FR3073940B1 - Dispositif optique autocalibrant pour la mesure sans contact du niveau d'un liquide - Google Patents
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Description
[0001] L’invention se rapporte au domaine de la mesure sans contact du niveau d’un liquide contenu dans un réservoir de stockage.
[0002] L’invention concerne plus particulièrement une méthode et un dispositif optique pour mesurer de façon précise le niveau d’un liquide contenu dans un moyen de stockage, quelles que soient les conditions de mesure et plus particulièrement dans des conditions de mesure dégradées (fortes températures, fort taux d’humidité, brouillard important, liquide en ébullition).
[0003] L’invention trouve une application particulièrement intéressante pour la mesure du niveau d’eau des piscines à combustible d’une centrale nucléaire.
ETAT DE LA TECHNIQUE [0004] Dans le domaine du nucléaire civil, il est très important de connaître avec précision l’ensemble des paramètres qui régissent le contrôle d’une centrale nucléaire. La connaissance du niveau d’eau dans les piscines à combustible est donc primordiale puisqu’elles stockent et refroidissent une partie des éléments radioactifs d’une centrale nucléaire, et notamment du combustible usagé et fortement radioactif.
[0005] Pour mesurer de façon continue le niveau d’eau dans une piscine à combustible, il est connu d’utiliser des dispositifs électromécaniques. De tels dispositifs présentent un flotteur mobile et guidé par un guide, les mouvements du flotteur fermant plus au moins un circuit électrique au fur et à mesure qu’il se déplace verticalement le long du guide. Toutefois ce type de capteur présente des limites et pose des difficultés de montage sur des piscines déjà en service. En effet, le liner sur la paroi de la piscine doit être percé non loin du fond pour y placer une attache et garantir un maintien du guide dans le fond de manière à éviter les phénomènes de balancier et les torsions trop importantes du guide. Ces dispositifs sont donc souvent difficilement utilisables dans des piscines à combustibles existantes ou les moyens de stockage de grande profondeur, ces dispositifs étant souvent limités à une amplitude de mesure inférieure à 10 mètres.
[0006] Une autre solution connue consiste à utiliser le principe d’impulsions d’ondes ultrasoniques pour la mesure sans contact du niveau d’eau au moyen d’un capteur radar. Les ondes ultrasoniques émises par l’antenne du radar sont réfléchies par la surface de l’eau en raison d’un changement de coefficient diélectrique puis reçues par le récepteur. Ainsi, le temps de parcours des ondes ultrasoniques est directement proportionnel à la distance parcourue. Le niveau d’eau dans le moyen de stockage peut donc être calculé à partir du moment où la position du radar est connue de façon précise. Toutefois, ce type de mesure par impulsions radar est très sensible à la présence de vapeur d’eau dans l’air, et notamment lorsque l’air est saturé à 100% de vapeur d’eau. Par conséquence cette technologie est difficilement utilisable pour mesurer de façon précise le niveau d’eau dans des conditions de mesure dégradées.
[0007] De plus, cette technologie est difficilement exploitable dans un environnement nucléaire civil car le radar positionné au-dessus d’une piscine à combustible comporte des composants électriques/électroniques qui le rendent sensible aux séismes, aux irradiations, aux températures et pressions importante, au très fort taux d’humidité dans l’environnement ambiant.
[0008] Afin de minimiser la sensibilité d’un tel dispositif dans un environnement nucléaire civil, il est également connu d’utiliser un capteur optique et le principe de mesure par temps de vol (TOF pour Time Of Flight). Un tel dispositif est notamment décrit dans le document CA 2730161 pour la mesure du niveau d’un fluide dans un réservoir.
[0009] Le dispositif optique décrit dans le document CA 2730161 comporte une unité optique, dépourvue de tout composant électrique/électronique, positionnée au-dessus du réservoir et une unité de commande électronique dissociée, située à distance de l’unité optique, les deux unités étant reliées par deux fibres optiques indépendantes. En fonctionnement, l’unité optique émet, sur la base de signaux de déclenchement (trigger en langue anglaise), une série d’impulsions qui se propagent sous la forme d’un faisceau optique vers la surface du fluide contenu dans le réservoir. Une partie du faisceau optique est réfléchie vers l’unité optique. Les signaux reçus sont ensuite traités par l’unité de commande électronique pour déterminer la distance entre l’unité optique et la surface du fluide. La distance entre la surface du fluide et l’unité optique est obtenue en mesurant le temps mis par les impulsions pour faire l’aller-retour au moyen d’une horloge électronique. L’unité optique comporte un canal d’émission et un canal de réception, chaque canal étant relié indépendamment à l’unité de commande électronique par une fibre optique.
