Capteur de débit non intrusif autonome en énergie et procédé de conversion d' énergie thermique en énergie électrique sur un réseau de transport de fluides mettant en œuvre un tel capteur

La présente invention relève du domaine des systèmes récupérateurs d'énergie (généralement désignés par l'expression « Energy Harvesting Systems » en anglais,) pour l'alimentation énergétique d'instrumentation et de petits systèmes.

Les systèmes électroniques présents dans le milieu industriel deviennent de moins en mois consommateurs d'énergie, durent de plus en plus longtemps et communiquent de plus en plus par des systèmes radiofréquences . Dans cette optique, l'autonomie énergétique des ces systèmes électroniques est un axe important d'amélioration qui est de plus en plus abordée. Aujourd'hui, leur alimentation est assurée soit par le secteur, soit par des piles. Ces solutions d'alimentation présentent un coût et des contraintes techniques de déploiement .

L'objectif aujourd'hui est de donner à des systèmes électroniques la capacité de fonctionner pendant des années sans intervention humaine. Les produits tendent pour la plupart vers la même philosophie « Installer et oublier » (plus connue en anglais sous l'expression « Install and Forget ») , l'équivalent du « Installer et jouer » (plus connue en anglais « Plug and Play ») des périphériques multimédias. Ces systèmes doivent dès leur installation s'intégrer dans leur environnement aussi bien du point de vue de la communication que de l'alimentation.

Les réseaux de transport de fluides ont la nécessité d'être instrumentés afin de mieux pouvoir les surveiller et ainsi le cas échant réaliser des interventions de maintenance préventive ou d'entretien. Les capteurs du type débitmètre permettent de mesurer les flux qui transitent au travers de ces réseaux de transport. La mesure réalisée peut être intrusive ou non, ce qui impacte le coût de l'installation ainsi que la consommation du système .

Les contraintes sont les suivantes :

d'un point de vue consommation :

o une mesure intrusive consomme peu,

o une mesure non intrusive par ultrason consomme beaucoup et nécessite d'être connectée au réseau électrique ;

d'un point de vue installation :

o une mesure intrusive nécessite une intervention sur la canalisation ce qui a un coût et nécessite l'arrêt de la tranche d'exploitation, ce qui ne peut pas toujours se faire ;

o une mesure par ultrason s'installe facilement à l'extérieur de la canalisation.

Le problème posé non résolu aujourd'hui est donc d'une part de trouver des mesures non intrusives et d'autre part de pouvoir utiliser des capteurs de mesure non intrusive qui puissent :

d'une part, s'installer facilement sans devoir nécessiter une connexion au réseau électrique, et

d'autre part qui fonctionnent à très long terme sans intervention humaine.

La débitmétrie non intrusive est connue de l'homme de l'art. Elle peut notamment être réalisée par des moyens optiques ou ultrasonores. Les méthodes optiques nécessitant une canalisation transparente, cette technique n'est que très peu exploitable dans le domaine industriel sans réaliser une intervention sur le réseau. Cela rendrait en plus cette technique intrusive.

En débitmétrie non intrusive, la méthode la plus utilisée actuellement met en œuvre des ultrasons. Le principe est le suivant : la vitesse de transmission d'un signal ultrasonore dépend de la vitesse d'écoulement du fluide. Un signal ultrasonore se déplace plus lentement à contresens que dans la direction du débit. Pour la mesure, des impulsions ultrasoniques sont envoyées alternativement dans les deux sens. La différence de temps de transit est mesurée et permet une détermination précise du débit.

Dans le cadre de la présente invention où il n'y a pas la possibilité d'une connexion au réseau électrique et une impossibilité d'intervenir sur la canalisation (obligation d'utiliser un débitmètre non intrusif ) , les seules solutions existantes répondant au problème posé sont nécessairement d'installer un débitmètre alimenté avec des piles, ou dans le pire des cas de ne pas installer de débitmètre.

Pour augmenter l'autonomie du dispositif, les solutions existantes peuvent être accompagnées de batteries d'alimentation rechargées grâce à l'énergie récupérée dans le milieu ambiant via un transducteur, ceci afin d'augmenter l'intervalle de temps entre deux périodes de maintenance.

