Brevet FR2914746A1 — publié le 20081010

DISPOSITIF DE MESURE DU DEPLACEMENT D'UNE SURFACE, APPLICATION A LA MESURE DE LA REGRESSION DE LA SURFACE D'UN MATERIAU COMBUSTIBLE OPTIQUEMENT TRANSPARENT QUI EST EN FEU DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un dispositif de mesure du déplacement d'une surface. Elle s'applique tout particulièrement à la mesure de la régression de la surface d'un matériau combustible optiquement transparent qui est en feu. Elle permet notamment la détermination des propriétés d'un tel matériau en feu, en particulier la détermination de son débit massique surfacique. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Une nouvelle approche théorique consistant à déterminer le débit massique m" d'un matériau combustible en feu propose la formulation suivante: m" = B. où B est le nombre de transfert de masse (en anglais, mass transfer number), a un coefficient et est le gradient local de vitesse à la paroi du matériau. Ce gradient est obtenu par l'intermédiaire d'un code de calcul et le nombre B doit être déterminé 25 expérimentalement. au îy 0 La théorie analytique d'une couche limite réactive bidimensionnelle montre que si le nombre B est connu, les principales caractéristiques de l'écoulement peuvent être obtenues. Parmi ces caractéristiques, on peut notamment citer les éléments suivants : les caractéristiques de la couche limite réactive (profils de vitesse et de température), - la hauteur de flamme, - la distance entre le bord de flamme et la 10 paroi du solide, appelée distance d'éloignement (en anglais, stand-off distance ), et - le débit massique surfacique de matériau combustible. S'il est possible de mesurer 15 expérimentalement la distance d'éloignement, le nombre B peut être déterminé par une méthode inverse. Ce nombre B est une propriété caractéristique du matériau et traduit la capacité du matériau à se pyrolyser sous l'action d'une flamme. Le 20 défi consiste alors à développer une technique de mesure capable d'estimer la distance entre le bord de flamme et la paroi du solide, et cela en tout point de la surface du matériau combustible qui se pyrolyse. Deux types de configurations expérimentales 25 peuvent être décrits par cette théorie analytique : - une plaque plane en feu, soumise à un écoulement forcé, et une plaque plane verticale en feu, soumise à une convection naturelle. 30 Il est connu de déterminer la distance d'éloignement à partir de la seconde configuration, du fait de sa simplicité de mise en oeuvre. La distance entre le bord de flamme visible et la position initiale de la paroi du solide en polyméthacrylate de méthyle (PMMA) est alors obtenue par une méthode de mesure vidéo permettant d'extraire l'évolution de la forme de flamme moyenne à partir de la flamme visible. En pratique, cette technique vidéo consiste à enregistrer la flamme par une caméra standard (résolution de 720x576 pixels), puis à post-traiter les images obtenues pour en extraire l'éloignement de la flamme par rapport à la plaque combustible en PMMA. L'étude de cette grandeur a permis de montrer, par un contrôle destructif de la plaque combustible, que la régression de la plaque de PMMA (c'est-à-dire l'évolution de l'interface combustible solide/gaz) est importante durant la combustion. Le contrôle destructif consiste à découper la plaque de matériau combustible le long de son axe médian après l'essai, et à mesurer l'épaisseur de cette plaque à différentes hauteurs. Une vitesse moyenne de régression est alors estimée à partir : - de l'épaisseur de matériau combustible consommé, - de la surface de pyrolyse le long de la 25 paroi, et - de la durée du feu. En effet, les nombreuses expériences ont montré que l'épaisseur pyrolysée du matériau combustible peut être du même ordre de grandeur que la 30 distance séparant la paroi initiale du PMMA et le bord de flamme. Par conséquent, cette épaisseur pyrolysée ne peut être négligée dans l'estimation de la distance d'éloignement. L'étude a également montré que la taille réelle représentée par un pixel sur les images vidéos obtenues par la caméra standard doit être inférieure à 0,lmm pour que l'erreur relative sur B reste inférieure à 5%. EXPOSÉ DE L'INVENTION A la suite de ces nombreuses constatations, la présente invention propose une nouvelle technique de détermination expérimentale de la distance d'éloignement. L'invention a pour spécificité de mesurer simultanément, de façon continue et sur toute la hauteur d'une plaque d'un matériau combustible transparent, les deux grandeurs suivantes : - la position du front de flamme visible, et - la régression de la surface du solide lors de sa combustion. Ces mesures nécessitent notamment : - la création d'un dispositif expérimental qui permet l'observation des faces latérales du solide, et le développement d'un système d'acquisition vidéo original comportant un