Dispositif à ultra-sons pour la mesure de la position d'un niveau liquide
La présente invention est relative à un dispositif utilisant un émetteur d'ultra-sons pour effectuer la détermination de la position d'un niveau liquide à l'intérieur d'une cuve d'accès difficile, ce liquide pouvant être un métal fondu à haute température, un mauvais conducteur de la chaleur ou de l'électricité, un liquide inflammable, interdisant l'emploi de systèmes de mesure classiques comportant des contacts électriques, des détecteurs photo-électriques, des sondes à contact, etc.
Des dispositifs de ce genre s'utilisent notamment pour la mesure du niveau de sodium liquide ou du mélange eutectique sodium-potassium dans la cuve de réacteurs du genre dit à neutrons rapides , où un tel liquide sert notamment d'agent de refroidissement.
On connaît déjà des appareils de détection, permettant de connaître au sein d'un milieu liquide, la distance séparant un objet d'un émetteur d'ultra-sons par mesure du temps de propagation d'un train d'ondes se dirigeant vers cet objet, venant s'y réfléchir et revenant vers un appareil récepteur qui peut être d'ailleurs couplé avec l'émetteur. Toutefois, on sait qu'une telle mesure est très influencée par les gradients de température et les variations de la composition du milieu liquide.
De plus, dans le cas plus particulièrement envisagé où il s'agit de mesurer le niveau d'un métal liquide dans la cuve d'un réacteur nucléaire, il convient de tenir compte de certaines conditions particulières dépendant notamment de la position de l'émetteur d'ultra-sons par rapport à cette cuve: si l'émetteur est à l'intérieur de celle-ci, son entretien est impossible, tandis que l'irradiation qu'il subit limite très notablement sa durée de vie; si l'émetteur est situé à l'extérieur, notamment contre le fond de la cuve, I'impé- dance acoustique caractéristique de l'ensemble émetteurcuve est telle qu'il n'est généralement pas possible de faire pénétrer les ondes ultra-sonores dans le milieu liquide et par suite de mesurer avec précision son niveau.
La présente invention vise à réaliser un dispositif qui permet de s'affranchir des inconvénients ci-dessus, en autorisant, avec un émetteur situé à l'extérieur de la cuve, la transmission d'un train d'ondes ultra-sonores à travers la paroi de celle-ci pour la mesure, selon un principe en lui-même connu, du temps qui s'écoule entre les deux passages de ce train d'ondes en un point donné, avant et après réflexion sur la surface de séparation du liquide dont la position définit le niveau dans la cuve.
Le dispositif selon l'invention comportant un transmetteur d'ondes ultra-sonores de fréquence donnée et un récepteur pour lesdites ondes, est caractérisé en ce qu'il comprend un guide d'ondes tubulaire disposé en regard dudit transmetteur et rempli d'un liquide auxiliaire, ledit ,,guide d'ondes étant fermé par au moins un disque d'étanchéité présentant une épaisseur égale à ni/2, où n est un nombre entier et X est la longueur d'onde dans le matériau de ce disque, et une enveloppe cylindrique ouverte, associée audit guide d'ondes et disposée normalement à la surface dudit niveau en limitant les mouvements dudit liquide.
De préférence, le liquide auxiliaire présente des propriétés acoustiques identiques à celles du liquide dont on mesure le niveau.
Grâce à ces dispositions, le transmetteur peut être facilement placé à l'extérieur de la cuve, métallique ou non, contenant le liquide, le guide d'ondes traversant, par l'intermédiaire d'un système d'étanchéité approprié. la paroi de cette cuve, et déterminant l'introduction dans le liquide du train d'ondes ultra-sonores.
Avantageusement, le transmetteur est placé à l'inté- rieur d'un boîtier étanche raccordé à l'extrémité du guide d'ondes et situé à l'extérieur de la cuve. En outre, dans les cas où le liquide contenu dans le guide d'ondes réagit avec l'atmosphère ou avec les matériaux constituant le transmetteur et dans le cas ou ce transmetteur doit être refroidi, le boîtier peut être rempli d'un liquide ne réagissant pas. en cas de fuites, avec celui contenu dans le guide d'ondes. Dans un tel montage, le guide d'ondes est fermé à ses deux extrémités par des disques d'étanchéité, transparents pour le train d'ondes et dont l'épaisseur est égale à la moitié de la longueur d'onde.
Le guide d'ondes peut être soudé sur le boîtier du transmetteur et etre rectiligne, ou être légèrement courbé selon la géométrie de la paroi de la cuve et la manière choisie pour faire traverser cette paroi par le guide d'ondes.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le guide d'ondes est constitué par un tube cylindrique droit pénétrant verticalement dans la cuve contenant le liquide et associé à un réflecteur de forme conique disposé en regard du tube et renvoyant le train d'ondes en direction du niveau à mesurer, dans l'espace compris entre le guide d'ondes et l'enveloppe cylindrique.
