WO2017021458A1 - Dispositif de mesure de niveau de liquide par réflectrométrie optique, structure comprenant un tel dispositif et procédé de mesure correspondant - Google Patents
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- G01M11/3172—Reflectometers detecting the back-scattered light in the frequency-domain, e.g. OFDR, FMCW, heterodyne detection
Definitions
- Device for measuring liquid level by optical reflectrometry structure comprising such a device and corresponding measurement method
- the invention generally relates to liquid level measurements in nuclear facilities, including spent fuel assembly storage pools.
- the invention relates to a device for measuring liquid level by optical reflectometry for a structure of a nuclear installation containing a volume of liquid, the volume of liquid being delimited by a bottom and by a free surface, the measuring device comprising:
- At least one optical fiber designed to be immersed in the liquid through the free surface
- a light source sending a light radiation into the optical fiber
- an analyzer designed to analyze a light radiation backscattered by the optical fiber and to deduce the level of liquid from the bottom.
- JP 2014-41 023 describes such a device. That includes a measurement well in hydrostatic equilibrium with the volume of liquid. The optical fiber is immersed in the liquid filling the well.
- the invention aims to provide a measuring device that is easier to implement.
- the invention relates to a measuring device of the aforementioned type, characterized in that the measuring device comprises a float floating at the free surface of the liquid, the float comprising a passage in which the or each optical fiber is received. slidably, a section of the optical fiber engaged in the passage being pinched or deflected.
- Such a measuring device can easily be installed in an existing installation, for example a swimming pool.
- the measuring device may have one or more of the following characteristics considered individually or in any technically possible combination:
- the measuring device comprises a straightening tube intended to be immersed in the liquid through the free surface, the float floating inside the stilling tube; -
- the passage is arranged so that the section of the optical fiber engaged in the passageway forms a circular arc of at least 45 °, preferably at least 180 °;
- the passage is arranged so that the section of the optical fiber engaged in the passage forms at least one half S and preferably one or more S;
- the measuring device comprises at least two optical fibers, one being coated with an acrylate coating and the other with a polyimide or metal coating;
- the analyzer is of OFDR (optical reflectometry in the frequency domain) or OTDR (optical reflectometry in the time domain) type;
- the analyzer is designed to determine a profile of mechanical stresses along the optical fiber as a function of the light radiation backscattered by the optical fiber and to calculate the position of the free surface relative to the bottom as a function of said profile;
- the optical fiber is resistant to irradiation greater than 1 MGy, preferably 5 MGy.
- the invention relates to a structure of a nuclear installation containing a volume of liquid, the volume of liquid being delimited by a bottom and by a free surface, the structure further comprising a device for level measurement by reflectometry comprising:
- a light source sending a light radiation into the optical fiber
- an analyzer designed to analyze a light radiation backscattered by the optical fiber and to deduce therefrom the level of liquid relative to the bottom
- the measuring device comprising a float floating at the free surface of the liquid, the float comprising a passage in which the or each optical fiber is slidably received, a section of the optical fiber engaged in the passage being pinched or deflected.
- the reflectometry meter is typically in accordance with the first aspect of the invention.
- the invention relates to a method for measuring the liquid level by optical reflectometry for a structure of a nuclear installation containing a volume of liquid, using a measuring device as described below. above, the method comprising the following steps:
- the measurement method may furthermore have the following characteristics:
- the level of liquid relative to the bottom is deduced by determining a profile of mechanical stresses along the optical fiber as a function of the light radiation backscattered by the optical fiber, and by calculating the position of the free surface relative to the bottom as a function of of said profile.
- FIG. 1 represents a spent nuclear fuel assembly storage pool equipped with a reflectometry meter according to the invention
- FIGS. 2 and 3 represent the signal backscattered by the optical fiber towards the analyzer, as a function of the distance along the optical fiber, for analyzers of the OTDR and OFDR type, respectively;
- FIG. 4 is a simplified schematic representation of a float according to a variant of the invention.
