Brevet FR2573871A1 — publié le 19860530

Procédé et dispositif de détection de changement de phase. L'invention à pour objet un procédé et un dispo- sitif de détection de l'apparition ou de l'imminence d un changement d'état ou de phase au sein d'un fluide et elle trouve une application particulièrement impor- tante -mais non exclusive- dans les cas o l'on souhaite détecter l'apparition ou l'imminence d'un phénomène d'ébullition locale d'un liquide ou plus généralement de présence de bulles au sein du liquide. Parmi les domaines o l'invention trouve un in- térêt, on peut citer celui des réacteurs à eau sous pression, dits PWR, dans lesquels il faut éviter l'appa- rition de conditions de température et de pression pro- voquant une ébullition locale qui à son tour se traduit par un risque de destruction des éléments de combustible nucléaire du fait du changement des conditions de re- froidissement. Il est souhaitable de surveiller les con- ditions qui existent en des points de la cuve que l'on peut considérer comme critiques et de détecter non seu- lement l'apparition de bulles mais souvent aussi la marge de sécurité qui subsiste avant ébullition et en particulier une grandeur représentative de l'écart entre la température effective de l'eau et celle pour laquelle s'amorce une ébullition. L'invention vise à fournir un procédé et un dis- positif de détection simples, permettant non seulement de déceler un changement se traduisant par l'apparition d'une deuxième phase au sein d'un fluide normalement homogène, mais aussi de déterminer la marge de sécurité qui subsiste et de mesurer la température sans adjonc- tion de moyens supplémentaires appréciables. Dans ce but l'invention propose notamment un procédé suivant lequel on applique une quantité de cha- leur déterminée, par effet Joule, -à un élément conducteur de la chaleur en contact avec le fluide, on mesure la température dudit élément et on la compare à une température de référence sélectionnée pour corres- pondre à l'apparition d'une seconde phase dans le fluide. La détectibn est basée sur le fait que la con- ductance thermique du fluide, initialement en phase li- quide homogène, est fortement diminuée par l'apparition de bulles de vapeur ou de gaz. Lorsqu'on souhaite déter- lO miner l'imminence de l'apparition de la phase vapeur, l'ébullition locale est provoquée par élévation de tem- pérature due à la chaleur dissipée par effet 3oule. Dans tous les cas il y a diminution de conductance thermique qui à son tour accroit brutalement l'augmentation de température, rendant la mesure fiable. La quantité de chaleur apportée peut être dissi- pée dans un élément chauffant (résistance électrique) placé à l'intérieur d'une sonde métallique, contre la paroi inférieure de cette dernière en contact avec le fluide. La mesure peut être effectuée soit à l'aide d'un capteur séparé (capteur à résistance, thermistance, thermocouple par exemple) soit par mesure de la résis- tance de l'élément chauffant lui-même, lorsque cette ré- sistance varie de façon notable et bien déterminée avec la température: lorsque cette solution est adoptée, on peut alimenter l'élément par un courant constant, qui peut être faible et cependant provoquer une élévation de température appréciable, très différente suivant qu'il y a ou non présence de bulles de gaz ou de vapeur dans le fluide normalement en phase liquide homogène. L'invention propose également un dispositif de détection comportant une sonde insérable dans le fluide et présentant une paroi inférieure conductrice de la chaleur et dont la face interne est en contact avec une résistance électrique reliée à des moyens permettant d'y faire passer un courant prédéterminé de chauffage et avec des moyens de mesure de la température de la paroi. Cette dernière peut être concave de façon à piéger des bulles de gaz ou de vapeur. Les moyens de mesure peuvent incorporer la résistance chauffante ou comporter un capteur distinct. Le dispositif comportera dans tous les cas un bottier électrique ou électronique qui peut être éloigné de la sonde et relié à la résistance et au cap- teur par des fils isolés. Ce boîtier pourra avoir diver- ses constitutions. Il sera très simple lorsque la tempé- rature d'ébullition du fluide est bien déterminée. Il devra être prévu pour modifier un seuil de température dans d'autres cas, en particulier lorsque la température d'ébullition varie notablement du fait de variations de la pression. Le dispositif peut être utilisé pour effectuer en alternance plusieurs mesures différentes, par exemple par répétition d'un cycle déterminé, tel que mesure de la température (la résistance électrique n'étant pas alimentée), détection de l'apparition d'une seconde pha- se ou détection de l'approche des conditions d'appari- tion de la seconde phase. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réali- sation, donné à titre d'exemple non limitatif. La des- cription se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - la figure 1 est un schéma de principe d'un dispositif constituant un mode particulier de réalisa- tion de l'invention, - la figure 2 montre une constitution possible de la partie terminale de la sonde de la figure 1, en coupe suivant la ligne IIII de la figure 3, - la figure 3 est une vue en coupe suivant la ligne III-III de la figure 2. Le dispositif montré en figure 1 comporte une sonde 10 destinée à être plongée dans un liquide afin de déceler l'apparition effective ou imminente de vapeur dans la zone o baigne la partie basse de la sonde. Cet- te dernière comporte un corps tubulaire 12 fermé par un fond 14 et relié à un connecteur étanche de sortie 16. Une cloison 18 délimite avec le fond 14 une chambre 20. La paroi du corps 12 située au dessus de la cloison 18 contient un isolant thermique et électrique compatible avec la température de fonctionnement, généralement minéral. Sur le fond 14 sont fixés, l'un à côté de l'au- tre, un capteur de température 22 et une résistance chauffante 24 qui peuvent souvent avoir la même consti- tution. Dans le cas représenté, ils sont constitués par une résistance électrique en forme de ruban, par exemple en platine dans le cas d'application à la détection d'ébullition dans un PWR. A chaque ruban sont reliés deux ou trois conducteurs électriques 26 ou 28 qui tra- versent la cloison 18 par des joints étanches isolants et sont raccordables par le connecteur 16 à un en- semble électronique 32. Dans le cas du mode particulier de réalisation montré en figure 1, le boitier 32 est prévu pour permet- tre de déterminer la température du fluide dans lequel est immergée la sonde 10. Pour cela les conducteurs 26 sont reliés à un circuit de mesure de température 34 fournissant, sur sa sortie 36, un signal électrique d'amplitude représentative de la température du capteur 22. Le capteur 22 peut être du type à résistance varia- ble en fonction de la température, auquel cas le circuit 34 sera généralement un pont de Wheatstone. Il peut éga- lement s'agir d'un couple thermoélectrique, le circuit 34 fournissant alors une valeur amplifiée de la tension du couple. Lorsque l'élément chauffant 24 n'est pas alimen- té, le signal de sortie fourni par le circuit 34 est re- présentatif de la température de la paroi 14 et donc du fluide: il pourra être affiché ou enregistré sur un organe de sortie 38. Le boltier 32 comporte également des moyens pour appliquer un courant de chauffage de valeur déterminée à l'élément chauffant 24. Sur la figure 1. l'élément chauffant 24 est alimenté par un générateur de courant constant 40 à travers un interrupteur 42 permettant de mesurer la température du fluide (lorsque l'interrupteur est ouvert) et de déceler l'apparition d'un changement de phase (lorsque l'interrupteur 42 est fermé). Dans le second cas, le signal- de sortie du cir- cuit de mesure 34 est appliqué à un circuit à seuil 44 qui fournit une indication d'alarme sur sa sortie lors- que la tension de mesure est supérieure à une tension de référence Vr choisie de façon appropriée, ou lorsqu'elle dépasse la tension de référence d'un écart déterminé. La tension Vr pourra être ajustable de façon ma- nuelle et réglée pour correspondre à une température juste inférieure au point d'ébullition du liquide dans lequel baigne la sonde, lorsque ce point d'ébullition est bien déterminé, c'est-à-dire lorsque toutes les con- ditions influant sur lui sont constantes. La détection s'effectue alors de façon très fiable, car tout début d'ébullition provoquant l'apparition de bulles va modi- fier considérablement la température du capteur 22, qui passera, d'une température proche de celle du fluide, à une température très supérieure du fait de la diminution de la conductance thermique. Lorsqu'au contraire le point d'ébullition peut varier dans de larges limites, par exemple à la suite d'un changement de la pression dans le liquide, il peut être préférable de munir le boîtier 32 de moyens d'ajus- tage automatique de la valeur de référence Vr. Dans le cas montré sur la figure 1, ces moyens comportent un cadenceur 46 qui ouvre et ferme alternativement l'inter- rupteur 42 et valide en alternance le comparateur 44 d une part, un générateur de tension de référence Vr d'autre part. Lorsqu'il est validé, le circuit 48 fournit une tension Vr, appliquée au comparateur 44, représentative de la température réelle du fluide, déterminée par le circuit 34 lorsque l'interrupteur 42 est ouvert. La séquence de fonctionnement