FR2930342A1

FR2930342A1 - OPTICAL PROBE FOR DETERMINING SIZES OF A BIPHASIC FLOW.

Info

Publication number: FR2930342A1
Application number: FR0852601A
Authority: FR
Inventors: Ramine Baghai
Original assignee: R B I SARL
Current assignee: R B I SARL
Priority date: 2008-04-17
Filing date: 2008-04-17
Publication date: 2009-10-23
Also published as: WO2009138634A1; EP2271912A1

Abstract

L'invention concerne une sonde optique (5), comportant une fibre optique (51) associée à une pointe conique (53) de base (536) circulaire, la pointe présente au moins un épaulement (532) de révolution. L'invention concerne également un procédé et un système de détermination de grandeurs caractéristiques d'un écoulement biphasique utilisant une telle sonde.The invention relates to an optical probe (5), comprising an optical fiber (51) associated with a circular conical tip (53) (536) circular, the tip has at least one shoulder (532) of revolution. The invention also relates to a method and a system for determining characteristic quantities of a biphasic flow using such a probe.

Description

B8839 1 SONDE OPTIQUE POUR LA DÉTERMINATION DE GRANDEURS D'UN ÉCOULEMENT BIPHASIQUE B8839 1 OPTICAL PROBE FOR DETERMINING SIZES OF BIPHASIC FLOW

Domaine de l'invention L'invention concerne de façon générale les systèmes d'analyse de grandeurs caractéristiques d'un écoulement biphasique et, plus particulièrement, une sonde optique apte à fournir des signaux permettant de déterminer de telles grandeurs. L'invention s'applique plus particulièrement à un système capable de déterminer, parmi les grandeurs caractéristiques, au moins le taux de présence, la vitesse d'écoulement ou la taille de bulles de gaz dans une phase liquide ou de gouttes d'une phase liquide dans une autre phase liquide, (par exemple, des gouttes d'eau dans de l'huile). Exposé de l'art antérieur On utilise généralement les propriétés optiques du milieu en écoulement pour mesurer des grandeurs caractéristiques d'un écoulement biphasique. Les dispositifs correspondant comportent généralement des sondes optiques dont des fibres optiques sont utilisées comme guide de lumière et qui utilisent les propriétés de réflexion et de transmission par l'interface entre les deux phases du milieu suivant la valeur de leurs indices de réfraction respectifs. La sonde se termine par une pointe conique destinée à B8839 Field of the Invention The invention generally relates to systems for analyzing characteristic quantities of a biphasic flow and, more particularly, to an optical probe capable of providing signals making it possible to determine such quantities. The invention applies more particularly to a system capable of determining, among the characteristic quantities, at least the presence rate, the flow rate or the size of gas bubbles in a liquid phase or drops of a phase liquid in another liquid phase, (for example, drops of water in oil). DISCUSSION OF THE PRIOR ART The optical properties of the flowing medium are generally used for measuring characteristic quantities of a biphasic flow. The corresponding devices generally comprise optical probes whose optical fibers are used as a light guide and which use the reflection and transmission properties through the interface between the two phases of the medium according to the value of their respective refractive indices. The probe ends with a conical tip for B8839

2 être disposée dans l'écoulement biphasique. Quand une bulle arrive sur l'extrémité de la pointe, les conditions de réflexion sont modifiées en raison du changement d'indice de réfraction du milieu en contact avec la pointe. En pratique, la variation d'indice entre un gaz et un liquide est de l'ordre de 30 % (de moins pour le liquide). Il en découle qu'en présence de gaz, une quantité de lumière plus faible sort de la pointe de la sonde. Par conséquent, le niveau de retour de la lumière dans la fibre optique est plus important. Grâce à la forme conique, le flux lumineux est concentré à l'extrémité de la pointe. Il en découle qu'un changement de milieu au niveau de l'extrémité de la pointe se traduit par un brusque changement du flux lumineux de retour. Un dispositif de mesure connecté à l'autre extrémité de la fibre optique permet de détecter ce changement et de le traduire en signal électrique. L'interprétation de ce signal permet de déterminer que la pointe a traversé une bulle dans l'écoulement. Une mesure continue sur un intervalle de temps donné permet de déterminer une grandeur dite "taux de vide" ou "taux de présence" de l'écoulement qui représente le rapport du volume gazeux sur le volume total. Pour déterminer des grandeurs telles que la vitesse de l'écoulement et la taille des bulles, on utilise généralement deux sondes. La figure 1 représente de façon très schématique un exemple d'un système utilisant deux sondes 1 et 1'. Chaque sonde 1, 1' comporte une fibre optique 11, 11' dont une première extrémité est raccordée par un connecteur optique 12, 12' à un boîtier 2. Ce boîtier 2 comporte deux sources de lumière 21 et 21' aptes à émettre de la lumière au départ des deux fibres optiques respectives 11 et 11'. Deux lames semi-transparentes 22 et 22' sont respectivement associées à chaque trajet lumineux de façon à renvoyer vers des photorécepteurs 23 et 23' le flux réfléchi par chaque fibre optique. Chaque fibre optique 11, 11' reçoit à son extrémité une pointe 13, 13', par exemple en verre, et des gaines 14 et 14' entourent généralement les fibres optiques 11 B8839 2 be arranged in the biphasic flow. When a bubble arrives on the end of the tip, the reflection conditions are changed due to the change in refractive index of the medium in contact with the tip. In practice, the index variation between a gas and a liquid is of the order of 30% (less for the liquid). As a result, in the presence of gas, a smaller amount of light emerges from the tip of the probe. Therefore, the level of light return in the optical fiber is greater. Thanks to the conical shape, the luminous flux is concentrated at the end of the tip. It follows that a change of medium at the end of the tip results in a sudden change in the return light flux. A measuring device connected to the other end of the optical fiber makes it possible to detect this change and translate it into an electrical signal. The interpretation of this signal makes it possible to determine that the tip has passed through a bubble in the flow. Continuous measurement over a given time interval makes it possible to determine a quantity called "void rate" or "rate of presence" of the flow which represents the ratio of the gas volume to the total volume. To determine quantities such as flow velocity and bubble size, two probes are generally used. Figure 1 very schematically shows an example of a system using two probes 1 and 1 '. Each probe 1, 1 'comprises an optical fiber 11, 11' whose first end is connected by an optical connector 12, 12 'to a housing 2. This housing 2 comprises two light sources 21 and 21' able to emit light. light from the two respective optical fibers 11 and 11 '. Two semi-transparent plates 22 and 22 'are respectively associated with each light path so as to send back to photoreceptors 23 and 23' the flux reflected by each optical fiber. Each optical fiber 11, 11 'receives at its end a point 13, 13', for example made of glass, and sheaths 14 and 14 'generally surround the optical fibers 11 B8839

