Brevet FR2739925A1 — publié le 19970418

La présente invention est relative à un capteur acoustique pour la mesure d'un paramètre physique sur une enceinte renfermant un fluide, par exemple pour la mesure de la pression interne d'un crayon combustible d'un réacteur de centrale nucléaire. Un tel crayon combustible est classiquement constitué par un gainage cylindrique en zircaloy dans lequel est disposé un empilement de pastilles cylindriques réalisées à partir de poudre d'UO2 enrichi ou d'un mélange d'UO2 et de PuO2. L'enceinte que constitue le gainage est pressurisé à environ 30 bars d'hélium pour contrebalancer la pression extérieure du réfrigérant en début de vie. La pression interne d'un crayon combustible augmente avec le nombre de cycles de combustion. Cet accroissement est notamment dû à la réduction des volumes libres par gonflement de la colonne combustible associée à l'apparition de produits de fission gazeux engendrés par le bombardement neutronique des noyaux d'uranium et de plutonium. Cette pression interne ne doit pas dépasser une valeur critique qui risquerait d'entraîner une rupture de gaine pendant le fonctionnement du réacteur. Il est donc souhaitable de disposer de capteurs permettant la mesure de cette pression interne, qui dans le temps peut varier de quelques atmosphères à une centaine d'atmosphères. Les méthodes actuelles de mesure de pression à l'intérieur d'une enceinte nécessitent un capteur placé à l'intérieur de l'enceinte avant sa fermeture. Pour certaines applications, ces méthodes ne sont pas envisageables. C'est notamment le cas pour la mesure de la pression interne de crayons combustibles. Il n'existe en effet pas de capteurs susceptibles de résister dans le temps à une forte exposition aux irradiations. D'autres méthodes de mesure de pression sont connues mais sont destructrices de l'enceinte. Par ailleurs, des capteurs acoustiques sont déjà connus et utilisés en microscopie ou micrographie. Un tel capteur comporte classiquement un transducteur piezoélectrique disposé à une extrémité d'un barreau par exemple en verre dans lequel les ondes acoustiques se propagent, ce barreau se terminant par une lentille acoustique couplée par un fluide, généralement de l'eau, à l'échantillon sur lequel les mesures sont réalisées. Ces capteurs fournissent des informations sur la surface de l'échantillon mais ne sont pas suffisamment sensibles pour permettre de mesurer un paramètre physique relatif à l'intérieur d'une enceinte remplie de fluide. Notamment, dans le cas des crayons combustibles de coeur de centrale nucléaire, le pouvoir réflecteur du dioptre enceinte/gaz est trop important pour qu'un tel capteur puisse être utilisé pour relever des variations de pression interne. En effet, pour une pression de 1 atmosphère, la réflexion est de 99,99 %, tandis que pour une pression de 100 atmosphères la réflexion est de 99,98 %. Le but de l'invention est donc de proposer un capteur qui est d'une sensibilité suffisante pour permettre de mesurer un paramètre physique relatif à l'intérieur d'une enceinte remplie d'un fluide, tout en étant non destructeur et susceptible d'être utilisé sur des milieux fortement sollicités dans le temps, tels que des coeurs de réacteurs de centrales nucléaires. L'invention propose quant à elle un capteur acoustique pour la mesure d'un paramètre physique sur une enceinte remplie d'un fluide, comportant un barreau pour la propagation des ondes acoustiques, des moyens pour coupler ce barreau et l'enceinte par l'intermédiaire d'une couche de couplage en un matériau fluide, des moyens piézoélectriques pour d'une part générer dans ce barreau un signal acoustique se propageant en direction de la couche de couplage et de l'enceinte et d'autre part détecter un signal acoustique de réponse se propageant en sens contraire dans le barreau, des moyens électriques qui sont reliés aux moyens piézo-électriques et qui permettent l'excitation desdits moyens piézo-électriques et l'analyse des signaux de réponse, caractérisé en ce que le barreau présente une épaisseur acoustique égale à kA/2 et en ce que les moyens de couplage du barreau permettent d'ajuster l'épaisseur de la couche de couplage de façon que son épaisseur acoustique corresponde à (2k' + 1)A/4, où k et k' sont des nombres entiers et où A est la longueur d'onde de résonance de l'empilement ainsi constitué et correspond au double de l'épaisseur acoustique de la paroi de 1 'enceinte. Les épaisseurs et impédances acoustiques des différentes couches de ce capteur sont ainsi adaptées de façon à lui conférer une sensibilité qui est considérablement accrue par rapport à celle des capteurs acoustiques de l'art antérieur. Ce capteur est placé contre l'enceinte pour le temps d'une mesure, puis retiré après acquisition. Il permet donc une mesure non destructive, qui permet de conserver l'intégrité de l'enceinte. En outre, ce capteur offre l'avantage de pouvoir être réutilisé après une mesure sur d'autres enceintes que l'on cherche à expertiser. