Dispositif à ultra-sons pour la mesure de la position d'un niveau liquide
La présente invention est relative à un dispositif utilisant un émetteur d'ultra-sons pour effectuer la détermination de la position d'un niveau liquide à l'intérieur d'une cuve d'accès difficile, ce liquide pouvant être un métal fondu à haute température, un mauvais conducteur de la chaleur ou de l'électricité, un liquide inflammable, interdisant l'emploi de systèmes de mesure classiques comportant des contacts électriques, des détecteurs photo-électriques, des sondes à contact, etc.
Des dispositifs de ce genre s'utilisent notamment pour la mesure du niveau de sodium liquide ou du mélange eutectique sodium-potassium dans la cuve de réacteurs du genre dit à neutrons rapides , où un tel liquide sert notamment d'agent de refroidissement.
On connaît déjà des appareils de détection, permettant de connaître au sein d'un milieu liquide, la distance séparant un objet d'un émetteur d'ultra-sons par mesure du temps de propagation d'un train d'ondes se dirigeant vers cet objet, venant s'y réfléchir et revenant vers un appareil récepteur qui peut être d'ailleurs couplé avec l'émetteur. Toutefois, on sait qu'une telle mesure est très influencée par les gradients de température et les variations de la composition du milieu liquide.
De plus, dans le cas plus particulièrement envisagé où il s'agit de mesurer le niveau d'un métal liquide dans la cuve d'un réacteur nucléaire, il convient de tenir compte de certaines conditions particulières dépendant notamment de la position de l'émetteur d'ultra-sons par rapport à cette cuve: si l'émetteur est à l'intérieur de celle-ci, son entretien est impossible, tandis que l'irradiation qu'il subit limite très notablement sa durée de vie; si l'émetteur est situé à l'extérieur, notamment contre le fond de la cuve, I'impé- dance acoustique caractéristique de l'ensemble émetteurcuve est telle qu'il n'est généralement pas possible de faire pénétrer les ondes ultra-sonores dans le milieu liquide et par suite de mesurer avec précision son niveau.
La présente invention vise à réaliser un dispositif qui permet de s'affranchir des inconvénients ci-dessus, en autorisant, avec un émetteur situé à l'extérieur de la cuve, la transmission d'un train d'ondes ultra-sonores à travers la paroi de celle-ci pour la mesure, selon un principe en lui-même connu, du temps qui s'écoule entre les deux passages de ce train d'ondes en un point donné, avant et après réflexion sur la surface de séparation du liquide dont la position définit le niveau dans la cuve.
Le dispositif selon l'invention comportant un transmetteur d'ondes ultra-sonores de fréquence donnée et un récepteur pour lesdites ondes, est caractérisé en ce qu'il comprend un guide d'ondes tubulaire disposé en regard dudit transmetteur et rempli d'un liquide auxiliaire, ledit ,,guide d'ondes étant fermé par au moins un disque d'étanchéité présentant une épaisseur égale à ni/2, où n est un nombre entier et X est la longueur d'onde dans le matériau de ce disque, et une enveloppe cylindrique ouverte, associée audit guide d'ondes et disposée normalement à la surface dudit niveau en limitant les mouvements dudit liquide.
De préférence, le liquide auxiliaire présente des propriétés acoustiques identiques à celles du liquide dont on mesure le niveau.
Grâce à ces dispositions, le transmetteur peut être facilement placé à l'extérieur de la cuve, métallique ou non, contenant le liquide, le guide d'ondes traversant, par l'intermédiaire d'un système d'étanchéité approprié. la paroi de cette cuve, et déterminant l'introduction dans le liquide du train d'ondes ultra-sonores.
Avantageusement, le transmetteur est placé à l'inté- rieur d'un boîtier étanche raccordé à l'extrémité du guide d'ondes et situé à l'extérieur de la cuve. En outre, dans les cas où le liquide contenu dans le guide d'ondes réagit avec l'atmosphère ou avec les matériaux constituant le transmetteur et dans le cas ou ce transmetteur doit être refroidi, le boîtier peut être rempli d'un liquide ne réagissant pas. en cas de fuites, avec celui contenu dans le guide d'ondes. Dans un tel montage, le guide d'ondes est fermé à ses deux extrémités par des disques d'étanchéité, transparents pour le train d'ondes et dont l'épaisseur est égale à la moitié de la longueur d'onde.
