Brevet FR2090379A1 — publié le 19720114

La présente invention concerne la mesure de la vitesse de déplacement de bulles de gaz dans un tube parcouru par un liquide transparent, par exemple de l'eau, et la réalisation d'un dispositif pour cette mesure. On connaît un procédé de mesure par capacité électrique 5 selon lequel on place deux couples d'électrodes, ayant une surface importante le long de l'écoulement à deux places,et qui sont séparés l'un de l'autre d'une distance suffisante pour permettre la détermination de la vitesse. Mais de par sa nature même, ce procédé ne peut donner des valeurs exactes en raison du trop grand volume intéressé; par ailleurs, la distance de référence 10 ne peut être ni trop petite du fait de l'encombrement des électrodes, ni trop grande car elle entraînerait des imprécisions dues à la variation de vitesse des bulles. De plus, ce procédé nécessite un appareillage complexe et la présence des électrodes au sein du milieu à deux phases peut altérer la vitesse même de l'écoulement. 15 On connaît également le procédé dit d'absorption qui consiste à faire traverser, par des radiations neutroniques ou des rayons X, le tube parcouru par l'écoulement à deux phases; la variation de densité du rayonnement due à la différente absorption du milieu est enregistrée par un compteur ou photomultiplicateur. 20 Ce procédé nécessite également un appareillage très complexe, très cher et difficile à manipuler à cause du danger d'irradiation; sa sensibilité générale est très dépendante de la faible variation de densité de l'écoulement par rapport au niveau de densité de l'ensemble traversé par les rayonnements, c'est-à-dire tube plus milieu en écoulement. 25 L'invention remédie à ces inconvénients, et a pour objet, un appareil qui permet une détermination précise de la vitesse de déplacement de bulles de gaz dans un régime d'écoulement à deux phases dans le tube. Selon une caractéristique du dispositif de l'invention^ deux générateurs de lumière, émettant diamétralement, à travers le tube, 30 un rayonnement ayant une section très inférieure à celle du tube, sont disposés à une distance axiale déterminée du tube, en regard d'éléments photo-électriques recevant les rayons, ces deux éléments émettant chacun un train d'impulsions et les deux trains étant injectés dans un dispositif de traitement réalisant une corrélation entre ceux-ci. 35 Dans une réalisation préférée de l'invention, ce dispositif comporte un analysateur d'impulsions dites temps de vol qui est alimenté à son entrée dite déclencheur par le train venant de l'élément en amont du tube et à son entrée dite signal, par le train venant de l'élément en aval du tube. 71 19544 2090379 Selon une caractéristique particulière du dispositif, les émetteurs de lumière sont constitués par des conducteurs flexibles de lumière en fibres optiques de verre. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description 5 qui va suivre d'un exemple préféré de mise en oeuvre, et des dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est un schématisé du principe de l'appareil et du montage utilisé; la figure 2 est un schéma du trajet parcouru par la lumière; et 10 la figure 3 est une vue en élévation latérale, avec des parties coupées du dispositif, indiquant la réalisation pratique de la transmission de la lumière à travers un tube opaque. Le tube 1 représenté sur la figure 1 est parcouru par un liquide 2 qui entraîne, dans le sens des flèches, des bulles 3 de gaz. 15 Des rayonnement lumineux 4 et 5 traversent diamétralement le tube en deux endroits séparés par' la distance d. Le tube 1 peut être transparent à la lumière, par exemple en verre ou en acier ou encore un autre matériau résistant dans le cas d'un tube sous pression. Dans ce dernier cas, à l'entrée et à la sortie des rayons sont agencés>sur le tube, deux petits passages 20 transparents à la lumière et étanches au liquide. A la sortie du tube, les rayons sont reçus par deux éléments photo-électriques 6 et 7, par exemple deux phototransistors. Une bulle interceptant le rayon 4 entraîne une variation d'intensité de la lumière, due à la réfraction de celle-ci sur la surface de la bulle et est à l'origine de l'émission d'une impulsion électrique en 6. 25 Cette impulsion déclenche l'ouverture d'un analysateur multicanal 8 schématisé à temps de vol, ayant par exemple une largeur de 64 ^us.pour chaque canal. Une impulsion émise en 7, due à une bulle qui traverse le rayon 5, entre dans 1'analysateur dans un certain canal, correspondant à un retard par rapport à l'impulsion qui a déclenché l'analysateur, et est mémorisée. 30 A la fin d'un cycle d'analyse, déterminé par le nombre des canaux et par leur largeur en temps, il faut attendre le passage d'une autre bulle à travers 4 pour déclencher de nouveau 1'analysateur, et toutes les bulles qui traversent le rayon 5, après l'ouverture de 1'analysateur, y sont mémorisées, selon leur retard de temps. 