Par ailleurs, et selon une autre forme d'exécution particulière. le dispositif est muni de moyens permettant d'effectuer un étalonnage permanent de la mesure, en créant des réflexions à des niveaux dont les positions sont parfaitement connues le long du guide d'ondes et par rapport au transmetteur. A cet effet, I'enveloppe cylindrique supporte intérieurement des réflecteurs, montés à des niveaux connus, ces réflecteurs présentant chacun une surface plane réfléchissant les ondes ultra-sonores et disposée perpendiculairement à l'axe du guide d'ondes.
La description qui suit se rapporte à plusieurs exemples de réalisation, donnés à titre indicatif.
Sur le dessin annexé:
la fig. 1 est une vue schématique en coupe verticale d'un dispositif de mesure par ultra-sons, constituant une forme de réalisation de l'invention;
la fig. 2 est une vue en coupe à plus grande échelle, selon la ligne II-II de la fig. 1;
les fig. 3, 4 et 5 illustrent trois variantes pour le montage du dispositif par rapport à la paroi d'une cuve à l'intérieur de laquelle on désire mesurer un niveau liquide.
Comme on le voit sur la fig. 1, le dispositif considéré comporte principalement un tube vertical 1 de section droite circulaire constante sur toute sa longueur. Ce tube est rempli d'une quantité convenable d'un liquide auxiliaire 2 et est fermé à l'une et à l'autre de ses deux extrémités par deux plaquettes ou disques identiques 3 et 4 réalisant l'étanchéité du tube 1 vis-à-vis du milieu extérieur.
Le tube 1 est rendu solidaire d'un boîtier 5 à l'intérieur duquel est monté un appareil 6 émetteur-récepteur ou transmetteur d'ultra-sons, délivrant un train d'ondes longitudinales de fréquence f en direction du tube 1 jouant le rôle de guide d'ondes comme on le verra plus loin. Pour permettre au train d'ondes de pénétrer ou de sortir du tube I en traversant les plaquettes 3 et 4, celles-ci présentent une épaisseur égale à n- ou n= 1. 2, 3... ?. désignant la longueur d'onde, c'est-à-dire le quotient de la vitesse du son dans le matériau des plaquettes par la fréquence. Le transmetteur 6 comporte une collerette de support 7, immobilisée et centrée à l'intérieur du boîtier 5 au moyen de trois vis 8 permettant un réglage de position du transmetteur en liaison avec un ressort axial 9 qui s'appuie contre le fond 10 du boîtier.
Dans le cas où le liquide contenu dans le tube 1 réagit avec l'atmosphère ou avec les matériaux du transmetteur et dans le cas où le transmetteur doit être refroidi, le boîtier 5 est rempli d'un autre liquide qui, en cas de fuite, ne réagit pas avec celui contenu dans le tube 1. Une canalisation 11 traverse le boîtier et se raccorde par une tubulure 12 au tube 1, cette canalisation, normalement fermée par un bouchon 13, permettant le remplissage de ce tube avec le liquide 2. Le boîtier 5 comporte enfin dans sa surface externe des ailettes de refroidissement 14 et se termine par une bride 15 permettant la fixation de ce boîtier et du tube 1 qui lui est lié axialement, sur une bride 16 soudée à la paroi d'une cuve 50 qui contient un liquide 51 dont on désire mesurer la position du niveau 17.
Dans la suite de la description, on supposera que la cuve 50 est celle d'un réacteur nucléaire contenant un volume de sodium liquide 51 dont le niveau peut varier à l'intérieur de cette cuve. Le liquide auxiliaire 2 remplissant le tube 1 est de préférence constitué par le mélange eutectique sodium-potassium dont les propriétés au point de vue acoustique sont quasi analogues à celles du sodium liquide et qui ne se solidifie pas à la température ambiante. En outre, ce mélange eutectique ne réagit pas avec le sodium en cas de fuite à l'extérieur du tube 1. Enfin, le troisième liquide refroidissant le transmetteur 6 dans le boîtier 5 est constitué par du kérosène.
Le raccordement entre la bride 16 et la bride 15 s'effectue de façon étanche au moyen d'un soufflet métallique 18, permettant notamment d'encaisser les éventuelles différences de dilatation entre cette cuve et le tube 1. La fixation du dispositif par rapport à la cuve 50 est réalisée au moyen de trois vis 19 immobilisées par des écrous 20.
