Brevet FR2983573A1 — publié le 20130607

CAPTEUR ACOUSTIQUE POUR LA MESURE D'UN DEPLACEMENT LINEAIRE. DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un capteur acoustique pour la mesure d'un déplacement linaire au moyen d'une onde acoustique. L'invention trouve une application particulièrement intéressante dans le domaine des réacteurs nucléaires, notamment pour la mesure des déplacements des structures internes d'un réacteur nucléaire, telles que par exemple la structure dite « support de coeur » destinée à recevoir le com- bustible nucléaire. ETAT DE LA TECHNIQUE Durant les années de service d'un réacteur nucléaire, il est néces- saire de pouvoir assurer des contrôles ainsi que des inspections des ser- vices et des structures internes de la cuve d'un réacteur. Il est donc impor- tant de pouvoir surveiller la déformation statique des organes importants tels que la structure de support de coeur soumise à des contraintes de pression et de température importantes. Il est connu des solutions permettant de mesurer la déformation et les déplacements des structures internes d'une cuve d'un réacteur. Cependant, quelle que soit la méthode de mesure utilisée (par exemple capacitive, optique, résistive, électromagnétique, etc), la mise en place d'un capteur à l'intérieur de la cuve du réacteur est nécessaire. Le capteur est donc soumis à des conditions de température et de radiation très sévères imposant une conception des capteurs particulièrement complexe et coûteuse qui doit res- pecter la réglementation en matière de sûreté nucléaire de construction des équipements. Le document « Acoustic sensors for measuring linear deformation under radiation conditions.A.V. Zelenchuk, AtomnayaEnergiya, Vol. 51, No. 3, pp. 167-171, Septembre 1981 » décrit un capteur acoustique pour la me- sure d'une déformation linéaire,associé à une méthode de mesure, pouvant être utilisé dans des conditions de rayonnement et de température telles que présentes dans la cuve d'un réacteur nucléaire. Le document décrit un dispositif de mesure formé par un premier guide d'onde adapté pour guider l'onde acoustique d'émission et par un deuxième guide d'onde adapté pour guider l'onde acoustique réfléchie. Les deux guides d'onde communiquent au niveau de l'une de leurs extrémités par le ménagement d'une gorge au niveau du deuxième guide d'onde. Un piston mobile, positionné au contact de la pièce à mesurer, modifie l'ouverture de la gorge en fonction du déplacement de la pièce à mesurer modifiant ainsi les caractéristiques de l'onde réfléchie en fonction du dépla- cement linéaire de la pièce. Un tel dispositif est relativement coûteux et complexe à réaliser notamment en vue du nombre d'éléments nécessaires pour la réalisation du dispositif. D'autre part, le document décrit également une méthode de mesure comportant une étape de calibration du dispositif consistant à effectuer une mesure d'un signal de référence sans obturation de la gorge par le piston pour effectuer une calibration du capteur. Une telle méthode de calibration ne permet pas d'obtenir des mesures suffisamment précises, la calibration étant réalisée de façon périodique et les conditions de mesure pouvant va- rier entre chaque période de calibration, notamment lorsque le capteur est utilisé dans un environnement soumis à des gradients de température importants le long du dispositif de mesure. EXPOSE DE L'INVENTION L'invention a pour but de remédier aux inconvénients précités en pro- posant un capteur acoustique pour la mesure d'un déplacement linéaire permettant de réaliser des mesures précises quel que soit l'environnement dans lequel est utilisé le capteur et notamment dans un environnement soumis à des conditions sévères de température, typiquement de l'ordre de 400°C A cette fin, l'invention propose un capteur acoustique pour la mesure d'un déplacement linéaire au moyen d'une onde acoustique comportant : - un transducteur électroacoustique apte à émettre ladite onde acoustique ; - un guide d'onde apte à guider ladite onde acoustique émise par ledit transducteur vers une zone de mesure ; ledit capteur acoustique