Brevet FR2622969A1 — publié le 19890512

i La présente invention concerne un debitmètre avec affichage optique, et plus particulièrement, un débitmètre utilisant un commutateur optique à effet de Faraday qui est sélectivement actionné par des éléments magnétiques suppor- tés par des éléments tournants du débitmètre. Une demande de brevet américain ayant pour n 117 174 décrit un commutateur optique monolithique à effet de Faraday. Le commutateur monolithique contient tous les élé- ments fonctionnels, à savoir, les polariseurs, les analy- seurs, les couches du rotateur de Faraday, la surface réflé- chissant la lumière montée sur un substrat unique. En bref, le commutateur optique monolithique à effet Faraday décrit dans la demande précédente comporte une ou plusieurs couches tournantes de Faraday qui sont déposées sur un substrat inactif sur le plan optique. Une paire de polariseurs-analyseurs est déposée en étant côte à côte, à un côté du substrat, sur une couche du rotateur de Faraday. Une surface amagnétique de réflection est déposée sur l'autre côté du substrat. Le rayonnement provenant d'une fibre optique d'entrée est transmis par l'élément du polari- seur, par l'intermédiaire de la ou des couches rotatives de - 2 - Faraday et du substrat inactif sur le plan optique, à la surface réfléchissante o il est renvoyé à l'élément de l'analyseur. Etant un dispositif à effet Faraday, le plan de polarisation du rayonnement incident subit une rotation dans les couches de Faraday chaque fois que la couche est soumise à un champ magnétique. La présence du champ magnétique contrôle le passage de la lumière dans l'élément monoli- thique, exécutant ainsi la fonction de commutation optique. Comme tous les composants fonctionnels du commutateur optique sont déposés sur un seul substrat, il est possible d'obtenir un élément de commutation optique de Faraday de petites dimensions, c'est-à-dire miniaturisé. On connaît dans la technique des débitmètres qui utilisent des éléments magnétiques placés sur la turbine et/ou sur les éléments du rotor produisant des tourbillonne- ments dans le débitmètre. On se reportera à ce sujet au bre- vet des Etats-Unis d'Amérique n 4 301 276 o un tel agence- ment est illustré. Dans les débitmètres de ce type, on détermine le débit massique en mesurant le différentiel de temps nécessaire pour que les éléments magnétiques soient mus suivant l'angle de déplacement 8 entre la turbine et le rotor ou les éléments de production des tourbillonnements; angle de déplacement qui est fonction du couple qu'exerce le fluide sur l'élément de la turbine par vitesse rotationnelle ou moment angulaire du liquide mesuré. Dans le passé, on a utilisé des bobines de détection de grandes dimensions et encombrantes, montées sur le logement du débitmètre pour sortir un signal lors des passages des aimants et de leur échange de flux avec la bobine. Un tel agencement était, comme on vient de le faire remarquer, encombrant et coûteux. Il existe par conséquent un besoin pour un dispositif d'affichage de débitmètre de petites dimensions, de faible poids, permettant de réduire les dimensions et le poids du débitmètre. Les considérations de dimensions et de poids jouent un rôle important lorsque des débitmètres massiques -3 sont utilisés dans les avions, par exemple, là o le poids et les dimensions sont primordiaux: On a trouvé qu'on peut sensiblement réduire les dimensions et le poids de l'agencement du débitmètre en pré- voyant un dispositif d'affichage optique qui utilise un com- mutateur magnéto-optique monolithique à effet de Faraday. En conséquence, la présente invention a pour objet principal un débitmètre utilisant un dispositif d'affichage à commutateur optique à effet Faraday. La présente invention a pour autre objet un débit- mètre utilisant un dispositif d'affichage à commutateur optique, monolithique. L'invention a encore pour objet un débitmètre de petites dimensions, de faible poids, utilisant un dispositif d'affichage à commutateur optique de Faraday. La présente invention a pour autre objet un débit- mètre utilisant un dispositif de visualisation à commutateur optique à effet de Faraday, tous les éléments