Le guide d'ondes peut être soudé sur le boîtier du transmetteur et etre rectiligne, ou être légèrement courbé selon la géométrie de la paroi de la cuve et la manière choisie pour faire traverser cette paroi par le guide d'ondes.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le guide d'ondes est constitué par un tube cylindrique droit pénétrant verticalement dans la cuve contenant le liquide et associé à un réflecteur de forme conique disposé en regard du tube et renvoyant le train d'ondes en direction du niveau à mesurer, dans l'espace compris entre le guide d'ondes et l'enveloppe cylindrique.
Par ailleurs, et selon une autre forme d'exécution particulière. le dispositif est muni de moyens permettant d'effectuer un étalonnage permanent de la mesure, en créant des réflexions à des niveaux dont les positions sont parfaitement connues le long du guide d'ondes et par rapport au transmetteur. A cet effet, I'enveloppe cylindrique supporte intérieurement des réflecteurs, montés à des niveaux connus, ces réflecteurs présentant chacun une surface plane réfléchissant les ondes ultra-sonores et disposée perpendiculairement à l'axe du guide d'ondes.
La description qui suit se rapporte à plusieurs exemples de réalisation, donnés à titre indicatif.
Sur le dessin annexé:
la fig. 1 est une vue schématique en coupe verticale d'un dispositif de mesure par ultra-sons, constituant une forme de réalisation de l'invention;
la fig. 2 est une vue en coupe à plus grande échelle, selon la ligne II-II de la fig. 1;
les fig. 3, 4 et 5 illustrent trois variantes pour le montage du dispositif par rapport à la paroi d'une cuve à l'intérieur de laquelle on désire mesurer un niveau liquide.
Comme on le voit sur la fig. 1, le dispositif considéré comporte principalement un tube vertical 1 de section droite circulaire constante sur toute sa longueur. Ce tube est rempli d'une quantité convenable d'un liquide auxiliaire 2 et est fermé à l'une et à l'autre de ses deux extrémités par deux plaquettes ou disques identiques 3 et 4 réalisant l'étanchéité du tube 1 vis-à-vis du milieu extérieur.
Le tube 1 est rendu solidaire d'un boîtier 5 à l'intérieur duquel est monté un appareil 6 émetteur-récepteur ou transmetteur d'ultra-sons, délivrant un train d'ondes longitudinales de fréquence f en direction du tube 1 jouant le rôle de guide d'ondes comme on le verra plus loin. Pour permettre au train d'ondes de pénétrer ou de sortir du tube I en traversant les plaquettes 3 et 4, celles-ci présentent une épaisseur égale à n- ou n= 1. 2, 3... ?. désignant la longueur d'onde, c'est-à-dire le quotient de la vitesse du son dans le matériau des plaquettes par la fréquence. Le transmetteur 6 comporte une collerette de support 7, immobilisée et centrée à l'intérieur du boîtier 5 au moyen de trois vis 8 permettant un réglage de position du transmetteur en liaison avec un ressort axial 9 qui s'appuie contre le fond 10 du boîtier.
Dans le cas où le liquide contenu dans le tube 1 réagit avec l'atmosphère ou avec les matériaux du transmetteur et dans le cas où le transmetteur doit être refroidi, le boîtier 5 est rempli d'un autre liquide qui, en cas de fuite, ne réagit pas avec celui contenu dans le tube 1. Une canalisation 11 traverse le boîtier et se raccorde par une tubulure 12 au tube 1, cette canalisation, normalement fermée par un bouchon 13, permettant le remplissage de ce tube avec le liquide 2. Le boîtier 5 comporte enfin dans sa surface externe des ailettes de refroidissement 14 et se termine par une bride 15 permettant la fixation de ce boîtier et du tube 1 qui lui est lié axialement, sur une bride 16 soudée à la paroi d'une cuve 50 qui contient un liquide 51 dont on désire mesurer la position du niveau 17.
