WO2015075217A1 - Procede et systeme optique de detection de particules dans un ecoulement - Google Patents

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WO2015075217A1
WO2015075217A1 PCT/EP2014/075366 EP2014075366W WO2015075217A1 WO 2015075217 A1 WO2015075217 A1 WO 2015075217A1 EP 2014075366 W EP2014075366 W EP 2014075366W WO 2015075217 A1 WO2015075217 A1 WO 2015075217A1
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acquisition
flow
chain
optical system
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Raphael BAUDOIN
Laurent ZIMMER
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Areva SA
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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    • G01N2015/144—Imaging characterised by its optical setup
    • G01N2015/1445—Three-dimensional imaging, imaging in different image planes, e.g. under different angles or at different depths, e.g. by a relative motion of sample and detector, for instance by tomography

Definitions

  • the field of the invention is that of three-dimensional determination and real-time monitoring of a concentration of particles leading to the determination of the evolution of the velocity profile in a fluid flow.
  • the invention is particularly well suited for determining a concentration of particles in flows near obstacles.
  • the invention finds a particularly advantageous application in the nuclear field for the determination of particle concentration in flows in the vicinity of fuel cladding of a nuclear reactor.
  • PIV tomography for Particle Image Velocimetry
  • PIV tomography requires many cameras (at least four) and large resources for data processing.
  • PIV Tomography principles and practice. 2013, F.Scarano, Measurement Science and Technology 24: 012001.
  • this technique has the disadvantage of detecting many ghost particles that can be removed only by means of a large number of cameras. Moreover this phenomenon is accentuated when an obstacle is present in the flow.
  • the "V3V" system of TSI consists of 3 slightly offset cameras to achieve a triangulation of focused particle positions. This allows speed field measurements in three dimensions and three components but not around obstacles.
  • this method does not make it possible to precisely determine the concentration of the particles and does not make it possible to detect large densities of particles, especially in a flow that is faster or more turbulent than a flow of sedimentation-type particles.
  • the aim of the invention is to propose a method and a system based on the principle of optical defocusing making it possible to improve the detection accuracy, by avoiding the detection of so-called ghost particles, as well as the detectable particle density relative to known methods.
  • the subject of the invention is an optical system for the three-dimensional determination of the velocity profile and the minimum concentration of particles in a flow, the system being characterized in that it comprises a first acquisition chain. having a first acquisition lens, a first photosensitive sensor and a first shutter formed by an opaque disk having at least two arcuate apertures adapted to allow transmission of light rays to said first photosensitive sensor, said apertures being inscribed on a same circle.
  • the invention is particularly suitable for determining the velocity fields around obstacles making it possible to obtain the pressure fields around them.
  • the defocusing system according to the invention makes it possible to improve the detection accuracy of the superimposed particles, in particular with respect to the optical system described in the document "Three-dimensional particle imaging by defocusing method with an annular aperture", 2008, D. Lin , Optics Letters 33 (9): 905-7.
  • digital imaging simulations show an increase of about 50% in the accuracy of the particle size measurement and a decrease decreases in size. the order of 50% of the detection errors with respect to a shutter having an annular opening at its periphery, identical to the optical system described in the document mentioned above.
  • the shutter is positioned between the acquisition lens and the photosensitive sensor
  • the shutter is positioned at the center of the acquisition lens
  • the system comprises a second acquisition chain comprising a second acquisition lens, a second photosensitive sensor and a second shutter formed by an opaque disk having at least two openings in an arc of a circle capable of transmitting light rays towards the second photosensitive sensor, said openings being inscribed on the same circle; the first acquisition chain and the second acquisition chain being positioned according to two distinct measurement angles with respect to the flow;
  • the system comprises a chain of post-processing of the images acquired by the acquisition chain or chains;
  • the post-processing chain comprises at least: a storage unit, a calculator and a display unit.
  • the subject of the invention is also a method for the three-dimensional determination of the minimum concentration of particles in a flow at means of an optical system according to the invention comprising at least one acquisition chain and a post-processing chain, the method comprising:
  • the three-dimensional determination method of the concentration of particles in a flow further comprises a step of displaying the volume distribution of the particles in the flow on display means.
