Brevet FR2353067A1 — publié le 19771223

La présente invention concerne un procédé pour mesurer sans contact la vitesse d'un fluide. Elle concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Les mesures de vitesse effectuées sur des objets a évolution rapide (tels que par exemple les phénomènes instationnaires apparaissant dans les écoulements) exigent une fréquence de répétition-élevée dans le processus d'acquisition et de traitement des données. La solution idéale serait un procédé permettant un enregistrement continu de la vitesse en un point donné de l'espace avec une résolution temporelle de l'ordre de la microseconde. Pour mesurer la vitesse d'écoulement, il est connu d'utiliser des vélocimetres faisant intervenir un faisceau laser. Le principe de fonctionnement des vélocimètres connus de ce genre pour la mesure sans contact des vitesses d'écoulement est presque exclusivement fondé sur "la méthode du réseau de franges d'interférence". Dans le volume de mesure, deux faisceaux laser cohérents se coupent sous un petit angle,ce qui fait apparaitre un réseau d'interférence fixe dans l'espace. Des particules diffusantes entralnees par llecoulement sont éclairées alternativement par une lumiere modulée lorsqu'elles traversent le réseau de franges. En connaissant la distance séparant deux franges voisines, il est donc possible de déterminer, à partir de la fréquence de la lumière diffuse enregistrée, la vitesse des particules diffusantes et, par conséquent, la vitesse de l'écoulement (AGARD Conf. N0193 on Application of Non-Instrusive Instrumentation in Fluid Flow Research (1976)). Ces méthodes permettent de mesurer les vitesses instantanées de particules diffusantes isolées. L'acquisition et le traitement des données exigent un appareillage électronique compliqué. Pktlgré l'état d'avancement actuel de la technique, il n'est pas possible de répéter les mesures a une cadence telle que l'on obtienne un signal analogique proportionnel à la vitesse avec une résolution dans le temps de l'ordre de la microseconde. Dans le cas d'une forte concentration de particules, on utilise des procédés dénommés "frevuency tracker" (Disa) ayant pour but de fournir un signal analogique continu. Ces méthodes ne permettent pas non plus d'atteindre une résolution temporelle de l'ordre de la microseconde et ne sont pas arrivés a s'imposer en raison de differenbsdifficultes fondamentales. Au cours d'études plus récentes, on a utilisé un spectromètre FABRY-PEROT pour mesurer la variation de la longueur d'onde de la lumière diffuse, et, sur la base des résultats obtenus, on a mis au point une méthode permettant d'enregistrer de façon continue la variation de la vitesse en fonction du temps (J.M. AVIDOR, Novel Instantaneous Laser Doppler Velocimeter, Appel. Optics, 13,2, pages 280 à 285 (1974). Les interféromètres FABRY-PEROT ont une intensité lumineuse extrêmement faible de sorte qu'une résolution temporelle élevée exige une lumière diffuse intense qui ne peut être obtenue que par une très forte concentration de particules dans l'écoulement. Un premier but de l'invention est de réaliser un procédé de mesure de vitesse d'écoulement qui permette notamment une resolution temporelle très élevée. Un second but de l'invention est de réaliser un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Suivant un premier aspect de l'invention, le procédé pour mesurer la vitesse d'un écoulement fluide consiste à charger ledit fluide de particules prenant la même vitesse que lui, à éclairer ces particules par un faisceau laser et à mesurer l'intensité de l'effet Döppler sur la lumière diffusée par lesdites particules, et il est caractérisé en ce qu'on polarisé le faisceau suivant deux plans perpendiculaires pour former deux faisceaux partiels, en ce qu'on mesure la différence de phase entre les deux faisceaux partiels correspondant à une variation de longueur d'onde provoquée par l'effet Döppler, et en ce qu'on fait réagir cette différence de phase par voie électro-optique sur les faisceaux partiels pour rétablir l'équilibre de phase, le signal électrique de commande representant la mesure de la vitesse. Suivant un second aspect de l'invention, le dispositif pour mesurer la vitesse d'écoulement d'un fluide chargé de particules par mesure de l'effet DopLler, et notamment pour appliquer un procédé conforme à la revendication 1, comprend un émetteur de faisceau laser et un interféromètre à plusieurs branches dont chaque branche est munie d'un photo-multiplicateur électro-optique, et il est caractérisé en ce que l'interféromètre est du type Michelson à deux branches, ce dispositif comprenant un dispositif électro-optique pour polariser ledit faisceau suivant deux faisceaux partiels et pour introduire un déphasage réglable entre ces deux faisceaux, et un étage de commande électrique sensible aux signaux de l'interféromètre pour commander ledit dispositif électro-optique dans le sens d'-un rétablissement du déphasage initial. Afin d'analyser la lumière diffuse à effet Döppler, on utilise un interféromètre à deux faisceaux (interféromètre de MACH ZEHNDER ou interféromètre de FsICEELSON) présentant des chemins optiques différents. Une variation de la longueur d'onde se traduit par un déphasage des faisceaux partiels. A l'aide d'un réglage rapide sur la phase (voir par exemple la demande de brevet allemand : P 25 18 197.9), ce déphasage est immédiatement compensé en maintenant continuellement l'interféromètre à une différence de phase constante. La tension du réglage sur la phase est alors proportionnelle à l'effet Ddppler et peut entre enregistrEe comme mesure continue de la vitesse. En utilisant un montage interférométrique à lumière polarisée, une cellule de POCKELS peut servir de déphaseur rapide de sorte que 1'on atteint une résolution temporelle élevée. A l'aide d'une compensation de champ appropriée, il est possible de rendre les interféromètres à deux faisceaux fortement lumineux (J. RING, J.W. SCHOFIELD : Field Compensated Michelson Spectrometers, Appui. Optics, 11,3, pages 507 à 516 (1972)), de sorte que l'obtention d'une bonne résolution dans le temps ne nécessite pas l'injection d'une forte dose de particules diffusantes. On concilie donc ainsi une bonne résolution et une bonne luminosité. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront encore de la description détaillée qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif, la figure unique est un schéma d'un dispositif conforme à l'invention. En référence à cette figure, le dispositif conforme à l'invention comprend un générateur 1 de faisceau laser, de préférence à argon de forte puissance. Après réflexion sur un miroir plan 2, le faisceau traverse un dispositif electro- optique 3 qui, dans l'exemple décrit, est une cellule de POCKELS ot, de façon connue en soi, il est divisé en deux faisceaux partiels polarisés respectivement dans des plans perpendiculaires l'un à l'autre et ou le déphasage d'un faisceau par rapport à l'autre est contrôlé par un signal électrique qui sera décrit plus loin. A la rencontre d'une particule 4 chargeant le milieu fluide à étudier, les faisceaux partiels donnent lieu à des faisceaux de lumière diffusée qui traversent successivement une première lentille 5, un diaphragme 6 et une seconde lentille 7 pour aboutir sur un interféromètre 8 à deux branches de type Michelson comprenant un miroir semi-transparent 9. Ce miroir 9 laisse passer une partie de la lumière vers un miroir plan 11 à travers un bloc de verre épais 12 traversé deux fois. La partie réfléchie rencontre un miroir plan 13 devant lequel est placée une lame quart d'onde 14 traversée deux fois. Après ces- traversées,-les deux parties de la lumière se recoupent sous un petit angle (exagéré sur la figure) dans la région 15. Après traversée de polariseurs-respectifs 16, 17, ces deux parties viennent frapper des photo-multiplicateurs 18, 19 dont les signaux atteignent respectivement les bases de deux transistors 21, 22 reliés en série par leurs circuits émetteurcollecteur avec des batteries 23, 24. Ces transistors sont pontés par un condensateur 25 pour former un étage de commande électrique 26. La tension aux bornes du condensateur 25 est appliquée à la cellule de POCKELS 3 après passage dans un amplificateur 27. Le fonctionnement du dispositif décrit est le suivant Le faisceau laser traversant la cellule de POCKELS 3 y est divisé en deux faisceaux partiels cohérents, polarisés perpendiculairement l'un par rapport à l'autre. Sous l'influence de la cellule de POCKELS 3 les deux faisceaux partiels subissent un déphasage proportionnel à la tension appliquée. Lors de la diffusion, le rapport des phases reste conservé. Une proportion aussi forte que possible de la lumière rétrodiffusée est transmise à l'interféromètre de Michelson 8. Grâce à la lame quart d'onde 14, qui fait tourner de 90a les plans de polarisation du faisceau qui la traverse, on peut observer dans la région 15 l'interférence des deux faisceaux partiels définis par la cellule de POCKELS 3 et initialement à 900 l'un de l'autre.Les polariseurs 16 et 17 éliminent les plans de polarisation qui ne sont pas observés. Les deux branches de l'interféromètre 8 ont des chemins optiques différents du fait notamment que l'une des deux branches contient le bloc épais en verre 12 qui fait que, même pour des faisceaux lumineux importants, toutes les parties du faisceau interfèrent en phase. Les deux faisceaux partiels émergeant de l'interféromètre 8 présentent des interférences complementaires (c'est-d-dire la somme des deux faisceaux partiels est constante). Deux cathodes photoélectriques transforment les flux lumineux engendrés par interférence en flux électroniques amplifiés par les photomultiplicateurs 18, 19 pour former le courant de base des deux transistors 21, 22 branches en série. Pour une différence de phase déterminée, l'interférence conduit aux mêmes flux lumineux. Dans ce cas les deux transistors sont commandés par le même courant de base. Il sé forme un courant à L'intérieur d'un circuit oscillant, le condensateur 25 ne variant pas du point de vue charge et tension. Ceci constitue un état d'équilibre du système. Sous l'effet d'une variation de vitesse des particules diffusantes 4, l'effet Döppler provoque une faible variation de la longueur d'onde de la lumière diffusée. Les chemins optiques de l'interféromètre étant différents ttse situe à peu près entre 10 et 1o6n), une faible variation de la différence de phase apparaît à la sortie de l,interférometre 8. Ce phénomène provoque à son tour une légère perturbation de l'uniformité des flux