[0010] Cependant, un tel dispositif ne permet pas d’obtenir des mesures précises sans une phase d’étalonnage préalable. De plus il existe un risque non négligeable que les mesures deviennent erronées dans le temps, notamment par décalage dans le temps de l’horloge du dispositif. Enfin, la demanderesse a réalisé une série de tests avec le dispositif décrit dans le document CA 2730161, et il ne permet toujours pas de réaliser des mesures précises et fiables dans des conditions de mesure dégradées, notamment avec un fort taux d’humidité.
EXPOSE DE L’INVENTION [0011] Dans ce contexte l’invention vise à remédier aux inconvénients de l’état de la technique en proposant un dispositif optique pour la mesure sans contact de niveau d’un liquide permettant d’obtenir une mesure précise, fiable, répétable, sans phase d’étalonnage et utilisable dans des conditions de mesure dégradées qui sont celles du domaine du nucléaire et dans des moyens de stockage de grande profondeur comme des piscines à combustible présentant une profondeur pouvant aller jusqu’à 20 mètres.
[0012] Pour ce faire, l’invention propose un dispositif optique pour la mesure sans contact du niveau d’un liquide contenu dans un moyen de stockage au moyen d’un signal optique, ledit dispositif optique comportant une unité optique positionnée au-dessus du moyen de stockage et une unité de commande électronique apte à émettre un signal optique, dissociée de ladite unité optique et positionnée à distance de ladite unité optique, ledit dispositif optique étant caractérisé en ce que :
l’unité optique comporte un unique canal pour l’émission et la réception du signal optique ;
- l’unité optique est reliée à l’unité de commande électronique par l’intermédiaire d’une fibre optique apte à transmettre ledit signal optique émis par l’unité de commande électronique et un signal optique réfléchi par le liquide ; ladite fibre optique présentant deux cœurs optiques se juxtaposant de sorte qu’au moins une partie du signal optique émis dans ledit premier cœur optique de ladite fibre optique soit rétrodiffusée dans ledit deuxième cœur optique.
[0013] Le dispositif optique selon l’invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-après prise individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- les deux cœurs de ladite fibre optique se juxtaposent au niveau d’une première extrémité de ladite fibre optique de manière à former un monobrin ;
- ladite première extrémité de ladite fibre optique est située au niveau de ladite unité optique ;
- les deux cœurs optiques présentent un diamètre différent ;
- le cœur optique transmettant le signal optique émis par l’unité de commande électronique présente un diamètre inférieur au deuxième cœur optique destiné à recevoir le signal optique réfléchi par la surface du liquide ;
- au niveau d’une deuxième extrémité de ladite fibre optique reliée à l’unité de commande électronique, ladite fibre optique présente deux brins distincts, chacun étant composé par un unique cœur optique ;
- l’unité de commande électronique comporte des moyens pour déterminer la distance d séparant ladite unité optique du liquide contenu dans le moyen de stockage par mesure du temps de vol du signal optique.
[0014] L’invention a également pour objet un procédé de détermination du niveau d’un liquide contenu dans un moyen de stockage au moyen d’un dispositif optique selon l’invention caractérisé en ce qu’il comporte :
- une étape d’émission d’un signal optique par ladite unité de commande électronique : ledit signal optique se propageant à l’intérieur de ladite fibre optique en direction de l’unité optique ;
- une étape de détection, à un instant ti, d’un premier signal retour correspondant à une partie dudit signal émis rétrodiffusée à l’intérieur de la fibre optique au niveau des deux cœurs juxtaposés ;
- une étape de détection, à un instant t2, d’un deuxième signal de retour correspondant à une partie du signal émis qui est réfléchie par la surface dudit liquide contenu dans le moyen de stockage (200) ;
- une étape de calcul du niveau du liquide par détermination du temps de vol entre l’instant ti de détection du premier signal retour et l’instant t2 de détection du deuxième signal de retour.
[0015] Avantageusement, le procédé de détermination du niveau d’un liquide est un procédé de détection du niveau d’eau dans une piscine à combustible de réacteur nucléaire.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [0016] D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées.
[0017] La figure 1 illustre schématiquement un premier exemple de réalisation d’un dispositif optique selon l’invention pour la mesure sans contact du niveau d’eau dans un moyen de stockage, telle qu’une piscine à combustible.
[0018] La figure 2 illustre particulièrement une extrémité de la fibre optique du dispositif optique selon l’invention.
[0019] La figure 3 est un schéma synoptique illustrant les principales étapes d’un procédé de détermination d’un niveau de liquide au moyen du dispositif optique selon l’invention.
