Brevet FR2579320A1 — publié le 19860926

La présente invention a pour objet un pro- cédé de détermination, par mesure du temps de propa- gation d'une onde ultrasonore, de la température d'un fluide dans une enceinte. Dans un réacteur nucléaire à eau sous pres- sion, ou dans une installation industrielle quelconque comportant un grand nombre d'organes tels que des tuyauteries et des enceintes dans lesquelles des flui- des sont en circulation, il est nécessaire de mesurer en permanence la température des fluides en circula- tion pour, par exemple, surveiller l'évolution de la température par rapport à une température moyenne idé- ale, et détecter toute élévation anormale. Les méthodes les plus couramment employées jusqu'à présent, pour les mesures de température d'un fluide dans une enceinte, utilisent soit des thermo- couples, soit des thermomètres, soit des sondes à ré- sistance, ou soit encore des bilames. L'emploi de ces différents moyens de mesure nécessite le montage de capteurs ou plongeurs directe- ment à l'intérieur de l'enceinte, c'est-à-dire direc- tement en contact avec le fluide, ce qui entraîne le perçage des parois de ladite enceinte. Mais, du fait des contraintes d'origine thermique ou mécanique, il peut se produire, au niveau des capteurs, des ruptures locales plus ou moins com- plètes qui peuvent évoluer jusqu'au point o une pièce se détache et est entraînée par l'écoulement pour de- venir un corps migrant dans l'installation. De plus, des fuites peuvent se produire au niveau du passage des capteurs à travers les parois de l'enceinte, à cause de la pression régnant à l'intérieur de cette - enceinte. Par ailleurs, l'emploi des sondes à résis- tance, qui sont généralement utilisées dans les réac- teurs nucléaires à eau sous pression, est délicat de par leur fragilité et leur temps de réponse important. L'invention est basée sur le fait que la vi- tesse de propagation des ultrasons dans un fluide dé- pend de manière très sensible de sa température. Si l'on s'affranchit des paramètres autres que la tempé- rature, la mesure du temps de transit d'une onde ul- trasonore sur un trajet donné, permet de suivre les évolutions de la température du fluide dans la zone parcourue. Dans ce but: - on émet une onde ultrasonore depuis l'ex- térieur de l'enceinte, - on provoque la propagation de cette onde ultrasonore vers une première partie de la paroi de l'enceinte, puis à travers cette première partie de l'enceinte, et enfin à travers le fluide contenu dans l'enceinte, jusqu'au moment o l'onde ultrasonore ren- contre une seconde partie de la paroi de l'enceinte disposée en vis-à-vis de la première partie de la pa- roi, - on capte, en un point de captage détermi- né, à l'extérieur de l'enceinte, l'onde transmise di- rectement à travers la seconde partie de la paroi, - on capte,-au même point de captage, l'onde transmise après au moins une réflection sur la face interne de la seconde partie de la paroi, une réflec- tion sur la face interne de la première partie de la paroi et plusieurs traversées du fluide entre la pre- mière et la seconde parties de la paroi, - on détermine l'intervalle de temps sépa- rant la réception au point de captage de l'onde trans- mise directement, de la réception au point de captage de l'onde transmise après réflection, - on déduit la valeur de la température du fluide, de la valeur de l'intervalle de temps, de la longueur du parcours dans le fluide et de la connais- sance de la variation de la vitesse du son dans le fluide. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va décrire à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures jointes en annexe, un mode de réalisation du dispositif de mesure de la température d'un fluide dans une enceinte permettant de mettre en oeuvre le procédé suivant l'invention. La Fig. 1 représente une vue schématique du dispositif de mesure suivant l'invention, monté sur une enceinte. La Fig. 2 représente le chronogramme des échos ultrasonores. La Fig. 3 représente le synoptique de l'en- semble de traitement pour l'informatique. Les Fig. 4 et 5 représentent les différents blocs diagrammes de l'électronique associés aux cou- ples émetteurs-récepteurs. Sur la Fig. 1, on a représenté une enceinte dans laquelle circule un fluide 11. Cette enceinte peut être constituée, par exemple, par une tuyauterie du circuit primaire d'une centrale nucléaire à eau sous pression, le fluide étant alors de l'eau.