Brevet FR2610410A1 — publié le 19880805

V9locimètre e mosaïques de fibres optiques DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne une méthode et un dispositif de velocimftrie reposant sur la diffusion de la lumière par les particules traversant un petit volume de mesure formé dans un écoulement de fluide liquide gazeux et fortement éclairé et plus particulièrement une méthode et un dispositif de vélocimétrie utilisant une mosaïque de fibres optiques et ne faisant pas appel aux propriétés de cohérence de la lumière. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Les vélocimètres à laser à franges sont actuellement capables de mesurer simultanément trois composantes de la vitesse dans des écoulements très turbulents. Ils nécessitent la réalisation d'un système complexe de division d'un faisceau cohérent, coGteux et devant être aligné pour chaque application. De plus ils ne peuvent effectuer des mesures à moins d'une dizaine de millimètres d'une paroi que les faisceaux heurtent normalement. Les vélocimètres a deux points font des mesures très près des parois, mais dans des écoulements très peu turbulents (Tu Le vélocimètre à deux traits permet certes d'approcher les parois dans des écoulements plus turbulents (Tu - 20 %), mais ne fonctionne pas dans des zones de recirculation o l'orientation du vecteur vitesse fluctue fortement: il est clair que toute particule passant parallèlement aux traits ne sera pas mesurée. OBJET DE L'INVENTION L'objet de la présente invention est de créer un vélocimètre capable de faire des mesures de vitesse dans des écoulements très turbulents et près des parois (donc dans un environnement de lumière parasite intense). De plus son utilisation dans les entrées d'air d'alimentation d'installations propulsives a conduit à la réalisation d'une sonde optique miniaturisée. Le volume de mesure est constitué d'une zone lumineuse intense, pouvant provenir de lampes, mais en général fournie par un -2- faisceau laser focalisé dont les propriétés de cohérence ne sont pas utilisées. Le vélocimètre de l'invention comprend un volume de mesure dans un écoulement fluide contenant des particules, ledit volume de mesure étant fortement illuminé, et des moyens de mesurer à partir de la lumière diffusée par lesdites particules sous l'effet de leur illumination, la vitesse dudit écoulement fluide et il est caractérisé en ce qu'il comprend une mosatque de fibres optiques et une optique pour projeter un plan du volume de mesure sur le plan d'entrée de ladite mosaïque, les sorties de la mosaïques étant reliées aux moyens de mesure. L'invention va être maintenant décrite en détail en relation avec les dessins annexés dans lesquels: - la Fig.1 représente un vélocimètre conforme è l'invention avec une mosaïque de fibres optiques; - la Fig.2 représente un vélocimètre conforme h l'invention avec deux mosaïques de fibres optiques; - la Fig.3 représente le plan des entrées des fibres optiques constituant la mosaïque; - la Fig.4 représente les photomultiplicateurs couplés aux fibres optiques; - la Fig.5 représente le système de traitement du signal du vélocimètre par additions de signaux électroniques; - les Figs.6 et 7 représentent le système de traitement du signal du vélocimètre par addition de signaux optiques et électroniques; la Fig. 8 représente une mosaïque de fibres optiques avec fibre de start et fibres de stop; et - les figs. 9, 10 et 11 représentent respectivement un vélocimètre conforme à l'invention implanté dans une entrée d'air et les têtes d'émission et de réception de ce vélocimètre. En se référant aux Figs.1 et 2, la lumière diffusée par les particules traversant le volume de mesure 100 fortement éclairé est recueillie par une optique collectrice 101 la focalisant sur une mosaïque 10 de 100 fibres optiques. Le plan d 'entrée P1 de cette mosaïque de fibres optiques est conjugué d'un plan P' dans le 1volume de mesure. Cette mosaïque, qui assure un codage spatial volume de mesure. Cette mosalque, qui assure un codage spatial - 3- après réception de la lumière