Brevet FR2619242A1 — publié le 19890210

La présente invention concerne l'utilisation d'éner- gie d'ondes élastiques à haute fréquence dans des fluides pour la mesure de la température dans des zones localisées différentes distantes de la source de l'énergie sous forme d'ondes élastiques. Une application de l'invention est la mesure des températures régnant aux sorties de fluide de refroidisse- ment d'un arrangement de sous-assemblage combustible for- mant le coeur d'un réacteur nucléaire, par exemple d'un réacteur à neutrons rapides refroidi par un métal liquide, dans lequel le coeur est immergé dans une masse de métal liquide. L'invention concerne ainsi un procédé de mesure d'une température dans différentes zones localisées dans un fluide, à l'aide d'un émetteur d'énergie sous forme d'ondes élastiques à haute fréquence, placé à distance desdites zones, le procédé étant caractérisé en ce que: (a) les ondes élastiques continues sont lancées de l'émetteur dans le fluide vers des cibles formant réflec- teurs associées à chacune des zones et ayant des positions relatives connues, la fréquence des ondes élastiques émises étant modifiée progressivement, (b) les ondes élastiques réfléchies par les cibles sont reçues par un récepteur, (c) les ondes élastiques reçues sont combinées par multiplication à un signal de référence dont la fréquence est reliée à celle de l'émetteur au moment de la réception afin qu'un signal à fréquence différence soit tiré de chaque cible, et (d) les signaux à fréquences différences sont analy- sés afin que des valeurs de la température régnant aux emplacements compris entre des cibles adjacentes soient dérivées. Dans un second aspect, l'invention concerne un appa- reil de mesure d'une température dans différentes zones localisées dans un fluide, caractérisé en ce que: (a) un dispositif émetteur placé à distance desdites zones est destiné & émettre des signaux sous forme d'éner- gie d'ondes élastiques entretenues à haute fréquence dans le fluide vers des cibles réflectrices associées aux zones, les cibles réflectrices ayant des positions relatives connues, (b) un dispositif de commande du dispositif émetteur afin qu'il assure une variation progressive de la fréquence du signal émis, (c) une source de signaux de référence destinée à créer un signal de référence dont la fréquence est reliée à celle du signal émis et qui subit une variation progressive à la même vitesse que ce signal, (d) un dispositif destiné à recevoir les signaux réfléchis provenant des cibles réflectrices, (e) un dispositif destiné à combiner par multiplica- tion chaque signal reçu avec le signal de référence afin qu'il forme, pour chaque cible, un signal de sortie à fréquence différence, et (f) un dispositif destiné à analyser les signaux à fréquences différences afin qu'il dérive des valeurs des températures régnant à des emplacements compris entre des cibles réflectrices adjacentes. Le signal de référence peut être constitué par le signal produit pour l'émission par le dispositif émetteur ou peut en être tiré. La gamme de fréquences utilisées pour le signal émis est par exemple ultrasonore. Dans une application de l'invention, l'appareil est associé à un réacteur nucléaire, l'émetteur et le récepteur étant immergés dans la masse du fluide de refroidissement (par exemple un métal liquide) dans lequel le coeur du réacteur est immergé. Dans ce cas, le coeur peut comporter piusieurs sous-assemblages d'orientation générale verti- cale, contenant le combustible nucléaire (ce terme dési- gnant à la fois les matières fissiles et fertiles), et dans lesquels un fluide de refroidissement remonte afin qu'il s'échappe par des sorties de fluide de refroidissement disposées aux parties supérieures des sousassemblages. Le procédé et l'appareil selon l'invention peuvent être utili- sés pour le contrôle des températures de sortie de certains au moins des sous-assemblages et les cibles réflectrices peuvent être constituées par des parties de la structure des régions supérieures des sous-assemblages qui ont des positions relatives connues de façon générale les unes par rapport aux autres ou par rapport à l'emplacement de l'émetteur et du récepteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: les figures 1, 2, 3 et 5 sont des schémas auxquels on se réfère pour la description du fondement théorique de l'invention; la figure 4 est un diagramme synoptique d'un exemple d'appareil destiné à être utilisé dans la mise en oeuvre de l'invention; et la figure 6 est une vue schématique en plan illus- trant l'application de l'invention à un réacteur nucléaire. On se réfère d'abord à la figure 1; lorsqu'un signal ultrasonore à balayage linéaire est émis par un émetteur 10 vers un réflecteur 12 placé à une distance D, au moment o le signal réfléchi revient vers le récepteur t secondes plus tard, la fréquence émise a varié linéaire- D ment de sa valeur initiale à une nouvelle valeur. Ainsi, au moment de la réception, les signaux émis et reçus diffèrent en fréquence d'une valeur telle que f f - f). t/t...