Brevet FR3059767A1 — publié le 20180608

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de détection et d'évaluation d'une variation d'épaisseur d'une pièce. Bien que non exclusivement, la présente invention s'applique plus particulièrement à une pièce correspondant à un élément (notamment un panneau) de protection thermique d'une plate-forme spatiale telle qu'un satellite. Lors de la rentrée atmosphérique d'une telle plate-forme, les panneaux de protection thermique se dégradent. Aussi, il peut être utile de pouvoir mesurer en temps réel l'épaisseur d'un tel panneau pour savoir s'il est toujours efficace. De telles mesures d'épaisseur peuvent également être réalisées pour collecter des données relatives à l'usure produite lors de la rentrée atmosphérique, afin de pouvoir bien comprendre cet environnement, notamment dans le but de concevoir des éléments de protection thermique optimisés. Les techniques usuelles de mesure de récession (c'est-à-dire de réduction d'épaisseur), de type intégré, se basent sur trois approches différentes : l'utilisation d'un alignement de thermocouples, la détection du flux radiatif impactant des fibres optiques lorsque la variation d'épaisseur de la pièce expose une ou plusieurs fibres optiques au milieu extérieur, ou bien la variation de longueur (ou d'épaisseur) d'un matériau dont on mesurera le potentiel électrique qui présente un taux de récession proche de celui de la pièce considérée. La stratégie d'utilisation de thermocouple est basée sur un agencement de plusieurs thermocouples sur une ligne perpendiculaire à la surface de récession. Comme le front de récession passe par la position de chaque thermocouple, les jonctions (partie du thermocouple où la mesure est réalisée) permettent de retracer le déplacement d'un isotherme. Si les thermocouples sont choisis en fonction de la plage de température correcte, l'approche pourrait permettre de suivre le processus d'ablation. L'inconvénient de cette solution est l'impossibilité d'effectuer la mesure de récession lorsque le processus se produit à haute température (supérieure à 1700°C). Elle ne 3059767 2 convient pas à la plupart des processus d'ablation. En outre, comme le nombre de points de mesure est discret, les processus non linéaires ne sont pas correctement pris en compte. La seconde stratégie est basée sur l'utilisation de plusieurs fibres 5 optiques disposées perpendiculairement à la surface de récession à différentes profondeurs. Chaque fois que la surface de récession atteint la fibre optique, une impulsion lumineuse (dans le milieu environnant) est détectée avant la fusion de la fibre optique (ce qui la rend opaque). Comme pour la stratégie précédente, cette technique très intrusive présente 10 l'inconvénient de ne pas pouvoir mesurer des phénomènes de récession non- linéaires et ne convient pas à des températures élevées. Quant à la stratégie de la variation de longueur d'un matériau avec un taux de récession proche de celui de la pièce considérée, elle prévoit d'intégrer dans le volume à mesurer une bobine en métal dont la longueur se 15 réduit avec la récession de l'échantillon. Plus la récession de l'échantillon est importante plus le potentiel entre les deux parties de la bobine est important. Avec une bonne calibration, il est possible de retrouver la récession de la bobine. En assumant une température d'ablation assez élevé, il est possible d'obtenir la mesure de la récession de l'échantillon. 20 Toutefois, toutes ces méthodes usuelles sont hautement intrusives (grandes incertitudes, plus de 1 mm/cm), et elles ne permettent pas de mesurer un gonflement de la pièce, c'est-à-dire une augmentation de l'épaisseur de la pièce. En effet, en fonction des applications envisagées, il peut être utile de 25 pouvoir mesurer, non seulement la réduction, mais également l'augmentation de l'épaisseur de la pièce. La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvénients. Elle concerne un procédé au moins de détection, et de préférence d'évaluation d'une variation (augmentation ou réduction) de l'épaisseur (ou 30 longueur) d'une pièce. 