- the measuring device 1 is intended to be arranged in a structure 3 of a nuclear installation, which is a pool for storing spent fuel assemblies
- This structure comprises a volume of liquid 7.
- the volume of liquid is delimited by a bottom 9 and side walls January 1, and has upwardly a free surface 13.
- the measuring device 1 is provided for measuring the liquid level, this liquid level corresponding to the height of liquid taken in a vertical direction from the bottom 9 to the free surface 13.
- the liquid is typically water in the case of a spent fuel storage pool.
- the measuring device 1 is usable for measuring the level of liquid in other structures of the nuclear reactor, for example other pools or tanks. It is also usable in a structure located in an installation other than a nuclear reactor, for example a spent fuel assembly reprocessing plant or any other installation of the fuel cycle.
- the liquid is not necessarily water but can be any kind of aqueous or non-aqueous liquid.
- the measuring device 1 comprises at least one optical fiber 15 intended to be immersed in the liquid 7 through the free surface 13, a light source 17 sending a light radiation into the or each optical fiber 15 , and an analyzer 19.
- Each optical fiber 15 thus has a portion immersed in the volume of liquid, and an emerging portion, extending above the free surface 13. Each optical fiber 15 extends to the bottom 9, or practically until background 9.
- the analyzer 19 is designed to analyze the backscattered light radiation at each point of each optical fiber 15, and to deduce therefrom the level of mechanical stresses along the optical fiber and the liquid level with respect to the bottom 9.
- the analyzer 19 is of the OFDR (Optical Frequency Domain Reflectometry) type.
- the analyzer is of OTDR type (Optical Time Domain Reflectometry).
- the light source is a laser 17, or any other light source suitable for the OFDR technique, or OTDR where appropriate.
- the OFDR technique is known, and will only be briefly described here.
- the light radiation coming from the light source 17 is distributed by a first coupler between two arms of an interferometer: a reference arm and a measurement arm.
- the measuring arm is optically connected to the optical fiber 15 and transmits the light radiation to the optical fiber 15.
- a second coupler, implanted on the measuring arm divides the light radiation to interrogate the length of the optical fiber 15.
- the optical fiber 15 returns a light radiation, referred to here as backscattered light radiation, in the measurement branch.
- the second coupler directs a portion of this light radiation backscattered in the reference arm.
- a third coupler, implanted on the reference arm recombines the light radiation emitted by the source 17 and the backscattered light radiation.
- a polarization divider and a polarization controller both implanted in the reference arm, are used to divide the recombinant light radiation equally between two orthogonal polarization states.
- the interference between the backscattered light radiation and these two polarization states is then recorded by detectors.
- the analyzer 19 makes it possible to measure the complex reflection coefficient at each point of the optical fiber 15, as a function of the wavelength of the light radiation emitted by the light source 17. From the reflection coefficients complex, the reflection spectrum is calculated as a function of frequency. Reflectivity as a function of fiber length is calculated by applying a Fourier transform to the scattering spectrum.
- the data detected according to the two polarization states are used to perform the cross-correlation between the reference measurement and the actual measurement. This cross correlation gives the measurement of the temperature or the stress applied thanks to a calibration and the presence of tabulations in the analyzer 19.
- the light radiation backscattered by the optical fiber 15 is caused by local and random fluctuations of the index profile along the length of the optical fiber 15.
- the optical fiber signature as a function of the distance is a specific property.
- the term "signature" as a function of distance is understood to mean the spectrum of light radiation backscattered by each point of the optical fiber.
- Each optical fiber has its own signature. Local changes in the refractive index caused by an external stimulus, such as a change in temperature or local mechanical stress, cause a change in the optical fiber signature in the form of a spectral shift of the backscattered light radiation by the section of the optical fiber undergoing the external stimulus.
