Brevet FR2421378A1 — publié le 19791026

La presente invention, due aux travaux de Monsieur Lucien CHINCHOLLE, du Laboratoire de Génie Electrique de Paris, a pour objet un procédé de de teot ion et de mesure de la cavita- tion érosive ou de phénomènes abrasifs et un dispositif mettant en oeuvre ce procédé Elle trouve une application dans la surveillance des pompes, turbines et autres appareils munis de pièces mobiles baignant dans un fluide, ou dans le contrôle das canalisations, vannes ou enceintes parcourues par un liqui de, et encore dans la surveillance des installations de net- touage par ultrasons. On connaît des procédés et dispositifs de détection de la cavitation, qui sont basés sur la mesure des bruits qui accompagnent en général la cavitation. Outre leur difficult de mise en oeuvre, ces moyens ne peuvent détecter qu'un bruit de cavitation de seuil relativement élevé, En outre, ce bruit ne correspond pas nécessairement à une cavitation de caractère érosif. Inversement, une cavitation érosive peut apparaître dans une zone de volume très reduit et donner naissance à un bruit inférieur au seuil de détection. La presente invention a pour objet un. procédé et un dispositif qui permettent de détecter et de mesurer la cavitation érosive apparaissant dans un fluide, sans faire appel à des moyens de mesures acoustiques, et qui de ce fait, ne présentent pas les inconvénients des techniques antérieures. L'invention est basée sur l'observation faite par l'inventeur selon laquelle la cavitation érosive dans un liquide s'accompagne de phénomènes électrochimiques à la surface d'une électrode plongeant dans ce liquide. Dès lors, ces phénomènes électrochimiques constituent un moyen de mesure "in situ" de la cavitation érosive. Ces observations de l'inventeur font suite à des travaux qu'il a effectués et publiés sur le processus plus général d'érosion hydromécanique qui apparat au cours d'une décharge électrique dans un liquide, On pourra se reporter à ce sujet, à la note de L, CHINCHOLLE et G. QUICHAUD pliée dans les comptes-rendus à l'Académie des Sciences de Paris, tome 265, sérine , 18 décembre 1967, page 882-885 et titule'e "Etude du microjet qui suit une bulle animée d'un double mouvement de translation et d'implosion", et à l'article de L. (HINCHOL;;LE publié dans "L'onde électriqueJ', 1976, vol 56, n 1, page 2834 et intitulé "Effets physiques des ultrasons et conséquences éventuelles dans le domaine biomédical". De façon précise, l'invention a pour objet un procédé dé de détection et de mesure de la cavitation érosive ou de phénomènes abrasifs apparaSssant dans un liquide, caractérisé en ce que - on plonge dans le liquide deux électrodes métalliques, l'une servant d'électrode de référence et l'autre d'élec trode de travail, cette dernière étant disposée dans la zone où l'on veut détecter et mesurer la cavitation t - on mesure la tension électrique de l'électrode de travail par rapport à l'électrode de référence ; - on détecte et on mesure les variations de cette tension, qui sont liées à la présence et à l'intensité de la cavi tation érosive au voisinage de l'électrode de travail. Un tel procédé s'applique quelle que soit la nature du liquide : isolant (huile, hydrocarbure, etc...) légèrement conducteur (solutions électrolytiques, eau du robinet, eau de mer, etc...) ou conducteur (métaux liquides tels que le sodium ou les alliages alcalins fondus utilisés dans les circuits de refroidissement des réacteurs nucléaires). Eventuellement, on applique aux électrodes une tension de polarisation pour mieux fixer leur potentiel et améliorer la précision de la mesure de tension. La présente invention a également pour objet un dispositif de détection et de mesure de la cavitation érosive apparaissant dans un liquide, dispositif qui met en oeuvre le procédé qui vient d'être défini et qui est caractérisé en ce qu'il comprend - deux électrodes métalliques plongeant dans le liquide, ltune de référence et l'autre de travail, cette dernière étant disposée dans la zone où l'on veut détecter et mesurer la cavitation - un moyen