Brevet FR2137189A1 — publié le 19721229

La présente invention concerne les dispositifs de mesure de la vitesse d'écoulement d'un fluide transparent, On connalt des dispositifs de mesure de la vitesse d'écoulement d'un fluide transparent et plus particulierement le dispositif comportant un gyromètre laser, ou laser en anneau, constitué dune cavité optique polygonale dans laquelle se propagent deux ondes optiques en sens inverse, mais sur un meme trajet géométrique, et d'un moyen permettant de faire passer le fluide dont on veut mesurer la vitesse d'écoulement dans une branche de la cavité du gyromètre laser, et ce, a la seule condition que le fluide ne s'écoule pas perpendiculairement a la direction de la branche de la cavité. Dans ce cas, la composante de la vitesse d'écoulement du fluide stad- ditionne avec la composante de la vitesse de propagation de l'une des deux ondes tandis qu'elle se soustrait avec la composante de la vitesse de propagation de l'autre onde. Ainsi, les deux ondes lumineuses se propagent dans la cavité du gyrometre laser en parcourant un chemin optique différent et leurs fréquences respectives, qui sont définies par la longueur du chemin optique parcouru, sont différentes.Cette différence de fréquence Af entre ces deux ondes est donnée avec une très bonne approximation par la formule 2vL (I~ n12 avec v la composante de la vitesse du fluide dans la direction de propagation des ondes lumineuses dans la branche de la cavité optique coupée par le fluide en mouvement, L la longueur du trajet des ondes optiques lumineuses dans le fluide en mouvement, P la longueur ou le périmètre de la cavité optique du gyromètre laser, c'est- -dire la longueur du trajet géométrique suivi communément par les deux ondes lumineuses, X la longueur d'onde de la radiation utilisée, par exemple 6328 pour un laser à gaz hélium-néon,- et enfin n l'indice optique du fluide en mouvement. Pour pouvoir mesurer la vitesse d'écoulement du fluide il suffit de faire émerger les deux ondes du gyromètre laser et de les faire battre ensemble, par exemple sur une cellule photosensible, et de mesurer la fréquence du battement obtenu a la sortie de la cellule, cette fréquence étant proportionnelle è la vitesse d'écoulement du fluide. On peut aussi passer de la mesure de la vitesse d'écoulement du fluide à la mesure du débit en intégrant le nombre d'impulsions du battement, et en effectuant un comptage de ces impulsions. On peut aussi ensuite mesurer la quantité de fluide connaissant le temps entre deux mesures. Le dispositif de mesure de la vitesse d'écoulement d'un fluide transparent, décrit ci-dessus, a un inconvénient. En effet, on voit que la différence de fréquence Af ou la fréquence de battement obtenu à la sortie du gyromètre laser est fonction de l'indice n du fluide et, même si on mesure toujours le même fluide, on sait que cet indice varie avec la pression lorsque l'on a à faire à un fluide compressible. C'est ainsi que, s' il est nécessaire de me surer la vitesse d'écoulement d'un fluide dont la valeur peut varier dans de grandes proportions, la pression du fluide varie et par conséquent, la valeur de son indice optique. Cette variation de l'indice optique du fluide entraîne, du fait que le fluide coupe les deux ondes sous un angle différent, une translation des deux ondes qui est fonction de cette variation de la valeur de l'indice op tique. De ce fait les deux ondes qui se propagent en sens inverse dans la ca vité du gyromètre laser ne suivent plus les mêmes trajets géométriques puis quelles sont décalées en sens inverse et par conséquent ne se superposent plus ; et dans ce cas, il se peut que l'effet laser s'éteign, et que de tou te façon on n'obtienne plus de battements à la sortie du gyrometre laser, ce qui empêche toute mesure de la vitesse d'écoulement du fluide. La présente invention a pour but de pallier cet inconvénient. La présente invention a pour objet un dispositif de mesure de la vi tesse d'écoulement d'un fluide transparent comprenant un gyromètre laser cons titué d'une cavité optique comprenant plusieurs branches, une source de lumiè re disposée dans au moins une desdites branches de la cavité émettant deux faisceaux lumineux parcourant ladite cavité en sens inverse, des moyens pour faire sortir de la cavité une partie de deux dits faisceaux, des moyens pour confondre sur un même trajet et dans le même sens lesdites parties de fais