Brevet FR2380554A1 — publié le 19780908

L'invention a trait à un dispositif de mesure de vitesse de liquide en écoulement anisotrope avec une surface libre, opérant par différence d'effet Doppler sur deux faisceaux lumineux cohérents émis par un meme laser. Lorsque l'on fait interférer deux faisceaux lumineux cohérents par croisement de ces faisceaux dans un milieu transparent en mouvement, tel qu'un liquide en écoulement, et que les projections du vecteur vitesse du milieu sur la direction de propagation de chacun des faisceaux sont différentes, l'effetDoppler relativiste provoque un décalage différent de fréquence sur les deux faisceaux, et la lumière composée bat à la fréquence différence fonction de la composante différentielle de vitesse suivant les directions de propagation des faisceaux. il est aisé de comprendre que cette composante différentielle est dirigée suivant la bissectrice extérieure de l'angle formé par les deux faisceaux qui se croisent.En disposant un détecteur photoélectrique au-delà du point de croisement des faisceaux, on obtient un signal dont la fréquence est une mesure, pour une fréquence lumineuse et un angle de convergence des faisceaux donnés, de la composante de vitesse du milieu transparent suivant la bissectrice extérieure de l'angle de convergence. Pour éviter l'ambiguité sur le sens de la vitesse du milieu selon la bissectrice extérieure de l'angle de croisement des faisceaux, on peut provoquer sur au moins un des faisceaux un décalage initial par effet Doppler de direction et intensité connue, en sorte que l'effet Doppler da au milieu transparent en mouvement provoquera un nouveau décalage qui s'ajoutera au décalage initial ou s'en retranchera suivant le sens de la composante de vitesse du milieu transparent. Des dispositifs connus de mesure de vitesse de liquide en écoulement anisotrope comportent un laser émettant en continu un faisceau primaire, un moyen de séparation du faisceau primaire rendu parallèle en deux faisceaux secondaires, un moyen permettant d'imprimer à l'un au moins de ces faisceaux secondaires une composante de vitesse transversale pour induire un décalage Doppler, des moyens de diriger les faisceaux jusqu'à un point de mesure dans le liquide où ils interfèrent, et un moyen de détection de la lumière composée par interférence. Pour que l'interférence des faisceaux secondaires donne naissance à un battement représentatif de la vitesse du liquide au point de croisement, il faut que les trajets optiques des deux faisceaux soient bien constants, pour ne pas introduire des fluc ouations de la durée différentielle de trajet entre le moyen de separation des faisceaux et le point de mesure ; ces fluctuations donneraient un bruit qui noierait le signal utile. Les faisceaux ne peuvent pénerer dans le liquide par la surface libre de ce liquide, mais par des hublots disposés dans les bords de la cuve d' xpérience, de qualité optique et parfaitement mouillés.En outre la sensibilité du dispositif exige que l'angle de convergence des faisceaux secondaires ne soit pas trop faible, et lorsque le point de mesure doit autre distant du hublot, les faisceaux doivent être relativement écartés au passage dans le hublot, et parcourir dans le liquide des trajets relativement importants avant le point de croisement. Des variations locales d'indice du liquide le long de ces trajets, en raison de variations de température ou de concentration en soluté, induisent des variations aléatoires de durée différentielle de trajet. L'invention a pour objet un dispositif de mesure de vitesse d'écoulement de liquide par effet Doppler où les trajets des faisceaux dans le liquide jusqu'au point de mesure sont courts, très rapprochés et constants. L'invention a également pour objet un dispositif de ce genre, où tous les éléments permettant de diriger les faisceaux sont solidarisés en un seul bloc facilement orientable. A ces effets l'invention propose un dispositif de mesure de vitesse de liquide en ecoulement anisotrope avec une surface libre, opérant par différence d'effet Doppler sur deux faisceaux lumineux cohérents émis par un meme laser, et comprenant un moyen de séparation d'un faisceau primaire parallèle en deux faisceaux secondaires, un moyen d'imprimer à l'un au moins de ces faisceaux secondaires un décalage de fréquence choisi, des moyens de diriger les faisceaux secondaires jusqu'à un point de mesure dans