- A l'extérieur de l'enceinte 10, est monté un capteur piézoélectrique 12 que l'on appellera émet- teur. Ce capteur 12 est associé avec un guide d'onde 13 soudé perpendiculairement à la paroi de ladite en- ceinte. En face de ce capteur émetteur 12 et à l'exté- rieur de l'enceinte 10 est monté un autre capteur pié- zoélectrique 14 que l'on appellera récepteur, associé également à un guide d'onde 15 soudé perpendiculaire- ment à la paroi de l'enceinte. La borne électrique du capteur émetteur 12 est connectée à un circuit d'émission 16, tandis que la borne électrique du capteur récepteur 14 est reliée à un circuit de réception 17. L'onde ultrasonore émise par le circuit d'é- mission 16 et le capteur piézoélectrique 12 transite dans le guide d'onde 13, traverse une première partie de la paroi de l'enceinte 10, puis débouche à l'intér- ieur de l'enceinte dans une zone N. Ensuite, l'onde ultrasonore se propage dans le liquide 11. jusqu'au moment o elle rencontre une seconde partie de la paroi de l'enceinte dans une zone M disposée en vis-à-vis de la zone N. Une partie de l'onde ultrasonore traverse la paroi de l'enceinte 10 et le guide d'onde 15, puis est captée par le capteur récepteur 14. et transmise au circuit de réception 17. Ce parcours direct d'une par- tie de l'onde ultrasonore est indiqué par 1 sur la Fig. 1-. Du fait de la notable différence d'impédance acoustique de l'enceinte et du fluide, une grande par- tie de l'onde est réfléchie au niveau de la zone M à l'intérieur de l'enceinte 10. Cette partie de l'onde ultrasonore parcourt alors de nouveau le fluide 11 jusqu'à la zone N o elle se réfléchit de nouveau pour se propager vers le capteur récepteur 14. Ce parcours de l'onde ultrasonore est indiqué par 2 sur la Fig. 1. La paroi interne de l'enceinte 10 se compor- tant comme un 'miroir semi-réfléchissant", l'onde ul- trasonore va effectuer un certain nombre d'allers et retours dans la ligne de mesure. Le capteur récepteur 14 va par conséquent mettre en évidence n trajets jus- qu'à ce que les échos de réception correspondant à ces trajets voient leur amplitude, qui décroît de manière exponentielle, noyée dans le bruit de fond. En considérant maintenant les temps de pro- pagation de l'onde ultrasonore transitant du point d'émission A du capteur émetteur 12 au point de récep- tion B du capteur récepteur 14, temps correspondant aux différents trajets définis précédemment, on a: i - Trajet n1: T 1 = T + T + T 2AB AN NM MB - Trajet n' 2: T AB = TAN +3T N + TMB Traj,n AB AN NM MB - Trajet n' nT n T:2n-1> T + T deT et on considre uniquement l'intervalle de temps A T séparant la réception de l'écho "A" asso- cié au trajet n' 1, de celle de l'écho "N" associé au * I I I trajet n n: T:TnABTAB NM L'Afin dtervalle dedu temps T représente learcours tedanmps les parcours de l'oenceinte ulet dans les guides d'on- 1 trde (TAN et TdaB), on considre uniquement l'intervaller. de25 On va maintenant sela rrceptiorter à la Fig. 2 qui'cho "A" asso- ireprésente le cchronogrammlle de lécho "N" ultrasonores. Leau trajet n' n: AB =B 2 (n 1)TNM Lprinciptervalle de la mesure T reprose sur la mesure du temps de l'temps de parcours de londe ultrasonore et plus exactement sur la mesure du(n - 1) réception 17. Les deux échos choisis pour déterminer trajle temps écoulé, sont dune partns le premilier écho reçu tudier On va maintenant se reporter à la Fig. 2 qui représente le chronogramme des échos ultrasonores. Le principe de la mesure repose sur la mesure du temps de l'onde ultrasonore et plus exactement sur la mesure du temps écoulé entre deux échos reçus par le circuit de réception 17. Les deux échos choisis pour déterminer le temps écoulé, sont d'une part le premier écho reçu et d'autre part un des échos suivant au choix de l'o- pérateur. Celui-ci choisira un écho dont l'amplitude reste suffisamment importante pour être exploitée par les systèmes électroniques de façon efficace. En prenant pour origine des temps l'instant d'émission de l'onde ultrasonore, on a représenté sur la Fig. 2a le signal d'émission de l'onde au temps t = 0. Le premier écho A (Fig. 2b), le plus intense, arri- ve au capteur récepteur 14 au bout du temps T AB. Les échos suivants B. C,...., N sont dus aux ondes ayant effectué un certain nombre d'allers et retours dans la ligne de mesure. Un circuit électronique émrnet, après réglage, deux signaux tout ou rien de durée ajustable, appelés fenêtres, (Fig. 2c). Le système de mesure ne prend en compte que les échos qui apparaissent dans le même temps qu une fenêtre. L'écho qui apparait dans la pre- mière fenêtre déclenche un chronomètre (Fig. 2d) et l'écho dans la deuxième fenêtre arrêtre le chronomè- tre. Sur la Fig. 2, on voit que le déclenchement et l'arrêt du chronomètre sont effectués à partir des échos A et B. Les signaux fenêtres ont donc été posi- tionnés par l'opérateur de part et d'autre de ces échos. Un système de visualisation des échos et des fenêtres