3059767 3 Selon l'invention, ledit procédé est remarquable en ce que l'on pratique dans ladite pièce présentant une face dite externe, un canal de mesure traversant, ledit canal de mesure traversant débouchant à une première extrémité dite externe au niveau de ladite face externe, et en ce que 5 ledit procédé comprend : - une étape de mesure consistant à mesurer au moins une intensité lumineuse en sortie du canal de mesure à une seconde extrémité dite interne opposée à ladite extrémité externe du canal de mesure, l'intensité lumineuse mesurée dépendant d'un angle de vue d'un rayonnement lumineux pénétrant 10 dans le canal de mesure par ladite extrémité externe, ledit angle de vue dépendant de la longueur du canal de mesure traversant et donc de l'épaisseur de la pièce ; - une étape de calcul consistant à calculer la différence entre ladite intensité lumineuse mesurée et une intensité lumineuse de référence ; et 15 - une étape de traitement consistant à détecter une variation de l'épaisseur de la pièce, lorsque la différence entre l'intensité lumineuse mesurée et l'intensité lumineuse de référence dépasse une valeur de seuil prédéterminée. Ainsi, grâce à l'invention, on obtient une méthode non intrusive qui est en mesure au moins de détecter une variation de l'épaisseur d'une pièce 20 surveillée, que cela soit une augmentation, ou une réduction. Dans un mode de réalisation préféré, l'unité de traitement est configurée pas seulement pour détecter une variation, mais pour évaluer la longueur de la variation de l'épaisseur de la pièce (et donc l'épaisseur courante de la pièce), en fonction de la valeur et du signe de la différence 25 (courante) calculée par l'unité de calcul. Ce mode de réalisation préféré permet d'obtenir une mesure très précise, en temps réel, de la variation d'épaisseur de la pièce, et ainsi de l'épaisseur courante de la pièce, comme précisé ci-dessous. Avantageusement, l'étape de traitement consiste à conclure que : 3059767 4 - l'épaisseur de la pièce a augmenté lorsque l'intensité lumineuse mesurée est inférieure à l'intensité lumineuse de référence d'au moins ladite valeur de seuil ; et - l'épaisseur de la pièce a diminué lorsque l'intensité lumineuse mesurée est 5 supérieure à l'intensité lumineuse de référence d'au moins ladite valeur de seuil. Dans un premier mode de réalisation (préféré), l'étape de mesure consiste à également mesurer l'intensité lumineuse de référence en sortie du canal de mesure. Dans ce cas, avantageusement, l'étape de mesure consiste 10 à séparer le rayonnement lumineux en sortie du canal de mesure en deux faisceaux lumineux dits de mesure, l'intensité lumineuse de l'un des faisceaux lumineux de mesure étant mesurée directement comme intensité lumineuse mesurée, et l'intensité lumineuse de l'autre faisceaux lumineux de mesure étant mesurée, via un contrôle de l'angle de vue, comme intensité lumineuse 15 de référence. En outre, dans un second mode de réalisation (simplifié), adapté à une illumination constante, l'intensité lumineuse de référence utilisée à l'étape de traitement est une valeur prédéterminée. La présente invention concerne également un dispositif de détection 20 et d'évaluation d'une variation de l'épaisseur d'une pièce. Selon l'invention, ledit dispositif comporte : - un canal de mesure traversant, pratiqué dans ladite pièce et débouchant à une première extrémité dite externe au niveau d'une face externe de ladite pièce , 25 - au moins une unité de mesure configurée pour mesurer au moins une intensité lumineuse en sortie du canal de mesure à une seconde extrémité dite interne, opposée à ladite extrémité externe du canal de mesure, l'intensité lumineuse mesurée dépendant d'un angle de vue d'un rayonnement lumineux pénétrant dans le canal de mesure par ladite extrémité externe, ledit angle de 30 vue dépendant de la longueur du