Brevet FR2806159A1 — publié le 20010914

La présente invention concerne un procédé et un dispositif optique à source laser pour la mesure non intrusive de la température dans un liquide en écoulement. On utilise déjà des dispositifs de mesure à source laser, par exemple celui de la demande EP 345188, basé sur l'observation de franges d'interférences créées à l'intérieur d'un fluide en écoulement dans une conduite, à la sortie de deux fibres optiques transportant la lumière depuis une source laser extérieure. Cet appareil donne satisfaction pour ce type de situation mais elle necessite une intrusion dans le fluide étudié ce qui n'est pas toujours possible. Différentes techniques de mesures non intrusives des paramètres fluide (par exemple température ou pression), sont déjà utilisées. A titre d'exemple, la demande de brevet FR 2 579 320 décrit un procédé de mesure onde ultrasonore destiné à la surveillance thermique des réacteurs nucléaires. Cette technique ne permet la connaissance que d'un seul paramètre du fluide à savoir sa température. Le principal inconvénient des mesures de températures non intrusives connues à l'heure actuelle est leur temps de réponse trop long. Dans des situations difficiles telles que - Mesure de température de gouttes (spray par exemple) dont volume mesuré évolue par évaporation pendant le temps de mesure. - Écoulement diphasique liquide-gaz. - Mesure du champ de température dans un plan. - Mesure de température dans un écoulement turbulent. ladite mesure reste difficile voire impossible à réaliser, et les difficultés résident dans l'obtention d'un appareil à temps de réponse court et perturbant moins possible l'écoulement. Pour résoudre ces difficultés les inventeurs se sont tournés vers les méthodes optiques, et en particulier vers une méthode de fluorescence induite par laser déjà étudiée en laboratoire par les inventeurs pour déterminer la concentration d'un fluide et dont le principe est rappelé ci-après La fluorescence, phénomène physique connu de longue date, est la conséquence de la désactivation d'un état excité d'une espèce fluorescente vers un état fondamental par émission spontanée. L'état excité peut être induit par un rayonnement laser dont la longueur d'onde coïncide avec le spectre d'absorption de l'espèce fluorescente. Le temps entre l'absorption et l'émission d'un photon est de l'ordre de quelques nanosecondes, ce qui rend la technique applicable à l'étude de phénomènes rapidement variables. La résolution temporelle peut atteindre quelques dizaines de kHz. Lorsqu'un rayonnement laser traverse un milieu ensemencé en une concentration faible (ou plus forte mais constante ou peu variable) d'un traceur fluorescent, l'intensité de fluorescence peut s'exprimer par la relation fluo - Kopt Kspec CVcIoe Kopt, V,, Io, C, sont respectivement, le coefficient caractérisant la chaîne optique, volume de collection des photons de fluorescence, l'intensité laser incidente, la concentration moléculaire du traceur fluorescent. Kspe, et 6 sont des constantes dépendant uniquement des caractéristiques de la molécule utilisée comme traceur fluorescent. L'application de ce principe permet d'obtenir la température dans situations simples où le volume, la concentration et l'intensité laser locale sont bien maîtrisés ou restent constants. Une première technique appliquant ce principe physique à la mesure températures résoud en partie les inconvénients cités, elle consiste à utiliser deux traceurs fluorescents, et résout le problème de l'intensité laser et du volume, mais les difficultés qui subsistent sont néanmoins nombreuses - Les concentrations de chacun des deux traceurs doivent être maîtrisées. - Les spectres d'émission des deux traceurs doivent être suffisamment disjoints, afin de pouvoir séparer les émissions fluorescentes de chacun traceurs à l'aide d'un jeu de filtres interférentiels ce qui est difficile à réaliser dans la pratique. Pour résoudre l'ensemble des problèmes ci-dessus les inventeurs ont eu l'idée originale d'utiliser un seul traceur. L'invention consiste en un procédé optique pour la mesure non intrusive température d'un liquide en écoulement par utilisation de la fluorescence induite faisceau laser dans un volume de mesure (3) du liquide, caractérisé en ce consiste à utiliser un traceur fluorescent unique sensible à la température et deux fenêtres spectrales distinctes de détection sur ce même traceur. L'invention consiste également en un dispositif pour la mesure