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WO2015091452A1 - Sonde de mesure de la conductivité à haute pression et haute température - Google Patents

Sonde de mesure de la conductivité à haute pression et haute température Download PDF

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WO2015091452A1
WO2015091452A1 PCT/EP2014/077917 EP2014077917W WO2015091452A1 WO 2015091452 A1 WO2015091452 A1 WO 2015091452A1 EP 2014077917 W EP2014077917 W EP 2014077917W WO 2015091452 A1 WO2015091452 A1 WO 2015091452A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
flange
measuring
electrode
fluid
probe according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2014/077917
Other languages
English (en)
Inventor
Jean-Christophe NUGUET
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.)
Areva SA
Original Assignee
Areva SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Areva SA filed Critical Areva SA
Publication of WO2015091452A1 publication Critical patent/WO2015091452A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • G01N27/06—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a liquid
    • G01N27/07—Construction of measuring vessels; Electrodes therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/22—Measuring resistance of fluids

Definitions

  • the present invention relates to a probe for measuring the conductivity at high pressure and high temperature, comprising:
  • an envelope internally delimiting a measurement chamber, the envelope having a first front opening surrounded by a first flange;
  • a second flange integral with the first electrode, the second flange being arranged vis-à-vis the first flange and having a second front opening coinciding with the first front opening;
  • This probe is intended to measure the conductivity, or the resistivity, of a solution between two electrodes.
  • An alternating voltage the frequency of which varies according to the conductivity of the medium, is applied to the electrodes. This results in the formation of a current between the two electrodes which is a function of the conductivity of the solution.
  • Calibration is performed using standard solutions that allow conductivity values to be matched with current measurements.
  • the measuring probe is equipped with a temperature sensor that compensates the conductivity as a function of temperature.
  • Such a probe is typically intended to be implanted in a circuit carrying a heat transfer fluid requiring a continuous or point measurement of the physicochemical characteristics of the fluid.
  • the measurement of the conductivity of a volume of fluid is performed by various techniques, the general principle of which is to contact two electrodes by means of a volume of fluid to be analyzed.
  • the various probes are classified by their general mechanical characteristics, that is to say the mechanical capabilities of a probe to be able to withstand the environment including mechanical stresses due to high pressures, thermal stresses favoring creep and corrosion of the electrodes or the combination of several aggressor effects that may affect the sealing system, the electrical insulators or the technique of connecting the supply and discharge circuits of fluids that can be heat-transferable.
  • the range of conventional conductivity probes does not support the severe operating conditions exceeding temperatures of 150 ° C and pressures above several tens of bars.
  • JPS63243743 discloses a probe developed to meet the measurement operating conditions of a fluid having a high temperature and pressure, designed a first tubular electrode and a second solid electrode, both concentric, arranged in a resistant chamber at high pressures.
  • the first electrode is attached to the second electrode by an intermediate piece, a cap, creating a degradable arrangement for extreme conditions of temperature and pressure.
  • An object of the invention is to obtain a probe capable of conducting conductivity measurements continuously or occasionally, in an extreme environment where the conditions reach a temperature of 350 ° C. and a pressure of 150 bars.
  • the subject of the invention is a probe of the aforementioned type, in which the probe further comprises a third flange secured to the second electrode and arranged opposite the second flange, and a rigid attachment of the first second and third flanges to each other.
  • the probe according to the invention may comprise one or more of the following characteristics, taken in isolation or in any technically possible combination:
  • the probe comprises an electrical insulator in the form of a ring between the second flange and the third flange;
  • the probe comprises a lid disposed vis-à-vis the third flange and a ring-shaped electrical insulation between the third flange and the cover;
  • first, second and third flanges are arranged in respective planes parallel to each other;
  • the attachment comprises a plurality of fixing members removably fixing the first, second and third flanges to each other;
  • the probe comprises an electrical insulator in the form of a ring between each fixing member and the second flange and / or between each fixing member and the third flange;
  • the first electrode comprises a tubular wall internally delimiting a central channel, the second electrode comprising a cylindrical rod engaged in the central channel;
  • the probe comprises an electrical insulator in the form of a sleeve interposed radially between the tubular wall and the rod;
  • the second electrode comprises a blind passage, bored in the cylindrical rod, the probe comprising a temperature sensor engaged in the blind passage;
  • the first and second electrodes are made of stainless steel, and in which at least respective surfaces facing the first and second electrodes have a surface coating of a noble metal;
  • the surface coating is advantageously carried out by a gold deposit
  • At least respective surfaces vis-à-vis the first and the second electrode have a surface condition having a roughness whose mean arithmetic difference (Ra) is greater than 1;
  • the probe comprises fluid supply and discharge connections opening into the measuring chamber, welded to the casing;
  • the probe comprises seals bearing temperatures greater than 150 ° C, at least between the first flange and the second flange and between the second flange and the third flange;
  • the probe comprises a sensor for measuring the temperature of the fluid in the measurement chamber, the probe comprising a control unit connected to the first and second electrodes and to the temperature measurement sensor, programmed to calculate the conductivity of the fluid in function; a potential difference between first and second electrodes and as a function of the fluid temperature measured by the measuring sensor.
  • the invention also relates to a method for measuring the conductivity of a fluid by a measuring probe comprising the following steps:
  • FIG. 1 is an overall perspective view of the probe for measuring the conductivity at high pressure and high temperature according to the invention
  • - Figure 2 is a sectional view of the conductivity measuring probe along a median axial plane 11-11 of Figure 1.
  • back to “front” is understood as the direction of flow of the fluid in the supply of the measuring probe.
  • the direction of the backward forward is represented along the central axis X from the bottom of the measuring chamber to the lid.