lumineux et des courants de base des transistors 21, 22 de sorte qu'un courant differentiel est engendré modifiant la charge et la tension du condensateur 25.Toutefois la tension du condensateur 25 et le système optique sont asservis par I'intermédiaire de l'amplificateur 27 et de la cellule de POCKELS 3 de sorte qu'un déphasage est engendré dans la cellule de POCRELS 3 qui (en cas de stabilité) ramène l'équilibre, c'est-à-dire rétablit les mêmes flux lumineux des deux faisceaux partiels interférentiels. Conformément à ce principe, le système suit instantanement chaque variation de la vitesse au point de mesure, la tension du condensateur 25 variant de façon linéaire en fonction de la vitesse à mesurer et pouvant être enregistree de manière continue. Les avantages susceptibles d'être obtenus grâce à l'invention se traduisent en premier lieu par le fait que l'on peut enregistrer des vitesses de façon continue avec une résolution temporelle extrêmement élevée. Un autre avantage réside dans le dispositif électronique relativement simple que ibécessite la mise en oeuvre de ce procédé métrologique.A l'opposé des "Procédés à réseau de franges" utilisés presque exclusivement à l'heure actuelle, d'autres avantages méritent d'être signalés a) la gamme de vitesse n'est pas limitée vers le haut b) la présence simultanée d'un grand nombre dZparticules diffusantes à I'intérieur du volume de mesure ne gêne pas ; c) il est possible de mesurer la composante de la vitesse suivant l'axe du faisceau d) le signe de la composante de vitesse est également déterminé, c'est-a-dire le procédé fonctionne aussi dans le cas de taux de turbulence élevés allant jusqu'à 100 % e) les mesures ne sont pas influencées par des fluctuations du gradient de densité. I1 est évident que l'invention ne se limite pas à l'exemple décrit et que l'on pourrait concevoir diverses variantes sans sortir de son cadre. Ainsi, le dispositif électro-optique 3 pourrait être autre qu'une cellule de POCKELS, par exemple un quartz piézoélectrique. toutefois, on perdrait ainsi en résolution temporelle, la fréquence du quartz étant de l'ordre des kilohertz, alors que la cellule de POCKELS est sensible aux mégahertz. On peut également, si les particules 4 sont susceptibles de détruire la polarisation, placer la cellule de POCKELS sur le trajet de lumière diffusée, juste avant l1interreromètre 8. REVENDICATIONS 1. Procédé pour mesurer la vitesse d'un écoulement fluide, consistant à charger ledit fluide de particules prenant la même vitesse que lui, à éclairer ces particules par un faisceau laser et à mesurer l'intensité de l'effet Doppler sur la lumière diffusée par lesdites particules, caractérisé en ce qu'on polarise le faisceau suivant deux plans perpendiculaires pour former deux faisceaux partiels, en ce qu'on mesure la différence de phase entre les deux faisceaux partiels correspondant à une variation de longueur d'onde provoquée par l'effet Doppler, et en ce qu'on fait réagir cette différence de phase par voie électro-optique sur les faisceaux partiels pour rétablir l'équilibre de phase le signal électrique de commande représentant la mesure de la vitesse. 2. Dispositif pour mesurer la vitesse d'écoulement d'un fluide chargé de particules par mesure de lteffet Doppler, et notamment pour appliquer un procédé conforme à la revendication 1, ce dispositif comprenant un émetteur de faisceau laser et un interféromètre à plusieurs branches dont chaque branche est munie d'un photo-multiplicateur électro-optique, et étant caractérise en ce que l'interferomètre est ds type Michelson à deux branches, ce dispositif comprenant un dispositif électro-optique pour polariser ledit faisceau suivant deux faisceaux partiels et pour introduire un déphasage réglable entre ces deux faisceaux, et un étage de commande électrique sensible aux signaux de l'interféromètre pour commander ledit dispositif électro-optique dans le sens d'un rétablissement du déphasage initial. 3. Dispositif conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que l'étage de commande électrique comprend deux transistors montés en série suivant leurs circuits émetteur-collecteur, dont les bases respectives sont attaquées par les signaux des photomultiplicateurs, et un condensateur pontant les deux transistors, aux bornes duquel est prélevé le signal de commande du dispositif électro-optique. 4. Dispositif conforme à l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le dispositif électro-optique comprend un quartz piézo-électrique. 5. Dispositif conforme à l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le dispositif électro-optique comprend une cellule de POCKELS. 6. Dispositif conforme à l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'une des branches de l'interféromètre comprend une lame quart d'onde. 7. Dispositif conforme à l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce qu'une des branches de l'interféromètre comprend un bloc de verre épais. 8. Dispositif conforme à l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que le dispositif électro-optique est placé sur le faisceau laser avant l'impact sur les particules du fluide. 9. Dispositif conforme à l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que le dispositif électro-optique est placé sur le faisceau de lumière diffusée.