3 et 11' en laissant libre les pointes 13 et 13'. Les pointes 13 et 13' sont destinées à être placées dans l'écoulement biphasique à mesurer. En pratique, ces pointes sont généralement placées dans un tube ou conduit 3 dans lequel s'écoule le fluide, la traversée de la paroi du conduit s'effectuant par l'intermédiaire d'éléments d'étanchéité 31 et 31'. Les signaux récupérés par les photorécepteurs 23 et 23' sont, le cas échéant après prétraitement, transmis à un dispositif de traitement 4, par exemple, de type microordinateur pourvu d'une unité centrale 41 et de périphériques d'entrée/sortie (par exemple écran 42, clavier 43, souris 44, etc.). Les deux pointes 13 et 13' sont placées sur une même ligne de l'écoulement dont le sens est symbolisé par une flèche F pour qu'une bulle gazeuse g atteignant la première pointe 13' dans le sens de d'écoulement ait de fortes chances d'atteindre ensuite la deuxième pointe 13. La figure 2 illustre, sous forme de chronogrammes, un exemple d'allure de signaux électriques S' et S fournis par les photodétecteurs 23' et 23. Lorsqu'une bulle g est "embrochée" par l'extrémité de la pointe 13', la seule modification sur la lumière sortant de la pointe est liée à la variation d'indice du milieu entre le liquide et le gaz (l'angle d'attaque du flux lumineux sur l'intérieur de la pointe depuis la fibre optique reste inchangé). La diminution d'indice entre forme liquide et forme gazeuse provoque une brusque élévation de la quantité de lumière réfléchie et captée par le photodétecteur. Cela se traduit sur le signal S' par un créneau d'amplitude plus élevée. La durée T' du créneau dépend de la taille de la bulle et l'écart R entre les créneaux respectifs sur les signaux S et S' dépend de la distance d (figure 1) entre les pointes et de la vitesse de l'écoulement. Connaissant la distance d entre les pointes, l'écart temporel R entre les deux créneaux dans les signaux S et S' permet d'obtenir la vitesse de l'écoulement V = d/R. En pratique, pour tenir compte des turbulences dans B8839 3 and 11 'leaving free the points 13 and 13'. The tips 13 and 13 'are intended to be placed in the biphasic flow to be measured. In practice, these tips are generally placed in a tube or duct 3 in which the fluid flows, the passage of the duct wall being effected by means of sealing elements 31 and 31 '. The signals recovered by the photoreceptors 23 and 23 'are, if appropriate after pretreatment, transmitted to a processing device 4, for example of the microcomputer type provided with a central unit 41 and input / output peripherals (for example screen 42, keyboard 43, mouse 44, etc.). The two points 13 and 13 'are placed on the same line of the flow whose direction is symbolized by an arrow F so that a gaseous bubble g reaching the first point 13' in the direction of flow has a high probability to then reach the second point 13. FIG. 2 illustrates, in the form of timing diagrams, an example of the appearance of electrical signals S 'and S provided by the photodetectors 23' and 23. When a bubble g is "plugged" by the end of the tip 13 ', the only change in the light emerging from the tip is related to the change in the index of the medium between the liquid and the gas (the angle of attack of the luminous flux on the interior of the the tip from the optical fiber remains unchanged). The decrease in index between liquid form and gaseous form causes a sudden rise in the amount of light reflected and captured by the photodetector. This is reflected on the signal S 'by a slot of higher amplitude. The duration T 'of the slot depends on the size of the bubble and the distance R between the respective slots on the signals S and S' depends on the distance d (FIG. 1) between the peaks and the speed of the flow. Knowing the distance d between the points, the time difference R between the two slots in the signals S and S 'makes it possible to obtain the speed of the flow V = d / R. In practice, to account for turbulence in B8839

4 l'écoulement, les signaux sont traités par des algorithmes d'autocorrélation statistiques pour déterminer la vitesse. Connaissant la vitesse de l'écoulement, on peut alors déterminer la taille des bulles en exploitant le fait que les pointes 13 et 13' des sondes 1 et 1' ne coupent pas forcément la bulle sur un diamètre mais plus probablement sur une corde. Tous ces calculs statistiques sont effectués par des outils informatiques. Pour des applications à haute pression et haute température, les pointes utilisées sont généralement en saphir. Le saphir est préféré aux pointes en verre collées sur les extrémités des fibres optiques car il peut être soudé à du métal (donc sur la gaine entourant la fibre optique) alors que les pointes en verre qui ne peuvent être que collées par un liant optique ne tiennent pas pour des pressions et températures élevées (plus de 80° C et plus de 0,5 MégaPascal). Une pointe en saphir convient jusqu'à des températures de plusieurs centaines de degrés et des pressions allant jusqu'à 15 à 20 MégaPascals. Un inconvénient des systèmes à deux sondes réside dans le doublement des éléments donc des coûts. Un autre inconvénient est que ces systèmes requièrent un étalonnage particulier lors de la mise en place en raison de l'écart entre les pointes qui doit être connus de façon précise pour l'exploitation des mesures. In flow, the signals are processed by statistical autocorrelation algorithms to determine the velocity. Knowing the speed of the flow, we can then determine the size of the bubbles by exploiting the fact that the tips 13 and 13 'of the probes 1 and 1' do not necessarily cut the bubble on a diameter but more likely on a rope. All these statistical calculations are performed by computer tools. For high pressure and high temperature applications, the tips used are generally sapphire. Sapphire is preferred to glass tips stuck on the ends of optical fibers because it can be welded to metal (thus on the sheath surrounding the optical fiber) while glass tips that can only be glued by an optical binder do not not stand for high pressures and high temperatures (over 80 ° C and over 0.5 MegaPascal). A sapphire tip is suitable for temperatures of several hundred degrees and pressures up to 15 to 20 megaPascals. A disadvantage of two-probe systems lies in the doubling of the elements and therefore the costs. Another disadvantage is that these systems require a particular calibration during the implementation due to the gap between the tips which must be known precisely for the operation of the measurements.