- the analyzer In the case where the analyzer is OFDR type, it has calibration tables, to deduce the amplitude of the temperature change or stress from the spectral shift.
- the analyzer 19 couples this analysis with a measurement of flight time, thus making it possible to measure the temperature or the stress in a continuous or almost continuous manner throughout the optical fiber.
- the reference signature of the optical fiber is measured as a function of distance, in a reference situation (at ambient temperature and at rest, that is to say without mechanical stress applied to the fiber).
- This reference signature is memorized by the analyzer 19.
- the signature of the optical fiber as a function of the distance is then measured in real situation by the analyzer 19.
- the dispersion spectra from the two measurements are then compared by the analyzer 19 cross-correlating the full length of the fiber, which is divided into units of length.
- a parameter external to the measuring device temperature, mechanical stress
- this change is recorded as an offset of the wavelength obtained by the cross-correlation at this point.
- the amplitude of the offset is a function of the amplitude of the modification of the external parameter.
- the analyzer 19 typically, has tabs in memory, making it possible to determine the amplitude of the modification of the external parameter as a function of the offset of the wavelength.
- the analyzer 19 typically analyzes the Rayleigh scattering spectral signature of the optical fiber.
- the Rayleigh signature is used to highlight the distribution of the optical losses along the optical fiber. A mechanical stress applied at one point of the optical fiber contributes to the increase of these optical losses.
- the analyzer 19 is provided to detect the place of application of the constraint via the detection of excess losses generated locally.
- the analyzer 19 analyzes the Brillouin spectral signature.
- the analyzer 19 and the light source 17 are offset in a measuring room 20, away from the volume of liquid.
- the analyzer 19 is located in a different room from the room where the volume of liquid 7 is located. This room is for example in another building, or is a room in the same building where the volume of liquid is located. .
- the measuring device 1 further comprises a float 21 floating at the free surface 13 of the liquid, the float 21 having a passage 23 in which the or each optical fiber is slidably received. A section 25 of the optical fiber engaged in the passage 21 is pinched or deflected.
- the section 25 of the optical fiber engaged in the passage 23 is deflected.
- the section 25 adopts the shape of the passage 23.
- the passage 23 is arranged so that the section 25 of the optical fiber forms an arc of at least 45 °, preferably at least 90 ° and still preferably at least 180 °.
- the passage 23 is arranged so that the section 25 of the optical fiber engaged in the passage has the shape of an S.
- the section 25 comprises two portions in an arc of a circle, each extending over 180 °, of opposite curvatures.
- the optical fiber 15 is arranged in such a way as to have an upper section 27 not immersed on the liquid volume 7, and a lower section 29 immersed in the liquid volume 7.
- the sections 27 and 29 are connected to one another. to the other by the section 25.
- the measuring device 1 further comprises a rigid support 31, rigidly fixed to the civil engineering of the structure 3, or a chassis integral with this civil engineering.
- the non-submerged section 27 of the optical fiber is suspended from its upper end 33 to the rigid support 31.
- the upper end 33 is for example connected to the light source 17 and the analyzer 19 by an intermediate optical fiber 35.
- the immersed section 29 has a lower end 37 preferably located flush with the bottom 9.
- a ballast 39 is attached to the end 37, so as to keep the immersed section 29 in a substantially vertical orientation.
- the measuring device 1 advantageously comprises a stretcher tube 41 intended to be immersed in the liquid through the free surface 13, the float 21 floating inside the stripper tube.
- the optical fiber or fibers 15 are also arranged inside the tranquilizer tube 41. This one is in a vertical orientation. It is for example rigidly fixed to the structure 31.
- the tranquilizer tube 41 makes it possible to obtain a constant level of liquid around the float, even if waves propagate on the free surface 13 outside the straightener tube. This helps to obtain a reliable measurement.
- the measuring device 1 typically comprises several optical fibers 15.