non intrusive la température d'un liquide en écoulement par utilisation de la fluorescence induite par faisceau laser dans un volume de mesure (3) du liquide caractérisé en ce qu'il comporte principalement - une voie unique de réception avec # un filtre holographique (6) réjecteur de bande (6) # un ensemble de séparation (4) du signal optique en deux signaux lumineux (5a-5b). - sur chaque voie optique de mesure # un filtre pour créer une fenêtre de mesure # un dispositif amplificateur (9a-9b) pour amplifier et transformer les signaux lumineux (5a-5b) en signaux électriques. - système informatique (11). Préferentiellement le filtre créant la fenêtre de mesure peut être choisi dans l'ensemble (filtre interférentiel, passe-bande, filtre passe haut, filtre passe bas). Préferentiellement on a choisi un filtre interférentiel (7) passe bande de largeur de bande AÂ,, , traversé par le premier signal (5a), centré sur longueur d'onde /.i et filtre passe haut (8) traversé par le deuxième signal (5b) laissant passer l'intensité optique à partir d'une longueur d'onde de seuil Â2. On comprendra mieux l'invention à l'aide de la description suit faite en référence aux figures annexées suivantes - Figure : schéma de principe d'un dispositif selon l'invention - Figure : graphique de positionnement des fenêtres de detection sur le spectre d'émission de la Rhodamine B. Le procédé original de l'invention consiste à utiliser un seul traceur fluorescent. traceur est classique dans le domaine des colorants fluorescents, il s'agit de la Rhodamine B (C28 H31 CÊN203). II est réputé particulièrement sensible à la température. De plus la sensibilité en température de ce traceur différente suivant la bande spectrale du spectre de fluorescence considérée. L'invention propose d'utiliser un seul traceur et deux fenêtres spectrales de détection distinctes sur ce même traceur. Pour mettre en oeuvre ce procédé, les inventeurs ont réalisé dispositif (1) basé sur la fluorescence induite par un ou deux faisceaux laser (2) dans volume de mesure (3) liquide en écoulement et permettant la séparation des signaux et leur détection. dispositif comporte principalement mais non limitativement # Une voie unique de réception avec Un filtre holographique (6) réjecteur de bande permettant d'éliminer toute diffusion réflexion de la composante laser excitatrice (12). Un ensemble de séparation (4) du signal optique (5) en signaux lumineux égaux ou (5a, 5b) par exemple deux, au moyen de deux separateurs neutres (4a, 4b) à définir selon la puissance désirée sur chaque voie. # Sur chaque voie optique de mesure :# Un filtre pouvant être un filtre interférentiel passe-bande, un filtre passe haut ou passe bas pour créer une fenêtre de mesure appropriée au traceur utilisé. Pour l'exemple décrit ici (Rhodamine B en solution dans l'éthanol) on a choisi préférentiellement - Un filtre interférentiel (7) passe bande traversé par le signal (5a) et permettant d'obtenir la première fenêtre de mesure 0) visible sur le graphique de la figure (2). Pour le traceur utilisé le filtre est centré sur une longueur d'onde A, AÀ,, préférentiellement 530 nm - Un filtre passe haut (8), traversé par le deuxième signal (5b) et laissant passer l'intensité optique à partir d'une longueur d'onde de seuil, préférentiellement ÀZ = 590 nm. - Le critère essentiel de choix des longueurs d'onde est d'avoir sensibilités en température différentes. Les fenêtres et les longueurs d'onde sont choisies en fonction la courbe de réponse en température du traceur, ou du mélange traceur-solvant. Des critères de coûts peuvent également intervenir dans choix filtres. Dans toute la description et les revendications le terme fenetre est compris dans son sens général, une fenêtre pouvant être composée d'un ou plusieurs intervalles de longueur d'onde, bornés ou non, même le terme distinctes n'exclue pas un éventuel recouvrement partiel ou l'inclusion des fenêtres. Un dispositif amplificateur (9a, 9b) pour amplifier et transformer signaux lumineux (5a, 5b) en signaux électriques par exemple un photomultiplicateur, une photodiode, un capteur CCD. Ces dispositifs amplificateurs assurent la mesure précise, avec un temps de réponse faible, des intensités de fluorescence. # Un système informatique (11), avec son logiciel. II reçoit les signaux électriques par un système d'acquisition, représenté, les traite et affiche les résultats sur écran. L'intensité de fluorescence collectée sur le premier signal (5a) 'écrit d'après