Brevet FR2744934A1 — publié le 19970822

SONDEUR A ULTRASONS, NON INTRUSIF, UTILISABLE EN CRYOGENIE ET CAPTEUR COMPRENANT UN TEL SONDEUR. DESCRIPTION Domaine technique L'invention concerne un sondeur à ultrasons, comprenant une pastille piézoélectrique logée dans un corps de sonde dont une face est prévue pour être appliquée contre une paroi d'une capacité telle qu'une canalisation ou un réservoir, sans usinage de cette paroi. Le sondeur à ultrasons selon l'invention peut être utilisé indifféremment pour effectuer une mesure par transmission ou une mesure par réflexion. Selon le cas, un tel sondeur peut être utilisé pour effectuer une mesure de niveau d'un liquide présent dans la capacité, une mesure de débit d'un liquide en mouvement, la détection d'un changement de phase ou du passage de bulles de gaz dans un liquide, etc.. Le sondeur à ultrasons conforme à l'invention peut être utilisé dans de nombreux domaines industriels. Cependant, il trouve une application privilégiée dans le domaine cryogénique, c'est-à-dire lorsque le capteur est fixé sur une paroi d'une canalisation ou d'un réservoir contenant un liquide cryogénique tel que de l'oxygène liquide, de l'azote liquide, etc.. L'invention concerne également un capteur, constitué par l'association d'un tel sondeur à ultrasons avec la capacité à sonder, sur laquelle est appliqué le corps de sonde. Etat de la technique Il existe différents sondeurs à ultrasons capables de fonctionner à température cryogénique. Ces sondeurs à ultrasons sont tous réalisés selon le même principe, qui consiste à placer une pastille piézoélectrique dans un corps de sonde en forme de fourreau pénétrant directement dans la canalisation ou dans le réservoir au travers d'un perçage local effectué dans la paroi. La pastille piézoélectrique est alors couplée avec le liquide présent dans la canalisation ou le réservoir par un matériau de couplage également logé dans le fourreau, entre la pastille et le liquide. Les sondeurs à ultrasons de ce type fonctionnent de façon satisfaisante. Toutefois, il s'agit toujours de sondeurs intrusifs, c'est-à-dire de sondeurs exigeant un perçage local de la paroi de la capacité sur laquelle ils sont implantés. Lorsque certaines contraintes liées notamment à la nature même de la capacité à sonder interdisent tout perçage de la paroi, ces sondeurs à ultrasons sont donc inutilisables. Par ailleurs, il existe en dehors de l'industrie cryogénique des sondeurs à ultrasons dans lesquels la pastille piézoélectrique est noyée dans un corps de sonde en résine polymère. Lorsqu'il n'est pas possible de percer la paroi de la capacité à sonder, le corps de sonde de ces sondeurs peut être collé directement sur cette paroi afin de réaliser un sondeur non intrusif. Malheureusement, ce type de sondeur à ultrasons n'est pas adapté à une ambiance cryogénique. En effet, si un tel sondeur est collé sur la paroi d'une capacité contenant un liquide cryogénique, les contraintes thermiques importantes créées par la contraction différentielle des matériaux en présence provoquent des décollements et des fissurations du corps de sonde et/ou de la céramique. Ces phénomènes perturbent le cheminement des ondes acoustique et mettent immédiatement hors d'usage le sondeur. Exposé de l'invention L'invention a précisément pour objet un sondeur à ultrasons, non intrusif, dont la conception originale lui permet d'être collé directement sur une paroi susceptible de se trouver à une température cryogénique, sans risque de fissuration ou de décollement du corps de sonde et/ou la céramique. Conformément à l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un sondeur à ultrasons, comprenant une pastille piézoélectrique et un corps de sonde dont une partie de transmission présente une première face en contact avec la pastille piézoélectrique et une deuxième face prévue pour être appliquée contre une paroi d'une capacité, caractérisé par le fait qu'au moins la partie de transmission du corps de sonde est réalisée en un matériau composite comprenant une armature fibreuse et une matrice de résine. Dans le cas d'une application cryogénique, l'utilisation d'un sondeur dont le corps est réalisé en un matériau composite comprenant une armature fibreuse permet de réduire suffisamment la contraction différentielle créée lors de la mise en froid de la capacité pour que l'intégrité du sondeur et, par conséquent, sa fiabilité soit préservée. La réalisation du corps de sonde en un matériau composite, par nature anisotrope, conduit à utiliser de préférence une armature fibreuse comprenant des