Dans la suite de la description, on supposera que la cuve 50 est celle d'un réacteur nucléaire contenant un volume de sodium liquide 51 dont le niveau peut varier à l'intérieur de cette cuve. Le liquide auxiliaire 2 remplissant le tube 1 est de préférence constitué par le mélange eutectique sodium-potassium dont les propriétés au point de vue acoustique sont quasi analogues à celles du sodium liquide et qui ne se solidifie pas à la température ambiante. En outre, ce mélange eutectique ne réagit pas avec le sodium en cas de fuite à l'extérieur du tube 1. Enfin, le troisième liquide refroidissant le transmetteur 6 dans le boîtier 5 est constitué par du kérosène.
Le raccordement entre la bride 16 et la bride 15 s'effectue de façon étanche au moyen d'un soufflet métallique 18, permettant notamment d'encaisser les éventuelles différences de dilatation entre cette cuve et le tube 1. La fixation du dispositif par rapport à la cuve 50 est réalisée au moyen de trois vis 19 immobilisées par des écrous 20.
Le tube 1 pénètre verticalement dans la cuve à travers un orifice 21 de celle-ci et se prolonge vers le bas en plongeant dans le sodium liquide. A proximité de l'extrémité du tube 1 fermée par le disque 4 est placé un réflecteur 22 destiné à renvoyer les ondes ultra-sonores émises par le transmetteur 6 à travers le tube 1. Ce réflecteur comporte deux parties coniques 23 et 24 symétriques par rapport à l'axe du tube 1, et terminées chacune par un orifice 23a ou 24a permettant un écoulement continu du sodium contenu dans la cuve sur les parties coniques correspondantes 23 et 24. Le réflecteur 22 est fixé au moyen de vis telles que 25 dans un support 26 immobilisé par rapport à la bride 16.
A sa partie supérieure ce support 26 comporte un orifice 27 à travers lequel pénètre le tube 1 et se prolonge par une enveloppe tubulaire 28 disposée coaxialement autour du tube en ménageant entre la surface externe de celui-ci et sa propre surface interne un espace annulaire 29. Cet espace est rempli par le sodium contenu dans la cuve 50 jusqu'au niveau 17, grâce à des trous 30 ménagés dans la paroi de l'enveloppe 28 à des endroits donnés.
Enfin comme le montre plus en détail la vue en coupe de la fig. 2, l'enveloppe 28 comporte à des niveaux de référence, dont la distance par rapport au transmetteur 6 est parfaitement connue, des organes réflecteurs tels que 31. Ces organes réflecteurs, au nombre de trois sur la vue en coupe de la fig. 2, se présentent sous la forme de languettes demi-cylindriques orientées perpendiculairement à l'axe commun du tube 1 et de l'enveloppe 28 et comportant une face plane dirigée vers le réflecteur 22.
Les languettes 31, fixées de préférence sur la surface cylindrique et réparties uniformément suivant une hélice, ont nécessairement une largeur réduite et une longueur qui laisse un jeu minimum entre leur extrémité et la surface du guide d'ondes.
Le fonctionnement du dispositif qui vient d'être décrit est le suivant : pour mesurer la position du niveau 17 du sodium liquide contenu dans la cuve 50, on met en place dans celle-ci le dispositif représenté sur la fig. 1 en réalisant, grâce au soufflet métallique 18. l'étanchéité à la traversée de la paroi de cette cuve. Le tntnsmetteur 6 étant alimenté électriquement, un train d'ondes ultra sonores provenant d'un quartz-piézo-électrique e par exemple, parcourt le milieu liquide 2 (constitué par le mélange eutectique sodium-potassium) contenu dans le tube 1 en traversant sans atténuation notable les disques d'extrémité 3 et 4. Il est à noter que le train d'ondes lon gialdinales se déplaçant dans le guide n'est pas influencé par l'état de surface du tube I qui peut ainsi être quelconque.