diffusée, détecte donc la projection du vecteur vitesse V de l'écoulement dans le plan P'1, ce qui dcnne accès - la mesure simultanée de deux composantes de la vitesse R1 et P2' Ceci constitue un vélocimètre bidimensionnel. A titre d'exemple, l'optique 101 ayant un grandissement de 10, le volume de mesure 100 ayant un diamètre de 300 pm, chaque fibre à gradient d'indice a un diamètre de 220 pm et un coeur de 200 pm, ce qui montre que les espaces morts entre fibres sont très réduits. En ajoutant une seconde optique de réception 102 visant IO0 selon une direction différente, on mesure deux autres composantes R3 et R4 (on peut bien sûr faire en sorte que R4 et R2 par exemple soient des composantes verticales créant ainsi une redondance de mesure): on a ainsi créé un vélocimètre tridimensionnel. En fait, les distances sont ici dans le plan image de l'optique réceptrice au lieu d'être au niveau du volume de mesure comme dans les v9locimètres à franges, à deux points, deux traits, deux croix. Le système optique de collection 101 doit être de très bonne qualité (limité par la diffraction) pour que l'image d'une particule soit dans le plan P] bien inférieure au diamètre de chaque fibre. Les fibres peuvent être rangées sous forme de la matrice représentée sur la Fig. 3, mais des variantes sont possibles comme, par exemple, une géométrie formée a partir de la Fig. 3, en décalant une ligne sur deux (ou une colonne sur deux) d'une quantité égale au demi-pas des fibres, de manière à supprimer les espaces vides, inter-lignes et inter-colonnes. Chaque fibre 10J, I 1010,10 qui peut avoir une longueur de plusieurs mètres est reliée à un photomultiplicateur, respectivement 20,1 à 2010,10 (Fig. 4). A chaque mosaïque de fibres optiques (précédée ou non par une mosaïque de microlentilles) est donc associée une batterie de photomultiplicateurs. Lorsqu'une particule traverse le volume de mesure 100, les photomultiplicateurs 20 concernés (reliés aux fibres s'étant trouvées dans le plan PI sur la projection de la trajectoire de la particule) délivrent des impulsions électriques, qui par traitement électronique approprié permettent de remonter au vecteur vitesse -.4instantanée dans le plan P' Lorsque l'on dispose de deux optiques 1' de réception, comme dans le cas de la Fig.2, le vélocimètre laser à mosaïque de fibres optiques donne ainsi accès au module et l'orientation dans l'espace du vecteur vitesse instantané de chaque particule. L'avantage spécifique de ce type de vélocimètre au point de vme rapport signal sur bruit réside en ce que chaque détecteur, par l'intermédiaire de chaque fibre optique, ne perçoit qu'une faible partie du volume de mesure (et donc dans la même proportion, du feu lumineux renvoyé par une paroi proche), ce qui diminue considérablement le niveau de bruit. Cette propriété est particulièrement intéressante car la limitation fondamentale de la vglocimrtrie laser lors de mesures près des parois provient de la saturation des photomultiplicateurs par le fond continu dû à la lumière parasite; par contre quand une particule traverse 100 le signal est tout à fait équivalent à celui d'un vélocimètre à franges, car typiquement l'image de la mosaïque dans le plan P' (à l'intérieur de 100) a la dimension d'un double réseau de franges croisées d'un vélocimètre à franges bidimensionnel. L'étude théorique du rapport signal sur bruit conduit à une distance minimale d'approche de paroi de l'ordre de 1 mm, ce qui a été vérifie expérimentalement. TRAITEMENT DU SIGNAL Chaque fibre 10ij est couplée à un photomultiplicateur 20i; o i et j sont compris entre 1 et 10 (Fig. 4 et 5). Les signaux apparaissant sur les entrées des photomultiplicateurs en réponse au passage d'une particule sont dirigés individuellement vers les entrées d'amplificateurs à seuil 21 qui fournissent à leur sortie 22 des signaux logiques exempts de bruit. Les signaux logiques d'une même colonne sont envoyés sur les entrées d'un opérateur logique sommateur 30 pour créer un signal de colonne (Fig. 5). Les dix signaux de colonne ainsi créés sont