Brevet FR2544877A1 — publié le 19841026

La présente invention concerne une sonde optique. Cette sonde optique s'applique à la détec- tion de l'interface de séparation de deux milieux d'indices optiques différents, contenus dans une en- ceinte et, plus particulièrement, à la détection du niveau de l'eau dans l'enceinte d'un générateur de vapeur -d'une centrale nucléaire Elle s'applique- aussi à la détection de compositions-de milieux di- l 1 phasiques, à partir de leurs indices optiques de ré- fraction. On sait que la détection de l'interface de séparation de deux milieux d'indices optiques diffé- rents contenus dans une enceinte est délicate, no- tamment lorsque l'enceinte est fermée et le milieu est hostile C'est le cas par exemple dans les géné- rateurs de vapeur des centrales nucléaires à eau or- dinaire pressurisée, dans lesquels la zone de passa- ge de l'eau, de la phase liquide à la phase vapeur, est fluctuante et mal connue On sait aussi que la détection de compositions de milieux diphasiques contenus dans une enceinte est délicate. L'interface de séparation entre deux mi- lieux d'indices optiques différents et plus particu- lièrement le niveau de l'eau dans l'enceinte d'un généxateur de vapeur par exemple, peut être défini, à partir de la différence des pressions statiques relevées par une sonde comprenant des détecteurs de pression situés à deux niveaux différents, sur une m 9 me génératrice de l'enceinte cylindrique du géné- rateur L'un de ces détecteurs est situé en dessous du niveau de l'eau, tandis que l'autre est situé au- dessus de ce niveau, dans la partie de l'enceinte contenant la vapeur Les mesures de pression peuvent etre perturbées de façon transitoire ou permanente par des phénomènes d'écoulements secondaires de l'eau entre ces deux détecteurs De plus, les mesu- res obtenues à partir de ces détecteurs peuvent se révéler peu fiables, en cas de dépressurisation ac- cidentelle du générateur. On connaît d'autres sondes permettant de, détecter l'interface de séparation d':un mi lieu li- quide et d'un milieu gazeux; parmi ces sondes on peut citer: les sondes thermiques: elles sont constituées par un ensemble d'éléments chauffants; le niveau de l'eau dans un générateur de vapeur par exemple est détecté par une mesure de la conductivité thermi- que de ces éléments chauffants, cette conductivité variant en fonction de la position de l'élément chauffant qui peut être situé dans le liquide ou hors de celui-ci Ces sondes thermiques sont très vite détériorées par les liquides à haute tempéra- ture et fournissent des mesures peu précises, les sondes électriques: elles sont constituées par une série d'électrodes; la mesure des varia- tions de résistance entre deux électrodes succes- sives donne une indication de niveau Ces sondes sont fragiles et très sensibles aux parasites, les sondes acoustiques: elles son t souvent utili- sées pour mesurer des niveaux de liquides mais elles sont difficilement exploitables dans des li- quides présentant des températures élevées et dans des gaz à haute pression, les sondes nucléaires: le fonctionnement de ces sondes est fondé sur l'absorption d'un rayonnement nucléaire dans un milieu liquide Elles se dété- riorent facilement à haute température, les sondes optiques: l'apparition récente des fi- bres optiques et des composants optoélectroniques a permis de développer des sondes optiques pour la détection de l'interface de séparation entre deux milieux d'indices optiques différents Ces sondes comprennent un moyen optique généralement consti- tué par un prisme de verre, capable de réfracter ou de réfléchir un rayon lumineux incident Ce prisme est placé dans l'enceinte contenant deux milieux d'indices de réfraction différents: un liquide et un gaz par exemple Lorsque ce prisme est situé dans le liquide, tout rayon lumineux in- cident est réfracté par le prisme, tandis que lorsque le prisme est situé au-dessus de la surfa- ce du liquide, tout rayon lumineux incident