- the float 21 comprises several passages 23, identical to each other and separated from each other. Each passage 23 slidably receives a section of one of the optical fibers.
- the measuring device comprises at least two optical fibers 15, and typically comprises four optical fibers 15.
- each optical fiber 15 is chosen so as to withstand high levels of irradiation and temperature.
- at least one of the optical fibers 15 is coated with an acrylate coating, and at least one other is coated with a polyimide and / or metal coating.
- an optical fiber is coated with a high temperature resistant acrylate coating, and three optical fibers are coated with a polyimide and / or metal coating.
- the optical fibers 15 are resistant to a temperature above 150 ° C, and to an irradiation greater than 1 MGy, preferably 5 MGy, more preferably 10 MGy.
- the term "resistive" means that the optical fibers remain usable as a stress sensor, without significant degradation of their performance.
- FIG. 2 illustrates the signal backscattered by each optical fiber 15 to the analyzer 19, as a function of the position along the optical fiber 15, for an OTDR analyzer. This signal is representative of the level of optical losses induced at each point of the fiber, in particular those induced by the stress applied at the air-water interface.
- the curve shown in FIG. 2 has in the left-hand part a first plate, corresponding to the section 27 of the fiber situated above the free surface 13, and possibly to the fiber 35.
- the curve presents in the right part a second plate, corresponding to the section 29 of the optical fiber 15 immersed in the liquid.
- the two plates are connected by a hump zone, denoted V, in which the signal obtained by the analyzer 19 varies rapidly depending on the position along the optical fiber.
- This zone corresponds to the section 25 of the optical fiber engaged in the passage 23 of the float.
- This section is subjected to mechanical stresses resulting in significant optical losses easily detectable by the analyzer 19, because it is deformed to adapt to the shape of the passage 23.
- FIG. 3 illustrates the stress level for each optical fiber 15 up to the analyzer 19, as a function of the position along the optical fiber 15, for an OFDR analyzer.
- the signal is similar to that of Figure 2, with some differences. Both trays are at substantially the same level of stress.
- the analyzer 19 is designed to determine a profile of mechanical stresses along the or each optical fiber 15 as a function of the light radiation backscattered by the optical fiber, and to deduce therefrom the position of the free surface 13 with respect to the bottom 9.
- the analyzer 19 is designed to determine the position of the zone V of fast variation of the signal along the optical fiber, as a function of the light radiation backscattered by the optical fiber.
- the analyzer 19 is also designed to, according to this position, calculate the position of the free surface 13 with respect to the bottom 9.
- the analyzer is provided to determine the distance along the optical fiber between a reference point and the fast variation area of the signal.
- the reference point is typically the light source 17.
- the origin of the abscissa axis corresponds, for example, to the light source 17.
- the analyzer 19 is provided to deduce the liquid level from the bottom. To do this, the analyzer 19 is provided to differentiate between the length, along the optical fiber 15 and optionally the intermediate fiber 35, separating the light source 17 and the lower end 37 of the optical fiber, and the distance determined. Said length is a data item stored in the analyzer's memory. This result is possibly corrected to take into account the distance between the lower end 37 of the optical fiber and the bottom 9, if the lower end 37 is not flush with the bottom.
- An initial state is considered in which the measuring device is located outside the liquid volume.
- the or each optical fiber 15 is immersed in the liquid through the free surface 13, the float being placed floating at the free surface 13 of the liquid, the or each optical fiber 15 being received from slidably in the passage 23 of the float 21.
- the tranquilizer tube 41 is put in place before or after the introduction of the optical fiber and the float.
- the upper end 33 of the non-submerged section 27 of the optical fiber is connected to the rigid support 31.
- the tranquilizer 31 is also connected to the support 31.
- the optical fiber 15 is arranged such that the non-submerged and submerged sections 27 and 29 are substantially vertical.
