Brevet FR2657693A1 — publié le 19910802

PROCEDE DE DETECTION PAR ULTRASONS DE L'APPARITION D'UNE PHASE GAZEUSE DANS UNE PHASE LIQUIDE CONTENUE DANS UNE ENCEINTE La présente invention se rapporte au domaine technique de la surveillance d'une phase Liquide contenue ou en écoulement dans une enceinte en vue de déterminer au sein de cette masse liquide l'apparition éventuelle de bulles de gaz. Ce problème se pose dans certains secteurs industriels et de façon plus précise et caractéristique dans le cas des générateurs de vapeur des réacteurs nucléaires à neutrons rapides refroidis par du sodium liquide pour mettre en évidence le plus rapidement possible la mise en contact de l'eau des générateurs de vapeur avec le sodium consécutivement à une fuite d'eau ou de vapeur d'un tube du générateur de vapeur. En effet, on sait que la réaction du sodium sur l'eau est une réaction chimique violente qui conduit notamment à l'apparition de bulles d'hydrogène, associée à d'autres phénomènes susceptibles de provoquer des dommages très importants dans le générateur de vapeur. Il est donc nécessaire de pouvoir détecter toute fuite dès son apparition, c'est-à-dire dès que des bulles d'hydrogène se développent dans le générateur de vapeur et avant que Le phénomène n'ait conduit à des dégradations importantes. Jusqu'à présent dans l'art antérieur, on a le plus souvent détecté la présence d'une phase gazeuse dans un liquide au moyen de systèmes émetteurs-récepteurs d'ultrasons, que l'on plaçe directement au contact du liquide afin de s'affranchir du signal parasite dû à la paroi de L'enceinte renfermant le liquide. C'est le cas notamment dans Le brevet français FR-A-7337233. Une telle méthode a toutefois L'inconvénient très sérieux de nécessiter le perçage de la paroi de l'enceinte contenant la phase liquide pour permettre l'implantation des transducteurs. Ceci fragilise la structure et nécessite également une localisation préalable de l'endroit exact des points de mesure. La présente invention a pour objet un procédé de détection par ultrasons de L'apparition d'une phase gazeuse dans une phase liquide contenue dans une enceinte ou s'écoulant dans celle-ci sans intrusion dans l'enceinte elle-même, simplement par la mise en évidence de la double phase qui s'instaure et ce dans un laps de temps très court de l'ordre de la seconde et même en présence d'un bruit de fond important tel que le bruit de fond à Large bande, d'un générateur de vapeur à sa puissance nominale. Ce procédé de détection se caractérise en ce qu'il consiste : - à faire passer, au travers du système constitué de l'enceinte et du liquide, à l'aide d'au moins un émetteur ultrasonore, des trains d'ondes de fréquence supérieure à 20 kHz, de durée faible de L'ordre de 10-5s et suffisamment espacés dans le temps, de préférence de l'ordre de 10'lus à 10-2s, pour éviter tout chevauchement des signaux de réception recueillis à leur sortie de L'enceinte ; - à détecter, avec au moins un récepteur d'ultrasons, le signal global de sortie transmis au travers du système enceinte-phase liquide - à séparer, dans ce signal global reçu, la partie utile correspondant à la traversée de la phase liquide ;; - à détecter pour cette partie utile du signal, l'amortissement éventuel de l'amplitude caractéristique de la présence d'une phase gazeuse dans la phase liquide. Comme on le voit, le procédé objet de l'invention consiste à faire traverser le système constitué par l'enceinte et le liquide qu'elle renferme par un faisceau d'ondes ultrasonores et à contrôler périodiquement, plusieurs fois par seconde, la transparence de la phase liquide au rayonnement ultrasonore. En l'absence de fuites et par conséquent de réaction du sodium sur l'eau dans le cas d'un générateur de vapeur de réacteur refroidi au sodium, la transparence précédente est maximale. En revanche, dès qu'apparaît en un point quelconque du milieu liquide une double phase, c'est-à-dire pratiquement des bulles de gaz sur le parcours des ultrasons, ceux-ci subissent immédiatement une perte d'énergie et la transparence précédente diminue très vite de façon importante. Le procédé objet de L'invention conduit ainsi à une détection acoustique active et non intrusive en ce sens qu'il n'est absolument pas nécessaire de percer la paroi de l'enceinte pour faire la mesure et que le ou les émetteur(s) comme le ou les récepteur(s) d'ultrasons sont placés à l'extérieur de l'enceinte composant l'enveloppe de la phase liquide. A ce sujet d'ailleurs, chaque émetteur et chaque récepteur d'ultrasons peuvent être, soit couplés directement à L'enceinte en étant fixés directement sur la face externe de la paroi de celle-ci, soit au contraire situés à une certaine distance de celle-ci, c'est-à-dire reliés à la paroi de l'enceinte par des guides