Brevet FR2685783A1 — publié le 19930702

La présente invention est relative à l'anémométrie, c'est-à-dire à la mesure de la vitesse locale en un grand nombre de points d'un écoulement fluide, notamment gazeux, au moyen d'un vélocimètre laser à effet Dopler Les dispositifs d'anémométrie laser à effet Dopler actuels comportent une tête émettrice apte à émettre deux faisceaux laser de couleurs différentes qui se croisent au point de mesure de la vitesse locale de l'écoulement fluide et une tête réceptrice comportant un photodétecteur, tel qu'un photomultiplicateur, qui observe le point de mesure Il existe deux types de vélocimètres laser à effet Dopler: ceux fonctionnant dans le mode de diffusion arrière ou rétrodiffusion, dans lesquels la tête émettrice et la tête réceptrice sont disposées du même côté du volume de mesure de la vitesse d'écoulement, les deux têtes étant en fait groupées en une seule unité qui comporte une partie émission et une partie réception; et ceux fonctionnant en mode de -diffusion avant dans lesquels la tête réceptrice comportant: e photodétecteur est positionnée dans la direction opposée à celle de la tête émettrice par rapport au volume de mesure Les vélocimètres fonctionnant en mode de diffusion arrière présentent l'avantage d'assurer aisément, notamment dans le cas o la partie émission et la partie réception sont dans une même unité, le synchronisme du déplacement du dispositif d'émission et du dispositif de réception, ce qui permet d'assurer que le photodétecteur du dispositif de réception vise bien le point o se croisent les deux faisceaux laser du dispositif d'émission Par contre, un tel vélocimètre présente des inconvénients du fait qu'à moins d'utiliser de très fortes puissances de la source laser ou d'ensemencer l'écoulement avec des particules nombreuses, ce qui n'est pas toujours possible, on obtient une information incomplète Quant aux vélocimètres fonctionnant en mode de diffusion avant, ils présentent l'avantage de permettre une collection de la lumière diffusée par le point de mesure bien plus élevé que le mode de diffusion arrière Par contre, ils posent le problème très difficile du déplacement synchrone entre le dispositif d'émission des deux faisceaux laser et le dispositif de réception à photodétecteur. Actuellement, les vélocimètres laser à effet Dopler fonctionnant suivant le mode de diffusion avant comportent une table pour le dispositif d'émission qui porte une ou deux têtes optiques d'émission émettant deux faisceaux laser, les lasers eux- mêmes pouvant se trouver à distance en position fixe et alimenter la ou les têtes optiques par fibres optiques, et une table portant la tête réceptrice à photodétecteur, ces deux tables étant disposées de part et d'autre du volume de mesure, en fait de part et d'autre de deux fenêtres optiques opposées prévues dans un conduit dans lequel se produit l'écoulement du fluide à observer Pour assurer le déplacement synchrone des deux tables, on prévoit à l'heure actuelle généralement une potence, en forme de U renversé, très rigide pour garantir une grande précision du synchronisme de déplacement,ce qui assure un déplacement simultané des deux tables, à savoir celle portant les têtes optiques et celle portant le photodétecteur Une telle disposition présente l'inconvénient d'être lourde et très onéreuse lorsqu'on veut une précision très grande L'invention vise à réaliser l'automatisation du déplacement de la tête réceptrice afin que le ou les photodétecteurs de celle-ci visent exactement le point de mesure o se croisent les faisceaux laser des deux têtes optiques du dispositif émetteur de faisceaux laser lorsque la table qui porte ces têtes se déplace afin de déplacer le point de mesure Un tel système automatique permet de réaliser des mesures de vitesse de l'écoulement d'un fluide, même lorsqu'il est impossible d'assurer l'ensemencement de l'écoulement avec des particules à grand pouvoir de diffusion, notamment afin d'éviter de polluer l'écoulement, l'écoulement lui-même ne comportant que très peu de particules, même de petites dimensions, et de vérifier ces mesures, même dans des veines d'essais de dimensions