- the ballast 39 keeps the lower end 37 flush with the bottom 9 and provides a certain vertical tension so that the fiber 15 is straight and allows the float 21 to slide freely along the fiber with the movement of the free surface of the fiber. liquid 13.
- the light source 17 sends light radiation into the or each optical fiber 15.
- the light radiation backscattered by the or each optical fiber 15 is analyzed by the analyzer 19, which deduces the liquid level from the bottom 9 .
- the analyzer 19 first determines the profile of mechanical stresses along the or each optical fiber 15, as a function of the light radiation backscattered by the or each optical fiber 15. The analyzer 19 then determines the position the along the optical fiber of the section 25 of each optical fiber engaged in the passage 23, using the mechanical stress profile. The analyzer, for this purpose, determines the area of the optical fiber in which the mechanical stresses vary very rapidly. It then determines the distance, along the optical fiber 15 and possibly the intermediate fiber 35, between the section 25 and the light source.
- the liquid level from the bottom 9 It deduces the liquid level from the bottom 9, making the difference between the total length, along the fibers 15 and 35, between the light source 17 and the lower end 37 and the predetermined distance. It is possible that the lower end 37 of the fiber is not located exactly flush with the bottom 9. In this case, the distance calculated above is corrected to take account of the height at which the lower end 37 is compared with basically.
- the section 25 of the optical fiber engaged in the passage 23 is not deflected but pressed by means provided for this purpose and mounted on the float 21.
- the section 25 is caught between two rollers 41 rotatably mounted on the float 21, the rollers 41 rolling along the optical fiber when the float 21 moves vertically.
- the two rollers 41 clamp the optical fiber between them and thus create a constraint on the section 25.
- the measuring device and the measuring method described above have many advantages.
- the measuring device comprises a floating float at the free surface of the liquid, and having a passage in which a section of the optical fiber is slidably received
- the arrangement of the measuring device in the structure is very simple.
- the float moves with the free surface of the liquid, which causes a sliding of the optical fiber in the passage, the pinched or deformed section thus varying with the level of liquid.
- the measuring device can thus be easily installed in existing installations, without modification of the civil engineering.
- the integration of the measuring device into a structure is not very intrusive.
- the electronics in particular the analyzer, can be easily placed in a room located at a distance from the volume of liquid.
- the analyzer is not affected.
- the measuring device thus remains functional under accidental ambient conditions within the structure such that the temperature of the liquid reaches 100 ° C, the humidity in the atmosphere above the liquid reaches 100%, and the Elements of the measuring device located inside the structure are exposed to a cumulative dose greater than 1 MGY, preferably 5 MGy, more preferably 10 MGy.
- Such an arrangement also makes it possible to comply with the seismic resistance requirements of the IEC 60068 and IEC 69180 standards.
- This arrangement also makes it possible to comply with the requirements of the RCC-E (rules for the design and construction of electrical equipment for nuclear islands). .
- tests have shown that the measuring device makes it possible to determine the level of liquid relative to the bottom with an accuracy of the order of a centimeter.
- the analyzer is multiplexable, and allows the analysis of signals from several optical fibers, which are not necessarily dived into the same volume of liquid.
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Abstract
Le dispositif de mesure comprend : - au moins une fibre optique (15); - une source de lumière (17); - un analyseur (19), prévu pour analyser un rayonnement lumineux rétrodiffusé par la fibre optique (15) et pour en déduire le niveau de liquide par rapport au fond (9). Le dispositif de mesure (1) comprend un flotteur (21) flottant à la surface libre (13) du liquide, le flotteur (21) comportant un passage (23) dans lequel la ou chaque fibre optique (15) est reçue de manière coulissante, un tronçon (25) de la fibre optique (15) engagé dans le passage étant pincé ou dévié.
Description
Dispositif de mesure de niveau de liquide par réflectrométrie optique , structure comprenant un tel dispositif et procédé de mesure correspondant
L'invention concerne en général les mesures de niveau de liquide dans les installations nucléaires, notamment les piscines de stockage d'assemblages de combustible usagés.