Résumé de l'invention Il serait souhaitable de pouvoir mesurer les grandeurs caractéristiques d'un écoulement biphasique et notaituttent la vitesse d'écoulement en utilisant une seule sonde optique. Il serait également souhaitable de disposer d'une sonde optique supportant des pressions et températures élevées. Pour atteindre tout ou partie de ces objets ainsi que d'autres, il est prévu une sonde optique comportant une fibre optique associée à une pointe conique de base circulaire, dans laquelle la pointe présente au moins un épaulement de révo- lution. SUMMARY OF THE INVENTION It would be desirable to be able to measure the characteristic quantities of a biphasic flow and note the flow rate using a single optical probe. It would also be desirable to have an optical probe supporting high pressures and temperatures. To achieve all or part of these and other objects, there is provided an optical probe comprising an optical fiber associated with a conical tip of circular base, wherein the tip has at least one shoulder of revolution.

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Selon un mode de réalisation, la pointe est en saphir ou en diamant. Selon un mode de réalisation, une portion cylindrique est présente au niveau de l'épaulement. 5 Selon un mode de réalisation, l'épaulement provoque un changement de section représentant entre 10 et 50 % du diamètre au niveau de cet épaulement. Selon un mode de réalisation, la fibre optique est gainée d'une gaine métallique à laquelle la pointe est tenue par soudure. Selon un mode de réalisation, la base de la pointe est à une extrémité de la fibre optique. Selon un mode de réalisation, la pointe se prolonge par d'une portion cylindrique rigide dont l'extrémité est à une 15 extrémité de la fibre optique. Il est également prévu un procédé de détermination de grandeurs caractéristiques d'un écoulement biphasique exploitant un signal représentatif d'un flux lumineux réfléchi par une sonde optique, comportant au moins une étape de détermination, à 20 l'apparition d'un créneau dans ce signal, de la durée d'une première marche représentative de la longueur d'un tronçon de la pointe. Selon un mode de mise en oeuvre, ladite détermination sert à obtenir la vitesse de l'écoulement. Selon un mode de mise en oeuvre, la connaissance de la vitesse et de la durée totale du créneau sert à déterminer la taille de la bulle. Il est également prévu un système de détermination de grandeurs caractéristiques d'un écoulement biphasique, comportant : au moins une sonde optique ; au moins une interface optique pourvue de moyens d'émission d'un flux lumineux en regard de l'extrémité de la fibre optique opposée à la pointe, et d'un photodétecteur du flux lumineux en retour ; et 25 30 B8839 According to one embodiment, the tip is sapphire or diamond. According to one embodiment, a cylindrical portion is present at the shoulder. According to one embodiment, the shoulder causes a section change representing between 10 and 50% of the diameter at this shoulder. According to one embodiment, the optical fiber is sheathed with a metal sheath to which the tip is held by welding. According to one embodiment, the base of the tip is at one end of the optical fiber. According to one embodiment, the tip is extended by a rigid cylindrical portion whose end is at one end of the optical fiber. There is also provided a method for determining characteristic quantities of a biphasic flow using a signal representative of a luminous flux reflected by an optical probe, comprising at least one determination step, at the occurrence of a slot in this region. signal, the duration of a first step representative of the length of a section of the tip. According to one embodiment, said determination serves to obtain the speed of the flow. According to one embodiment, the knowledge of the speed and the total duration of the slot is used to determine the size of the bubble. There is also provided a system for determining characteristic quantities of a biphasic flow, comprising: at least one optical probe; at least one optical interface provided with means for emitting a luminous flux opposite the end of the optical fiber opposite to the tip, and a photodetector of the luminous flux in return; and 25 B8839

6 des moyens de traitement d'au moins un signal fourni par le photodétecteur. Selon un mode de réalisation, le système est appliqué à des écoulements biphasiques à haute pression ou à haute tempé- rature. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : Les figures 1 et 2 qui ont été décrites précédemment sont destinées à exposer l'état de la technique ; la figure 3 est une vue schématique en coupe transversale d'un mode de réalisation d'une pointe de sonde optique ; la figure 4 est une représentation schématique d'un dispositif de mesure de grandeurs caractéristiques d'un écoule-ment biphasique ; les figures 5A et 5B illustrent le fonctionnement du dispositif de la figure 4 ; la figure 6 est une vue en coupe transversale d'un autre mode de réalisation d'une pointe d'une sonde optique ; la figure 7 représente partiellement des variantes de réalisation d'une pointe d'une sonde optique ; la figure 8 représente un autre mode de réalisation 25 d'une pointe d'une sonde optique ; et la figure 9 représente un autre mode de réalisation d'une sonde optique dans son environnement fonctionnel. De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures. 30 Description détaillée Par souci de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension de l'invention ont été représentés et seront décrits. En particulier, l'interprétation et l'exploitation des mesures n'ont pas été détaillées, l'invention étant compatible avec les 35 outils usuels d'interprétation et d'exploitation de mesures dans B8839 6 means for processing at least one signal provided by the photodetector. According to one embodiment, the system is applied to biphasic flows at high pressure or at high temperature. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS These and other objects, features, and advantages will be set forth in detail in the following description of particular embodiments in a non-limiting manner with reference to the accompanying figures, in which: FIGS. have been previously described are intended to expose the state of the art; Figure 3 is a schematic cross-sectional view of an embodiment of an optical probe tip; FIG. 4 is a schematic representation of a device for measuring characteristic quantities of a biphasic flow; Figs. 5A and 5B illustrate the operation of the device of Fig. 4; Fig. 6 is a cross-sectional view of another embodiment of a tip of an optical probe; FIG. 7 partially represents variant embodiments of a tip of an optical probe; Figure 8 shows another embodiment of a tip of an optical probe; and Figure 9 shows another embodiment of an optical probe in its functional environment. The same elements have been designated with the same references in the various figures. DETAILED DESCRIPTION For the sake of clarity, only the elements useful for understanding the invention have been shown and will be described. In particular, the interpretation and operation of the measurements have not been detailed, the invention being compatible with the usual tools for interpretation and operation of measurements in B8839.