Les solutions de débitmétrie non intrusives connues de l'homme du métier sont notamment celles développées dans les brevets et demande de brevet suivant :

• le brevet français FR2720839, qui concerne un vélocimètre laser à effet Doppler portable,

• le brevet français FR2767919, qui concerne un procédé de mesure de débit adapté aux effluents pétroliers formés de mélanges fluides multiphasiques pouvant comprendre de l'eau, du pétrole et du gaz, • le brevet français FR2616914, qui concerne un dispositif apte à réaliser indifféremment une analyse échographique ou débitmétrique par ultrasons,

• la demande de brevet européen EP0932029, qui concerne un débitmètre acoustique fluide comprenant des moyens de chronométrage pour déterminer les valeurs de temps de transit en aval et en amont de pulsations acoustiques transmises entre des transrécepteurs de signaux acoustiques pouvant être actionnés de manière alternative comme générateurs et comme récepteurs, à l'opposé de la direction du flux de fluide,

• la demande internationale WO 93/21500, qui concerne un procédé et un dispositif de débitmétrie acoustique permettant de mesurer le débit d'un gaz et /ou des quantités dérivés de celui-ci : on émet dans le tuyau de mesure des sons à ondes longues et on détecte les signaux sonores se propageant dans le gaz en aval et/ou en amont, au moyen de deux détecteurs soniques associés au tuyau de mesure et séparés l'un de l'autre par une distance donnée (L) , le débit (v) du gaz en écoulement dans le tuyau de mesure étant déterminé par corrélation desdits signaux sonores. Aujourd'hui, aucun système de mesure par débitmétrie non intrusive autonome en énergie n'existe. Les mesures de débitmétries autonomes en énergie sont toutes de nature intrusive.

Le fait de ne pas installer de débitmètre n'est pas une solution satisfaisante, car il y a alors un manque dans la surveillance des réseaux de transport de fluides. Ce manque d'informations ne permet pas l'exploitation de ce réseau de manière optimale et ne répond donc pas aux exigences modernes de gestion et d'exploitation d'un réseau .

Il est donc nécessaire d'installer un débitmètre non intrusif pour répondre au problème.

Seuls les débitmètres à ultrason répondent à cette contrainte dans l'état de la technique ; il est de plus obligatoire aussi, dans l'état de la technique, d'installer une alimentation par pile pour augmenter la durée d'autonomie énergétique de ces débitmètres. Celle-là présente cependant les inconvénients suivants :

La durée de vie du système, sans maintenance, dépend de la durée de vie des piles qui est liée à leur technologie, leur capacité en fonction de la consommation du système électronique, leur volume qui empêche de les installer lorsque la place disponible est réduite, et leur poids .

Le coût de la maintenance imposé par le remplacement répétitif régulier des piles durant tout le cycle de vie du système électronique : La durée de vie d'une carte électronique peut être de plusieurs dizaines d'années là où celle des piles dans l'état de la technique peut aller de plusieurs semaines à plusieurs années en fonction du volume disponible et du coût d'investissement supportable.

Par exemple dans un mode d ' implémentation, un débitmètre qui consomme en moyenne 1 Watt nécessite pour une durée de 15 jours d'autonomie énergétique :

une capacité de pile représentant une énergie de l'ordre de 475 Wattheure (1,7 Mégajoule) ;

un volume de 4 litres.

Une solution d'alimentation par pile nécessite tous les 15 jours un coût matériel non négligeable, sans compter le coût humain d'une intervention.

Or, la durée de vie du système d'alimentation énergétique sans maintenance est trop courte et dépend fortement de la capacité des piles installées. Il est impossible physiquement d'avoir à la fois un système compact à faible coût et de très grande durée de vie. Or il y a une contradiction entre le coût des piles, leur volume et la capacité électrique nécessaire à l'alimentation d'un système sur une longue durée.

Il subsiste donc le besoin de pouvoir mesurer le débit d'un fluide à l'aide d'un débitmètre non invasif, qui soit autonome en énergie.

Pour répondre à ce besoin, le demandeur a mis au point un capteur de débit associant un débitmètre non intrusif couplé à une solution de récupération d'énergie thermique et une réserve d'énergie.

Les réseaux de transport de fluides peuvent par exemple transporter des fluides chauds tels de la vapeur d'eau sous pression pouvant atteindre des températures supérieures à 100 °C. Ces flux chauds transportent en leur sein une quantité d'énergie thermique considérable. La différence de température entre ces canalisations et leur environnement est propice à la création d'un flux de chaleur qui se propage des canalisations vers leur environnement .

C'est ce flux de chaleur qui peut être récolté et converti en énergie électrique.

D'autres points chauds peuvent prétendre être source d'énergie thermique si leur température est différente de leur milieu ambiant. La surface d'un poêle à bois par exemple peut servir de point chaud. Le principe pour produire de l'électricité est ensuite le même : générer un flux thermique et le convertir en électricité.

Ce principe de récolter de l'énergie thermique présente sous la forme d'une différence de température est généralement désigné en anglais par l'expression « Energy Harvesting ». Cette source d'énergie est disponible en permanence et sa quantité dépend de la différence de température entre les canalisations et leur environnement c'est-à-dire l'air. Plus la différence de température est importante, plus l'énergie thermique récoltable est importante .