[0020] La figure 4 illustre sous la forme d’un graphique les photons détectés en fonction du temps par l’unité de commande du dispositif optique selon l’invention.
[0021] La figure 5a illustre le taux de recouvrement obtenu avec le dispositif optique dit monostatique selon l’invention en comparaison avec la figure 5b illustrant avec le taux de recouvrement obtenu avec un dispositif bistatique selon l’état de la technique.
[0022] Dans toutes les figures, les éléments communs portent les mêmes références sauf précision contraire.
DESCRIPTION DETAILLEE D’UN MODE DE REALISATION [0023] La figure 1 illustre schématiquement un premier exemple de réalisation d’un dispositif optique 100 pour la mesure sans contact du niveau d’eau 210 dans un moyen de stockage 200, telle qu’une piscine à combustible.
[0024] Le dispositif optique 100 est particulièrement adapté pour la mesure du niveau d’eau dans des conditions de mesure dégradées à fort taux d’humidité et par exemple en présence d’un brouillard 220 situé entre le dispositif optique 100 et le niveau d’eau 210 à mesurer.
[0025] Le moyen de stockage 200 est par exemple une piscine à combustible présentant une profondeur totale (ht) de plusieurs dizaines de mètres, typiquement de l’ordre de 20 mètres.
[0026] Le dispositif optique 100 selon l’invention comporte une unité optique 110, dépourvue de tout composant électrique/électronique, positionnée au-dessus du moyen de stockage 200 et une unité de commande électronique 120 dissociée, située à distance de l’unité optique 110 et du moyen de stockage 200, les deux unités 110, 120 étant reliées par une fibre optique 130 à double brins 131, 132 et à double cœurs.
[0027] L’unité de commande électronique 120 comporte :
un émetteur relié au premier brin 131 de la fibre optique 130 apte à émettre un signal optique. Avantageusement, l’émetteur est un émetteur laser qui émet une impulsion laser à une longueur d’onde choisie spécifiquement pour sa capacité à ne pas subir d’interférence dans un milieu saturé en vapeur d’eau ; à titre d’exemple, l’émetteur laser émet une impulsion à 532nm ;
un récepteur relié au deuxième brin 132 de la fibre optique 130, tel qu’un détecteur photomultiplicateur ;
une unité de traitement permettant de réaliser la mesure du temps de vol de l’impulsion laser entre l’émission et la réception de l’impulsion laser réfléchie par la surface de l’eau.
[0028] L’unité optique 110 comporte des moyens pour collimater le faisceau laser à la sortie de la fibre optique 130, pour permettre la parallélisation des rayons vers le point de mesure, pour recueillir l’ensemble des faisceaux réfléchis sur la surface de l’eau et les rediriger vers la fibre optique 130. De tels moyens sont par exemple des lentilles d’alignement et/ou des lentilles de collimation, de focalisation ou d’expansion de faisceau. Ainsi, l’unité optique ne comporte qu’un unique canal optique 112 pour l’émission et la réception du faisceau optique.
[0029] La fibre optique 130 est une fibre à double cœurs se présentant au niveau d’une première extrémité (au niveau de l’unité de commande 120) sous la forme de deux brins 131, 132 dissociés (i.e. que chaque brin présentant un cœur optique entouré par une gaine optique). Au niveau d’une deuxième extrémité (au niveau de l’unité optique 110), la fibre optique 130 se présente sous la forme d’un monobrin 133 à double cœurs 134, 135, les deux cœurs 134, 135 étant juxtaposés et entourés par une unique gaine optique 136. L’ensemble de la fibre optique 130 peut également être recouvert d’une gaine de protection (non représentée).
[0030] Au niveau de la deuxième extrémité représentée de manière schématique à la figure 2, les deux cœurs 134, 135 sont juxtaposés et en contact direct entre eux, c’est-à-dire qu’ils sont dénués chacun de leur gaine optique ou de leur gaine de protection. Le cœur 134 est utilisé pour l’émission et le cœur 135 présentant un diamètre plus important est utilisé pour la réception du signal réfléchi de manière à optimiser la réception du signal réfléchi. Les deux cœurs 134, 135 sont juxtaposés sur une longueur définie permettant d’assurer une rétrodiffusion du signal laser émis entre les deux cœurs. Cette longueur de juxtaposition peut être par exemple comprise entre 0 et 10mm. Toutefois, il est également envisagé de juxtaposer les deux cœurs 134, 135 sur une longueur supérieure à 10 mm dans certaines configurations tant que la fonction de rétrodiffusion est assurée.