sera alors la suivante. Au cours d'une première phase, le cadenceur 46 ouvre l'interrupteur 42 et active le générateur de va- leur de référence 48. Ce dernier génère et mémorise une tension Vr représentative de la température de l'élément 22 à la fin de la première phase. Le séquenceur 46, dans une seconde phase, ferme l'interrupteur 42 et active le comparateur 44. Lorsque l'écart entre le signal fourni par le circuit 34 et la tension Vr dépasse une valeur déterminée (qui peut être constante ou ajustable) le circuit fournit une alarme. Lorsqu'on veut déterminer non plus la présence, mais l'imminence de la formation de vapeur, on choisit une valeur du courant de chauffage accrue, provoquant une ébullition locale lorsque la différence entre-tempé- rature réelle et point d'ébullition devient inférieure à une valeur présélectionnable. Dans une variante de réalisation de l'invention. un seul et même élément constitue l'élément chauffant 24 et le capteur 22. Cet élément unique peut notamment être une résistance métallique plate. Dans ce cas le séquen- ceur 46 peut être prévu pour appliquer d'abord une im- pulsion de chauffage, puis déterminer la température de l'élément à l'issue de cette impulsion. Une autre solu- tion consiste a alimenter en permanence l'élément unique par un courant constant, provoquant un échauffement ap- préciable, et de déterminer la température de l'élément qui sera beaucoup plus élevée en présence de bulles de vapeur ou de gaz que dans un liquide homogène. On peut utiliser pour constituer le capteur 22, des éléments de natures très diverses, lorsque ce capteur est distinct de l'élément chauffant 24. Il peut en particulier être constitué par une résistance métal- lique, une thermistance, un couple thermoélectrique uti- lisé de façon classique ou fonctionnant en élément Peltier, traversé alors par un courant électrique. Il doit être entendu que la portée du présent brevet ne s'étend pas aux modes particuliers de réalisa- tion qui ont été représentés et décrits à titre d'exem- ples mais s'étend à toute variante restant dans le cadre des équivalences. REVENDICATIONS 1. Procédé de détection de l'apparition ou de l'imminence d'un changement d'état ou de phase au sein d'un fluide, caractérisé en ce qu'on applique par effet 3oule une quantité de chaleur déterminée à un élément conducteur de la chaleur (14) en contact avec le fluide, on mesure la température dudit élément et on la compare à une température de référence sélectionnée pour corres- pondre à l'apparition d'une seconde phase dans le fluide. 2. Procédé selon la revendication 1 de détection de l'apparition effective ou imminente de bulles de gaz ou de vapeur dans un liquide, caractérisé en ce qu on compare la température dudit élément à une température de référence proche de la température du liquide. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, pour déterminer l'imminence de l'apparition de bulles de vapeur, on applique une quantité de chaleur suffisante pour provoquer une ébullition locale du li- quide lorsque la température de ce dernier est proche de la température d'ébullition. 4. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, ca- ractérisé en ce qu'on apporte la quantité de chaleur par passage d'un courant électrique déterminé dans une résistance électrique (24) placée contre ledit élément conducteur de la chaleur (14), la résistance électrique étant séparée du fluide par ledit élément. 5. Dispositif selon la revendication 4, caracté- risé en ce qu'on mesure la température de l'élément à l'aide d'un capteur séparé (22) tel qu'un capteur à résistance, une thermistance ou un thermocouple. 6. Procédé selon la revendication 4. caractérisé en ce qu'on mesure la valeur de la résistance électrique elle-même, alimentée par un courant constant. 7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'on mesure en alternance la température du liquide à l'aide du capteur alors que la résistance n'est pas alimentée, puis la température de l'élément conducteur (14) chauffé par la résistance électrique (24) et en ce qu'on compare les deux résultats. 8. Dispositif de détection ou de l'imminence de l'apparition de bulles de gaz ou de vapeur au sein d'un liquide, caractérisé en ce qu'il comporte une sonde (10) insérable dans le fluide et présentant une paroi infé- rieure (14) conductrice de la chaleur et dont la face interne est en contact avec une résistance électrique (24) reliée à des moyens permettant d'y faire passer un courant prédéterminé de chauffage et avec des moyens (22, 32) de mesure de la température de la paroi. 9. Dispositif selon la revendication 8, caracté- risé en ce que ladite paroi est concave de façon à piéger les bulles de gaz ou de vapeur.