est réfléchi par le prisme Une fibre optique d'émis- sion éclairée par une source lumineuse permet de transmettre un rayon lumineux incident jusqu'au prisme, tandis qu'une fibre optique de réception permet de transmettre le rayon lumineux éventuel- lement réfléchi dans le prisme, vers un détecteur optoélectronique La présence ou l'absence de rayons réfléchis permet donc de détecter l'inter- face de séparation entre le liquide et le gaz con- naissant l'indice optique du matériau constituant le prisme, il est aussi possible de déterminer la composition de deux milieux diphasiques, à partir de leurs indices Si l'un-des milieux a un indice supérieur à celui du prisme, tout rayon incident est réfracté Au contraire, si l'un des milieux a un indice inférieur à celui du prisme, tout rayon incident est réfléchi. Les sondes optiques sont les plus utili- sées mais elles présentent des inconvénients: l'arête du prisme est fragile et la sonde peut être facilement détériorée De plus, en milieu thermique- ment ou chimiquement hostile, le verre constituant les prismes se détériore facilement et la détection d'interfaces devient alors impossible Les fibres optiques utilisées dans ces -sondes sont mal proté- gées contre les liquides à haute température ou con- tr.e les rayonnements nucléaires par exemple Généra- lement, ces sondes ne comportent qu'un seul prisme et ne permettent pas de détecter différents niveaux d'interfaces Enfin, l'orientation des prismes par 1 rapport aux rayons lumineux incidents est critique et doit être très précise: l'arête du prisme doit être perpendiculaire au plan contenant le rayon in- cident et le rayon éventuellement réfléchi Enfin, lorsque la sonde doit être utilisée en milieu hosti- le, le prisme doit être fixé à un boîtier étanche et. cette fixation pose des problèmes a'étanchéité liés aux contraintes thermiques subies par le prisme. La présente invention a pour but de remé- dier à ces inconvénients et notamment de réaliser une sonde optique qui comprend un moyen optique de réfraction ou de réflexion d'un rayon incident, ne présentant aucune arête fragile et qui est constitué dans un matériau qui ne se détériore pas dans un milieu thermiquement ou chimiquement hostile; cet- te sonde utilise aussi des fibres optiques qui sont protégées contre les hautes températures et contre les rayonnements; la sonde de l'invention petmet, grâce à l'utilisation d'une pluralité de moyens op- tiques de réfraction et de réflexion, de mesurer les niveaux variables d'interfaces entre des milieux d'indices différents contenus dans une enceinte, no- tamment à haute température et chimiquement hosti- les La forme conique du moyen optique permet de résoudre facilement les problèmes d'étanchéité lors de la fixation de ce moyen optique à un bottier, par 2544877; l'intermédiaire d'un couvercle étanche, en présence de contraintes thermiques. L'invention a pour objet une sonde optique comprenant au moins un moyen optique de réfraction ou de réflexion d'un rayon incident, ce moyen présentant un indice de réfraction prédéterminé et étant situé dans une enceinte contenant un composé diphasique dont les composants présentent chacun un indice de réfraction, ce moyen optique étant capable de réfracter le rayon lumineux incident s'il est si- tué dans l'un des composants dont l'indice de ré- fraction est supérieur à l'indice prédéterminé,-ce moyen optique étant capable de réfléchir le rayon lumineux incident s'il est situé dans l'un des com- posants présentant un indice inférieur à l'indice prédéterminé, un moyen pour transmettre le rayon lu- mineux incident depuis une source lumineuse vers le moyen optique de réfraction ou de réflexion, et un moyen pour transmettre le rayon lumineux éventuelle- ment réfléchi par le moyen optique vers un détecteur optoélectronique, caractérisée en ce que le moyen optique de réfraction ou de réflexion est un cône de révolution constitué dans une matière transparente auxdits rayons lumineux, l'axe