étant caractérisé en ce que ledit guide d'onde est apte à guider l'onde réfléchie ; ledit guide d'onde étant solidaire de ladite zone de mesure et agencé de manière à pouvoir s'étendre ou se rétracter en fonction du déplacement de ladite zone de mesure. Le capteur selon l'invention utilise un unique guide d'onde pour la propagation de l'onde émise et de l'onde réfléchie permettant ainsi de mini- miser le nombre pièces utilisées pour la réalisation du capteur et de minimiser le nombre de pièces qui sont soumises à un stress important dans des conditions de température et de rayonnement importantes. Le capteur acoustique pour la mesure d'un déplacement linéaire se- Ion l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéris- tiques ci-dessous prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - ledit guide d'onde est formé par une pluralité de tronçons dont deux tronçons consécutifs ont un diamètre différent de manière à pouvoir réaliser une mesure sous un gradient de température ; - ledit guide d'onde est formé par trois tronçons : un tronçon de liaison comportant ledit transducteur, un tronçon étalon intermédiaire et un tronçon de mesure solidaire de ladite zone de mesure ; - le tronçon étalon a un diamètre inférieur aux tronçons de liaison et au tronçon de mesure situés de part et d'autre dudit tronçon étalon ; - ledit tronçon de mesure comporte des moyens adaptés pour étendre ou rétracter ledit guide d'onde en fonction du déplacement de la zone de mesure ; - lesdits moyens sont formés par un soufflet métallique ; - lesdits moyens sont formés par un piston solidaire de ladite zone de mesure et coulissant à l'intérieur du tronçon de mesure ; - lesdits moyens sont formés par un tube cylindrique comportant un fond solidaire de ladite zone de mesure, ledit tube cylindrique étant adapté pour coopérer par coulissement avec ledit tronçon de mesure ; - ledit transducteur électroacoustique est un transducteur piézoélectrique. L'invention a également pour objet un procédé de mesure d'un dépla- cement linéaire d'une structure interne positionnée dans la cuve d'un réacteur nucléaire au moyen d'un capteur acoustique selon l'invention caractérisé en ce qu'il comporte une étape de positionnement dudit capteur de sorte que ledit transducteur électroacoustique, apte à émettre ladite onde acous- tique et à recevoir l'onde réfléchie, est positionné à l'extérieur de la cuve du- dit réacteur ; et en ce que ledit guide d'onde, apte à guider ladite onde acoustique émise par ledit transducteur vers une zone de mesure et apte à guider l'onde réfléchie, est positionné dans la cuve dudit réacteur. BREVES DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 est une représentation schématique d'un premier exemple de réalisation d'un capteur acoustique pour la mesure d'un déplace- ment linéaire d'une structure support de coeur d'un réacteur nu- cléaire ; - la figure 2 est une représentation schématique d'un deuxième exemple de réalisation d'un capteur acoustique pour la mesure d'un déplacement linéaire d'une structure support de coeur d'un réacteur nucléaire : - la figure 3 est une représentation schématique d'un troisième exemple de réalisation d'un capteur acoustique pour la mesure d'un déplacement linéaire d'une structure support de coeur d'un réacteur nucléaire ; - la figure 4 est un graphique illustrant un historique des signaux émis et réfléchis enregistrés par le capteur acoustique selon l'invention lors d'une mesure d'un déplacement linéaire. 2 9 8 3 5 7 3 5 Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de références identiques sur l'ensemble des figures. DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION La figure 1 représente une premier mode de réalisation d'un capteur 5 acoustique permettant de mesurer un déplacement linéaire d'une structure 20 présente dans la cuve d'un réacteur nucléaire, telle que par exemple une structure support de coeur destinée à recevoir les crayons combustibles. Le capteur acoustique 10 selon l'invention est formé par un guide d'onde 5 constitué par : 10 - un premier tronçon 11, dit tronçon de liaison, de