la relation simplifiée établie par les inventeurs If, = Kopt, Kspect, CI.Vce A T De même, l'intensité de fluorescence sur le deuxième signal (5b) vérifie If2 = Kopt2 Kspect2 CI.Vce L'ensemble des équations ci-dessus est écrit sous réserve que # coefficients d'absorption considérées vis à vis de l'intensité de fluorescence soit voisins dans les fenêtres spectrales considérées. bien que # produit C.x soit peu variable par rapport à la référence, ce qui permet simplification (x désignant le chemin optique parcouru par le signal fluorescence dans le milieu absorbant). Ainsi rapport de la mesure de l'intensité de fluorescence des signaux recueillis dans les fenêtres de détection se caractérise par l'équation : Rf = L = Ke (E,) où une constante ne dépendant que de la chaîne optique utilisée propriétés spectroscopiques de la molécule utilisée comme traceur fluorescent. Ce rapport présente l'avantage d'être indépendant de concentration en traceur fluorescent, de l'intensité laser excitatrice, et volume fluorescent excité. La constante d'appareil (K) est déterminée par un simple point d'étalonnage initial à une température connue To. L'équation (E,) transforme ainsi ou Rfo le rapport à la température To. Cette loi a été confirmee expérimentalement. plus de la température, on peut obtenir simultanément la concentration du liquide, ou le volume de mesure (3). Le choix du traceur s'est porté sur la Rhodamine B diluée dans l'alcool à 2mgll qui donne satisfaction et permet d'isoler deux bandes spectrales mais d'autres traceurs pourraient être utilisés comme par exemple l'orégon 488, rhodamine 6 G. L'invention peut avantageusement s'appliquer à la mesure - la température de gouttes de spray. La difficulte réside, pour l'art antérieur, dans la variation du volume de mesure en raison de la température. Ce paramètre étant absent de l'équation il n'influe pas sur mesures et l'invention peut être utilisée. - la température dans un écoulement turbulent pour lequel on ne connaît d'appareils à temps de réponse convenable. - la distribution de température dans un plan de mesure traversant un fluide en écoulement indépendamment des variations l'intensité laser locale. REVENDICATIONS 1. Procedé optique pour la mesure non intrusive de la température d'un liquide en écoulement par utilisation de la fluorescence induite par faisceau laser dans un volume de mesure (3) du liquide, caractérisé en ce 'il consiste à utiliser un traceur fluorescent unique sensible à la temperature et deux fenêtres spectrales distinctes de détection sur même traceur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le traceur utilisé est Rhodamine B (C2$ H3, CÊ N2 03)- 3. Procedé selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que rapport de la mesure de l'intensité de fluorescence de deux signaux recueillis dans les deux fenêtres de détection se caractérise l'équation (E,) 4 Procedé selon la revendication 3 caractérisé en ce que la constante d'appareil (K) est déterminée par un simple point d'étalonnage initial à une température connue To. l'équation (E,) se transformant ainsi où est le rapport à la température To. 5 Dispositif pour la mesure non intrusive de la température d'un liquide en écoulement par utilisation de la fluorescence induite par faisceau laser dans un volume de mesure (3) du liquide caractérisé en ce qu'il comporte principalement - voie unique de réception avec # un filtre holographique (6) réjecteur de bande (6) # un ensemble de séparation (4) du signal optique en deux signaux lumineux (5a-5b). sur chaque voie optique de mesure # un filtre pour créer une fenêtre de mesure # un dispositif amplificateur (9a-9b) pour amplifier et transformer les signaux lumineux (5a-5b) en signaux électriques. - système informatique (11). 6 Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que le filtre créant la fenêtre de mesure peut être choisi dans l'ensemble (filtre interférentiel, passe-bande, filtre passe haut, filtre passe bas). 7 Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que a choisi un filtre interférentiel (7) passe bande de largeur de bande traversé par premier signal (5a), centré sur une longueur d'onde et un filtre passe haut (8) traversé par le deuxième signal (5b) laissant passer l'intensité optique à partir d'une longueur d'onde de seuil 8 Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce A, vaut en environ 530 nm. 9 Dispositif selon l'une des revendications 5 à 6 caractérise en ce que A2 vaut 590 nm environ.