de ce cône de révolu- tion étant parallèle au rayon incident et au rayon éventuellement réfléchi, la base de ce cône recevant ledit rayon lumineux incident et étant perpendicu- laire au rayon lumineux incident et au rayon éven- tuellement réfracté. Selon une autre caractéristique, le moyen pour transmettre le rayon lumineux incident et le moyen pour transmettre le rayon lumineux éventuelle- ment réfléchi, sont constitués par une paire de fi- bres optiques comprenant une fibre d'émission du rayon lumineux incident émis par la source vers le 2544877 i moyen optique et une fibre optique de réception du rayon éventuellement réfléchi par le moyen optique. Selon une autre caractéristique, la ma- tière transparente est un corindon. Selon une autre caractéristique, la sour- ce et le détecteur sont situés à l'extérieur de l'enceinte, le cône de révolution présentant une em- base permettant sa fixation à un boîtier étanche fermé par un couvercle muni d'un orifice de passage du c 8 ne, le bottier étant apte à maintenir dans une. position relative déterminée, deux des extrémités respectives des deux fibres optiques de ladite pai- re, deux autres extrémités respectives de ces deux fibres étant respectivement situées en regard de la source et en regard du détecteur, au moins les por- tions de fibres optiques situées dans l'enceinte et à la traversée de celle-ci étant entourées d'une gaine étanche de protection, un point d'étanchéité étant disposé entre l'embase du c 8 ne et le boîtier. Selon une autre caractéristique, la sonde comprend une pluralité de c 8 nes de révolution asso- ciés respectivement à des paires de fibres optiques, les extrémités des fibres d'émission étant situées en regard d'une seule source ou, respectivement, en regard d'une pluralité de sources, chaque extrémité des fibres de réception étant située en regard d'un détecteur. Selon une autre caractéristique, la sour- ce lumineuse est une source laser. Selon une autre caractéristique, chaque source de la pluralité de sources est une diode électroluminescente. Selon une autre caractéristique, chaque fibre optique comprend une âme en silice pure entou- rée d'une couche de silice dopée au fluor. Selon une autre caractéristique, la gaine de protection est en acier inoxydable. Enfin, selon une autre caractéristique, la sonde optique de l'invention s'applique à la dé- tection du niveau de l'eau dans l'enceinte d'un gé- nérateur de-vapeur d'une centrale nucléaire ou à la détermination des composants d'un milieu diphasi- que. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente schématiquement une sonde optique conforme à l'invention, la figure 2 représente schématiquement et en coupe, le boîtier de montage du moyen optique de réfraction ou de réflexion, utilisé dans la sonde de l'invention, la figure 3 représente schématiquement une sonde conforme à l'invention, dans laquelle sont utilisés une pluralité de moyens optiques de réfrac- tion ou de réflexion. La figure 1 représente schématiquement une sonde optique conforme à l'invention Cette son- de permet, comme on le verra plus loin en détail, de détecter l'interface de séparation 1 de deux milieux 2, à, d'indices de réfraction différents contenus dans une enceinte 4, et qui peuvent être respective- ment gazeux et liquides par exemple Elle peut aussi permettre de déterminer les composants d'un milieu diphasique, à partir des indices optiques respectifs des composants Elle comprend un moyen optique 5 de réfraction ou de réflexion de rayon incident, de forme conique, qui sera décrit plus loin en détail et qui est situé dans l'enceinte 4 Ce moyen optique 2544877 i qui possède un indice de réfraction prédéterminé est capable de réfracter un rayon lumineux incident 6, lorsqu'il est situé dans le composant dont l'in- dice est supérieur à l'indice prédéterminé, tel que représenté sur une vue agrandie a de l'extrémité de la sonde. Dans l'exemple d'application représenté sur cette figure, ce milieu est par