ensemble de caméras vidéos de haute résolution. Plus généralement, la présente invention concerne un dispositif de mesure du déplacement d'une surface. De façon précise, la présente invention a pour objet un dispositif de mesure du déplacement d'une surface, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'acquisition vidéo pour acquérir des images sous forme électronique, ces images constituant des vues latérales de la surface en cours de déplacement, et traiter les images acquises pour déterminer le déplacement de la surface. De préférence, les moyens d'acquisition vidéo comprennent : - au moins une caméra vidéo qui permet la prise des vues latérales et fournit des signaux électriques représentatifs de ces vues latérales, et - des moyens électroniques de traitement pour traiter les signaux électriques et déterminer le déplacement de la surface à partir de ces signaux électriques. Les moyens d'acquisition vidéo peuvent comprendre une pluralité de caméras vidéo. Ces dernières peuvent être superposées ou non. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la surface constitue la surface de regression d'un matériau combustible optiquement transparent qui est en feu et le dispositif comprend en outre des moyens de support pour supporter le matériau combustible optiquement transparent. De préférence, le matériau combustible optiquement transparent a la forme d'une plaque plane et les moyens de support sont aptes à maintenir la plaque plane. Selon un mode de réalisation préféré du dispositif objet de l'invention, les moyens de support comprennent des première et deuxième plaques pour immobiliser le matériau combustible optiquement transparent entre ces première et deuxième plaques, et la première plaque comporte une fenêtre pour délimiter une zone de pyrolyse du matériau combustible optiquement transparent. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la deuxième plaque comporte une ouverture qui est en regard de la fenêtre lorsque le matériau combustible optiquement transparent est immobilisé entre les première et deuxième plaques. De préférence, le dispositif comprend en outre des moyens d'éclairage pour éclairer le matériau combustible optiquement transparent à travers l'ouverture. De préférence, le dispositif comprend en outre des moyens opaques pour entourer les moyens de support, la ou les caméras vidéo et les moyens d'éclairage. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le traitement des images en vue de l'extraction de la régression comprend les étapes suivantes . on détecte la régression par seuillage, on supprime des bulles qui sont présentes dans le matériau combustible et qui sont détachées de la régression, à l'aide d'un filtrage médian, on soustrait les événements détectés du signal initial, on lisse le signal précédent par une transformée multi-échelles, et - le signal identifié correspondant à l'enveloppe extérieure moyenne des bulles, la régression correspondant à l'enveloppe intérieure, on retranche l'épaisseur moyenne des bulles au signal lissé pour obtenir la valeur finale de la régression. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre schématiquement le principe de l'assemblage de la partie mécanique d'un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, - la figure 2 illustre schématiquement le principe de la prise de vue avec ce mode de réalisation particulier, - la figure 3 illustre schématiquement le support de matériau combustible faisant partie de ce mode de réalisation particulier, et la localisation des prises de vue vidéo qui sont effectuées au moyen de ce mode de réalisation particulier, - la figure 4 est une vue schématique en coupe transversale de la partie mécanique du mode de réalisation particulier, - la figure 5 illustre schématiquement les quantités spatiales que l'on cherche à déterminer dans un exemple de l'invention, et - la figure 6 est un exemple d'une image obtenue et des résultats après traitement de l'image conformément à l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS On décrit ci-après un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, que l'on utilise dans une expérience consistant à enflammer dans sa partie basse une plaque plane de matériau combustible solide (PMMA) et à suivre la propagation de la flamme le long de la plaque. Le dispositif décrit comprend les éléments suivants . - une partie mécanique, ou support, permettant de supporter la plaque de matériau combustible et d'avoir une mobilité de cette dernière depuis une position horizontale jusqu'à une position verticale, et - un système d'acquisition vidéo. Sur les figures, la plaque de matériau combustible (le PMMA dans l'exemple) a la référence 2. Le support de cette plaque a la référence 4. Comme on le voit sur la vue de côté schématique de la figure 3, ce support comprend un socle 6, par exemple en aluminium, et une