  • the direction towards the "outside” is understood as an orientation perpendicular to the central axis X, originating in the central axis X and moving away from it.
  • the probe 10 illustrated in FIG. 1 is intended for measuring the conductivity of a fluid at high pressure and high temperature.
  • probe is understood in the sense of the present invention as a measuring device equipped with a sensor performing a measurement of a physical quantity, in this case the electrical conductivity.
  • a present measuring probe is intended to be integrated in an operating line carrying a heat transfer fluid.
  • Electrical conductivity is the opposite of resistivity. This measurement is useful in driving an installation and informs the operator of the evolution of the coolant.
  • coolant fluid is understood to mean a fluid intended to carry heat energy, a fluid that can be compressed so as not to exceed a limit of boiling temperature, in particular a fluid that can be related to one another. to pressurized water, liquid sodium, molten salts.
  • a measurement probe 10 of the conductivity of a fluid comprises a casing 20 with a first flange 22, a first electrode 24 with a second flange 26, a second electrode 28 with a third flange 30 and a rigid attachment 32 of the first, second and third flanges 22, 26, 30 to each other.
  • the probe further comprises a cover 34 and an electrical insulation 36.
  • the casing 20 comprises a first tubular wall 38 and a bottom 40 closing a rear end 41 of the tubular wall 38, a first front opening 42 leaving a front end of the tubular wall 38 open.
  • the first flange 22 projects radially outwards with respect to the tubular wall 38.
  • the first flange 22 is integral with the front end 43 of the casing 20.
  • the section of the tubular wall 38 has in the example a circular section. Alternatively, the section of the tubular wall 38 may have other shapes including a quadrilateral section.
  • the tubular wall 38 has a central axis marked X in FIG.
  • the casing 20 internally delimits a measuring chamber 44.
  • the probe 10 comprises fluid supply and fluid evacuation connections 48, opening into the measuring chamber 44, and welded to the casing 20.
  • the connection fluid feed 46 is carried by the bottom portion 40 of the casing 20, preferably at the center coincide with the central axis X.
  • the discharge connection 48 of the fluid is carried by the tubular wall 38 of the casing 20.
  • the first tubular wall 38 is sized to withstand extreme conditions.
  • the radius of the measuring chamber 44 is between 29 and 31 mm and the thickness of the casing 20 is between 9 and 1 1 mm.
  • the first electrode 24 comprises a second tubular wall 50 delimiting a central channel 52, the central channel 52 having rear and front openings 54, 56 at both ends thereof.
  • the second flange 26 projects radially outwardly with respect to the second tubular wall 50.
  • the second flange 26 surrounds the second front opening 56.
  • the central channel 52 is coaxial with the central axis X and has a preferably circular section.
  • the first electrode 24 is made according to applications in stainless steel or platinum. Electrolytic deposition of a noble material or a superposition of materials (gold, nickel + gold, ...) can be performed on the stainless steel electrode to prevent the formation of an insulating oxide layer which could influence the measurement. If the electrode is made of platinum a platinum black deposit can be made to improve the quality of the signal.
  • a surface coating which covers the first electrode extends from the rear opening 54 to the second front opening 56, typically over a length of between 50 mm and 60 mm.
  • the inside diameter of the second tubular wall 50 is between 14 and 18 mm and the thickness of the second tubular wall 50 is between 1 and 3 mm.
  • the second electrode 28 comprises a cylindrical rod 58 which extends from the rear opening 54 to the front opening 56.
  • the second electrode 28 extends along the central axis X.
  • a blind passage 60 is bored in the center of the cylindrical rod 58 and the third flange 30.
  • the third flange 30 has the shape of a disc. The center of the disc is full.
  • the cylindrical rod 58 protrudes along the central axis X from the face of the disk facing rearwardly.
  • the third flange 30 is carried by the front end of the rod 58.
  • the second electrode 28 is made according to applications in stainless steel or platinum. An electrolytic deposit of a noble material or a superposition of materials (gold, nickel + gold, ...) can be performed on the stainless steel electrode, a platinum black deposit can be made on the electrode in platinum.
  • the specific surface coating that extends from the rear end to the front end of the second electrode 28 is between a length of 40 mm and 60 mm.
  • the measuring probe 10 advantageously has respective surfaces vis-à-vis the first and the second electrode 24, 28 having a surface coating produced by electroplating, for example a surface deposit of a precious metal such than gold.
  • the deposition zones on the first and second electrodes 24, 28 advantageously have a sanded surface state, having a roughness whose mean arithmetic difference (Ra) greater than 1 ( ⁇ ).
  • the diameter of the cylindrical rod 58 of the second electrode 28 is between 3 and 8 mm.
  • the measurement probe 10 comprises a temperature sensor
  • the temperature sensor 62 is depressed at the bottom of the blind passage so that the end of the temperature sensor is in contact with the metal of the second electrode, itself in contact with the solution in this zone.
  • the bottom of the blind passage should be placed close enough to the rear opening 54 at a distance of less than 5 mm.
  • the rigid attachment 32 of the first, second and third flanges 22, 26 and 30 to each other comprises a set of fasteners 63 passing through a set of bores 64 formed in the various parts held.
  • These fasteners are screws in the example shown. Alternatively, they are tie rods, or any other suitable fastener.
  • the fastener 32 is preferably made by means of at least 6 screws, providing a balanced angular distribution and preferably arranged on a circle with a radius greater than 90 mm.
  • the lid 34 is a solid cylindrical plate having a rear surface 65 facing the third flange 30 and a front surface 66.
  • the rear surface 65 has a number of threads 67 equal to the number of bores 64 formed in each of the first, second third flanges 22, 26 and 30.