canal de mesure traversant et donc de l'épaisseur de la pièce ; 3059767 5 - une unité de calcul configurée pour calculer la différence entre ladite intensité lumineuse mesurée et une intensité lumineuse de référence ; et - une unité de traitement configurée pour détecter une variation de l'épaisseur de la pièce lorsque la différence entre l'intensité lumineuse mesurée et 5 l'intensité lumineuse de référence dépasse une valeur de seuil prédéterminée. De préférence, l'unité de traitement est configurée pour évaluer la longueur de la variation de l'épaisseur de la pièce, en fonction de la valeur et du signe de la différence calculée par l'unité de calcul. Dans un premier mode de réalisation (préféré), le dispositif comporte 10 un miroir semi-réfléchissant configuré pour séparer le rayonnement lumineux sortant du canal de mesure en deux faisceaux lumineux dits de mesure, dont l'un est dirigé vers ladite unité de mesure et dont l'autre est dirigé vers une unité de mesure auxiliaire configurée pour mesurer l'intensité lumineuse de référence. 15 Dans une variante de réalisation (simplifiée), le dispositif comporte une mémoire contenant au moins une valeur prédéterminée de l'intensité lumineuse de référence. Par ailleurs, dans un mode de réalisation particulier, l'unité de mesure et/ou l'unité de mesure auxiliaire comportent un spectromètre d'émission ou 20 un photomètre. Les figures annexées feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. Les figures 1 et 2 montrent schématiquement un mode de réalisation 25 particulier d'un dispositif d'évaluation d'épaisseur conforme à l'invention, pour deux épaisseurs différentes. Le dispositif 1 permettant d'illustrer l'invention et représenté schématiquement sur les figures 1 et 2, est destiné tout au moins à détecter, et de préférence également à évaluer une variation de l'épaisseur d'une pièce 30 2. 3059767 6 A titre d'illustration, cette pièce 2 peut correspondre à un élément (notamment un panneau) de protection thermique d'une plate-forme spatiale telle qu'un satellite. Lors de la rentrée atmosphérique d'une telle plate-forme, un tel élément ou panneau de protection thermique peut se dégrader et son 5 épaisseur peut diminuer. Aussi, une application possible du dispositif 1 peut consister à mesurer en temps réel l'épaisseur d'un tel élément ou panneau. Selon l'invention, ledit dispositif 1 comporte : - un canal de mesure 3 traversant, c'est-à-dire qui est pratiqué dans la pièce 2 en la traversant de part en part, le canal de mesure 3 débouchant à une 10 extrémité 3A dite externe au niveau d'une face externe 2A de ladite pièce 2 ; - au moins une unité de mesure 4 configurée pour mesurer au moins une intensité lumineuse en sortie du canal de mesure 3 à une seconde extrémité 3B dite interne, opposée à ladite extrémité externe 3A du canal de mesure 3. L'intensité lumineuse mesurée à la sortie du canal de mesure 3 dépend d'un 15 angle de vue a1, a2 d'un rayonnement lumineux R pénétrant dans le canal de mesure 3 par ladite extrémité externe 3A dans le sens illustré par une flèche C. L'angle de vue a1, a2 dépend de la longueur L1, L2 du canal de mesure 3 de type traversant et donc de l'épaisseur El, E2 de la pièce 3 ; - une unité de calcul 5 qui est reliée par l'intermédiaire d'une liaison 6 à l'unité 20 de mesure 4 et qui est configurée pour calculer la différence entre ladite intensité lumineuse mesurée et une intensité lumineuse de référence précisée ci-dessous ; et - une unité de traitement 7 configurée pour analyser cette différence. Dans un mode de réalisation simplifié, l'unité de traitement 7 est 25 configurée pour simplement détecter une variation de l'épaisseur de la pièce 2, lorsque la différence entre l'intensité lumineuse mesurée et l'intensité lumineuse de référence dépasse une valeur de seuil prédéterminée. L'angle de vue a1, a2 correspond à l'angle maximum sous lequel l'unité de mesure 4 voit le rayonnement lumineux R pénétrant complétement 30 dans le canal