Brevet FR2005187A1 — publié le 19691205

L'invention concerne un dispositif de mesure de la vitesse d'objets produisant une dipersion optique, au moyen d'un rayonnement électromagnétique cohérent et par application de l'effet Doppler. L'expérience montre qu'il est très difficile de mesurer la vitesse de courants de particules, dans un écoulement à deux phases constituées par des gouttelettes et de la vapeur par exemple, car la mesure doit s'effectuer sans contact mécanique et sans perturbation. On a donc mis au point au cours des dernières an nées des procédés bases sur le principe suivant utilisation pour la mesure de vitesse du décalage Doppler de fréquence produit par la dispersion sur un corps mobile. La mise en oeuvre de ces procé- dés exige toutefois que la lumière dispersée soit cohérente. Des sources optiques à fluides excitables ou lasers peuvent émettre des rayons cohérents dans le spectre optique. Dans l'un de ces procédés, deux rayons primaires con vergent sur ltobjet à mesurer et chacun des est dispersé avec un décalage de fréquence. Lorsque deux composantes de lumière dispersée et de fréquence différente sont superposées9 leur fré- quence de battement est proportionnelle à la composante de vites- se, située dans le plan des deux rayons primaires et perpendiculaires à leur bissectrice. Le procédé est décrit ci-dessous à l'aide de la figure 1. Un diviseur optique 2 sépare le rayon cohérent 1 émis par un laser à gaz en deux rayons convergents 3 et 3t. L'objet à mesurer 4 se déplace à la vitesse v dans le sens de la flèche. Les deux rayons 3 et 3' convergent de façon à se cou per à ltemplacement de l'objet à mesurer 4. La lumière dispersée comprend ainsi deux composantes de fréquence fl et f2, Un calcul simple montre que le décalage de fréquence relatif des deux ra yons dispersés est =#f1 = #f2 = ### cos# sin ## Lorsque les deux composantes de la lumière dispersée sont superposées et enregistrées dans le récepteur 5 > il apparat une fréquence de battement nf, a étant l'angle de convergence des deux rayons primaires. La formule ci-dessus montre que le décalage de fréquence est indépendant du point d'observation, qu'il est ainsi possible de choisir de façon à obtenir les conditions optimales d'intensité.Un oscillographe monté en ayal du récepteur 5 permet dtenregistrer facilement les battements. angle de con- vergence du montage de mesure est détermin é aves une grande pré- cision une fois pour toutes, de sorte que la mesure de vitesse n'exige plus que la détermination de la fréquente de battement, indépendante de l'emplacement. Une lunette @ met de fixer le point de mesure. L'invention a pour objet un dispositif qui accroSt la précision de mesure et permet a réaliser un montage simple et maniable, et par suite d'obserter @llement ainsi même des objets peu accessibles. Le diviseur de rayonnement doit satisfaire aux conditions suivantes pour donner un pouvoir de résolution élevé a) Le volume du point de mesure doit être aussi faible que possible pour des mesures locales. b) Les rayons divisés doivent eAtre totalement polarisés et de même intensité, et présenter les mêmes di directions de pola risation. c) La différence de marche optique des deux rayons divi sC-s doit être nulle ou égale à un multiple emtier de la longueur du résonateur du laser, dans la mesure où ce @@rnier émet divers modes axiaux. L'invention satisfait à ces conditions, Selon une particularité essentielle de l'invention, le rayonnement à polari- sation circulaire est divisé par un prisme de rochon en deux rayons divergents à polarisation linéaire, It direction de polarisation d'un rayon divisé est déviée de 90 et des moyens opti- ques sont prévus pour faire converger les deux rayons divisés. La convergence des deux rayons divisés peut entre produite par des miroirs disposés de façon appropriée, une lentille ou un système de lentilles. D'autres objets et avantages de A'@nvention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous et des dessins sur lesquels la figure 1, précédemment décrite, est le schéma du procédé; les figures 2 et 3 sont le schéma de deux exemples de réalisation du dispositif de mesure selon l'invention; la figure 4 est le schéma dtun