Plus précisément, selon un premier aspect, l'invention porte sur un dispositif de mesure de niveau de liquide par réflectométrie optique pour une structure d'une installation nucléaire contenant un volume de liquide, le volume de liquide étant délimité par un fond et par une surface libre, le dispositif de mesure comprenant :
- au moins une fibre optique prévue pour être plongée dans le liquide à travers la surface libre ;
- une source de lumière envoyant un rayonnement lumineux dans la fibre optique ;
- un analyseur, prévu pour analyser un rayonnement lumineux rétrodiffusé par la fibre optique et pour en déduire le niveau de liquide par rapport au fond.
JP 2014-41 023 décrit un tel dispositif. Celui comprend un puits de mesure en équilibre hydrostatique avec le volume de liquide. La fibre optique est plongée dans le liquide remplissant le puits.
Un tel agencement est complexe, et est difficile à mettre œuvre sur des installations déjà existantes.
Dans ce contexte, l'invention vise à proposer un dispositif de mesure qui soit plus facile à mettre en œuvre.
A cette fin, l'invention porte sur un dispositif de mesure du type précité, caractérisé en ce que le dispositif de mesure comprend un flotteur flottant à la surface libre du liquide, le flotteur comportant un passage dans lequel la ou chaque fibre optique est reçue de manière coulissante, un tronçon de la fibre optique engagé dans le passage étant pincé ou dévié.
Un tel dispositif de mesure peut facilement être implanté dans une installation existante, par exemple une piscine.
Par ailleurs, le dispositif de mesure peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considéré(es) individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- le dispositif de mesure comprend un tube tranquiliseur prévu pour être plongé dans le liquide à travers la surface libre, le flotteur flottant à l'intérieur du tube tranquilliseur ;
- le passage est agencé pour que le tronçon de la fibre optique engagé dans le passage forme un arc de cercle d'au moins 45°, de préférence d'au moins 180° ;
- le passage est agencé pour que le tronçon de la fibre optique engagé dans le passage forme au moins un demi S et de préférence un ou plusieurs S ;
- le dispositif de mesure comprend au moins deux fibres optiques, l'une étant revêtue d'un revêtement d'acrylate et l'autre d'un revêtement de polyimide ou métallique ;
- l'analyseur est de type OFDR (réflectométrie optique dans le domaine fréquentiel) ou OTDR (réflectométrie optique dans le domaine temporel) ;
- l'analyseur est prévu pour déterminer un profil de contraintes mécaniques le long de la fibre optique en fonction du rayonnement lumineux rétrodiffusé par la fibre optique et pour calculer la position de la surface libre par rapport au fond en fonction dudit profil ; et
- la fibre optique est résistante à une irradiation supérieure à 1 MGy, de préférence à 5 MGy.
Selon un second aspect, l'invention porte sur une structure d'une installation nucléaire contenant un volume de liquide, le volume de liquide étant délimité par un fond et par une surface libre, la structure comportant en outre un dispositif de mesure de niveau par réflectométrie comprenant :
- au moins une fibre optique plongée dans le liquide à travers la surface libre ;
- une source de lumière envoyant un rayonnement lumineux dans la fibre optique ; - un analyseur, prévu pour analyser un rayonnement lumineux rétrodiffusé par la fibre optique et pour en déduire le niveau de liquide par rapport au fond ;
le dispositif de mesure comprenant un flotteur flottant à la surface libre du liquide, le flotteur comportant un passage dans lequel la ou chaque fibre optique est reçue de manière coulissante, un tronçon de la fibre optique engagé dans le passage étant pincé ou dévié.
Le dispositif de mesure de niveau par réflectométrie est typiquement conforme au premier aspect de l'invention.