longueur Ll compor- tant une partie intégrée dans la cuve du réacteur et une autre partie située à l'extérieur de la cuve, la délimitation de la cuve étant matérialisée sur la figure 1 par l'axe en pointillé Al ; - un deuxième tronçon 12, dit tronçon étalon 12, de longueur L2 ; 15 - un troisième tronçon 13, dit tronçon de mesure, de longueur L3variable solidaire de la pièce à mesurer 20. Les trois tronçons forment donc un guide d'onde 5 continue apte à propager une onde acoustique. Le capteur acoustique 10 comporte en outre : 20 - un transducteur piézoélectrique 14 situé au niveau de l'extrémité du tronçon de liaison 11 positionné à l'extérieur de la cuve, le transducteur 14 étant adapté pour émettre et réceptionner les signaux acoustiques se propageant à l'intérieur du guide d'onde 5 ; - des moyens 15 agencés au niveau du tronçon de mesure 13 et adap- 25 tés pour étendre ou rétracter la longueur du tronçon 13 en fonction du déplacement de la structure 20 qui définit la zone de mesure du capteur acoustique 10. Dans ce premier mode de réalisation, les moyens 15 adaptés pour étendre ou rétracter le guide d'onde 5 en fonction du déplacement de la structure 20 30 sont formés par un soufflet métallique permettant de découpler en raideur la partie du tronçon de mesure 13a, solidaire de la structure 20, par rapport au reste du guide d'onde 5. Ainsi, les moyens 15 permettent d'adapter la forme et/ou la longueur du guide d'onde 5 en fonction du déplacement de la structure 20.Le déplacement de la structure 20 modifie la longueur L3 du tronçon de mesure 13 et modifiant ainsi le temps de réponse du signal réfléchi sur le fond 33 du guide d'onde 5 parcourant une distance dans le guide d'onde 5 qui est fonction du déplacement de la structure 20. Le guide d'onde 5 est formé par un tube étanche en acier inoxydable rempli d'un gaz neutre. Le diamètre des tronçons 11, 12, 13 et la fréquence de l'onde acoustique sont définis de manière à remplir les conditions de propagation d'une onde acoustique dans un guide d'onde. Le tronçon étalon 12 situé entre le tronçon de liaison 11 et le tronçon de mesure 13 a un diamètre inférieur aux tronçons 11 et 13 situés de part et d'autre du tronçon étalon 12. La différence de diamètre entre les différents tronçons successifs forme des cassures géométriques 31, 32 au niveau de la jonction des différents tronçons 11, 12, 13. Ces cassures 31, 32 ainsi que le fond 33 du guide d'onde 5 forment ainsi des réflecteurs acoustiques loca- lisés à l'intérieur du guide d'onde 5. Ces réflecteurs 31, 32 sont positionnés à une distance L1 et une dis- tance L1+L2 du transducteur 14. Ces distances étant connues et fixes durant la phase de mesure, les signaux réfléchis par ces réflecteurs vont per- mettre de réaliser un étalonnage (ou une calibration) du capteur acoustique et vont également être utilisé pour la déduction du déplacement linéaire de la structure 20. La figure 4 illustre un exemple de résultats obtenus lors d'une mesure d'un déplacement linéaire d'une structure au moyen du capteur acoustique 10 selon l'invention. Le graphique représente le signal d'émission S1 émis par le transducteur 14 ainsi que les échos E2, E3, E4, E5, E6 enregistrés par le transducteur 14. On entend par écho la réflexion de l'onde acoustique d'émission S1 dont l'amplitude et le retard par rapport à l'onde d'émission sont suffisants pour être détectés par le transducteur 14. L'analyse des échos par des mé- thodes de traitement du signal permet ainsi de déterminer la valeur du déplacement à l'extrémité du capteur acoustique 10 solidaire de la structure 20. Les trois échos E3, E4 et E5 permettent de réaliser la mesure du déplacement et les échos E3 et E4 permettent de calibrer le capteur lors de la réalisation de la mesure de façon simultanée. En effet, les échos E3 et E4 permettent de déterminer la célérité de l'onde acoustique se propageant dans le guide d'onde 5 lors de la réalisation de la mesure. Grâce à la géométrie particulière du capteur acoustique selon l'invention, la calibration du capteur 10 et la mesure du déplacement sont réalisées au moyen de la même