(1) B 1 2 D dans laquelle f et f sont les limites inférieure et 1 2 supérieure du balayage linéaire de fréquence, comme indiqué sur la figure 2, t est le temps nécessaire au balayage entre ces limites, et t est le temps de transit, c'est-à- D dire d'aller et retour. Le facteur (f 1-f2)/t est la vites- se de balayage et peut être appelé F. Le temps de transit R t est égal au rapport de la distance parcourue 2D par la vitesse du son c, et l'équation (1) peut être réécrite sous la forme D - Cf /2F... (2) B R L'expression précédente n'est valable, d'un point. de vue rigoureux, que pour une rampe continue. Lorsque la fréquence subit un balayage de manière oscillante entre les limites f et f comme représenté sur la figure 2, dans i 2 l'application pratique, la rampe doit être écrêtée afin que les valeurs extrêmes soient exclues, par' exemple comme indiqué sur la figure 3 sur laquelle l'écrêtage est réalisé de manière que la période initiale de t soit exclue, entre D le signal émis 16 et le signal reçu 18, les limites de la fenêtre étant indiquées par les références 20 et 22. Si le signal reçu est multiplié par le signal émis au moment de la réception, on peut montrer que le produit résultant contient deux composantes ayant des fréquences correspondant respectivement à la somme et à la différence des fréquences émise et reçue au moment de la réception. La composante somme peut être exclue par filtrage passe-bas de manière que la composante correspondant à la différence des fréquences ou composante à la fréquence de battement f B reste. En pratique, certaines composantes indésirables peuvent être présentes dans la fréquence mesurée de batte-- ment, du fait-par exemple de la réverbération entre la face de la sonde émetteur-récepteur et la cible, ces composantes indésirables pouvant être -éliminées par filtrage convenable. Une disposition utile en pratique mettant en oeuvre la technique décrite est représentée sur la figure 4. Le signal émis 16 est balayé de manière cyclique par un oscil- lateur 24 entre deux fréquences (voir figure 2). Le signal reçu 18, après amplification dans un amplificateur 26, est multiplié avec le signal émis par un détecteur 28 de pro- duit et les composantes des fréquences somme et différence sont obtenues. Une combinaison d'amplificateur alternatif passe-bande 30, 32 est utilisée pour l'élimination des composantes indésirables contenant notamment celle qui est due à la réverbération ou à des cibles parasites. La fré- quence résultante est alors mesurée à l'aide d'un fréquen- cemètre 34, la mesure étant fransmise par l'intermédiaire d'un circuit interne 36 d'armement relié à l'oscillateur 24 de manière qu'il permette un échantillonnage des fréquences dans un intervalle évitant les parties extrêmes comme indi- qué précédemment. Le signal mesuré à la fréquence de batte- ment est transmis à un ordinateur 38 qui analyse les si- gnaux à la fréquence de battement tirée des différentes cibles afin qu'il donne des valeurs de température d'une manière qu'on considère maintenant. On se réfère à nouveau à l'équation (2); la valeur c (vitesse du son) dépend de la température mais, dans de nombreux fluides, c varie avec la température d'une manière presque linéaire, suivant la relation c = (1 + K(T - T))c M M 0 o dans laquelle c est la vitesse du son dans le fluide et T o o la température associée choisie de référence. K est le coefficient de variation avec la température et c la M vitesse du son à une température T. M Si l'on écrit T = T - T (différence relative de R M o température), on a c - (1 + K T)c. Si l'on porte c dans m R o (2), un réarrangement de l'équation donne: T = (2F D/c f - 1)/K R R o BM (f étant la fréquence de battement à la température T). BMM En outre, l'équation (2) donne aussi 2F D/c = f (fréquence de battement mesurée à la R o BO température T) si bien qu'on obtient o T =(f /f - 1)/K -...(3) R BO BM Initialement, K peut être établi d'après des tables ou par étalonnage. f et T sont mesurés initialement. Une BO o variation ultérieure de température T est alors obtenue R par mesure de f et à l'aide de l'équation (3). L'équation BM (3) peut donner de cette manière la température moyenne le long du trajet du faisceau vers la cible. Cette technique peut être utilisée pour la consulta- tion des températures localisées lorsqu'on a des connais- sances relatives aux distances impliquées. Ainsi, comme l'indique la figure 5, si la zone localisée d'intérêt est délimitée par des cibles aux points , 42, la cible 40 étant placée à une distance d de l'ensemble 10, 14 formant la sonde émetteur-récepteur et D t est la distance comprise entre les cibles, on obtient D +D - c f /2F + c f /2F...(4) o t o BO R tBSt R Dans cette équation, c est la vitesse du son sur la o distance D, c est la vitesse du son dans la zone D et o t t f et f sont respectivement les fréquences mesurées de BO Bt battement pour les cibles 40 et 42. En outre c - (1 + KT) c, T étant la température t R o R dans la zone D, si bien qu'on obtient t D +D - c (f + KT)f Bt)/2F o t o BO R Bt R En d'autres termes, l'augmentation de la fréquence mesurée de battement due à l'incorporation de D sur le t trajet du faisceau est donnée par la relation D - c (1 + KTR) fBt/2FR...(5) t o R B La réécriture de l'équation (5) donne T =(2F D /c f)/K - 1...