  • the lid 34 also has one or more sealed passages for the power supply 68 of the first and second electrodes 24, 28 and for the lines 70 for transferring the conductivity and temperature data to a control unit 72.
  • the electrical insulation 36 comprises at least two ring-shaped electrical insulators 73, 74, a sleeve-shaped tubular electrical insulator 76 and a set of ring-shaped electrical insulators 78.
  • the ring-shaped electrical insulators 73, 74 more precisely have circular inner and outer contours, a front plane face and a rear plane face.
  • the diameter of the outer contour of the ring-shaped electrical insulators 73, 74 is concentric with that of the flanges 22, 26, 30 vis-a-vis.
  • the diameter of the inner contour is between 25 and 35 mm.
  • the tubular electrical insulator 76 is in the form of a tubular sleeve having a through central channel and an outer flange at one end of the sleeve.
  • the inner diameter is equal to that of the outer diameter of the second electrode 28.
  • the outer diameter of the tubular portion is smaller than the inside diameter of the second tubular wall 50 of the first electrode 24.
  • the diameter of the collar of the electrical insulation is greater than the inside diameter of the second tubular wall 50 of the first electrode 24 and remains smaller than the inside diameter of the ring-shaped electrical insulator 73.
  • the ring-shaped electrical insulators 78 are tubes having an inside diameter slightly greater than the diameter of the screw 32 and have a thickness of between 1 and 3 mm.
  • the set of electrical insulators 73, 74, 76 and 78 is made of polymer, advantageously in polyimides (Vespel type, meldin %), or for lower heat transfer fluid temperatures in PEEK or PTFE, or ceramic, advantageously alumina, silicon nitride, or glass (sapphire, quartz, ).
  • seals 84 The tightness of the assembly of the measuring probe 10 is achieved by seals 84, and advantageously by perfluorinated elastomer O-rings supporting temperatures higher than 320 ° C.
  • the first, second, third flanges 22, 26 and 30, the cover 34 and the two ring-shaped electrical insulators 73, 74 are coaxial with each other.
  • the first, second and third flanges 22, 26 and 30 are arranged in respective parallel planes. These planes are perpendicular to the X axis.
  • the lid 34 is disposed in a plane parallel to the flanges.
  • the first electrode 24 is engaged in the measurement chamber 44 through the first front opening 42.
  • the second flange 26 secured to the first electrode 24 is opposite and pressed against the first flange 22 of the envelope 20.
  • the front opening 56 of the central channel 52 is in register with the first front opening 42 of the casing 20, enabling the rod 58 of the second electrode 28 to be inserted therein.
  • the third flange 30 secured to the second electrode 28 is opposite the second flange 26 of the first electrode 24.
  • the first ring-shaped electrical insulator 73 and the flange of the tubular electrical insulator 76 extend in a plane perpendicular to the central axis X. They are interposed between the second flange 26 of the first electrode 24 and the third flange 30 of the second electrode 28.
  • the tubular electrical insulator 76 is fitted into the first electrode 24. It is interposed radially between the rod 58 and the tubular wall 50. It electrically isolates the rod 58 from the second tubular wall 50. It provides an additional function for guiding the rod 58 of the second electrode 28.
  • the second ring-shaped electrical insulator 75 is interposed between the third flange 30 and the cover 34.
  • the screws 63 pass right through the first, second, third flanges 22, 26 and 30 and the ring-shaped electrical insulators 73, 74 to fit into the threaded holes 67 formed in the cover 34.
  • the screws 63 are intended to axially tighten the assembly.
  • the clamping provides operational prestressing for sealing with the seals 84 disposed between the interfaces of the first and second flanges 22, 26, between the second flange 26 and the ring-shaped electrical insulator 74, between the third flange 30 and the ring-shaped insulator 73 and between the third flange 30 and the cover 34.
  • the cover 34 also allows the passage of the supply (not shown) of the electrodes 68 and 70 of the signal transfer cables.
  • the measurement probe 10 is integrated in a pipe containing a heat transfer fluid to be analyzed.
  • the calibration parameters specific to the measuring probe 10 have been entered at the control unit 72 which notably calculates the conductivity.
  • a set of valves (not shown) makes it possible to feed a fluid towards the measurement probe 10 or to deflect it in order to carry out a maintenance operation in particular.
  • the fluid flows to the supply 46 and is introduced into the measurement chamber 44, which it occupies entirely, especially between the first and second chambers. and second electrodes 24, 28.
  • the first and second electrodes 24, 28 are supplied with current.
  • the voltage between the electrodes is raised periodically or continuously. It is transmitted to the control unit 72 which is programmed to calculate the resistivity of the fluid by calculation.
  • the control unit 72 which is programmed to calculate the resistivity of the fluid by calculation.
  • the adjustment parameters of the calculation of the conductivity by the control unit 72 are readjusted in real time by the data transmitted by the temperature sensor. 62.
  • the measurement is carried out in real time or punctually.
  • the fluid flowing in the measurement chamber 44 is continuously evacuated by the evacuation 48 which makes it possible to inform in real time of the conductivity of the fluid and to follow its evolution during the operation of an installation.
  • the measurement probe 10 advantageously carries out measurements of the conductivity and temperature of a fluid present in the measurement chamber 44.
  • the measurement probe 10 integrates, for example, in a circuit for operating a heat transfer fluid.
  • the probe measuring device 10 is adapted to withstand extreme environments, fluids at high temperature and high pressure.
  • the measuring probe 10 withstands pressures greater than 10 bar, at temperatures above 150 ° C.
  • the fasteners 32 and the seals 84 seal the probe 10.
  • the measuring probe 10 is particularly robust and reliable and can endure severe industrial operating conditions for periods corresponding to the scale of the planes. maintenance of a production plant.