ceaux émergeant de la cavité, des moyens photosensibles recevant lesdites parties de faisceaux confondues et délivrant un signal de fréquence propor tionnel aux battements des deux dites parties de faisceau, un moyen de mesure de la fréquence du signal délivré par les moyens photosensibles, caractérisé par le fait que ladite cavité optique comprend au moins deux branches symétri ques par rapport à un axe et qu'il comporte des moyens pour permettre audit fluide de s'écouler en coupant les deux dits faisceaux dans les deux dites branches symétriques respectivement suivant deux portions communes au fluide et aux deux faisceaux symétriques par rapport au meme axe, et des moyens op tiques pour maintenir les deux dits faisceaux sur un trajet géométrique commun qui dans la partie de la cavité délimitée par les deux portions qui ne comprend pas ladite source lumineuse. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention appa rateront au cours de la description suivante donnée en regard du dessin annexé à titre illustratif mais nullement limitatif dans lequel - la figure I représente un schéma de principe du dispositif selon l'invention, - et les figures 2 et 3 deux -formes différentes de mise en oeuvre d'une partie du dispositif selon l'invention. Sur la figure I est représenté le schéma de principe du dispositif de mesure de la vitesse d'écoulement d'un fluide transparent. Ce dispositif comprend un gyrometre laser 1,constitué d'une cavité optique polygonale délimitée par exemple par des miroirs 2 et 3, et dans ce cas par des moyens optiques particuliers 4 dont la fonction sera explicitée ci-après mais qui a pour but de fermer la cavité formée par les deux autres miroirs 2 et 3. L'une des branches de la cavité optique comprend une source lumineuse, comme par exemple un tube à décharge 5 rempli d'un milieu actif gazeux tel que par exemple un mélange d'hélium et de néon et dont les deux électrodes 6 et 7 sont reliées par exemple à une source d'énergie électrique 8. Les deux extrémités du tube à décharge 5 sont instituées par des fenetres transparentes 9 et 10 centrées sur la branche de la cavité dans lequel est disposé ce tube à décharge 5. Par ces fenêtres transparentes 9 et 10 émergeant deux faisceaux lumineux i I et 12 qui parcourent la cavité optique polygonale en sens inverse, mais en suivant un trajet géométrique commun de façon que ces deux faisceaux 11 et 12 soient constamment superposés et confondus. Le dispositif comprend, en outre, des moyens pour que le fluide 13, dont on veut mesurer la vitesse d'écoulement, coupe deux fois les deux faisceaux lumineux il et 12 dans deux branches de la cavité sysetriques par rapport à un axe. Dans le cas de la figure, les deux branches 14 et 15 sont symétriques par rapport à l'axe 21 et les moyens pour amener le fluide à couper les deux faisceaux lumineux Il et 12 se propageant dans les branches 14 et 15 de la cavité optique, sont constitués d'un conduit 16 d'axe perpendiculaire à l'axe 21 ayant une section constante et possédant des fenêtres transparentes aux endroits communs avec les branches de la cavité, comme par exemple les fenêtres 17, 18 et 19, 20 de façon que les faisceaux 1 1 et 12 puissent parcourir la cavité sans être occultés par les parois du conduit 16. il est bien évident que la paroi meme du tube du conduit 16 peut être transparente à ces faisceaux lumineux, ce qui évitera de réaliser des fenêtres telles que celles qui sont représentées sur la figure. Ainsi, comme le conduit 16 a une épaisseur constante et coupe les deux branches spmétriques 14 et 15 sous un même angle, le fluide a deux portions communes avec les faisceaux lumineux qui sont symétriques par rapport au même axe 21, et, lorsque le fluide 13 passe dans le conduit 16 et que sa vitesse varie dans de grandes proportions entraînant une variation de la valeur de son indice optique, les faisceaux 10 et 11 subissent une double réfraction et sont décalés de leur direction d'incidence d'une quantité proportionnelle à la valeur de la variation de cet indice optique du fluide. Néanmoins, les faisceaux restent constamsent symétriques au même axe 21 du fait que les branches 14 et 15 sont symetriques et que les deux portions communes au fluide et aux deux faisceaux lumineux sont égales et de même longueur. Sur lafigure, on a repré senté en pointillé les deux positions limites respectives 22 et 23 des faisceaux lorsque l'indice