En comparaison avec une solution d'alimentation par pile, un capteur de débit selon l'invention qui associe une batterie avec un harvester d'énergie thermique offre les avantages suivants :

Autonomie énergétique de 5 ans ;

Coût d'investissement réduit ;

volume de 1,2 litre.

Capacité de batterie de l'ordre de 200 Wattheure (720 Kilo oule)

Un harvester produisant en moyenne 1,5 Watt.

La présente invention a donc pour objet un capteur de débit non intrusif pour mesurer les flux de fluides transitant dans un réseau de transport de fluides, ledit capteur étant autonome en énergie et comprenant :

un débitmètre,

un système récupérateur d'énergie thermique comprenant : o au moins un module de transduction d'énergie thermique, qui est soit un module Seebeck soit un module thermomécanique pour convertir un gradient thermique transitant entre un point chaud et un point froid en énergie électrique, ledit module reliant ledit point chaud et ledit point froid par un pont thermique, et o au moins un dissipateur d'énergie thermique, disposé sur ledit module de transduction d'énergie thermique pour maximiser le flux thermique entre le point chaud et son environnement et dont le flux traverse ledit module de transduction d'énergie thermique,

un système de régulation de tension amont pour transformer et transférer l'énergie électrique produite par ledit module de transduction d'énergie thermique vers un système de stockage d'énergie électrique, et

ledit système de stockage d'énergie électrique, qui est relié audit débitmètre via un régulateur de tension aval, ledit capteur étant caractérisé en ce que le point chaud est constitué par une canalisation dudit réseau transportant un fluide chaud, et

en ce que le débitmètre est non intrusif en étant placé à l'extérieur de ladite canalisation et en étant apte à émettre, entre ses deux extrémités, des ondes acoustiques ou électromagnétiques, dont la propagation dépend débit du fluide circulant au sein de la canalisation.

Le capteur de débit selon l'invention est une solution de récupération d'énergie ambiante, sous forme d'une différence de température. Elle permet :

de déployer des débitmètres non invasifs sur la totalité d'un réseau de fluides chauds ;

d'éviter d'utiliser une réserve d'énergie limitée sous la forme de pile et ainsi limite les opérations de remplacement de cette dernière ;

De manière avantageuse, la différence de température de la paroi extérieure de la canalisation transportant le fluide chaud avec le milieu environnant peut être supérieure à 3 C.

Dans un autre aspect de l'invention, la mesure et la récolte d'énergie peuvent aussi être réalisées sur deux réseaux différents. La source d'énergie récoltée peut être installée sur n'importe quelle source de chaleur.

À titre de débitmètres utilisables pour le capteur de débit selon l'invention, on peut notamment citer les débitmètres à ultrasons à temps de transit, les débitmètres à ultrasons Doppler, les débitmètres électromagnétiques, les débitmètres à radar Doppler, les débitmètres par mesure de temps de vol thermique, et les débitmètres par tomographie de rayons X.

La mesure de flux à l'ultrason permet une installation sur les canalisations durant leur exploitation ce qui évite des frais de travaux sur un réseau. Le système récupérateur d'énergie thermique du capteur de débit selon l'invention comprend au moins un module de transduction d'énergie thermique, qui relie un point chaud et un point froid par un pont thermique, et au moins un dissipateur d'énergie thermique, disposé sur ledit module de transduction d'énergie thermique.

La conversion d'énergie thermique en énergie électrique est réalisée à l'aide module de transduction d'énergie thermique. Pour récolter et stocker cette énergie, un module Peltier ou thermomécanique seul ne suffit pas. Il faut lui associer un système de stockage d'énergie électrique.

Un module de transduction d'énergie thermique est soit un module Seebeck (également connu sous la dénomination « module Peltier ») , soit un module thermomécanique.

Le nombre de modules de transduction d'énergie thermique dépend de la puissance nécessaire pour alimenter le débitmètre .

Au sens de la présente invention, on utilise les termes « modules Seebeck » : en effet, les termes « module Peltier » ou « module Seebeck » désignent le même module, mais leurs conditions d'utilisation sont différentes.

o Lorsque ce module est utilisé pour produire une

différence de température, à partir d'un courant électrique, on parle de module Peltier, car il utilise l'effet Peltier ;

o lorsque ce module est utilisé pour produire un courant électrique à partir d'une différence de température, on parle de module Seebeck, car il utilise l'effet Seebeck ;

Le pont thermique est un élément mécanique s 'adaptant à la fois à la forme du réseau de transport de fluides, ainsi qu'à la forme du module de transduction d'énergie thermique. Cette double adaptation permet une meilleure transmission par conduction de la chaleur du point chaud vers ledit module de transduction d'énergie.