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description. Cette description est purement illustrative et non limitative. Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une représentation schématique d'un capteur acoustique conforme à un mode de réalisation possible de l'invention appliqué sur la gaine d'un crayon combustible - la figure 2 est un graphe sur lequel on a porté plusieurs courbes théoriques donnant l'amplitude du signal réfléchi en fonction de l'épaisseur acoustique de la ligne à retard du capteur de la figure 1, ces différentes courbes correspondant à différentes pressions internes de la gaine - la figure 3 est un graphe sur lequel on a porté plusieurs courbes théoriques donnant l'amplitude du signal réfléchi en fonction de l'épaisseur acoustique de la couche de couplage du capteur de la figure 1, ces différentes courbes correspondant à différentes pressions internes de la gaine - les figures 4a et 4b sont des exemples de courbes de réponse obtenues avec le capteur de la figure 1 - la figure 5 est un graphe sur lequel on a porté l'amplitude du signal acoustique réfléchi en fonction de la fréquence de ce signal, d'une part pour une pression interne de 10 atmosphères et d'autre part pour une pression interne de 100 atmosphères - la figure 6 est un exemple de courbe d'étalonnage qui peut être utilisée pour la mesure d'une pression interne à l'aide du capteur de la figure 1 - les figures 7 et 8 sont des représentations semblables à celle de la figure 1 illustrant d'autres modes de réalisation possibles de l'invention. On a représenté schématiquement sur la figure 1 un crayon combustible, qui comporte une gaine 1 renfermant un milieu gazeux 2 sous pression (Hélium), ainsi qu'un capteur C qui est conforme à un mode de réalisation possible de l'invention et qui permet la mesure de la pression de ce milieu gazeux 2. Ce capteur acoustique C comporte un transducteur piézoélectrique 5 porté par la face externe d'un barreau 4 dans lequel se propagent les ondes acoustiques. Le transducteur piézoélectrique 5 est relié à un analyseur 8 qui lui transmet des signaux électriques qu'il convertit en vibrations acoustiques et auquel il envoie en retour des signaux électriques qui correspondent aux ondes acoustiques réfléchies qu'il détecte. Le barreau 4 présente une forme en arc de cylindre. Sa face interne entoure la gaine 1 sur environ 1/3 de sa périphérie et est séparé de ladite gaine 1 par une lame 6 de fluide qui sert de milieu de couplage. Un dioptre cylindrique est usiné sur la face interne de ce barreau 4, avec un rayon de courbure légèrement supérieur à celui de la gaine 1, de façon que la lame de fluide 6 soit d'une épaisseur relativement homogène. La ligne à retard que constitue le barreau 4 est par exemple en verre, l'atténuation des ultrasons dans le domaine des basses fréquences étant dans ce matériau relativement faible. Le fluide de couplage est par exemple de l'eau. Il est contenu dans le volume défini par la face interne usinée du barreau 4, la face externe de la gaine 1, et des cales 7 interposées entre ces deux faces. Ces cales 7 sont montées avec le barreau 4 sur un support mécanique qui comporte des moyens pour la fixation du capteur C sur la gaine 1. Lorsque le capteur C est en place sur la gaine 1, ainsi qu'illustré sur la figure 1, on est alors en présence d'un empilement multicouche comportant des couches de forte impédance acoustique (barreau 4 et gaine 1) alternées avec des couches de faible impédance (milieu de couplage 6 et fluide 2 à l'intérieur de l'enceinte). Conformément à l'invention, les épaisseurs acoustiques du barreau 4 et du milieu de couplage 6 sont choisies respectivement égales à kk/2 et (2k' + 1)x/4, où k et k' sont des nombres entiers et où X est la longueur d'onde de résonance X de l'empilement ainsi constitué et correspond au double de l'épaisseur acoustique de la gaine 1. On dispose ainsi d'un empilement réflecteur qui constitue une structure multicouche équivalente à celle utilisée en optique notamment dans les systèmes Pérot Fabry. Les inventeurs ont vérifié que dans le domaine acoustique, ce type de structure permettait de considérablement accroître la sensibilité du pouvoir réflecteur de l'empilement des couches 1, 4, 6. Sur la figure 2, on a porté l'amplitude du signal réfléchi en fonction de la variation relative de l'épaisseur acoustique de la ligne à retard constituée par le barreau 4 en verre (unité aléatoire) pour différentes pressions à l'intérieur d'une gaine 1 en zircaloy d'épaisseur nominale de 0,57 mm. Les ondes ultrasonores longitudinales se propagent dans la gaine 1 à la vitesse de 4770 m/s, ce qui correspond à une fréquence de résonance de l'ordre de 4,20 MHz. A cette fréquence, la