exemple l'eau d'un générateur de vapeur d'une centrale nucléaire. Cette eau, dans ce cas, est déminéralisée, à haute température, présente uni p H neutre et contient de l'ammoniaque Elle se comporte comme un acide Ce moyen optique est aussi capable de réfléchir un rayon incident 6, lorsqu'il est situé dans le compo- sant dont l'indice est inférieur à son indice prédé- terminé Dans l'exemple d'application représenté sur la figure, ce composant est gazeux (vapeur d'eau + ammoniac par exemple) Il est représenté en 2 sur la figure, au-dessus de la surface 1 du milieu li- quide 3, tel que le montre la vue agrandie b de l'extrémité de la sonde La sonde comprend aussi un moyen 7 pour transmettre le rayon lumineux incident depuis une source lumineuse 8 vers le moyen optique de réfraction ou de réflexion, et un moyen 9 pour transmettre le rayon lumineux éventuellement réflé- chi par le moyen optique 5, vers un détecteur opto- électronique 10 Le moyen optique 5 de réfraction ou de réflexion est un cône de révolution qui est cons- titué dans une matière transparente aux rayons lumi- neux de la source 8, telle que du corindon (A 1203) dont l'indice de réfraction est voisin de 1,7 L'axe X de ce cône de révolution est parallèle au rayon incident 6 ainsi qu'au rayon éventuellement réfléchi 11 La base 12 du cône reçoit le rayon lumineux in- cident, comme on le verra plus loin en détail La source lumineuse 8 peut être constituée par exemple par un laser de type hélium-néon ou par tout autre moyen produisant des rayons lumineux intenses, par exemple une diode électroluminescente. Dans l'exemple de réalisation représenté- sur la figure et comme indiqué plus haut, l'enceinte 4 peut être par exemple celle d'un générateur de vapeur d'une centrale nucléaire, le milieu liquide 3 étant de l'eau mélangée avec de l'ammoniaque, à une température voisine de 3000 C Le milieu gazeux 2 est constitué par de la vapeur d'eau mélangée à de l'am- moniac Dans cet exemple d'application, la sonde permet de déterminer le niveau du liquide dans l'en- ceinte On a également représenté sur cette figure un bottier étanche 13 de fixation du moyen optique 5 (qui sera décrit plus loin), ainsi qu'une gaine 14 étanche de protection (en acier inoxydable de préfé- rence) des moyens optiques de transmission 7, 9, contre les contraintes thermiques et chimiques Les moyens de transmission sont constitués par une paire de fibres optiques comprenant une fibre d'émission 7 des rayons lumineux incidents, émis par la source 8, et une fibre optique 9 de réflexion du rayon 11 éventuellement réfléchi par le moyen optique 5 Dans le cas o la sonde est destinée à repérer le niveau de l'eau dans le générateur de vapeur d'une instal- lation nucléaire, les fibres optiques doivent être capables de résister à des températures voisines de 3001 C, en présence de radiations Ces fibres, pour cet exemple particulier d'application, possèdent une ame en silice pure entourée d'une couche de pro- tection en silice dopée au fluor La couche en sili- ce dopée au fluor permet de protéger l'âme de la fibre contre les effets des radiations (notamment en site nucléaire); elle favorise aussi la bonne tenue mécanique de la fibre lorsque celle-ci doit 'tre courbée pour suivre un chemin déterminé Cette cou- che de silice dopée est elle-même entourée d'une couche, par exemple en polymideg qui renforce la te- nue mécanique de la fibre La figure 2 représente schématiquement et en coupe l'extrémité de la sonde conforme à l'inven- tion, au voisinage du cône de réfraction ou de ré- flexion 5, et au voisinage des extrémités 16, 17, des fibres optiques 7, 9 qui permettent de transmet- tre un rayon incident vers le cène 5 ou de transmet- tre un rayon réfléchi par ce cône, vers un détec- teur, non représenté ici On a représenté sur cette figure un boîtier étanche 13 qui permet de maintenir le cône 5, grâce à un couvercle 18 muni d'un orifi- ce Le c 8 ne présente une embase 19 qui permet sa mise en place