7 un écoulement biphasique. De plus, les différents types d'écoulement auxquels peut s'appliquer l'invention n'ont pas non plus été détaillés, l'invention étant là encore compatible avec toute application usuelle d'une sonde optique de détermination de grandeurs dans un écoulement biphasique. La figure 3 est une vue partielle en coupe d'un mode de réalisation d'une sonde optique 5 côté pointe. La figure 4 représente de façon très schématique un mode de réalisation d'un système de détermination de grandeurs caractéristiques d'un écoulement biphasique utilisant une pointe du type de celle illustrée en figure 3. Dans cet exemple, la sonde comporte comme précédemment une fibre optique 51 entourée d'une gaine 54 jusqu'à une extrémité à laquelle est rapportée une pointe 53 destinée à se trouver en présence de l'écoulement biphasique à mesurer. L'autre extrémité (non représentée en figure 3) de la fibre optique 51 est destinée à être raccordée à un boîtier d'interface 6 (figure 4). Ce boîtier comporte une source optique 63 placée en regard du départ de la fibre optique 51. Une lame semiréfléchissante est placée sur le parcours du flux lumineux. Le cas échéant, un dispositif de focalisation (non représenté) est intercalé sur le trajet optique. Le niveau de retour de la lumière réfléchie par la lame semitransparente 62 est, le cas échéant après que la lumière ait été également focalisée par un dispositif à lentilles (non représenté), détecté par un photo-récepteur 61. Ce photorécepteur 61 est associé à un circuit de mise en forme qui délivre un signal S (par exemple une tension) représentant la variable caractéristique de phase de l'écoulement. Cette variable décrit l'écoulement biphasique et définit, en un point et un instant donné, si ce point se trouve dans une phase ou dans une autre. Le signal S est exploité de façon usuelle par un système de traitement numérique 4 (non représenté en figure 4), par exemple un microordinateur. 7 a biphasic flow. In addition, the different types of flow to which the invention can be applied have also not been detailed, the invention being again compatible with any usual application of an optical probe for determining quantities in a biphasic flow. . Fig. 3 is a partial sectional view of an embodiment of a tip-side optical probe. FIG. 4 very schematically represents an embodiment of a system for determining quantities characteristic of a biphasic flow using a tip of the type of that illustrated in FIG. 3. In this example, the probe comprises, as previously, an optical fiber. 51 surrounded by a sheath 54 to an end to which is reported a point 53 intended to be in the presence of the biphasic flow to be measured. The other end (not shown in FIG. 3) of the optical fiber 51 is intended to be connected to an interface box 6 (FIG. 4). This housing comprises an optical source 63 placed opposite the departure of the optical fiber 51. A semireflective blade is placed on the path of the luminous flux. If necessary, a focusing device (not shown) is interposed on the optical path. The level of return of the light reflected by the semitransparent plate 62 is, if appropriate after the light has also been focused by a lens device (not shown), detected by a photoreceptor 61. This photoreceptor 61 is associated with a shaping circuit which outputs a signal S (eg a voltage) representing the characteristic phase variable of the flow. This variable describes the biphasic flow and defines, at a given point and time, whether this point is in one phase or another. The signal S is used in the usual way by a digital processing system 4 (not shown in FIG. 4), for example a microcomputer.

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8 La pointe 53 de la sonde 5 a une forme particulière en ce qu'elle présente, à une distance dl de son extrémité libre 531, un épaulement 532 ou changement de section dans sa forme générale conique à base circulaire. Cet épaulement 532 sépare une partie d'extrémité ou tête 534 de la pointe 53 d'une partie ou pied 536 dont la base circulaire est rapportée à l'extrémité de la fibre optique 51. L'angle î du cône est de préférence le même pour les deux tronçons 534 et 535 de la pointe. D'un point de vue structurel, la pointe 53 est en saphir ou en diamant, ce qui permet un usinage de l'épaulement 532 de révolution circulaire qui ne serait pas possible avec la fibre optique elle-même ou avec du verre, en raison du faible diamètre en jeu. En effet, le diamètre de la fibre 51 est de quelques centaines de micromètres (par exemple entre 200 et 800 micromètres). Comme l'illustre la figure 4, la sonde 5 est placée dans l'écoulement biphasique (dans la conduite 3) de façon usuelle en traversant un élément d'étanchéité 31. Toutefois, dans cet exemple où la sonde pénètre transversalement dans un tronçon rectiligne de la conduite, la sonde 5 est conformée de telle sorte que l'axe 537 de la pointe conique 53 est approximativement parallèle à la direction (flèche F, figure 4) de l'écoulement, et que son extrémité libre 531 soit orientée pour faire face à la direction de l'écoulement. The tip 53 of the probe 5 has a particular shape in that it has, at a distance d1 from its free end 531, a shoulder 532 or sectional change in its generally conical shape with a circular base. This shoulder 532 separates an end or head portion 534 from the tip 53 of a portion or foot 536 whose circular base is attached to the end of the optical fiber 51. The angle θ of the cone is preferably the same for the two sections 534 and 535 of the tip. From a structural point of view, the point 53 is sapphire or diamond, which allows a machining of the shoulder 532 of circular revolution that would not be possible with the optical fiber itself or with glass, because In fact, the diameter of the fiber 51 is a few hundred microns (for example between 200 and 800 micrometers). As illustrated in FIG. 4, the probe 5 is placed in the biphasic flow (in the pipe 3) in the usual way by passing through a sealing element 31. However, in this example where the probe penetrates transversely into a rectilinear section of the pipe, the probe 5 is shaped such that the axis 537 of the conical tip 53 is approximately parallel to the direction (arrow F, FIG. 4) of the flow, and that its free end 531 is oriented to make facing the direction of the flow.

