Brevet FR2353064A1 — publié le 19771223

L'invention a pour objet un procédé de mesure optique de la vitesse locale d'un écoulement de fluide et un dispositif mettant en oeuvre ce procédé. Les mesures de vitesse dans les écoulements de fluide ont été l'objet de nombreuses études qui ont abouti à la réalisation d'appareils ou vélocimètres, utilisant des méthodes optiques. La plupart de ces méthodes reposent sur l'étude de la lumière diffusée par des particules en suspension dans le fluide et qui sont entrainées par lui. On distingue principalement deux méthodes - la première méthode est basée sur l'effet Doppler.Elle consiste à diviser en deux faisceaux à l'aide d'une lame séparatrice le faisceau de lumière émis par un laser1 à focaliser un premier faisceau au point de mesure choisi dans l'écoulement et à combiner ensuite la lumière diffusée par les particu les en suspension et le second faisceau pour mettre en évidence L'écart de fréquence qui est proportionnel à la vitesse de l'écoulement, la vitesse des particules étant supposée égale à celle de l'écoulement. - la seconde méthode consiste à chronométrer le temps " t " mis par les parti cules pour traverser une série de barrières optiques espacées d'une distance connue " d " pour déterminer la vitesse V = d du fluide. On mesure une vitesse moyenne dans un volume de fluide t défini par l'écartement des barrières. Les barrières optiques utilisées sont constituées par des ré seaux de franges d'interférence ou par des repères spatiaux. Dans les vélocimètres à franges deux faisceaux lumineux issus d'un meme laser sont combinés pour former, dans une petite zone de mesure choisie, un réseau de franges parallèles entre-elles. Lorsqu'une particule en suspen sion dans 1 'écoulement passe devant ees franges il se produit un surplus de la lumière diffusée, La fréquence de cette fluctuation représente le temps mis par une particule pour traverser les franges. Elle dépend de linter frange, valeur aisément calculable ou mesurable et de la vitesse de la par ticule. D'autres méthodes consistent à concentrer dans la zone de mesure l'énergie du laser sur deux repères spatiaux sous la forme de petites taches lumineuses ou de petits segments lumineux parallèles entre-eux. Ces méthodes ont été largement décrites par R. SCHOLD (publication ASILE, Congrès de Zurich 1974 - " A laser dual beam method for flow measurements in turbomachines ") et par L.H TANNER et D.H THOIPSON (optics Technology février 69 - "Measure ment of fluid velocity and refractive index gradient using lasers "). Les appareils appliquant les méthodes interférométriques citées sont très sensibles aux vibrations. De plus, l'énergie du laser est dispersée dans la zone de mesure et compte l'énergie lumineuse diffusée par les particules est toujours très faible, il est difficile d'obtenir, en présence de lumière am biante, un rapport signal/bruit acceptable. Ces mesures de vitesse d'écoulement de fluide sont donc en général peu précises. Les méthodes mettant en oeuvre deux repères spatiaux ont permis, en concentrant l'énergie du laser sur ces repères, d'améliorer le rapport signal/ bruit et finalement d'obtenir une bonne précision sur la mesure de vitesse de l'éeoulement. Mais, en règle générale, dans toutes ces méthodes, il subsiste jusqu'à présent une lacune importante par le fait qu'il n'est pas possible de déterminer directement et simplement le sens du vecteur vitesse mesuré ce qui présente un grave inconvénient dans de nombreuses expériences en particulier lorsque l'on veut étudier le champ aérodynamique régnant à proximité d'une maquette d'essai en soufflerie aérodynamique. L'invention se propose donc de remédier à cet inconvénient. Elle a pour objet un procédé et un appareil de mesure optique unidimensionnelle de la vitesse locale d'écoulement d'un fluide contenant des particules diffusantes en suspension,ledit procédé fournissant simultanément la direction, le sens et l'intensité du vecteur vitesse par rapport à un système d'axes de référence. L'invention a aussi pour objet une installation de vélocimétrie laser pour l'étude des profils d'un écoulement et plus précisément des profils de vitesse des écoulements aérodynamiques autour d'une maquette d'essai en soufflerie. Conformément à l'invention, le procédé de mesure de vitesse consiste à délimiter une zone de mesure d'emplacement et de dimensions déterminés au moyen de deux barrières optiques déplaçables en rotation autour d'un point fixe, et à chronométrer le temps mis par une particule pour parcourir la distance connue séparant les deux barrières en collectant la lumière rétrodiffusée par la particule, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'on effectue successivement les opérations suivantes - on créé dans la zone de