de mesure 3 par la face externe 3A. 3059767 7 Cette face externe 3A est une face par laquelle entre la lumière et qui est susceptible d'être soumise à des contraintes, notamment thermiques, mais également d'autre types (chimiques, mécaniques,...), aptes à modifier l'épaisseur E1, E2 de la pièce 2. Comme le canal de mesure 3 est traversant, 5 la longueur L1, L2 dudit canal de mesure 3 selon un axe longitudinal X-X est égale à l'épaisseur El, E2 de la pièce 2 au niveau dudit canal de mesure 3. La valeur de l'angle de vue évolue en fonction de la récession ou sublimation (réduction d'épaisseur) ou du gonflement (augmentation d'épaisseur) de la pièce 2, c'est-à-dire de la longueur du canal de mesure 3. o Bien que non exclusivement, le canal de mesure 3 présente de préférence une forme cylindrique, de diamètre D et d'axe longitudinal X-X. L'épaisseur de la pièce 2 correspond à la longueur de cette dernière selon l'axe longitudinal X-X. Ainsi, sur l'exemple de la figure 1 correspondant à une première 15 situation SI, par exemple dans un état initial sans détérioration, la pièce 2 présente une épaisseur El qui est telle que la lumière pénétrant sur l'ensemble du diamètre D du canal de mesure 3 est vue d'un angle al par l'unité de mesure 4. En outre, sur l'exemple de la figure 2 correspondant à une seconde 20 situation S2, la pièce 2 présente une épaisseur E2 inférieure à l'épaisseur E1, due à une récession (ou réduction d'épaisseur), qui est telle que la lumière pénétrant sur l'ensemble du diamètre D est vue d'un angle a2 (supérieur à l'angle a1) par l'unité de mesure 4. L'intensité lumineuse mesurée est donc plus importante dans la 25 situation S2 de la figure 2 que dans la situation S1 de la figure 1. L'évolution de la situation S1 de la figure 1 à la situation S2 de la figure 2 correspond donc à une réduction de l'épaisseur. De façon similaire, l'évolution de la situation S2 de la figure 2 (dans l'hypothèse où cette dernière correspondrait à une situation initiale avec une 30 épaisseur nominale) à la situation S1 de la figure 1 correspond à une augmentation de l'épaisseur. 3059767 8 L'unité de traitement 7 conclut donc que : - l'épaisseur de la pièce 2 a augmenté, lorsque l'intensité lumineuse mesurée est inférieure à l'intensité lumineuse de référence d'au moins ladite valeur de seuil ; et 5 - l'épaisseur de la pièce 2 a diminué, lorsque l'intensité lumineuse mesurée est supérieure à l'intensité lumineuse de référence d'au moins ladite valeur de seuil. Toutefois, dans un mode de réalisation préféré, l'unité de traitement 7 est configurée pour évaluer la longueur (ou valeur) de la variation LE de 10 l'épaisseur de la pièce 2, en fonction de la valeur et du signe de la différence calculée par l'unité de calcul 5. Connaissant cette variation DE courante, ainsi que l'épaisseur initiale E1, l'unité de traitement 7 calcule l'épaisseur courante E2 qui est telle que E2 = El + Dans un mode de réalisation particulier, l'unité de calcul 6 et l'unité de 15 traitement 7 font partie d'une unité centrale 8. De préférence, cette unité centrale 8 est reliée via une liaison 9 à un système utilisateur 10 qui utilise le résultat du traitement, notamment la valeur de l'épaisseur, fournie par l'unité de traitement 7. Dans un mode de réalisation particulier, l'unité de mesure 4 de type 20 OMD (« Optical Measurement Device » en anglais) comporte un spectromètre d'émission ou un photomètre. Par ailleurs, dans le mode de réalisation préféré, représenté sur les figures 1 et 2, le dispositif 1 comporte un miroir semi-réfléchissant 11 qui est réalisé et agencé au niveau de l'axe X-X en sortie du canal de mesure 3 pour 25 séparer le rayonnement lumineux R sortant du canal de mesure 3 en deux faisceaux lumineux F1, F2 dits de mesure. L'un Fl de ces faisceaux de mesure est dirigé vers l'unité de mesure 4, et l'autre faisceau de mesure F2 est dirigé vers une unité de mesure auxiliaire 12 qui est configurée pour mesurer l'intensité lumineuse de référence. 