Brevet FR2937735A1 — publié le 20100430

Système et procédé de détection de bulles présentes dans un fluide circulant à l'intérieur d'un conduit L'invention porte sur un système et un procédé de détection de bulles présentes dans un fluide circulant à l'intérieur d'un conduit. L'invention peut être utilisée dans de nombreux domaines, comme l'aéronautique, l'automobile, et la santé. L'invention s'applique à la détection de bulles de gaz par effet Doppler ou comparaison entre les fréquences d'un signal émis et d'un signal reçu après réflexion sur une bulle. L'invention est notamment, mais non exclusivement, utilisable pour la détection de bulles de gaz dans le fluide circulant dans la tuyauterie d'un sous-système de propulsion d'un satellite. L'effet Doppler est un changement apparent de la fréquence d'un signal électromagnétique, radio ou lumineux, reçu par un observateur mobile par rapport à une source émettrice fixe ou bien par un observateur fixe par rapport à une source émettrice mobile. La variation apparente de fréquence est proportionnelle à la vitesse relative entre l'observateur et la source le long du chemin qui les sépare. L'effet Doppler est utilisé en astrophysique pour connaître la vitesse angulaire des étoiles car leur mouvement, selon la perspective, provoque un déplacement des raies émises par rapport aux mêmes raies émises par une source terrestre. Le son émis par un mobile en mouvement semble plus ou moins aigu selon la vitesse à laquelle il se rapproche, et plus ou moins grave selon la vitesse à laquelle il s'éloigne. Le raisonnement s'applique aux ondes sonores et ultrasonores. On peut faire une analogie avec un ruisseau dans lequel seraient jetées des feuilles à intervalle régulier. En remontant le courant, i.e. en se rapprochant de la source, on verra des feuilles plus souvent, et de plus en plus souvent si on accélère. Au contraire, en descendant le courant, i.e. en s'éloignant de la source, on verra des feuilles de moins en moins souvent, jusqu'à ne plus en voir qu'une si l'on va à la même vitesse que le courant. Les sons aigus sont à des fréquences élevées, c'est à dire que l'observateur se rapproche de la source ou la source se rapproche de l'observateur. Les sons graves sont à des fréquences moins élevées, c'est à dire que l'observateur s'éloigne de la source ou la source s'éloigne de l'observateur. Le principe est le même pour un rayonnement lumineux, qui se décale vers les grandes longueurs d'onde en s'éloignant, vers les courtes longueurs d'onde en se rapprochant. On détermine ainsi la vitesse d'un mobile émettant du son, des 5 ultrasons ou de la lumière, en mesurant le décalage de la fréquence reçue par rapport à la fréquence émise. Dans la présente demande, les bulles de gaz dans le fluide réfléchissent les ondes à ultrasons émises avec un changement de fréquence appelé l'effet Doppler. 10 Le document FR 2 364 452 (United Kingdom Atomic Energy Authority) divulgue des procédés et appareils destinés à détecter des bulles dans un milieu les contenant, par exemple du métal liquide. La détection d'une bulle dans un milieu la contenant, consiste à faire en sorte qu'il se produise un mouvement relatif entre la bulle et un dispositif récepteur, à 15 émettre un signal sonore dirigé sur la bulle, par un dispositif émetteur à une fréquence supérieure ou égale à la fréquence de résonance de la bulle, et à détecter un signal Doppler diffusé par la bulle et reçu par le dispositif récepteur de façon à détecter la bulle. Un tel système présente notamment l'inconvénient d'être intrusif, 20 car les dispositifs émetteur et récepteur sont directement en contact avec le métal liquide. Un tel dispositif est donc complexe et coûteux à réaliser. En outre il doit être réalisé et monté avec le système dans lequel il est utilisé, ce qui nécessite de complexes ajustements avec le système dans lequel il est utilisé. 25 La présente invention vise à résoudre les problèmes précédemment cités, à coût réduit. Il est proposé, selon un aspect de l'invention, un système de détection de bulles présentes dans un fluide circulant à l'intérieur d'un conduit, comprenant : 30 au moins un élément émetteur de signal ultrasonore ; - au moins un élément récepteur de signal ultrasonore ; et une unité de comparaison des fréquences des signaux émis par ledit élément émetteur et des signaux reçus par ledit élément récepteur ; ledit système étant disposé à l'extérieur du conduit. Un système selon l'invention n'est pas être intrusif, ce qui simplifie sa réalisation et son montage sur un conduit. Les éléments émetteur et récepteur