Brevet FR2235565A1 — publié le 19750124

La présente invention se rapporte à des transducteurs électrc acoustiques a' éléments sagndtostrictifsJ comportant un corps ferre magnétique sur lequel sont enroulées des bobines. I1 est bien connu d'utiliser le phénomène de magnétostriction de manière qu1un corps en matériau ferromagnétique9 un barreau en niekel par exemples puisse entre excité dans une fréquence propre à l'aide d'une bobine entourant ledit corps et parcourue par du courant alternatif. De telles oscillateurs sont dénommées émetteurs acoustiques magnétostrictifs. Est également connu le principe qui dérive de l'inversion de la magnétostriction et selon lequel des matériaux, qui présentent une magnétostriction positive, accroissent leur perméabilité sous l'effet d'une tension. Du fait de cet aecroissement de la perméabilité, une tension est induite dans une bobine placée sur un noyau pour autant que ce noyau est aimanté. Dans la technique des réacteurs, on souhaite mesurer le niveau sonore dans le coeur d'un réacteur refroidi au sodium, car des perturbations en préparation se signalent souvent par une modification du spectre de fréquences des bruits dans le sodium. En particulier, les bruits engendrés par une eDullition locale du sodium doivent être décelés sement, car dans ce cas, le réacteur doit entre immédiatement mis Alors circuit afin d'éviter une extension de la perturbation jusqu' la fusion des éléments combustibles. Lors de l'ébullition locale, les bulles correspondantes sont en traSndes par le courant liquide vers du sodium plus froid et y implosent brusquement. De ce fait, des pointes de pression brèves et très élevées sont engendrées. Comme ces points de pression se détachent très fortement des bruits de circulation, le capteur de sons est opportunément établi pour les bruits de condensation en ce qui concerne sa sensibilité et son comportement en fréquence. Le transducteur selon l'invention est construit de telle sorte, qu'il opère de manière fiable dans le sodium liquide. L'objet de la présence invention est de créer des transducteurs électroacoustiques quine fonctionnant tant comme récepteurs que comme émetteurs pour les ENitE transmis par conduction liquide ou solide, soient de faibles dimensiens, simples et robustes, sus- ceptibles d'être mis en service sous des températures ambiantes élevées et cependant b mime de carter de faibles pressions sonores, en particulier d'strie utilisés pour déceler les bruits d'ébullition et les bulles de vapeur. Ce résultat est atteint selon l'invention par le fait que le corps ferromagnetique de l'élément magnetostricti! présente des branches sur lesquelles des bobines sont placées de maniere que, lors des variations de dimension du corps ferromagnétique dans le sens de l'axe des bobines, les tensions qui y sont induites s'additionnent, cSest à-dire que les bobines sont connectées l'une derrière autre et sont avantageusement conRtituées d'un seul et même fil ininterrompu.Le transducteur ne se compose par conséquent que de deux pièces robustes un noyau ferromagnétique massif comprend nant des branches et un conducteur électriques qui peut être enve loupé de métal et isolé avec de l'oxyde de magnésiume-Il n'existe aucun emplacement critique, comme par exemple un entrefer dans le circuit magnétique ou des points de raccordement ou de traversées de conducteurs électriques. Le noyau est avantageusement eonstitué de fer-cobalt, ce corps présentant une magnéto-striction de saturation élevée et une température de Curie élevée. Le Ber cobalt est en outre, très lar- gement stable vis-à-vis des radiations radioactives. Le transducteur est donc insensible vis b-vis des radiations r et autres radiations radioactives.On recommande pour le transducteur selon l'invention, qui est pnncipalement.exposé b des vibrations axiales, que le corps ferromagnétique comprenne deux branches ou plus et que les bobines soient enroulées autour du grand axe de ces branches.