pour mesurer la tension électrique de l'électrode de travail par rapport à l'électrode de référence , - un moyen pour détecter et mesurer les variations de cette tension. Les électrodes peuvent. etre identiques ou différentes. Pour constituer l'électrode de référence, on peut uti liser l'une des électrodes connues en électrochimie pour ce rôle (électrode d'argent par exemple ou électrode au calomel). Mais on peut utiliser aussi des électrodes plus simples, cons titubées par exemple par un fil métallique (fil d'argent recouvert de chlorure d'argent),voire par le métal constituant l'installation elle-meme en un point où ii n'y a pas de cavitation L'électrode de travail est. de préférence en métal susceptible de se recouvrir d'une mince couche d'oxyde ou plus généralement d'un film protecteur. Ce métal est par exemple l'acier inoxydable, lequel, comme on le sait, se recouvre d'une mince couche d'oxyde de chrome lorsqu'il est plongé dans une solution aqueuse. Le moyen pour mesurer la tension électrique peut être un voltmètre à haute impédance, ou un appareil enregistreur, ou encore un dispositif à seuil indiquant la présence ou l'absence de cavitation. E De toute façon, les caractéristiques et avantages de 11 invention apparaîtront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente schématiquement les moyens essentiels mis en oeuvre dans l'invention ; - la figure 2 représente une installation permettant de détecter une cavitation en canal hydraulique ; ; - la figure 3 représente les variations de la tension prélevée entre les électrodes utilisées dans l'installation de la figure précédente - la figure 4 représente schématiquement une installation permettant de détecter une cavitation ultrasonore - la figure 5 représente les variations de la tension prélevée entre les électrodes en fonction de la puissance ultrasonore appliquée dan-s 1Cinstallatlon de la figure précédente - la figure 6 représente les variations de la tension prélevée entre les électrodes en fonction de la position de l'électrode de travail, à puissance ultrasonore constante ; - la figure 7 représente un mode de réalisation par ticulier de l'électrode de travail utilisable dans le con trôle de la cavitation au Voisinage d'une pièce en mouvement. L' installation représentée sur la figure I comprend un récipient 2 contenant un liquide 4 dans lequel est immergée une pièce 6 au voisinage de laquelle on désire détecter et mesurer la cavitation érosive, A cette fin,- l'installation représentée comprend, selon l'invention, une électrode de référence 8 et une électrode de travail 10 cette derniere étant placée au voisinage de la zone où l'on veut détecter et mesurer la cavitation, c'est-å-dire au voisinage de la pièce 6. Les deux électrodes sont reliées à un moyen 12 de mesure de la tension électrique de l'électrode de travail par rapport à l'électrode de référence. Dans la variante illustrée, il s'agit d'un voltmètre. Dans un mode de réalisation perfectionné, on peutappliquer entre les électrodes 8 et 10 une tension auxiliaire à l'aide d'une source de tension 14 ; l'organe. de mesure 12' peut être disposé aux bornes d'une résistance 16. L'application d'une tension auxiliaire permet de mieux fixer le potentiel des électrodes et d'accroltre la précision de la mesure. La tension auxiliaire peut etre de l'ordre de quelques volts et le courant de l'ordre du milliampère. Ce schéma général du dispositif de l'invention est susceptible de plusieurs modes de réalisation particuliers selon la forme et la nature de la pièce au voisinage de laquelle on désire mesurer la cavitation érosive. A titre explicatif et nullement limitatif, trois modes particuliers de réalisation vont maintenant être décrits. Le premier concerne un canal hydraulique, le second une installation à ultrasons et le troisième une machine tournante. L'installation représentée sur la figure 2 est un canal hydraulique qui comprend un conduit 20 alimenté en liquide (par exemple en eau) à travers un entonnoir 22. Un obstacle 24 est présent dans le conduit 20 ; en aval de cet obstacle, par rapport