Brevet FR2664698A1 — publié le 19920117

La présente invention est relative à la détermination de la concentration locale en microbulles d'un liquide transparent, notamment de l'eau,ou en gouttelettes dans un fluide et de la dimension de celles-ci Cette détermination est importante lorsqu'on étudie le phénomène de cavitation afin de déterminer les régions où une cavitation se produit et l'importance de celleci, mais elle peut concerner d'autres techniques. On connaît, entre autres, des procédés et des dispositifs optiques mettant notamment en oeuvre un laser, qui donnent satisfaction tant que l'on ne désire pas une précision très poussée et un coût modique. En effet, le coût d'un laser est relativement important et les dispositifs optiques connus ont des limitations quant à la précision, du fait qu'ils recourent à l'éclairage d'un volume de mesure dans lequel on essaie de déterminer le nombre et la dimension des bulles. La lumière qui a atteint ce volume, et donc les bulles présentes dans ce volume, étant examinée s-oit après transmission à travers ce volume, soit après rétrodiffusion par ce volume, soit même après diffusion à 900 à travers ce volume, et l'intensité de la lumière ainsi examinée, qui est fonction de la taille de la microbulle présente dans ce volume de mesure, étant mesurée par un capteur. Mais des erreurs s'introduisent dans ces méthodes et dispositifs connus et ceci principalement pour deux raisons: - chaque microbulle ne proauit pas le même signal lumineux du fait que la distribution d'intensité lumineuse n'est pas homogène dans le volume de mesure - les microbulles de dimension un peu importante peuvent se trouver à cheval sur la surface délimitant le volume de mesure, ce qui fausse le résultat du comptage des microbulles et la mesure de leur taille. L'invention vise à palier ces inconvénients en prévoyant une reprise de la lumière renvoyée par la bulle suiant un angle supérieur à 97 , par rapport à la direction de l'éclairage, de manière à ne tenir compte, dans la mesure de l'intensité de la lumière1 que de la partie de la lumière incidente ayant subi une réflexion totale sur ia péri périe des microbulles. De ce fait, chaque microbulle renvoie un signal lumineux d'intensité proportionnelle au carré de son diamè treeUlàdimension apparente de chaque microbulle est réduite par rapport à sa dimension réelle, ce qui limite le nombre de microbulles qui apparaissent à cheval sur la surface limite de la zone de mesure, car c'est cette dimension apparente, réduite, qui intervient et non plus la dimension réelle, plus grande. On peut en outre, et ceci est avantageux au point de vue du coût, de la robustesse et de la facilité d'emploi, utiliser la lumière blanche pour iluminer le volume de mesure. L'invention a donc pour objet - un procédé de détermination de la concentration et de la dimension desmicrobulles d'un liquide ou des goutte- lettes d'un fluide, caractérisé en ce qu'on illumine, au moyen d'un faisceau constitué par des rayons lumineux incidents sensiblement parallèles, avantageusement de lumière blanche, un volume de mesure et en ce qu'on mesure l'intensité de la lumière sortant de ce volume sous un angle supérieur à 970, e~depréférece-inférieur à 1200, par rapport aux rayons lu mineuxǐncidents, sous une faible ouverture de mesure - un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé, caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison, un système optique émetteur engendrant un faisceau de lumière blanche, dirigé sur le volume de mesure, au moins un système optique récepteur, dont l'axe orienté de réception fait un angle supérieur à 970, et de préférence inférieur à 1200, avec l'axe orienté d'émission du système optique émetteur, pour observer, sous une ouverture réduite, le volume de mesure et des moyens pour mesurer l'intensité de la lumière reçue par ce système optique récepteur depuis le volume de mesure et transmise par celui-ci. On peut éventuellement prévoir deux systèmes optiques récepteurs et un flash lumineux, pour éclairer le volume de mesure, afin d'étalonner le capteur principal en prenant une photographie des microbulles, dès qu'elles ont quitté le volume de mesure. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée ci-après considérée conjointement avec les dessins annexés sur lesquels - la figure 1 illustre une section d'un volume de mesure , avec une microbulle agrandie et les différents rayons lumineux - la figure 2 illustre le procédé de l'invention avec le parcours dé la lumière relativement à une microbulle - la figure 3 représente, schématiquement, un dispositif selon l'invention - la figure 4 illustre un dispositif selon l'invention avec deux systèmes optiques récepteurs et un flash lumineux - la figure 5 enfin, est un graphique illustrant le fonctionnement du dispositif selon la figure 4. En se référant tout d'abord à la figure î,sur laquelle on a représenté une section 1 du volume de mesure V (par exemple cubique), une microbulle agrandie 2 et le faisceau lumineux incident I, on constate les problèmes posés par la détermination avec précision du nombre des microbulles présentes à un instant donné dans le volume de mesure V. Sur la figure 1, on a représenté les procédés classiques connus de mesure de la lumière transmise T par la microbulle 2, de la lumière renvoyée R par la microbulle 2 ou de la lumière S déviée à 900 par la microbulle 2, l'intensité de T, R ou S, qui est mesurée, dépendant de la dimension de la microbulle 2. La figure 2 illustre par contre le procédé de détermination de l'invention. On retrouve sur cette figure 2, un rayon incident I et une microbulle 2 dans l'espace de mesure V de section 1. Conformément à l'invention on recueille et mesure les rayons lumineux RT ayant subi une réflexion totale sur la surface de la microbulle 2. L'angle de réflexion totale étant de 48030' pour le couple air/eau, l'angle entre l'axe Y des rayons incidents, tels que I, et l'axe X des rayons RT doit être d'au moins 970; il est de préférence inférieur à 1200, Les rayons RT sont recueillis par une lentillé 3, constituant objectif, puis limités par l'ouverture d'un diaphragme et leur intensité est mesure; comme exposé avec référence à la figure 3. Sur cette figure on a illustré un mode de réalisation du dispositif selon l'invention. Le système optique émetteur E d'axe Y, qui comprend une lampe 4 de lumière blanche et un système de deux lentilles 5 et 6 séparées par un diaphragme 7, forme un faisceau de rayons incidents I sensiblement parallèles qui illumine le volume de mesure V, de section 1. Le système optique récepteur P d'axe X, qui comprend une lentille 3, formant objectif, et un diaphragme 8, reçoit le faisceau de rayons RT après réflexion totale sur la surface des-microbulles, telles que 2. Enfin, un photomultiplicateur 9 mesure l'intensité de la lumière des rayons g ayant traversé le système optique P, qui est représentative de la surface de la microbulle dans le volume de mesure. Dans le mode de réalisation de la figure 4, les microbulles, telles que 2, sont observées dans leur passage à travers un by-pass 10 installé en dérivation sur un tunnel d'expérimentation. Ce by-pass 10 comporte trois fenêtres 11, 121 et 122 par exemple en "plexiglass" ou verre. Le systeme optique émetteur E, d'axe Y, qui peut être du même type que le système E de la figure 4 ou un projecteur de diapositives, illumine, suivant une lame, à travers la fenêtre 11, en rayons incidents I, la microbulle 2. Les rayons RTî et2 ayant subi une réflexion totale de la surface de la microbulle 2 sont repris, à travers les fenêtres 121 et 122, par deux systèmes optiques récepteurs P1 et P2, d'axe X1 et X2 respectivement, du même type que le système optique P de la figure 4 ou deux appareils photographiques à visée reflex avec photomultiplicateurs 9 et Les axes X1 et X2 font avec l'axe Y un angle supérieur à 970, et de préférence inférieur à 1200. On peut ainsi faire deux observations simultanées d'une microbulle passant dans le volume de mesure V. Un flash 13 permet d'illuminer pendant un court instant d'une manière intense la microbulle dès qu'elle a quitté le volume de mesure V. Ceci permet d'étalonner le photomultiplicateur 91 Enfin, sur la figure 5, (sur laquelle les temps sont portés en abscisses et les intensités en ordonnées), on a illustré un signal S1 de passage d'une microbulle dans le