  • the subject of the invention is also a method for determining the particle velocity profile in a flow by means of an optical system according to the invention comprising at least one acquisition and one aftertreatment chain, the process being characterized in that what it includes:
  • a step of determining by means of a calculator of the fields of instantaneous displacements of the particles by determining the displacement of the centers of the particles between the two consecutive images at the instant t and at the instant t + dt by cross-correlation of the respective images of the particles under the two instants.
  • FIG. 1 schematically illustrates an acquisition chain of the optical system according to the invention.
  • FIG. 2 schematically illustrates the principle of optical defocusing on the acquisition system illustrated in FIG.
  • FIG. 3 is a front view of a shutter of the acquisition chain illustrated in FIG.
  • FIG. 4 is an image captured by the optical system according to the invention illustrating all the particles present in a flow.
  • FIGS. 5a and 5b illustrate two images captured by the optical system according to the invention of a particle positioned upstream of the focal plane of the acquisition lens and of a particle positioned downstream of the focal plane of the acquisition lens. .
  • FIG. 1 schematically illustrates an acquisition chain of the optical system according to the invention.
  • FIG. 2 diagrammatically illustrates the optical defocusing principle obtained thanks to the acquisition chain of the optical system according to the invention.
  • the acquisition chain 100 of the optical system according to the invention comprises: an acquisition lens 130;
  • a shutter 120 positioned between the acquisition lens 130 and the photosensitive sensor 1 10 of the acquisition chain 100.
  • the specific form of the shutter 120 is illustrated more precisely with reference to FIG.
  • the shutter 120 is formed by an opaque disc having at its periphery at least two openings 121 in the form of a circular arc.
  • the openings 121 allow the passage of the light rays towards the photosensitive sensor as illustrated in the block diagram of FIG. 2.
  • the openings 121 are inscribed on the same circle and are three in number as represented by way of example at Figure 3.
  • the disk-shaped shutter 120 is positioned at the center of the acquisition lens 130. Thanks to the optical system and in particular to the acquisition chain 100 described previously, as well as to the positioning of the shutter, a particle P 0 lying in the flow to be characterized appears at the sensor photosensitive 1 10 in the form of a discontinuous ring and whose central portion is transparent.
  • the representation in the form of a discontinuous ring advantageously makes it possible to detect a larger number of particles in a volume, the superimposed particles being now visible as shown in the detail of FIG. 4.
  • the invention it is now possible thanks to the invention to detect a smaller particle that would be "hidden” behind a larger particle, or different particles superimposed.
  • the shutter 120 is positioned and held in the center of the acquisition lens 130 by three supports (not shown) so as to allow the positioning of the shutter precisely in the middle of the lens 130.
  • the positioning accuracy in the center of the lens 130 also improves the measurement accuracy.
  • the discontinuous openings 121 of the shutter 120 make it possible to further improve the detection accuracy of the superimposed particles with respect to the method described in the document "three-dimensional particle imaging by defocusing method with an annular aperture", 2008, D Lin, Optics Letters 33 (9): 905-7Letters. Thanks to the implementation of discontinuities in the contour of the shutter 120, one increases of the order of 50% the precision on the measurement of the size of the particle and decreases of the order of 50% of the errors of detection relative to a shutter having an annular opening at its periphery, as described in the document cited above.
  • the detection accuracy is also increased by the presence of a second acquisition chain (not shown) similar to the first acquisition chain 100 described above.
  • the two acquisition chains positioned at 90 ° to one another are positioned according to two different measurement angles. The two acquisition chains thus make it possible to increase the detectable particle density, the correlation measurement accuracy. crossed images of the two acquisition chains.
  • the acquisition chains 100 are connected to a data processing chain.
  • the data processing chain includes:
  • a display means in particular for displaying the volume distribution of the particles detected in the flow as well as instantaneous displacement fields of the particles in the flow making it possible to determine the evolution of the velocity profile of the particles in the flow.