  • the measuring probe 10 also advantageously comprises a flange assembly without moving parts, particularly suitable for mounting and dismounting the measuring probe 10 during the preventive maintenance action.
  • the first and second electrodes do not respectively comprise a tubular wall and a rod, coaxial to each other.
  • the first and second electrodes comprise first and second flat plates, arranged vis-a-vis parallel to one another, inside the measuring chamber.
  • the first and second plates are secured respectively to the second and third flanges.
  • the respective surfaces facing the first and the second electrode have a surface coating of a noble metal.

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Abstract

Cette sonde de mesure de la conductivité d'un fluide, comprend: une enveloppe (20) délimitant intérieurement une chambre de mesure (44), l'enveloppe (20) présentant une première ouverture avant (42) entourée par une première bride (22); une première électrode (24) engagée dans la chambre de mesure (44) à travers la première ouverture avant (42); une deuxième bride (26) solidaire de la première électrode (24), la deuxième bride (26) étant agencée en vis-à-vis de la première bride (22) et présentant une seconde ouverture avant (56) en coïncidence avec la première ouverture avant (42); une seconde électrode (28) engagée dans la chambre de mesure (44) à travers la première ouverture avant (42) et la seconde ouverture avant (56). Une troisième bride (30) solidaire de la seconde électrode (28) est agencée en vis- à-vis de la deuxième bride (26), et une fixation (32) rigide maintient les première, deuxième et troisième brides (22, 26, 30) les unes aux autres.

Description

Sonde de mesure de la conductivité à haute pression et haute température
La présente invention concerne une sonde de mesure de la conductivité à haute pression et haute température, comportant :
- une enveloppe délimitant intérieurement une chambre de mesure, l'enveloppe présentant une première ouverture avant entourée par une première bride ;
- une première électrode engagée dans la chambre de mesure à travers la première ouverture avant ;
- une deuxième bride solidaire de la première électrode, la deuxième bride étant agencée en vis-à-vis de la première bride et présentant une seconde ouverture avant en coïncidence avec la première ouverture avant ;
- une seconde électrode engagée dans la chambre de mesure à travers la première ouverture avant et la seconde ouverture avant.
Cette sonde est destinée à mesurer la conductivité, ou la résistivité, d'une solution comprise entre deux électrodes. Une tension alternative, dont la fréquence varie en fonction de la conductivité du milieu, est appliquée sur les électrodes. Il en résulte la formation d'un courant entre les deux électrodes qui est fonction de la conductivité de la solution. Un étalonnage est réalisé à l'aide de solutions étalons qui permettent de faire correspondre des valeurs de conductivité aux mesures de courant réalisées. La sonde de mesure est équipée d'une sonde de température qui permet de compenser la conductivité en fonction de la température.
Une telle sonde est typiquement destinée à être implantée dans un circuit transportant un fluide caloporteur nécessitant une mesure en continue ou ponctuelle des caractéristiques physico-chimiques du fluide.
La mesure de la conductivité d'un volume de fluide est réalisée par différentes techniques dont le principe général est de mettre en contact deux électrodes au moyen d'un volume de fluide à analyser. Classiquement, les différentes sondes sont classées par leurs caractéristiques mécaniques générales, c'est-à-dire les capacités mécaniques d'une sonde à pouvoir résister à l'environnement notamment aux contraintes mécaniques dues à des pressions élevées, aux contraintes thermiques favorisant le fluage et la corrosion des électrodes ou encore à la combinaison de plusieurs effets agresseurs pouvant intervenir sur le système d'étanchéité, les isolants électriques ou encore sur la technique de raccordement des circuits d'alimentation et d'évacuation des fluides pouvant être caloporteurs.
Dans certaines conditions d'utilisation extrême, notamment pour des installations nucléaires, la gamme des sondes de conductivités classique ne supporte pas les conditions opératoires sévères dépassant des températures de 150°C et des pressions supérieures à plusieurs dizaines de bars.
Pour répondre à ces contraintes, de nombreuses solutions ont été conçues notamment des assemblages mettant en œuvre différentes techniques d'étanchéité, des isolants thermiques et électriques supportant des conditions d'opération ou des électrodes de forme notamment annulaire, lamellaire et cylindrique plus ou moins adaptées à laisser circuler un fluide dans une chambre de mesure.
JPS63243743 décrit une sonde développée pour répondre aux conditions d'opération de mesure d'un fluide ayant une température et une pression élevée, conçue d'une première électrode tubulaire et d'une seconde électrode pleine, toutes deux concentriques, disposées dans une chambre résistant aux pressions élevées.
Toutefois, la première électrode est fixée à la seconde électrode par une pièce intermédiaire, un capuchon, créant un agencement pouvant se dégrader pour des conditions extrêmes de température et de pression.
Un but de l'invention est d'obtenir une sonde capable de réaliser des mesures de conductivité en continu ou ponctuellement, dans un environnement extrême où les conditions atteignent une température de 350°C et une pression de 150 bars.
A cet effet, l'invention a pour objet une sonde du type précité, dans lequel la sonde comporte en outre une troisième bride solidaire de la seconde électrode et agencée en vis-à-vis de la deuxième bride, et une fixation rigide des première, deuxième et troisième brides les unes aux autres.