le liquide où ils interfèrent, et un moyen de détection de la lumière composée par l'interférence émettant un signal à fréquence de battement, caractérisé en ce qu'il comporte sur le trajet du faisceau primaire un disque à réseau radial de diffraction entrainé en rotation à vitesse choisie par un moteur, un biprisme adapté à rendre parallèles deux faisceaux secondaires issus de composantes de diffraction d'ordre différent du réseau, une lentille convergente immergeable terminant un conduit étanche où passent les faisceaux, le croisement des faisceaux au foyer de la lentille déterminant le point de mesure, et au-delà de ce foyer une extrémité d'une fibre optique terminée à l'autre extrémité par ledit détecteur. Le réseau de diffraction donne naissance à une multiplicité de faisceaux diffractés d'ordres successifs divergeant de part et d'autre d'un faisceau central d'ordre zéro, suivant des angles croissants La rotation du disque portant le réseau radial imprime à chaque composante de diffraction un décalage Doppler fonction de l'angle de divergence du faisceau et de la vitesse de rotation du réseau, correspondant à une composante transversale de vitesse. Le biprisme permet de sélectionner deux faisceaux d'ordre différent de diffraction, donc décalés différemment par effet Doppler, et de diriger ces faisceaux parallèlement dans le conduit étanche jusqu'à la lentille convergente. A l'émergence de cette lentille, les faisceaux pénètrent dans le liquide pour se croiser au foyer de la lentille, qui constitue le point de mesure.L'angle de convergence des faisceaux secondaires peut être notable sans que l'écartement des faisceaux soit grand, en choisissant une lentille à focale courte, qui peut alors etre de petite dimension, en sorte que les remous dus à l'écoulement de liquide contre la lentille et l'extrémité du tube étanche ne perturbe pas notablement l'écoulement au point de mesure. Par ailleurs les trajets courts et rapprochés dans le liquide permettent d'éliminer sensiblement les fluctuations dues à des anisotropies d'indice. De préférence, laser, disque tournant, biprisme et conduit étanche sont rendus solidaires par une ossature réglable en position et orientation par rapport au liquide. Ainsi le déplacement du point de mesure de la direction de la composante de vitesse à mesurer peut etre effectué sans réglages des trajets optiques. On peut disposer un miroir à réflexion perpendiculaire sur le trajet des faisceaux avant la lentille convergente, l'orientation de ce miroir par rapport au plan des faisceaux secondaires incidents permet d'orienter la composante de vitesse à mesurer dans le liquide. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 représente schématiquement la disposition des organes d'un dispositif selon l'invention pour la mesure de vitesse de liquide la figure 2 représente en coupe un dispositif selon l'invention en bottier étanche la figure 3 représente un objectif à miroir orientable pour un dispositif selon l'invention. Selon la forme de réalisation choisie et représentée figure 1, un laser 1 à émission entretenue, de construction classique et qui ne sera pas décrite ici, émet un faisceau cohérent 2, avec une faible divergence. A l'émergence de la lentille 3, le faisceau 4 est parallèle et vient tomber sur un réseau 5 de diffraction disposé radialement sur un disque 6, dont un secteur est représenté, et qui tourne en rotation uniforme autour d'un axe 7 parallèle à la direction du faisceau primaire 4. Le spectre de diffraction du réseau 5 est projeté sur un biprisme 10, dont les angles au sommet sont déterminés pour dévier des rayons d'un angle égal à la moitié de l'angle séparant deux composantes de diffraction d'ordre différent choisi 8 et 9. On peut utiliser soit la composante d'ordre zéro et une des composantes d'ordre un, ou les deux composantes d'ordre 1, de part et d'autre de la composante d'ordre zéro. Les deux composantes choisies donneront à l'émergence du biprisme deux faisceaux secondaires parallèles 11 et 12, tandis que les autres composantes, ou bien ne tomberont pas sur le biprisme et seront ainsi éliminées, ou bien seront déviées par le biprisme pour diverger d'avec les faisceaux secondaires Il et 12 et etre absorbées par les parois d'un conduit étanche 13 parallèle aux faisceaux secondaires 11 et 12.Ce conduit étanche 13 est terminé par une lentille convergente 14, immerge dans le liquide 