importantes, par exemple supérieures à un mètre de côté en section et lorsqu'on désire effectuer la mesure de vitesse en un grand nombre de points, par exemple de l'ordre de 1000 points Avec le dispositif non automatique, et en l'absence d'une potence du type précité, le réglage de la mise au point peut nécessiter pour chaque point au moins cinq minutes sinon davantage La présente invention vise à pallier les inconvénients précités et elle consiste à cet effet à prévoir: d'une part, un procédé caractérisé en ce qu'il consiste: à utiliser un taux de comptage dit réduit N*, qui est défini comme le quotient de la fréquence N d'acquisition des informations issues des particules passant dans le volume de mesure et dont la vitesse a été validée et de la moyenne U des vitesses absolues l Uildes particules enregistrées pendant la mesure en un point et qui est définie par la formule U m E i ui ( 1) i étant un paramètre courant de 1 à m; à déterminer préalablement le taux de comptage réduit maximal lorsque le photodétecteur de la tête du dispositif récepteur est correctement focalisé sur le point de mesure; et à effectuer successivement deux phases ou séquences de focalisation, à savoir: a) une phase de focalisation automatique partielle, qui consiste à déplacer le photodétecteur par l'intermédiaire de sa table de déplacement suivant une spirale à sections rectilignes successives à angle droit qui va en se dilatant à partir du point de départ, les déplacements successifs du photodétecteur s'effectuant à pas constant jusqu'à ce que le taux de comptage réduit calculé soit différent de O, et b) une phase ou séquence de focalisation finale qui suit la phase précédente et qui est effectuée suivant une spirale analogue, mais dont le pas est égal à une fraction du diamètre du volume de mesure, le déplacement du photodétecteur étant arrêté dès que le taux de comptage réduit calculé est supérieur à 50 %, ou plus, du taux de comptage réduit maximal déterminé préalablement; d'autre part, un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé susvisé, qui comporte un dispositif d'émission de faisceaux laser porté par une première table déplaçable pour permettre de faire varier le point de mesure dans la zone de mesure, un dispositif récepteur comportant au moins un photodétecteur porté par une seconde table déplaçable, des moyens pour déplacer la première table afin de déplacer le point de mesure et des moyens pour déplacer la deuxième table en synchronisme avec la première table, caractérisé par le fait que ces derniers moyens sont constitués par des moyens pour déterminer le taux de comptage dit réduit, des moyens pour assurer le déplacement de la deuxième table suivant une première et une seconde spirale à sections rectilignes successives à angle droit qui s'élargit progressivement, le pas du déplacement étant constant, le déplacement suivant la première spirale étant réalisé suivant un premier pas jusqu'à l'obtention d'un taux de comptage réduit effectivement déterminé, tandis que le déplacement suivant la seconde spirale est réalisé jusqu'à un taux de comptage réduit mesuré s'approche suffisamment du taux de comptage réduit maximal déterminé préalablement pour pouvoir permettre des mesures satisfaisantes On va décrire maintenant avec référence aux dessins annexés un mode de réalisation préféré du procédé et dispositif selon l'invention Sur les dessins: La figure 1 illustre schématiquement un vélocimètre laser à effet Dopler comportant, de part et d'autre d'un conduit pour un fluide dont on veut déterminer la vitesse d'écoulement, un dispositif d'émission à deux faisceaux laser et un dispositif de réception à photodétecteur, du type photomultiplicateur; La figure 2 illustre le cheminement des champs de mesure par rapport au volume dans lequel la mesure doit être effectivement réalisée, au cours de la première phase de recherche en spirale; La figure 3 représente le champ vu par le photodétecteur à la fin de cette première phase par rapport au volume de mesure; La figure 4, enfin, illustre le taux de comptage réduit en fonction de la distance r séparant les centres du champ vu par le photodétecteur, d'une