Développement d'un système pour la mesure du taux de vide dans un écoulement diphasique par une méthode utilisant des micro-ondes

La mesure du taux de vide est un paramètre important dans de nombreux secteurs industriels. Que ce soit pour prévenir le phénomène de flux de chaleur critique dans les tubes caloporteurs de centrales thermiques, l'explosion de poches de gaz remontant aux plates formes pétrolières ou encore la présence de bulles dans des cathéters médicaux, la connaissance du taux de vide est un paramètre déterminant dans nombres d'applications aussi diverses que variées. Plusieurs techniques de mesure intrusives et non intrusives ont été développées ces dernières décennies utilisant la différence des propriétés physiques des fluides lorsqu'ils se trouvent à l'état liquide ou gazeux. Certaines de ces techniques ne sont pas toujours possibles à mettre en place à cause de restrictions dans la géométrie et les propriétés des canaux d'écoulement ou de normes de règlementation limitant leur utilisation. Nous proposons dans ce travail une nouvelle technique non intrusive de mesure de taux de vide d'un écoulement diphasique basé sur la réflexion d'ondes électromagnétiques à l'interface eau-air d'un mélange. La réflexion des ondes est induite par un changement de l'impédance du milieu de propagation. L'impédance est fonction des propriétés diélectriques de ce milieu. Les caractéristiques physiques de l'eau et de l'air étant distinctes, on peut calculer le coefficient de réflexion complexe à l'interface d'un milieu diphasique. Dans cette optique, une modélisation mathématique de la réponse d'une onde électromagnétique dans un tube contenant un mélange diphasique a été faite en utilisant le modèle des lignes de transmission, applicable aux fréquences micro-ondes que nous utilisons. Les effets de la quantité d'air dans l'eau ainsi que la position des bulles dans la section du tube (configuration de l'écoulement) ont été simulées. Il a été montré que la phase de l'onde réfléchie était sensible à la position de bulles dans la section de tube et que la norme du coefficient de réflexion variait en fonction du taux de vide de l'écoulement. Dans un second temps, nous avons conçu et construit un système de réflectomètre sixports fonctionnant à la fréquence de 2.45 GHz. Ce système permet le traitement et le calcul du coefficient de réflexion de l'onde réfléchie par rapport à l'onde incidente. Un réseau six-ports, une antenne de type ‘patch', un générateur d'onde, et un amplificateur ont été simulés à l'aide des logiciels ADS et HFSS. Ces composants ont été ensuite construits en utilisant la technologie des micro-rubans sur substrat diélectrique, puis l'ensemble du réflectomètre a été étalonné à 6 fréquences distinctes proches de 2.45 GHz. Pour ce faire, on a utilisé des

Abstract

The measurement of the void fraction is an important parameter in many industrial fields. Whether it is to prevent the phenomenon of critical heat flux in heat tube of thermal power plants, the explosion of gas pockets in oil rigs' pipes or to detect bubbles in medical catheters, the knowledge of the void fraction can be a key parameter in many diverse applications. Several invasive and non-invasive measurements techniques have been developed these last decades and are based on the difference between the physical properties of liquid and gas. Some of these techniques are not always possible to implement due to restrictions in the geometry of tubes or regulatory standards limiting their use. Throughout this work we propose a new non-invasive void fraction measurement technique based on the reflection of electromagnetic waves on the water-air interface of the mixture. The reflection of electromagnetic wave is induced by a change in the impedance of the propagation medium. The impedance is function of the dielectric properties of the medium. The characteristics of air and water being distinct, it is possible to calculate the complex reflection coefficient at the interface of a double phase mixture. To this end, mathematical modeling of the response of an electromagnetic wave in a tube containing a two phase mixture was made using the model of transmission lines, applicable to microwave frequencies we use. The effects of the amount of air in water and the position of the bubbles in the section of the tube were simulated. It was shown that the phase of the reflected wave was sensitive to the position of bubbles in the tube's section and that the magnitude of the reflection coefficient varied with the mixture's void fraction. Subsequently, we designed and built a six-ports reflectometer operating at 2.45 GHz. This system allows the processing and calculation of the reflected wave from the incident wave. A six-ports network, a patch antenna, a wave generator and an amplifier were simulated using HFSS and ADS software. They were then built using the technology of micro-strips on dielectric laminates and the entire system was then calibrated at 6 different frequencies near 2.45 GHz. To this end, we used 4 and 5 loads calibration algorithms that gave us calibrated results with less than 2 % errors. Afterwards, the system was implemented: the antenna was placed tangent to the wall of a vertical tube and connected to the six-ports which was connected to a computer recording and