Brevet FR2617966A1 — publié le 19890113

Z La présente invention concerne le contrôle du ni- veau d'un liquide à l'aide de transducteurs d'ondes acous- tiques, notamment dans les milieux hostiles dans lesquels il est souhaitable ou primordial que le transducteur soit placé à distance du liquide. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 2 787 160 décrit un indicateur ultrasonore de hauteur de liquide dans lequel une bande est montée verticalement dans un réservoir contenant un liquide, et des ondes de surface sont excitées dans la bande par un transducteur. Il est dit que ces ondes de surface excitent la surface de la bande sur laquelle le transducteur est appliqué, mais ces ondes n'atteignent pas l'autre face de la bande. La bande a des trous espacés verticalement et qui sont de préférence fermés de manière étanche afin que le li- quide ne puisse pas y pénétrer. Ces trous placés au- dessus de la surface du liquide créent des signaux réflé- chis intenses, alors que ceux qui se trouvent dans la partie de la bande qui est immergée ne renvoient que des signaux réfléchis peu intenses car les ondes de sur- face sont amorties dans le liquide. L'indicateur de ni- veau du brevet des Etats-Unis d'Amérique n 2 787 160 présente un inconvénient car, à l'emplacement de péné- tration dans le récipient, la surface à laquelle les ondes de surface sont excitées ne peut être que couplée acoustiquement au transducteur, car, dans le cas con- traire, les ondes de surface ne seraient pas transmises le long de la bande. En conséquence, le point de pénétration dans le réservoir nécessite la disposition à la fois de la bande et du transducteur à l'intérieur des limites du réservoir et le transducteur ne peut donc pas être placé à distance de l'intérieur du réservoir, comme cela peut être nécessaire lorsque le réservoir contient des liquides très chauds. On peut aussi citer les brevets britanniques n 2 092 408, 2 137 348, 2 019 568 et 1 555 549 qui con- cernent de façon générale le domaine de l'invention. L'invention concerne, dans un premier aspect, un procédé de contrôle du niveau d'un liquide dans un réser- voir de confinement, comprenant l'émission d'impulsions d'ondes acoustiques par un dispositif transducteur le long d'un guide d'ondes qui descend au-dessous de la surface supérieure de la masse du liquide confiné et qui a au moins une discontinuité capable de réfléchir les impulsions et destinée à être exposée au liquide, et l'analyse de l'impulsion ou des impulsions réfléchies afin que toute perte d'énergie acoustique due à l'immer- sion de la discontinuité ou des discontinuités dans le liquide soit détectée, le procédé étant caractérisé en ce que l'énergie des ondes acoustiques est sous forme d'ondes de Lamb injectées dans le guide d'ondes, le dis- positif transducteur est placé en totalité à l'extérieur de la partie interne du récipient, et le guide d'ondes passe par un organe scellé de pénétration dans une paroi du réservoir ou est constitué au moins en partie par une paroi du réservoir. Le procédé peut être utilisé avec plusieurs guides d'ondes, chaque guide d'ondes ayant au moins une discon- tinuité destinée à réfléchir les impulsions. Lorsque le guide d'ondes comporte plusieurs dis- continuités, celles-ci sont espacées suivant la longueur dans la direction de déplacement des impulsions le long du guide d'ondes et elles peuvent être décalées les unes par rapport aux autres en direction transversale à la direction de propagation. Dans un second aspect, l'invention concerne un réservoir de confinement de liquide, contenant un appa- reil destiné à être utilisé pour le contrôle du niveau du liquide dans le réservoir, l'appareil comprenant un dispositif transducteur destiné à créer des impulsions d'ondes acoustiques, un dispositif de guidage d'ondes couplé au transducteur et descendant à l'intérieur du réservoir afin que, pendant l'utilisation, il soit au contact d'une masse de liquide contenue dans le réservoir, le dispositif de guidage d'ondes ayant au moins une dis- continuité capable de réfléchir les impulsions et des- tinée à être exposée au liquide et un dispositif destiné à analyser l'impulsion ou les impulsions réfléchies afin que toute perte d'énergie acoustique due à l'immersion de la discontinuité ou des discontinuités dans le liquide soit détectée, caractérisé en ce que la position de cou- plage acoustique du dispositif transducteur et du dispo- sitif de guidage d'ondes est placée en totalité à l'ex- térieur de la partie interne du récipient, et le disposi- tif de guidage d'ondes passe par- un ou plusieurs organes étanches de pénétration à la limite du réservoir ou est constitué au moins en partie par une ou plusieurs parois du réservoir. Le dispositif de guidage d'ondes peut comprendre un guide