Brevet FR2979012A1 — publié le 20130215

CAPTEUR DE MESURE DE DEFORMATION, FONCTIONNANT EN MILIEU HOSTILE, INTEGRANT UN MODULE OPTIQUE DE MESURE DE DEPLACEMENT, ET SYSTEME DE MESURE UTILISANT LE CAPTEUR DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un capteur de mesure de déformation, apte à fonctionner dans un milieu hostile, intégrant un module optique de mesure de déplacement. Ce capteur permet de mesurer en temps réel, in situ et dans des conditions d'utilisation sévères (par exemple dans un fluide dont la pression et/ou la température sont élevées, ou dans une zone exposée à un flux de neutrons et de photons gamma), les phénomènes de déformation d'un objet qui est soumis à diverses sollicitations (par exemple : température, pression, chauffage par un rayonnement gamma ou usure). Ce capteur trouve des applications dans divers domaines industriels, en particulier les domaines nucléaire et pétrochimique. Par exemple, dans le domaine nucléaire, ce capteur s'applique à la mesure du gonflement de la gaine d'un crayon de combustible placé dans un dispositif d'irradiation. Mais il peut aussi être adapté à la mesure d'autres types de déformation, par exemple à la mesure de l'allongement d'un crayon de combustible exposé à un flux de neutrons. En effet, dans un grand nombre de systèmes industriels, certains composants peuvent être soumis à 2 diverses sollicitations qui peuvent conduire à leur déformation. Par exemple, le gonflement d'un crayon de combustible nucléaire, exposé à un flux neutronique croissant, peut atteindre 10% de son diamètre. Lorsque la déformation est trop importante, les composants peuvent cesser de fonctionner et même être détruits. Il est donc utile de pouvoir mesurer leur déformation en temps réel, d'autant plus qu'un retour à des conditions normales de fonctionnement peut conduire à la disparition du phénomène de déformation (cas d'une dilatation par exemple) ou ne donner qu'une information globale sur le phénomène (cas d'une usure d'un composant par exemple). ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE On connaît déjà un capteur de déformation qui utilise un interféromètre de Fabry-Perot (qui interagit avec un faisceau lumineux). Par contre, la disposition des surfaces de réflexion du faisceau lumineux (dans l'axe de la fibre optique, utilisée avec le capteur) et l'étendue de mesure de déformation atteignable par ce type de capteur (au moins une décade plus faible que celle qui est recherchée (de 0,1 mm à plusieurs millimètres)) ne permettent pas son utilisation pour l'application mentionnée plus haut, à savoir la mesure du gonflement d'un crayon de combustible nucléaire sous irradiation. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients. 3 Le capteur, objet de l'invention, permet de mesurer des déformations radiales, par exemple des gonflements. Il est capable de fonctionner dans des conditions de forte pression et de température élevée. Et il permet de mesurer des déformations allant de 0,1 mm à plusieurs millimètres, avec une précision de l'ordre de 10 micromètres. La mesure est fondée sur un procédé d'interférométrie en temps réel, mis en oeuvre par l'intermédiaire d'un module optique positionné dans une enceinte qui est isolée du milieu extérieur. De façon précise, la présente invention concerne un capteur de mesure de déformation, apte à fonctionner dans un milieu hostile, caractérisé en ce qu'il comprend : - une enceinte, comportant une ouverture, - un élément mobile qui a des première et deuxième faces opposées et qui est déplaçable par rapport à l'enceinte suivant un premier axe rencontrant les première et deuxième faces, la première face étant destinée à être mise en contact avec un objet susceptible de se déformer, la deuxième face étant apte à pénétrer dans l'enceinte par l'ouverture de celle-ci et à réfléchir une lumière incidente, - un composant de raccordement étanche et élastique, ayant une fonction de rappel entre l'élément mobile et l'enceinte, et - un module optique, placé dans l'enceinte, 30 pour créer une lumière interférentielle suivant un deuxième axe qui n'est pas parallèle au premier axe, en 4 utilisant une lumière auxiliaire, réfléchie par la deuxième face de l'élément mobile, de sorte qu'une déformation de l'objet provoque une modification de la lumière interférentielle, représentative de la déformation. Selon un mode de réalisation préféré du capteur de mesure de déformation, objet de l'invention, les premier et deuxième axes sont perpendiculaires. De préférence, le module optique comprend un miroir semi-réfléchissant et une surface réfléchissante qui coopèrent avec la deuxième face de l'élément mobile pour former un interféromètre de type Michelson. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le capteur de mesure comprend un soufflet de raccordement entre l'élément mobile et l'enceinte. De préférence, dans ce cas, le capteur de mesure de déformation comprend en outre un dispositif de pressurisation de l'enceinte par un gaz, pour égaliser la pression entre l'intérieur et l'extérieur de l'enceinte. Selon un mode de réalisation préféré, le capteur de mesure de déformation comprend en outre un premier tube raccordé de façon étanche à l'enceinte, s'étendant suivant le deuxième axe et permettant la circulation de la lumière interférentielle et de la lumière auxiliaire, destinée à engendrer la lumière interférentielle au moyen du module optique. Dans ce cas, de préférence, le capteur de mesure de déformation comprend en outre une fibre optique qui s'étend dans le premier tube pour transmettre la lumière auxiliaire et la lumière interférentielle. Une partie de la fibre optique est de préférence courbée dans le premier tube de manière à y 5 former une lyre de dilatation. De façon avantageuse, le dispositif de pressurisation comprend : un deuxième tube raccordé de façon étanche au premier tube et prévu pour alimenter l'enceinte en gaz par l'intermédiaire du premier tube, et - un clapet anti-retour monté sur le deuxième tube, pour empêcher le passage du milieu hostile en cas de perte d'étanchéité de l'enceinte. Il est également préférable de munir le capteur de mesure de déformation d'un dispositif d'étanchéité entre la fibre optique et la paroi interne du premier tube, à l'opposé de l'enceinte par rapport à la zone de raccord entre les premier et deuxième tubes, pour empêcher le passage du milieu hostile en cas de perte d'étanchéité de l'enceinte. La présente invention concerne aussi un système de mesure de la déformation d'un objet, comprenant : - le capteur de mesure de déformation, objet de l'invention, - une source de lumière auxiliaire, et - un dispositif de traitement de la lumière interférentielle pour déterminer la déformation.30 6 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 est une vue en coupe longitudinale schématique d'un mode de réalisation particulier du capteur de mesure de déformation, objet de l'invention, et - la figure 2 est une vue schématique d'un exemple du système de mesure de déformation, objet de l'invention, utilisant le capteur de mesure de déformation représenté sur la figure 1. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Dans l'exemple de l'invention, qui est schématiquement représenté sur la figure 1, le capteur 2 est utilisé pour mesurer la déformation radiale d'un échantillon 4 qui s'étend suivant un axe vertical X dans un milieu hostile 6, par exemple de l'eau pressurisée à haute température. Cet échantillon 4 est fixé à l'extrémité inférieure d'un porte-échantillon 8. L'extrémité supérieure de ce dernier est fixée à une plaque 10 constituant la tête du porte-échantillon. Le capteur 2 est également dans le milieu hostile 6 et comprend : - une enceinte 12 comportant une ouverture cylindrique 14 qui s'étend suivant un axe Xl 30 perpendiculaire à l'axe X, 7 - un élément mobile 16 qui coulisse dans l'ouverture 14 suivant l'axe Xl, - un composant de raccordement 18, pour raccorder l'élément mobile 16 à l'enceinte 12 de façon élastique et étanche, et - un module optique 20. La première face 22 de l'élément mobile 16 (palpeur radial) est mise en contact avec l'échantillon 4, et sa deuxième face 24 se trouve dans l'enceinte 12. Cette deuxième face 24 (surface de mesure) est apte à réfléchir une lumière incidente qui est utilisée pour déterminer la déformation de l'échantillon. Dans l'exemple décrit, le composant de raccordement 18 est un soufflet qui entoure l'ouverture cylindrique 14 et dont les deux extrémités sont respectivement fixées de façon étanche à l'enceinte 12 et à l'élément mobile 16. Le module optique 20 est placé dans l'enceinte 12. Il comprend un miroir semi-réfléchissant 26 et une surface réfléchissante 28 (surface de référence) qui est disposée au fond de l'enceinte 12. Le miroir semi-réfléchissant 26 et la surface réfléchissante 28 coopérent avec la deuxième face 24 de l'élément mobile 16 pour former un interféromètre de type Michelson. La face réfléchissante 24 de l'élément mobile 16 est perpendiculaire à l'axe Xl. La surface réfléchissante 28 est perpendiculaire à un autre axe X2 qui est perpendiculaire à l'axe Xl. Le miroir semi- réfléchissant 26 fait un angle de 45° avec chacun des axes Xl et X2 comme on le voit sur la figure 1. 