longueur d'onde dans le verre est de 1,45 mm. L'épaisseur du film d'eau qui constitue le milieu de couplage 6 est ajusté de façon à correspondre à k/4, soit environ 90 ijm. Sur cette figure 2, la courbe P1 correspond à une pression interne de 10 atmosphères, la courbe P2 à une pression de 20 atmosphères, la courbe P3 à 40 atmosphères, la courbe P4 à 60 atmosphères, la courbe P5 à 80 atmosphères. On constate effectivement sur cette figure 2 que pour des épaisseurs de barreau 4 correspondant à k'/2, les ondes résultantes réfléchies présentent une amplitude qui varie fortement avec la pression interne de la gaine 1. Ainsi que l'illustre la figure 3, la sensibilité de la mesure est également liée à l'ajustement de l'épaisseur acoustique du milieu de couplage. On a porté sur le graphe de cette figure 3 l'amplitude des ondes acoustiques réfléchies en fonction de l'épaisseur relative de la lame d'eau 6 (unité arbitraire) pour différentes pressions internes de la gaine 1 et pour une épaisseur du barreau 4 de 33,35 mm, c'est-à-dire une épaisseur acoustique de k/2, avec k'=46. Les courbes P1 à P'5 correspondent respectivement aux mêmes pressions internes que les courbes P1 à P5. On constate sur ce graphe que pour une épaisseur relative de la couche 6 correspondant à k/4, les ondes résultantes réfléchies présentent une amplitude qui varie plus fortement avec la pression interne de la gaine 1. La partie électrique du capteur proposé par l'invention va maintenant être rapidement décrite. Le transducteur 5 est par exemple une pastille en oxyde de zinc ou nitrure d'aluminium pour des fréquences acoustiques élevées (jusqu'à 2 GHz) ou en niobate de lithium ou différentes autres céramiques pour des fréquences inférieures à 300 MHz. Dans le cas particulier de la mesure de pression dans les crayons combustibles, on choisit avantageusement une céramique pouvant fonctionner dans une bande de fréquence relativement large. Le capteur piézoélectrique 5 est par exemple relié à l'analyseur 8 par des fils conducteurs appliqués sur chacune de ces deux faces à l'aide d'une colle diluée avec des particules d'aluminium ou d'argent. L'analyseur 8 est par exemple du type de ceux que l'on trouve actuellement dans le commerce pour l'analyse de réseaux et comporte un générateur de fréquences susceptible de balayer une gamme de fréquences allant de 300 KHz à 3 GHz. Il pourrait bien entendu également être réalisé à partir de composants spécifiques. Des moyens électriques sont prévus pour l'adaptation de l'impédance électrique entre l'analyseur 8 et le transducteur 5 de façon que la sensibilité du capteur soit maximale à la fréquence de résonance, c'està-dire que la puissance échangée avec le capteur soit maximale. A cet effet, ces moyens d'adaptation rendent l'impédance électrique du transducteur 5 résistive et égale à l'impédance de sortie de l'analyseur 8 à la fréquence de résonance. Ces moyens d'adaptation comportent des éléments self-inductifs et éventuellement capacitifs, qui sont montés entre le transducteur 5 et l'analyseur 8 de façon que les valeurs algébriques des tensions capacitives et inductives du circuit soient égales et de sens opposés. L'analyseur 8 comporte des moyens pour l'affichage d'abaques de Schmit permettant de mesurer l'impédance électrique du capteur. Il comporte également des moyens pour l'affichage de l'amplitude du signal électrique en fonction de la fréquence de sortie du capteur. Il peut être utilisé en détection d'amplitude linéaire (représentation cartésienne ou logarithmique de la figure 4a), ou encore en détection de phase (graphe polaire de la figure 4b). Les points d'amplitude minimum de ces réponses (points signalés par une flèche sur les figures 4a et 4b) correspondent à la fréquence de résonance et donnent l'amplitude du signal réfléchi. Ainsi qu'illustré sur la figure 5, les courbes de réponse en amplitude ainsi obtenues sont très sensibles aux variations de pression. Les deux courbes C1 et C2 représentées sur la figure 5 sont des courbes de réponse en amplitude obtenues respectivement pour une pression interne de 10 atmosphères et une pression interne de 100 atmosphères. De façon générale, les premières mesures ont montrées que la réponse du capteur est très sensible à la variation de la pression du gaz : le gain varie de 20 à 30 dB pour une variation de pression de 70 atmosphères. Il est donc possible, par exemple en utilisant des courbes d'étalonnage du type de celle illustrée sur la figure 6, de convertir l'amplitude du signal acoustique réfléchi pour obtenir la pression interne à l'intérieur de l'enceinte. D'autres variantes de réalisation sont bien entendu envisageables. En particulier, la géométrie du capteur peut être adaptée en fonction de la géométrie de l'enceinte 1. Par exemple, ainsi qu'on la illustré sur la figure 7, dans le cas où l'enceinte 1 est à parois