Le tube 1 pénètre verticalement dans la cuve à travers un orifice 21 de celle-ci et se prolonge vers le bas en plongeant dans le sodium liquide. A proximité de l'extrémité du tube 1 fermée par le disque 4 est placé un réflecteur 22 destiné à renvoyer les ondes ultra-sonores émises par le transmetteur 6 à travers le tube 1. Ce réflecteur comporte deux parties coniques 23 et 24 symétriques par rapport à l'axe du tube 1, et terminées chacune par un orifice 23a ou 24a permettant un écoulement continu du sodium contenu dans la cuve sur les parties coniques correspondantes 23 et 24. Le réflecteur 22 est fixé au moyen de vis telles que 25 dans un support 26 immobilisé par rapport à la bride 16.
A sa partie supérieure ce support 26 comporte un orifice 27 à travers lequel pénètre le tube 1 et se prolonge par une enveloppe tubulaire 28 disposée coaxialement autour du tube en ménageant entre la surface externe de celui-ci et sa propre surface interne un espace annulaire 29. Cet espace est rempli par le sodium contenu dans la cuve 50 jusqu'au niveau 17, grâce à des trous 30 ménagés dans la paroi de l'enveloppe 28 à des endroits donnés.
Enfin comme le montre plus en détail la vue en coupe de la fig. 2, l'enveloppe 28 comporte à des niveaux de référence, dont la distance par rapport au transmetteur 6 est parfaitement connue, des organes réflecteurs tels que 31. Ces organes réflecteurs, au nombre de trois sur la vue en coupe de la fig. 2, se présentent sous la forme de languettes demi-cylindriques orientées perpendiculairement à l'axe commun du tube 1 et de l'enveloppe 28 et comportant une face plane dirigée vers le réflecteur 22.
Les languettes 31, fixées de préférence sur la surface cylindrique et réparties uniformément suivant une hélice, ont nécessairement une largeur réduite et une longueur qui laisse un jeu minimum entre leur extrémité et la surface du guide d'ondes.
Le fonctionnement du dispositif qui vient d'être décrit est le suivant : pour mesurer la position du niveau 17 du sodium liquide contenu dans la cuve 50, on met en place dans celle-ci le dispositif représenté sur la fig. 1 en réalisant, grâce au soufflet métallique 18. l'étanchéité à la traversée de la paroi de cette cuve. Le tntnsmetteur 6 étant alimenté électriquement, un train d'ondes ultra sonores provenant d'un quartz-piézo-électrique e par exemple, parcourt le milieu liquide 2 (constitué par le mélange eutectique sodium-potassium) contenu dans le tube 1 en traversant sans atténuation notable les disques d'extrémité 3 et 4. Il est à noter que le train d'ondes lon gialdinales se déplaçant dans le guide n'est pas influencé par l'état de surface du tube I qui peut ainsi être quelconque.
Le train d'ondes après sortie du guide se réfléchit sur les parties coniques 23 et 24 du réflecteur 22 et parcourt dans le sodium en direction du niveau 17 parallèlement à l'axe du tube 1, l'espace 29 délimité entre ce tube et l'enveloppe extérieure 28, cette dernière ayant pour rôle de limiter les mouvements du sodium liquide qui risqueraient de perturber la mesure. Le train d'ondes se réfléchit ensuite sur le niveau 17 et parcourt le chemin inverse en revenant au transmetteur 6 par l'intermédiaire du tube 1 qui, de la sorte, a permis à l'aller comme au retour, la traversée de la paroi de la cuve sans atténuation notable.
Des appareils de mesure appropriés (non représentés) permettent enfin de définir, en fonction du temps nécessité pour un aller et retour complet d'un train d'ondes, la position du niveau liquide 17 dans la cuve par rapport à un niveau de référence connu et qui peut être déterminé au moyen des languettes 31. Ces dernières en effet permettent à tout moment un étalonnage du dispositif, définissant notamment les corrections à effectuer en raison des variations de la vitesse du son, dues aux gradients de température et aux changements éventuels dans la composition du sodium liquide.
Les fig. 3, 4 et 5 illustrent scllématiquement trois variantes possibles du montage du dispositif de mesure décrit ci-dessus, selon la position du tube 1 et du boîtier 5 contenant le transmetteur 6, par rapport à la cuve 50 dans laquelle on désire mesurer le niveau 17.
Dans le cas de la fig. 3, le tube l traverse verticalement le fond de la cuve ce qui élimine la nécessité du réflecteur renvoyant les ultra-sons vers le niveau à mesurer. Dans le cas de la fig. 4, le tube I traverse latéralement la cuve. puis est, à l'intérieur de celle-ci, convenablement courbé pour se terminer par une portion dirigée normalement au niveau dans la cuve. Dans le cas de la fig. 5 enfin, le tube I est associé à un réflecteur 32 en forme de prisme donnant une réflexion à 900 des ondes ultra-sonores à l'aller en direction du niveau à mesurer et au retour vers le transmetteur.