  • the optical system according to the invention is therefore suitable for determining the concentration of particles in a flow but also for determining the instantaneous speed of the particles in this flow.
  • the device according to the invention has the advantage of improving the accuracy of measuring the particle size by measuring in two directions by means of two acquisition chains. Thanks to the invention, the background noise related to the superposition of the particles is greatly reduced and densification of the noise in the context of optical compression is avoided.
  • the discontinuous openings 121 of the shutter 120 also have the advantage of allowing the acquisition of images of particles located on either side of the object focal plane of the acquisition lens 130. Indeed, thanks to the presence of discontinuous openings 121 on the periphery of the shutter 120, the particles appear at the level of the photosensitive sensor 1 10 in the form of a discontinuous light ring. Thus, the position of the particles on either side of the object focal plane of the acquisition lens is detectable thanks to the discontinuous position. Indeed, thanks to the device according to the invention, it appears that the positions of the discontinuities are symmetrical with respect to the focal plane.
  • the acquisition lens 1 10, or acquisition objective may include a plurality of acquisition lenses, is preferably chosen so as to obtain images of identical quality of particles located on either side of the focal plane object of the lens.
  • the size range of the detected particles is minimized to the equivalent studied volume; this makes it possible to detect a larger quantity of particles homogeneously in the volume, the performance of the detection algorithm decreasing with the increase in the apparent size of the particles;
  • the acquisition system is advantageously focused in the middle of the volume to be studied, which limits the phenomena of optical distortion and the loss of light associated with the defocusing principle;

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Abstract

La présente invention concerne un système optique pour la détermination en trois dimensions du profil de vitesse et de la concentration minimum de particules dans un écoulement, le système étant caractérisé en ce qu'il comporte une première chaîne d'acquisition (100) comportant une première lentille d'acquisition (130), un premier capteur photosensible (110) et un premier obturateur (120) formé par un disque opaque présentant au moins deux ouvertures (121) en arc de cercle aptes à permettre la transmission de rayons lumineux vers ledit premier capteur photosensible (110), lesdites ouvertures (121) étant inscrites sur un même cercle.

Description

PROCEDE ET SYSTEME OPTIQUE DE
DETECTION DE PARTICULES DANS UN ECOULEMENT.
DOMAINE TECHNIQUE
Le domaine de l'invention est celui de la détermination en trois dimensions et du suivi en temps réel d'une concentration de particules menant à la détermination de l'évolution du profil de vitesse dans un écoulement fluide.
L'invention est particulièrement bien adaptée pour la détermination d'une concentration de particules dans des écoulements au voisinage d'obstacles.
L'invention trouve une application particulièrement intéressante dans le domaine du nucléaire pour la détermination de concentration de particules dans des écoulements au voisinage de gaines combustibles d'un réacteur nucléaire.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Différentes méthodes pour déterminer la concentration en trois dimensions de particules dans un écoulement sont connues.
Une méthode connue consiste à détecter au moyen de plusieurs caméras des particules visuellement focalisées pour les situer dans l'espace. Cette première méthode, dite de tomographie PIV (pour Particle Image Velocimetry), nécessite de nombreuses caméras (au minimum quatre) et de grandes ressources pour le traitement des données. Un tel principe de détection est notamment décrit dans le document « Tomographie PIV : principles and practice. 2013, F.Scarano, Measurement Science and Technology 24 :012001 ». Toutefois cette technique possède l'inconvénient de détecter de nombreuses particules fantômes qui ne peuvent être éliminées qu'au moyen d'un nombre élevé de caméras. De plus ce phénomène s'accentue lorsqu'un obstacle est présent dans l'écoulement. Citons à titre d'illustration, le système "V3V" de TSI composé de 3 caméras légèrement désaxées afin de réaliser une triangulation de positions de particules focalisées. Ceci permet de procéder à des mesures de champs de vitesse en trois dimensions et trois composantes mais pas autour d'obstacles.