-Pa contre, pour un transducteur exposé principalement à des vibrations rdiales, on recommande que le corps ferromagnétique compote une ou plusieurs branches et que les bobines soient enroulées transversalement au grand axe de celles-ei, Un transducteur avec des bobines enroulées autour du grand axe des branches est avantageusement constitué de telle sorte que le corps ferromagnétique ait la forme d'un cylindre ou d'un prisme pourvu d'au moins une fente sur une partie de sa longueur. Pour un transducteur avec des bobines à champ perpendiculaire au grand axe des branches, on recommande par contre que le corps ferromagnétique ait la forme dgun cylindre ou d'un prisme pourvu d'au moins deux perçages longitudinaux. Pour la mise en service du transducteur selon l'invention dans des liquides corro- sifs ou qui ont tendance à la sédimentation, ainsi que pour sa protection vis b-vis des détériorations matérielles lors de la manipulation, on recommande - suivant une autre caractéristique de l'invention - de placer le corps ferromagnétique dans une gaine tubulaire pourvue d'ouvertures pour les lignes conductrices. Afin de déceler les bruits d'ébullition dans les liquides, par exemple du sodium, le transducteur peut 8tre installé de manière à être plongé directement dans le liquide et évaluer le signal de mesure. Comme le transducteur peut Outre plongé directement dans le liquide, un bon couplage avec le liquide en résulte. En outre, du fait de l'immersion, les bruits transmis par conduction solide des parois de la cuve sont supprimés. En vue d'améliorer le couplage avec le liquide dans le cas d'un transducteur excité principalement par des vibrations axiales, on recommande - suivant une autre particularité de l'invention de pourvoir la gaine tubulaire d'un fond renforcé et de relier solidement le corps ferromagnétique b celui-ci. Pour l'obtention d'un bon couplage dans le sens radial, il suffit d'adapter solidement le corps ferromagnétique dans la gaine tubulaire. Le transducteur étant placé dans des liquides en ébullition, ce sont surtout les bulles susceptibles de fausser le résultat des mesures qui peuvent se fixer sur une surface plane, horizontale du fond de la gaine tubulaire. Afin d'éviter le plus possible cette situation défectueuse, on recommande - suivant une autre caractéristique de l'invention - que le fond de la gaine tubulaire, b son côté extérieur, soit incliné par rapport à la verticale, par exemple se termine en pointe. La symétrie désirée pour l'indication est obtenue - confor- mément à une autre caractéristique de l'invention pour un transducteur excité par des vibrations axiales - par le fait que les bobi- nages sont enroulés dans le mtme sens. Pour un transducteur excité par des vibrations radiales, on conseille par contre à cette fin d'enrouler les bobines alternativement dans un sens puis dans l'autre. I1 est possible de déceler des bulles de gaz ou de vapeur dans des liquides en transmettant des ondes sonores B travers le liquide et en mesurant leur absorption. Â cet effet, suivant un perfectionnement de l'invention, un premier transducteur servant démetteur et un second transducteur de récepteur, se trouvent plongés l'un vis-à-vis de l'autre dans le liquide ou placés sur le récipient contenant le liquide. Un transducteur au moins peut alors titre du type précédemment décrit. Le convertisseur déerit peut en effet opérer non seulement en récepteur, mais aussi en émetteur sonore. Suivant une autre caractéristique de l'invention, les transducteurs sont placés sur un récipient contenant le liquide, par l'intermédiaire de barres de couplage, et ce, de préférence en des emplacements diamétralement opposés. Si les deux transduc- teurs sont disposés diamétralement sur le récipient, par exemple sur un tube conduisant le liquide, les bulles de vapeur sont alors surveillées sur la totalité de la section- du récipient. En principe, la tension alternative utilisée pour 1 'excita- tion de l'émetteur peut avoir un profil quelconque, par exemple sinusoPdal, Mais il s'avère qu'il est difficile d'arriver à une tension de sortie constante pour une fréquence constante, car la transmission des vibrations de l'émetteur vers le récepteur, est tributaire de la fréquence et de la température. Pour éviter cette difficulté, on peut vobuler la fréquence d'excitation, en sorte que la valeur moyenne est formée sur une gamme de fréquences déterminée et que les erreurs sont de ce fait compensées. Une autre possibilité avantageuse selon une autre caractéristique de l'invention, consiste à exciter l'émetteur avec de courtes impulsions, dont la durée est petite par rapport au temps de propagation jusqu'au récepteur.Le signal ne peut alors pas être annihilé par interférence au lieu d'implantation du récepteur. Dans une réalisation spéciale de ce trait particulier de l'invention, on recommande de connecter la bobine du transducteur, opérant comme émetteur, à un condensateur périodiquement déchargé, par l'intermédiaire d'un translateur, par exemple un transformateur. ta mesure d'absorption pour déceler la présence de bulles de gaz et de vapeur dans des liquides peut aussi être effectuée avec un seul transducteur. Â cet effet, selon une autre caractéristique de l'invention, le transducteur est tout at abord excité avec une impulsion courte et puissante et la période transitoire finale du transducteur, qui est le temps du retour à zéro de sa tension de sortie, est mesurée. Par la présence des bulles de gaz ou de vapeur au voisinage du transducteur, le processus dtamortissement est modifié, de sorte que la période transitoire finale donne une mesure de la quantité des bulles de gaz ou de vapeur. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la descrips tion d'un mode de réalisation pris comme exemple, mais non limitatif, et illustre par le dessin annexé, sur lequel la figure 1 représente un récepteur sonore magnétostrictif, qui réagit de préférence-aux ondes sonores qui le ren- contrent axialement ou un émetteur sonore ayant des caractéristiques directionnelles eorrespondattesg la figure 2 représente un récepteur analogue b sensibilitd particulière vis-a-vis des osides sensés qui le rencontrent radia- lement ou, un émetteur selon ayant des caractéristiques direc tionnelles correspondantes; la figure 3 représente une disposition pour constater la présence de bulles de gaz ou de vapeur dans un liquide9 avec un émetteur et un récepteur sonores; la figure 4 représente un montage destiné à produire des impulsions pour l'émetteur sonore suivant la figure 1 ou 2; la figure 5 représente un montage destiné à amplifier et à évaluer les signaux de sortie du récepteur suivant la figure 1 ou 2 et la figure 6 représente un montage destiné à mesurer la période transitoire finale de la tension produite dans les bobines du transducteur. Le transducteur électroacoustique de la figure 1 contient un élément magnétostrictif avec un noyau 3 en matériau ferromagné tique comportant une fente qui y détermine ainsi deux branches 9, sur lesquelles sont placées les bobines 4 et 5. Les deux bobines sont couplées en série et leurs lignes de connexion supérieures 6 sont placées dans un tubez L'élément magnétostrietif est placé dans une gaine tubulaire 1, dont le fond 2 est renforcé. Le noyau 3 est soudé dans ce dernier. Le transducteur peut aussi Entre glissé dans un tube non représenté ici. Afin d'éviter un grippage dans celui-ci, l'arête inférieure 7 du fond 2 et une bague de guidage supé-rieure 8 sont durcies, par exemple stellitées. Afin que dans l'emploi du transduc teur dans un liquide en ébullition, aucune bulle ne puisse se déposer sur son fond, celui-ci est façonné en forme de eôneo Le transducteur électroacoustique de la figure 2 contient également un noyau 22 en matérisu ferromagnétique placé dans une gaine tubulaire 21 et comportant, dans l'exemple représenté9 quatre perçages longitudinaux 23 entre lesquels subsistent des branches 27.Sur elles ci sont placées deux bobines 24 et 25 qui, comme dans l'exemple de la figure I, sont couplées en série et réalisées ensemble avec les lignes de connexion 26 à partir atun unique tronçon de fil isolée Le nombre des perçages et de-làs des bobines se règle en fonction de la taille du noyau 229 quatre perçages et deux bobines seat juges suffisants peur un noyau d'un diamètre de 16 mm La bobine individuelle comprend dans ce cas environ dix spires toutefois, par souci de clarté, deux de celles-ci ont seulement été représentées-ici. Les transducteurs ont de faibles dimensions; dans les appareils qui ont été construits9 leur diamètre atteignait de 16 à 18 mm Pour constater l'existence de bruits dans des liquides, ils peuvent btre-directement plongés dans ceux-ci0 Des passages et des branchements de lignes électriques ne sont pas nécessaires, car ceux-ci sont déjà disposés dans la gaine-tubulaire conduisant vers le haut. Dans ltexemple de réalisation de la figure 19 lors de son emploi en récepteur sonore, la pression sonore est essentiellement transmise depuis le fond 2, c'est- dire axialement sur le noyau 3; dans celui de la figure 2, par contre, elle est essentiellement transmise depuis le pourtour de la gaine tubulaire 1, c'est-à-dire radialement sur le noyau 22o Les branches 9 ou 27 sont de ce fait déformées élastiquement et, suivant le principe de la magnétostric tion, la variation de flux induit une tension dans les bobines 49 5 ou 24, 25. En raison du couplage direct, les capteurs de son décrits opèrent encore