est incorporé au dispositif et facilite ainsi le réglage des circuits qui produisent les signaux. Si la longueur de la ligne de mesure corres- pondant à la distance entre les zones N et M est L et si v désigne la vitesse du son dans le fluide 11, l'intervalle de temps séparant la réception du premier écho A et, par exemple, du second écho B est: T = 2TNM =2 L/v. NM /- Les variations dans le temps de la valeur bT sont directement liées aux variations de température du fluide 11. On va se reporter maintenant à la Fig. 3 qui représente le synoptique d'ensemble de traitement pour l'informatique. Le dispositif comprend plusieurs en- sembles ou voies de mesures répertoriés de 1 à n. Cha- que voie permet la mesure du fluide dans l'enceinte 10. Pour chaque voie, l'entrée 12 de la sonde ultraso- nore émettrice est pilotée par un module d'excitation qui se compose d'un générateur d'impulsions. Le circuit de réception comprend, pour cha- que voie, un récepteur 14 accordé sur la fréquence d'émission. Les signaux reçus par le récepteur 14 sont amplifiés par un module d'amplification 30. Ce module (Fig. 4) se compose d'un adaptateur d'impédance 31 à la sortie du récepteur 14, d'un premier étage d'am- plification 32 avec réglage de gain, d'un deuxième étage d'amplification 33, d'un circuit de redressement d'alternance 34 avec possibilité de rejet, d'un dispo- sitif 35 de réglage du seuil de déclenchement sur écho se trouvant dans la première fenêtre et dans la deu- xième fenêtre de mesure, et d'un circuit 36 de mise en forme pour le traitement en logique. L'une des entrées 37 de ce module 30 reçoit les signaux fenêtres qui vont valider les échos retenus. La sortie 38 du cir- cuit de mise en forme transformant le signal écho en signal tout ou rien, est connectée à un module d'ac- quisition 40 qui est le dispositif de mesure du temps de propagation entre le premier écho de réception et le énième écho choisi. Le module d'acquisition 40 se compose essen- tiellement de circuits permettant le positionnement et le réglage des largeurs des deux fenêtres de mesure, d'un circuit de comptage de temps entre fenêtres relié à une horloge fonctionnant à 20 MHz. Un certain nombre de trains d'impulsions correspondant à autant de mesu- res est stocké dans une mémoire du module 40. La sortie mesure 41 du module 40 est reliée à une entrée mesure d'un module 50 de gestion interro- gation par une liaison parallèle appelée encore bus de liaison. Le module 50 interroge à tour de rôle les mo- dules d'acquisition 40 en émettant un signal d'inter- rogation 51. Le module de gestion interrogation 50 transmet pour chaque voie, toutes les mesures stockées dans le module d'acquisition 40, vers un module 60. Ce module 60 calcule la moyenne des mesures ainsi effectuées et délivre vers un module 70 une va- leur moyenne du temps entre deux échos pour une voie de mesure. Ce module 70 est une mémoire de stockage avant le transfert vers les modules de calcul 80 et 81. Ces modules de calcul 80 et 81 déterminent à par- tir du temps ainsi mesuré, de la distance à parcourir dans le fluide par les signaux, la valeur de la tem- pérature. A titre d'exemple, le module de calcul 80 est un calculateur du commerce et le module de calcul 81 est un calculateur de capacité de stockage plus grande qui permet des calculs en temps différés. La sortie du module d'amplification 30 est également reliée à une entrée d'un module de traite- ment 90 (Fig. 3) pour la visualisation des différents signaux avant la mise en forme numérique de ceux-ci. Ce module de traitement 90 reçoit de chaque voie de mesure le signal écho amplifié et traité par le module d'amplification 30 et les signaux tout ou rien corres- pondant aux fenêtres (Fig. 5). Ces signaux sont commu- tés manuellement à l'entrée d'un module 91 qui émet des signaux de synchronisation vers le module d'exci- tation 20 et le module d'acquisition 40. Les diffé- rents signaux sont appliqués aux entrées d'un oscil- loscope 92 pour permettre de visualiser en temps réel les divers signaux et de régler la position et la du- rée des signaux fenêtres. On voit donc que les principaux avantages du procédé suivant l'invention sont de permettre une me- sure très facile et très rapide de la température d'un fluide dans une enceinte, en détectant les variations du temps de transit d'une onde ultrasonore se propa- geant dans une ou plusieurs lignes de mesure, ce qui évite le montage de capteurs ou plongeurs, directement à l'intérieur de l'enceinte, c'est-à-dire directement en contact avec le fluide. L'invention ne se limite évidemment pas au mode de réalisation qui a été décrit. C'est ainsi qu'on peut imaginer l'utilisa- tion d'un seul capteur piézoélectrique disposé à l'extérieur de l'enceinte et assurant en même temps l'émission et la réception de l'onde ultrasonore. L'invention a été décrite surtout dans le cadre de son utilisation dans le cas des réacteurs nucléaires mais il est également possible d'envisager son utilisation dans une installation industrielle quelconque, en particulier dans une installation in- dustrielle complexe et de grandes dimensions telle qu'une raffinerie ou une installation prétrochimique, étant donné que la nature du fluide n'intervient pas sur le fonctionnement du dispositif. REVENDICATIONS 1.