Brevet FR2590670A1 — publié le 19870529

La présente invention concerne un dispositif de discrimination de fluides d'indices différents et dispositif de mesure de la fraction volumique d'au moins un fluide d'un courant de fluides non miscibles en comportant application. Le terme 'courant" utilisé dans cette description, signifie un mouvement relatif des fluides du courant par rapport au capteur d'un dispositif de discrimination ou de mesure. Le principe de fonctionnement d'un tel dis- positif de discrimination de fluides est basé sur la différence des indices de réfraction, par exemple entre un gaz ou du vide (égal à 1) et un liquide (pour l'eau 1,3). En effet, lorsqu'un faisceau lumineux se propageant dans une fibre optique multimode atteint son extrémité, le coefficient de réflexion que subit le faisceau dépend de la différence des indices de réfraction entre la fibre et le milieu extérieur en contact avec l'extrémité de la fibre. Ainsi en me- surant la lumière en retour, on peut en déduire à tout instant, l'indice de réfraction du fluide en contact avec l'extrémité de la fibre et donc la nature de ce fluide (gaz ou liquide). En effectuant une moyenne dans le temps, on obtient la fraction volumique locale de chaque fluide dans le courant au niveau de l'ex- trémité de la sonde et on pourra alors obtenir la fraction volumique, par extension à un certain volume autour de l'extrémité de la fibre en fonction du mo- dèle hydraulique choisi. Des dispositifs connus, remplissant une tel- le fonction, sont constitués par un laser à gaz par exemple du type hélium-néon, dont le-faisceau est cou- plé dans une fibre optique multimode par l'intermé- diaire de moyens de couplage optiques lentille) après avoir traversé une lame séparatrice, cette fibre étant directement utilisée comme sonde de mesure. Le fais- ceau reflêchi est capté par un photomultiplicateur. L'utilisation d'un photomultiplicateur rendue néces- saire par les pertes optiques de la chaine, et son association à un laser i gaz et à des éléments opti- ques de couplage, nécessitent des montages mécaniques et conduisent à un dispositif encombrant et relati- vement fragile. Par ailleurs, en raison de la concep- tion utilisant une fibre unique, la sonde de mesure, soumise à des contraintes d'environnement sévères, ne peut être remplacée qu'en démontant totalement le dis- positif. Enfin, le laser étant un laser continu, la lumière en retour ne peut être distinguée de la lu- mière ambiante sans dispositif suplémentaire coûteux, fragile, encombrant ou limitatif, et il est donc né- cessaire que cette lumière ambiante soit maintenue i un niveau suffisamment faible. Le but de l'invention est de fournir un dispositif de discrimination permettant de diminuer les pertes optiques, dont l'encombrement et la fra- gilité soient réduits, dont le rapport signal sur bruit soit élevé et dont le temps de montée soit faible Elle a donc pour objet un dispositif de discrimination de fluides d'indices différents, ca- ractérisé en ce qu'il comprend un coupleur à fibres optiques à au moins trois extrémités auxquelles sont reliées une source lumineuse à semiconducteur dont l'intensité est modulée, un photodétecteur à semi- conducteur et une sonde optique constituée par une fibre optique multimode de même profil d'indices que les fibres du coupleur dont l'extrémité a une forme de pointe. Avantageusement, le circuit de modulation de la source lumineuse est relié -à un amplificateur synchrone de démodulation et de filtrage du signal de sortie du photodétecteur et le dispositif de discri- mination comprend en outre un circuit de discrimina- tion de niveaux à un ou plusieurs seuils prédétermi- nés, recevant le signal de sortie de l'amplificateur synchrone. Un tel dispositif de discrimination trouve avantageusement application dans un dispositif de me- sure de la fraction volumique d'au moins un fluide d'un courant de fluides non miscibles, comportant un tel dispositif de discrimination et un circuit d'intégration du signal de sortie du circuit de discrimination de niveaux. - L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: - la Fig.1 est un schéma synoptique d'un dispositif de mesure comportant un dispositif de dis- crimination selon l'invention; - la Fig.2 est un schéma d'un coupleur opti- que utilisé dans le dispositif de la Fig.1; - la Fig.3 est un schéma de la fibre optique utilisée dans le dispositif de la Fig.1; - les Fig.4A à 4C représentent des signaux pris en différents points du dispositif de la Fig.1. Le