d'ondes soudés sur celle-ci. La demanderesse a mis en évidence que si l'on utilisait comme source ultrasonore des trains d'ondes de fréquence supérieure à 20 kHz, de durée de L'ordre de 10-3s et suffisamment espacés dans le temps (de préférence de 10-1s à 10-2s) on pouvait éviter ainsi tout chevauchement des signaux de réception recueillis à la sortie de L'enceinte.Si de plus, les trains d'ondes émis à L'entrée du système sont à amplitude constante et séparés les uns des autres de façon suffisante dans le temps, on reçoit à la sortie de l'enceinte des signaux qui sont d'une part étalés dans le temps en raison des différentes vitesses de propagation de l'onde ultrasonore dans les différents milieux rencontrés (enceinte, Liquide, obstacle éventuel intérieur à L'enceinte, etc) et d'autre part présentent plusieurs pics d'amplitudes différentes dont chacun correspond à un trajet type particulier des ultrasons dans le système. Il suffit ensuite de séparer parmi ces pics d'amplitude successifs celui qui correspond à la partie utile du signal c'est-à-dire qui correspond au transit des ultrasons au travers de la phase liquide. Dans le cas particulier d'un générateur de vapeur à échange sodium-eau d'un réacteur nucléaire, la séparation précédente de la composante utile peut se faire facilement, compte tenu des vitesses différentes des ondes ultrasonores dans les trois milieux suivants qui composent le système : dans L'acier 6000 m/s, dans le sodium 2200 m/s et dans l'eau 1500 m/s. Selon l'invention, la détection de la partie utile du signal est effectuée en synchronisme avec les époques d'émission de début de chaque train d'ondes mais avec toutefois un retard r qui correspond à l'époque d'apparition du pic d'amplitude spécifique du transit des ultrasons dans la phase liquide. Un étalonnage expérimental préalable de l'appareilLage permet de déterminer à la fois la durée r d'apparition de la partie utile du signal après le début de l'injection de chaque train d'ondes et, d'autre part, en injectant expérimentalement un gaz dans du liquide soumis à une surveiLlance, Le seuil d'amplitude critique, c'est-à-dire en-dessous duquel le signal utile recueilli témoigne d'un affaiblissement en amplitude suffisamment important pour que l'on puisse affirmer la présence d'une phase gazeuse sur le trajet de l'onde ultrasonore. De toute façon l'invention sera mieux comprise en se référant à la lecture qui suit d'un exemple de mise en oeuvre du procédé objet de l'invention, exemple qui sera donné à titre illustratif et non limitatif en se référant aux figures 1 et 2 et qui concerne le cas de la surveillance d'un générateur de vapeur sodium-eau d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides refroidi au sodium. Les figures la à 1f permettent de comprendre les étapes de fonctionnement du procédé à partir des différents signaux qui sont émis, reçus et analysés. La figure 2 montre un schéma simplifié d'une installation de détection par uLtrasons de l'apparition de gaz hydrogène dans le sodium d'un générateur de vapeur à l'aide du procédé objet de l'invention. Sur la figure la, on montre en fonction du temps représenté en abscisses, les impulsions rectangulaires 2 et 4 de synchronisation du déroulement du procédé. En d'autres termes, les impulsions 2 et 4 définissent une base de temps et des créneaux pendant lesquels les trains d'ondes 6 et 8 sont émis et injectés au travers du système constitué par L'enceinte du générateur de vapeur, le sodium qu'il renferme et les tubes d'eau qui Le traversent. Comme on le voit sur cette figure lb, les trains d'ondes 6 et 8 sont à amplitude constante et tous identiques. Selon l'invention, ils sont à fréquence au moins égale à 20 kHz, d'une durée de l'ordre de 10-3s et espacés de L'ordre de 10'lus. La figure lc montre le signal que l'on recueille à la sortie de l'enceinte du générateur de vapeur sous la forme brute de celui-ci. On constate sur cette figure îc plusieurs phénomènes. Tout d'abord, un décalage dans le temps du train d'ondes reçu 6a correspondant au trains d'ondes 6 et 8a correspondant au train d'ondes 8. Ce décalage dans le temps correspond bien entendu au temps de transit du signal ultrasonore à travers la structure traversée. Un autre phénomène apparent sur cette figure îc est l'allongement dans le temps des trains d'ondes reçus 6a et 8a par rapport aux trains d'ondes émis 6 et 8. Cet allongement est une conséquence des différentes vitesses de propagation des ondes ultrasonores dans les différents milieux traversés (acier, sodium...), et des multiples réflexions subies par le faisceau d'ondes ultrasonores sur les différents éléments qu il a rencontrés sur son chemin.Enfin, un bruit de fond visible en 10 vient s'ajouter aux deux déformations précédentes pour donner au signal global