La sonde selon l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toute combinaison techniquement possible :
- la sonde comporte un isolant électrique en forme d'anneau entre la deuxième bride et la troisième bride ;
- la sonde comporte un couvercle disposé en vis-à-vis de la troisième bride et un isolant électrique en forme d'anneau entre la troisième bride et le couvercle ;
- les première, deuxième et troisième brides sont disposées dans des plans respectifs parallèles les uns aux autres ;
- la fixation comporte une pluralité d'organes de fixation fixant de manière démontable les première, deuxième et troisième brides les unes aux autres ;
- la sonde comporte un isolant électrique en forme de bague entre chaque organe de fixation et la deuxième bride et/ou entre chaque organe de fixation et la troisième bride ; - la première électrode comprend une paroi tubulaire délimitant intérieurement un canal central, la seconde électrode comprenant une tige cylindrique engagée dans le canal central ;
- la sonde comporte un isolant électrique en forme de manchon interposé radialement entre la paroi tubulaire et la tige ;
- la seconde électrode comprend un passage borgne, alésé dans la tige cylindrique, la sonde comprenant un capteur de température engagé dans le passage borgne ;
- la première et la seconde électrode sont en acier inoxydable, et dans laquelle au moins des surfaces respectives en vis-à-vis de la première et la seconde électrode présentent un revêtement de surface en un métal noble ;
- le revêtement de surface est avantageusement réalisé par un dépôt en or ;
- au moins des surfaces respectives en vis-à-vis de la première et la seconde électrode ont un état de surface ayant une rugosité dont l'écart moyen arithmétique (Ra) est supérieur à 1 ;
- la sonde comporte des raccords d'alimentation et d'évacuation de fluide débouchant dans la chambre de mesure, soudés à l'enveloppe ;
- la sonde comporte des joints d'étanchéité supportant des températures supérieures à 150°C, au moins entre la première bride et la seconde bride et entre la seconde bride et la troisième bride ;
- la sonde comporte un capteur de mesure de la température du fluide dans la chambre de mesure, la sonde comportant une centrale de commande raccordée aux première et seconde électrodes et au capteur de mesure de la température, programmée pour calculer la conductivité du fluide en fonction d'une différence de potentiel entre première et seconde électrodes et en fonction de la température du fluide mesurée par le capteur de mesure.
L'invention a également pour objet un procédé de mesure de la conductivité d'un fluide par une sonde de mesure comprenant les étapes suivantes :
- fourniture d'une sonde de mesure telle que défini plus haut ;
- circulation d'un fluide dans la sonde de mesure ;
- mesure de la conductivité du fluide.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue globale en perspective de la sonde de mesure de la conductivité à haute pression et haute température selon l'invention, - la figure 2 est une vue prise en coupe, de la sonde de mesure de la conductivité suivant un plan axial médian 11-11 de la figure 1 .
Dans tout ce qui suit, le sens de « l'arrière » vers « l'avant » se comprend comme le sens de circulation du fluide dans l'alimentation de la sonde de mesure. Le sens de l'arrière vers l'avant se représente suivant l'axe central X allant du fond de la chambre de mesure vers le couvercle.
Le sens vers « l'extérieur » se comprend comme une orientation perpendiculaire à l'axe central X, ayant pour origine l'axe central X et s'en éloignant.
La sonde 10 illustrée sur la figure 1 est destinée à la mesure de la conductivité d'un fluide à haute pression et haute température.
Le terme de « sonde » s'entend au sens de la présente invention comme un dispositif de mesure équipé d'un capteur réalisant une mesure d'une grandeur physique, dans le cas présent la conductivité électrique. Une présente sonde de mesure est destinée à être intégrée dans une conduite d'exploitation transportant un fluide caloporteur.
La conductivité électrique est l'inverse de la résistivité. Cette mesure est utile dans la conduite d'une installation et informe l'opérateur de l'évolution du fluide caloporteur.
Le terme de fluide « caloporteur » s'entend au sens de la présente invention comme un fluide destiné à transporter une énergie calorifique, un fluide pouvant être comprimé pour ne pas dépasser une limite de température d'ébullition, notamment un fluide pouvant s'apparenter à de l'eau pressurisée, du sodium liquide, des sels fondus.
Une sonde de mesure 10 de la conductivité d'un fluide comporte une enveloppe 20 avec une première bride 22, une première électrode 24 avec une deuxième bride 26, une seconde électrode 28 avec une troisième bride 30 et une fixation rigide 32 des première, seconde et troisième brides 22, 26, 30 les unes aux autres.
Dans l'exemple représenté sur la figure 2, la sonde comprend en outre un couvercle 34 et une isolation électrique 36.
L'enveloppe 20 comprend une première paroi tubulaire 38 et un fond 40 fermant une extrémité arrière 41 de la paroi tubulaire 38, une première ouverture avant 42 laissant une extrémité avant de la paroi tubulaire 38 ouverte. La première bride 22 fait saillie radialement vers l'extérieur par rapport à la paroi tubulaire 38. La première bride 22 est solidaire de l'extrémité avant 43 de l'enveloppe 20. La section de la paroi tubulaire 38 présente dans l'exemple une section circulaire. En variante, la section de la paroi tubulaire 38 peut présenter d'autres formes notamment une section quadrilatère.
La paroi tubulaire 38 présente un axe central noté X sur la figure 1 . L'enveloppe 20 délimite intérieurement une chambre de mesure 44. La sonde 10 comporte des raccords d'alimentation 46 de fluide et d'évacuation 48 de fluide, débouchant dans la chambre de mesure 44, et soudés sur l'enveloppe 20. Le raccord d'alimentation 46 du fluide est porté par la partie du fond 40 de l'enveloppe 20, préférentiellement au centre coïncident avec l'axe central X. Le raccord d'évacuation 48 du fluide est porté par la paroi tubulaire 38 de l'enveloppe 20.
La première paroi tubulaire 38 est dimensionnée pour résister à des conditions extrêmes. A titre d'exemple, pour une enveloppe 20 réalisée en acier inoxydable, le rayon de la chambre de mesure 44 est compris entre 29 et 31 mm et l'épaisseur de l'enveloppe 20 est comprise entre 9 et 1 1 mm.