[0031] Ainsi, la fibre optique 130 selon l’invention permet, en plus de transmettre le signal laser émis à l’unité optique 110 via le cœur 134, de récupérer via le cœur 135 une partie du signal laser émis, par rétrodiffusion entre les deux cœurs 134, 135, et de le transmettre à l’unité de commande 120.
[0032] L’utilisation d’une fibre optique 130 à double cœurs selon l’invention permet d’avoir un système dit monostatique (i.e. avec l’utilisation du même canal optique à la fois pour l’émission et pour la réception du signal optique) et permet de définir un temps de référence à chaque mesure sans l’utilisation d’une horloge externe et sans la réalisation d’une étape d’étalonnage préalable. Cela est permis par la diffusion de l’impulsion laser émise au travers du brin 131 vers le brin 132 grâce au couplage des deux cœurs 134, 135 à un point précis et connu, i.e. au niveau de l’unité optique 110 et plus précisément du point haut du moyen de stockage.
[0033] Grâce à la fibre optique 130 selon l’invention, le calcul du niveau d’eau 210 dans le moyen de stockage 200 est réalisé selon le schéma synoptique illustré à la figure 3 qui illustre les principales étapes du procédé de détermination du niveau d’eau au moyen du dispositif 100.
[0034] Lors d’une première étape 310, l’émetteur laser de l’unité de commande 120 émet une impulsion laser à un temps de référence to. L’impulsion laser parcourt la fibre optique 130, et plus particulièrement le premier brin 131, pour arriver à la deuxième extrémité de la fibre optique (monobrin) située au niveau de bloc optique 110. Au niveau de cette extrémité, une partie des photons de l’impulsion laser est collimaté au travers de l’unité optique 110 et dirigée vers la surface de l’eau et une partie est rétrodiffusée du premier cœur 134 au deuxième cœur 135. Les photons rétrodiffusés sont acheminés à l’unité de commande 120 via le deuxième brin 132. Ainsi, lors d’une deuxième étape 320, le photomultiplicateur de l’unité de commande 120 détecte les photons rétrodiffusés du signal émis à un instant ti (premier pic illustré sur la graphique de la figure 4). L’instant ti définissant une référence temporelle.
[0035] La partie collimatée de l’impulsion laser, dirigée vers la surface de l’eau, est réfléchie vers l’unité optique, et les photons réfléchis et transmis à travers le deuxième brin 132 sont captés par le photomultiplicateur de l’unité de commande 120. La troisième étape 330 du procédé consiste donc à détecter les photons réfléchis par la surface de l’eau à un instant t? (deuxième pic illustré sur le graphique de la figure 4).
[0036] Lors d’une quatrième étape 340, l’unité de commande détermine la mesure de la distance d par mesure du temps de vol (TOF pour Time Of Flight en langue anglaise) du signal optique par différence entre le premier pic (dit de référence) détecté à l’instant ti et qui correspond au signal laser émis traversant la fibre optique 130 et réinjecté par rétrodiffusion à l’intérieur de la fibre 130, et le deuxième pic détecté à l’instant t2 qui correspond au signal laser réfléchi par la surface de l’eau, traversant le bloc optique et transmis à l’unité de commande 120 via la fibre optique 130.
[0037] Grâce à l’invention, il n’est donc pas nécessaire de disposer d’une horloge externe (ou trigger en langue anglaise), le signal émis et rétrodiffusé dans la fibre optique 130 jouant le rôle « d’horloge » optique artificielle en définissant un temps de référence unique pour chaque mesure du niveau d’eau. Ainsi, le dispositif optique selon l’invention permet de s’affranchir de tout problème de décalage dans le temps d’une horloge électronique.
[0038] Le dispositif optique selon l’invention permet également de s’affranchir d’une étape préalable d’étalonnage dans la mesure où il n’est pas nécessaire de connaître la position exacte du l’unité optique 110. En effet, cette solution dite monostatique et telle qu’illustrée à la figure 5a, en opposition aux solutions bistatiques connues de l’état de la technique et telles qu’illustrées à la figure 5b utilisant un bloc ou canal optique pour l’émission et un bloc ou canal optique distinct pour la réception, est moins sensible aux vibrations (pas de risque de désalignement des deux blocs optiques). Ainsi, la mesure du niveau d’eau est réalisée de façon directe, de manière robuste et reproductible même en cas de déplacement de l’unité optique dû par exemple à des vibrations de la cuve.
[0039] De plus, comme illustré aux figures 5a et 5b, la solution monostatique selon l’invention permet d’avoir un meilleur recouvrement Tx du champ de vue du bloc optique entre l’émission et la réception du signal laser et permet de réaliser des mesures à des distances plus faibles qu’avec un dispositif bistatique selon 5 l’état de la technique illustré à titre de comparaison à la figure 5b.