exemple de réalisation permettant de réduire terreur de parallaxe dans une large mesure ; et les figures 5 et 6 illustrent la suppression simple des signaux lumineux parasites. Le trajet des rayons sur les figures 2 et 3 est identique jusqu'à la convergence des rayons divisés. La rayon cohérent 20, 30, émis de nouveau par un laser à gaz par exemple, est dirigé sur une lame A/4 21, 31 pour produire la lumière à polarisation circulaire. La lame V 4 peut être supprimée si le rayonnement présente déjà une polarisation circulaire. Le prisme de Rochon produit les deux rayons divisés 23, 23t ou 33, 33'. Sur le trajet d'un rayon divisé, par exemple le rayon divisé 23 à la figure 2, se trouve une lame t 2 24 qui fait tourner le plan de polarisation de ce rayon de 900, de sorte que les directions de polarisation des rayons divisés 23, 23' sont parallèles. La lame #/2 34 de la figure 3 a la même action. Le trajet des rayons est ensuite déterminé à la figure 2 par un montage approprié de miroirs. I1 est indiqué par les flèches sur les figures. Les rayons divisés sont réfléchis par le miroir 25 et, après une nouvelle réflexion sur un miroir 26 ou 27, convergent au point de mesure 4. Le miroir 25 peut également être remplacé par deux miroirs individuels ajustables. Ltangle d'incidence doit être aussi faible que possible afin que la réflexion ne produise aucune influence supplémentaire sur la polarisation des rayons divisés. Cette condition est satisfaite par l'adaptation de l'angle de divergence, au moyen dtune géométrie appropriée des miroirs. Des miroirs ajustables permettent de faire varier l'angle de convergence. I1 est possible de remplacer les miroirs plans par des miroirs concaves quand une focalisation des rayons est nécessaire. Les distances focales nécessaires se déterminent alors facilement, de façon connue. Dans la réalisation selon la figure 3, une lentille 35 ou un prisme fait converger les rayons divisés 33, 33t au point de mesure 4. On utilise de façon connue une lentille ou un système de lentilles corrigées, satisfaisant aux conditions imposées. La translation de la lentille ou l'insertion d'un système de lentilles permet de faire varier l'angle de convergence. Une focalisation supplémentaire des rayons s'obtint dans exemple de réalisation selon la figure 3 par l'insertion de lentilles additionnelles sur leur trajët. L'invention a également pour objet un récepteur de rayonnement muni d'un dispositif d'ajustage et permettant une fixation simple et parfaite du point de mesure. Selon une autre particularité de l'invention, ltop- tique de réception est solidaire du récepteur de rayonnement et une partie du rayonnement rendu parallèle par ladite optique est déviée sur la lunette de visée. I1 y a avantage à disposer le miroir déflecteur sur l'axe optique du système. L'observation par une fenêtre éli- mine alors dans une large mesure terreur de parallaxe. La figure 4 illustre un exemple de réalisation en ce sens. Le point de mesure 4 se trouve au foyer d'une lentille 42, de sorte queles rayons 43 partant de ce point sont parallèles à leur entre dans le récepteur de rayonnement 44. La lunette de visée 45 est montée sur un support rigide 46, perpendiculairement à l'axe optique de l'optique de réception. La lunette de visée est constituée de la façon habituelle par un dépoli à réticule, situé au foyer de l'oculaire. Un miroir déflecteur 47 dévie une partie du rayonnement parallèle vers la lunette de visée. Un point de mesure mis au point au foyer de l'objectif correspond alors au point de mesure déterminé devant le récepteur de rayonnement. Le montage selon l'invention donne un dispositif récepteur ajustable, permettant des mesures parfaites même en cas dtobservation par une fenêtre dtun courant de particules mobiles dans une canalisation. I1 est souvent pratiquement impossible de ne diriger sur un récepteur, de grande surface pour des raisons d'inten- sité, que les rayons provenant du point de mesure 4 désiré de la figure 1. Les points lumineux voisins du point de mesure envoient aussi un rayonnement sur le récepteur par optique de réception. Ces signaux lumineux parasites se traduisent par une réduction de la sensibilité. L'invention a également