Dans le cas où l'interface fibre-pointe est située à l'intérieur du conduit 3, et pour résister aux pressions et températures élevées auxquelles est particulièrement destinée la sonde optique, on profite de la possibilité de souder le saphir sur une gaine métallique 54 de sorte que cette gaine dépasse de l'extrémité de la fibre optique pour entourer le début de la base de la pointe 53 et y être soudée en périphérie. En variante, si les températures le permettent, la pointe est tenue par un liant optique (par exemple, une résine époxy) entre l'extrémité de la fibre optique et la base 536 du saphir. In the case where the fiber-tip interface is located inside the duct 3, and to withstand the high pressures and temperatures for which the optical probe is particularly intended, we take advantage of the possibility of welding the sapphire on a metal sheath 54 so that this sheath protrudes from the end of the optical fiber to surround the beginning of the base of the tip 53 and be welded peripherally thereto. Alternatively, if temperatures permit, the tip is held by an optical binder (e.g., an epoxy resin) between the end of the optical fiber and the base 536 of the sapphire.

L'écart entre l'extrémité libre 541 de la gaine métallique et B8839 The gap between the free end 541 of the metallic sheath and B8839

9 l'épaulement 532 définit une deuxième distance dO de la pointe conique 53. Cette distance dO entre le changement de section et la base de la pointe (donc l'extrémité de la fibre optique) ou entre ce changement de section et l'extrémité libre 541 de la gaine 54 n'influence pas le fonctionnement. Les figures 5A et 5B illustrent le fonctionnement de la pointe de la figure 3. La figure 5A représente un exemple d'allure d'un signal de tension S fourni par le boîtier d'inter-face 6 à l'apparition d'une bulle de gaz g embrochée par la pointe 53. La figure 5B illustre schématiquement trois positions successives de la bulle de gaz. Comme précédemment, le changement d'indice, lorsque la bulle de gaz est embrochée (situation gauche de la figure 5B) par l'extrémité 531 du tronçon d'extrémité 534 de la pointe 53, provoque une augmentation brusque du niveau du signal S vers une première tension V1. Tant que la bulle n'a pas atteint l'épau- lement 532 (dans l'exemple, pendant une durée Ti), le niveau reste approximativement stable. Puis, lorsque la bulle g atteint l'épau- lement 532 (situation centrale de la figure 5B), la partie du flux lumineux qui sort de la pointe 53 par la singularité de l'épaulement (qui crée une deuxième zone de concentration du flux) subit le changement d'indice de réfraction. Par consé- quent, la quantité de lumière réfléchie subit un changement suf- fisamment important pour être détecté. Le signal S passe alors à un deuxième niveau supérieur V2. Tant que la pointe reste dans la bulle, le niveau du signal S reste approximativement stable au niveau V2 (dans l'exemple, pendant une durée T2). Dès que la bulle g libère l'extrémité 531 de la pointe (situation droite de la figure 5B), le niveau du signal S redevient à VO. En pratique, et selon la proportion du flux qui est concentrée à l'arête de l'épaulement 532, le niveau peut ne redescendre qu'à un niveau VO' (en pointillé en figure 5A) intermédiaire entre les niveaux VO et V1 (plus proche de VO). Toutefois, ce niveau sera le plus souvent assimilé à du bruit et filtré par les B8839 9 the shoulder 532 defines a second distance dO of the conical tip 53. This distance dO between the change of section and the base of the tip (therefore the end of the optical fiber) or between this section change and the end free 541 of the sheath 54 does not influence the operation. FIGS. 5A and 5B illustrate the operation of the tip of FIG. 3. FIG. 5A shows an example of the appearance of a voltage signal S supplied by the inter-face case 6 to the appearance of a bubble. g gas skewed by the tip 53. Figure 5B schematically illustrates three successive positions of the gas bubble. As before, the index change, when the gas bubble is plugged (left situation of Figure 5B) by the end 531 of the end portion 534 of the tip 53, causes a sudden increase in the level of the signal S towards a first voltage V1. As long as the bubble has not reached the shoulder 532 (in the example, for a duration Ti), the level remains approximately stable. Then, when the bubble g reaches the shoulder 532 (center position of FIG. 5B), the portion of the luminous flux coming out of the tip 53 by the singularity of the shoulder (which creates a second flux concentration zone) ) undergoes the change in refractive index. As a result, the amount of reflected light undergoes a change that is large enough to be detected. The signal S then goes to a second higher level V2. As long as the tip remains in the bubble, the level of signal S remains approximately stable at level V2 (in the example, for a duration T2). As soon as the bubble g releases the end 531 of the tip (right situation of FIG. 5B), the level of the signal S becomes VO again. In practice, and according to the proportion of the flux which is concentrated at the edge of the shoulder 532, the level can only come down again at a level VO '(dashed in FIG. 5A) intermediate between the levels VO and V1 (plus close to VO). However, this level will most often be likened to noise and filtered by the B8839

10 circuits électroniques d'interprétation des mesures, voire par le photodétecteur lui-même. La durée totale T du créneau du signal S représente la durée pendant laquelle la pointe est dans la bulle de gaz. La première marche M1 du créneau est présente pendant une durée T1 représentative de la durée pendant laquelle la bulle g n'est embrochée que sur la tête 534 de la pointe 53. La deuxième marche M2 est présente pendant une durée T2 représentant la durée pendant laquelle la pointe est dans la bulle de gaz par ses deux tronçons. La différence de niveau h entre les niveaux de tension V2 et V1 est fonction de l'importance e (figure 3) du changement de section de la pointe. Plus ce changement de section est grand, plus la différence de niveau h est importante. 10 electronic circuits of interpretation of the measurements, even by the photodetector itself. The total duration T of the signal S slot represents the duration during which the tip is in the gas bubble. The first step M1 of the slot is present for a duration T1 representative of the duration during which the bubble g is only plugged on the head 534 of the tip 53. The second step M2 is present for a duration T2 representing the duration during which the tip is in the gas bubble by its two sections. The difference in level h between the voltage levels V2 and V1 is a function of the magnitude e (FIG. 3) of the section change of the tip. The larger the section change, the greater the difference in level h.