planes, la couche de couplage 6, le barreau 4 et le transducteur 5 seront également plans. En variante encore, ainsi qu'illustré sur la figure 8, il peut être prévu de monter autour de l'enceinte 1 deux capteurs du type de celui qui vient d'être décrit en référence à la figure 1, positionnés de façon symétrique de part et d'autre de ladite enceinte. Le signal envoyé à l'analyseur 8 par le transducteur 5a et reçu par le transducteur 5b est fonction du signal acoustique transmis dans le système. Le capteur selon l'invention peut en outre être utilisé pour d'autres applications que la mesure de pression, par exemple pour la mesure de la température du gaz à l'intérieur de l'enceinte 1 ou encore pour la mesure de proportion de mélanges de gaz dans le cas où l'enceinte 1 est en un matériau fortement poreux. Le capteur selon l'invention peut également permettre de mesurer des paramètres physiques relatifs à l'enceinte 1 elle-même et par exemple de mesurer avec une grande précision l'épaisseur de sa paroi, ou de mesurer des propriétés mécaniques pour en déduire ses modules d'Young, son coefficient de Poisson, son module de cisaillement, etc... Egalement encore, dans le cas d'enceintes en matériaux composites anisotropes, poreux, plastiques, le capteur proposé par l'invention peut permettre de déterminer l'atténuation acoustique avec une grande précision, ce paramètre étant lié à la viscosité de ces matériaux ou à leur structure. Egalement encore, dans le cas où le fluide à l'intérieur de l'enceinte est un liquide, le capteur selon l'invention peut être utilisé pour mesurer avec une grande précision le niveau du liquide, lorsque l'enceinte est un réservoir optiquement opaque. Dans une autre application également envisageable, le capteur proposé par l'invention peut être utilisé pour mesurer l'épaisseur et la nature d'un dépôt sur la face interne d'une enceinte, ce dépôt changeant l'impédance acoustique de cette dernière. Le liquide couplant (eau) pouvant être remplacé suivant les applications par de l'alcool ou autre fluide de faible impédance acoustique. REVENDICATIONS 1. Capteur acoustique pour la mesure d'un paramètre physique sur une enceinte (1) remplie d'un fluide, comportant un barreau (4) pour la propagation des ondes acoustiques, des moyens pour coupler ce barreau (4) et l'enceinte (1) par l'intermédiaire d'une couche de couplage (6) en un matériau fluide, des moyens piézoélectriques (5) pour d'une part générer dans ce barreau (4) un signal acoustique se propageant en direction de la couche de couplage (6) et de l'enceinte (1) et d'autre part détecter un signal acoustique de réponse se propageant en sens contraire dans le barreau (4), des moyens électriques (8) qui sont reliés aux moyens piézo-électriques et qui permettent l'excitation desdits moyens piézo-électriques et l'analyse des signaux de réponse, caractérisé en ce que le barreau (4) présente une épaisseur acoustique égale à kX/2 et en ce que les moyens de couplage du barreau (4) permettent d'ajuster l'épaisseur de la couche de couplage (6) de façon que son épaisseur acoustique corresponde à (2k' + 1)k/4, où k et k' sont des nombres entiers et où X est la longueur d'onde de résonance de l'empilement ainsi constitué et correspond au double de l'épaisseur acoustique de la paroi de l'enceinte (1). 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de couplage du barreau (4) permettent d'ajuster l'épaisseur de la couche de couplage (6) de façon que son épaisseur acoustique corresponde à k/4. 3. Capteur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour l'adaptation de l'impédance en sortie des moyens piézoélectriques (5). 4. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau de la couche de couplage (6) est l'eau. 5. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le barreau (4) est en verre. 6. Capteur selon l'une des revendications précédentes pour la mesure d'un paramètre physique sur une enceinte (1) de forme cylindrique, caractérisé en ce que le barreau (4) présente une forme en arc de cylindre destinée à entourer l'enceinte (1) sur une partie de sa périphérie. 7. Capteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la face de couplage du barreau (4) est conformée avec un dioptre qui présente un rayon de courbure légèrement supérieur à celui de l'enceinte (1). 8. Capteur caractérisé en ce qu'il comporte deux capteurs acoustiques (C) selon l'une des revendications précédentes destinés à être disposés de part et d'autre de 1 'enceinte. 9. Capteur pour la mesure de la pression interne dans une enceinte (1) renfermant un milieu gazeux (2), caractérisé en ce qu'il est constitué par un capteur (C) selon l'une des revendications précédentes. 10. Utilisation d'un capteur selon l'une des revendications précédentes pour la mesure d'un paramètre physique sur une gaine de crayon combustible de coeur de centrale nucléaire.