- Procédé de détermination, par mesure du temps de propagation d'une onde ultrasonore, de la température d'un fluide dans une enceinte, caractérisé par le fait: - qu on émet une onde ultrasonore depuis l'extérieur de l'enceinte, - qu'on provoque la propagation de cette onde ultrasonore vers une première partie de la paroi de l'enceinte, puis à travers cette première partie de l'enceinte, et enfin à travers le fluide contenu dans l'enceinte, sur une longueur L, jusqu'au moment o l'onde ultrasonore rencontre une seconde partie de la paroi de l'enceinte disposée en vis-à-vis de la pre- mière partie de la paroi. - qu'on capte. en un point de captage déter- miné, à l'extérieur de l'enceinte, l'onde transmise directement à travers la seconde partie de la paroi, - qu'on capte, au même point de captage, l'onde transmise à travers la seconde partie de la pa- roi, après au moins une réélection sur la face interne de la seconde partie de la paroi, une réflection sur la face interne de la première partie de la paroi et plusieurs traversées du fluide entre la première et la seconde parties de la paroi, - qu'on détermine l'intervalle de temps à T séparant la réception au point de captage de l'onde transmise directement, de la réception au point de captage de l'onde transmise après réflection, - qu'on déduit la valeur de la température du fluide, de la valeur de l'intervalle A T, de la longueur du parcours L dans le fluide et de la con- naissance de la variation de la vitesse du son dans le fluide. 2. Dispositif de mesure de la température d'un fluide dans une enceinte pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte: - au moins un capteur piézoélectrique émet- teur-récepteur (12, 14) disposé à l'extérieur de l'en- ceinte (10) et couplé à un guide d'onde (13. 15), - un circuit d'émission (16) de signaux électriques excitant le capteur piézoélectrique émet- teur (12) pour l'émission d'une onde ultrasonore de- puis l'extérieur de l'enceinte, - un circuit de réception (17) de signaux électriques issus du capteur piézoélectrique récepteur (14) et dus aux ondes ultrasonores transmises par le capteur émetteur (12) à travers l'enceinte (10) et à travers le fluide (11) contenu dans ladite enceinte, - un calculateur assurant la gestion de l'é- lectronique, l'acquisition et le traitement des don- nées ainsi que l'affichage de la température du fluide (11) contenu dans l'enceinte (10). 3.- Dispositif selon la revendication 2, ca- ractérisé par le fait que le capteur piézoélectrique comporte un capteur émetteur (12) couplé à un guide d'onde (13) monté sur la paroi extérieure de l'encein- te (10) et un capteur récepteur (14) couplé à un guide d'onde (15) également monté sur la paroi extérieure de l'enceinte (10), les deux guides d'onde (13. 15) étant disposés en vis-à-vis l'un par rapport à l'autre. 4.- Dispositif selon la revendication 2, ca- ractérisé par le fait que le circuit d'émission (16) comporte pour chaque voie de mesure un module d'exci- tation (20) relié à l'entrée du capteur piézoélectri- que émetteur (12). 2S79320 5.- Dispositif selon la revendication 2, ca- ractérisé par le fait que le circuit de réception (17) comporte pour chaque voie de mesure un module d'ampli- fication (30) dont la sortie est reliée d'une part à un module d'acquisition (40) et d'autre part à un mo- dule de traitement (90) pour la visualisation des dif- férents signaux. 6.- Dispositif selon la revendication 5. ca- ractérisé par le fait que le module d'amplification (30) se compose d'un adaptateur d'impédance (31), d'un premier étage d'amplification (32) avec réglage de gain, d'un deuxième étage d'amplification (33), d'un circuit (34) de redressement d'alternance avec possi- bilité de rejet, d'un dispositif (35) de réglage du seuil dedéclenchement sur écho, et d'un circuit (36) de mise en forme des signaux pour le traitement en logique. 7.- Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que, pour chaque voie de mesu- re, la sortie du module d'acquisition (40) est reliée à une entrée d'un module (50) de gestion interrogation par une liaison parallèle.