20. Les faisceaux secondaires 11 et 12 vont conver gerzeau foyer 15 (dans le liquide 20), et interférer en se croisant. La lumière composée par interférence est reçue sur un miroir 16 et réfléchie sur l'entrée d'une fibre optique 17 rigide en sorte que l'extrémité d'entrée soit en position fixe par rapport au conduit étanche 13. A l'autre extrémité de la fibre optique 17 est disposé un détecteur photoélectrique 18 suivi d'un amplificateur 19 dont on recueille le signal de sortie. On sait que la superposition de deux lumières cohérentes décalées chacune de f de part et d'autre d'une fréquence F donne naissance à une lumière à la fréquence F modulée à la fréquence f. Le détecteur photoélectrique intègre la fréquence F, mais son signal de sortie est modulé à la fréquence f. Si u est la vitesse périphérique du réseau 5, et p le pas de ce réseau, on démontre facilement que pour les composantes du premier ordre la rotation du disque 6 induit un décalage de ft- quence f = u/p, f étant positif pour la composante de diffraction qui diverge à l'opposé de la rotation du réseau. Comme les faisceaux 11 et 12 sont très proches l'un de ltau- tre, dans leur trajet dans le liquide 20 entre la lentille 14 et le point de mesure 15 ils seront soumis aux memes perturbations, à l'exception de l'écoulement dans le plan des faisceaux dans dans ce plan, en raison de la convergence au point de mesure 15, la vitesse d'écoulement n'aura d'effet différentiel sur les deux faisceaux que selon les composantes perpendiculaires à la bissectrice intérieure. En outre les décalages qui se produisent le long des trajectoires des faisceaux entre la lentille 14 et le point de mesure 15 sont des fonctions linéaires des vitesses, si bien que les décalages au point 15 ne dépendent que de la composante de vitesse en ce point et suivant la bissectrice extérieure de l'angle des faisceaux.La composition interférentielle des faisceaux en ce point de croisement 15 a pour résultat que ce point se comporte comme une source autonome de lumière, et que les décalages qui pourraient affecter le rayonnement issu de ce point ne sont plus significatifs. L'effet Doppler différentiel au point de mesure vient s'ajouter avec son signe à l'effet Doppler différentiel induit par la rotation du réseau 5, se retranchant si la vitesse d'écoulement au point 15 est de sens opposé à la vitesse péripherique du réseau, et s'ajoutant si les deux vitesses sont de meme sens. Comme la fréquence f mesurée en sortie de l'amplificateur 19 est scalaire, il ne serait pas possible de connaître le sens de composante de vitesse d'écoulement du liquide au point de mesure sans le décalage initial par le réseau tournant 5. Comme il est représenté figure 2, le dispositif est monté dans un bottier 100 dans son ensemble, étanche, qui forme une ossature rigide sur laquelle sont fixés les éléments actifs. Le faisceau primaire émis par le laser 101 est renvoyé à 1800 par un prisme double à réflexion totale 102 et est corrigé de sa divergence naturelle par la lentille 103. I1 tombe alors sur le limbe 105 du disque tournant 104, limbe sur lequel est gravé un réseau radial. Le disque 104 est entratné en rotation uniforme par un moteur 106, dont la vitesse de rotation est régulée avec soin par un dispositif classique non représenté. Le réseau l tournant 105 est suivi d'un biprisme 107, à l'entrée Cti cDDduit étanche 108, lui-meme terminé par la lentille convergen t 109, dont le foyer 110 dans le liquide 115 définit le point de mesure. Au-delà du point de mesure 110 un miroir 111 renvoie la lumière composée sur l'extrémité d'entrée de la fibre optique 112, à l'autre extrémité de laquelle est disposé un détecteur photoélectrique 113 à l'intérieur du bottier 100. La fibre optique 112 est rigide et solidarisée avec le conduit étanche 108. ;e dispositif forme ainsi un tout compact indéformable, avec un tube de sonde qui peut etre immergé plus ou moins profondément dans le liquide 115. L'axe du conduit étanche est normalement vertical et l'orientation du bottier autour de cet axe définit l'orien- tion de la composante de vitesse d'écoulement horizontal du liquide 115 au point de mesure 110. Dans la représentation de la figure 2, cette composante est perpendiculaire au plan du dessin. On comprendra que la convergence de la lentille 109 et la position du miroir 111 sont choisies de telle sorte que les traînées de l'extrémité du conduit