optique du fluide, ce qui est le cas le plus général surtout pour les grandes vitesses, varie d'une valeur voisine de l'unité; dans le cas où l'indice optique du fluide varie d'une valeur supérieure à l'unité, les positions respectives pour les faisceaux sont représentées en 24 et 25. Du fait de ces décalages symétriques par rapport à l'axe 21, il est alors facile de maintenir les faisceaux 10 et Il constamment sur un trajet géométrique commun, notamment par des moyens optiques statiques disposés dans la partie de la cavité délimitée par les deux portions communes au fluide et aux branches symétriques et qui ne comprend pas la source lumineuse; ces moyens sont illustrés schématiquement en 4 sur la figure 1, et seront illustrés par quelques exemples de réalisation ci-après. Bien entendu le dispositif comporte des moyens pour permettre à une partie des deux faisceaux il et 12 d'émerger de la cavité du gyromètre laser, comme par exemple un miroir semi-transparent représenté en 3, et des moyens pour recombiner sur un même trajet les deux parties de faisceau émergeant, comme par exemple deux miroirs réfléchissants 26 et 27 renvoyant les deux parties de faisceaux émergeant sur un troisième miroir semitransparent 28 qui permet de recombiner les deux faisceaux renvoyés par les miroirs 26 et 27 et de les envoyer sur une cellule photosensible 29 pour les faire battre.Les moyens photosensibles peuvent délivrer un signal électrique qui est envoyé sur un dispositif de mesure de fréquence tel que par exemple un fréquencemètre 30. ta mesure de la vitesse d'écoulement du fluide est obtenue par la mesure de la valeur de la fréquence mesurée puisque celle-ci est proportionnelle comme démontré ci-avant à la vitesse d'écoulement du fluide. Pour avoir une mesure exacte et directe de la vitesse du fluide, on peut procéder auparavant à un étalonnage du dispositif. On peut même, si on veut, mesurer le débit du fluide connaissant la section du conduit 16 et la vitesse du fluide, et obtenir directement par un dispositif très simple la mesure du débit et entre deux instants de mesure, la quantité de fluide qui est passée dans le conduit 16. Sur les figures 2 et 3 sont représentées les deux formes particulières de réalisation des moyens illustrés schématiquement en 4 sur la figure 1 mais il est bien évident qu'on peut concevoir d'autres dispositifs qui sont basés sur le même principe que ceux illustrés sur ces deux figures. En fait ces deux modes de réalisation illustrés semblent être ceux qui sont les plus simples à réaliser et qui donnent les meilleurs résultats. Sur la figure 2 les moyens 4 sont constitués par un prisme 31 réalisé en un matériau transparent et disposé dans la cavité sensiblement au point de concours des branches symétriques de façon que sa grande base soit tournée vers la portion de plan délimitée par les branches de la cavité optique et que ces faces 32 et 33 soient symétriques par rapport à l'axe 21. Avantageusement, angle au sommet de ce prisme 31 a une valeur telle que les faisceaux qui tombent ou émergent de ces faces 32 et 33 fassent avec celles-ci un angle d'incidence voisin de l'angle de Brewster pour avoir un minimum de pertes dans la cavité. C'est ainsi que si f est l'angle que fait la direction des deux branches symétriques coupées par le fluide et si ss est l'angle de Brewster pour la radiation X utilisée dans la cavité, l'angle au sommet a de ce prisme doit avoir une valeur égale à t 28 - X et l'indice optique du matériau dans lequel est réalisé ce prisme est choisi de façon que la déviation des faisceaux soit au minimum de déviation pour obtenir ainsi une symétrie entre les faisceaux incidents sur le prisme et les faisceaux qui en émergent. C'est ainsi que la Demanderesse a réalisé pour un laser héllumnéon un prisme d'angle au sommet voisin de 280 dans un matériau d'indice optique voisin de 1,90, Sur la figure 3 les moyens 4 sont constitués par au moins deux miroirs plans réfléchissants 34 et 35 dont les plans sont symétriques par rapport à l'axe 21 et font entre eux un angle g dont la valeur est égale à 2 ~ w 2 si p est l'angle entre les deux directions des deux branches symétriques coupées par le fluide. On vient de décrire ainsi deux exemples de réalisation des moyens 4 permettant de fermer la cavité et de maintenir constamment les deux faisceaux, se propageant dans la cavité en sens inverse, sur un trajet géométrique commun; c'est