d'ondes unique ayant plusieurs discontinuités réfléchissant les impulsions ou le dispositif de guidage d'ondes peut être constitué par au moins deux guides d'ondes ayant chacun au moins une telle discontinuité. Le guide d'ondes ou chaque guide d'ondes a avanta- geusement une configuration à gradins destinée à former les discontinuités qui réfléchissent les impulsions. Il faut noter que le guide d'ondes ou chaque guide d'ondes est sous forme d'une bande, d'une plaque ou d'un tube afin que l'énergie acoustique lancée dans le guide d'ondes par le transducteur prenne la forme d'ondes de Lamb, et que des ondes de Lamb puissent être excitées. Les ondes de Lamb peuvent être en mode symétrique ou -antisymétrique fondamental ou des harmoniques d'un tel mode. Le dispositif d'analyse peut être réalisé afin qu'il provoque la formation d'un signal, qui peut être sous forme d'un signal d'alarme, lorsque l'immersion du guide d'ondes atteint un niveau prédéterminé. Le dis- positif d'analyse peut déterminer une relation entre le degré de perte du signal réfléchi et l'amplitude d'immersion du guide d'ondes dans le liquide. Dans certains cas, le dispositif de guidage d'ondes peut être un ou plusieurs éléments de la structure asso- ciée au réservoir de confinement du liquide ou faisant partie de ce réservoir, par exemple lorsque l'installa- tion comporte déjà ou peut être conçue afin qu'elle com- porte un élément de sa structure qui peut jouer le rôle d'un guide d'ondes ayant une discontinuité capable de réfléchir des impulsions. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexes sur lesquels: la figure 1 est une coupe schématique d'un réser- voir de confinement de liquide comprenant un appareil de contrôle de niveau de liquide; la figure 2 est une élévation schématique de l'appareil de contrôle du niveau du liquide; la figure 3 est une représentation graphique idéa- lisée des impulsions émises et reçues, obtenue par utilisation de l'appareil de la figure 2; et la figure 4 est une coupe schématique d'une varian- te de mise en oeuvre de l'invention dans laquelle la paroi du réservoir est utilisée comme guide d'ondes. On se réfère à la figure 1; le réservoir repré- senté 1 peut être un réservoir de confinement d'un liqui- de chaud, par exemple de sodium liquide, dans un réac- teur nucléaire à neutrons rapides. Le réservoir comporte un appareil de contrôle du niveau de liquide, l'appareil comprenant un guide d'ondes 14 excité par un transducteur ultrasonore 10. La limite du récipient a un organe 2 de pénétration par lequel le guide d'ondes pénètre dans le réservoir afin qu'il soit immergé partiellement dans la masse 3 de liquide contenue dans le réservoir. La nature du liquide impose la disposition du transducteur à distance de l'intérieur du réservoir et la coopéra- tion étanche de la périphérie du guide d'ondes avec la limite du réservoir, par exemple par soudage ou par brasage sur toute la périphérie. Il faut noter qu'une telle disposition empêche l'utilisation d'un indicateur de niveau tel que décrit dans le brevet précité des Etats- Unis d'Amérique n 2 787 160, pour les raisons indi- quées précédemment. Le principe mis en oeuvre par l'invention est l'utilisation d'un élément actif pour l'excitation d'un mode spécifique d'ondes de Lamb dans un guide d'ondes sous forme d'une mince plaque (qui peut être plane, de section courbe ou tubulaire) et la disposition du guide d'ondes, par rapport à la surface du liquide dont le niveau doit être contrôlé, de manière que, lorsque le liquide vient au contact de l'extrémité ou d'une autre discontinuité du guide d'ondes qui réfléchit les impul- sions et qui est exposée au liquide, une conversion de mode apparaisse à l'interface du guide d'ondes et du liquide et provoque une perte d'énergie acoustique par transmission d'ondes de compression au liquide. Contrai- rement aux ondes de surface comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 2 787 160, les ondes de Lamb peuvent passer dans un organe étanche de pénétration à la limite du réservoir et continuent à se propager le long de la partie du guide d'ondes qui descend à l'in- térieur du réservoir. On se réfère à la figure 2; l'appareil comporte un transducteur ultrasonore 10 d'émission-réception relié à des instruments i2 de lancement d'impulsions et d'analyse d'écho, et relié au guide d'ondes 14 sous forme d'une plaque mince qui peut avoir une longueur considérable, par exemple des dizaines de mètres, et bien que le guide d'ondes soit représenté avec une confi- guration particulière, il peut avoir d'autres configura- tions convenant à l'application prévue. Par exemple, l'emplacement du transducteur et des instruments associés, à distance de l'intérieur du réservoir, peut nécessiter le passage du guide d'ondes autour