sur le boîtier 13, grâce au couvercle 18 maintenu par les vis 20, 21 L'embase 19 du cône repose sur le boîtier 13, par l'intermédiaire d'un joint d'étanchéité 22 (de préférence un joint à res- sort) Les fibres optiques 7, 9, qu'on suppose en- tourées de leur gaine de protection, traversent le boîtier 13 et, en regard de la base du c 8 ne 5, leurs extrémités 16, 17 sont maintenues dans une position relative déterminée, grâce à un fourreau 23 Les deux autres extrémités des fibres optiques ne sont pas représentées sur cette figure Ces deux autres extrémités sont situées respectivement en regard de la source lumineuse 8 et en regard du détecteur 10. Comme on l'a indiqué plus haut, les portions de fi- bres optiques qui sont situées dans l'enceinte 4 à la traversée de cette enceinte (figure 1) sont en- tourées de la gaine étanche de protection, de préfé- rence en acier inoxydable lorsque le milieu est hos- tile La forme conique du moyen optique 5 dont l'em- 1 l base repose sur un joint élastique 22 assure une excellente étanchéité du boîtier, notamment lorsque la sonde intervient dans un milieu à haute tempéra- ture et que ses éléments sont soumis à des contrain- tes de dilatation Le cône 5 étant de révolution, son positionnement est aisé, alors qu'avec un pris- me, ce positionnement est délicat. La figure 3 représente schématiquement un autre mode de réalisation de la sonde conforme à l'invention Les mêmes éléments portent les mêmes références sur cette figure et sur les figures pré- cédentes Cette sonde est placée dans une enceinte 4 qui peut être par exemple celle d'un générateur de vapeur contenant de l'eau 3 et de la vapeur 2, le niveau de la surfae de l'eau étant représenté en 1. Dans ce mode de réalisation, la sonde comporte une pluralité de cônes de révolution de réfraction ou de réflexion 51, 52, 53,, associés respectivement à des paires de fibres optiques 54, 55, 56, Deux des extrémités des fibres de chaque paire sont si- tuées en regard de chaque cône 51 Les autres extré- mités 57 des fibres d'émission sont situées en re- gard d'une source 8, un laser par exemple qui éclai- re simultanément toutes ces autres extrémités, ou une pluralité de sources telles que-des diodes' élec- troluminescentes, chaque diode éclairant une fi- bre; chacune des extrémités 58 des fibres de ré- flexion est fixée en regard d'un détecteur 10 Dans ce mode de réalisation, les cônes sont montés dans un bottier 13 tel que décrit plus haut, comportant un couvercle muni d'une pluralité d'orifices de fi- xation des c 8 nes sur le boîtier Grâce à cette son- de, il est possible de suivre les variations de ni- veau 1 de l'eau 3 dans l'enceinte 4: les détecteurs 10 qui sont situés en regard des extrémités 58 des fibres de réception qui correspondent à des cônes situés au-dessus du niveau 1 de l'eau 3, reçoivent un signal lumineux, tandis que tous les détecteurs qui sont situés en regard des extrémités des fibres correspondant à des cônes immergés en-dessous du niveau 1, ne reçoivent aucun signal lumineux Dans ce mode de réalisation, la sonde permet bien de détec- ter-l'interface de séparation de deux milieux d'in- dices optiques différents; elle permet aussi de suivre les variations de niveau de cet interface On peut envisager aussi de choisir des cônes d'indices de réfraction différents pour déterminer la composi- tion ou l'évolution de composition d'un milieu di- phasique Il y a en effet réfract 3 fn ou réflexion par un cône selon que son indice optique est inférieur ou supérieur au composant qui l'environne. Les extrémités des cônes de réfraction ou de réflexion peuvent éventuellement être tronquées, sans nuire au fonctionnement de la sonde. REVUNDICATIONS 1 Sonde optique comprenant au moins, un moyen optique ( 5) de réfraction ou de réflexion d'un rayon lumineux incident, ce moyen présentant un in- dice de réfraction prédéterminé et étant situé dans une enceinte ( 4) contenant un composé diphasique dont les composants présentent