FR2559260A1 - Procede de mesure de temperature par ultrasons - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LES PROCEDES DE MESURE DE TEMPERATURE PAR ULTRASONS. ELLE SE RAPPORTE A UN PROCEDE DANS LEQUEL UN TRANSDUCTEUR 12 TRANSMET UN FAISCEAU D'ULTRASONS QUI EST REFLECHI PAR LES DEUX BORDS 10A, 10B DES SORTIES DE CANAUX DE CIRCULATION D'UN FLUIDE DE REFROIDISSEMENT. LE TEMPS SEPARANT LES ECHOS RECUS ET LA CONNAISSANCE DE LA DISTANCE SEPARANT LES POINTS DE REFLEXION PERMETTENT LE CALCUL DE LA VITESSE DU SON ET EN CONSEQUENCE DE LA TEMPERATURE DU FLUIDE QUI CIRCULE DANS LES CANAUX. APPLICATION A LA MESURE DE TEMPERATURE DU FLUIDE DE REFROIDISSEMENT DES REACTEURS SURREGENERATEURS.

Description

La présente invention concerne la mesure des

températures par ultrasons.

L'invention a été réalisée pour la résolution

des problèmes très délicats que pose la mesure des tempé-

ratures du fluide de refroidissement qui circule dans un réacteur nucléaire de fission à neutrons rapides,

refroidi par du sodium liquide. Le contrôle de la tempéra-

ture du fluide de refroidissement est non seulement primordial pour des questions normales de commande, mais est aussi primordial pour des raisons de sécurité

car les tendances et variations transitoires de tempéra-

tures peuvent laisser pressentir l'apparition d'incidents tels que l'interruption de la circulation du fluide de refroidissement, pouvant provoquer une fusion du

combustible nucléaire solide lorsque des actions correc-

trices préventives ne sont pas prises. On a considéré diverses solutions à ces problèmes, par exemple la mise en oeuvre des lectures des débitmètres ou des thermocouples ou la détection acoustique de l'ébullition du fluide de refroidissement. Cependant, lors de l'utilisation

de ces solutions connues, des incertitudes peuvent appa-

ra tre surtout lorsque le débit normal est faible ou lorsqu'il existe un courant transversal, un courant normal pouvant cacher un courant anormal. Ces incertitudes augmentent lorsque le dispositif de mesure de débit ou de température, comme cela est souvent le cas, ne peut pas être positionné avec précision aux emplacements donnant la plus grande sensibilité (qui sont habituellement les emplacements de sortie du courant des canaux délimités dans des zones globales) étant donné la présence de

problèmes d'accès ou d'obstacle.

Bien que la pratique actuelle ne présente pas de danger car la marge acceptable de sécurité peut être convenablement déterminée, l'amélioration des performances est constamment recherchée. L'invention permet l'obtention d'une meilleure qualité par utilisation d'ultrasons qui peuvent soit remplacer les systèmes connus soit les compléter. L'utilisation de techniques ultrasonores pour la mesure des températures est déjà bien connue comme décrit dans les brevets britanniques n 2 114 299, 2 002 118,

1 300 159, 1 202 182, 1 178 529, 1 178 385 et I 035 763.

Par exemple, le brevet des Etats-Unis d'Amérique

n 1 300 159 concerne plus précisément un dispositif de me-

sure ultrasonore de la température d'un métal liquide

de refroidissement à l'intérieur d'un réacteur nucléaire.

Un tel dispositif présente l'inconvénient de nécessiter une pénétration car la partie matérielle est disposée matériellement dans une position dans laquelle la mesure de température doit être réalisée et elle interfère

donc avec les conditions de circulation à cet emplacement.

L'invention concerne un procédé de mesure de température dans une masse de fluide, selon lequel des

ultrasons sont transmis par le fluide, et le temps néces-

saire pour que les ultrasons parcourent une distance connue est transformé en une valeur correspondante de

température, le procédé étant caractérisé en ce que, lors-

que la température doit être mesurée dans une ou plusieurs zones choisies à l'intérieur de la masse de fluide, cette zone ou ces zones sont délimitées par des éléments

disposés à une ou plusieurs distances connues-de sépara-

tion dans une structure de confinement de la masse de fluide, a) ces ultrasons sont lancés dans le fluide, à un emplacement qui n'est pas physiquement contigu à la zone ou aux zones précitées, si bien que les ultrasons se propagent vers ces zones et subissent une réflexion par lesdits éléments, et b) les ultrasons résultants qui sont renvoyés sont identifiés comme provenant d'une ou plusieurs zones particulières, le temps écoulé étant transformé en une

valeur de temperature.