fonctionnels du commutateur étant montés sur un seul substrat. On obtient les différents objectifs et avantages de la présente invention dans un agencement dans lequel un débitmètre massique comporte des aimants montés sur la péri- phérie de la turbine et l'élément générateur de tourbillons. Des commutateurs optiques monolithiques de Faraday sont mon- tés sur le logement du débitmètre et sont alignés avec les aimants. Toutes les fois qu'un aimant passe au droit du com- mutateur et entre en échange de flux avec celui-ci, le champ magnétique fait tourner le plan de polarisation d'un fais- ceau de lumière incidente de sorte que la lumière traverse le commutateur, produisant une impulsion de sortie. Comme l'aimant monté sur l'élément de turbine est en retard sur l'aimant du rotor suivant un angle 8 représentatif du débit massique, l'intervalle de temps entre les deux impulsions est une mesure du débit massique du fluide traversant le débitmètre. - 4 - La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: figure 1, une vue en perspective de l'élément de commutateur optique monolithique de Faraday et illustre sa caractéristique unique; figure 2, une vue partiellement en crevé du débit- mètre sur lequel sont montés les commutateurs optiques d'affichage; figure 3, une vue partielle en bout de la turbine prise le long de la ligne 3-3 de la figure 2. Le commutateur optique monolithique de la figure 1 comporte un substrat 1 inactif sur le plan optique qui est de préférence un substrat monocristallin d'un grenat de gadolinium et de gallium, bien qu'on puisse utiliser avec la même efficacité d'autres substrats en grenat cristallin mélangé. On emploie l'expression "inactif sur le plan optique" pour indiquer que le substrat est transparent vis à vis d'une lumière polarisée dans le plan et n'affecte pas le plan de polarisation. Sur les côtés opposés du substrat 1 en grenat inactif sur le plan optique se trouvent des couches 2 et 3 d'un rotateur de Faraday. Les couches 2 et 3 sont des couches de grenat de gadolinium de préférence dopé au bis- muth, qui ont subi une croissance sur le substrat par épi- taxie en phase liquide de sorte qu'elles ont la même orien- tation cristalline que le substrat en grenat. Plus précisé- ment, la croissance de la structure cristalline du gadoli- nium dopé au bismuth est orientée par la structure cristal- line du substrat en grenat. Les couches 2 et 3 sont des rotateurs de Faraday en ce sens que le plan de polarisation de l'énergie rayonnante traversant une telle couche dans une direction parallèle à un champ magnétique subit une rotation suivant une quantité dépendant de la constante de Verdet de la couche et de son épaisseur. La constante de Verdet de rotateurs de Faraday en gadolinium dopé au bismuth est très élevée. On a obtenu des rotations angulaires d'un degré par - 5 micromètre d'épaisseur pour des forces du champ magnétique de 203.10-4 Tesla pour une lumière de 850 nanomètres de sorte qu'une rotation de 90 du rayonnement incident pola- risé dans le plan est possible avec une épaisseur du rota- teur d'environ 90 micromètres. Une couche amagnétique 4 de réflection de la lumière ou d'un rayonnement (en argent ou en aluminium, par exemple) est déposée sur le rotateur 2. Sur la surface avant du substrat et audessus de la couche 3 du rotateur se trouve une paire de polariseurs représentée dans ses grandes lignes par la référence 5 qui est de préférence constituée d'une paire d'éléments croisés montés côte à côte de manière à contrôler la transmission de l'énergie rayonnante en fonc- tion d'un champ magnétique. La paire de polarisation 5 est ainsi constituée d'un élément 6 de polariseur, représenté comme étant un polariseur vertical, qui permet le passage de la lumière polarisée dans un plan vertical, alors que l'élément 7 de l'analyseur, placé à un endroit contigu au polariseur 6, est orienté de manière -à permettre le passage de la lumière polarisée horizontalement. Les éléments du polariseur dans leur configuration côte à côte sont déposés sur le rotateur 3 en faisant appel aux techniques bien connues de dépôt. Le commutateur optique de Faraday est éclairé par un faisceau d'énergie rayonnante - l'expression "énergie rayonnante" est utilisée ici dans son sens le plus large pour incorporer l'énergie électromagnétique tant à l'intérieur qu'à l'extérieur du spectre visible. L'énergie rayonnante provient d'une fibre optique d'entrée 8 qui est placée près du polariseur 6. La fibre optique d'entrée 8 est généralement une fibre optique ayant un diamètre d'âme de micromètres avec les couches habituelles de réflection et d'habillage, etc... La fibre d'entrée 8 est placée de manière à éclairer l'élément 6 du polariseur avec le rayon- nement illustré par la flèche 9. La fibre 8 ainsi qu'une - 6 - fibre de sortie 10 contig e à l'analyseur sont décalées par rapport à un axe orthogonal 11 - axe qui représente l'axe d'application du champ magnétique 12 - suivant un angle a. La lumière 9 polarisée dans le plan vertical qui provient du polariseur 6 traverse la couche 3 du rotateur de Faraday et le substrat 1 jusqu'à la couche 2 du rotateur. Après avoir traversé la couche 2, la lumière est réfléchie par la couche 4 pour revenir, en passant par les couches du rotateur et le substrat, à l'analyseur 7. Le rayonnement polarisé dans le plan qui a subi une rotation de 90 comme cela est représenté par la flèche 13 traverse l'analyseur 7, jusqu'à la fibre de sortie 10 et est transmise jusqu'à des détecteurs situés à distance et des circuits électroniques de traitement du signal afin de produire un signal de sortie qui est une indication de la condition représentée par la présence du champ magnétique. Si le degré de rotation est inférieur à 90 , seule une partie du rayonnement incident est polarisée horizonta- lement et seule une partie de l'énergie incidente traverse l'analyseur 7. Plus précisément, en l'absence d'un champ magnétique, le plan de polarisation du rayonnement incident ne subit pas de rotation de sorte que la totalité du rayon- nement réfléchi est bloquée par l'analyseur croisé 7. En présence d'un champ magnétique, le rayonnement incident subit une rotation de sorte qu'une partie du rayonnement éclairant l'arrière de l'analyseur 7 est maintenant polari- sée horizontalement et la totalité, ou une partie impor- tante, traverse l'analyseur et est reçue par la fibre optique de sortie 10. On peut se procurer des substrats cristallins inactifs sur le plan optique de grenat en gallium et gadoli- nium ayant des couches de rotateur en gadolinium dopé au bismuth auprès de diverses sources telles que l'Airtron Division of Litton Industries, 200 E. Hanover, Avenue, Morris Plains, New Jersey 07950 sous la marque LLC 120. Le - 7 substrat/rotateur LLC 120 a approximativement 0,5 millimètre d'épaisseur et comporte des couches d'une épaisseur de 21,7 micromètres de gadolinium dopé au bismuth sur chaque sur- face. La composition réelle du produit LLC 120 est la sui- vante: (B1 1,o09 Tm 0,07 Gd o,95 Y 0,0o) (Fe 3,91 Ga 0,76 Y 0,30 Tm 0,02) 0 On a trouvé que les couches du rotateur de Faraday du LLC 120 produisent une rotation de 1,40 par micromètre lorsqu'elles sont soumises à un champ magnétique de 203.10-4 Tesla et éclairées par une lumière à 632 nanomètres; et une rotation de 3,6 par micromètre pour une lumière ayant une longueur d'onde de 546 nanomètres. Ainsi, pour une couche 21,7 micromètres d'épaisseur pour le rotateur de Faraday de la construction de la figure 1, l'énergie polarisée traverse deux fois chaque couche du rotateur, une fois directement et de nouveau après avoir été réfléchie par la surface 4. Elle traverse donc une épaisseur totale de 86,8 micromètres, ce qui se traduit par une rotation supérieure à 90 . On a testé un rotateur de polarisation LLC 120 à une longueur d'onde de 850 nanomètres' et chaque couche du rotateur a produit une rotation de 1' par micromètre. Ainsi, en traversant 4 fois la couche de 21,7 micromètres, l'énergie incidente polarisée verticalement subit une rota- tion de 870 de sorte que la quasi-totalité de celle-ci tra- verse l'analyseur 7. Evidemment, en ajustant l'épaisseur des couches du rotateur de Faraday, pour tout angle de décalage -, on peut obtenir facilement une rotation de 90' de la lumière polarisée. Ainsi, on fournit un commutateur optique monolithique de très petites