Les dimensions de la pointe sont choisies en fonction de la taille moyenne des bulles attendues dans l'écoulement. La pointe doit en effet être suffisamment fine pour "embrocher" les bulles. Un angle î au sommet de la pointe 53 compris entre 10 et 30°(de préférence entre 15 et 20°) convient à la plupart des applications. L'angle î n'a pas besoin d'être modifié par rapport aux sondes usuelles. Un épaulement 532 provoquant un changement de section représentant entre environ 10 et 50 % (de préférence entre 20 et 40 %) du diamètre de la pointe conique au niveau de l'épaulement permet une interprétation correcte dans la plupart des cas. Plus ce pourcentage est faible, plus le signal S présente une faible différence de hauteur h entre les marches M1 et M2, donc risque d'être pollué par du bruit. The dimensions of the tip are chosen according to the average size of the bubbles expected in the flow. The tip must indeed be thin enough to "plug" the bubbles. An angle at the top of tip 53 between 10 and 30 ° (preferably between 15 and 20 °) is suitable for most applications. The angle does not need to be modified with respect to the usual probes. A shoulder 532 causing a sectional change of between about 10 and 50% (preferably 20 to 40%) of the diameter of the conical tip at the shoulder allows correct interpretation in most cases. The lower this percentage, the more the signal S has a small difference in height h between the steps M1 and M2, so may be polluted by noise.

Alors qu'avec une pointe conique usuelle, il n'était pas possible de mesurer la vitesse d'écoulement, la structure particulière de la pointe prévue permet, dans une sonde mono-fibre et monopointe, de déduire aisément la vitesse de l'écoulement. En effet, connaissant la distance d1 (la hauteur de la tête 534 de la pointe 53), la mesure de l'intervalle temporel B8839 Whereas with a conventional conical tip, it was not possible to measure the flow velocity, the particular structure of the planned tip allows, in a mono-fiber and monopoint probe, to easily deduce the velocity of the flow. . Indeed, knowing the distance d1 (the height of the head 534 of the tip 53), the measurement of the time interval B8839

11 T1, qui correspond au temps que met la corde de la bulle embrochée par l'extrémité 531 de la pointe 53 pour atteindre l'épaulement 532, permet de déduire la vitesse de l'écoulement (V = d1/T1). Par suite, l'exploitation de la durée totale T du créneau dans le niveau de tension S permet de déterminer, en utilisant les outils habituels de corrélation statistique et de correction mathématique pour passer de la mesure d'une corde d'une sphère à la détermination de son diamètre, la taille des bulles de gaz. 11 T1, which corresponds to the time taken by the chord of the bubble plugged by the end 531 of the tip 53 to reach the shoulder 532, allows to deduce the speed of the flow (V = d1 / T1). As a result, the exploitation of the total duration T of the slot in the voltage level S makes it possible to determine, by using the usual tools of statistical correlation and mathematical correction to pass from the measurement of a chord of a sphere to the determination of its diameter, the size of the gas bubbles.

On notera que la distance dl doit être déterminée de façon précise et peut, selon les tolérances d'usinage, requérir un étalonnage. Toutefois, il ne s'agit pas d'un étalonnage en situation mais d'une mesure de dimensions sur la pointe elle-même. It should be noted that the distance d1 must be determined accurately and may, depending on the machining tolerances, require calibration. However, it is not a calibration in situation but a measurement of dimensions on the tip itself.

La distance d0 n'a pas d'importance. Elle se déduit de la distance dl, du diamètre de la base de la pointe, de l'angle au sommet de la forme conique et de la profondeur d'enfoncement de la pointe dans la gaine 54. La distance d0 sera généralement plus liée à des contraintes mécaniques de fabrication. The distance d0 does not matter. It is deduced from the distance d1, the diameter of the base of the tip, the angle at the apex of the conical shape and the depth of depression of the point in the sheath 54. The distance d0 will generally be more related to mechanical manufacturing constraints.

Un avantage qu'il y a à prévoir un épaulement de révolution (faisant tout le tour de la pointe) par rapport à une simple encoche ponctuelle est que cela permet de détecter une bulle qui est embrochée par une corde proche de sa périphérie et qui risquerait autrement de ne pas franchir l'encoche. An advantage of providing a shoulder of revolution (all around the tip) with respect to a single point notch is that it detects a bubble that is plugged by a rope near its periphery and that would risk otherwise not to cross the notch.

Selon un exemple particulier de réalisation, une pointe 53 en saphir peut être réalisée avec les dimensions suivantes : diamètre de la base 536 correspondant au diamètre de l'extrémité de la fibre optique 51 de quelques centaines de 30 micromètres, par exemple de l'ordre de 400 microns ; longueur dl du tronçon d'extrémité 534 de quelques centaines de micromètres (par exemple d'environ 500 micro-mètres) ; B8839 According to a particular embodiment, a sapphire tip 53 may be made with the following dimensions: diameter of the base 536 corresponding to the diameter of the end of the optical fiber 51 of a few hundred micrometers, for example of the order 400 microns; length d1 of the end section 534 of a few hundred microns (for example about 500 micrometers); B8839