L'invention repose sur le fait connu que la vitesse du son dans le sodium (ou dans une autre matière

liquide dans ce contexte), est fonction de sa température.

L'invention met en oeuvre des faisceaux d'ultrasons prove-

nant d'un ou plusieurs transducteurs ultrasonores inter-

rogateurs qui peuvent viser lesdits éléments (par exemple les faces opposées d'un canal contenant du combustible nucléaire, balayées par du sodium de refroidissement, ou des réflecteurs placés spécifiquement dans le canal). La mesure de la différence de temps entre les échos renvoyés à partir des éléments délimitant chaque zone, avec une connaissance de la distance séparant les éléments, permet le calcul de la vitesse du son et en conséquence de

la température moyenne entre ces points déterminés.

Il est aussi possible, étant donné le temps très court nécessaire à une mesure, de contrôler les fluctuations dans le temps ("bruit de température") qui est un procédé sensible pour la détection d'une surchauffe

locale. Les faisceaux provenant des transducteurs interro-

gateurs peuvent être dirigés afin qu'ils pénètrent ou qu'ils soient en incidence rasante, ce dernier cas étant très avantageux pour la mesure des températures à la

sortie d'un canal.

Lorsqu'un certain nombre de zones se trouve sur un axe commun qui peut être visé par le faisceau d'un seul transducteur interrogateur, un certain nombre de mesures de températures peut être effectué et présenté

ou enregistré simultanément.

Les transducteurs interrogateurs peuvent être individuels, pour chaque zone, ou peuvent être disposés par exemple sur un bras mobile, afin qu'ils balaient

de nombreuses zones.

D'autres caractéristiques et avantages de l'inven-

tion ressortiront mieux de la description qui va suivre,

faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: les figures 1 et 2 sont des vues schématiques en plan et en élévation illustrant la mise en oeuvre de l'invention en incidence rasante sur- des surfaces naturellement présentes; la figure 3 est une vue en plan d'un ensemble combustible pour réacteur à neutrons rapides dans lequel

une mesure de température des sous-ensembles surrégéné-

rateurs, à la périphérie du noyau, est contrôlée; la figure 4 est une vue schématique en plan illustrant l'analyse de la partie supérieure d'un sous- ensemble unique; la figure 5 est un graphique représentant la

variation de l'intensité de l'écho avec l'angle d'inci-

dence 8 du faisceau d'analyse; la figure 6 est un diagramme synoptique d'un circuit électronique destiné à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention; la figure 7 est une coupe schématique illustrant la mise en oeuvre de l'invention avec des réflecteurs particuliers; la figure 8 est une perspective de la partie supérieure d'un sous-ensemble; et la figure 9 est une coupe schématique d'un autre mode de réalisation, analogue à celui de la figure 7, mais mettant en oeuvre, comme réflecteurs, des parties

du sous-ensemble.

Sur les figures 1 et 2 des dessins, les parties supérieures d'un certain nombre de canaux ou enveloppes de sous-ensembles combustibles ou surrégénérateurs sont représentées et elles transmettent toutes du sodium liquide de refroidissement dans un volume global 11. Un transducteur ultrasonore d'interrogation 12, immergé dans du sodium liquide qui se trouve dans le volume 11, émet un faisceau 13 d'impulsions ultrasonores qui est étroit, comme l'indique la figure 1, mais relativement large comme représenté sur la figure 2. Ce faisceau se propage sur les extrémités de sortie des canaux 10 et des échos sont renvoyés par les bords diamétralement opposés 10A et 10B de chaque canal. Les bords peuvent

être considérés comme des paires de points de position-

nement. La mesure des intervalles de temps tl, t2 et t3 et la connaissance du diamètre des canaux permettent la

détermination de la température moyenne du sodium s'échap-

pant par les sorties des canaux 10, sans pénétration et avant que toute circulation transversale importante

puisse se manifester.