Selon un troisième aspect, l'invention porte sur un procédé de mesure de niveau de liquide par réflectométrie optique pour une structure d'une installation nucléaire contenant un volume de liquide, à l'aide d'un dispositif de mesure tel que décrit ci-dessus, le procédé comprenant les étapes suivantes:
- plonger la ou chaque fibre optique dans le liquide à travers la surface libre, le flotteur flottant à la surface libre du liquide, la ou chaque fibre optique étant reçue de manière coulissante dans le passage du flotteur, le tronçon de la fibre optique engagé dans le passage étant pincé ou dévié ;
- envoyer le rayonnement lumineux dans la fibre optique à partir de la source de lumière ;
- analyser le rayonnement lumineux rétrodiffusé par la fibre optique et en déduire le niveau de liquide par rapport au fond.
Par ailleurs, le procédé de mesure peut en outre présenter les caractéristiques ci- dessous :
- le niveau de liquide par rapport au fond est déduit en déterminant un profil de contraintes mécaniques le long de la fibre optique en fonction du rayonnement lumineux rétrodiffusé par la fibre optique, et en calculant la position de la surface libre par rapport au fond en fonction dudit profil.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention sortiront de la description détaillée qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :
- la figure 1 représente une piscine de stockage d'assemblage de combustible usé d'un réacteur nucléaire, équipée d'un dispositif de mesure de niveau par réflectométrie conforme à l'invention ;
- les figures 2 et 3 représentent le signal rétrodiffusé par la fibre optique vers l'analyseur, en fonction de la distance le long de la fibre optique, pour des analyseurs du type OTDR et OFDR respectivement ; et
- la figure 4 est une représentation schématique simplifiée d'un flotteur conforme à une variante de l'invention.
Le dispositif de mesure 1 est destiné à être agencé dans une structure 3 d'une installation nucléaire, qui est une piscine de stockage d'assemblages de combustible usés
5 sur la figure 1 . Cette structure comporte un volume de liquide 7. Le volume de liquide est délimité par un fond 9 et des parois latérales 1 1 , et présente vers le haut une surface libre 13.
Le dispositif de mesure 1 est prévu pour mesurer le niveau de liquide, ce niveau de liquide correspondant à la hauteur de liquide prise suivant une direction verticale depuis le fond 9 jusqu'à la surface libre 13.
Le liquide est typiquement de l'eau dans le cas d'une piscine de stockage de combustibles usés.
Le dispositif de mesure 1 est utilisable pour mesurer le niveau de liquide dans d'autres structures du réacteur nucléaire, par exemple d'autres piscines ou des cuves. Il est utilisable également dans une structure se trouvant dans une installation autre qu'un réacteur nucléaire, par exemple une usine de retraitement d'assemblages de combustible usés ou toute autre installation du cycle du combustible.
Le liquide n'est pas nécessairement de l'eau mais peut être toute sorte de liquide aqueux ou non aqueux.
Comme visible sur la figure 1 , le dispositif de mesure 1 comporte au moins une fibre optique 15 prévue pour être plongée dans le liquide 7 à travers la surface libre 13, une source 17 de lumière envoyant un rayonnement lumineux dans la ou chaque fibre optique 15, et un analyseur 19.
Chaque fibre optique 15 présente donc une partie immergée dans le volume de liquide, et une partie émergée, s'étendant au-dessus de la surface libre 13. Chaque fibre optique 15 s'étend jusqu'au fond 9, ou pratiquement jusqu'au fond 9.
L'analyseur 19 est prévu pour analyser le rayonnement lumineux rétrodiffusé en chaque point de chaque fibre optique 15, et pour en déduire le niveau de contraintes mécaniques le long de la fibre optique et le niveau de liquide par rapport au fond 9.
L'analyseur 19 est de type OFDR (Optical Frequency Domain Reflectometry ou réflectométrie optique dans le domaine fréquentiel). En variante, l'analyseur est de type OTDR (Optical Time Domain Reflectometry ou réflectométrie optique dans le domaine temporel).