armature 8, par exemple en aluminium, qui peut être orientée depuis une position horizontale jusqu'à une position verticale (position pour l'expérience), et réciproquement, grâce à une articulation 10. Une plaque 12 en acier inoxydable standard, appelée masque , est placée contre l'une des faces de la plaque de combustible et comporte une fenêtre 14 pour délimiter la zone de pyrolyse 16. On précise que la plaque de combustible 2 est enflammée à la base de cette fenêtre lors de l'expérience. En fait, on dispose d'une série de plaques 12 dont les fenêtres ont des largeurs différentes, ce qui permet de choisir la largeur de la zone de pyrolyse du test. La plaque de combustible 2 est vissée et serrée entre l'armature 8 et le masque 12 choisi pour l'expérience, au moyen d'un ensemble de boulons et d'écrous qui sont symbolisés par des pointillés 18 sur la figure 1. On appelle face arrière de la plaque de PMMA 2 celle qui est plaquée contre l'armature 8, et face avant celle qui est plaquée contre le masque 12. On précise que le matériau combustible utilisé est optiquement transparent afin de permettre une observation de grande qualité à travers les faces latérales de la plaque 2 à tester. Pour ce faire, il peut être nécessaire de polir ces faces latérales. Le système d'acquisition vidéo 20 (figure 2) comprend : - des caméras vidéo 22a, 22b, 22c de haute résolution, trois dans l'exemple, qui sont superposées et permettent la prise de vue latérale de la plaque de combustible 2, et - un ensemble 24 d'éléments électroniques et informatiques permettant notamment la synchronisation des caméras, l'acquisition des images fournies par ces dernières sous la forme de signaux électriques, le stockage des images latérales qui sont reconstruites ou non à partir des images individuelles issues des caméras 22a, 22b, 22c, et la détermination des quantités spatiales recherchées. L'ensemble 24 est muni de moyens d'affichage 26. De plus, des moyens 28 sont prévus pour supporter chacune des caméras 22a, 22b, 22c et régler leurs hauteurs respectives. Dans l'exemple décrit, les caméras 22a, 22b, 22c sont monochromes et ont une résolution de 1392x1040 pixels ; et la fréquence d'acquisition maximale par caméra est de 15fps, c'est-à-dire de 15 images par seconde (en anglais, frames per second). 15 Cette résolution permet d'obtenir une fenêtre de visualisation de 112x84mm2, soit une taille réelle du pixel de 0,10mm. La superposition des trois caméras permet l'étude d'une zone de 336x84mm2, en adéquation avec la 20 zone à étudier de 300x60mm2 (voir la figure 3 où les zones de prise de vue des caméras 22a, 22b et 22c ont les références respectives Za, Zb et Zc). De plus, la synchronisation des trois caméras monochromes permet de filmer à une cadence d'acquisition d'images 25 synchronisées de 10Hz. La règle 30 que l'on voit sur la figure 3 est fixée à l'armature 8 et constitue une référence spatiale permanente sur les images vidéo. En outre, sur la figure 2, la référence 32 30 désigne une mire que l'on utilise lors de la mise au point des caméras vidéo 22a, 22b, 22c : on règle la 10 distance focale de chacune de celles-ci de manière que les vues soient nettes dans le plan médiateur commun aux faces avant et arrière de la plaque 2. Au cours du feu, la surface du matériau combustible régresse et la position de l'interface combustible/gaz devient alors visible au travers des faces latérales 34 et 36 de la plaque 2, comme on le voit sur la figure 4. Cette figure 4 constitue une vue de dessus d'une coupe de la figure 5 à une certaine hauteur et n'est pas à l'échelle de la figure 2. Elle permet de voir que le socle 6 de la figure 3 est en deux parties 6a et 6b, situées de part et d'autre d'une ouverture 38 prévue dans la plaque arrière 8, en regard de la fenêtre 14. On a en outre indiqué que les prises de vues latérales se font suivant la flèche 40, à travers la face latérale 36. On voit aussi la paroi 42 de la plaque 2 qui a regressé sous l'effet de la pyrolyse et l'on a également représenté la distance de régression 8. En vue d'accentuer le contraste entre la phase solide et la phase gazeuse, un système d'éclairage comportant des diodes 44 qui fournissent une lumière froide est positionné en regard de la face arrière de la plaque 2 de matériau combustible de façon que la lumière produite soit diffusée le plus largement possible au niveau de l'interface conbustible/gaz (figure 5). La figure 5 est une vue en coupe verticale de la plaque 2. On a tracé un repère (x, y) où l'axe x est parallèle aux faces avant et arrière de la plaque 2 (ces faces étant vues en coupe) et orienté vers le haut, et l'axe y est perpendiculaire à l'axe x et orienté comme la flèche 40 de la figure 4. Sur la figure 5, la référence 46 désigne la flamme visible et la référence 48 désigne le bord de celle-ci. On voit aussi la surface de régression 50 (paroi du solide), la partie 52 de la plaque qui a été consommée et la distance de régression 8 pour une hauteur donnée, ainsi que la distance d'éloignement yfi, où 8 est la distance entre la surface de régression et la face avant initiale de la plaque 2, et yfi est la distance entre le bord de la flamme visible et la surface de régression. L'invention permet de mesurer 8 en fonction de x et de t (temps) ainsi que yfi en fonction de x et de t, et de déterminer le débit massique surfacique local. Afin de limiter les lumières parasites sur les films vidéo et d'améliorer la qualité des images enregistrées, l'ensemble du dispositif expérimental est entouré de rideaux noirs, opaques et ignifugés qui sont symbolisés par les traits pointillés verticaux 54 de la figure 5. Afin de faciliter l'obtention des grandeurs physiques souhaitée et de pouvoir traiter une très importante quantité de données (plusieurs gigaoctets d'images vidéo par expérience), un traitement d'images spécifique a été développé dans le but d'automatiser le post-traitement de données expérimentales. Pour illustrer les résultats obtenus par cette nouvelle technique, la figure 6 présente une image de la surface d'une plaque de PMMA 56 qui est en feu (et qui est une vue en coupe suivant le plan médiateur dans lequel on a placé la mire 32 de la figure 2). Le dispositif expérimental original associé à la technique vidéo développée a permis d'obtenir la position de l'interface combustible/gaz en tous points et à tout moment le long de l'axe vertical de symétrie de la plaque de PMMA 56. Cette nouvelle grandeur permet de mesurer précisément : - la distance réelle séparant la surface du matériau combustible qui se pyrolyse et le bord de flamme visible, et - le débit massique surfacique local. L'une de ces grandeurs permet de déterminer le nombre B. De plus, cette technique ouvre d'autres horizons puisqu'elle permet aussi d'accéder à la vitesse locale de régression de la surface de la plaque de matériau combustible, à partir de laquelle on peut déterminer les débits massiques surfaciques locaux de pyrolyse le long de la plaque de PMMA. Revenons à la figure 6 pour ce qui concerne le traitement d'image. L'image 56 est obtenue avec l'une des caméras 22a, 22b, 22c. Les références 58, 60, 62 et 64 représentent respectivement la flamme visible, la régression de la plaque de matériau combustible, l'interface combustible/gaz et le masque. Dans l'exemple de la figure 6, on étudie l'image 56 à deux hauteurs hI et hII. La partie I de la figure 6 représente la variation de l'intensité du niveau de gris Int (entre 0 et 250) en fonction de la position Pos des pixels pour la ligne sélectionnée qui correspond à la hauteur hI. Pour déterminer la position de la régression, telle que la position PI, on choisit un niveau de détection N. De même, la partie II de la figure 6 représente la variation de l'intensité du niveau de gris Int (limitée ici entre 0 et 250) en fonction de la position Pos des pixels pour la ligne sélectionnée qui correspond à la hauteur hII. Pour déterminer la position de la régression, telle que la position PII, on utilise encore le niveau de détection N. On procède de la même façon pour toutes les lignes de l'image. On reporte ensuite les valeurs obtenues, telles que PI et PII, sur un graphique (partie III de la figure 6) pour obtenir les variations de la position h de l'interface combustible/gaz en fonction de la position p du pixel considéré sur la hauteur de la 25 plaque de PMMA par rapport au bord inférieur de celle- ci où h est nul. On apporte ci-après d'autres précisions sur le traitement des images obtenues au moyen des caméras vidéo 22a, 22b, 22c en vue d'extraire les régressions. 30 Pour étudier toute la longueur de la plaque 2, il convient de recaler les images fournies par les trois 20 caméras. Pour ce faire, on a placé un trait horizontal sur la plaque 2 à l'emplacement des supports constitués par l'armature 8 et le masque 12. Ce trait est détecté (intégration dans l'axe horizontal plus seuillage) dans les trois images, ce qui permet de recaler les images sur l'axe vertical. Le recalage dans l'axe horizontal est fait à partir de la détection du bord de plaque 2. Pour faciliter la détection de ce bord de plaque, on continue à filmer la plaque après l'extinction (la détection s'effectue par seuillage sur les images après extinction). Pour la détection des supports, on filme quelques images avant allumage. Comme les trous des supports ne sont pas polis, ils apparaissent en clair sur le fond sombre. La détection est réalisée par une intégration dans le sens des supports, suivie d'un seuillage. Pour l'extraction des régressions, on a développé une méthode de filtrage qui se compose de quatre étapes . - [a] détection par seuillage de la régression (on a montré que l'influence sur la régression de la valeur utilisée