(6) R R t o Bt Ainsi, pour une succession de cibles disposées dans la région intéressante, le balayage des cibles et la mesure de fréquences de battement permet la détermination de la distribution des températures lorsque la distance séparant les cibles successives est connue ou peut être mesurée. La figure 6 illustre l'utilisation de l'ensemble émetteur-récepteur 10,14 dans le coeur d'un réacteur nucléaire surrégénérateur, le coeur comprenant un arrange- ment hexagonal de sous-assemblages de combustible et de matériau surrégénérateurs. Les parties supérieures des sous-assemblages ont une forme cylindrique, leurs extrémi- tés inférieures aboutissant à des rayons destinés à coopé- rer avec une structure à grille en diagonale du réacteur, les sousassemblages ayant une section hexagonale sur le reste de leur longueur. Les sous-assemblages internes sont affectés aux dispositifs combustibles et de réglage du réacteur, les trois "anneaux" externes de sousassemblages, c'est-à-dire ceux qui se trouvent en-dehors du trait mixte , étant affectés au combustible surrégénérateur. La cons- truction du réacteur peut être telle, dans ce mode de réalisation, que les températures des sous-assemblages internes sont mesurées par des thermocouples alors que les températures des sous-assemblages externes sont mesurées par ultrasons. CQomme représenté, l'ensemble 10,14 est monté de manière qu'il puisse osciller afin qu'un faisceau ultraso- nore continu d'ondes élastiques puisse être dirigé dans des directions choisies, par exemple sur les sous-assemblages externes. Un ensemble émetteur-récepteur 10,14 peut- être placé à chaque sommet (ou à un sommet sur deux) de l'arran- gement hexagonal afin que Ies ensembles puissent balayer collectivement tous les sous-assemblages externes. Les sorties de chaque sous-assemblage peuvent avoir des cibles réflectrices ou au contraire des parties de la structure des extrémités supérieures des sous-assemblages peuvent jouer le rôle de cibles réfléchissant le faisceau. Ainsi, grâce aux formules indiquées précédemment, les mesures peuvent donner les températures régnant au niveau de sous- assemblages choisis. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de la température dans diffé- rentes zones localisées dans un fluide, à l'aide d'un émetteur d'énergie sous forme d'ondes élastiques à haute fréquence, l'émetteur étant placé à distance desdites zones, le procédé étant caractérisé en ce que: (a) des ondes élastiques continues sont lancées par l'émetteur (10) dans le fluide vers des cibles réflectrices (12) associées à chacune des zones et ayant des positions relatives connues, la fréquence des ondes élastiques émises étant modifiée progressivement, (b) les ondes élastiques réfléchies provenant des cibles sont reçues par un récepteur (14), (c) les ondes élastiques reçues sont combinées par multiplication à un signal de référence dont la fréquence est reliée à celle de l'émetteur au moment de la réception de manière qu'un signal de sortie à une fréquence diffé- rence soit dérivé de chaque cible, et (d) les signaux de sortie à fréquences différences sont analysés afin que les valeurs des températures régnant aux emplacements compris entre deux cibles adjacentes soient obtenues. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal de référence est constitué par les ondes élastiques continues lancées par l'émetteur (10). 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel les cibles sont constituées par les parties de la structure des régions supérieures des sous-assemblages placées dans le coeur d'un réacteur nucléaire. 4. Appareil de mesure d'une température dans diffé- rentes zones localisées dans un fluide, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) un dispositif émetteur (10) placé à distance des zones et destiné à émettre des signaux sous forme d'énergie d'ondes élastiques continues à haute fréquence dans le fluide vers des cibles réceptrices associées auxdites zones, les cibles réceptrices ayant des positions relatives connues, (b) un dispositif (24) de commande du dispositif émetteur afin qu'il assure une variation progressive de la fréquence du signal émis, (c) une source (24) d'un signal de référence dont la fréquence est reliée à celle du signal émis et qui subit une variation progressive à la méme vitesse que ce dernier, (d) un dispositif (14) de réception des signaux réfléchis provenant des cibles réflectrices, (e) un dispositif (28) destiné à combiner par multi- plication chaque signal reçu au signal de référence afin qu'un signal de sortie à fréquence différence soit formé pour chaque cible, et - (f) un dispositif (38) d'analyse des signaux de sortie à fréquences différences destiné à former des va- leurs des températures régnant à des emplacements compris entre des cibles réflectrices adjacentes. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que le signal de référence est le signal émis. 6. Réacteur nucléaire comprenant un noyau ayant des sous-assemblages contenant un combustible nucléaire, muni d'un appareil selon l'une des revendications 4 et 5, carac- térisés en ce que les cibles (12) sont des parties de -la structure de la région supérieure des sous-assemblages.