dimensions (d'une épaisseur inférieure à 1 millimètre), dans lequel tous les éléments fonctionnels d'un commutateur optique de Faraday sont montés sur un seul substrat. Comme on le décrira ultérieurement en liaison avec les figures 2 et 3, un tel élément de commuta- teur optique de Faraday est utile comme élément optique de captage/affichage pour un débitmètre, d'o l'élimination des - $ - enroulements de captage encombrants et complexes qu'on uti- lise actuellement dans les divers types de débitmètres. La figure 2 est une illustration donnée à titre d'exemple d'un débitmètre utilisant un capteur magnéto- optique qui incorpore un commutateur optique monolithique de Faraday du type décrit en figure 1. Le débitmètre de la figure 2 est représenté dans ses grandes lignes par la réfé- rence 20 et comporte un logement 21 (en partie en crevé) en matériau amagnétique, par exemple en acier inoxydable, ayant un extrémité d'entrée 22 et une extrémité de sortie 23. Une turbine 24 et un générateur 25 de tourbillons sont installés dans le logement 21 et sont fixés sur un arbre 26 monté à ses deux extrémités sur des roulements à billes 27. Les rou- lements à billes 27 sont représentés au côté aval, avec les roulements de l'autre côté de l'arbre non illustrés. La turbine 24 est montée sur l'arbre 26 au moyen de roulements à billes 28. Le générateur de tourbillons 25 est, d'autre part, fixé directement à l'arbre 26. Le rotor présente un corps principal ayant une multitude d'ailettes en biais 29. L'impact du fluide sur les ailettes confère une vitesse angulaire au fluide ainsi qu'au disposi- tif de formation de tourbillons. Comme le rotor 25 est fixé à l'arbre 26, la rotation du rotor entraîne celle de l'arbre à une vitesse angulaire dictée par les angles des ailettes. Le rotor 25 comporte également un anneau de renforcement cylindrique 30 s'étendant à partir de la périphérie qui est concentrique avec la turbine 24 en entourant celle-ci. Des paliers de butée, non représentés, maintiennent espacés la turbine et le rotor/dispositif de formation de tourbillons le long de l'arbre et sont placés respectivement entre la turbine et le rotor. Une multitude de passages de fluide sous forme de tubes 31 est ménagée autour de la périphérie de la turbine 24. La turbine 24 contient également une partie rentrante 32 du côté aval. Une extrémité d'un ressort hélicoidal 33 est fixée à la paroi intérieure de la partie 32 et l'autre ex- trémité du ressort est fixée à l'arbre 26. De fait, le rotor et la turbine 24 constituent deux éléments tournants réunis par le ressort s'opposant au couple. Alors que ces deux éléments tourneront à la même vitesse, la différence de phase due au couple du fluide est fonction du débit mas- sique. Sur la périphérie de la turbine 24 et de l'ensemble constitué par le rotor/générateur 25 de tourbil- lons sont fixés des aimants 35 et 36 qui ont leurs axes mon- tés dans la direction nord-sud suivant une corde des élé- ments cylindriques de la turbine et du rotor (comme on peut le voir plus clairement en figure 3). Alors qu'un fluide traverse le débitmètre, le rotor 25 de formation de tourbil- lons confère une vitesse angulaire à la combinaison consti- tuée par l'arbre du rotor et de la turbine. L'accélération angulaire du fluide entrant dans la turbine 24 par l'intermédiaire des tubes a pour conséquence que la turbine se déplace angulairement par rapport à l'arc et que le couple appliqué par le fluide à la turbine fait dévier le ressort 33 par rapport à l'arbre. Le ressort dévie d'un cer- tain angle 8 jusqu'à ce que son couple soit égal à celui du fluide. La mesure du débit massique, c'est-à-dire la mesure du déplacement angulaire de la turbine 24 par rapport au- rotor 25, s'obtient par l'intermédiaire des aimants 35 et 36.alors qu'ils tournent en réponse au passage du fluide. Une paire de commutateurs optiques à effet de Faraday 37 et 38 est placée dans un logement 39 monté sur le logement principal 21 du débitmètre. Les commutateurs 37 et 38, qui sont du type illustré en figure 1, sont en alignement (dans le plan vertical) avec les aimants 35 et 36 montés sur la périphérie de la turbine et du rotor. Les commutateurs