35 On peut arrêter les mesures après un certain temps T, dans lequel on a N impulsions dues à 6 et Ni impulsions emmagasinées dans le ème canal ( = 1,2-K.) caractérisé par sa largeur /\*T" et son retard V- 71 19544 3 2090379 10 15 20 25 30 35 Si on appelle P la probabilité d'une impulsion en 7 dans AT à l'instant TT après le déclenchement en 6 ci) p c'O = c + p rc ) ou C représente la moyenne des impulsions en 7 et f"(TT) représente la corrélation entre l'impulsion d'ouverture et les impulsions en 7. On peut écrire alors : Ni = N . P (T.) . ATT Ni = N [o + rct.7]. AT (2) Le produit NC. ax donne le niveau constant et le produit N . r at contient l'information recherchée. Le diagramme de la figure 1, où les temps sont portés en abscisses et les impulsions de 7 en ordonnées, représente le résultat de la mesure. La vitesse moyenne VT des bulles est donnée par le rapport d/Lo, d étant la distance séparant les rayons 4 et 5 et "fo la position du maximum de la courbe des impulsions Ni. Les deux rayons de lumière utilisés sont des rayons laser ayant 1 mm de diamètre. L'utilisation de rayonnement laser n'est pas indispensable, une autre source de lumière ayant une grande intensité, un grand parallélisme et un rayon de petit diamètre, peut être utilisée. La distance d entre les deux rayons peut être modifiée. La durée de la mesure dépend de la population et fréquence des bulles. Après quelques secondes de mesure, on a déjà le profil de la courbe qui devient plus net avec la prolongation du temps de mesure. Si ce temps est augmenté, le profil de la courbe ne varie pas beaucoup et la position du maximum ne change pas. Le rayonnement de la source 9 de lumière (figure 2) traverse la plaque 10 de la polarisation, dans le cas d'utilisation du Laser, et à la sortie du prisme 11 les deux rayons 4 et 5 sont dirigés dans deux conducteurs flexibles 12 et 13 de lumière à fibres de verre, raccordés à l'entrée dans le tube. A la sortie du tube (figure 3) deux autres conducteurs 14 et 15, en fibres de verre, transmettent les variations des impulsions lumineuses aux éléments photoélectriques 6 et 7. A l'entrée et à la sortie du tube, les conducteurs de lumière sont raccordés optiquement au tube par des corps cylindriques en verre 18, 19, 20 et 21 respectifs. Cette solution est adoptée lorsque la température d'environnement du tube est supérieure à 100°C; dans le cas où cette température est inférieure à 100°C les éléments photosensibles 6 et 7 peuvent être situés directement 71 19544 4 2090379 à la place des corps en verre 20 et 21. Les impulsions électriques émises par les photo-éléments 6 et 7 sont amplifiées et leur profil élaboré par un metteur en forme d'impulsions dit "puise shaper" pour la discrimination du front de l'impulsion, avant d'être envoyé dans 1'analysateur, de façon à considé-5 rer les impulsions d'aiguille, comme schématisé à la figure 1, en 16 et 17. Cet analysateur est un ar.alysateur de temps de vol, lequel est en corrélation avec des impulsions venant sur une entrée dite déclencheur avec des impulsions venant sur une autre entrée 'dite signal par leurs coordonnées respectives de temps. 10 Les formateurs d'impulsions assurent en principe une différen- tiation du signal, venant des éléments photo-électriques, ainsi qu'une discrimination de polarité de sorte qu'ils livrent des impulsions d'aiguille d'une polarité qui ne correspond qu'aux pentes positives ou (au choix) négatives du signal d'origine. Ce choix permet, outre la mesure de vitesse 15 par la corrélation croisée des pentes d'un sens (positif ou négatif ) des (feux signaux, la mesure de la grandeur des bulles en assurant la corrélation des trains d'impulsions correspondant l'un aux pentes positives et l'autre aux pentes négatives. Ces deux trains peuvent être dérivés d'un seul élément photo-électrique ou bien des deux éléments. 20 II est évident que des variantes et modifications peuvent être apportées à la réalisation décrite, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. 71 195^4 2090379 REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la détermination de la vitesse de déplacement de bulles dans un régime de milieu transparent à deux phases en écoulement dans un tube ayant un diamètre très supérieur au diamètre moyen des bulles, ce dispositif étant caractérisé en ce que deux émetteurs lumineux, émettant 5 diamétralement à travers le tube des rayonnements ayant une section très inférieure à celles du tube, sont disposés à une distance axiale déterminée du tube en regard d'éléments photo-électriques recevant les rayonnements, les deux éléments engendrant chacun un train d'impulsions qui est injecté dans un circuit électronique d'impulsions, ce circuit établissant la corrélation 10 entre les deux trains d'impulsions. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit électronique comporte un analysateur d'impulsions multicanal à temps de vol, alimenté à son entrée dite déclenchement par le train venant de l'élément en amont du tube et à son entrée dite signal par le train venant 15 de l'élément en aval du tube. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les émetteurs lumineux sont constitués par des conducteurs flexibles de lumière en fibres optiques de verre. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait 20 que les rayonnements sont engendrés par un seul générateur de lumière à un prisme déflecteur de sortie. 5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les rayonnements sont engendrés par un générateur laser avec interposition d'un polarisateur et d'un prisme déflecteur de sortie. 25 6. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la distance entre les deux émetteurs lumineux peut être modifiée. 7. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les signaux émis par les éléments photo-électriques sont injectés chacun dans un formateur d'impulsions qui fait une différentiation des impulsions 30 d'arrivée et qui délivre soit les impulsions de polarité positive, soit celles de polarité négative à 1'analysateur d'impulsions multicanal. 8. Dispositif selon la revendication 7, destiné à la mesure de la grandeur des bulles et caractérisé par le fait que 1'analysateur d'impulsions multicanal est alimenté par deux trains d'impulsions de polarité différente. 71 19544 6 2090379 9. Dispositif selon la revendication 7, destiné à la mesure de la grandeur des bulles et caractérisé par le fait que 1'analysateur d'impulsions multicanal est alimenté par deux trains d'impulsions qui sont dérivés du même élément photo-électrique à l'aide de deux formateurs d'impulsions délivrant des impulsions de polarité différente.