pour des fréquences très basses.Comme9 en outre, la fréquence de résonance peut être situe très haut par le choix correspondant des dimensions des composants, des pressions sonores allant jusqulau-dessous de 1 N/m2 peuvent Notre mesurées dans le sodium liquide pour une gamme de fréquenc-es de 0,1 à 100 kHzo Les transducteurs peuvent Autre utilisés, sans modification matérielle7 aussi bien comme émetteur sonore que comme récepteur0 Dans le dernier cas, un courant auxiliaire devrait autre envoyé dans les bobines 4,5 ou 24925 pour accrottre la sensibilité0 Les bobines doivent être polarisées de manière que les tensions qui y prennent naissance à l'occasion d'un effort mécanique exercé sur le noyau 39 22, s'additionnent. La figure 3 montre une disposition avec laquelle les bulles de vapeur ou de gaz peuvent être décelées dans un liquide et dans laquelle on utilise des transducteurs du modèle représenté sur la figure lo Les transducteurs sont désignés par 12 et 133 le transducteur 12 est alimenté en tension alternative à partir d'un oscillateur 169 il joue donc le rôle d'émetteur sonore, tandis que le transducteur 13 Joue le rôle de récepteur dont la tension de sortie est amplifiée dais un amplificateur 17 et affichée sur un appareil indicateur 18. Lés deux transducteurs 12 et 13 sont planés sur un tube 8 par l'intermédiaire des barres de couplage 10 et 11, tube à travers duquel s'écoule le liquide dont les bulles de vapeur ou de gaz sont à surveiller. Les barres de couplage 10 et ll sont soudées sur le tube 8. Les transducteurs peuvent autre rapportés par soudure ou pressés sur les barres de couplage à l'aide d'un dispositif de serrage non représenté ici. Le liquide 19 est par exemple du sodium liquide. La longueur des barres de couplage est alors de dimensions telles que les transducteurs puissent Autre disposés en dehors de l'isolation thermique 20 du tube 8. Des masses de stabilisation 14 et 15 sont disposées sur les transducteurs.Suivant cette disposition, émetteur sonore 12 fait apparartre des vibrations sur le récepteur 13 en passant par la barre de couplage 10, le tube 8, le liquide 19 contenu dans celui-ci, et 1 & barre de couplage 11. Suivant la teneur en gaz du liquide 19, ce dernier absorbe --plus ou moins l'énergie sonore, de sorte que, d'après l'amplitude du signal de sortie de Itampli ficateur 17, on peut hêtre renseigné sur la teneur en gaz du liquide 19. Le schéma d'un générateur d'impulsions à employer comme oscillateur 16 est représenté sur la figure 4. La tension du réseau de, par exemple 220 V, est appliquée sur les bornes R et Mp. Au cours de l'alternance positive, un condensateur C1 est chargé 8 travers une inductance Drl et un redresseur NI. Lorsque la tension de la charge du condensateur atteint la tension Zener d'une diode Zener N2, un courant la traverse alors et un thyristor T1 est amorcé, c'est-b-dire que le condensateur C1 est décharge sur l'enroulement primaire, d'un transformateur Ml, dont l'enroulement secondaire est relié à la bobine VI de l'émetteur sonore 12 (cette bobine VI ainsi que la bobine V2 mentionnée plus loin correspondent respectivement aux paires de bobines 4,5 et 24, 25 des figures 1 et 2). Le transformateur M1 sert à la séparation du potentiel de l'enroulement d'excitation par rapport au réseau. Le but de l'inductance Drl est de limiter le courant du réseau après l'amorçage du thyristor T1. La diode Zener N2 assure l'indSpendance de la tension d'impulsion par rapport aux fluctuations de la tension du réseau. L'impulsion de tension, appliquée sur la bobine Itl de l'émetteur 12 provoque la dilatation par magnétostriction du noyau 3, 22 de ce dernier. I1 s'appuie b la masse de stabilisation 14 et donne ainsi une impulsion sur la barre de couplage 10 et par la', sur le tube 8. L'impulsion, atténuée par le liquide 199 parvient surale noyau 3s 22 du récepteur 13, sur lequel il exerce une tension mécanique, en sorte qu'une tension électrique est induite dans la bobine 2 de celui-ci (figure 5). Les amplificateurs courants du commerce, à faible bruit de'entrées peuvent titre connectés à la bobine W2 du récepteur 13. En recourant à un amplificateur, dont l'impédance d'entrée est adaptée à la faible impédance de la bobine du récepteur, la sensibilité peut être accrue. La figure 5 montre un exemple de réalisation d'un tel amplificateur. Un courant auxiliaire, qui produit la prémagnétisation nécessaire du noyau, est amené dans la bobine W2 du récepteur sonore 13 à travers