peuvent par exemple comprendre des céramiques piézo-électriques. Selon un mode de réalisation, le système comprend, en outre, des moyens de fixation desdits éléments émetteur et récepteur sur la surface externe du conduit. Ainsi, les éléments émetteurs et récepteurs peuvent être fixés sur le conduit, par exemple par collage, soudage, vissage, ou par pincement ce 10 qui n'est pas intrusif et facile à fixer. Dans un mode de réalisation, ledit élément émetteur et ledit élément récepteur sont disposés sensiblement diamétralement opposés. En ce cas, les coûts de réalisation sont réduits. En outre, les éléments émetteur et récepteur sont alors face à face, ce qui optimise les 15 mesures et la consommation d'énergie. Selon un mode de réalisation, lesdits moyens de fixation sont adaptés pour être démontables. Une fixation démontable facilite la réalisation, le montage et la réutilisation du système. En outre cela facilite l'utilisation du système pour 20 des phases de dimensionnement ou de tests d'appareils. Par exemple, ledit conduit comprenant une portion ayant une section droite circulaire, lesdits moyens de fixation démontables comprennent un collier ou bride de serrage apte à fixer lesdits éléments émetteur et récepteur sur ladite portion. 25 En variante, lesdits moyens de fixation démontables comprennent une pince apte à fixer lesdits éléments émetteur et récepteur sur ledit conduit. De tels modes de réalisation sont simples à réaliser et monter, et de coût réduit. 30 Dans un mode de réalisation, le système comprend, en outre, une unité de commande électronique adaptée pour commander une action permettant de réduire la formation de bulles en cas de détection de bulles dans ledit conduit. Une action corrective peut être automatiquement déclenchée 35 lorsque la présence de bulles est détectée, ce qui est particulièrement intéressant sur un appareil difficilement accessible, par exemple, un satellite en orbite. En ce cas l'action corrective peut être un réchauffage local du conduit, par exemple au moyen de résistances thermiques. Dans un mode de réalisation, lesdits éléments émetteur et 5 récepteur sont adaptés pour détecter la présence de bulles dans un fluide circulant à l'intérieur d'un conduit en métal. En ce cas, l'élément émetteur et l'élément récepteur sont choisis de sorte à fonctionner efficacement sur un conduit métallique. Dans un mode de réalisation, le système est adapté pour détecter 10 la présence de bulles présentes dans un fluide circulant à l'intérieur d'un conduit d'un sous-système de propulsion d'un satellite. Les éléments composants le système sont alors adaptés aux conditions liées au domaine spatiale, notamment la compatibilité electromagnétique, la résistance aux radiations, et la tenue aux chocs. 15 II est également proposé, selon un autre aspect de l'invention, un procédé de détection de bulles présentes dans un fluide circulant à l'intérieur d'un conduit, dans lequel on émet, de l'extérieur du conduit vers l'intérieur du conduit, au moins un signal ultrasonore depuis au moins un élément émetteur disposé à 20 l'extérieur du conduit ; on reçoit, à l'extérieur du conduit, en provenance de l'intérieur du conduit, au moins un signal ultrasonore, par au moins un élément récepteur disposé à l'extérieur du conduit ; et on compare les fréquences desdits signaux émis et reçus. 25 Selon un mode de mise en oeuvre, au préalable, on monte fixement lesdits éléments émetteur et récepteur sur la surface externe du conduit. Dans un mode de mise en oeuvre, lesdits éléments émetteur et récepteur sont disposés sensiblement diamétralement opposés. 30 Selon un mode de mise en oeuvre, la fixation desdits éléments émetteur et récepteur sur la surface externe du conduit est démontable. L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les 35 dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est un schéma synoptique d'un système de détection de bulles dans un fluide circulant dans un conduit selon un aspect de l'invention ; la figure 2 est un schéma synoptique d'un mode de réalisation d'un 5 système selon un aspect de l'invention, avec un positionnement avantageux des éléments émetteur et récepteur ; la figure 3 est un schéma synoptique d'un mode de réalisation d'un système selon un aspect de l'invention, avec un collier de serrage comme moyen de fixation ; ~o - la figure 4 est un schéma synoptique d'un mode de réalisation d'un système selon un aspect de l'invention, avec une pince de serrage comme moyen de fixation ; et la figure 5 illustre le procédé selon un aspect de l'invention. 