pour objet la suppression simple des signaux lumineux parasites précités. Selon une autre particularité de l'invention, un redresseur optique, disposé entre l'objet à mesurer et le récep- teur-de rayonnement, est constitué par de nombreux tubes dont la surface interne absorbe le rayonnement, et une lentille con vergette est placee devant le redresseur optique. A la figure 5, le point de mesure 4 se trouve au foyer de la lentille convergente 52. Les rayons 51 provenant du foyer pénètrent dans le récepteur de rayonnement 53 sous forme d'un faisceau parallèle. le redresseur optique 54 se trouve selon ltia vention entre la lentille 52 et le recepteur de rayonnement 53. La figure 6 est une vue en perspective dgun redresseur optique9 constitué par de nombreux tubes parallèles. Cette disposition at ténue fortement la lumière émise par les points autres que le point de mesure. L'effet de redressement est dtautant plus interne se que le diamètre des tubes est plus faible et leur longueur plus grande. La production correcte de tubes ayant un diamètre intérieur de 1 mm et une longueur de 10 mm est encore possible pratiquement. La paroi interne des tubes peut être noircie par exemple par du graphite en suspension, de sorte qu'il n'y a pratiquement pas de réflexion sur les parois, REVENDICATIONS lo Dispositif de mesure de de vitesse objets produisant une dispersion optique au moyen d'un rayonnement électromagnétique cohérent et par application de l'affet Doppler, dans lequel deux rayons primaires convergent sur l'objet à mesurer, chacun d'eux étant dispersé avec décalage de @réquence, et deux composantes de lumière dispersez et de fréquence cfférente sont superposées et donnent une fréquence de battomeent proportionnelle à la composante de vitesse située daris le pla, des deux rayons primaires et perpendiculaire à leur bissect @@@, ledit disposi- tif étant caractérisé en ce que des moyens optiques sont prévus devant l'objet à mesurer pour accroître le pouvoir de résolution et derrière cet objet pour améliorer le réglage et supprimer les signaux parasites. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractrisé en ce qu'un prisme de rochon divise le rayonnement on deux rayons divergents à polarisation linéaire, la directle@@ de polarisation d'un rayon divisé est déviée de 90 et des moyens koptiques sont prévus pour faire converger les deux rayons di@isés. 3. Dispositif selon les revendications t et 2, caractérisé en ce que les deux rayons divisés divergents sont réfléchis par un miroir plan commun, perpendiculaire au sens d'incidence du rayon non divisé, puis convergent après avoir été réfléchis cha cun par un autre miroir plan 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une focalisation des rayons individuels es ostenue par l'em- ploi de miroirs concaves au lieu des miroirs plans. 5. Dispositif selon les revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que la position relative des miroirs c-û ttangle de divergence des rayons divisés sont adaptés de fa con que la réflexion soit pratiquement perpendiculaire. 6. Dispositif selon les revendications L et 2, caractérisé en ee que la convergence des deux rayons divisés est produite par un système optique réfractif. Dispositif selon la revendication 1, saractérisé en ce que l'optique de réception est solidaire du récepteur de rayonnement et une partie du faisceau, rendu parallèle par optique de réception, est déviée sur une lunette de visée 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé ce que les rayons sont déviés par un miroir disposé sur le trajet du faisceau parallèle. 9. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les rayons sont dévies par une lame diviseuse, disposée sur le trajet du faisceau parallèle. 10. Dispositif selon revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que le miroir ou la lame diviseuse est disposé sur l'axe optique du système. 11. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ceQu'un redresseur optique est disposé entre ltobjet à mesurer et le récepteur de rayonnement, et constitué par de nombreux tubes parallèles dont la face interne absorbe le rayonnement, et qu'unie lentille convergente est placée devant le redresseur optique.