part, et le volume de mesure, d'autre part En se référant tout d'abord à la figure 1, on voit que le dispositif de vélocimétrie laser à effet Dopler comprend, de part et d'autre d'un conduit 1 dans lequel se déplace dans le sens de la flèche F un fluide, notamment un gaz, dont on veut mesurer en plusieurs points la vitesse des particules: d'une part, un dispositif d'émission 2 porté par une table ( non représentée) déplaçable dans les trois directions comme illustré par le trièdre trirectangle 3, le dispositif d'émission 2 émettant au moins un premier faisceau laser 4 d'une première couleur, par exemple bleue,et au moins un second faisceau laser 5 d'une deuxième couleur, par exemple verte, ces deux faisceaux 4 et 5 se croisant à l'intérieur d'une zone de mesure 6; et d'autre part un dispositif récepteur 7 porté par une deuxième table (non représentée) pouvant être déplacée dans les trois directions comme représenté par un trièdre trirectangle 8, le dispositif 7 comportant un photodétecteur, notamment un photomultiplicateur, qui observe la zone de mesure 6 Celle-ci a été agrandie en 6 a o l'on voit, d'une part, le volume de mesure 9 et, d'autre part, le champ 10 observé par le photodétecteur du dispositif 7 Il s'agit d'assurer le synchronisme du déplacement du dispositif émetteur 2 et du dispositif récepteur 7 afin que le photodétecteur du dispositif 7 observe le point de rencontre 6 b des deux faisceaux 4 et 5 envoyés par le dispositif émetteur 2. L'invention est basée sur un déplacement du photomultiplicateur du dispositif récepteur 7 suivant deux phases ou séquences successives, à savoir: une phase préliminaire qui consiste à déplacer la table du dispositif récepteur 7 suivant une spirale à sections droites successives à angle droit qui se dilate, les déplacements étant à pas constant et ceci jusqu'à ce que le photodétecteur du dispositif 7 reçoive des informations validées portant sur la vitesse de particules passant au point d'intersection 6 b des faisceaux 4 et 5; puis, à partir de ce moment, une deuxième phase de déplacement de la table du photodétecteur, celle-ci consistant également en un déplacement suivant une spirale à sections rectilignes successives à angle droit qui se dilate jusqu'à l'obtention d'une valeur du taux de comptage réduit qui s'approche de la valeur maximale de ce taux de comptage réduit Le dispositif calculateur associé à la sortie du photomultiplicateur 7 détermine, pour chaque position d'arrêt du dispositif récepteur 7, le taux de comptage réduit, qui est nul lorsque le photodétecteur du dispositif 7 ne vise pas, dans la zone de mesure 6, le volume de mesure 9, mais qui a une valeur non nulle lorsque le champ 10 vu par le photodétecteur du dispositif 7 chevauche au moins partiellement le volume de mesure 9, le taux de comptage réduit étant maximal lorsque la totalité du volume de mesure 9 est couverte par le champ 10 vu par le photodétecteur du dispositif 7 La recherche de la position du photodétecteur du dispositif 7 afin d'optimiser sa position s'opère dans un plan perpendiculaire à l'axe optique 7 a du photodétecteur Plus précisément, le taux de comptage réduit N* est défini par la formule: N* = N/U formule dans laquelle N est la fréquence d'acquisition des informations issues des particules passant dans le volume de mesure 9 et dont la vitesse a été validée et U est la moyenne des vitesses absolues des particules enregistrées pendant la mesure en un point donnée par la formule ( 1) Le taux de comptage réduit est calculé uniquement sur une composante de la vitesse dans une direction donnée Il est intéressant de choisir la composante de la vitesse qui est proche du vecteur vitesse de l'écoulement en ce point En ce qui concerne le taux de comptage réduit, on peut noter que la définition de celui-ci est basée sur la moyenne des vitesses absolues de chaque particule, pour s'assurer que le comptage est indépendant du sens de passage de la particule visée dans le volume de mesure; plus particulièrement, dans une zone d'écoulement dans laquelle la vitesse moyenne serait nulle, mais dans laquelle les fluctuations de vitesse changeraient de signe, la définition