La première électrode 24 comprend une seconde paroi tubulaire 50 délimitant un canal central 52, le canal central 52 présentant des ouvertures arrière et avant 54, 56 à ses deux extrémités. La deuxième bride 26 fait saillie radialement vers l'extérieur par rapport à la seconde paroi tubulaire 50. La deuxième bride 26 entoure la seconde ouverture avant 56.
Le canal central 52 est coaxial avec l'axe central X et présente une section de préférence circulaire.
La première électrode 24 est réalisée en fonction des applications en acier inoxydable ou en platine. Un dépôt électrolytique d'un matériau noble ou d'une superposition de matériaux (or, nickel + or,...) pourra être réalisé sur l'électrode en acier inoxydable pour éviter la formation d'une couche d'oxyde isolante qui pourrait influer sur la mesure. Si l'électrode est réalisée en platine un dépôt de noir de platine pourra être réalisé pour améliorer la qualité du signal.
Un revêtement de surface qui recouvre la première électrode, s'étend de l'ouverture arrière 54 vers la seconde ouverture avant 56, typiquement sur une longueur comprise entre 50 mm et 60 mm.
Préférentiellement, le diamètre intérieur de la seconde paroi tubulaire 50 est compris entre 14 et 18 mm et l'épaisseur de la seconde paroi tubulaire 50 est comprise entre 1 et 3 mm.
La seconde électrode 28 comprend une tige cylindrique 58 qui s'étend de l'ouverture arrière 54 à l'ouverture avant 56. La seconde électrode 28 s'étend selon l'axe central X. Un passage borgne 60 est alésé au centre de la tige cylindrique 58 et de la troisième bride 30. La troisième bride 30 a la forme d'un disque. Le centre du disque est plein. La tige cylindrique 58 fait saillie selon l'axe central X à partir de la face du disque orientée vers l'arrière. La troisième bride 30 est portée par l'extrémité avant de la tige 58. La seconde électrode 28 est réalisée en fonction des applications en acier inoxydable ou en platine. Un dépôt électrolytique d'un matériau noble ou d'une superposition de matériaux (or, nickel + or,...) pourra être réalisé sur l'électrode en acier inoxydable, un dépôt de noir de platine pourra être réalisé sur l'électrode en platine.
Le revêtement de surface spécifique qui s'étend de l'extrémité arrière vers l'extrémité avant de la seconde électrode 28 est compris entre une longueur de 40 mm et 60 mm.
Ainsi, la sonde de mesure 10 présente avantageusement des surfaces respectives en vis-à-vis de la première et la seconde électrode 24, 28 ayant un revêtement de surface réalisé par dépôt par galvanoplastie, par exemple un dépôt de surface en un métal précieux tel que l'or.
Les zones de dépôt sur la première et la seconde électrode 24, 28 présentent avantageusement un état de surface sablé, ayant une rugosité dont l'écart moyen arithmétique (Ra) supérieur à 1 (μηι).
Préférentiellement, le diamètre de la tige cylindrique 58 de la seconde électrode 28 est compris entre 3 et 8 mm.
Avantageusement, la sonde de mesure 10 comprend un capteur de température
62, engagé dans le passage borgne 60. Le capteur de température 62 est enfoncé au fond du passage borgne pour que l'extrémité du capteur de température soit en contact avec le métal de la seconde électrode, lui-même en contact avec la solution dans cette zone. Le fond du passage borgne doit être placé assez proche de l'ouverture arrière 54, à une distance inférieure à 5 mm.
La fixation rigide 32 des première, seconde et troisième brides 22, 26 et 30 les unes aux autres comprend un ensemble d'organes de fixation 63 passant par un ensemble d'alésages 64 ménagés dans les différentes pièces maintenues. Ces organes de fixation sont des vis dans l'exemple représenté. En variante, ce sont des tirants, ou tout autre organe de fixation adapté.
La fixation 32 est préférentiellement réalisée au moyen d'au moins 6 vis, en assurant une répartition angulaire équilibré et préférentiellement disposé sur un cercle de rayon supérieur à 90 mm.
Le couvercle 34 est un plateau cylindrique plein ayant une surface arrière 65 en regard de la troisième bride 30 et une surface avant 66. La surface arrière 65 présente un nombre de taraudages 67 égal au nombre d'alésages 64 ménagés dans chacune des première, deuxième, troisième brides 22, 26 et 30.
Le couvercle 34 comporte également un ou plusieurs passages étanches pour l'alimentation électrique 68 des première et seconde électrodes 24, 28 et pour les lignes 70 de transfert des données de conductivité et de température vers une centrale de commande 72.
L'isolation électrique 36 comprend au moins deux isolants électriques en forme d'anneau 73, 74, un isolant électrique tubulaire en forme de manchon 76 et un jeu d'isolants électriques en forme de bagues 78.
Les isolants électriques en forme d'anneau 73, 74 ont plus précisément des contours intérieur et extérieur circulaires, une face plane avant et une face plane arrière.
Préférentiellement, le diamètre du contour extérieur des isolants électriques en forme d'anneau 73, 74 est concentrique avec celui des brides 22, 26, 30 en vis-à-vis. Le diamètre du contour intérieur est compris entre 25 et 35 mm.
L'isolant électrique tubulaire 76 se présente sous la forme d'un manchon tubulaire ayant un canal central traversant et une collerette externe à une extrémité du manchon.
Préférentiellement, le diamètre intérieur est égal à celui du diamètre externe de la seconde électrode 28. Le diamètre extérieur de la partie tubulaire est inférieur au diamètre intérieur de de la seconde paroi tubulaire 50 de la première électrode 24. Le diamètre de la collerette de l'isolant électrique est supérieur au diamètre intérieur de la seconde paroi tubulaire 50 de la première électrode 24 et reste inférieur au diamètre intérieur de l'isolant électrique en forme d'anneau 73.