ainsi que dans le cas du prisme 31, quel que soit le point d'incidence des faisceaux 11 et 12 respectivement sur les faces 32 et 33 du prisme, ces faisceaux sont constamment confondus sur un trajet géométrique commun, dans toute la cavité par le principe du retour inverse de la lumière. Ainsi les faisceaux il et 12 tombent constamment au même endroit sur le miroir semitransparent 3 et peuvent ainsi être aisément mélangés pour tomber sur la cel lulè photosensible 29 et obtenir à la sortie de celle-ci un signal dont la fréquence est égale à la fréquence du battement des deux ondes sur la cellule 29, et ce quel que soit l'indice optique des fluides qui passent dans le conduit 16, et même si l'indice d'un fluide varie pendant la mesure. Bien entendu ltinvention ntest nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, on peut, sans sortir du cadre de l'invention, changer certaines dispositions ou remplacer certains moyens par des moyens équivalents. REVENDICATIONS il - Dispositif de mesure de la vitesse d'écoulement d'un fluide transparent comprenant un gyromètre laser constitué d'une cavité optique comprenant plusieurs branches, une source de lumière disposée dans au moins une desdites branches de la cavité émettant deux faisceaux lumineux parcourant ladite cavité en sens inverse, des moyens pour faire sortir de la cavité une partie des deux dits faisceaux, des moyens pour confondre sur un même trajet et dans le meme sens lesdites parties de faisceaux émergeant de la cavité, des moyens photosensibles recevant lesdites parties de faisceaux confondues et délivrant un signal de fréquence proportionnel au battements des deux dites parties de faisceau, un moyen de mesure de la fréquence du signal délivré par les moyens pho tosensibles, caractérisé par le fait que ladite cavité optique comprend au moins deux. branches symétriques par rapport à un axe et qutil comporte des moyens pour permettre audit fluide de s'écouler en coupant les deux dits faisceaux dans lesdites branches symétriques respectivement suivant deux portions communes au fluide cet aux deux faisceaux symétriques par rapport au même axe, et des moyens optiques pour maintenir les deux dits faisceaux sur un trajet géométrique commun dans la partie de la cavité délimitée par les deux portions qui ne comprend pas ladite source lumineuse. 2/ - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits moyens pour permettre au fluide de s'écouler en coupant les deux faisceaux respectivement dans les deux branches symétriques sont constitués d'un conduit à section constante comportant des fenêtres transparentes dans les parties communes avec les branches de la cavité de manière à ne pas occulter lesdits faisceaux. 3/ - Dispositif selon la revendication I, caractérisé par le fait que lesdits moyens optiques pour que les deux dits faisceaux restent sur un trajet géométrique commun dans la partie de la cavité délimitée par les deux portions et ne comprenant pas ladite source lumineuse sont constitués par au moins un prisme déviateur. 4/ - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ledit prisme est disposé dans la cavité, sensiblement au point commun des deux branches symétriques, de façon que sa base soit tournée vers la portion de plan délimitée par les branches de la cavité et que ses faces soient symétriques par rapport audit axe. 5/ - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que l'angle au sommet dudit prime a une valeur égale à + + 2ss - X si f est l'angle formé par la direction des deux branches symétriques et ss angle de Brewster pour la radiation émise par ladite source lumineuse. 6/ - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits moyens optiques pour que lesdits faisceaux restent sur un trajet géométrique commun dans la partie de la cavité délimitée par les deux portions ne comprenant pas ladite source lumineuse sont constitués par au moins deux miroirs plans réfléchissants, respectivement disposés sur les faisceaux parcourant les deux branches symétriques et renvoyant les faisceaux tombant sur l'une vers l'autre. 7/ - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les deux miroirs sont disposés sur le trajet des faisceaux parcourant lesdits branches symétriques de façon que leur plan soit symétrique par rapport audit axe et que l'angle de ces deux plans soit égal à 2 s -8 si # est l'angle formé 2 2 - par les directions des deux branches symétriques.