fibres orientées selon une direction sensiblement perpendiculaire à la première face de la partie de transmission du corps de sonde, afin d'assurer un gui dage aussi efficace que possible des ondes acoustiques le long de ces fibres. Pour limiter autant que possible les gradients thermiques entre la pastille piézoélectrique et la paroi de la capacité lorsque cette dernière contient un fluide cryogénique, la partie de transmission du corps de sonde présente avantageusement, entre la première et la deuxième faces, une épaisseur minimale d'au moins environ 10 mm. Dans une forme de réalisation préférentielle de l'invention, la pastille piézoélectrique est fixée sur la première face de la partie de transmission du corps de sonde par un adhésif de la famille des époxydes. Un tel adhésif est compatible avec les matériaux en présence et conserve toutes ses caractéristiques à une température cryogénique. En outre, il présente une certaine souplesse et réalise le couplage acoustique sans perturber la transmission des ondes acoustiques. Dans cette même forme de réalisation préférentielle, l'armature fibreuse est formée de fibres de verre et la matrice de résine époxyde. Afin notamment de simplifier la fabrication du sondeur, le corps de sonde peut être réalisé en totalité en matériau composite. Si l'on désigne par le terme "capteur" l'ensemble constitué par le sondeur à ultrasons et par la capacité, l'invention concerne également un tel capteur, caractérisé par le fait qu'un film d'adhésif, de la famille des époxydes, est interposé entre la deuxième face de la partie de transmission du corps de sonde et la paroi de la capacité contre laquelle est appliquée cette deuxième face. Lorsque la pastille piézoélectrique est elle-même fixée sur la première face de la partie de transmission du corps de sonde par un adhésif de la famille des époxydes, on utilise avantageusement le même adhésif pour fixer le sondeur à ultrasons sur la paroi de la capacité. Brève description des dessins On décrira à présent, à titre d'exemple non limitatif, une forme de réalisation préférentielle de l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un sondeur à ultrasons conforme à l'invention, collé sur une paroi d'une capacité à sonder ; et - la figure 2 est une courbe qui représente la réponse du sondeur de la figure 1, c'est-à-dire l'évolution de la tension détectée (en mV) en fonction du temps (en usec), lorsque la capacité est constituée par une canalisation remplie d'oxygène liquide, après que le sondeur ait subi douze chocs thermiques à l'azote liquide. Exposé détaillé d'une forme de réalisation préférentielle Sur la figure 1, la référence 10 désigne de façon générale un sondeur à ultrasons non intrusif, réalisé conformément à l'invention. Le sondeur à ultrasons 10 comprend une pastille piézoélectrique 12, en céramique, présentant deux faces opposées planes et parallèles. Ces deux faces de la pastille 12 sont métallisées. Le contour de la pastille 10 peut présenter une forme quelconque. Toutefois, il est généralement circulaire ou rectangulaire. Le sondeur à ultrasons 10 comprend de plus un corps de sonde 14 dans lequel est montée la pastille piézoélectrique 12. De façon plus précise, le corps de sonde 14 comprend une partie de transmission 16 et une partie tubulaire 18 réalisées d'un seul tenant. Il comprend aussi un couvercle 20. La partie de transmission 16 est une partie massive, dépourvue d'évidement, dont une face 22 est prévue pour être fixée par collage sur une paroi 24 de la capacité à sonder. A cet effet, la face 22 de la partie de transmission 16 du corps de sonde est usinée de façon à présenter une forme parfaitement complémentaire de celle de la surface extérieure de la paroi 24, à l'endroit où le sondeur à ultrasons 10 doit être collé sur cette paroi. Cette forme dépend notamment de la nature de la capacité, qui peut être constituée selon le cas par une canalisation, un réservoir, etc.. En un emplacement opposé par rapport à la surface 22, la partie de transmission 16 du corps de sonde présente une face plane 26 sur laquelle la pastille piézoélectrique 12 est fixée par collage. La pastille piézoélectrique 12 se trouve ainsi appliquée par l'une de ses faces contre la face 26 de la partie de transmission 16. La partie tubulaire 18 du corps de sonde 14 prolonge la périphérie de la partie de transmission 16 autour de la pastille piézoélectrique 12, en ménageant un espace suffisant pour permettre les connexions électriques. Le couvercle 20 ferme la partie tubulaire 18 du corps de sonde à l'opposé de la partie de