Les isolants électriques en forme de bagues 78 sont des tubes ayant un diamètre intérieur légèrement supérieur au diamètre de la vis 32 et ont une épaisseur comprise entre 1 et 3 mm.
L'ensemble des isolants électrique 73, 74, 76 et 78 est en polymère, avantageusement dans des polyimides (type Vespel, meldin...), ou pour des températures du fluide caloporteur inférieur en PEEK ou en PTFE, ou en céramique, avantageusement en alumine, en nitrure de silicium, ou en verre (saphir, quartz, ...).
L'étanchéité de l'assemblage de la sonde de mesure 10 est réalisée par des joints d'étanchéité 84, et avantageusement par des joints toriques en élastomère perfluorés supportant des températures supérieures à 320°C.
L'agencement de la sonde de mesure 10 selon l'invention, va maintenant être décrit.
Comme illustré à titre d'exemple sur la figure 1 , les première, deuxième, troisième brides 22, 26 et 30, le couvercle 34 et les deux isolants électriques en forme d'anneau 73, 74 sont coaxiaux entre eux.
Les première, deuxième, troisième brides 22, 26 et 30 sont disposés dans des plans respectifs parallèles entre eux. Ces plans sont perpendiculaires à l'axe X.
Le couvercle 34 est disposé dans un plan parallèle aux brides. La première électrode 24 est engagée dans la chambre de mesure 44 à travers la première ouverture avant 42.
La deuxième bride 26 solidaire de la première électrode 24 est en vis-à-vis et plaquée contre la première bride 22 de l'enveloppe 20.
L'ouverture avant 56 du canal central 52 est en coïncidence avec la première ouverture avant 42 de l'enveloppe 20, permettant d'y insérer la tige 58 de la seconde électrode 28.
La troisième bride 30 solidaire de la seconde électrode 28 est en vis-à-vis de la deuxième bride 26 de la première électrode 24.
Le premier isolant électrique en forme d'anneau 73 et la collerette de l'isolant électrique tubulaire 76 s'étendent dans un plan perpendiculaire à l'axe central X. Ils sont interposés entre la deuxième bride 26 de la première électrode 24 et de la troisième bride 30 de la seconde électrode 28. L'isolant électrique tubulaire 76 est emmanché dans la première électrode 24. Il est interposé radialement entre la tige 58 et la paroi tubulaire 50. II isole électriquement la tige 58 de la seconde paroi tubulaire 50. Il assure une fonction supplémentaire de guidage de la tige 58 de la seconde électrode 28. Le second isolant électrique en forme d'anneau 75 est interposé entre la troisième bride 30 et le couvercle 34.
Les vis 63 traversent de part en part les première, deuxième, troisième brides 22, 26 et 30 et les isolants électriques en forme d'anneau 73, 74 pour se loger dans les trous taraudés 67 ménagés dans le couvercle 34. Les vis 63 sont destinées à serrer axialement l'assemblage.
Le serrage assure une précontrainte de fonctionnement pour réaliser l'étanchéité avec les joints d'étanchéité 84 disposés entre les interfaces des première et deuxième brides 22, 26, entre la deuxième bride 26 et l'isolant électrique en forme d'anneau 74, entre la troisième bride 30 et l'isolant en forme d'anneau 73 et entre la troisième bride 30 et le couvercle 34.
Le couvercle 34 permet également le passage de l'alimentation (non représentés) des électrodes 68 et des câbles 70 de transfert du signal.
Un procédé de mesure de la conductivité mis en œuvre à l'aide de la sonde de mesure 10 selon l'invention, va maintenant être décrit.
Initialement, la sonde de mesure 10 est intégrée à une conduite contenant un fluide caloporteur à analyser. Les paramètres de calibration propre à la sonde de mesure 10 ont été renseignés à la centrale de commande 72 qui calcule notamment la conductivité. Un jeu de vanne (non représenté) permet d'alimenter un fluide vers la sonde de mesure 10 ou de le dévier en vue d'effectuer une opération notamment de maintenance.
Dans une configuration où ce jeu de vanne permet l'alimentation de la sonde de mesure 10, le fluide circule jusqu'à l'alimentation 46 et s'introduit dans la chambre de mesure 44, qu'il occupe entièrement, notamment entre les première et seconde électrodes 24, 28.
Les première et seconde électrodes 24, 28 sont alimentées en courant. La tension entre les électrodes est relevée périodiquement ou de manière continue. Elle est transmise à la centrale de commande 72 qui est programmée pour en déduire par calcul la résistivité du fluide. Comme les paramètres de calcul de la conductivité du fluide évoluent avec la température de la sonde de mesure 10, les paramètres de réglage du calcul de la conductivité par la centrale de commande 72 sont réajustés en temps réel par les données transmises par le capteur de température 62. Ainsi la mesure est réalisée en temps réel ou ponctuellement. Le fluide circulant dans la chambre de mesure 44 est continûment évacué par l'évacuation 48 ce qui permet d'informer en temps réel de la conductivité du fluide et d'en suivre son évolution au cours de l'exploitation d'une installation.
La sonde de mesure 10 réalise avantageusement des mesures de conductivité et de température d'un fluide présent dans la chambre de mesure 44. La sonde de mesure 10 s'intègre par exemple dans un circuit d'exploitation d'un fluide caloporteur.
Du fait que l'enveloppe 20 et les électrodes 24, 28 sont fixées les unes aux autres par des première, seconde et troisième brides 22, 26, 30 disposées en vis-à-vis et rigidement fixées les unes aux autres, alors la sonde de mesure 10 est adaptée pour supporter des environnements extrêmes, des fluides à haute température et à haute pression. Avantageusement, la sonde de mesure 10 résiste à des pressions supérieures à 10 bars, à des températures supérieures à 150°C.