étanche 108 et du miroir 111 n'introduisent pas de perturbations sensibles au régime d'écoulement au point de mesure 110. Comme les faisceaux secondaires peuvent etre assez proches dans le conduit étanche 108, ce dernier peut etre de diamètre réduit. Or peut ainsi avoir une distance lentille 109-point de mesure 110 de quelques centimètres seulement. Si lton désire mesurer des composantes de vitesse suivant une direction autre qu'horizontale, on peut disposer à ltextrémité inférieure du conduit étanche un dispositif optique tel que représenté figure 3. L'extrémité du conduit étanche vertical 200 porte une tete de renvoi 203, orientable par rapport au plan des faisceaux secondaires incidents 201 et 202 autour de l'axe du conduit étanche. La tete 203 comporte un miroir 205, incliné à 450 sur l'axe du conduit étanche 202, et une lentille convergente 208 dont l'axe principal définit avec l'axe perpendiculaire du conduit étanche 200 un plan perpendiculaire au plan du miroir 205. Le foyer 211 de la lentille 208 définit un point de mesure au-delà duquel est disposée la fibre optique 213. Un limbe gradué 204 permet de déterminer 1 'angle dièdre formé par le plan des faisceaux secondaires incidents 201 et 202 et le plan défini par les axes du conduit étanche 200 et de la lentille 208. Les faisceaux 201 et 202 se réfléchissent sur le miroir 205 aux points 206 et 207 respectivement, la droite 206-207 étant inclinée par rapport à l'horizontale d'un angle égal au complément de l'angle dièdre formé par le plan des faisceaux 201 et 202 et le plan des axes de conduit 200 et de lentille 208. Aussi le plan des faisceaux secondaires 209, 210 émergeant de la lentille 208 est-il incliné par rapport à un plan horizontal d'un angle dièdre égal à l'angle définit précédemment, et par suite la composante de vitesse mesurable 212 est également inclinée sur l'horizontale d'un angle égal. On peut ainsi déterminer complètement la vitesse d'écoulement au point de mesure 211 en grandeur, direction spatiale et sens. Le dispositif selon l'invention est applicable notamment à la détermination de régimes d'écoulement permanent, cyclique ou turbulent sur des modèles hydrauliques et aérodynamiques. Bien entendu l'invention ncest pas limitée aux exemples décrits mais en embrasse toutes les variantes d'exécution. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de vitesse de liquide en écoulement anisotrope avec une surface libre, opérant par différence d'effet Doppler sur deux faisceaux lumineux cohérents émis par un méme laser, et comprenant un moyen de séparation d'un faisceau primaire parallèle en deux faisceaux secondaires, un moyen d'imprimer à l'un au moins de ces faisceaux secondaires un décalage de fréquence choisi, des moyens de diriger les faisceaux secondaires jusqu'à un point de mesure dans le liquide où ils interfèrent, et un moyen de détection de la lumière composée par l'interférence émettant un signal à fréquence de battement, caractérisé en ce qu'il comporte sur le trajet du faisceau primaire un disque à réseau radial de diffraction entraîné en rotation à vitesse choisie par un moteur, un biprisme adapté à rendre parallèles deux faisceaux secondaires issus de composantes de diffraction d'ordre différent du réseau, une lentille convergente immergeable terminant un conduit étanche où passent les faisceaux, le croisement des faisceaux au foyer de la lentille déterminant le point de mesure, et au-delà de ce foyer une extrémité d'une fibre optique terminée à l'autre extrémité par ledit détecteur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que laser, disque tournant, biprisme et conduit étanche sont rendus solidaires par une ossature, réglable en position et orientation par rapport au liquide. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite ossature comprend une enveloppe étanche prolongée par ledit conduit étanche. 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que ladite fibre optique est rigide et fixée à ladite ossature au moins par son extrémité terminée par le détecteur. 5. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit conduit étanche comporte un moyen de miroir plan incliné à 45" sur la direction des faisceaux secondaires, et disposé avant la lentille. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit moyen de miroir est monté réglable en orientation par rapport au plan contenant les faisceaux secondaires incidents.