Le train d'ondes après sortie du guide se réfléchit sur les parties coniques 23 et 24 du réflecteur 22 et parcourt dans le sodium en direction du niveau 17 parallèlement à l'axe du tube 1, l'espace 29 délimité entre ce tube et l'enveloppe extérieure 28, cette dernière ayant pour rôle de limiter les mouvements du sodium liquide qui risqueraient de perturber la mesure. Le train d'ondes se réfléchit ensuite sur le niveau 17 et parcourt le chemin inverse en revenant au transmetteur 6 par l'intermédiaire du tube 1 qui, de la sorte, a permis à l'aller comme au retour, la traversée de la paroi de la cuve sans atténuation notable.
Des appareils de mesure appropriés (non représentés) permettent enfin de définir, en fonction du temps nécessité pour un aller et retour complet d'un train d'ondes, la position du niveau liquide 17 dans la cuve par rapport à un niveau de référence connu et qui peut être déterminé au moyen des languettes 31. Ces dernières en effet permettent à tout moment un étalonnage du dispositif, définissant notamment les corrections à effectuer en raison des variations de la vitesse du son, dues aux gradients de température et aux changements éventuels dans la composition du sodium liquide.
Les fig. 3, 4 et 5 illustrent scllématiquement trois variantes possibles du montage du dispositif de mesure décrit ci-dessus, selon la position du tube 1 et du boîtier 5 contenant le transmetteur 6, par rapport à la cuve 50 dans laquelle on désire mesurer le niveau 17.
Dans le cas de la fig. 3, le tube l traverse verticalement le fond de la cuve ce qui élimine la nécessité du réflecteur renvoyant les ultra-sons vers le niveau à mesurer. Dans le cas de la fig. 4, le tube I traverse latéralement la cuve. puis est, à l'intérieur de celle-ci, convenablement courbé pour se terminer par une portion dirigée normalement au niveau dans la cuve. Dans le cas de la fig. 5 enfin, le tube I est associé à un réflecteur 32 en forme de prisme donnant une réflexion à 900 des ondes ultra-sonores à l'aller en direction du niveau à mesurer et au retour vers le transmetteur.
Ultrasonic device for measuring the position of a liquid level
The present invention relates to a device using an ultrasound transmitter for determining the position of a liquid level inside a tank with difficult access, this liquid possibly being a molten metal at high temperature. temperature, a poor conductor of heat or electricity, a flammable liquid, preventing the use of conventional measuring systems including electrical contacts, photoelectric detectors, contact probes, etc.
Devices of this type are used in particular for measuring the level of liquid sodium or of the eutectic sodium-potassium mixture in the vessel of reactors of the so-called fast neutron type, where such a liquid serves in particular as a cooling agent.
Detection devices are already known, making it possible to know within a liquid medium, the distance separating an object from an ultrasound emitter by measuring the propagation time of a wave train heading towards this. object, coming to reflect on it and returning to a receiving device which can also be coupled with the transmitter. However, it is known that such a measurement is greatly influenced by temperature gradients and variations in the composition of the liquid medium.
In addition, in the more particularly envisaged case where it is a question of measuring the level of a liquid metal in the vessel of a nuclear reactor, certain particular conditions should be taken into account, depending in particular on the position of the transmitter. ultrasound in relation to this tank: if the transmitter is inside the latter, its maintenance is impossible, while the irradiation it undergoes very significantly limits its life; if the transmitter is located outside, in particular against the bottom of the tank, the characteristic acoustic impedance of the transmitter-tank assembly is such that it is generally not possible to make the ultrasonic waves penetrate in the liquid medium and consequently to measure its level with precision.
The present invention aims to provide a device which overcomes the above drawbacks, by allowing, with a transmitter located outside the tank, the transmission of an ultra-sound wave train through the tank. wall thereof for measuring, according to a principle in itself known, the time which elapses between the two passages of this wave train at a given point, before and after reflection on the liquid separation surface whose position defines the level in the tank.
The device according to the invention comprising a transmitter of ultrasonic waves of given frequency and a receiver for said waves, is characterized in that it comprises a tubular waveguide placed opposite said transmitter and filled with a liquid. auxiliary, said ,, waveguide being closed by at least one sealing disc having a thickness equal to ni / 2, where n is an integer and X is the wavelength in the material of this disc, and an open cylindrical envelope, associated with said waveguide and disposed normally at the surface of said level while limiting the movements of said liquid.