Les fixations 32 et les joints d'étanchéité 84 assurent l'étanchéité de la sonde 10. La sonde de mesure 10 est particulièrement robuste et fiable et peut endurer des conditions d'exploitation industrielle sévères pendant des périodes correspondant à l'échelle des plans de maintenance d'une centrale de production.
La sonde de mesure 10 comprend aussi avantageusement un assemblage de brides, sans pièce mobile, particulièrement adapté pour le montage et le démontage de la sonde de mesure 10 au cours d'action de maintenance préventive.
Selon une variante de réalisation non représentée, les première et seconde électrodes ne comprennent pas respectivement une paroi tubulaire et une tige, coaxiales l'une à l'autre. Par exemple, les première et seconde électrodes comprennent des première et seconde plaques planes, disposées en vis-à-vis parallèlement l'une à l'autre, à l'intérieur de la chambre de mesure. Les première et seconde plaques sont solidaires respectivement des deuxième et troisième brides. Les surfaces respectives en vis-à-vis de la première et la seconde électrode présentent un revêtement de surface en un métal noble.

Claims

REVENDICATIONS
1 . - Sonde de mesure de la conductivité d'un fluide, comprenant :
- une enveloppe (20) délimitant intérieurement une chambre de mesure (44), l'enveloppe (20) présentant une première ouverture avant (42) entourée par une première bride (22) ;
- une première électrode (24) engagée dans la chambre de mesure (44) à travers la première ouverture avant (42) ;
- une deuxième bride (26) solidaire de la première électrode (24), la deuxième bride (26) étant agencée en vis-à-vis de la première bride (22) et présentant une seconde ouverture avant (56) en coïncidence avec la première ouverture avant (42) ;
- une seconde électrode (28) engagée dans la chambre de mesure (44) à travers la première ouverture avant (42) et la seconde ouverture avant (56) ;
caractérisée en ce que la sonde (10) comporte en outre une troisième bride (30) solidaire de la seconde électrode (28) et agencée en vis-à-vis de la deuxième bride (26), et une fixation (32) rigide des première, deuxième et troisième brides (22, 26, 30) les unes aux autres.
2. - Sonde de mesure selon la revendication 1 , comportant un isolant électrique en forme d'anneau (74) entre la deuxième bride (26) et la troisième bride (30).
3. - Sonde de mesure selon la revendication 1 ou 2, comportant un couvercle (34) disposé en vis-à-vis de la troisième bride et un isolant électrique en forme d'anneau (73) entre la troisième bride (30) et le couvercle (34).
4. - Sonde de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les première, deuxième et troisième brides (22, 26, 30) sont disposées dans des plans respectifs parallèles les uns aux autres.
5.- Sonde de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la fixation (32) comporte une pluralité d'organes de fixation (63) fixant de manière démontable les première, deuxième et troisième brides (22, 26, 30) les unes aux autres.
6.- Sonde de mesure selon la revendication 5, comportant un isolant électrique en forme de bague (78) entre chaque organe de fixation (63) et la deuxième bride (26) et/ou entre chaque organe de fixation (63) et la troisième bride (30).
7.- Sonde de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la première électrode (24) comprend une paroi tubulaire (50) délimitant intérieurement un canal central (52), la seconde électrode (28) comprenant une tige cylindrique (58) engagée dans le canal central (52).
8.- Sonde de mesure selon la revendication 7, comportant un isolant électrique en forme de manchon (76) interposé radialement entre la paroi tubulaire (50) et la tige (48).
9. - Sonde de mesure selon la revendication 7 ou 8, dans laquelle la seconde électrode (28) comprend un passage borgne (60), alésé dans la tige cylindrique (58), la sonde comprenant un capteur de température (62) engagé dans le passage borgne (60).
10. - Sonde de mesure selon les revendications précédentes, dans laquelle la première et la seconde électrode (24, 28) sont en acier inoxydable, et dans laquelle au moins des surfaces respectives en vis-à-vis de la première et la seconde électrode (24, 28) présentent un revêtement de surface en un métal noble.
1 1 . - Sonde de mesure selon la revendication 10, dans laquelle le revêtement de surface est avantageusement réalisé par un dépôt en or.
12.- Sonde de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle au moins des surfaces respectives en vis-à-vis de la première et la seconde électrode (24, 28) ont un état de surface ayant une rugosité dont l'écart moyen arithmétique (Ra) est supérieur à 1 .
13.- Sonde de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant des raccords d'alimentation (46) et d'évacuation (48) de fluide débouchant dans la chambre de mesure (44), soudés à l'enveloppe (20).
14.- Sonde de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant des joints d'étanchéité (84) supportant des températures supérieures à 150°C, au moins entre la première bride (22) et la seconde bride (26) et entre la seconde bride (26) et la troisième bride (30).
15. - Sonde de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant un capteur (62) de mesure de la température du fluide dans la chambre de mesure (44), la sonde comportant une centrale de commande (72) raccordée aux première et seconde électrodes (24, 28) et au capteur de mesure de la température, programmée pour calculer la conductivité du fluide en fonction d'une différence de potentiel entre première et seconde électrodes (24, 28) et en fonction de la température du fluide mesurée par le capteur de mesure (62).
16. - Procédé de mesure de la conductivité d'un fluide par une sonde de mesure (10) comprenant les étapes suivantes :
- fourniture d'une sonde de mesure (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes ;
- circulation d'un fluide dans la sonde de mesure (10) ;
- mesure de la conductivité du fluide.
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