dispositif de mesure de la Fig.1 comporte une diode électroluminescente 1 munie d'une fibre amorce constituant la souce lumineuse (cette source lumineuse pouvant éventuellement être remplacée par un laser semi-conducteur), un photodétecteur 2 et une fi- bre optique 3 de détection ou sonde de mesure. ces éléments étant reliés entre eux par un coupleur à fibres optiques 4. Les caractéristiques de la fibre optique, de préférence une fibre à gradient d'indice, sont liées a celles de la diode 1. L'ensemble des fi- bres du dispositif présente un profil d'indices iden- tique. Ce coupleur comporte quatre extrémités de fibres 5 à 8 et sa structure est schématisée sur la Fig.2. Ce coupleur est constitué de deux fibres op- tiques dont les coeurs 4' et 4" sont mis en intérac- tion optique soit par une fusion thermique, soit par polissage et mise en contact des parties des deux fibres qui doivent interagir. Les quatre extrémités de fibres jouent des rôles symétriques par paires: la lumière transmise à l'extrémité de fibre 5 se trouve ainsi également répartie entre les deux extrémités de fibres 7 et 8 par les portions de fibres qui intera- gissent. L'extrémité 6 joue le même rôle que l'ex- trémité 5, et de la même façon, le côté 7, 8 est symétrique du côté 5, 6 si l'on inverse le sens de propagation. A titre d'exemple, toutes les fibres du dispositif peuvent être des fibres du type 100-140 à gradient d'indice et la diode électroluminescente peut être choisie avec une puissance 100 microwatt en bout de fibre amorce. Comme on peut le voir sur la Fig.1 l'extré- mité 5 du coupleur 4 est reliée à la diode 1 par l'in- termédiaire d'une épissure 9, et l'extrémité 6 est reliée au photodétecteur 2. Le photodétecteur peut également être simplement positionné mécaniquement en face de l'extrémitré de fibre 6. La fibre optique de détection 3 est reliée à l'extrémité 7 du coupleur par l'intermédiaire d'un connecteur optique 10. par exemple du type SMA 906 ou 905 commercialisé par la société Amphénol, ce qui permet le démontage simple et rapide de la sonde de mesure, un remplacement aisé de celle-ci et la mise en place éventuelle d'une rallonge. Cette connexion est adaptée en indice de réfraction, c'est-à-dire qu'entre les deux parties de connecteurs se trouve un film liquide 11 dont l'indice est égal à l'indice moyen du coeur des fibres. Il n'y a ainsi aucune réflexion parasite provoquée par le connecteur. De même, la dernière extrémité de fibre 8 du coupleur 4 est enrobée d'une colle 12 adaptatrice d'indice (c'est- à-dire dont l'indice de réfraction est égal à celui de la fibre). Ainsi, la lumière se propageant dans cette extrémité de fibre ne subit pas de réflexion à son extrémité, et ne crée donc pas de signal parasite. Il va de soi que cette extrémité de fibre peut être reliée à une autre sonde optique de détection en prévoyant un connecteur optique entre cette extrémité enduite de colle et le coupleur optique. On peut également concevoir un coupleur optique comportant plus de deux fibres dont les coeurs sont mis en interaction optique. La façon dont est traitée l'extrémité de la fibre de détection 3 joue un rôle très important dans le fonctionnement du dispositif. En effet, si la sonde est simplement l'extrémité clivée d'une fibre optique, des effets hydro-dynamiques viennent perturber le fonctionnement du dispositif. Lorsque la Face plane de la fibre passe du milieu liquide au milieugazeux, il se produit un effet de séchage progressif, qui fait que le signal de réflexion croit lentement, à la vitesse o le liquide sèche. Cet effet est lié à des phénomènes de capillarité à la surface de l'extrémité 3A de la fibre 3. Il est annulé si l'extrémité de-la fibre 1 est rendue assez fine en étirant sur l'ex- trémité 3a en pointe, pour que le rayon de courbure que devrait avoir une goutte pour se fixer dessus soit assez faible. La tension superficielle n'est alors plus assez puissante pour retenir la goutte, et le phénomène de séchage disparait complètement. On ob- tient ainsi des temps de transition entre les milieux liquide-gaz ou gazliquide qui sont inférieurs a dix microsecondes. Un autre avantage obtenu en étirant à chaud l'extrémité en pointe d'une fibre à gradient d'indice, comme représenté sur la Fig.3, est une augmentation du signal réfléchi. L'angle d'incidence du faisceau lumineux dans la fibre fait que lorsque celle-ci se trouve dans le gaz, plusieurs reflexions internes totales ont lieu, refléchissant ainsi la totalité de la portion du faisceau concerné vers