à la direction d'écoulement du liquide, est disposée une électrode de travail 26, par exemple en acier inoxydable. L'entonnoir 22 est métallique (par exemple en cuivre) et constitue l'électrode de référence. Un voltmètre 28 est disposé entre l'entonnoir 22 et l'électrode 26. L'inventeur a effectué une série de mesures sur une telle installation dans les conditions expérimentales suivantes vitesse du fluide dans le canal : de l'ordre de 20 m/s ; - section de la veine d'essai : 20 x 20mm2 , - débit : 25 mi ; - diamètre de l'obstacle A : 5 mm - diamètre de l'électrode de travail : 3 mm. Les résultats obtenus dans ces conditions sont représentés sur la figure 3. La tension V apparaissant entre les électrodes 22 et 26 prend une valeur négative de l'ordre de 20mV lorsque le liquide est immobile dans le conduit 20. Au point marqué A sur la courbe le liquide est mis en circulation. La cavitation s'établit immédiatement et la tension mesurée tombe à environ -140mV. Au point marqué B, on arrete la circulation du liquide et la tension reprend sa valeur initiale avec un certain temps de réponse. Avant que la tension n'at- teigne sa valeur limite, le liquide est à nouveau mis en circulation au point marqué C et la tension retombe à la valeur de 140mV. Ces résultats peuvent etre retrouvés si l'on utilise, pour provoquer la cavitation, d'autres techniques que la mise en circulation du liquide, et par exemple, l'ouverture ou la fermeture d'une vanne ou encore l'application d'une pression à la veine de liquide, ou encore un échauffement ou un refroidissement du liquide. Une observation attentive des phénomènes qui ont lieu au voisinage de l'électrode 26 montré que la chute de tension relevée est bien liée au bombardement de l'électrode par des bulles de cavitation. On peut avancer l'explication selon laquelle ces s bulles auraient pour effet d'arracher la couche isolante (en l'occurrence la couche dioxyde) qui recouvre l'électrode de travail, ce qui modifierait son état de surface et, par suite, son potentiel par rapport à l'électrode de référence. L'installation représentée sur la figure 4 est d'une autre nature. Elle comprend une enceinte 30 remplie d'un liquide 32 dans lequel plonge un émetteur ultrasonore 34 relié à un générateur tonde ultrasonore 36. Une électrode de référence 38 est plongée dans le liquide à l'écart de l'onde acoustique et une électrode de travail 40 est disposée entre l'émetteur 34 et le fond de l'enceinte 30. Un voltmètre 42 est inséré entre les électrodes 38 et 40. Pour des fréquences des ultrasons de l'ordre de 20kHz ou de 800khi, l'inventeur a obtenu des résultats qui sont résumés sur les figures 5 et 6. Sur la figure 5 sont représentées les variations de la tension V mesurée par le voltmètre 42 (figure 5a) en fonction de la puissance P de l'onde ultrasonore (figure 5b) dans le cas où celle-ci varie par paliers. Cette figure fait apparaltre immédiatement la corrélation entre la puissance de l'onde ultrasonore, donc l'intensité de la cavitation, et la tension mesurée entre les électrodes. La figure 6 représente les variations de la tension V mesurée par le voltmètre 42 en fonction de l'enfoncement x de l'électrode de travail 40 dans l'enceinte, pour une puissance ultrasonore constante. Les variations de la tension reflètent la distribution stationnaire de l'onde acoustique dans l'enceinte 30, les extrema négatifs de tension correspondant aux ventres de pression, et les extrêma positifs aux noeuds de pression. Dans cette variante où l'on détecte une cavitation d'origine ultrasonore, l'invention trouve une application notamment dans la surveillance des installations comprenant des bacs de nettoyage par ultrasons. La figure 7 enfin, illustre une application de - l'invention à la détection de la cavitation érosive à la surface d'une pièce mobile comme par exemple un rotor de pompe. Sur le rotor 44 représenté, sont disposées trois électrodes 46a, 46b et 46c constituées chacune par un cylindre conducteur 48 isolé du rotor 44 par une enveloppe isolante 50. Le rotor plonge dans un liquide 52 qui est en