transmission 16. Il est fixé sur la partie tubulaire 18 par collage. Le couvercle 20 supporte une embase 28 qui traverse le couvercle. L'embase 28 supporte un connecteur (non représenté) permettant de raccorder le sondeur à ultrasons 10 à des circuits extérieurs (non représentés) par un câble 30. La liaison électrique entre le connecteur supporté par l'embase 28 et les deux faces métallisées de la pastille piézoélectrique 12 est assurée par des conducteurs électriques 32 logés dans la partie tubulaire 18 du corps de sonde. Dans la forme de réalisation de l'invention illustrée sur la figure 1, le sondeur à ultrasons 10 joue à la fois le rôle d'émetteur et de récepteur. Il fonctionne donc selon une méthode utilisant la réflexion des ondes ultrasonores émises par la pastille piézoélectrique 12 sur une paroi (non représentée) de la capacité à sonder, située en vis-à-vis de la paroi 24 portant le sondeur. Dans d'autres formes de réalisation (non représentées), le sondeur à ultrasons selon l'invention peut aussi fonctionner par transmission des ondes ultrasonores. Il est alors utilisé soit uniquement comme émetteur, soit uniquement comme récepteur. Lorsqu'il fonctionne par réflexion comme on l'a illustré sur la figure 1, le sondeur à ultrasons 10 reçoit des impulsions électriques en provenance d'un dispositif électronique d'excitation. Ces impulsions sont transformées en ultrasons par la pastille piézoélectrique 12. Cette dernière fonctionne, par exemple, à une fréquence de 2 MHz. Les ondes ultrasonores émises par la pastille piézoélectrique 12 se propagent au travers de la partie de transmission 16, puis de la paroi 24. Lorsque le milieu contenu dans la capacité en face du sondeur est totalement liquide, les ondes ultrasonores cheminent dans ce milieu jusqu'à la paroi opposée qui réfléchit ces ondes vers la pastille piézoélectrique 12, en suivant un chemin inverse. La pastille piézoélectrique 12 transforme alors les ondes ultrasonores qu'elle reçoit en un signal électrique qui est transmis aux circuits extérieurs (non représentés), afin d'être amplifié, mis en forme, puis affiché, si nécessaire. La mesure ou la détection effectuée par le sondeur à ultrasons 10 peut être de nature différente selon l'application envisagée. Ainsi, le sondeur peut permettre de détecter la présence d'une bulle de gaz dans la capacité, par interruption du signal qu'il reçoit. Il peut aussi permettre d'effectuer différentes mesures telles que la mesure du débit du liquide circulant dans une canalisation. Le corps de sonde 14 est réalisé en un matériau composite comprenant une armature fibreuse et une matrice de résine, au moins dans sa partie de transmission 16 située entre la pastille piézoélectrique 12 et la paroi 24 de la capacité à sonder. L'utilisation d'un tel matériau permet de préserver l'intégrité de cette partie de transmission 16 même lorsque sa surface 22 est amenée à une température cryogénique sous l'effet du remplissage ou de la mise en circulation d'un liquide cryogénique tel que de l'oxygène liquide ou de l'azote liquide dans la capacité. En particulier, l'armature fibreuse empêche alors la formation de fissures dont la présence dans la partie de transmission 16 du corps de sonde rendrait immédiatement le sondeur à ultrasons inopérant. Dans une forme de réalisation préférentielle, l'armature fibreuse du matériau composite est formée de fibres de verre dont certaines sont orientées selon une direction sensiblement perpendiculaire à la face 26 de la partie de transmission 16 sur laquelle est collée la pastille piézoélectrique 12. Ces fibres orientées dans le sens de l'émission et de la réception des ondes acoustiques facilitent leur propagation dans la partie de transmission 16 du corps de sonde. Dans cette forme de réalisation préférentielle, la matrice de résine du matériau composite est formée de résine époxyde. Le matériau composite dans lequel est réalisé le corps de sonde 14 peut alors être constitué par le matériau commercialisé sous la dénomination "Permaglas ME730" par la Société "PERMALI". De préférence l'ensemble du corps de sonde 14, c'est-à-dire aussi bien la partie de transmission 16 que la partie tubulaire 18 et le couvercle 20, sont réalisés dans le matériau composite précité. Afin de limiter autant que possible les gradients thermiques dans la partie de transmission 16 du corps de sonde 14, cette partie de transmission 16 présente une épaisseur minimale d'au moins environ 10 mm entre ses faces 22 et 26. Lorsque les faces 22 et 26 sont sensiblement parallèles entre elles comme l'illustre la