La figure 3 est une vue en plan d'un noyau d'un réacteur à neutrons rapides, sous forme d'un arrangement hexagonal de sous-ensembles de matériaux combustibles et surrégénérateurs. Les parties supérieures de ces sous-ensembles ont une forme cylindrique, les extrémités inférieures se terminant par des pointes destinées à coopérer avec une structure à grille du réacteur, et elles ont une section hexagonale sur le reste de leur longueur. Les sous-ensembles internes comprennent les dispositifs de commande et le combustible du réacteur,

les trois "anneaux" externes de sous-ensembles, c'est-à-

dire ceux qui sont en dehors du trait mixte 50, sont

destinés aux combustibles surrégénérateurs. La construc-

tion du réacteur, dans ce mode de réalisation, peut être telle que les températures des sous-ensembles internes

sont mesurées par des thermocouples, alors que les tempé-

ratures des sous-ensembles surrégénérateurs doivent

être mesurées par ultrasons.

Comme représenté, un dispositif S est destiné à émettre deux faisceaux ultrasonores B1 et B2. Il peut comporter des transducteurs immergés ou à guide d'onde,

convenant au sodium et travaillant en mode émission-

réception. Les faisceaux sont destinés à balayer les sous-ensembles externes surrégénérateurs par oscillation du dispositif S dans le sens horaire et dans le sens anti-horaire en alternance. Un dispositif analogue à S peut être placé à chaque sommet (ou à un sommet sur deux) de l'arrangement hexagonal afin que les dispositifs S puissent analyser collectivement tous les sous-ensembles

surrégénérateurs, à l'aide des faisceaux B1 et B2.

On décrit, en référence à la figure 4, le pro-

blème de l'examen des échos provenant d'un sous-ensemble

particulier afin que le fonctionnement du circuit électro-

nique utilisé pour la mesure apparaisse clairement.

Le faisceau ultrasonore de la source S d'analyse donne lieu à des échos du fait de la réflexion sur les "points hauts" sur la partie supérieure du sous-ensemble, en D1 et D2. Les durées correspondant aux échos T1 et T2 doivent être mesurées afin que leur difference puisse

être calculée pour la détermination de la température.

Une fois connue l'angle 0 du faisceau par rapport à une direction connue de référence et à l'aide des durées entre les impulsions et les échos, on peut calculer l'emplacement des points hauts D1 et D2 (c'est-à-dire des points auxquels les surfaces réfléchissantes sont perpendiculaires aux faisceaux) et porter ces valeurs sous forme d'une image ultrasonore de la région. En pratique, étant donné la divergence du faisceau, l'image obtenue à partir des points hauts est sous forme de deux "raies" I1 et I2. Il faut noter que, bien que l'image soit rayée, les échos parviennent toujours des points hauts mais ils peuvent être réfléchis à partir des rayons

des bords du faisceau réel.

L'orientation exacte des points hauts peut être déterminée par examen de l'intensité I du signal réfléchi. La figure 5 montre comment ce signal varie avec la direction du faisceau pour un point haut D1. Le signal maximal est obtenu lorsque le rayon central du faisceau est dirigé directement sur le point haut, et l'orientation du point D1 peut donc être déterminée d'après l'angle 0. La différence de temps T1 - T2 entre les signaux provenant de D1 et D2 donne une indication sur la vitesse du son et en conséquence sur la température du fluide, que les échos proviennent du rayon central

du faisceau ou non. Dans la plupart des cas, cette consi-

dération est valable mais, lorsque le faisceau n'est pas dirigé directement sur les points hauts, il peut aussi être réfléchi par un sousensemble adjacent et une certaine confusion entre les signaux peut exister. En conséquence, il est nécessaire d'identifier le moment o

les échos proviennent d'un faisceau convenablement dirigé.

Le circuit électronique destiné à identifier les échos et à donner les températures qui en sont déduites

est schématiquement représenté sur la figure 6. Le dispo-

sitif S d'analyse est commandé, dans son mouvement oscil-

lant, par un moteur 52 qui peut être un moteur pas à pas.