volume de mesure et un signal F de flash suivant immédiatement. Ces deux signaux sont recueillis par le photomultiplicateur 91 C'est le signal S1 qui a déclenché le flash en permettant la prise d'une photographie au bon moment. Les microbulles envoient la même intensité lumineuse sur les systèmes récepteurs P1 et P2 du fait de leur symétrie.Il n'en est pas de même pour des particules dont l'indicatrice de diffusion lumineuse n'est pas symétrique par rapport à l'axe d'éclairage ce qui permet de discriminer les microbulles des particules, par un photomultiplicateur du dispositif de la figure 4. Le dispositif selon l'invention est particulièrement adapté à la détermination du nombre de microbulles qui sont présentesdans l'eau, notamment des microbulles de diamètre compris entre 5 et 300 microns (um) environ dans une concentration inférieure à environ 100 par cmg. La précision du comptage résulte du fait que l'on reprend la lumière, qui a subi une réflexion totale sur les microbulles, sous un angle supérieur à 97C et sous une faible ouverture ; de ce fait la microbulle est repérée comme un point lumineux de diamètre apparent nettement plus petit que son diamètre réel. En fait, on réalise l'éclairage du volume de mesure, et donc des microbulles, qui y sont contenues, par une lame lumineuse d'intensité uniforme, avantageusement de lumière blanche, cette lame étanche ouverte sensiblement perpendiculairement à la direction de l'écoulement fluide, en particulier de l'écoulement d'eau, que l'on observe. Enfin, on diaphragme la lumière retransmise par réflexion totale par la surface de la microbulle. Il est bien entendu que l'invention ntest pas limitée à son application, à l'étude de la cavitation et que la structure du dispositif décrite avec référence aux figures 4 et 5 peut être modifiée comme cela apparaitra à l'homme de l'art par rapport à celle décrite sans sortir du cadre de l'invention telle que définie dans les revendications ci-après. En particulier l'invention peut s'appliquer à la mesure de gouttelettes. REVENDICATIONS 1. Procédé de détermination de la concentration et de la dimension desmicrobulles d'un liquide ou d's gouttelettes d'un fluide, caractérisé en ce qu'on illumine, au moyen d'un faisceau constitué par des rayons lumineux incidents sensiblementparallèles , avantageusement de lumière blanche, un volume de mesure et en ce qu'on mesure l'intensité de la lumière sortant de ce volume sous un angle supérieur à 97 , et ae préférence inférieur à 1200 par rapport aux rayons lumineux incidents, sous une faible ouverture de mesure. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise l'éclairage du volume de mesure par une lame lumineuse d'intensité uniforme. 3. Procédé selon la revendication 2, pour effectuer la détermination de la concentration et de la dimension des microb d'un liquide formant un flux s'écoulant dans une direction donnée, caractérisé en ce que ladite lame lumineuse a une direction sensiblement perpendiculaire audit fieux. 4. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison, un système optique émetteur (E) engendrant un faisceau de rayons lumineux (I) sensiblement parallèles, avantageusement de lumière blanche, dirigés sur le volume de mesure (V), au moins un système optique récepteur (P; P1, P2) dont l'axe orienté de réception (X; X1, X2) fait un angle supérieur à 97 avec l'axe orienté d'émission (Y) du système optique émetteur, pour observer, sous une ouverture réduite, le volume de mesure et des moyens (9; 91 92) pour mesurer l'intensité de la lumière (il) reçue par ce système optique récepteur depuis le volume ae mesure et transmise par celui-ci. 5. Dispositif selon la revendication 4, caracté sese en ce qu'il comprend deux systèmes optiques récepteurs (P1, P2). 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il comporte également un flash (13) destiné à éclairer le volume de mesure (V) pendant un court instant d'une lumière intense. 7. Dispositif selon la revendication 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que le système optique émetteur est un projecteur de diapositives et le ou les systèmes optiques récepteurs sont des appareils photographiques à visée reflex.