brut reçu l'aspect qu'on lui voit sur la figure lc. Une autre remarque, fondamentale pour la mise en oeuvre du procédé objet de L'invention découle de la forme particulière des trains d'ondes de sortie 6a et 8a que l'on voit représentés sur la figure îc. En effet, chacun de ceux-ci comporte des variations d'amplitude qui se répartissent pratiquement en trois pics, à savoir un pic d'entrée 12, un pic médian 14 et un pic de sortie 16. L'interprétation de ceux-ci est simple : le pic d'entrée 12 correspond au transit du train d'ondes dans la structure d'acier du générateur de vapeur et ou effectivement la vitesse de propagation de 6000 m/s est la plus élevée.Le pic d'amplitude central 14 correspond au signal transmis par le liquide, ici du sodium dans lequel la transmission s'effectue à une vitesse de l'ordre de 2200 m/s ; quant au troisième pic d'amplitude 16, il est dû aux réflexions diverses, dans le sodium liquide, du train d'ondes initial sur les structures traversées ou rencontrées. Comme précédemment expliqué, c'est cette forme particulière, composée de trois pics d'amplitude, que l'on obtient grâce au choix des différents paramètres de fréquence et d'absence de chevauchement des trains d'ondes successifs, qui permet la mise en oeuvre du procédé de détection par sélection de la partie du signal, correspondant à la transmission des ultrasons par le liquide à partir duquel on sera en mesure de déceler très rapidement l'apparition d'une série de bulles de gaz. Pour ce faire, on s'y prend de la façon suivante. On commence d'abord, comme cela est indiqué sur la figure id, par éliminer le bruit de fond et construire le profil des amplitudes maximales du signal reçu, mettant en évidence ainsi les seuls trois pics d'amplitude 12, 14 et 16, dans un profil représentant la valeur efficace du signal. Ensuite, il faut sélectionner parmi ces trois pics, celui qui est caractéristique de la transmission dans la phase liquide. D'une manière générale et dans l'exemple représenté sur les figures le et if, c'est le pic central 14 qui est choisi ; on réalise une détection synchrone en ouvrant au bout d'un temps t un créneau de sélection d'une durée qui permet de sélectionner une impulsion calibrée ayant l'amplitude maximale du pic central 14. Cependant, dans certains cas - par exemple si l'enceinte est de grande dimension et possède de nombreuses structures internes - il peut être avantageux de choisir le pic 16 dû aux réflexions multiples, dans le sodium liquide, du train d'ondes sur les structures internes. L'appareil ayant été préalablement étalonné à partir d'une situation connue et de l'injection volontaire et contrôlée d'un débit gazeux dans une masse liquide, on a déterminé expérimentalement un seuil d'alarme 18 en-dessous duquel l'affaiblissement de L'amplitude 14 signifie nécessairement l'apparition d'une phase gazeuse. Sur la figure 2, on a représenté très schématiquement un générateur de vapeur 20, sodium-eau d'un réacteur nucléaire refroidi au sodium, générateur qui comprend un enceinte métallique en acier 22, une phase de sodium liquide 24 et des tubes d'échange de chaleur 26 parcourus par de l'eau. Pour assurer la surveillance de ce qui se passe à t'intérieur de ce générateur de vapeur 20, et notamment d'apparition de bulles d'hydrogène dans le sodium 24, on utilise l'appareillage représenté sur la figure 2. Un générateur d'impulsions synchronisé 28 délivre les impulsions telles que 2 et 4 de la figure la. Ces impulsions commandent ensuite un générateur d'ondes sinusoidales 30 à la fréquence ultrasonore, lequel produit les trains d'ondes 6 et 8 de la figure lb. Ces trains d'ondes à la sortie du générateur 30 sont amplifiés par l'amplificateur 32 pour exciter ensuite un transducteur d'émission 34 couplé à la paroi externe 22 du générateur de vapeur 20 par un guide d'ondes 36. Les trains d'ondes ultrasonores ainsi créés et conduits jusqu'à la paroi 22 du générateur de vapeur 20 se propagent à travers le système décrit pour être ensuite collectés par un guide d'ondes 38 et un transducteur récepteur 40. Les trains d'ondes reçus, qui ont la forme de ceux que l'on voit sur la figure îc, sont ensuite préamplifiés en 42 et amplifiés en 44. Le signal composite reçu comporte par conséquent une première zone correspondant à la transmission par la structure, c'est-à-dire la paroi 22 de l'enceinte du générateur 20, une partie centrale correspondant à la transmission par le liquide et un bruit de fond à bande large issue du générateur de vapeur. Ce signal composite qui correspond à celui de la figure îc est ensuite filtré en bande étroite centrée sur la fréquence d'émission du train d'ondes pour minimiser le bruit de fond, puis formé selon la valeur efficace que l'on voit sur la figure Id dans l'appareillage 46 comportant