30 Cette unité de mesure auxiliaire 12 qui est de préférence similaire à l'unité de mesure 4 et qui est reliée par l'intermédiaire d'une liaison 13 à l'unité 3059767 9 centrale 8 réalise des mesures d'intensité pour un faisceau lumineux F2 présentant un angle de vue a0 constant, servant de référence. Pour ce faire, dans le mode de réalisation préféré représenté sur la figure 1, le dispositif 1 comporte un jeu de deux diaphragmes 14 et 15, qui est 5 associé à l'unité de mesure auxiliaire 12 pour contrôler l'angle de vue, afin de toujours conserver le même angle de vue a0, pour que le dispositif 1 dispose d'une référence fiable. En variante, ont peut utiliser d'autres moyens que le jeu de diaphragmes, par exemple un élément conique, pour contrôler l'angle de vue. 10 La comparaison des mesures des deux unités de mesure 4 et 12 permet de réaliser des mesures, quelle que soit la façon dont l'intensité et la nature de la source lumineuse (illustrée par une référence 16) évoluent lors de la séquence de mesures. En effet, en plus de mesurer (avec l'unité de mesure 4) de façon courante (en temps réel) l'intensité lumineuse correspondant à la 15 longueur effective du canal de mesure 3, on mesure également (avec l'unité de mesure auxiliaire 12) de façon courante (en temps réel) l'intensité lumineuse vue sous un angle de vue a0 constant pour le même rayon lumineux R (quelle que soit notamment son intensité). Dans une variante de réalisation, au lieu d'utiliser un dispositif de 20 mesure auxiliaire 12, le dispositif 1 comporte une mémoire 17 (représentée en traits interrompus sur les figures 1 et 2), contenant au moins une valeur prédéterminée de l'intensité lumineuse de référence. L'unité de traitement 7 utilise cette valeur enregistrée pour la comparer à l'intensité lumineuse mesurée par l'unité de mesure 4 afin de détecter et/ou évaluer l'épaisseur de 25 la pièce 2. Dans cette variante, il convient de conserver les mêmes conditions d'illumination au cours des mesures, puisque la référence n'est pas mesurée en temps réel. La source lumineuse doit donc être constante et la valeur de référence doit être déterminée préalablement pour les mêmes conditions d'illumination. 3059767 10 Le dispositif 1, tel que décrit ci-dessus, permet des mesures embarquées de variation d'épaisseur (récession, sublimation et gonflement), aussi bien pour des effets linéaires que non-linéaires. Le dispositif 1, bien que particulièrement approprié pour réaliser des 5 mesures d'épaisseur d'une protection thermique d'un engin spatial lors d'une rentrée atmosphérique, peut être utilisé pour réaliser des mesures d'épaisseurs dans de nombreux autres domaines tels que, par exemple, la combustion d'ergol solide ou l'oxydation passive/active. REVENDICATIONS1. Procédé de détection et/ou d'évaluation d'une variation de l'épaisseur d'une pièce, caractérisé en ce que l'on pratique dans ladite pièce (2) présentant une face (2A) dite externe un canal de mesure (3) traversant, ledit canal de mesure (3) traversant débouchant à une première extrémité (3A) dite externe au niveau de ladite face externe (2A), et en ce que ledit procédé comprend : - une étape de mesure consistant à mesurer au moins une intensité lumineuse en sortie du canal de mesure (3) à une seconde extrémité (3B) dite interne, opposée à ladite extrémité externe (3A) du canal de mesure (3), l'intensité lumineuse mesurée dépendant d'un angle de vue (a1, a2) d'un rayonnement lumineux (R) pénétrant dans le canal de mesure (3) par ladite extrémité externe (3A), ledit angle de vue (a1, a2) dépendant de la longueur (L1, L2) du canal de mesure (3) traversant et donc de l'épaisseur (E1, E2) de la pièce (2) ; - une étape de calcul consistant à calculer la différence entre ladite intensité lumineuse mesurée et une intensité lumineuse de référence ; et - une étape de traitement consistant à détecter une variation de l'épaisseur de la pièce (2), lorsque la différence entre l'intensité lumineuse mesurée et l'intensité lumineuse de référence dépasse une valeur de seuil prédéterminée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de mesure consiste à également mesurer l'intensité lumineuse de référence en sortie du canal de mesure (3). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape de mesure consiste à séparer le rayonnement lumineux (R) en sortie du canal de mesure (3) en deux faisceaux lumineux (F1, F2) dits de mesure, l'intensité lumineuse de l'un (F1) des faisceaux lumineux de mesure étant mesurée directement comme intensité lumineuse mesurée, et l'intensité lumineuse de l'autre faisceau lumineux (F2) de mesure 3059767 12 étant mesurée via un contrôle de l'angle de vue comme intensité lumineuse de référence. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'intensité lumineuse de référence utilisée à l'étape de 5 traitement est une valeur prédéterminée. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendication précédentes, caractérisé en ce que l'étape de traitement consiste à conclure que : - l'épaisseur de la pièce (2) a augmenté lorsque l'intensité lumineuse mesurée est inférieure à l'intensité lumineuse de référence d'au moins ladite valeur de 10 seuil ; et - l'épaisseur de la pièce (2) a diminué lorsque l'intensité lumineuse mesurée est supérieure à l'intensité lumineuse de référence d'au moins ladite valeur de seuil. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendication précédentes, 15 caractérisé en ce que l'étape de traitement consiste à évaluer la longueur de la variation de l'épaisseur de la pièce (2), en fonction de la valeur et du signe de la différence calculée à l'étape de calcul. 7. Dispositif de détection et/ou d'évaluation d'une variation de l'épaisseur d'une pièce, 20 caractérisé en ce qu'il comporte : - un canal de mesure (3) traversant, pratiqué dans ladite pièce (2) et débouchant à une première extrémité (3A) dite externe au niveau d'une face externe (2A) de ladite pièce (3) ; - au moins une unité de mesure (4) configurée pour mesurer au moins une 25 intensité lumineuse en sortie du canal de mesure (3) à une seconde extrémité (3B) dite interne, opposée à ladite extrémité externe (3A) du canal de mesure (3), l'intensité lumineuse mesurée dépendant d'un angle de vue (a1, a2) d'un rayonnement lumineux (R) pénétrant dans le canal de mesure (2) par ladite extrémité externe (3A), ledit angle de vue (a1, a2) dépendant de la longueur 30 (LI, L2) du canal de mesure (3) traversant et donc de l'épaisseur (E1, E2) de la pièce (2) ; 3059767 13 - une unité de calcul (5) configurée pour calculer la différence entre ladite intensité lumineuse mesurée et une intensité lumineuse de référence ; et - une unité de traitement (7) configurée pour détecter une variation de l'épaisseur de la pièce (2), lorsque la différence entre l'intensité lumineuse 5 mesurée et l'intensité lumineuse de référence dépasse une valeur de seuil prédéterminée. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'unité de traitement (7) est configurée pour évaluer la longueur de la variation de l'épaisseur de la pièce (2), en fonction de la valeur 10 et du signe de la différence calculée par l'unité de calcul (5). 9. Dispositif selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que l'unité de mesure (4, 12) comporte un spectromètre d'émission ou un photomètre. 10. Dispositif selon l'une des revendications 7 à 9, 15 caractérisé en qu'il comporte un miroir semi-réfléchissant (11) configuré pour séparer le rayonnement lumineux (R) sortant du canal de mesure (3) en deux faisceaux lumineux (F1, F2) dits de mesure, dont l'un (F1) est dirigé vers ladite unité de mesure (4) et dont (F2) l'autre est dirigé vers une unité de mesure auxiliaire (12) configurée pour mesurer l'intensité lumineuse de 20 référence. 11. Dispositif selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en qu'il comporte une mémoire (17) contenant au moins une valeur prédéterminée de l'intensité lumineuse de référence.