du taux de comptage réduit donnée précédemment ne rend compte que de la fréquence des passages de particules dans le volume de mesure, quels que soient leur direction et leur sens Lorsque le photodétecteur du dispositif récepteur 7 est correctement focalisé sur le volume de mesure, le taux de comptage réduit est maximal En appelant Nm le taux de comptage réduit mesuré au cours des déplacements de la table supportant le dispositif de réception 7, on voit que celui-ci croît au fur et à mesure que le champ 9 vu par le photodétecteur chevauche de plus en plus le volume de mesure 10 et il atteint justement la valeur maximale NM* lorsque, comme indiqué cidessus, le champ 9 recouvre le volume 10 En fait, NM représente le produit de la section du volume de mesure A par la concentration moyenne C des particules dans l'écoulement: N *CA cette définition étant correcte dans les hypothèses suivantes: le photodétecteur du dispositif récepteur 7 est correctement focalisé sur le volume de mesure au point de croisement des faisceaux, c'est-à-dire lorsque N* est égal à NM la concentration en particules ne varie pas dans l'espace correspondant à la zone explorée de l'écoulement, et la puissance lumineuse des faisceaux laser reste constante pendant la mesure Le procédé selon l'invention pour réaliser l'automatisation du déplacement du dispositif 7 comporte une phase ou séquence préalable et deux phases ou séquences successives opérationnelles La phase ou séquence préalable consiste à initialiser les paramètres L'opérateur ajuste tout d'abord la position du photodétecteur du dispositif récepteur 7 sur le volume de mesure, c'est-à-dire sur le point de croisement 6 b des faisceaux La recherche du taux de comptage réduit maximal est effectuée automatiquement, le photodétecteur décrivant, par la mise en mouvement de la table de déplacement du dispositif récepteur 7, une spirale du type illustré en 11 sur la figure 2, c'est-à-dire une spirale à sections rectilignes successives à angle droit à partir d'un point de départ lla et s'élargissant jusqu'à un point d'arrivée llb Cette spirale est décrite avec un pas très petit étant donné que, contrairement à ce qui est illustré sur la figure 2, dès le départ au point lla le photodétecteur est déjà ajusté sur le point de croisement des faisceaux Le pas dans cette séquence préliminaire d'initialisation des paramètres est égal à do = Xo Dm ' formule dans laquelle Dm est le diamètre du volume de mesure au point de croisement des faisceaux laser en 6 d,tandis que xo est un coefficient numérique, fixé par exemple à 20 %. A chaque pas de la spirale, le taux de comptage réduit est enregistré A la fin de la spirale le photodétecteur du dispositif 7 est positionné au point de la spirale qui possède le taux de comptage réduit maximal, à savoir NM Dès lors, on peut procéder au fonctionnement opérationnel à deux séquences successives La séquence ou phase N l de focalisation automatique partielle sur le point courant du volume de mesure est illustrée sur la figure 2, en supposant qu'initialement aucune information de vitesse ne soit validée et que l'on se trouve au point lla de départ de la spirale hl La séquence n'1 commence et elle se poursuit en faisant déplacer en spirale d'un pas constant le photodétecteur du dispositif récepteur 7 par l'intermédiaire de sa table de déplacement La spirale 11, comporte des parcours rectilignes successifs rectilignes à angle droit et elle s'élargit jusqu'à ce qu'elle soit stoppée au point llb dès que le taux de comptage réduit calculé est différent de zéro Le pas dl de la spirale il dans le cas de cette séquence de focalisation automatique partielle est choisi de manière à obtenir un balayage optimal de l'espace Il est de la forme D dl = (xl + D formule dans laquelle x 1 mest un coefficient de superposition, qui a été fixé à la valeur de 20 % mais bien entendu peut être quelque peu différent, Dp est le diamètre de la surface vu par le photodétecteur, à savoir comme illustré sur la figure 2, et est donc fonction de l'ouverture de champ de l'objectif monté sur le photodétecteur et du grandissement de cet objectif, et Dm a la signification indiquée