mesure deux segments de droite lumineux parallèles, de caractéristiques différentes, au moyen de deux faisceaux lumineux inci dents monochromatiques, - on sépare les signaux obtenus dans la lumière rétrodiffusée par les particu les au passage devant chacune des barrières, - on note les instants de passage " tl ", ' > , et " t2 " de chaque particule devant chacune des barrières; - on calcule l'intervalle de temps t t = tl - t2 - on déplace en rotation, autour de l'axe optique, l'ensemble des barrières et on recherche la position pour laquelle l'intervalle de temps t est minimal (d t min.) - on déduit alors1 de la position des barrières, du signe et de la valeur abso lue de .t tmin : la direction, le sens et l'intensité du vecteur vitesse de l'écoulement du fluide dans le plan d'observation. On peut différencier les deux segments lumineux en formant deux traits de couleur différente au moyen de deux faisceaux lumineux monochromatiques de longueur d'onde différente, ou bien en formant deux traits de même couleur mais dont la lumière présente un état de polarisation distinct. L'invention concerne un appaReil de mesure de vitesse locale, ou vélocimètre, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour former dans la zone de mesure deux segments lumineux parallèles entre-eux et de couleur différente i partir d'une source laser émettant sur plusieurs longueurs d'ondes, ledit vélocimètre comportant en outre des moyens pour collecter la lumière rétrodiffusée par les particules en suspension dans le fluide et fournir deux informations à l'entrée d'une unité de traitement qui détermine simultanément le sens et l'intensité du vecteur vitesse dans la direction d'observation. Dans la description qui suit, on se réfèrera aux dessins annexés qui illustrent un exemple de réalisation de l'invention. La figure I représente l'appareil selon l'invention. La figure 2 est un diagramme des temps relatif aux informations reçues par les appareils récepteurs et traitées par l'unité logique. La figure 1 montre un exemple de réalisation d'un appareil mettant en oeuvre le procédé de mesure de vitesse selon l'invention. La zone de mesure 1 est éclairée par deux faisceaux lumineux incidents monochromatiques 2 et 3, de longueurs d'onde 1 et A 2, dans le but de créer deux segments de droite lumineux, parallèles et de couleur différente, formant deux barrières optiques perpendiculaires au plan de figure. A cet effet, un filtre spatial comportant un objectif de microscope 4, suivi d'un diaphragme 5 de faible dimension forme, à partir de la source laser 6 émettant sur plusieurs fréquences, une source lumineuse quasi-ponctuelle qui, au moyen d'un collimateur 7, délivre un fais ceau de lumière parallèle éclairant un ensemble de deux prismes 8 accolés et disposés tête-bêche. L'indice de réfraction et l'angle au sommet de ces deux prismes sont voisins mais les dispersions sont aussi éloignées que possible pour que deux radiations de longueurs d'onde > 1 et > 2, les plus intenses du spectre de fréquence des signaux lumineux délivrés par le laser, soient déviées symétriquement par rapport à l'axe optique du montage. Le faisceau lumineux est concentré dans la zone de mesure par l'objectif 10. Pour transformer en segments lumineux les deux images ponctuelles de la source laser 6 obtenues au moyen du montage qui vient d'être décrit, on introduit de l'astigmatisme dans le faisceau lumineux en accolant à l'ensemble des deux prismes 8 une lentille plan-cylindrique 9 de faible puissance obtenue par exemple, en polissant selon un plan l'une des faces d'une lame à faces parallèles préalablement courbée par flexion. On obtient ainsi un ensemble monobloc 8-9 qu'il est possible de monter à rotation autour de l'axe optique pour entrainer la rotation des deux traits. Cette rotation permet de mesurer les différentes composantes de la vitesse d'écoulement du fluide dans le plan de mesure, et aussi de déterminer la direction du vecteur vitesse en recherchant l'orientation des deux traits correspondant à l'intensité maximale dudit vecteur. Dans une variante de réalisation de l'invention on peut introduire de l'astigmatisme dans le faisceau optique en disposant à proximité de la source lumineuse un ensemble de deux lames à faces parallèles inclinées symétriquement par rapport à l'axe optique. L'objectif 11 collecte ensuite la lumière rétrodiffusée par les particules en suspension traversant la zone de mesure 1. Une lame dichrotque 12 sépare les signaux lumineux de longueur d'onde A 1 et A 2 et les dirige respectivement sur deux récepteurs photo-électriques, par exemple deux photomultiplicateurs 13 et 14, au travers des filtres interférentiels 15 et 16. Au passage d'une particule diffusante devant l'un des segments lumineux correspond alors une