[0040] L’utilisation d’une fibre optique 130 à deux cœurs 134, 135 juxtaposés au niveau de l’unité optique permet également d’optimiser la récupération du signal retour du laser suite à la réflexion du signal à la surface de l’eau et de maximiser le rapport signal sur bruit.
Claims (9)
1. Dispositif optique (100) pour la mesure sans contact du niveau d’un liquide (210) contenu dans un moyen de stockage (200) au moyen d’un signal optique, ledit dispositif optique (100) comportant une unité optique (110) positionnée au-dessus du moyen de stockage (200) et une unité de commande électronique (120) apte à émettre un signal optique, dissociée de ladite unité optique (110) et positionnée à distance de ladite unité optique (110), ledit dispositif optique (100) étant caractérisé en ce que :
- l’unité optique (110) comporte un unique canal (112) pour l’émission et la réception du signal optique ;
- l’unité optique (110) est reliée à l’unité de commande électronique (120) par l’intermédiaire d’une fibre optique (130) apte à transmettre le signal optique émis par l’unité de commande électronique et un signal optique réfléchi par le liquide ; ladite fibre optique (130) présentant deux cœurs optiques (134, 135) se juxtaposant de sorte qu’au moins une partie du signal optique émis dans ledit premier cœur optique (134) de ladite fibre optique (130) soit rétrodiffusée dans ledit deuxième cœur optique (135).
2. Dispositif optique (100) pour la mesure sans contact du niveau d’un liquide (210) contenu dans un moyen de stockage (200) selon la revendication précédente caractérisé en ce que les deux cœurs (134, 135) de ladite fibre optique (130) se juxtaposent au niveau d’une première extrémité de ladite fibre optique (130) de manière à former un monobrin.
3. Dispositif optique (100) pour la mesure sans contact du niveau d’un liquide (210) contenu dans un moyen de stockage (200) selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite première extrémité de ladite fibre optique est située au niveau de ladite unité optique (110).
4. Dispositif optique (100) pour la mesure sans contact du niveau d’un liquide (210) contenu dans un moyen de stockage (200) selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce que les deux cœurs optiques (134, 135) présentent un diamètre différent.
5. Dispositif optique (100) pour la mesure sans contact du niveau d’un liquide (210) contenu dans un moyen de stockage (200) selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce que le cœur optique (134) transmettant le signal optique émis par l’unité de commande électronique (120) présente un diamètre inférieur au deuxième cœur optique (135) destiné à recevoir le signal optique réfléchi par la surface du liquide (210).
6. Dispositif optique (100) pour la mesure sans contact du niveau d’un liquide (210) contenu dans un moyen de stockage (200) selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce qu’au niveau d’une deuxième extrémité de ladite fibre optique (130) reliée à l’unité de commande électronique (120), ladite fibre optique (130) présente deux brins (131, 132) distincts, chacun étant composé par un unique cœur optique (134, 135).
7. Dispositif optique (100) pour la mesure sans contact du niveau d’un liquide (210) contenu dans un moyen de stockage (200) selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce que l’unité de commande électronique (120) comporte des moyens pour déterminer la distance d séparant ladite unité optique du liquide (210) contenu dans le moyen de. stockage (200) par mesure du temps de vol du signal optique.
8. Procédé de détermination du niveau d’un liquide (210) contenu dans un moyen de stockage (200) au moyen d’un dispositif optique (100) selon l’une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu’il comporte :
- une étape d’émission d’un signal optique par ladite unité de commande électronique : ledit signal optique se propageant à l’intérieur de ladite fibre optique (130) en direction de l’unité optique (110) ;
- une étape de détection à un instant ti d’un premier signal retour correspondant à une partie dudit signal émis rétrodiffusée à l’intérieur de la fibre optique (130) au niveau des deux cœurs juxtaposés (134, 135) ;
- une étape de détection à un instant t2 d’un deuxième signal de retour correspondant à une partie du signal émis qui est réfléchie par la surface dudit liquide (210) contenu dans le moyen de stockage (200) ;
- une étape de calcul du niveau du liquide par détermination du temps de vol entre l’instant ti de détection du premier signal retour et l’instant t2 de détection du deuxième signal de retour.
9. Procédé de détermination du niveau d’un liquide (210) contenu dans un moyen de stockage (200) au moyen d’un dispositif optique (100) selon la revendication précédente caractérisé en ce que le procédé est un procédé de détection du niveau d’eau dans une piscine à combustible de réacteur nucléaire.
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