8 Plus précisément, le module optique 20 utilise une lumière 30 qui se propage suivant l'axe X2 (de haut en bas sur la figure 1). Une partie de cette lumière 30 est réfléchie par le miroir semi- réfléchissant 26 suivant l'axe Xl et se réfléchit sur la face réflectrice 24 de l'élément mobile 16 en direction du miroir semi-réfléchissant 26. Ce dernier en réfléchit une partie (« première partie » ci-après) vers le haut suivant l'axe X2. Une autre partie de la lumière 30 est transmise par le miroir semi-réfléchissant 26 et se réfléchit sur la surface réfléchissante 28 en direction du miroir semi-réfléchissant 26. Ce dernier en transmet une partie (« deuxième partie » ci-après) vers le haut suivant l'axe X2. Les première et deuxième parties interfèrent pour former une lumière interférentielle 36 qui se propage vers le haut suivant l'axe X2. Ainsi, toute déformation radiale de l'échantillon 4 provoque une modification de la lumière interférentielle 36 (variation de la différence de chemin optique entre le faisceau lumineux qui se réfléchit sur la surface 28 fixe, et celui qui se réfléchit sur la face 24 mobile). Cette modification est représentative de la déformation radiale. Cette dernière peut donc être déterminée par un traitement approprié de la lumière interférentielle 36. On reviendra sur cette question dans la description de la figure 2. Le capteur 2 est pourvu d'un tube métallique 38 qui est raccordé de façon étanche à 9 l'enceinte 12. Le tube 38 s'étend verticalement suivant l'axe X2 et traverse la plaque 10 comme on le voit sur la figure 1. Ce tube 38 permet la circulation des lumières 30 et 36. Le capteur 2 est également pourvu d'une fibre optique 40 qui s'étend suivant l'axe X2 dans le tube 38 pour transmettre ces lumières 30 et 36. Comme on le voit, une lentille de collimation 42 est prévue dans l'enceinte 12, en regard de l'extrémité inférieure de la fibre optique 40. Dans l'exemple décrit, le milieu hostile 6 est de l'eau pressurisée à haute température. La mesure de la déformation de l'échantillon 4 est donc effectuée à chaud. On prévoit alors un dispositif pour gérer la dilatation différentielle entre la fibre optique 40 et le tube métallique 38. Ce dispositif est une lyre de dilatation 44 qui est obtenue en courbant la fibre optique 40 de façon appropriée dans le tube 38. A titre purement indicatif et nullement limitatif, la pression de l'eau vaut 15,5 MPa (155 bars) et sa température vaut 320°C. On munit alors le capteur 2 d'un dispositif 45 pour pressuriser l'enceinte 12 par un gaz, afin d'égaliser la pression entre l'intérieur et l'extérieur de l'enceinte 12. On évite ainsi de précontraindre le soufflet 18 et l'on améliore la sensibilité de la mesure de déformation. Ce dispositif de pressurisation 45 comprend un autre tube 46 dont une extrémité est raccordée de façon étanche au tube 38 et qui traverse aussi la plaque 10. Comme on le voit, en l'autre extrémité du 10 tube 46, des moyens 48 sont prévus pour alimenter en gaz ce tube 46 (et donc le tube 38 ainsi que l'enceinte 12). Le gaz utilisé est par exemple de l'azote. En outre, en cas de défaillance de l'étanchéité de l'enceinte 12, et pour éviter toute remontée intempestive de fluide (eau chaude pressurisée), on munit le tube 46 d'un clapet antiretour 50. De plus, on prévoit un organe d'étanchéité 52 entre la fibre optique 40 et la paroi interne du tube 38, à l'opposé de l'enceinte 12 par rapport à la zone 53 où se raccordent les tubes 38 et 46. Dans certains cas, le milieu hostile 6 doit être lui-même isolé d'un milieu externe environnant 56 et séparé de ce dernier. Pour ce faire, on prévoit une enceinte 54 pour confiner le milieu hostile 6. Cette enceinte 54 est seulement esquissée sur la figure 1. Elle est raccordée de façon étanche à la plaque 10. L'enceinte 54 (contenant le milieu 6, l'échantillon 4 et le capteur 2) se trouve alors plongée dans le milieu externe environnant 56 et des moyens non représentés sont prévus pour introduire le milieu hostile 6 dans l'enceinte 54 et en contrôler l'état (par exemple la température et la pression dans le cas où le milieu hostile est de l'eau pressurisée à haute température). Le tube 38 est alors relié à un autre tube 58, dans lequel se trouve une autre fibre optique 59, par l'intermédiaire d'un connecteur approprié 60 permettant l'étanchéité vis-à-vis du milieu externe environnant 56 et la liaison optique entre les fibres 40 et 59. 