information électrique émise par l'un des photomultiplicateurs 13 ou 14.On a représenté sur la figure 2 en 2a et 2b les suites d'impulsions électriques créées par les photomultiplicateurs 13 et 14 en réponse aux impulsions lumineuses créées par des particules B et B' traversant la zone de mesure. Les intervalles de temps fl, t séparant deux impulsions successives B11 et B12 ou B'l1 et B'12 dépendent de la distance entre les deux segments lumineux et de la vitesse des particules B et B'. Une unité de traitement 17 reçoit les impulsions et détermine en fonction de l'ordre d'arrivée et de l'intervalle de temps ff t séparant les impulsions Bîl (ou B'll) des impulsions B12 (ou B'12) le sens et l'intensité du vecteur vitesse dans la direction d'observation.Pour accroi- tre la fiabilité de l'appareil de mesure de vitesse l'unité de traitement 17 crée simultanément une information dite de validation (fig. 2 f), dont le ralle est d'éliminer toutes valeurs de la vitesse non comprises dans une plage estimée statistiquement en fonction du domaine des vitesses étudiées. Dans une première forme de réalisation l'unité de traitement 17 délivre simultanément trois informations - des signaux d'amplitude constante et de durée To (fig. 2 e) qui dépend de l'intervalle de temps séparant les impulsions B11 des impulsions B12 successi ves. Ces signaux représentent l'intensité du vecteur vitesse dans la direc tion de mesure. - des signaux dépendant de l'ordre d'arrivée des impulsions B11, B12 et indi quant le sens du vecteur vitesse (fig. 2 g). - des signaux de validation (2 f). En 2d de la figure 2 le signal de durée constante T2 représente l'intervalle de temps, intervenant T1 seconde après la traversée d'un segment lumineux par une particule diffusante B ou B' (fig. 2 d), pendant lequel il faut, pour valider la mesure, que cette particule diffusante traverse l'autre barrière. Les intervalles de temps CI1 1 et T2 sont ajustables en fonction du domaine des vitesses étudiées. Dans une seconde forme de réalisation de l'unité de traitement 17, au lieu de créer un signal de durée To, on associe à chaque circuit correspondant respectivement à chaque segment lumineux une mémoire numérique enregistrant l'instant de passage des particules. Un circuit logique calcule, à chaque signal de validation de mesure, le temps t mis par une particule pour parcourir la distance séparant les deux segments lumineux. Le résultat du calcul est présenté, sous forme numérique codée, à la sortie d'un registre tampon exploitable par une unité d'acquisition de données ou une unité de visualisation. Dans une variante de réalisation de l'invention, on remplace les deux segments lumineux de couleur différente par deux segments lumineux de même couleur présentant un état de polarisation distinct. A cet effet, le faisceau monochromatique de rayons parallèles issu du laser est séparé par des moyens connus, en deux faisceaux primaires parallèles polarisés suivant deux plans perpendiculaires pour obtenir deux traits en lumière polarisée orthogonalement.La lumière rétrodiffusée par les particules à leur passage devant les segments lumineux est captée par une lentille et séparée en deux voies distinctes au moyen, par exemple, d'un prisme Nicol puis dirigée sur les deux récepteurs photo-électriques. Le traitement électronique des signaux est identique à celui décrit précédemment, Dans ce mode de réalisation, les particules provoquent des changements d'état de la polarisation de la lumière qui limitent la perception des deux traits. L'invention s'applique enfin à une installation de vélocimétrie laser pour l'étude des profils de vitesse moyenne des écoulements de fluide notamment des écoulements turbulents en soufflerie aérodynamique. L'installation comprend alors, en combinaison, le vélocimètre bicolore conforme à l'invention et un calculateur numérique gérant les informations délivrées par le vélocimètre. Cette gestion permet - de contrôler la stationnarité d'un écoulement en délivrant périodiquement des valeurs du vecteur vitesse instantanée aux points de mesure choisis, - de calculer une moyenne statistique de la valeur de la vitesse du fluide au cours d'un intervalle de temps programme, - de caractériser la turbulence. Dans l'exemple de réalisation du vélocimètre bicolore décrit, on utilise un laser à Argon comme source de lumière et on sélectionne deux raies intenses du spectre de fréquences, la raie verte ( A 1 = 514,5 nm) et la raie bleue ( # 2 = 488,0 nm), pour créer deux segments lumineux respectivement de couleur verte et bleue. La séparation des signaux rétrodiffusés par les particules traversant le segment lumineux de couleur verte ou celui de couleur bleue est obtenue au moyen de filtres interférentiels vert ou bleu. Le nouveau vélocimètre