d'obstacles et en conséquence sa mise sous une forme convenable. Le guide d'ondes 14 est monté de manière que sa partie terminale soit à proximité de la surface 16 du liquide. Comme indiqué sur la figure 2, le guide d'ondes est partiellement immergé dans le liquide, mais ceci peut ne pas être toujours nécessaire. La partie terminale du guide d'ondes a un certain nombre de discontinuités capables de réfléchir les impulsions et constituées par l'extrémité 18 du guide d'ondes et une série de gradins A, 20B placés à des intervalles connus de l'extrémité 18. Lorsqu'une impulsion 22 d'ondes de Lamb (voir figure 3) est excitée dans le guide d'ondes par le transducteur , elle se propage le long du guide d'ondes, c'est- à-dire dans le sens de la flèche A,et subit une réflexion à chaque discontinuité 18, 20A, 20B et crée des échos 24, 26A, 26B qui sont reçus par le transducteur et peu- vent être analysés par les instruments afin que chaque écho soit relié à une discontinuité respective. Lorsque le niveau du liquide est tel que l'extrémité du guide d'ondes n'est pas immergée, aucun des échos reçus par les instruments 12 n'est atténué notablement par rapport à l'impulsion incidente 22. Cependant, si le guide d'on- des est partiellement immergé, une perte d'énergie acous- tique apparaît à la suite de la conversion précitée de mode et les échos reçus à partir des discontinuités qui sont immergées (discontinuités 18, 20A sur la figure 2) sont sérieusement atténués. De cette manière, le con- trôle des amplitudes des échos à l'aide des instruments 12 permet la détermination du niveau du liquide avec une précision qui dépend de l'espacement vertical des discontinuités qui réfléchissent les impulsions. La forme de guide d'ondes représentée sur la figure 2 est destinée à assurer la détection de niveaux élevé, faible et intermédiaire du liquide, des niveaux intermé- diaires correspondant aux tronçons de guide d'ondes com- pris entre le gradin inférieur 20A et le gradin supérieur 20B. Lorsque le liquide monte et que l'atténuation de l'écho reçu de chaque discontinuité apparaît, les instru- ments peuvent créer des signaux destinés à indiquer le niveau actuel du liquide, et un ou plusieurs signaux d'avertissement peuvent aussi être formés lorsque le niveau du liquide monte ou descend à un niveau inaccep- table. De tels signaux d'avertissement peuvent être uti- lisés pour le déclenchement d'une action compensatrice destinée à compenser la variation indésirable du niveau du liquide. Comme représenté, un seul guide d'ondes est utilisé mais, le cas échéant, deux ou plusieurs guides d'ondes peuvent avoir chacun au moins une discontinuité capable de réfléchir les impulsions et exciter par un transduc- teur respectif placé à l'extérieur; dans ce cas, chaque guide d'ondes peut donner un ou plusieurs échos corres- pondants à un niveau de liquide ou à une plage de niveaux de liquide qui diffèrent de ceux ou de celles de l'autre ou des autres guides d'ondes. Les discontinuités qui réfléchissent les impulsions, qu'elles soient formées dans un seul guide d'ondes ou dans plusieurs, peuvent être espacées verticalement à des niveaux uniformes, et le nombre de discontinuités peut être bien supérieur au nombre indiqué sur la figure 2, surtout lorsque la mesure de niveau doit être réalisée sur une gamme considérable de hauteurs. Les mesures de niveau de liquide ainsi obtenues sont de nature numérique, c'est-à-dire sous forme de niveauxdiscrets. Cependant,.en pratique, lorsque le liqui- de vient au contact de l'extrémité du guide d'ondes ou d'une autre discontinuité qui réfléchit les impulsions, l'atténuation du signal d'écho a tendance à être progres- sive lorsque le niveau du liquide continue à monter si bien qu'une atténuation maximale n'apparaît pas avant que le niveau du liquide n'ait dépassé un peu le niveau de la discontinuité. Dans un mode de réalisation plus élaboré de l'invention, la réduction progressive de l'am- plitude du signal d'écho peut être utilisée pour l'obten- tion d'une indication relative au niveau du liquide. Dans certains modes des ondes de Lamb, l'atténuation apparaît sur quelques longueurs d'ondes (une plage de quelques millimètres est possible) et cet effet peut être accentué par sélection d'un mode à grande longueur d'ondes ayant une distribution d'énergie telle que la quantité d'énergie présente à la surface du guide d'ondes est réduite alors qu'elle est accrue vers le centre du guide d'ondes. De cette manière, l'appareil peut donner un signal de sortie qui est relié à la perte d'énergie du signal ou des signaux d'écho et ainsi au niveau du liquide. On se réfère à la figure 4 qui représente un autre mode de réalisation dans lequel la paroi du réservoir elle-même constitue une partie au moins du guide d'ondes. Le