chacun un indice de réfraction, ce moyen optique_ étant capable de ré- fracter le rayon lumineux incident s'il est situé dans l'un des composants ( 3) dont l'indice de ré- , fraction est supérieur à l'indice prédéterminé, ce moyen optique étant capable de réfléchir le rayon lumineux incident s'il est situé dans l'un des com- posants ( 2) dont l'indice est inférieur à l'indice prédéterminé, un moyen ( 7) pour transmettre le rayon lumineux incident ( 6) depuis une source lumineuse ( 8) vers le moyen optique ( 5) de réfraction ou de réflexion, et un moyen ( 9) pour transmettre le rayon lumineux ( 11) éventuellement réfléchi par le moyen optique ( 5) vers un détecteur optoélectronique, ca- ractérisée en ce que le moyen optique ( 5) de réfrac- tion ou de réflexion est un cône de révolution cons- titué dans une matière transparente auxdits rayons lumineux, l'axe (X} de ce cône de révolution étant parallèle au rayon ihcident ( 6) et au rayon éven- tuellement réfléchi ( 11), la base ( 12) de ce cône recevant ledit rayon lumineux incident et étant per- pendiculaire au rayon lumineux incident et au rayon éventuellement réfracté. *2 Sonde optique selon la revendica- tion 1, caractérisée en ce que le moyen pour trans- mettre le rayon lumineux incident et le moyen pour transmettre le rayon lumineux éventuellement réflé- chi, sont constitués par une paire de fibres opti- ques comprenant une fibre d'émission ( 7) du rayon lumineux incident émis par la source ( 8), vers le moyen optique, et une fibre optique ( 9) de réception du rayon éventuellement réfléchi ( 11) par le moyen optique ( 5). 3 Sonde optique selon la revendica- tion 2, caractérisée en ce que la matière transpa- rente est un corindon. 4 Sonde optique selon la revendica- tion 3, caractérisée en ce que la source ( 8) et le détecteur ( 10) sont situés à l'extérieur de l'en- ceinte ( 4), le cône de révolution ( 5) présentant une embase ( 19) permettant sa fixation à un boîtier étanche ( 13) fermé par un couvercle muni d'un orifi- ce conique de passage du cane, le boitier étant apte à maintenir dans une position relative déterminée par rapport à l'embase du cône, deux des extrémités ( 16, 17) respectives des deux fibres optiques de la- dite paire, deux autres extrémités respectives de ces deux fibres étant situées respectivement en re- gard de la source ( 8) et en regard du détecteur ( 10), au moins les portions de fibres optiques ( 7,9) situées dans l'enceinte et à la traversée de celle- ci étant entourées d'une gaine étanche ( 14) de pro- tection, un joint d'étanchéité étant disposé entre l'embase du c Sne et le bottier. Sonde optique selon la revendica- tion 4, caractérisée en ce qu'elle comprend une plu- ralité desdits c 8 nes ( 51, 52, 53,) de révolution associés respectivement à des paires de fibres opti- ques ( 54, 55, 56,) les extrémités ( 57) des fibres d'émission étant situées en regard d'une seule sour- ce ( 8) ou, respectivement en regard d'une pluralité de sources, chaque extrémité ( 58) des fibres de ré- ception étant située en regard d'un détecteur ( 10), le couvercle de fixation comprenant une pluralité d'orifices de passages desdits cÈnes. 6 Sonde optique selon la revendica- tion 5, caractérisée en ce que la source lumineuse est une source laser ou en ce que les sources de ladite pluralité sont respectivement dcs diodes électroluminescentes. 7 Sonde optique selon la revendica- tion 5, caractérisée en ce que chaque fibre optique comprend une âme centrale en silice pure entourée d'une couche de silice dopée au fluor. 8 Sonde optique selon la revendica- tion 7, caractérisée en ce que ladite gaine est en écier inoxydable. 9 Application de la sonde conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 8, à la dé- tection du niveau de l'eau dans l'enceinte d'un gé- nérateur de vapeur d'une centrale nucléaire. Application de la sonde conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 8, à la dé- termination des composants d'un milieu diphasique.