Dans cet exemple, le moteur est cependant considéré comme astable. Un codeur 54 de position monté sur le

dispositif mécanique d'entraînement permet la détermina-

tion à tout moment de la direction (0) du transducteur S d'analyse. Le processeur de commande 56 ("Intel" 8086) charge un générateur 58 de forme d'onde (Namlak type

VHR 2195) de données destinées à commander un transduc-

teur choisi, avec la configuration optimale d'impulsions pour la synchronisation précise des échos. La forme d'onde est alors transmise au transducteur choisi par

un multiplexeur, vers un circuit 62 de pilotage de trans-

ducteur. Les signaux des échos renvoyés, reçus par le transducteur sont transmis par un préamplificateur 64 et un multiplexeur 66 à un amplificateur 68 à réponse logarithmique. Celui-ci a une plage dynamique qui est par exemple de 60 à 70 dB, permettant le traitement de toute la gamme des échos réfléchis. Les échos séparés provenant des cibles se trouvant sur le trajet du faisceau ultrasonore sont détectés par le détecteur 70 de crête qui interroge alors une horloge 72 donnant un temps pour chaque écho. L'amplitude de l'écho est numérisée par un convertisseur analogique-numérique 74. Toutes les données correspondant à chaque écho, c'est-à-dire l'amplitude numérisée, le temps depuis l'impulsion du transducteur correspondant, et la position de l'appareil S d'analyse au moment de la réception de l'écho, sont conservées temporairement sous forme d'un "mot" unique

de données dans une mémoire 76 à pile. Chaque écho succes-

sif a ses données qui sont successivement rangées dans

la mémoire.

2 ms environ après, tous les échos intéressants correspondant à une impulsion émise par un transducteur particulier, ont été reçus, mais 5 ms supplémentaires par exemple s'ecoulent avant que tous les échos parasites aient disparu, le même transducteur ou un transducteur adjacent pouvant alors recevoir une impulsion. Pendant cette période, les données se trouvant dans la mémoire

76 sont extraites et interprétées. L'emplacement approxi-

matif des échos voulus est évidemment déjà connu. Un processeur de données 78 ("Intel" 8086) reconnaît les échos voulus, et conserve les données précises d'amplitude et de synchronisation, pour chaque signal, dans une table convenable d'une mémoire 80 à accès direct. Cette

mémoire conserve en fait toutes les données correspon-

dant à toutes les images de "raies" décrites précédemment, sous forme d'un tableau. Lorsque le dispositif d'analyse S se déplace et lorsque les transducteurs reçoivent les impulsions, ces tableaux sont remis à jour avec l'information la plus récente. Lorsque la pile 76 est vide, le processeur 56 de commande prépare l'impulsion

suivante et déclenche celle-ci.

La mémoire à accès direct 80 qui conserve les tables d'échos est du type à deux voies. Un processeur 82 d'analyse ("Intel" 8086) examine ces tables, déduit le signal maximal pour un écho particulier (c'est-à-dire la valeur de crête d'une "raie" (voir figure 5), calcule les différences de temps entre les échos convenables et les températures pour les ensembles combustibles

particuliers. Le processeur 82 peut travailler indépen-

damment du reste du système si bien qu'il peut partager son temps en fonction de divers objets. Par exemple, il peut consacrer plus de temps à l'examen des variations de la temperature (bruit de température) d'un sous-ensemble

particulier ou plus de temps au sous-ensemble surrégéné-

rateur dont la maîtrise est plus délicate. Il peut évidem-

ment donner des significations différentes aux températures déduites des différents ensembles, par exemple appliquer un seuil différent pour l'institution de différents

types de signaux de sortie (par exemple de signaux d'alar-

me) destinés à alerter les opérateurs et/ou à commander

automatiquement le réacteur.

Un processeur 84 de sortie ("Intel" 8087) peut commander des installations d'alarme et éventuellement d'arrêt du réacteur par l'intermédiaire de lignes 86 de sortie. En outre, divers dispositifs d'affichage et un dispositif de copie permanente peuvent être reliés par

des lignes de sortie 86 afin qu'ils donnent des informa-

tions et permettent des expériences.

La figure 7 représente un canal 30 de combustible

qui comporte à l'intérieur deux réflecteurs 30A et 30B.