sens de propagation des ondes de Lamb incidentes est indiqué par la flèche A. Dans ce cas, les discontinuités réfléchissant les impulsions sont constituées par des blocs 40 fixes à la face interne du réservoir et exposées au liquide. Les blocs 40 sont espacés verticalement et sont aussi décalés les uns par rapport aux autres en direction transversale à la direction de propagation des ondes de Lamb, c'est-à-dire qu'il sont décalés dans la direction générale circonférentielle du réservoir. Sur la figure 4, le transducteur 10 est représenté sous une forme couplée acoustiquement à la paroi du réservoir par l'intermédiaire d'une bande 42 de guidage d'ondes qui est brasée sur la paroi afin que le transducteur soit à distance de la paroi chaude. Cependant, dans des applications à plus basse température, le transducteur peut être couplé acoustiquement à la face externe du réservoir directement. A la place des blocs 40, les dis- continuités peuvent être formées par des trous borgnes peu profonds percés dans la surface interne du réservoir. - 9 REVENDICATIONS 1. Procédé de contrôle du niveau d'un liquide dans un réservoir (1) -de confinement, comprenant l'émission d'impulsions d'ondes acoustiques par un dispositif trans- ducteur (10) le long d'un guide d'ondes (14) qui descend au-dessous de la face supérieure de la masse du liquide contenu et qui a au moins une discontinuité (18, 20A, B) capable de réfléchir les impulsions et destinée à être exposée au liquide, et l'analyse de l'impulsion ou des impulsions réfléchies afin que toute perte d'éner- gie acoustique due à l'immersion de la discontinuité ou des discontinuités (18, 20A, 20B) dans le liquide soit détectée, le procédé étant caractérisé en- ce que l'énergie des ondes acoustiques est sous forme d'ondes de Lamb injectées dans le guide d'ondes (14), le dispo- sitif transducteur (10) étant placé en totalité à l'exté- rieur de la partie interne du réservoir, et le guide d'ondes (14) passe de manière étanche à travers une paroi du réservoir ou est constitué au moins en partie par une paroi du réservoir. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre plusieurs guides d'ondes (14), chaque guide d'ondes ayant au moins une discontinuité capable de réfléchir les impulsions et étant associé à un dispositif transducteur respectif générateur d'ondes de Lamb placé totalement à l'extérieur de la partie in- terne du récipient. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel un guide d'ondes unique (14) est utilisé et a une série de discontinuités (18, 20A, 20B) espacées en direction verticale. 4. Réservoir de confinement de liquide, comprenant un appareil destiné au contrôle du niveau de liquide dans le réservoir, l'appareil comprenant un dispositif transducteur (10) destiné à former des impulsions d'ondes acoustiques, un dispositif (14) de guidage d'ondes couplé au transducteur et descendant à l'intérieur du réservoir afin que, pendant l'utilisation, il soit au contact d'une masse de liquide contenue dans le réservoir, le disposi- tif de guidage d'ondes ayant au moins une discontinuité (18, 20A, 20B) destinée à réfléchir les impulsions et à être exposée au liquide, et un dispositif (12) d'analy- se de l'impulsion ou des impulsions réfléchies afin que toute perte d'énergie acoustique, due à l'immersion de la discontinuité ou des discontinuités dans le liquide soit détectée, caractérisé en ce que la position de cou- plage acoustique du dispositif transducteur (10) et du dispositif de guidage d'ondes (14) est entièrement placée à l'extérieur de la partie interne du réservoir, et le dispositif de guidage d'ondes (14) pénètre de manière étanche à un ou plusieurs emplacements à la limite du réservoir ou est constitué au moins en partie par une ou plusieurs parois du réservoir. 5. Réservoir selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif de guidage d'ondes (14) comporte une seule structure de guidage d'ondes ayant plusieurs discontinuités (18, 20A, 20B) capables de réfléchir des impulsions. 6. Réservoir selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif de guidage d'ondes (14) comprend au moins deux guides d'ondes ayant chacun au moins une discontinuité et passant chacun de manière étanche à travers la limite du réservoir à un emplacement respectif. 7. Réservoir selon l'une quelconque des revendica- tions 4 à 6, caractérisé en ce que le guide d'ondes ou chaque guide d'ondes (14) a une configuration à gradins formant des discontinuités (18, 20A, 20B) réfléchissant les impulsions. 8. Réservoir selon l'une quelconque des revendi- cations 4 à 7, caractérisé en ce que le dispositif d'ana- lyse (12) est destiné à relier le degré de perte des signaux réfléchis à l'amplitude d'immersion du guide d'ondes au-dessous de la surface supérieure du liquide.