pour le seuillage était faible dans la zone de seuillage) ; - [b] suppression des bulles qui sont présentes dans la plaque et qui sont détachées de la régression par filtrage médian ; les événements détectés sont soustraits du signal initial ; - [c] lissage par transformée multi-échelles 15 du signal précédent ; -[d] le signal identifié correspond à l'enveloppe extérieure moyenne des bulles ; la régression correspondant à l'enveloppe intérieure, il faut en conséquence retrancher l'épaisseur moyenne des bulles (qui n'est pas accessible au système vidéo) ; des plaques ont été sciées pour estimer cette épaisseur ; elle est ensuite retranchée au signal lissé pour obtenir la valeur finale de la régression. Dans la présente invention, on n'effectue pas nécessairement les mesures verticalement. Les caméras vidéo ne sont donc pas nécessairement superposées. En outre, la mise en oeuvre de l'invention ne nécessite pas nécessairement plusieurs caméras vidéo : l'invention peut être mise en oeuvre avec une seule caméra vidéo. Dans le domaine de l'incendie, la technique objet de l'invention permet de mesurer des propriétés de matériaux soumis à un feu, à l'instar d'autres techniques expérimentales telles que la bombe calorimétrique, le cône calorimètre et le LIFT c'est-à-dire le test d'allumage latéral et de propagation de flamme (en anglais, lateral ignition and flame spread test). Au-delà du domaine de l'incendie, la technique objet de l'invention ouvre l'accès à la mesure de précision du déplacement de toute surface dans un domaine spatial réduit, c'est-à-dire de l'ordre de lcm par rapport à la surface initiale. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure du déplacement d'une surface (50), ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'acquisition vidéo (22a, 22b, 22c, 24) pour acquérir des images sous forme électronique, ces images constituant des vues latérales de la surface (50) en cours de déplacement, et traiter les images acquises pour déterminer le déplacement de la surface. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les moyens d'acquisition vidéo comprennent . - au moins une caméra vidéo (22a, 22b, 22c) qui permet la prise des vues latérales et fournit des signaux électriques représentatifs de ces vues latérales, et des moyens électroniques de traitement (24) pour traiter les signaux électriques et déterminer le déplacement de la surface (50) à partir de ces signaux électriques. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les moyens d'acquisition vidéo comprennent une pluralité de caméras vidéo (22a, 22b, 22c). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la surface constitue la surface de régression (50) d'un matériau combustible optiquement transparent (2) qui est en feu et le dispositif comprend en outre des moyens de support (4) pour supporter le matériau combustible optiquement transparent. 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le matériau combustible optiquement transparent (2) a la forme d'une plaque plane et les moyens de support (4) sont aptes à maintenir la plaque plane. 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel les moyens de support (4) comprennent des première et deuxième plaques (8, 12) pour immobiliser le matériau combustible optiquement transparent (2) entre ces première et deuxième plaques, et la première plaque (12) comporte une fenêtre (14) pour délimiter une zone de pyrolyse (16) du matériau combustible optiquement transparent. 7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel la deuxième plaque (8) comporte une ouverture (38) qui est en regard de la fenêtre (14) lorsque le matériau combustible optiquement transparent (2) est immobilisé entre les première et deuxième plaques. 8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel le dispositif comprend en outre des moyens d'éclairage (44) pour éclairer le matériau combustible optiquement transparent à travers l'ouverture (38). 9. Dispositif selon les revendications 4 et 8, comprenant en outre des moyens opaques (54) pour entourer les moyens de support (4), la ou les caméras vidéo (22a, 22b, 22c) et les moyens d'éclairage (44). 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, dans lequel le traitement des images en vue de l'extraction de la régression comprend les étapes suivantes . 19 - on détecte la régression par seuillage, - on supprime des bulles qui sont présentes dans le matériau combustible et qui sont détachées de la régression, à l'aide d'un filtrage médian, on soustrait les événements détectés du signal initial, on lisse le signal précédent par une transformée multi-échelles, et - le signal identifié correspondant à l'enveloppe extérieure moyenne des bulles, la régression correspondant à l'enveloppe intérieure, on retranche l'épaisseur moyenne des bulles au signal lissé pour obtenir la valeur finale de la régression.