optiques de Faraday du capteur magnéto-optique transmettent la lumière pour produire un signal de sortie lors du passage - 10 - des aimants 35 et 36 car leur champ magnétique provoque la rotation du plan de polarisation de la lumière tombant sur les commutateurs à partir des fibres optiques d'entrée 40 et 41. Cela se traduit par le passage de la lumière vers les fibres optiques de sortie 42 et 43; avec les fibres optiques sorties du logement 39 par l'intermédiaire d'un connecteur 45 et ensuite d'un câble optique 46 jusqu'à des circuits électroniques pour le traitement à distance du signal qui produisent des impulsions électriques en réponse à la lumière transmise par la fibre de sortie. Le débit du liquide alors qu'il traverse la tur- bine subit un changement du moment angulaire qui est égal au couple du fluide agissant sur la turbine et est donné par: tT = w Mr2 (1) tT = couple du fluide agissant sur la turbine w = vitesse angulaire de l'arbre de la turbine M = débit massique r = rayon moyen de gyration des passages d'écoulement de la turbine. Le couple appliqué par le fluide sur la turbine agit pour faire dévier le ressort de limitation par rapport à l'arbre. Le ressort dévie d'un certain angle 0 tel que son couple est égal à celui du fluide. Le couple du ressort est donné par l'expression: ts = Ko (2) o ts = couple du ressort K = constante du ressort 0 = angle de déviation de la turbine par rapport à l'arbre En appliquant la seconde loi de Newton, l'équilibre des couples agissant sur la turbine donne: ts = tT (3) En portant les équations 1 et 2 dans 3, on obtient: - il - e =w Mr2 (4) Ainsi, pour une géométrie donnée, l'angle de déviation de la turbine par rapport à l'arbre est fonction de la vitesse de la turbine ainsi que du débit massique. Au lieu de mesurer directement la surface du déplacement angu- laire 8 du ressort, le capteur optique du commutateur de Faraday mesure le temps nécessaire pour que des points de référence de la turbine, tels que ceux représentés par les aimants 39 et 40, soient mus suivant l'angle de déplacement. 8 entre la turbine et le rotor. On peut déterminer l'angle 8 en mesurant le laps de temps écoulé entre le signal repré- senté par le passage de l'aimant du rotor 25 au droit de son commutateur optique et le signal produit par le passage de l'aimant de la- turbine 24 au niveau de son commutateur optique. Ainsi: =XAT (5) O w = vitesse angulaire de la turbine et de l'arbre AT = laps de temps écoulé En combinant les équations 4 et 5, on obtient: M = KaT = K' A T (6) Le débit massique dans le débitmètre est alors directement proportionnel à la différence de temps entre l'impulsion du rotor et l'impulsion de la turbine. Le fac- teur d'échelle K du débitmètre est fonction de sa géométrie fixe comme caractéristique physique du ressort de limita- tion. Comme le facteur d'échelle est constant pour toutes les conditions de fonctionnement du débitmètre et d'un débitmètre à l'autre, le différentiel de temps devient ainsi une mesure précise du débit massique dans la turbine. La figure 3 est une vue partielle en bout de la turbine 24 prise le long de la ligne 3-3 de la figure 2, du côté amont de la turbine, et montre l'anneau de renforcement s'étendant à partir du rotor 25 et concentrique avec la turbine 24. L'aimant 35 est monté sur la turbine. L'axe - 12 - nord-sud de l'aimant se trouve sur un rayon de la turbine cylindrique. Une multitude d'éléments tubulaires 31 traver- sent la turbine et sont disposés suivant une configuration annulaire. Comme cela apparaîtra maintenant, on a illustré un débitmètre de petites dimensions et de faible poids, dans lequel le débit massique est déterminé par la mesure de l'intervalle de temps nécessaire pour qu'un point de réfé- rence représenté par un aimant se déplace suivant l'angle o entre la turbine et le rotor. Le dispositif de captage sert à mesurer cet angle, le dispositif électro-optique utilisant un commutateur optique monolithique de Faraday qui est actionné par le passage des aimants et de leurs champs magnétiques. Plus précisément, lorsque les aimants viennent en relation d'échange de flux avec chacun des commutateurs optiques de Faraday, il se