D'autres types de techniques sont, elles, basées sur le principe de défocalisation. En effet ce dernier spécifie que la taille apparente de la particule sur l'image peut être linéairement reliée à sa position par rapport au plan focal du système optique. Cette information de taille apparente fournit alors la troisième composante nécessaire à un positionnement en trois dimensions de la particule dans l'espace, ceci menant à une détermination d'une concentration en trois dimensions de particules dans un volume. Ce principe ne peut s'appliquer qu'à des petites particules. En effet, au-delà d'une taille critique, la taille apparente n'est plus fonction que de la position par rapport au plan focal, mais aussi de la taille réelle de la particule. Cette taille critique dépend du système optique complet. Cette approche permet donc de réaliser un suivi de particules en trois dimensions avec une seule caméra et est décrite dans les documents : " Particle depth measurement based on depth-from-defocus. 1999, S.Murata. and M.Kawamur., . Optics & Laser Technology, 31 (1 ), pp.95-102 ". et." Three-dimensional fluorescent particle tracking at micron-scale using a single caméra. 2005, M.Wu, J.W.Roberts and M.Buckley., Experiments in Fluids, 38(4), pp.461 -465 ".
Toutefois la taille apparente des particules défocalisées étant nettement supérieure à celle de particules focalisées, ces techniques ne permettent pas de mesurer des niveaux élevés de concentration de particules à cause du phénomène du chevauchement. Pour limiter cet effet, les techniques suivantes ont été développées.
La première, consultable au travers du document « Novel interferometric measurement of size and velocity distributions of spherical particles in fluid flows, 2000, M.Maeda, T.Kawaguchi and K.Hishida, Measurement. Science and. Technology 1 1 L13-L18 » décrit une méthode de détection de particules et de suivi de l'évolution du profil de vitesse basée sur le principe de compression optique au moyen d'un système optique comportement une ouverture rectangulaire, un objectif, une paire de lentilles cylindriques et une caméra d'acquisition. La paire de lentilles est positionnée entre l'objectif et la caméra de manière à générer une image floue sur le plan de focale. L'ouverture rectangulaire est positionnée en amont de l'objectif de manière à ajuster l'angle d'incidence et à améliorer la profondeur de champ. La détermination de la vitesse d'écoulement du fluide est obtenue par une combinaison des techniques PIV (Particle Image Velocimetry) et PTV (Particle Tracking Velocimetry) connues.
Il est également connue une deuxième méthode décrite dans le document « Three-dimensional particle imaging by defocusing method with an annular aperture , 2008, D. Lin, Optics Letters 33(9) :905-7 ". Toujours basée sur le principe de défocalisation optique, cette technique permet de déterminer le nombre de particules dans un volume donné au moyen d'un système optique composé d'un disque opaque, d'un d'objectif et d'une caméra, le disque opaque étant positionné en amont de l'objectif et présentant une ouverture annulaire. Cette méthode de visualisation permet d'augmenter la quantité de particules détectables et sa combinaison avec les méthodes de détection décrite dans le précité document est particulièrement adaptée pour des écoulements microscopiques très simples, peu rapide et peu turbulent, de type sédimentation.
Toutefois, cette méthode ne permet pas de déterminer de manière précise la concentration des particules et ne permet pas de détecter des densités importantes de particules, notamment dans un écoulement plus rapide ou plus turbulent qu'un écoulement de particules de type sédimentation.
Par conséquent, de par leur incapacité à filtrer des particules fantômes au travers d'obstacles ou de par leur faible niveau de détection aucune des méthodes de détection connues et précitées n'est satisfaisante pour la détection précise en trois dimensions d'une grande densité de particules dans un écoulement autour d'obstacles.
EXPOSE DE L'INVENTION
Dans ce contexte, l'invention vise à proposer un procédé et un système basés sur le principe de la défocalisation optique permettant d'améliorer la précision de détection, en évitant la détection de particules dites fantômes, ainsi que la densité de particules détectables par rapport aux méthodes connues.