contact avec un stator metallique 54. Les électrodes sont reliées à des bagues 56a, 56b et 56c munies de balais qui permettent de transmettre les signaux électriques vers trois voltmètres 58a, 58b et 58c. Eventuellement, les signaux électriques reflétant le potentiel des électrodes 46a, 46b et 46c, peuvent être transmis à l'extérieur ds la machine tournante par des moyens optoélectroniques ou par des moyens d'émission d'une onde radioélectrique. La réalisation de oes moyens de contrôle de la cavitation est simple puisqu'il suffit de mettre en place les électrodes dans le rotor puis de polir la surface de l'ensemble rotor-électrodes. Selon l'étendue de la zone à surveiller et la précision souhaitée pour la localisation-de l'érosion, on peut utiliser des électrodes dont la section varie depuis le millimètre carré environ jusqu au décimètre carre. Ce mode de réalisation s applique à tous les appareils comprenant une pièce mobile dans un fluide et notamment aux pompes, aux turbines hydrauliques ou à vapeur, aux hélicesdes navires, etc... Dans tous les modes de réalisation qui viennent d'être décrits, le dispositif de l'invention permet de traduire l'intensité d'une cavitation érosive en un signal électrique ; il est donc particulièrement bien adapté au chaînes de régulation automatique-, par exemple de la vitesse de rotation dlun organe ou du débit d'un fluide dans une installation, ces chaines traitent en général des signaux électriques de meme nature. La description qui précède se rapporte à une cavitation érosive, mais il va de soi que l'invention s'applique de façon plus générale à la détection de tout phénomène abrasif qui se traduit, comme la cavitation érosive, par une modification de l'état de surface d'-une électrode. Ce peut être le cas notamment lorsque le liquide dans lequel plonge l'électrode véhicule des produits abrasifs. B5TENDN-ATIOtTS 1, Procédé de détection et de mesure de la cavitation érosive ou de phénomènes abrasifs apparalssant dans un liquide, caractérisé en ce que : - on plonge dans le liquide deux électrodes métalliques, l'une servant d'électrode de référence et l'autre d'électrode de travail, cette dernière étant disposée dans la zone où l'on veut détecter et mesurer la cavitation ; - on mesure la tension électrique de 1' électrode de travail par rapport à l'électrode de référence ; - on détecte et on mesure les variations de cette tension, qui sont liées à la présence et à l'intensité de la cavita tion érosive au voisinage de l'électrode de travail. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu ton applique entre les électrodes une tension auxiliaire et en ce qu'on mesure les variations de cette tension. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide est isolant. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide est conducteur. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cavitation est d'origine hydraulique. 6 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cavitation est d'origine ultrasonore. 7. Dispositif de détection et de mesure de la cavitation érosive ou de phénomènes abrasifs apparaissant dans un liquide, mettant en oeuvre le procédé de la-revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend : - deux électrodes métalliques plongeant dans le liquide, l'une de référence et l'autre de travail, cette dernière étant disposée dans la zone où l'on veut détecter et mesurer la cavitation ; - un moyen pour mesurer la tension électrique de l'électrode de travail par rapport à l'électrode de référence ; - un moyen pour détecter et mesurer les variations de cette tension. 8. Dispositif selon la revendication 7, pour la détection et la mesure de la cavitation apparalssant à la surface d'une pièce mobile baignant dans un liquide, caractérisé sé en ce que plusieurs électrodes de travail sont insérées dans ladite piece mobile et affleurent à la surface de cette pièce. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la piece mobile étant conductrice, les électrodes de travail sont isolées de ladite pièce mobile par une couche de matériau isolant.