appliqués à l'entrée d'un codeur d'adresse 31 qui, en présence d'une impulsion sur l'une de ses entrées produit à sa sortie un code binaire représentatif de l'adresse de la colonne concernée par le passage d'une particule. La sortie du codeur 31 des signaux de colonne est reliée à une entrée de l'ordinateur 45. Les signaux logiques d'une même ligne sont envoyés sur les entrées d'un opérateur logique sommateur 40 pour créer un signal de ligne. Les dix signaux de ligne ainsi créés sont appliques a l'entrée d'un codeur d'adresse 41 qui produit à sa sortie un code binaire représentatif de l'adresse de la ligne concernée par le passage de la même particule. La sortie du codeur 41 des signaux de ligne est reliée à une autre entrée de l'ordinateur 45. Les codeurs 31, 4I délivrent, en même temps que le code binaire d'adresse, un signal de commande à un dispositif de synchronisation 43 qui déclenche une phase d'acquisition synchronise des adresses de colonne et de ligne et déclenche le chronomètre 44 qui mesure la durée de passage d'une particule, par exemple d'une fibre à l'autre ou de la première à la dernière fibre rencontrées. L'ordinateur 45 assure les fonctions d'acquisition, de stockage, de calcul de la vitesse et de la direction associées à chaque particule ainsi que les paramètres caractérisant la turbulence. En variante du traitement du signal, les photomultiplicateurs et leurs amplificateurs à seuil sont associés, non plus en colonnes et en lignes, mais selon tout schéma souhaité, comme par exemple selon les parallèles C 45 de la matrice décrite de manière passage d'une particule dans un autre système d'axes. En se référant 3 la Fig. 6, les dix fibres optiques d'une même colonne sont reliées à un même photomultiplicateur 120; dans ce cas, le bruit de dix fibres est additionné sur un même photomultiplicateur, ce qui dégrade le rapport signal sur bruit. Par contre, pour une composante i] suffit de dix photomultiplicateurs, pour deux composantes (horizontale, verticale) le nombre de photomultiplicateurs n'est plus que de 20 (au lieu de 100 précédemment), mais il faut opérer une séparation optique du signal en extrémité de chaque fibre comme indiqué dans la Fig. 7. Le flux émis par chacune des cents fibres est séparé en deux parties égales vers deux fibres optiques F, Fb. Les fibres de type a sont regroupbes en colonne vers dix photomultiplicateurs comme a sont regroupées en colonne vers dix photomultiplicateurs comme 2 6 1 U 4 1 -6- dans la Fig. 6, les fibres de type b sont regroupées de même mais en ligne vers dix autres photomultiplicateurs (d'o les vingt photomu]tipl]cateurs de cette version). La Fig. 8 représente une mosaïque de flux optiques en forme de matrice carrée et présentant une fibre centrale, ou un groupe de fibres formant une barrière optique dont le signal transmis est un signal de start (début de comptage). La matrice présente également des fibres périphériques formant l'autre barrière optique pour la transmission d'un signal stop (fin de comptage). Cette barrière stop est sur une ligne fermée de configuration carrée, mais toute figure géométrique fermée peut être utilisée. Dans cette configuration, une particule traversant toute la mosaïque déclenche d'abord un signal stop qui n'est pas pris en compte. Elle déclenche ensuite un signal start sur la fibre centrale et un signal stop sur une des fibres périphériques. Cette fibre périphérique permet de mesurer le module et l'orientation du vecteur vitesse ayant créé ce couple start-stop. On voit que ce montage présente un intérêt certain par rapport au v9locimètre classique 2 points, qui implique de faire tourner le montage pour modifier l'orientation de la droite joignant les 2 points et pouvoir déterminer la distribution angulaire des vecteurs vitesse en écoulement turbulent. L'invention permet de constituer aussi un vélocimètre 2 points, soit en groupant les fibres, soit en sélectionnant 2 fibres de la mosaïque. L'orientation de la droite joignant les 2 points peut être aisément changée en choisissant une fibre start (ou un groupe de fibres) fixe et en changeant la fibre donnant le signa] stop, ce changement s'opérant par sélection des signaux des photomultiplicateurs des fibres concernées. En outre, l'invention permet de constituer un vélocimètre 2 traits en considérant les signaux des fibres de 2 colonnes, 2 lignes ou 2 diagonales. L'invention s'applique aussi à la visualisation directe des écoulements. Dans ce cas, on perd l'information temporelle mais la trajectoire de la particule est mémorisée grâce à des moyens intégrant le flux lumineux dans le temps. Dans ce but, on peut relier les photomultiplicateurs à des diodes électroluminescentes Z610410 -7- disposées selon une mosaïque et formant écran de visualisation. On peut aussi relier les fibres de la matrice de fibres à un tube intensificateur d'image (par ex. à microcanaux) la sortie dudit tube étant alors observée par une mosaïque d'éléments à transfert de charge (CCD) ou par un enregistreur photographique ou vidéo. La Fig. 9 représente une réalisation d'un vélocimètre sous la forme d'une sonde destinée à la mesure dans l'écoulement d'une entree d'air d'une installation propulsive. Le numéro de référence désigne une manche à air dans laquelle n'est prévu aucun accès latéral optique. Le seul accès optique possible s'effectue par l'aval de la manche grâce à des fibres optiques 51 et 61. Dans cette manche à air est disposée une tige 71 formée de tronçons articulés. Le dernier tronçon en amont 72 comporte une monture 73 supportant une tête d'émission 50 et une tête de réception 60. Ces têtes vont être décrites en relation avec les Figs. 10 et 11 respectivement. La tête optique d'émission 50 comporte un laser 52 qui alimente une fibre optique 51. Le faisceau divergent émergeant de cette fibre optique est focalisé par l'objectif 53 sur le volume de mesure 100. A titre typique, la fibre optique 51 a un diamètre de coeur de 100 pm. L'ouverture du faisceau émergeant est de a - 0,3 rad. L'objectif 53 a une focale de 20 mm, et un diamètre de 10 mm. Le volume de mesure est à 80 mm de l'objectif et son diamètre approximatif est de 300pm. Sur la Fig. 11, 61 désigne un faisceau de 100 fibres optiques disposées sous la forme d'une mosaique. Ces fibres sont prises dans une gaine 62 qui les tient assemblées. Le plan d'entrée 63 de la mosaïque 10 est appliqué sur la face arrière d'un miroir d'un téléscope de Cassegrain 64- 65. Ce télescope est fixé dans une monture tubulaire 66, le solidarisant avec la mosaïque de fibres. Les vis de serrage 67 permettent d'obtenir un ensemble monobloc formé du télescope de Cassegrain (qui est l'optique de collection du flux diffusé par les aérosols) et de la mosaïque de fibres. Dans cet exemple, le télescope est constitua de deux blocs optiques 64 et 65 d'indice appropriés collés l'un sur l'autre et comportant à leur extrémité des surfaces réfléchissantes 64 et 65 formant respectivement les miroirs primaire et secondaire. Enfin, - 8 - 68 désigne un prisme dont la face à réflexion totale 69 est collée sur la face du télescope portant le miroir secondaire 65. A titre typique, le diamètre du télescope est de 20 mm, son grandissement de 10 et son ouverture de f/5. Ceci signifie que la face arrière de 64 est à environ 100 mm du volume de mesure. La Fig. Il détaille la tête d'émission 50 et celle de réception 60 qui sont portées par la monture 73 montrée sur la Fig. 9. En pratique, la tête d'émission 50 et la tête de réception 60 sont logées à l'intérieur d'un boftier cylindrique supporté par la tige 72. On dispose ainsi d'une sonde "crayon" aisément manipulable. Quel que soit son mode de réalisation, l'invention est utilisable hors de l'écoulement, d'une manière classique en visant le milieu fluide à travers un hublot. -9-- P E V E N D I C A T I 0 N S PEVENDICATI0NS 1 - Vélocimètre comprenant un volume de mesure (100) dans un écoulement fluide contenant des particules, des moyens d'illuminer fortement ledit volume de mesure et des moyens de mesurer à partir de la lumière diffusée par lesdites particules sous l'effet de leur illumination, la vitesse dudit écoulement fluide caractérisé en ce qu'il comprend une mosaïque de fibres optiques (10) et au moins un système optique (101) pour projeter un plan du volume de mesure sur le plan d'entrée de ladite mosaïque, les sorties de la mosaïque de fibres optiques étant reliées aux moyens de mesurer ladite vitesse. 