A cette fin, l'invention a pour objet un système optique pour la détermination en trois dimensions du profil de vitesse et de la concentration minimum de particules dans un écoulement, le système étant caractérisé en ce qu'il comporte une première chaîne d'acquisition comportant une première lentille d'acquisition, un premier capteur photosensible et un premier obturateur formé par un disque opaque présentant au moins deux ouvertures en arc de cercle aptes à permettre la transmission de rayons lumineux vers ledit premier capteur photosensible, lesdites ouvertures étant inscrites sur un même cercle.
L'invention est particulièrement adaptée pour déterminer les champs de vitesses autour d'obstacles permettant l'obtention des champs de pression autour de ces derniers. Le système de défocalisation selon l'invention permet d'améliorer la précision de détection des particules superposées, notamment par rapport au système optique décrit dans le document « Three-dimensional particle imaging by defocusing method with an annular aperture », 2008, D. Lin, Optics Letters 33(9) :905-7 ». Ainsi, grâce à l'implémentation de discontinuités dans le contour de l'obturateur, les simulations numériques d'imagerie montrent une augmentation de l'ordre de 50% de la précision sur la mesure de la taille de la particule et une diminution diminue de l'ordre de 50% des erreurs de détection par rapport à un obturateur présentant une ouverture annulaire à sa périphérie, de manière identique au système optique décrit dans le document mentionné ci-dessus.
Cette augmentation significative de la précision de mesure sur la taille des particules et la diminution d'erreur de détection permettent ainsi d'augmenter le taux de détection de particules dans un écoulement et permet donc de pouvoir utiliser un tel dispositif pour la détection dans un écoulement plus rapide ou turbulent qu'un déplacement de particules de type sédimentation.
Le système optique selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
l'obturateur est positionné entre la lentille d'acquisition et le capteur photosensible ;
l'obturateur est positionné au centre de la lentille d'acquisition ;
le système comporte une deuxième chaîne d'acquisition comportant une deuxième lentille d'acquisition, un deuxième capteur photosensible et un deuxième obturateur formé par un disque opaque présentant au moins deux ouvertures en arc de cercle aptes à permettre la transmission de rayons lumineux vers ledit deuxième capteur photosensible, lesdites ouvertures étant inscrites sur un même cercle ; la première chaîne d'acquisition et la deuxième chaîne d'acquisition étant positionnées selon deux angles de mesure distincts par rapport à l'écoulement ;
- le système comporte une chaîne de post-traitement des images acquises par la ou les chaînes d'acquisition ;
- la chaîne de post-traitement comporte au moins : une unité de stockage, un calculateur et un afficheur.
L'invention a également pour objet un procédé de détermination en trois dimensions de la concentration minimum de particules dans un écoulement au moyen d'un système optique selon l'invention comportant au moins une chaîne d'acquisition et une chaîne de post-traitement, le procédé comportant :
une étape d'acquisition d'images au moyen de ladite au moins une chaîne d'acquisition ;
- une étape de corrélation de chaque image avec des canevas virtuels stockés dans l'unité de stockage de la chaîne de post-traitement, de manière à déterminer la position et la taille apparente des particules dans l'écoulement.
Avantageusement, le procédé de détermination en trois dimensions de la concentration de particules dans un écoulement comporte en outre une étape de d'affichage de la distribution volumique des particules dans l'écoulement sur des moyens d'affichage.
L'invention a également pour objet un procédé de détermination du profil de vitesse de particules dans un écoulement au moyen d'un système optique selon l'invention comportant au moins une chaîne d'acquisition et une chaîne de posttraitement, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte :
une étape d'acquisition d'images au moyen de ladite au moins une chaîne d'acquisition ;
- une étape de corrélation de chaque image avec des canevas virtuels stockés dans l'unité de stockage de la chaîne de post-traitement, de manière à mesurer la taille apparente et en déterminer la position en trois dimensions dans l'écoulement ;
une étape d'association spatio-temporelle des positions des particules à l'instant t et à l'instant t + dt sur deux images consécutives ;
une étape de détermination au moyen d'un calculateur des champs de déplacements instantanés des particules par détermination du déplacement des centres des particules entre les deux images consécutives à l'instant t et à l'instant t + dt par corrélation croisée des images respectives des particules sous les deux instants.