Preferably, the auxiliary liquid has acoustic properties identical to those of the liquid whose level is measured.
Thanks to these arrangements, the transmitter can easily be placed outside the tank, metallic or not, containing the liquid, the waveguide passing through, by means of an appropriate sealing system. the wall of this tank, and determining the introduction into the liquid of the ultrasonic wave train.
Advantageously, the transmitter is placed inside a sealed housing connected to the end of the waveguide and located outside the tank. In addition, in cases where the liquid contained in the waveguide reacts with the atmosphere or with the materials constituting the transmitter and in the case where this transmitter must be cooled, the housing may be filled with a liquid which does not react. not. in the event of leaks, with that contained in the waveguide. In such an arrangement, the waveguide is closed at its two ends by sealing discs, transparent to the wave train and whose thickness is equal to half the wavelength.
The waveguide can be welded to the transmitter housing and be rectilinear, or be slightly curved depending on the geometry of the wall of the tank and the way chosen to pass this wall through the waveguide.
In a preferred embodiment of the invention, the waveguide is formed by a straight cylindrical tube penetrating vertically into the tank containing the liquid and associated with a conical-shaped reflector disposed opposite the tube and returning the train of waves in the direction of the level to be measured, in the space between the waveguide and the cylindrical envelope.
Furthermore, and according to another particular embodiment. the device is provided with means making it possible to carry out a permanent calibration of the measurement, by creating reflections at levels whose positions are perfectly known along the waveguide and with respect to the transmitter. To this end, the cylindrical envelope internally supports reflectors, mounted at known levels, these reflectors each having a flat surface reflecting ultrasonic waves and arranged perpendicular to the axis of the waveguide.
The following description relates to several exemplary embodiments, given by way of indication.
On the attached drawing:
fig. 1 is a schematic view in vertical section of an ultrasound measuring device, constituting an embodiment of the invention;
fig. 2 is a sectional view on a larger scale, along the line II-II of FIG. 1;
figs. 3, 4 and 5 illustrate three variants for mounting the device relative to the wall of a tank inside which it is desired to measure a liquid level.
As seen in fig. 1, the device considered mainly comprises a vertical tube 1 of constant circular cross section over its entire length. This tube is filled with a suitable quantity of an auxiliary liquid 2 and is closed at one and the other of its two ends by two identical plates or discs 3 and 4 sealing the tube 1 against - view of the external environment.
The tube 1 is made integral with a housing 5 inside which is mounted a transceiver device 6 or ultrasound transmitter, delivering a train of longitudinal waves of frequency f in the direction of the tube 1 playing the role waveguide as we will see later. To allow the wave train to enter or exit the tube I by passing through the plates 3 and 4, the latter have a thickness equal to n- or n = 1. 2, 3 ...?. denoting the wavelength, that is, the quotient of the speed of sound in the material of the wafers times the frequency. The transmitter 6 comprises a support collar 7, immobilized and centered inside the housing 5 by means of three screws 8 allowing the position of the transmitter to be adjusted in conjunction with an axial spring 9 which rests against the bottom 10 of the housing .
In the event that the liquid contained in tube 1 reacts with the atmosphere or with the materials of the transmitter and in the event that the transmitter needs to be cooled, the housing 5 is filled with another liquid which, in the event of a leak, does not react with that contained in the tube 1. A pipe 11 passes through the housing and is connected by a pipe 12 to the pipe 1, this pipe, normally closed by a plug 13, allowing this tube to be filled with the liquid 2. The housing 5 finally comprises in its outer surface cooling fins 14 and ends with a flange 15 allowing the fixing of this housing and the tube 1 which is axially linked to it, on a flange 16 welded to the wall of a tank 50 which contains a liquid 51 whose position of level 17 is to be measured.
In the remainder of the description, it will be assumed that the vessel 50 is that of a nuclear reactor containing a volume of liquid sodium 51, the level of which can vary inside this vessel. The auxiliary liquid 2 filling the tube 1 is preferably formed by the eutectic sodium-potassium mixture, the properties of which from an acoustic point of view are almost similar to those of liquid sodium and which does not solidify at ambient temperature. Furthermore, this eutectic mixture does not react with the sodium in the event of a leak outside the tube 1. Finally, the third liquid cooling the transmitter 6 in the housing 5 consists of kerosene.