produit la rotation de la lumière tombant sur les commutateurs, d'o le passage de la lumière dans le commutateur optique. Le passage de cette lumière produit une impulsion électrique qui représente le temps de passage, avec le laps de temps entre le passage des aimants de la turbine et du rotor donnant une mesure du débit mas- sique du fluide dans le débitmètre. -13- REVENDICATIONS 1. Débitmètre massique avec affichage optique, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) un logement (21) pour recevoir un écoulement de fluide dont on doit mesurer le débit massique; (b) sur l'ëlérment de turbine tournant (24) et un élément (25) conférant des tourbillonnements, montés dans le logement; (c) un moyen (33) pour que les éléments tournants soient déplacés angulairement l'un par rapport à l'autre en fonction du débit massique du fluide; (d) un moyen optique pour mesurer le déplacement angulaire entre les éléments tournants comportant: (1) une source de flux magnétique montée sur chacun des éléments tournants (2) une source d'énergie rayonnante (35, 36) placée à l'extérieur du logement (3) un moyen de commutateurs optiques (37, 38) à effet de Faraday montés sur le logement et éclairés par l'énergie rayonnante, chaque source de flux magnétique des éléments tournants étant en alignement avec le moyen de commutateurs (4) le moyen de commutateurs optiques étant actionné lorsque la source de flux magnétique entre en rela- tion d'échange de flux avec lui pour permettre le passage de l'énergie rayonnante dans le commutateur, l'intervalle de temps nécessaire pour que les sources de flux magnétique entrent en relation d'échange de flux avec leurs commuta- teurs respectifs étant une mesure du débit massique du fluide. 2. Débitmètre selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le moyen de commutateurs optiques à effet de Faraday contient tous les éléments de commutateur sur un seul substrat transmettant l'énergie rayonnante. - 14 - 3. Débitmètre selon la revendication 2, caracté- risé en ce que le moyen de commutateurs optiques contient des couches de rotateur de Faraday et des éléments de pola- riseur et d'analyseur déposés sur le substrat. 4. Débitmètre selon la revendication 3, caracté- risé en ce que chacun des moyens de commutateur à effet de Faraday comporte une fibre optique d'entrée (40, 41) placée de manière à éclairer l'élément de polariseur du substrat et une fibre optique de sortie (42, 43) positionnée de manière à recevoir l'énergie rayonnante transmise par l'élément d'analyseur, d'o il résulte que l'énergie rayonnante prove- nant de la fibre d'entrée traverse le commutateur pour atteindre la fibre de sortie lorsque la source de flux magnétique montée sur l'élément tournant associé vient en relation d'échange de flux avec le commutateur optique de Faraday. 5. Débitmètre selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'un des éléments tournants est limité angu- lairement et le moment angulaire du fluide provoque le déplacement angulaire de l'élément limité angulairement jusqu'à ce que le couple du fluide exercé sur cet élément soit égal au couple de limitation angulaire, d'o il résulte que les sources de flux magnétique des éléments tournants sont déplacées angulairement suivant une quantité propor- tionnelle au débit massique. 6. Débitmètre selon la revendication 5, caracté- risé en ce que le commutateur optique à effet de Faraday a une construction monolithique et contient des éléments de commutateur sur un substrat transmettant la lumière. 7. Débitmètre selon la revendication 6, caracté- risé en ce que le commutateur optique monolithique contient les rotateurs de Faraday, des polariseurs et des analyseurs sur le substrat unique. 8. Débitmètre selon la revendication 7, caracté- risé en ce qu'une fibre optique d'entrée est placée de manière à éclairer le polariseur avec un faisceau d'énergie rayonnante et une fibre de sortie est située à un endroit contigu à l'analyseur, d'o il résulte que le passage de la source de flux magnétique au droit du commutateur provoque la transmission de l'énergie rayonnante entre la fibre d'entrée et la fibre de sortie par l'intermédiaire du commu- tateur.