12 écart e de rayon entre les bases respectives de la pointe conique (largeur de l'épaulement 532) de quelques dizaines de micromètres (par exemple de l'ordre de 20 micromètres) ; et la figure 6 représente partiellement un autre mode de réalisation d'une sonde 5' dans laquelle la pointe 53' présente, entre sa tête 534 et son pied 535, une portion 538 cylindrique de diamètre constant. La figure 7 représente partiellement un détail d'une pointe 53' au niveau du changement de section 532 pour illustrer 10 deux variantes. Une première variante est au niveau de l'épaulement 532 qui, pour des raisons d'usinage, peut être non abrupt mais avoir un certain rayon (par exemple de quelques micromètres à quelques dizaines de micromètres). 15 Une autre variante est que l'extrémité libre 531' du tronçon 534 est en pointe plutôt que d'être arrondie comme aux figures 3 et 6. Une pointe arrondie peut être nécessaire pour des questions d'usinage mais une pointe 531' non émoussée améliore la résolution de la sonde. A titre d'exemple parti- 20 culier, le rayon d'extrémité 531 de la pointe 53 des figures 3 et 6 est de quelques dizaines de micromètres (par exemple, d'une valeur comprise entre 25 et 50 micromètres) avec les dimensions données précédemment. La figure 8 représente un autre mode de réalisation 25 d'une pointe 53" présentant un autre changement de section dans sa hauteur. Ce deuxième épaulement 532' se traduit par une autre marche dans le signal S. Une connaissance précise de la distance d2 entre les deux épaulements 532 et 532' et la mesure du temps entre les deux marches correspondantes du signal peut remplacer 30 la mesure à partir du tronçon d'extrémité 534. On peut également exploiter les mesures liées aux deux tronçons (intermédiaire 534' et d'extrémité 534), ce qui ouvre d'autres voies d'interprétation et la porte à de nouvelles applications et mesures de grandeurs caractéristiques. 12 distance e radius between the respective bases of the conical tip (width of the shoulder 532) of a few tens of micrometers (for example of the order of 20 microns); and Figure 6 partially shows another embodiment of a probe 5 'in which the tip 53' has, between its head 534 and 535 foot, a cylindrical portion 538 of constant diameter. Figure 7 partially shows a detail of a tip 53 'at the sectional change 532 to illustrate two variants. A first variant is at the shoulder 532 which, for machining reasons, can be non-abrupt but have a certain radius (for example from a few micrometers to a few tens of micrometers). Another variant is that the free end 531 'of the section 534 is pointed rather than rounded as in FIGS. 3 and 6. A rounded tip may be necessary for machining purposes but a point 531' which is not blunt improves the resolution of the probe. As a specific example, the end radius 531 of the tip 53 of FIGS. 3 and 6 is a few tens of micrometers (for example, between 25 and 50 micrometers) with the given dimensions. previously. 8 shows another embodiment of a point 53 "having another sectional change in its height, this second shoulder 532 'translating into another step in the signal S. A precise knowledge of the distance d2 between the two shoulders 532 and 532 'and the measurement of the time between the two corresponding steps of the signal can replace the measurement from the end section 534. It is also possible to use the measurements relating to the two sections (intermediate 534' and d). endpoint 534), which opens up other lines of interpretation and opens the door to new applications and measurements of characteristic quantities.

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13 La figure 9 représente un autre mode de réalisation d'un sonde optique 5' dans son environnement fonctionnel (conduite 3). Pour simplifier, l'interface optique 6 et le système de traitement 4 n'ont pas été illustrés. Figure 9 shows another embodiment of an optical probe 5 'in its functional environment (line 3). For simplicity, the optical interface 6 and the processing system 4 have not been illustrated.

Selon ce mode de réalisation, la pointe 53 est pro-longée par une portion cylindrique 52 en saphir. Par exemple, on utilise une baguette pleine cylindrique en saphir dont une extrémité est usinée en forme de pointe 53 (ou une de ses variantes, par exemple 53' 53"). La baguette cylindrique 52 est obtenue, par exemple, par tirage, puis coupée à la longueur souhaitée et usinée à une de ses extrémités pour former la pointe 53. La sonde 5' comporte donc une fibre optique 51 à l'extrémité de laquelle est rapportée la portion cylindrique 52. La longueur de la portion cylindrique 52 prolongeant la pointe est choisie pour que l'interface fibre-saphir soit à l'extérieur du conduit 3 dans lequel circule l'écoulement. Cela permet de déporter le point chaud en cas de températures élevées. L'interface fibre-saphir se retrouve donc dans un environnement moins contraignant en température et en pression. Cela permet notamment de sim- plifier l'assemblage (un liant optique peut alors suffire). La seule contrainte est que la baguette en saphir n'est pas déformable. La sonde 5' ne peut donc pas être placée dans un tronçon rectiligne du conduit 3. Soit, comme cela est représenté, on profite d'un coude 33 du conduit pour introduire la sonde. Soit, on utilise un des accès d'extrémité de la conduite. On notera que, même avec une sonde des autres modes de réalisation décrits dont la base de la pointe est directement rapportée à l'extrémité de la fibre optique, cette sonde peut être rectiligne en respectant les conditions ci-dessus qui permettent de la placer approximativement dans le sens de l'écoulement. Le saphir constitue un matériau préféré par rapport au diamant en raison de sa meilleure transparence. Le diamant peut toutefois être utilisé mais requiert plus d'énergie à l'émission du signal lumineux car il est légèrement plus opaque. According to this embodiment, the tip 53 is protruded by a cylindrical portion 52 of sapphire. For example, a cylindrical sapphire solid rod is used, one end of which is machined in point form 53 (or one of its variants, for example 53 '53 "). cut to the desired length and machined at one of its ends to form the tip 53. The probe 5 'therefore comprises an optical fiber 51 at the end of which is reported the cylindrical portion 52. The length of the cylindrical portion 52 extending the The tip is chosen so that the fiber-sapphire interface is outside the duct 3 in which the flow circulates.This makes it possible to deport the hot point in the event of high temperatures, thus the fiber-sapphire interface is found in a less constraining environment in temperature and pressure.This allows in particular to simplify the assembly (an optical binder can then suffice) .The only constraint is that the sapphire rod is not deformable. can thus not be placed in a straight section of the duct 3. Either, as shown, we take advantage of a bend 33 of the duct to introduce the probe. Either one of the end ports of the pipe is used. It will be noted that, even with a probe of the other embodiments described, the base of the tip of which is directly attached to the end of the optical fiber, this probe may be rectilinear while respecting the above conditions which allow it to be placed approximately in the direction of flow. Sapphire is a preferred material over diamond because of its better transparency. The diamond can however be used but requires more energy to emit the light signal because it is slightly more opaque.