The connection between the flange 16 and the flange 15 is effected in a sealed manner by means of a metal bellows 18, making it possible in particular to collect any differences in expansion between this tank and the tube 1. The fixing of the device with respect to the tank 50 is produced by means of three screws 19 immobilized by nuts 20.
The tube 1 penetrates vertically into the tank through an orifice 21 of the latter and extends downwards by plunging into the liquid sodium. Near the end of the tube 1 closed by the disc 4 is placed a reflector 22 intended to return the ultrasonic waves emitted by the transmitter 6 through the tube 1. This reflector has two conical parts 23 and 24 which are symmetrical with respect to to the axis of the tube 1, and each terminated by an orifice 23a or 24a allowing a continuous flow of the sodium contained in the tank on the corresponding conical parts 23 and 24. The reflector 22 is fixed by means of screws such as 25 in a support 26 immobilized with respect to the flange 16.
At its upper part, this support 26 has an orifice 27 through which the tube 1 penetrates and is extended by a tubular casing 28 disposed coaxially around the tube, leaving an annular space 29 between the outer surface of the latter and its own inner surface. This space is filled with the sodium contained in the tank 50 up to level 17, thanks to holes 30 made in the wall of the casing 28 at given locations.
Finally, as shown in more detail by the sectional view of FIG. 2, the casing 28 comprises at reference levels, the distance from the transmitter 6 of which is perfectly known, reflecting members such as 31. These reflecting members, three in number in the sectional view of FIG. 2, are in the form of semi-cylindrical tabs oriented perpendicular to the common axis of the tube 1 and of the casing 28 and comprising a flat face directed towards the reflector 22.
The tongues 31, preferably fixed on the cylindrical surface and distributed uniformly along a helix, necessarily have a reduced width and a length which leaves a minimum clearance between their end and the surface of the waveguide.
The operation of the device which has just been described is as follows: to measure the position of the level 17 of the liquid sodium contained in the tank 50, the device shown in FIG. 1 by producing, thanks to the metal bellows 18. sealing through the crossing of the wall of this tank. The transmitter 6 being electrically powered, a train of ultrasonic waves coming from a quartz-piezoelectric e for example, passes through the liquid medium 2 (constituted by the eutectic sodium-potassium mixture) contained in the tube 1, passing through without notable attenuation of the end disks 3 and 4. It should be noted that the long-gialinal wave train moving in the guide is not influenced by the surface condition of the tube I, which can thus be arbitrary.
The wave train after exiting the guide is reflected on the conical parts 23 and 24 of the reflector 22 and travels in the sodium in the direction of the level 17 parallel to the axis of the tube 1, the space 29 delimited between this tube and the 'outer casing 28, the latter having the role of limiting the movements of liquid sodium which might disturb the measurement. The wave train is then reflected on level 17 and travels the opposite way, returning to transmitter 6 via tube 1 which, in this way, made it possible to go as well as to return, crossing the wall. tank without noticeable attenuation.
Appropriate measuring devices (not shown) finally make it possible to define, as a function of the time required for a complete round trip of a wave train, the position of the liquid level 17 in the tank relative to a known reference level. and which can be determined by means of the tabs 31. The latter in fact allow at any time a calibration of the device, defining in particular the corrections to be made due to variations in the speed of sound, due to temperature gradients and possible changes in the composition of liquid sodium.
Figs. 3, 4 and 5 schematically illustrate three possible variants of the mounting of the measuring device described above, depending on the position of the tube 1 and of the box 5 containing the transmitter 6, relative to the tank 50 in which it is desired to measure the level 17 .
In the case of fig. 3, the tube 1 vertically passes through the bottom of the tank, which eliminates the need for the reflector returning the ultrasound to the level to be measured. In the case of fig. 4, the tube I crosses the tank laterally. then is, inside thereof, suitably curved to end with a portion directed normally at the level in the tank. In the case of fig. 5 finally, the tube I is associated with a reflector 32 in the form of a prism giving a reflection at 900 of the ultrasonic waves going towards the level to be measured and back to the transmitter.