2 - Vélocimètre conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux mosaïques de fibres optiques et deux systèmes optiques (101, 102) pour projeter deux plans du volume de mesure sur les plans d'entrée desdites mosaïques, les sorties desdites mosaïques étant reliées aux moyens de mesurer des composantes de ladite vitesse. 3 - Vélocimètre conforme à la revendication 1 caractérisé en ce que le système optique (101) est un télescope de Cassegrain (80) et que la mosaïque de fibres optiques est placée derrière l'ouverture du miroir primaire (65) de ce télescope. 4 - Vélocimètre conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les sorties des fibres optiques de la mosaïque sont couplées respectivement à des photomultiplicateurs disposés en matrice de lignes et de colonnes reliés a des amplificateurs à seuil (21), les sorties desdits amplificateurs à seuil des photomultiplicateurs Z5 d'une même colonne de ladite matrice étant reliées à un opérateur logique sommateur (30) pour former un signal de colonne particulière, les sorties des amplificateurs à seuil des photomultiplicateurs d'une même ligne de ladite matrice étant reliées à un opérateur logique sommateur (40) pour former un signal de ligne particulière et en ce qu'il comprend deux codeurs d'adresse (31), (41) produisant respectivement des codes binaires représentatifs de l'adresse de la colonne et de la ligne concernées. - 10 - - Vélocimètre conforme aux revendications 1 et 4 dans lequel les fibres optiques de la mosaïque sont disposées en matrice de colonnes et de lignes, caractérise en ce que les sorties des fibres sont séparées optiquement en deux parties égales vers deux fibres optiques Fa,Fb, qui sont collectivement couplées à des photomultiplicateurs communs de colonnes, ou de lignes. 6 - Vélocimètre destine à mesurer la vitesse d'un écoulement fluide dans un conduit d'entrée d'air, caractérisé en ce qu'il comprend une tige formée de tronçons articulés à l'intérieur dudit conduit et suivant substantiellement son profil longitudinal; un support porté par ladite tige; une source laser (50), montée sur ledit support, alimentée par une fibre optique intérieure au conduit et connectée à un laser (52) extérieur, un système optique (60) et une mosaïque de fibres (10) portés par ledit support, ledit système optique formant l'image d'un volume de l'écoulement sur la mosaïque de fibres optiques, les fibres optiques formant un faisceau à la sortie de la mosaïque, ledit faisceau passant à l'intérieur du conduit d'entrée d'air et aboutissant à des moyens de mesure de la vitesse. 7 - Vélocimètre destiné à mesurer la vitesse d'un écoulement de fluide, caractérisé en ce qu'il comporte une sonde de mesure conformée selon un boîtier cylindrique, comprenant: une source laser (50) alimentée par une fibre optique connectée à un laser (52), un système optique (60) et une mosaïque de fibres (10), ledit système optique formant l'image d'un volume de l'écoulement sur la mosaïque de fibres optiques, les fibres optiques formant un faisceau aboutissant à des moyens de mesure de la vitesse du fluide. 8 - Procédé de mesure par vélocimétrie dans lequel on illumine un volume de mesure d'un fluide en écoulement, contenant des particules et on recueille les impulsions lumineuses produites par lesdites particules sous l'effet de leur illumination pour en déduire la vitesse de l'écoulement caractérisé en ce qu'il consiste P projeter un plan du volume de mesure sur le plan d'entrée d'une mosaïque de fibres optiques, à relier les sorties des fibres optiques à les photomultiplicateurs et à utiliser les impulsions - J] - électriques produites par les photomultiplicateurs pour en déduire les paramètres caractéristiques de l'écoulement.