BREVES DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures suivantes : La figure 1 illustre schématiquement une chaîne d'acquisition du système optique selon l'invention.
La figure 2 illustre schématiquement le principe de défocalisation optique sur la chaîne d'acquisition illustrée à la figure 1.
La figure 3 est une vue de face d'un obturateur de la chaîne d'acquisition illustrée à la figure 1 .
La figure 4 est une image capturée par le système optique selon l'invention illustrant l'ensemble des particules présentes dans un écoulement.
Les figures 5a et 5b illustrent deux images capturées par le système optique selon l'invention d'une particule positionnée en amont du plan focale de la lentille d'acquisition et d'une particule positionnée en aval du plan focale de la lentille d'acquisition.
DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION
La figure 1 illustre schématiquement une chaîne d'acquisition du système optique selon l'invention. La figure 2 illustre schématiquement le principe de défocalisation optique obtenu grâce à la chaîne d'acquisition du système optique selon l'invention.
La chaîne d'acquisition 100 du système optique selon l'invention comporte : une lentille d'acquisition 130 ;
- un capteur photosensible 1 10 ;
un obturateur 120 positionné entre la lentille d'acquisition 130 et le capteur photosensible 1 10 de la chaîne d'acquisition 100.
La forme spécifique de l'obturateur 120 est illustrée de manière plus précise en référence à la figure 3.
L'obturateur 120 est formé par un disque opaque présentant à sa périphérie au moins deux ouvertures 121 en forme d'arc de cercle. Les ouvertures 121 permettent le passage des rayons lumineux vers le capteur photosensible comme illustré sur le schéma de principe de la figure 2. Avantageusement, les ouvertures 121 sont inscrites sur un même cercle et sont au nombre de trois comme représenté à titre d'exemple à la figure 3.
L'obturateur 120 en forme de disque est positionné au centre de la lentille d'acquisition 130. Grâce au système optique et notamment à la chaîne d'acquisition 100 décrite précédemment ainsi qu'au positionnement de l'obturateur, une particule P0 se trouvant dans l'écoulement à caractériser apparaît au niveau du capteur photosensible 1 10 sous la forme d'un anneau discontinu et dont sa partie centrale est transparente.
La représentation sous la forme d'anneau discontinu permet avantageusement de détecter un plus grand nombre de particules dans un volume, les particules se superposant étant désormais visibles comme représenté sur le détail de la figure 4. Ainsi, dans le cas où plusieurs tailles de particules sont présentes simultanément, il est désormais possible grâce à l'invention de détecter une plus petite particule qui serait « cachée » derrière une particule plus grosse, ou différentes particules se superposant.
L'obturateur 120 est positionné et maintenu au centre de la lentille d'acquisition 130 par trois supports (non représentés) de manière à permettre le positionnement de l'obturateur précisément au milieu de la lentille 130. La précision de positionnement au centre de la lentille 130 permet également d'améliorer la précision de mesure.
Ainsi, les ouvertures 121 discontinues de l'obturateur 120 permettent d'améliorer davantage la précision de détection des particules superposées par rapport à la méthode décrite dans le document « three-dimensional particle imaging by defocusing method with an annular aperture », 2008, D. Lin, Optics Letters 33(9) :905-7Letters. Grâce à l'implémentation de discontinuités dans le contour de l'obturateur 120, on augmente de l'ordre de 50% la précision sur la mesure de la taille de la particule et au diminue de l'ordre de 50% des erreurs de détection par rapport à un obturateur présentant une ouverture annulaire à sa périphérie, comme décrit dans le document cité ci-dessus.
La précision de détection est également augmentée par la présence d'une deuxième chaîne d'acquisition (non représentée) similaire à la première chaîne d'acquisition 100 décrite précédemment. Avantageusement, les deux chaînes d'acquisition positionnées à 90° l'une de l'autre sont positionnées selon deux angles de mesure différents Les deux chaînes d'acquisition permettent ainsi d'augmenter la densité de particules détectable, la précision de mesure par corrélation croisée des images des deux chaînes d'acquisition.