Ceux-ci sont interrogés par un faisceau ultrasonore 33 provenant d'un transducteur 32, permettant la mesure de la température ou du bruit de température dans la région du canal, entre les réflecteurs. Le réflecteur A a une face horizontale (si bien qu'une partie du faisceau 33 est renvoyée le long du trajet d'incidence) et une face inclinée (si bien qu'une partie du faisceau 33 est renvoyée vers le réflecteur 30B). Ce réflecteur

30B a simplement une surface inclinée.

La figure 8 est une vue générale de la partie supérieure d'un sousensemble 90 d'un réacteur à neutrons rapides, et elle indique le bord supérieure 91 (qui

constitue la sortie du sous-ensemble et peut être cré-

nelée), une barre 92 d'orientation, une tuyauterie de détection 94 jouant le r6le d'une goupille qui peut se séparer par éclatement, et une plaque 96 qui retient le combustible surrégénérateur. Comme l'indique la figure 9, un transducteur 98 d'émission-réception peut être disposé (comme indiqué par les flèches 100) afin qu'il

reçoive des échos de deux ou plusieurs de ces dispositifs.

On peut donc obtenir la différence de temps et en consé-

quence une information de température nécessaire puisque les distances séparant les cibles 91, 92, 94 et 96 sont connues avec précision. Un transducteur peut donc être disposé afin qu'il donne simultanément des échos des

quatre cibles.

Dans tous les modes de réalisation décrits,

il faut noter que la source d'ultrasons n'est pas physi-

quement contiguë à la zone ou aux zones dans lesquelles les mesures de températures doivent être effectuées, c'est-à-dire que les ultrasons sont couplés à partir d'un emplacement éloigné jusqu'à une ou plusieurs zones, à travers le fluide lui-même, sans aucune structure intermédiaire qui pourrait perturber l'écoulement du

fluide dans ces zones.

REVE NDICATIONS

1. Procédé de mesure de la température dans une masse de fluide dans laquelle les ultrasons sont transmis, le temps nécessaire pour que les ultrasons parcourent une distance connue étant transformé en une valeur correspondante de température, ledit procédé étant caractérisé en ce que, lors de la mesure de la

température dans une ou plusieurs zones choisies à l'inté-

rieur de la masse de fluide, cette zone ou ces zones étant délimitées par des éléments (10A, 10OB) ayant une

ou plusieurs distances connues de séparation, à l'inté-

rieur d'une structure de confinement de la masse de fluide, a) des ultrasons sont lancés dans le fluide à un emplacement qui n'est pas contigu matériellement

à la zone ou aux zones précitées, si bien que les ultra-

sons se propagent vers ces zones et subissent une réflexion par lesdits éléments (1OA, 10B), et

b) les échos résultant des ultrasons sont identi-

fiés comme étant dérivés d'une ou plusieurs zones particu-

lières, le temps écoulé entre eux étant transformé en

une valeur de température.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits éléments (10A, 10B) sont constitués

par des parties de la structure de confinement.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments sont constitués par;des réflecteurs

(30A, 30B) fixés aux parties de la structure de confi-

nement. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé

en ce que la structure de confinement comprend un arran-

gement de canaux (10) sensiblement parallèles, destines à conduire du fluide et ayant des sorties sensiblement coplanaires, les ultrasons se propageant en direction générale transversale au courant du fluide provenant des sorties, en incidence rasante par rapport aux sorties, si bien que les réflexions s'effectuent sur les parties diamétralement opposées des bords des sorties, ces parties

des bords constituant lesdits éléments (1OA, 10B).

5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé

en ce que la structure de confinement comporte un arran-

gement de canaux sensiblement parallèles (90), conduisant du fluide et ayant des sorties sensiblement coplanaires (91), les ultrasons se propageant en direction sensi- blement longitudinale dans les canaux si bien que les réflexions s'effectuent sur des parties de structure (91, 92, 94, 96) ou sur des parties de structure portant

les réflecteurs, placées dans les canaux.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend le balayage des ultrasons sur la structure de confinement afin que des échos soient obtenus à partir de plusieurs zones placées à l'intérieur de la structure, les signaux reçus en échos étant analysés afin qu'ils soient associés

aux zones respectives.

7. Procédé selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 à 6, caractérisé en ce que la structure de confi-

nement est un réacteur nucléaire ayant un métal liquide

de refroidissement qui constitue ledit fluide.