15 Sur les différentes figures, les éléments ayant des références identiques sont identiques. Dans la description qui suit, un système selon un aspect de l'invention est représenté avec un élément émetteur et un élément récepteur, toutefois, l'invention s'applique à toute variante comprenant une pluralité 20 d'éléments émetteurs et une pluralité d'éléments récepteurs. Tel qu'illustré sur la figure 1, un conduit COND dans lequel s'écoule un fluide, comprend, sur sa paroi externe, un élément émetteur E de signal ultrasonore et un élément récepteur R de signal ultrasonore. Pour une application spatiale, le fluide s'écoulant dans le conduit 25 COND peut, par exemple, être un oxydant tel du N204 ou de l'oxygène liquide, ou un carburant, tel du MMH, de l'hydrazine ou de l'hydrogène liquide. L'élément émetteur E et l'élément récepteur R, sont reliés en communication, respectivement par des liaisons LE et LR à une unité de 30 comparaison UCOMP capable de comparer les différences de fréquences entre un signal émis par l'élément émetteur E et un signal reçu par l'élément récepteur R. Les liaisons de communication LE et LR peuvent être des liaisons filaires ou sans fil. Tous les éléments du système nécessitant une alimentation en énergie sont alimentés par une ou plusieurs sources 35 d'énergie non représentées sur la figure. En cas de présence de bulles de gaz dans le fluide circulant dans le conduit COND, des ultrasons émis par l'élément émetteur E sont réfléchis avec un changement de fréquence appelé effet Doppler, comme expliqué précédemment dans la présente demande de brevet. Le signal ultrasonore réfléchi est reçu par l'élément récepteur R, avec une fréquence différente de la fréquence émise. L'unité de comparaison UCOMP, par comparaison des fréquences des signaux émis et réfléchis est capable de déterminer la présence ou non de bulles dans le fluide, à partir d'une différence de fréquences entre un signal émis et un signal reçu supérieure à une différence de seuil. Une différence de fréquence est mesurée supérieure à la différence de seuil lorsque des bulles dont le diamètre est, par exemple, de l'ordre du micromètre. Une unité de commande électronique UCE optionnelle peut être reliée en communication à l'unité de comparaison UCOMP par une liaison LC, filaire ou sans fil. L'unité de commande électronique UCE peut, sur réception d'une information transmise par l'unité de comparaison UCOMP et indiquant la présence de bulles dans le fluide s'écoulant dans le conduit COND, lorsque des bulles ont un diamètre supérieur à un seuil correspondant au seuil de différence de fréquences, par exemple de l'ordre du micromètre. En ce cas l'unité de commande électronique UCE peut déclencher une alarme, déclencher une action corrective, ou transmettre une information prévenant de cet état. Par exemple, si le conduit est un tuyau d'un sous-système de propulsion d'un satellite, suite à la détection de bulles par l'unité de comparaison UCOMP, l'unité de commande électronique UCE peut transmettre une information relative au niveau de vide des réservoirs de carburant, et en tenir compte pour le démarrage des manoeuvres de désorbitation. L'unité de commande électronique UCE peut également, en parallèle, commander le réchauffage local de certains conduits. L'application d'un gel, tel un gel similaire à un gel pour échographie, entre l'élément émetteur E et le conduit COND, ainsi qu'entre l'élément récepteur R et le conduit COND permet d'améliorer la transmission des signaux. Tel qu'illustré sur la figure 2, représentant une disposition avantageuse des éléments émetteur E et récepteur R sur la surface externe du conduit COND, on nomme C le centre de la section droite du conduit passant par l'élément émetteur E et par l'élément récepteur R. On note a l'angle séparant le segment SE reliant le centre C et l'élément émetteur E et le segment SR reliant ledit centre C et l'élément récepteur R soit sensiblement égal à 180° de sorte que l'élément émetteur E et l'élément récepteur R soit sensiblement diamétralement opposés. Ainsi l'efficacité et le coût du système sont optimisés. La figure 3 illustre un exemple de réalisation d'un système selon la figure 1 ou 2. Les moyens de fixation utilisés sont démontables, en l'espèce, un collier ou une bride de serrage CS comprenant une portion PA adaptable à la surface externe du conduit COND, généralement de section droite circulaire. Le collier de serrage CS comprend deux oreilles de fixation OF et un écrou ECR pour maintenir serré le collier de serrage CS autour du conduit COND. En variante tout autre moyen de fixation