conserve tous les avantages des vélocimètres connus - mesure possible des différentes composantes de la vitesse, - gain en éclairement de la zone de mesure par concentration de l'énergie d'une raie laser sur un seul trait, - mesure de vitesses élevées permises () 1000 ms ) avec une bonne résolution spatiale (de l'ordre de 200}m) mais en outre il permet de déterminer, avec un matériel simple et peu coûteux, le signe du vecteur vitesse. L'invention n'est, évidemment, pas limitée au mode de réalisation décrit qui n T est donné qu'à titre d'exemple. REVENDICATIONS 1 - Procédé de mesure optique de la vitesse locale d'écoulement d'un fluide contenant des particules diffusantes en suspension dans lequel on détermine simultanément la direction, le sens et l'intensité du vecteur vitesse par rapport à un système d'axes de référence en délimitant une zone de mesure de dimensions connues au moyen de deux barrières optiques déplaçables en rotation autour du point de mesure choisi et en chronométrant le temps t mis par chaque particule pour parcourir la distance d séparant les deux barrières , la mesure du temps A t étant effectuée en collectant la lumière rétrodiffusée par les particules au passage devant chaque barrière, ledit procédé de mesure étant caractérisé en ce qu'on effectue successivement les opérations suivantes - on crée dans la zone de mesure deux segments de droite lumineux, parallèles entre eux et de caractéristiques différentes, formant barrières optiques, au moyen de deux faisceaux lumineux incidents monochromatiques, - on mémorise les instants de passage tl et t2 de chaque particule devant cha cune des barrières, - on calcule l'intervalle de temps A t = t 1 - t2 mis par une particule pour franchir la distance séparant les deux barrières, - on déplace en rotation autour de l'axe optique l'ensemble des deux barrières et on recherche la position pour laquelle l'intervalle de temps t est mini mal, (d t min). - on déduit enfin de la position des barrières, du signe et de la valeur de A bt min: la direction, le sens et l'intensité du vecteur vitesse de l'écoulement du fluide pendant le temps de mesure. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux segments de droite lumineux parallèles sont de couleur différente et sont obtenus au moyen de deux faisceaux lumineux incidents monochromatiques de longueur d'onde distincte. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux segments de droite lumineux sont de même couleur mais sont polarisés orthogonalement. 4 - Appareil de mesure optique de la vitesse locale d'écoulement d'un fluide pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 2 compre- nant en combinaison - des moyens optiques pour créer une zone de mesure délimitée par deux seg ments de droite lumineux parallèles déplaçablesen rotation, - des moyens opto-électroniques pour capter la lumière rétrodiffusée par chaque particule, en suspension dans le fluide, à l'instant de son passage devant un segment lumineux, - des moyens électroniques de calcul pour déterminer l'intensité et le sens du vecteur vitesse dans la direction de mesure ; ledit appareil étant caracté risé en ce que - les moyens optiques comprennent, d'une part, une source de lumière à deux fréquences i 1 et ss 2, des moyens pour former un faisceau de lumière parallè le et deux prismes d'indice de réfraction et d'angle au sommet voisins mais de dispersion différente, disposés tête-bêche pour disperser symétriquement les rayons monochromatiques de fréquence 9 1 et D 2, et, d'autre part, un élément optique introduisant de l'astigmatisme pour former de la source deux segments de droite lumineux dont la couleur dépend des fréquences 9 1 ou 2 2. - les moyens opto-électroniques comportent une lame dichroïque et deux récep teurs munis de filtres interférentiels centrés sur les fréquences Q 1 et ss 2 pour séparer les signaux obtenus dans la lumière rétrodiffusée par les par ticules à leur passage devant chaque barrière. 5 - Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que la source de lumière est un laser à argon dont on choisit la raie verte et la raie bleue. 6 - Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de calcul élaborent un signal logique d'amplitude constante et de durée To proportionnelle à l'intervalle de temps ss t nécessaire à une particule pour franchir la distance séparant les deux barrières, un signal logique fournissant le signe du vecteur vitesse et un signal de validation de mesure. 7 - Installation pour étude du profil de vitesse de ltécoulement d'un fluide caractérisée en ce qu'elle comprend un appareil de mesure de vitesse selon l'une quelconque des revendications 4 à 6 et un calculateur déterminant la vitesse moyenne des particules pendant un intervalle de temps prédéterminé.