le photodétec- teur. Par contre, lorsque la fibre est plongée dans le liquide, la différence d'indice est trop faible pour que la réflexion ait lieu, et le signal réfléchi est pratiquement nul. Ce phénomène n'intervient cependant que pour les rayons qui ont le bon angle d'incidence, et donc seule une partie de la lumière guidée dans la fibre est concernée. La forme est déterminée et réa- lisée par étirement à chaud de manière à optimiser le signal en retour. Le gain de réflectivité pouvant être obtenu est de l'ordre de cinq ou pLUS, et permet la suppression du film liquide d'adaptation d'indice du connecteur optique et donc la simplification du dispositif. La diode électroluminescente 1 est compati- ble avec une technologie électronique basse tension pour son alimentation et sa modulation dont les avantages seront énoncés par la suite. Ainsi, le dispositif de mesure selon l'invention comporte un générateur de signal d'horloge 13 dont une première sortie est reliée à un circuit modulateur 14. La sortie du circuit 14 est reliée à l'entrée de la diode électroluminescente et permet donc la modulation de la lumière émise. La fréquence de modulation est choisie pour être environ dix fois supérieure à l'inverse du temps de montée désiré du signal de sortie du photo- détecteur, par exemple de un MHz pour un temps de montée de dix microseconde. La diode 1 transmet de la lumière modulée par l'intermédiaire du coupleur 4 à la fibre optique 3 et la lumière réfléchie à l'extrémité de la fibre. en relation avec l'indice de réfraction du milieu en contact avec la pointe de la fibre 1, est détectée par le photodétecteur 2 après avoir retra- versé le coupleur 4. La sortie du photodétecteur 2 est reliée à un amplificateur synchrone 15 permettant la démodulation de la lumière détectée en retour ou si- gnal utile. Cette modulation est effectuée par multi- plication du signal en retour par le signal de sortie du circuit d'horloge 13 et par filtrage du signal résultant par l'intermédiaire d'un filtre passe-bas inclus dans l'amplificateur 15. On obtient ainsi une insensibilité totale à la lumière ambiante, et un rapport signal sur bruit élevé. Le signal analogique fourni par le photo- détecteur contient donc essentiellement deux niveaux électriques: le niveau correspondant à la phase li- quide, et celui de la phase gazeuse. Ce signal ana- logique à la sortie A de l'amplificateur 15 est repré- senté sur la Fig.4A. Un circuit 16 de discrimination de niveaux à un seuil permet d'obtenir à sa sortie B un signal logique à deux états représenté sur la Fig.48. Les tensions électriques de ces deux états sont alors parfaitement connues. Il est bien entendu possible, à l'aide d'un circuit de discrimination à plusieurs seuils, de discriminer plus de deux fluides d'indices différents. Le signal au point B peut être avantageusement utilisé pour une granulométrie du courant. En effet, en mesurant les durées pendant lesquelles le signal est à l'état haut (ou à l'état bas ou à un niveau donné), on peut déduire le diamètre des bulles de gaz ou de vide du cournat en divisant ces mesures par la vitesse d'écoulement du courant. En réalisant ensuite un graphique de distribution en fonction du nombre de bulles de chaque diamètre pour une série de diamètres prédéterminés, on obtient une granulométrie du courant. Une application avantageuse d'un tel dis- positif de discrimination réside dans la mesure de la fraction volumique d'au moins un fluide d'un courant de fluides non miscibles, c'est-à-dire qu'il existe un mouvement relatif du courant par rapport à la fibre optique de détection. Pour cela on effectue une in- tégration du signal à deux états de sortie du circuit 16 par l'intermédiaire d'un circuit intégrateur 17 pour obtenir i sa sortie C, une valeur de la fraction volumique locale de gaz dans le courant (Fig.4C) qui est extrêmement précise, en raison de l'absence de bruit sur le signal logique, et de la précision avec laquelle on peut contrôler les tensions des deux états logiques. On peut également utiliser ce signal logique pour des opérations de comptage, ou de mesure de durées de deux phases. Un certain nombre de fonctions secondaires peuvent être ajoutées au dispositif de mesure de base, pour en rendre son utilisation plus aisée la visualisation du niveau de signal analogique par échelle lumineuse par l'intermédiaire d'un circuit d'affichage 18 et d'une série de diodes électroluminescentes 19. On voit ainsi d'un seul coup d'oeil les deux niveaux analogiques correspondant