un filtre à bande étroite et un formateur de valeur efficace. Ensuite, une détection synchrone retardée du temps t est effectuée dans une fenêtre de largeur ar par le détecteur synchrone 48 fonctionnant en synchronisme avec le générateur synchrone 28. A la sortie de ce détecteur synchrone 48, on obtient les signaux de la figure 1f que l'on compare ensuite dans le comparateur 50 au seuil d'alarme 18 de la figure 1f prédéterminé expérimentalement comme précédemment expliqué. Si la réduction d'amplitude ou amortissement du signal est telle que la crête du signal 14 reçu dans le comparateur 50 est inférieure au seuil d'alarme 18, on en déduit alors la présence sur le trajet des ultrasons d'une phase gazeuse ayant produit cet amortissement important de l'énergie du train d'ondes ultrasonores. Le dispositif de la figure 2 a permis en mettant en oeuvre le procédé objet de l'invention de détecter en un temps de l'ordre de 1 s et pour des débits équivalents d'eau inférieurs à 1 g/s de mettre en évidence des fuites d'eau à partir de tubes droits de longueur 18 m et de diamètre 0,4 m en moins d'une seconde. Pour certaines applications, comme par exemple dans le cas d'une enceinte de grande dimension ayant de nombreuses structures internes, il peut être avantageux de fixer sur l'enceinte plusieurs transducteurs d'émission 34, et notamment plusieurs transducteurs récepteurs 40. Parmi les avantages du procédé de détection, objet de L'invention, on peut citer son temps de réponse très rapide, notamment inférieur à la seconde ; le peu d'influence du bruit de fond du générateur de vapeur ou du système traversé d'une manière générale sur la qualité des mesures ; une sensibilité de détection de fuites même très faibles, et l'absence d'intrusion dans L'enceinte parcourue par la phase liquide que l'on surveille. Par ailleurs, les transducteurs étant extérieurs à l'enceinte sont accessibles de manière permanente et peuvent fonctionner lorsque la phase liquide est à une température élevée sans subir d'échauffement inadmissible. REVENDICATIONS 1. Procédé de détection par ultrasons de l'apparition d'une phase gazeuse dans une phase liquide contenue dans une enceinte, caractérisé en ce qu'il consiste : - à faire passer, au travers du système constitué de l'enceinte et du liquide, à l'aide d'au moins un émetteur ultrasonore, des trains d'ondes de fréquence supérieure à 20 kHz, de durée faible de l'ordre de 10-3s et suffisamment espacés dans le temps, de préférence de l'ordre de 10'lus à 10-2s, pour éviter tout chevauchement des signaux de réception recueillis à leur sortie de l'enceinte ; - à détecter, avec au moins un récepteur d'ultrasons, le signal global de sortie transmis au travers du système enceinte-phase liquide ; - à séparer, dans ce signal global reçu, la partie utile correspondant à la traversée de la phase liquide ;; - à détecter pour cette partie utile du signal, l'amortissement éventuel de l'amplitude caractéristique de ta présence d'une phase gazeuse dans la phase liquide. 2. Procédé de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que les trains d'ondes à L'entrée du système étant à amplitude constante, les trains d'ondes à la sortie étant étalés dans le temps et présentant plusieurs pics d'amplitude correspondant chacun à un trajet particulier des ultrasons dans le système, on effectue la détection de manière synchronisée avec les époques d'émission des débuts de chaque train d'ondes mais avec un retard t correspondant à L'apparition du pic d'amplitude spécifique du transit des ultrasons au travers de la phase liquide, ce qui permet ainsi de sélectionner la partie utile du signal. 3. Procédé selon L'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la présence d'une phase gazeuse dans la phase liquide est détectée par le fait que l'amplitude de la partie utile du signal est inférieure à un seuil prédéterminé expérimentalement par injection de gaz dans le liquide lors d'un étalonnage. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ou les émetteurs et/ou le ou les récepteurs ultrasonores à l'entrée et à la sortie du système sont fixés directement sur la face externe de la paroi de L'enceinte. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ou les émetteurs et/ou le ou les récepteurs ultrasonores à L'entrée et à la sortie du système sont reliés à la face externe de la paroi de l'enceinte par des guides d'ondes soudés à celle-ci. 6. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 précédentes à la surveillance de fuites dans les générateurs de vapeur des réacteurs nucléaires refroidis par métal liquide, caractérisée en ce que l'on surveille l'apparition de gaz hydrogène dans le métal par action de ce dernier sur l'eau du générateur, consécutive à une fuite dans l'un des tubes à eau du générateur.