Plus la semelle faisant office de pont thermique est en pression avec la surface de la source chaude (respectivement froide) , plus la température de la semelle sera proche de celle du point chaud (respectivement froide) . L'objectif est d'avoir une température de semelle la plus élevée possible, c'est-à-dire celle de la source chaude.

Préfèrent iellement , le système sera une semelle d'adaptation thermomécanique sur une canalisation.

De manière avantageuse, le dissipateur d'énergie thermique peut être :

• selon un premier mode de réalisation du capteur de débit selon l'invention, un radiateur refroidi par convection naturelle ou forcée, ou par rayonnement apte à dissiper la chaleur qui transite au travers du module de transduction d'énergie thermique, ou

• selon un deuxième mode de réalisation du capteur de débit selon l'invention, un conducteur thermique fonctionnant par conduction apte à dissiper la chaleur qui transite au travers du module de transduction d'énergie thermique.

Un dissipateur thermique permet de maximiser le flux thermique entre le module de transduction d'énergie thermique et la source froide (respectivement chaude) (par exemple de l'air qui l'entoure) . L'objectif est d'avoir une température du dissipateur la plus basse (respectivement la plus haute) possible, c'est-à-dire celle de la source froide (respectivement chaude) . Préfèrent iellement , ce système sera un radiateur .

À titre de systèmes de stockage d'énergie électrique utilisable pour le capteur de débit selon l'invention, on peut notamment citer les systèmes de stockage électrochimiques tels que les batteries et les supercapacités à double couche, et les systèmes de stockage physiques tels que les capacités, et les capacités à couche hybride.

Si l'on utilise une batterie à titre de système de stockage, elle est dimensionnée pour fonctionner en mode « floating » (la batterie est tout le temps chargée) et n'est utilisée que lors des pics de consommation du capteur. La batterie permet aussi d'alimenter le capteur lors des périodes où le réseau de transport est vide et qu'il n'y a plus de présence de chaleur.

La présente invention a encore pour objet un procédé de mesure de débit d'un fluide transitant dans un réseau de transport de fluides à l'aide d'un capteur de débit selon l'invention, dans lequel le système de stockage d'énergie électrique alimente en énergie électrique le débitmètre.

D'autres avantages et particularités de la présente invention résulteront de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux figures annexées :

- la figure 1 représente une vue schématique d'un exemple de capteur de débit selon l'invention,

- la figure 2 représente une vue détaillée en coupe du système récupérateur d'énergie du capteur de débit illustré sur la figure 1,

- la figure 3 représente une vue schématique en coupe du débitmètre 10 non intrusif du capteur de débit illustré sur la figure 1, le débitmètre 10 étant disposé à l'extérieur d'une canalisation en tant que source chaude (3) .

Les éléments identiques représentés sur les figures 1 à 3 sont identifiés par des références numériques identiques.

La figure 1 représente un capteur de débit 1 selon l'invention, comprend :

un débitmètre 10 non intrusif,

un système récupérateur d'énergie thermique (11) comprenant : o au moins un module de transduction d'énergie thermique 110, pour convertir en énergie électrique un gradient thermique transitant entre un point chaud 3 et un point froid,

o ce module 110 reliant le point chaud 3 et le point froid (environnement) par un pont thermique 111, et o un dissipateur d'énergie thermique 112, disposé sur le module de transduction d'énergie thermique,

o un système de régulation de tension amont 12 pour transformer et transférer l'énergie électrique produite par le module de transduction d'énergie thermique 110 vers

o un système de stockage d'énergie électrique 13, qui est relié au débitmètre 10 via un régulateur de tension aval 132.

La figure 2 représente de manière plus détaillée le système récupérateur d'énergie thermique 11 du capteur de débit 1 selon l'invention représenté sur la figure 1. Le point chaud 3 est ici constitué d'une canalisation d'un réseau transportant un fluide chaud. La canalisation 3 est en contact avec un pont thermique 111 réalisant un contact entre elle- même et le module de transduction d'énergie thermique 110 (qui est dans le cas illustré sur la figure 2 un module Seebeck) . Un dissipateur thermique 112, ici un radiateur, en contact avec le module Seebeck 110, permet de maximiser les échanges thermiques entre le module Seebeck 110 et son environnement 4 (constituant le point froid) .

Ainsi un flux thermique transite entre le point chaud 3 et le point froid 4 et une partie de ce flux est converti en électricité par l'intermédiaire du module Peltier 110.

La figure 3 représente de manière plus détaillée un débitmètre 10 non intrusif du capteur de débit 1 selon l'invention représenté sur la figure 1. La figure 3 montre que le débitmètre 10, placé à l'extérieur d'une canalisation constituant la source chaude 3, émet, entre ses deux extrémités, des ondes qui peuvent être acoustiques ou électromagnétiques. Leur propagation est influencée par le débit du fluide circulant au sein de la canalisation 3.