11 De même, le tube 46 est relié à un autre tube 62 par l'intermédiaire duquel on alimente le tube 46 en gaz. La liaison entre les tubes 46 et 62 est assurée par un connecteur approprié 64, permettant l'étanchéité vis-à-vis du milieu externe environnant 56 et le passage du gaz. De plus, pour garantir l'étanchéité entre le milieu hostile 6 et le milieu externe environnant 56, la plaque 10 est pourvue de passages étanches 66 et 68 dans les zones où elle est respectivement traversée par les tubes 38 et 46. La figure 2 est une vue schématique et partielle d'un exemple du système de mesure, objet de l'invention. Le système 69 représenté sur cette figure 2 utilise le capteur 2 représenté sur la figure 1, lui fournit la lumière 30 et traite la lumière interférentielle 36 pour déterminer la déformation de l'échantillon 4. Ce système comprend une source lumineuse 70 qui engendre la lumière 30, par exemple une lumière blanche, que l'on injecte dans la fibre optique 59 par l'intermédiaire d'un miroir semi-réfléchissant 72 et d'une lentille appropriée 74. Le système 69 comprend aussi : -un spectromètre 76 qui reçoit, par l'intermédiaire du miroir semi-réfléchissant 72 et de la lentille 74, la lumière interférentielle 36 transmise par la fibre 59, -un ordinateur 78 qui traite les signaux issus du spectromètre 76 pour déterminer, en temps réel, la déformation recherchée, et 12 -un dispositif 80 d'affichage des résultats des mesures ainsi effectuées. REVENDICATIONS1. Capteur de mesure de déformation (2), apte à fonctionner dans un milieu hostile (6), caractérisé en ce qu'il comprend : une enceinte (12), comportant une ouverture (14), - un élément mobile (16) qui a des première (22) et deuxième (24) faces opposées et qui est déplaçable par rapport à l'enceinte suivant un premier axe (Xl) rencontrant les première et deuxième faces, la première face (22) étant destinée à être mise en contact avec un objet (4) susceptible de se déformer, la deuxième face (24) étant apte à pénétrer dans l'enceinte par l'ouverture de celle-ci et à réfléchir une lumière incidente, - un composant de raccordement étanche et élastique (18), ayant une fonction de rappel entre l'élément mobile et l'enceinte, et un module optique (20), placé dans l'enceinte, pour créer une lumière interférentielle (36) suivant un deuxième axe (X2) qui n'est pas parallèle au premier axe (Xl), en utilisant une lumière auxiliaire (30), réfléchie par la deuxième face de l'élément mobile, de sorte qu'une déformation de l'objet provoque une modification de la lumière interférentielle, représentative de la déformation. 14 2. Capteur de mesure de déformation selon la revendication 1, dans lequel les premier (Xl) et deuxième (X2) axes sont perpendiculaires. 3. Capteur de mesure de déformation selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel le module optique (20) comprend un miroir semiréfléchissant (26) et une surface réfléchissante (28) qui coopèrent avec la deuxième face (24) de l'élément mobile (16) pour former un interféromètre de type Michelson. 4. Capteur de mesure de déformation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant un soufflet (18) de raccordement entre l'élément mobile (16) et l'enceinte (12). 5. Capteur de mesure de déformation selon la revendication 4, comprenant en outre un dispositif (45) de pressurisation de l'enceinte (12) par un gaz, pour égaliser la pression entre l'intérieur et l'extérieur de l'enceinte. 6. Capteur de mesure de déformation selon l'une quelconque des revendications 1 en outre un premier tube (38) raccordé à l'enceinte (12), s'étendant suivant (X2) et permettant la circulation interférentielle (36) et de la lumière destinée à engendrer la lumière moyen du module optique (20). à 5, comprenant de façon étanche le deuxième axe de la lumière auxiliaire (30), interférentielle au 15 7. Capteur de mesure de déformation selon la revendication 6, comprenant en outre une fibre optique (40) qui s'étend dans le premier tube (38) pour transmettre la lumière auxiliaire (30) et la lumière interférentielle (36). 8. Capteur de mesure de déformation selon la revendication 7, dans lequel une partie de la fibre optique (40) est courbée dans le premier tube (38) de manière à y former une lyre de dilatation (44). 9. Capteur de mesure de déformation selon la revendication 5 et l'une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel le dispositif de pressurisation (45) comprend : - un deuxième tube (46) raccordé de façon étanche au premier tube (38) et prévu pour alimenter l'enceinte (12) en gaz par l'intermédiaire du premier tube, et - un clapet anti-retour (50) monté sur le deuxième tube (46), pour empêcher le passage du milieu hostile (6) en cas de perte d'étanchéité de l'enceinte. 10. Capteur de mesure de déformation selon la revendication 9, comprenant en outre un dispositif d'étanchéité (52) entre la fibre optique (40) et la paroi interne du premier tube (38), à l'opposé de l'enceinte (12) par rapport à la zone de raccord (53) entre les premier (38) et deuxième (46) 16 tubes, pour empêcher le passage du milieu hostile (6) en cas de perte d'étanchéité de l'enceinte. 11. Système (69) de mesure de la déformation d'un objet, comprenant : - le capteur de mesure de déformation (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, - une source (70) de lumière auxiliaire, et - un dispositif (76, 78) de traitement de la lumière interférentielle (36) pour déterminer la déformation.