amovible peut être utilisé pour fixer les éléments émetteur E et récepteur R autour du conduit COND. En variante, la figure 4 illustre un exemple de réalisation d'un système selon la figure 1 ou 2, dans lequel les moyens de fixation utilisés sont démontables, en l'espèce, une pince de serrage PCE. La figure 5 illustre le fonctionnement d'un système selon l'une des figures 1 à 3. L'élément émetteur E émet des signaux ultrasonores (étape 40), et l'élément récepteur R reçoit des signaux ultrasonores (étape 41) après émission vers le fluide traversant le conduit COND. L'unité de comparaison UCOMP compare (étape 42) les fréquences des signaux émis par l'élément émetteur E et des signaux reçus par l'élément récepteur R. Enfin, de manière optionnelle, une unité de commande électronique UCE peut, en cas de détection de bulles par l'unité de comparaison UCOMP, peut commander une action (étape 43) telle une action corrective pour réduire la formation de bulles, ou déclencher une alarme pour alerter de la présence de bulles. La présente invention permet de détecter la présence de bulles dans un fluide circulant dans un conduit, de manière non intrusive, et démontable.35 REVENDICATIONS1. Système de détection de bulles présentes dans un fluide circulant à l'intérieur d'un conduit (COND), caractérisé en ce qu'il comprend : au moins un élément émetteur (E) de signal ultrasonore ; au moins un élément récepteur (R) de signal ultrasonore ; et une unité de comparaison (UCOMP) des fréquences des signaux émis par ledit élément émetteur (E) et des signaux reçus par ledit élément récepteur (R) ; ledit système étant disposé à l'extérieur du conduit (COND). 2. Système selon la revendication 1, comprenant, en outre, des moyens de fixation desdits éléments émetteur (E) et récepteur (R) sur la surface externe du conduit (COND). 3. Système selon la revendication 2, dans lequel, ledit élément émetteur (E) et ledit élément récepteur (R) ledit élément émetteur et ledit élément récepteur sont disposés sensiblement diamétralement opposés. 4. Système selon la revendication 2 ou 3, dans lequel lesdits moyens de fixation sont adaptés pour être démontables. 5. Système selon la revendication 4, dans lequel, ledit conduit (COND) comprenant une portion ayant une section droite circulaire, lesdits moyens de fixation démontables comprennent un collier de serrage (CS) apte à fixer lesdits éléments émetteur (E) et récepteur (R) sur ladite portion. 6. Système selon la revendication 4, dans lequel lesdits moyens de fixation démontables comprennent une pince (PCE) apte à fixer lesdits éléments émetteur (E) et récepteur (R) sur ledit conduit (COND). 7. Système selon l'une des revendications 1 à 6, comprenant, en outre une unité de commande électronique (UCE) adaptée pour commander une action permettant de réduire la formation de bulles en cas de détection de bulles dans ledit conduit (COND). 8. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits éléments émetteur (E) et récepteur (R) sont adaptés pourdétecter la présence de bulles dans un fluide circulant à l'intérieur d'un conduit en métal. 9. Système selon l'une des revendications précédentes, adapté pour détecter la présence de bulles présentes dans un fluide circulant à l'intérieur d'un conduit (COND) d'un sous-système de propulsion d'un satellite. 10. Procédé de détection de bulles présentes dans un fluide circulant à l'intérieur d'un conduit (COND), caractérisé en ce que : - on émet, de l'extérieur du conduit vers l'intérieur du conduit, au moins un signal ultrasonore depuis au moins un élément émetteur (E) disposé à l'extérieur du conduit (COND) ; on reçoit, à l'extérieur du conduit, en provenance de l'intérieur du conduit, au moins un signal ultrasonore, par au moins un élément récepteur (R) disposé à l'extérieur du conduit (GOND) ; et on compare les fréquences desdits signaux émis et reçus. 11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel, préalablement, on monte fixement lesdits éléments émetteur (E) et récepteur (R) sur la surface externe du conduit (COND). 12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel on 20 dispose lesdits éléments émetteur (E) et récepteur (R) de manière sensiblement diamétralement opposés. 13. Procédé selon la revendication 11 ou 12, dans lequel la fixation desdits éléments émetteur (E) et récepteur (R) sur la surface externe du conduit (COND) est démontable. 25 14. Procédé selon l'une des revendications 10 à 13, dans lequel on commande une action permettant de réduire la formation de bulles en cas de détection de bulles dans ledit conduit (COND). 30