Les chaînes d'acquisition 100 sont reliées à une chaîne de traitement des données. La chaîne de traitement des données comporte :
une unité de stockage pour stocker des images provenant des chaînes d'acquisition 100 ; un calculateur permettant :
• d'associer à chaque image enregistrée par les chaînes d'acquisition 100 des canevas virtuels stockés dans l'unité de stockage de la chaîne de traitement des données de manière à déterminer la position et la taille des particules dans l'écoulement par rapport aux références des canevas ;
• d'associer des positions spatio-temporelles aux particules à un instant t et à un instant t + dt sur plusieurs images consécutives ;
• de déterminer des champs de déplacements instantanées des particules dans l'écoulement par détermination du déplacement des centres des particules entre les deux images consécutives à l'instant t et à l'instant t + dt.
• un moyen d'affichage, notamment pour afficher la distribution volumique des particules détectées dans l'écoulement ainsi que des champs de déplacement instantanés des particules dans l'écoulement permettant de déterminer l'évolution du profil de vitesse des particules dans l'écoulement.
Le système optique selon l'invention est donc adapté pour déterminer la concentration des particules dans un écoulement mais également pour déterminer la vitesse instantanée des particules dans cet écoulement.
Enfin, par rapport à la méthode de compression optique, le dispositif selon l'invention a pour avantage d'améliorer la précision de mesure de la taille des particules par la mesure selon deux directions grâce aux deux chaînes d'acquisition. Grâce à l'invention, le bruit de fond lié à la superposition des particules est fortement diminué et la densification du bruit dans le cadre de la compression optique est évitée.
Les ouvertures 121 discontinues de l'obturateur 120 ont également pour avantage de permettre l'acquisition d'images de particules situées de part et d'autre du plan focal objet de la lentille d'acquisition 130. En effet, grâce à la présence des ouvertures discontinues 121 sur le pourtour de l'obturateur 120, les particules apparaissent au niveau du capteur photosensible 1 10 sous la forme d'un anneau lumineux discontinu. Ainsi, la position des particules de part et d'autre du plan focal objet de la lentille d'acquisition est détectable grâce à la position des discontinues. En effet, grâce au dispositif selon l'invention, il apparaît que les positions des discontinuités sont symétriques par rapport au plan focal. Ainsi deux particules situées à égale distance du plan focal seront détectés par le dispositif avec la même taille apparente mais avec une position des discontinuités différentes, comme représenté aux figures 5a et 5b, où l'image capturée illustrée à la figure 5a correspond par exemple à une particule située en amont du plan focal objet de la lentille d'acquisition 130 et l'image capturée illustrée à la figure 5b correspond à une particule située en aval du plan focal objet de la lentille d'acquisition 130.
La lentille d'acquisition 1 10, ou objectif d'acquisition pouvant comporter une pluralité de lentilles d'acquisition, est choisie préférentiellement de manière à obtenir des images de qualité identique de particules situées de part et d'autre du plan focal objet de la lentille.
Grâce à cette propriété particulièrement avantageuse du dispositif selon l'invention :
- l'intervalle de taille des particules détectées est minimisé à volume étudié équivalent ; ce qui permet de détecter une plus grande quantité de particules de manière homogène dans le volume, les performances de l'algorithme de détection diminuant avec l'augmentation de la taille apparente des particules ;
- la chaîne d'acquisition est avantageusement focalisée au milieu du volume à étudier ce qui limite les phénomènes de distorsion optique et la perte de lumière liée au principe de défocalisation ;
- le temps de détection est diminué ;
L'invention a également pour avantage :
de permettre la réalisation d'un montage simple et robuste (c'est à dire répétable) ne nécessitant que deux chaînes d'acquisition ;
de permettre la réalisation d'un montage peu coûteux avec une grande précision de mesure ;
- d'améliorer la détection des particules superposées par rapport aux méthodes connues ;
- de permettre la mesure de la taille apparente des particules en deux dimensions afin d'améliorer le positionnement en trois dimensions de la particule ;
- de mesurer le déplacement des particules autour d'obstacles là ou des techniques de type tomographique échouent à cause de la présence de particules fantômes.