au liquide et au gaz, - l'affichage numérique de la fraction vo- lumique de gaz obtenue par filtrage du signal logique, par l'intermédiaire d'un circuit d'affichage 20 et d'un afficheur à trois digits par exemple, - le réglage de l'offset et du gain de l'am- plificateur, pour compenser respectivement une réfle- xion parasite due à un connecteur défaillant, et la perte optique sur un connecteur ou une fibre très longue. L'effet du réglage est visualisé par l'échel- le lumineuse, rendant ainsi ce réglage rapide et sim- ple à effectuer. Le dispositif de discrimination de fluides d'indices différents tel que décrit précédemment présente de nombreux avantages en regard des disposi- tifs de mesure de l'art antérieur. Ces avantages sont entre autres une configuration mettant en jeu des composants peu coûteux, d'encombrements réduits, l'ensemble de la partie optique du dispositif pouvant occuper un volume compris entre 10 et 20 cm, un gain élevé de réflectivité de la sonde et un temps de montée optique très faible en raison de l'extrémité étirée de la fibre de détection, un démontage aisé de la fibre de détection, par exemple pour son rempla- cement, grâce au connecteur optique 10, un très bon rapport signal sur bruit grâce à la modulation-démo- dulation synchrone, et des possibilités d'établis- sement de nombreuses informations facilitant son utilisation dans un dispositif de mesure de la fraction volumique d'au moins un fluide d'un courant de fluides non miscibles. Ces dispositifs de discrimination et de mesure trouvent de nombreuses applications dans les aérosols (granulométrie des goutellettes en suspension dans un gaz par exemple pour les nuages ou les mé- langes pour les carburateurs pour moteurs a combustion in-terne), pour la mesure et le contrôle du rendement d'un cycle thermodynamique basse température mélange eau-vapeur), ou dans des mélanges de liquides non miscibles dans les industries chimique, agroalimen- taire et pétrochimque courant eau-pétrole. taire et pétrochimique (courant eau-pétrole). REVENDICATIONS 1. Dispositif de discrimination de fluides d'indices différents, caractérisé en ce qu'il comprend un coupleur à fibre optique (4) à au moins trois ex- trémités (5 à 8) auxquelles sont reliées respecti- vement une source lumineuse (1) à semiconducteur dont l'intensité est modulée, un photodétecteur (2) à semiconducteur et une sonde optique constituée par une fibre optique multimode (3) de même profil d'indices que les fibres du coupleur et dont l'extrémité (3A) a une forme de pointe. 2. Dispositif selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que le coupleur optique (4) est cons- titué par au moins deux fibres optiques dont les coeurs (4'.4") sont mis en interaction optique sur une partie de leur longueur. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les coeurs (4', 4") des fibres optiques du coupleur (4) sont mis en interaction optique par polissage et mise en contact. 4. Dispositif selon la revendication 2, ca- ractérisé en ce que les coeurs (4', 4") des fibres optiques du coupleur (4) sont mis en interaction optique par fusion thermique. 5. Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à4, caractérisé en ce que la liaison de l'extrémité (7) du coupleur (4) à la fibre optique (3) comporte un connecteur optique (10). 6. Dispositif selon, la revendication 5, ca- ractérisé en ce qu'un film liquide (11) dont l'indice est égal à l'indice moyen du coeur des fibres opti- ques, est disposé entre les deux parties séparables du connecteur optique (10). 7. Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 6, caractérisé en ce que la fréquence de modulation de la source lumineuse est supérieure à environ 500 KHz. 8. Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications précédentes. caractérisé en ce que le circuit de modulation (13) de la source lumineuse est relié à un amplificateur synchrone (15) de démodula- tion et de filtrage du signal de sortie du photodé- tecteur (2). 9. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de dis- crimination de niveaux (16) à un ou plusieurs seuils prédéterminés recevant le signal de sortie de l'amplificateur synchrone (15). 10. Dispositif de mesure de la fraction volumique d'au moins un fluide d'un courant de fluides non miscibles, comportant un dispositif de dis- crimination de fluides, un circuit (17) d'intégration du signal de sortie du circuit de discrimination, caractérisé en ce que le dispositif de discrimination est tel que revendiqué dans la revendication 9.