ci-dessus Lorsque l'on trouve dans la position llb de la figure 2, c'est-à-dire lorsque le taux de comptage réduit mesuré n'est plus nul, la première séquence de focalisation automatique partielle est terminée et on passe à la deuxième séquence, à savoir celle de focalisation automatique finale sur le point courant On utilise donc la position de deux champs, à savoir le champ 10 vu par le photodétecteur et le champ du volume de mesure 9 ( figures 1 et 3), leurs centres, respectivement 9 a et 9 b, étant séparés par la distance r La deuxième séquence de focalisation automatique finale sur le point courant est la réplique de la séquence précédente de focalisation automatique partielle, à savoir elle est réalisée suivant une spirale à sections rectilignes à angle droit avec dilatation de la spirale, c'est-à-dire analogue à celle illustrée en 11 sur la figure 2, mais le pas de la nouvelle spirale est égal à une fraction du diamètre Dm du volume de mesure au point de croisement 6 b des faisceaux laser Ce pas d 2 est donné par la formule: d 2 = X 2 Dm dans laquelle x 2 est un coefficient numérique dont la valeur est égale à 20 %, sur la base de tests comparatifs entre les différentes valeurs, mais peut être un peu différent de 20 %, tandis que Dm a la signification indiquée précédemment Cette deuxième séquence de déplacement en spirale est arrêtée dès que le taux de comptage réduit mesuré atteint un pourcentage important du taux de comptage réduit maximal NM, à savoir lorsque N > k NM, k étant un coefficient numérique pris par exemple égal à 70 %, valeur qui apparaît comme satisfaisante dans la plupart des cas, mais bien entendu on pourrait il prévoir une valeur de k quelque peu différente de 70 %, par exemple comprise entre 70 % et 85 % Dans certaines situations, il se peut que le procédé et le dispositif automatique selon l'invention soient incapables de focaliser correctement le photodétecteur ( en général le photomultiplicateur),du dispositif récepteur 7, par exemple dans les cas suivants: défauts de transmission optique des faisceaux laser 4 et 5, qui rendent leur croisement impossible, zone d'exploration des spirales, telles que 11, insuffisante etc Dans cette situation, le dispositif émet un signal, par exemple sonore ou lumineux qui attire l'attention de l'opérateur, qui effectue alors manuellement le réglage initial, puis il confie à nouveau le fonctionnement au procédé et dispositif de focalisation automatique selon l'invention et qui viennent d'être décrits en détail ci-dessus Le procédé et le dispositif selon l'invention a été effectivement mis en oeuvre avec un dispositif de vélocimétrie laser à effet Dopler à deux composantes "DANTEC", sur une veine d'essai de section 2 m x 1,35 m( 1 l = 2 m et 12 = 1,35 m), qui rendait pratiquement impossible un parfait alignement des tables de déplacement et qui, avant la mise en oeuvre de l'invention, obligeait à refocaliser le photodétecteur à chaque déplacement du volume de mesure On a appliqué le procédé et le dispositif d'automatisation selon l'invention sur la composante des vitesses axiales de l'écoulement Plusieurs tests ont montré que le procédé et le dispositif d'automatisation selon l'invention étaient capables de faire retrouver par le photodétecteur le point de croisement des deux faisceaux laser en trois secondes en moyenne, alors qu'il fallait approximativement cinq minutes pour une opération manuelle Sur la figure 4, on a donné des résultats d'essais ainsi effectués, les valeurs de 2 r/ (Dm + Dp) étant portées en abscisses et celles de N /N M en ordonnées. Le procédé selon l'invention peut fonctionner avec un anémomètre laser à une, deux ou trois composantes On peut étendre l'invention au cas o le photodétecteur n'est pas situé dans l'axe optique des faisceaux laser, mais présente un angle de décalage avec ledit axe optique. Le procédé et le dispositif selon l'invention peuvent également être utilisés dans un cadre plus général pour détecter la coïncidence des volumes de mesure avec mise en oeuvre de plusieurs couleurs, ce qui est le cas du vélocimètre laser à trois composantes avec trois couples de faisceaux de longueurs d'ondes différentes ( par exemple correspondant aux couleurs verte, bleue et violette) A titre d'exemple de tels dispositifs d'émission en trois couleurs, on peut citer le système " COLORBURST Multicolor Beam Separator " TSI"' ( Marque enregistrée de la Société-TSI Incorporated) Dans ce cas l'automatisation de la focalisation est effectuée successivement sur chaque volume de mesure de chaque couple de couleurs différent, ce qui permet de connaître la position respective de chaque volume de mesure. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et illustré, mais elle couvre également les modifications et variantes à la portée de l'homme de l'art, la définition générale de l'invention étant donnée dans les revendications ci-après, dans lesquelles les nombres de référence ne limitent nullement la portée de l'invention et sont donnés uniquement pour faciliter la compréhension de celles-ci. REVENDICATIONS 1 Procédé d'automatisation des vélocimètres laser à effet Dopler du type à diffusion avant comportant un dispositif émetteur de faisceaux laser portés par une première table déplaçable et un dispositif récepteur comportant un photodétecteur porté par une seconde table déplaçable, caractérisé en ce qu'il consiste: à utiliser un taux de comptage dit réduit N*, qui est défini comme le quotient de la fréquence N d'acquisition des informations issues des particules passant dans le volume de mesure et dont la vitesse a été validée et de la moyenne U des vitesses absolues I Uildes particules enregistrées pendant la mesure en un point et qui est définie par la formule i étant un paramètre courant de 1 à m; à déterminer préalablement le taux de comptage réduit maximal lorsque le photodétecteur de la tête du dispositif récepteur est correctement focalisé sur le point de mesure; et à effectuer successivement deux phases ou séquences de focalisation, à savoir: a) une phase de focalisation automatique partielle qui consiste à déplacer le photodétecteur par l'intermédiaire de sa table de déplacement suivant une spirale à sections rectilignes successives à angle droit qui va en se dilatant à partir du point de départ, les déplacements successifs du photodétecteur s'effectuant à pas constant jusqu'à ce que le taux de comptage réduit calculé soit différent de O, et b) une phase ou séquence de focalisation finale qui suit la phase précédente et qui est effectuée suivant une spirale analogue, mais dont le pas est égal à une fraction du diamètre du volume de mesure, le déplacement du photodétecteur étant arrêté dès que le taux de comptage réduit calculé est supérieur à 50 %, ou plus, du taux de comptage réduit maximal déterminé préalablement 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la phase ou séquence de focalisation finale est arrêtée lorsque le taux de comptage réduit calculé est égal à 70 à 85 % du taux de comptage réduit maximal. 3 Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 ou 2, qui comporte un dispositif ( 2) d'émission de faisceaux laser ( 4, 5) porté par une première table déplaçable pour permettre de faire varier le point de mesure ( 6 a) dans la zone de mesure ( 6), un dispositif récepteur ( 7) comportant au moins un photodétecteur porté par une seconde table déplaçable, des moyens pour déplacer la première table afin de déplacer le point de mesure et des moyens pour déplacer la deuxième table en synchronisme avec la première table, caractérisé par le fait que ces derniers moyens sont constitués par des moyens pour déterminer le taux de comptage dit réduit, des moyens pour assurer le déplacement de la deuxième table suivant une première ( 11) et une seconde spirale à sections rectilignes successives à angle droit qui s'élargit progressivement, le pas du déplacement étant constant, le déplacement suivant la première spirale étant réalisé suivant un premier pas (dl) jusqu'à l'obtention d'un taux de comptage réduit effectivement déterminé, tandis que le déplacement suivant la seconde spirale est réalisé jusqu'à un taux de comptage réduit mesuré qui s'approche suffisamment du taux de comptage réduit maximal déterminé préalablement pour pouvoir permettre des mesures satisfaisantes.