Claims

REVENDICATIONS
Système optique pour la détermination en trois dimensions du profil de vitesse et de la concentration minimum de particules dans un écoulement, le système étant caractérisé en ce qu'il comporte une première chaîne d'acquisition (100) comportant une première lentille d'acquisition (130), un premier capteur photosensible (1 10) et un premier obturateur (120) formé par un disque opaque présentant au moins deux ouvertures (121 ) en arc de cercle aptes à permettre la transmission de rayons lumineux vers ledit premier capteur photosensible (1 10), lesdites ouvertures (121 ) étant inscrites sur un même cercle.
Système optique pour la détermination en trois dimensions du profil de vitesse et de la concentration minimum de particules dans un écoulement selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'obturateur (120) est positionné entre la lentille d'acquisition (130) et le capteur photosensible (1 10).
Système optique pour la détermination en trois dimensions du profil de vitesse et de la concentration minimum de particules dans un écoulement selon l'une des revendications précédente caractérisé en ce que l'obturateur
(120) est positionné au centre de la lentille d'acquisition.
Système optique pour la détermination en trois dimensions du profil de vitesse et de la concentration minimum de particules dans un écoulement selon l'une des revendications précédente caractérisé en ce qu'il comporte une deuxième chaîne d'acquisition (100) comportant une deuxième lentille d'acquisition (130), un deuxième capteur photosensible (1 10) et un deuxième obturateur (120) formé par un disque opaque présentant au moins deux ouvertures (121 ) en arc de cercle aptes à permettre la transmission de rayons lumineux vers ledit deuxième capteur photosensible (1 10), lesdites ouvertures
(121 ) étant inscrites sur un même cercle ; la première chaîne d'acquisition (100) et la deuxième chaîne d'acquisition (100) étant positionnées selon deux angles de mesure distincts par rapport à l'écoulement. Système optique pour la détermination en trois dimensions du profil de vitesse et de la concentration minimum de particules dans un écoulement selon l'une des revendications précédente caractérisé en ce qu'il comporte une chaîne de post-traitement des images acquises par la ou les chaînes d'acquisition (100).
Système optique pour la détermination en trois dimensions du profil de vitesse et de la concentration minimum de particules dans un écoulement selon la revendication précédente caractérisé en ce que la chaîne de posttraitement comporte au moins : une unité de stockage, un calculateur et un afficheur.
Procédé de détermination en trois dimensions de la concentration minimum de particules dans un écoulement au moyen d'un système optique selon l'une des revendications 1 à 6 comportant au moins une chaîne d'acquisition et une chaîne de post-traitement, le procédé comportant :
une étape d'acquisition d'images au moyen de ladite au moins une chaîne d'acquisition ;
une étape de corrélation de chaque image avec des canevas virtuels stockés dans l'unité de stockage de la chaîne de post-traitement, de manière à déterminer la position et la taille apparente des particules dans l'écoulement.
Procédé de détermination en trois dimensions de la concentration minimum de particules dans un écoulement selon la revendication 7 caractérisé en ce qu'il comporte une étape de d'affichage de la distribution volumique des particules dans l'écoulement sur des moyens d'affichage.
Procédé de détermination du profil de vitesse de particules dans un écoulement au moyen d'un système optique selon l'une des revendications 1 à 6 comportant au moins une chaîne d'acquisition et une chaîne de posttraitement, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte :
une étape d'acquisition d'images au moyen de ladite au moins une chaîne d'acquisition ;
- une étape de corrélation de chaque image avec des canevas virtuels stockés dans l'unité de stockage de la chaîne de post-traitement, de manière à déterminer la position et la taille apparente des particules dans l'écoulement ;
une étape d'association spatio-temporelle des positions des particules à l'instant t et à l'instant t + dt sur deux images consécutives ;
- une étape de détermination au moyen d'un calculateur des champs de déplacements instantanés des particules par détermination du déplacement des centres des particules entre les deux images consécutives à l'instant t et à l'instant t + dt.
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