figure 1, cela signifie que la distance qui les sépare est au moins égale à environ 10 mm. Lorsque les faces 22 et 26 ne sont pas parallèles, ce qui peut notamment être le cas lorsque le sondeur à ultrasons 10 est utilisé pour mesurer un débit, cela signifie que la distance minimale entre les faces 22 et 26 est au moins égale à environ 10 mm. Afin d'assurer le collage du sondeur à ultrasons 10 sur la paroi 24, on interpose un film d'adhésif 34 entre cette paroi et la face 22. De même, le collage de la pastille piézoélectrique 12 sur la face 26 est assuré par un film d'adhésif 36. Lorsque le sondeur à ultrasons 10 est destiné à être utilisé en ambiance cryogénique, les films d'adhésif 34 et 36 sont réalisés avantageusement au moyen d'un même adhésif apte à supporter les températures cryogéniques sans perdre son intégrité. Cet adhésif doit en outre être compatible avec les matériaux dont il assure le collage, présenter une certaine souplesse et assurer le couplage acoustique entre les pièces sans perturber la transmission des ondes acoustiques. Afin de satisfaire simultanément toutes ces conditions, les films d'adhésif 34 et 36 sont réalisés avantageusement au moyen d'un adhésif de la famille des époxydes tel que de l"'Araldite" (Marque déposée) AY103/HY953F de la Société CIBA GEIGY. Différents essais ont été effectués avec un sondeur à ultrasons conforme à celui qui vient d'être décrit en se référant à la figure 1, en ambiance cryogénique, afin de valider la tenue de ce sondeur dans de tels conditions. A titre d'illustration, on a représenté sur la figure 2 le signal de tension (en mV) délivré par un tel sondeur à ultrasons, en fonction du temps (en usec), en présence d'oxygène liquide dans la capacité sur laquelle le sondeur était collé. Plus précisément, la réponse illustrée sur la figure 2 correspond à la réponse d'un sondeur ayant été soumis auparavant à douze chocs thermiques à l'azote liquide. Les différents pics référencés A sur la figure 2 montrent que le sondeur présente encore une réponse excellente, malgré le traitement thermique particulièrement sévère qu'il a subi auparavant. D'autres essais effectués sur des capteurs réalisés de façon similaire ont montré que le sondeur à ultrasons conforme à l'invention est apte à fonctionner dans une ambiance cryogénique sans nécessiter un quelconque usinage de la paroi de la capacité, ce qui n'est possible avec aucun sondeur à ultrasons existant. Il est à noter que la structure du sondeur illustrée sur la figure 1 peut subir différentes modifications, sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, la pastille piézoélectrique 12 peut être noyée dans le corps de sonde 12. Le film d'adhésif 36 est alors supprimé. REVENDICATIONS 1. Sondeur à ultrasons (10), comprenant une pastille piézoélectrique (12) et un corps de sonde (14) dont une partie de transmission (16) présente une première face (26) en contact avec la pastille piézoélectrique et une deuxième face (22) prévue pour être appliquée contre une paroi (24) d'une capacité, caractérisé par le fait qu'au moins la partie de transmission (16) du corps de sonde est réalisée en un matériau composite comprenant une armature fibreuse et une matrice de résine. 2. Sondeur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'armature fibreuse comprend des fibres orientées selon une direction sensiblement perpendiculaire à la première face (26) de la partie de transmission (16) du corps de sonde. 3. Sondeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la partie de transmission (16) du corps de sonde présente, entre la première et la deuxième faces (26,22), une épaisseur minimale d'au moins environ 10 mm. 4. Sondeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la pastille piézoélectrique (12) est fixée sur la première face (26) de la partie de transmission du corps de sonde par un adhésif (36) de la famille des époxydes. 5. Sondeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'armature fibreuse est formée de fibres de verre et la matrice de résine époxyde. 6. Sondeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le corps de sonde (14) est réalisé en totalité en matériau composite. 7. Capteur comprenant un sondeur à ultrasons (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes et une capacité présentant une paroi (24) contre laquelle est appliquée la deuxième face (22) de la partie de transmission (16) du corps de sonde, caractérisé par le fait qu'un film d'adhésif (34), de la famille des époxydes, est interposé entre la paroi (24) de la capacité et ladite deuxième face (22).