supporte pas des pressions et températures élevées. 30 Toutefois, notamment en raison de ces pressions et températures élevées, l'étanchéité qui doit être assurée entre la pointe et sa gaine, ainsi que la réalisation de la liaison entre la pointe et l'extrémité de la fibre optique pose problème.

B12890 6 Une difficulté particulière des sondes à haute pression (pouvant excéder la centaine de bars) et à haute température (pouvant excéder la centaine de degrés Celsius) est qu'il n'est généralement pas possible de coller la pointe à la fibre optique. Une autre difficulté réside dans le fait que la gaine 3 est généralement en inox. Or, la pointe 4 en saphir n'est pas soudable directement sur l'inox. Ainsi, on prévoit un montage particulier de la pointe en saphir pour réaliser la sonde 1.

La figure 2 est une vue en coupe d'un mode de réalisation d'une sonde optique 1. Dans un premier temps, on forme une pointe en saphir. La forme du cône 42 de la pointe a, par exemple, un angle au sommet de quelques dizaines de degrés, par exemple entre 10 et 30 degrés. La pointe 4 est assemblée sur un tube de liaison 32 d'une longueur telle que la partie tronconique 42 ressort du tube 32 vers la pointe et que la base 44 ou partie arrière de la pointe 4 dépasse du tube. Le tube 32 est en un alliage à base de titane qui présente la caractéristique de pouvoir être soudé au saphir. On réalise alors une soudure annulaire sous vide 62 de l'extrémité avant du tube 32 autour de la pointe 4, cette extrémité avant étant destinée à être en contact avec l'écoulement.

Côté gaine 3, l'extrémité avant 122 de la fibre 12 dépasse de l'extrémité avant de la gaine qui définit un manchon ou fourreau 33. Ce manchon 33 est destiné à recevoir l'extrémité arrière d'un corps 7 dans la partie avant duquel est monté le tube de liaison 32. L'interface 13 entre la fibre 12 et la pointe 4 se trouve au niveau du corps 7. Le corps 7 définit un épaulement interne 74, approximativement à mi-longueur, dont le diamètre externe est supérieur à celui de la fibre, de sorte que sa partie arrière est d'un diamètre susceptible de recevoir, avec faible jeu, la fibre optique 12 et que son extrémité avant reçoive le tube 32. L'extérieur de la partie arrière du corps 7 B12890 7 forme un rétrécissement 76 apte à s'engager dans le manchon 33 de la gaine 3. Un joint 64 est intercalé entre le fond du fourreau 33 et le rétrécissement 76. Ce joint est par, exemple, un joint torique métallique de type cuivre ou aluminium.

Une fois le corps 7 équipé de la pointe, engagé dans la gaine 3, on réalise des soudures annulaires 66 et 68 respectivement à l'interface entre le corps 7 et le tube 32 qui en dépasse vers l'avant et entre l'extrémité libre du fourreau 33 et le rétrécissement 76.

La gaine 3 est typiquement du même matériau que le corps 5 c'est-à-dire de préférence en inox. Un avantage de la sonde 1 de la figure 2 est qu'elle rend faisable l'utilisation d'une pointe en saphir dans des applications hautes pressions et hautes températures tout en 15 respectant les besoins d'étanchéité. A titre d'exemple particulier de réalisation, on pourra réaliser une sonde telle qu'illustrée en figure 1 avec les dimensions suivantes : diamètre de la pointe 4 : entre 100 et 800 20 micromètres, de préférence de l'ordre de 400 micromètres ; longueur de la pointe 4 : entre 100 et 1000 micromètres ; diamètre de la fibre 12 : entre 400 micromètres et 2 millimètres ; 25 longueur du tube de liaison 32 : entre 100 et 1000 micromètres ; longueur du corps 7 : entre 5 et 25 millimètres ; longueur du rétrécissement 76 : entre 1 et 100 millimètres. 30 Le traitement des signaux produits par le dispositif 2 est généralement effectué de façon statistique en raison du grand nombre de bulles présent dans l'écoulement. On pourra par exemple utiliser un système de traitement tel que décrit dans le document FR-A-2744526.

B12890 8 Selon un autre exemple préféré, plutôt que de détecter la durée des impulsions présentes sur le signal S, ce qui nécessite un échantillonnage haute fréquence, on prévoit de comparer le niveau du signal électrique correspondant à un seuil TH, de façon à détecter respectivement les fronts montants et les fronts descendants dans le signal. Les figures 3A et 3B sont des chronogrammes illustrant des exemples de signaux traités par le système de la figure 1. La figure 3A illustre un exemple d'allure du signal S électrique fourni par le photo-détecteur 25. La figure 3B illustre un exemple de signal B représentatif des bulles traversées par la pointe 4 dans l'écoulement après détection. La figure 4 illustre de façon très schématique l'exemple d'un comparateur 7 dont les entrées respectives 15 reçoivent un signal électrique S' fonction du signal optique et un seuil TH. La sortie du illustré en figure 3B dont bulles dans l'écoulement. L'interprétation comparateur fournit le signal B les impulsions représentent les et le traitement des signaux fait 20 ensuite appel à des techniques usuelles. Divers modes de réalisation ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, la nature des soudures inox/inox 66 et 68 et de la soudure titane/inox 62 constitue un exemple. De plus, la mise en 25 oeuvre pratique des modes de réalisation décrits est à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus. En particulier, les dimensions données aux différents éléments dépendent de l'application et notamment de la taille (longueur et diamètre) de la pointe et du diamètre de 30 la fibre optique. En outre, bien que l'on ait fait référence à une fibre optique 12 pour réaliser le média de transfert de la lumière du boîtier 2 à la pointe, d'autres guides optiques pourront être utilisés.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1. Sonde optique (1) comportant : un guide optique (12) ; une gaine (3) entourant le guide optique ; une pointe conique (4) en saphir, de base (44) circulaire, montée à une extrémité du guide optique ; un tube de liaison (32) dans lequel est engagée la pointe et dont elle dépasse par ses deux extrémités (42, 44) ; et un corps (7) cylindrique dans lequel est engagé le 10 tube et dont une extrémité est engagée dans un fourreau (33) ménagé à une extrémité de la gaine (3).
2. 2. Sonde selon la revendication 1, dans laquelle un joint (64) est intercalé entre le fond du fourreau (33) et l'extrémité libre d'un rétrécissement (76) du corps (7). 15
3. 3. Sonde selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle l'interface (13) entre la pointe (4) et la fibre (12) est située à l'intérieur du corps (7).
4. 4. Sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la gaine (3) et le corps (7) sont en inox. 20
5. 5. Sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle le tube (32) est en un alliage à base de titane.
6. 6. Sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle l'étanchéité entre la pointe (4) et le tube 25 (32) est assurée par une soudure (62) réalisée sous vide.
7. 7. Sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle l'étanchéité entre le corps (7) et le tube (32) et entre la gaine (3) et le corps (7) est assurée par des soudures (66, 68) externes. 30
8. 8. Procédé de détermination de grandeurs caracté- ristiques d'un écoulement biphasique exploitant un signal (S) représentatif d'un flux lumineux réfléchi par une sonde optique (1) conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, comportant au moins une étape de détermination à l'apparitionB12890 10 d'un créneau dans ce signal, de la durée de ce créneau par comparaison du niveau d'un signal électrique par rapport à un seuil (TH).
9. 9. Système de détermination de grandeurs caracté5 ristiques d'un écoulement biphasique, comportant : au moins une sonde optique (1) conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 8 ; au moins une interface optique (2) ; et un dispositif de traitement (5) d'au moins un signal 10 fourni par un photodétecteur de l'interface optique.