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14 Il est désormais possible de mesurer des grandeurs caractéristiques d'un flux biphasique au moyen d'une seule sonde monofibre et monopointe en obtenant des grandeurs de type vitesse d'écoulement et taille de bulles. 14 It is now possible to measure characteristic quantities of a two-phase flow by means of a single single-fiber and single-point probe by obtaining quantities of the type of flow velocity and bubble size.

Un autre avantage est que la sonde réalisée est compatible avec des pressions et températures élevées. Bien que l'invention ait été décrite en relation avec un exemple de détection de bulles de gaz dans un écoulement liquide, elle s'applique plus généralement à tout écoulement biphasique. En particulier, le niveau de repos du signal S d'interprétation peut être choisi pour correspondre à la phase majoritaire (gaz/liquide ou liquide/liquide) et le sens des créneaux peut alors être inversé. Divers modes de réalisation ont été décrits. Diverses variantes et modifications sont à la portée de l'homme du métier. En particulier, le choix des dimensions de la pointe dépend non seulement du type de milieu biphasique qui, comme pour les pointes usuelles, conditionne notamment l'angle î pour obtenir un signal exploitable, mais également des tailles de bulles, et vitesse d'écoulement attendues ainsi que des circuits électro- niques utilisés. Les limites dimensionnelles sont plus préci- sément liées aux contraintes d'usinage. Par ailleurs, bien qu'une seule sonde suffise, on peut envisager l'utilisation de deux sondes telles que décrites ci-dessus en respectant que leurs pointes respectives soit orientées au moins approxima- tivement pour recevoir l'écoulement (un angle allant de 0 à 30 ° convient encore moyennant des corrections de traitement du signal). L'utilisation de plusieurs sondes peut faciliter les corrélations statistiques effectuées pour obtenir les grandeurs caractéristiques de l'écoulement. La pointe biconique décrite peut également être associée à des pointes usuelles dans une sonde multipointes servant généralement à évaluer la turbulence de l'écoulement. Si plusieurs sondes sont utilisées, l'interface optique doit bien entendu être adaptée ou plusieurs interfaces doivent être utilisées et les moyens de traitement doivent B8839 Another advantage is that the probe produced is compatible with high pressures and temperatures. Although the invention has been described in connection with an example of detection of gas bubbles in a liquid flow, it applies more generally to any biphasic flow. In particular, the rest level of the interpretation signal S can be chosen to correspond to the majority phase (gas / liquid or liquid / liquid) and the direction of the slots can then be reversed. Various embodiments have been described. Various variants and modifications are within the reach of those skilled in the art. In particular, the choice of the dimensions of the tip depends not only on the type of biphasic medium which, as for the usual tips, determines in particular the angle θ to obtain a usable signal, but also bubble sizes, and flow rate expected as well as electronic circuits used. The dimensional limits are more precisely related to machining constraints. On the other hand, although only one probe is sufficient, it is possible to envisage the use of two probes as described above while respecting that their respective tips are oriented at least approximately to receive the flow (an angle ranging from 0.degree. at 30 ° is still suitable with signal processing corrections). The use of several probes can facilitate the statistical correlations performed to obtain the characteristic quantities of the flow. The biconical tip described may also be associated with conventional tips in a multi-point probe generally used to evaluate the turbulence of the flow. If several probes are used, the optical interface must of course be adapted or several interfaces must be used and the processing means must B8839

15 également être adaptés à plusieurs signaux. De telles adaptations ne posent toutefois pas de difficulté en s'inspirant des systèmes multisondes usuels. Enfin, la mise en oeuvre pratique de l'invention est à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus, que ce soit pour la réalisation de la pointe ou pour l'interprétation des signaux obtenus. Also be suitable for several signals. Such adaptations, however, pose no difficulty in drawing inspiration from the usual multisonde systems. Finally, the practical implementation of the invention is within the abilities of those skilled in the art from the functional indications given above, whether for the realization of the tip or for the interpretation of the signals obtained.

Claims

REVENDICATIONS1. Optical probe (5, 5 '), comprising an optical fiber (51) associated with a circular conical base tip (536), characterized in that the tip (53, 53', 53 ") has at least one shoulder (532) , 532 ') of revolution.

2. The probe of claim 1, wherein the tip (53, 53 ', 53 ") is sapphire or diamond.

The probe of claim 1 or 2, wherein a cylindrical portion (538) is present at the shoulder (532).

4. A probe according to any one of claims 1 to 3, wherein the shoulder (532, 532 ') causes a section change of between 10 and 50% of the diameter at this shoulder.

5. A probe according to any one of claims 1 to 4, wherein the optical fiber (51) is sheathed with a metal sheath (541) to which the tip (53) is held by welding.

The probe (5) according to any one of claims 1 to 5, wherein the base (536) of the tip (53, 53 ', 53 ") is at one end of the optical fiber (51).

7. Probe (5 ') according to any one of claims 1 to 6, wherein the tip (53, 53', 53 ") is pro-elongated by a rigid cylindrical portion (52) whose end is at one end of the optical fiber (51).

8. A method for determining characteristic quantities of a biphasic flow, using a signal (S) representative of a luminous flux reflected by an optical probe (5, 5 ') according to any one of claims 1 to 7, characterized in that it comprises at least one step of determining, at the appearance of a slot in this signal, the duration (T1) of a first step (Ml) representative of the length (dl) d a section (534, 534 ') of the point (53, 53', 53 ") B8839 17

The method of claim 8, wherein said determining is for obtaining the flow velocity.

The method of claim 8, wherein knowing the speed and the total duration (T) of the slot serves to determine the size of the bubble.

11. System for determining characteristic quantities of a biphasic flow, characterized in that it comprises: at least one optical probe (5, 5 ') according to any one of Claims 1 to 5; at least one optical interface (6) provided with means (63) for emitting a luminous flux opposite the end of the optical fiber (51) opposite the tip (53, 53 ', 53 "), and a photodetector (61) of the back light flux, and means (4) for processing at least one signal (S) provided by the photodetector.

12. System according to claim 11, applied to biphasic flows at high pressure or at high temperature.