onde acoustique émise par le transducteur. Le capteur selon l'invention permet ainsi de déterminer pour chaque me- sure, la célérité de l'onde acoustique dans le guide d'onde 5. Ainsi, le capteur acoustique selon l'invention est utilisable dans des conditions de température sévères, telles que par exemple dans la cuve interne d'un réacteur nucléaire avec des gradients de température importants le long du guide d'onde. En effet, lors de la réalisation de la mesure les gra- dients de température le long du guide d'onde 5 modifiant la célérité de l'onde sont pris en compte lors de la mesure par une calibration automatique et systématique du capteur acoustique. Ainsi, le capteur acoustique selon l'invention est parfaitement appli- cable à la mesure d'un déplacement linéaire de structure interne d'un réac- teur nucléaire. En effet, le capteur acoustique selon l'invention peut être po- sitionné dans une cuve de réacteur nucléaire sans incidence sur la précision de la mesure. La partie électronique sensible aux conditions de température et de rayonnement (i.e. le transducteur) est déportée à l'extérieur de l'environnement sévère, c'est-à-dire à l'extérieur de la cuve dans notre exemple d'application. Un tel capteur permet d'obtenir, quelles que soient les conditions de température, une précision inférieure au millimètre et préférentiellement inférieure à 0,5mm pour un déplacement de l'ordre du millimètre. Dans un deuxième exemple de réalisation de l'invention illustré à la figure 2, les moyens agencés au niveau du tronçon de mesure 13 et adaptés pour étendre ou rétracter le tronçon de mesure 13 en fonction du déplacement de la structure 20 sont formés par un piston 25 coulissant à l'intérieur du tronçon 13. Dans cet exemple de réalisation, le piston 25 est solidaire de la structure de sorte que le déplacement de la structure 20 fait varier la position de la face 33 et par conséquent le réflecteur formé par le fond du guide d'onde 5. Des moyens d'étanchéité 26 sont agencés entre le piston 25 et le tronçon 13 de manière à rendre le guide d'onde 5 étanche à l'environnement extérieur. Dans un troisième exemple de réalisation de l'invention illustré à la fi- gure 3, les moyens agencés au niveau du tronçon de mesure 13 et adaptés pour étendre ou rétracter le tronçon de mesure 13 en fonction du déplace- ment de la structure 20 sont formés par un tube cylindrique creux 35 coulis- sant à l'intérieur du tronçon 13. Le tube cylindrique 35 comporte un fond 33 solidarisé sur la structure 20 de sorte que le déplacement de la structure 20 modifie la position du réflecteur formé par le fond 33 du tube cylindrique 35. Des moyens d'étanchéité 36 sont agencés entre le tube cylindrique et le tronçon 13 de manière à rendre le guide d'onde 5 étanche à l'environnement extérieur. Selon une variante (non représentée) de cet exemple de réalisation, le tube cylindrique comporte un diamètre supérieur au troisième tronçon de mesure 13 de sorte que le tube cylindrique coulisse à l'extérieur du tronçon de mesure. L'invention a été particulièrement décrite pour la mesure d'un déplacement d'une structure interne d'un réacteur nucléaire, telle qu'une structure support de coeur ; toutefois, l'invention est également applicable à la mesure d'un déplacement de tout autre type de pièce et est applicable à d'autres domaines d'utilisation. Le capteur acoustique selon l'invention est particulièrement bien adapté pour la mesure d'un déplacement linéaire dans un environnement soumis à des températures ou des gradients de températures importants. Les autres avantages de l'invention sont notamment les suivants : - électronique de mesure déportée à l'extérieur de l'environnement sé- vère : - robustesse du capteur acoustique ; - maintenance du capteur acoustique facilitée par le positionnement de l'électronique de mesure sensible aux radiations dans une zone faiblement irradiée ; - tenue importante du guide d'onde à l'étanchéité ; - externalisation de la partie sensible (électronique de mesure) à l'extérieur de l'environnement soumis à des conditions sévères de température, de rayonnement, etc.