une résistance RI. La tension alternative créée dans la bobine X2 par le récepteur 13 est ampli fiée par deux transistors Tsl et Ts2 montés en émetteur commun. Les points de fonctionnement des transistors sont réglés par les résistances de contre-réaction R2 et R3. Les condensateurs C2, C3 et C4 se comportent en passe-haut. Un dispositif pour mesurer la période transitoire finale9 conformément à la figure 6, se compose de la bobine V2du convertisseur et de l'amplificateur 17 déjà décrit, ainsi que d'une diode N39 par laquelle la tension est redressée avant d'être lissée par un condensateur C5. Cette tension est ensuite limitée à la valeur de la tension de seuil d'une autre diode NX à l'aide deune résistance de protection R4. Une tension constante demeure alors à la sortie du circuit aussi longtemps que la tension induite dans la bobine W2 atteint une valseur minimale Les bulles de vapeur ou de gaz, présentes dans le liquide à surveiller9 abrègent le temps pendant lequel cette tension constante est disponible. REVENDICATIONS 1. Transducteur électroacoustique à éléments magnétostric- tifs, caractérisé par le fait que le corps ferromagnétique de lldlément magnétostrictif présente des branches sur lesquelles des bobines sont placées de manière que, lors des variations de dimension du corps'ferromagnétique dans le sens de l'axe des bobines, les tensions qui y sont induites s'additionnent. 2. Transducteur suivant la revendication 1 pour recevoir ou pour émettre axialement des vibrations, caractérisé par le fait que le corps ferromagnétique comprend deux branches ou plus et que les bobines sont enroulées autour du grand axe de ces branches. 3. Transducteur suivant la revendication 1 pour recevoir ou pour émettre radialement des vibrations, caractérisé par le fait que le corps ferromagnétique comprend une ou plusieurs branches et que les bobines sont enroulées transversalement au grand axe de celles-ci. 4. Transducteur suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que le corps ferromagnétique a la forme d'un cylindre ou d'un prisme pourvu d'au moins une fente sur une partie de sa longueur. 5. Transducteur suivant la revendication 39 caractérisé par le fait que le corps ferromagnétique a la forme d'un cylindre ou d'un prisme pourvu d'au moins deux perçages longitudinaux. 6. Transducteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le corps ferromagnétique est placé dans une gaine tubulaire pourvue d'ouvertures pour les lignes conductrices. 7. Transducteur suivant les revendications 2, 4 et 6, caractérisé par le fait que la gaine tubulaire est pourvue d'un fond renforcé et que le corps ferromagnétique est relié solidement à celui-ci. 8. Transducteur suivant la revendication 6 ou 7 caracté- risé par le fait que le fond de la gaine tubulaire, sur son côté xtérieur, est incliné par rapport à la verticale. 9. Transducteur suivant l'une quelconque des revendications 1,2,4,6,7 et 89 caractérisé par le fait que les bobines sont enrou- lées dans le mbme sens. 10. Transducteur suivant l'une quelconque des revendications 1,3,5,6 et a, caractérisé par le fait que les bobines sont enroulées alternativement dans un seas puis dans l'autre. 11. Montage avec transducteurs suivant l'use quelconque des revendications 1 à 10 pour établir la présence de bulles de gaz ou de vapeur dans un liquide,-caractérisé par le fait qu'un premier transducteur servant d'émetteur et un second transducteur de récep teur sonore, sont plongés l'un vis-à-vis de l'autre dans le liquide. 12. Montage suivant la revendication 119 caractérisé par le fait que les transducteurs sont placés sur un récipient contenant le liquide par l'intermédiaire de barres de couplage. 13. Montage suivant la revendication 11 ou 12, caractérisé par le fait que le transducteur, opérant comme émetteur, est excité par des impulsions. 14. Montage suivant la revendication 13, caractérisé par le fait que la bobine du transducteur opérant comme émetteur, est connectée à un condensateur périodiquement déchargé, par l'interméç du aire d'un translateur. 15. Montage d'un transducteur suivant l'une quelconque des revendications l à 10 pour 11 établissement de la présence de bulles de gaz ou de vapeur dans un liquide, caractérisé par le fait que les bobines du transducteur plongé dans le liquide ou placé sur un récipient, sont connectées à un générateur d'impulsions et à un dispositif destiné à la mesure de la période transitoire finale de la tension induite dans. les bobines.