La source de lumière est un laser 17, ou toute autre source de lumière adaptée pour la technique OFDR, ou OTDR le cas échéant.
La technique OFDR est connue, et ne sera que brièvement décrite ici. Le rayonnement lumineux provenant de la source de lumière 17 est réparti par un premier coupleur entre deux bras d'un interféromètre : un bras de référence et un bras de mesure. Le bras de mesure est raccordé optiquement à la fibre optique 15 et transmet le rayonnement lumineux jusqu'à la fibre optique 15. Un second coupleur, implanté sur le bras de mesure, divise le rayonnement lumineux pour interroger la longueur de la fibre optique 15. La fibre optique 15 renvoie un rayonnement lumineux, appelé ici rayonnement lumineux rétrodiffusé, dans la branche de mesure. Le second coupleur dirige une partie de ce rayonnement lumineux rétrodiffusé dans le bras de référence. Un troisième coupleur, implanté sur le bras de référence, recombine le rayonnement lumineux émis par la source 17 et le rayonnement lumineux rétrodiffusé. Un diviseur de polarisation et un contrôleur de polarisation, tous deux implantés dans le bras de référence, sont utilisés pour diviser le rayonnement lumineux recombiné, de façon égale, entre deux états de polarisation orthogonaux. L'interférence entre le rayonnement lumineux rétrodiffusé et ces deux états de polarisation est alors enregistrée par des détecteurs. L'analyseur 19 permet de mesurer le coefficient de réflexion complexe en chaque point de la fibre optique 15, en fonction de la longueur d'onde du rayonnement lumineux émis par la source de lumière 17. A partir des coefficients de réflexion
complexe, le spectre de réflexion est calculé en fonction de la fréquence. La réflectivité en fonction de la longueur de la fibre est calculée en appliquant une transformée de Fourier au spectre de diffusion. Les données détectées selon les deux états de polarisation sont utilisées pour effectuer la corrélation croisée entre la mesure de référence et la mesure en situation réelle. Cette corrélation croisée donne la mesure de la température ou de la contrainte appliquée grâce à une calibration et la présence de tabulations dans l'analyseur 19.
Le rayonnement lumineux rétrodiffusé par la fibre optique 15 est causé par des fluctuations locales et aléatoires du profil d'indice le long de la longueur de la fibre optique 15. Pour une fibre optique donnée, la signature de la fibre optique en fonction de la distance est une propriété déterminée. On entend ici par signature en fonction de la distance, le spectre du rayonnement lumineux rétrodiffusé par chaque point de la fibre optique. Chaque fibre optique possède sa propre signature. Les changements locaux de l'indice de réfraction causés par un stimulus externe, comme un changement de température ou de contrainte mécanique locale, causent une évolution de la signature de la fibre optique sous la forme d'un décalage spectral du rayonnement lumineux rétrodiffusé par le tronçon de la fibre optique subissant le stimulus externe. Dans le cas où l'analyseur est de type OFDR, il dispose de tables de calibrations, permettant de déduire l'amplitude du changement de température ou de contrainte à partir du décalage spectral. L'analyseur 19 couple cette analyse avec une mesure de temps de vol, permettant ainsi de mesurer la température ou la contrainte de manière continue ou quasiment continue tout au long de la fibre optique.
Typiquement, on mesure la signature de référence de la fibre optique en fonction de la distance, dans une situation de référence (à la température ambiante et au repos, c'est-à-dire sans contrainte mécanique appliquée à la fibre). Cette signature de référence est mémorisée par l'analyseur 19. La signature de la fibre optique en fonction de la distance est ensuite mesurée en situation réelle par l'analyseur 19. Les spectres de dispersion à partir des deux mesures sont ensuite comparés par l'analyseur 19 en faisant une corrélation croisée sur toute la longueur de la fibre, celle-ci étant divisée en unité de longueur. Grâce à la corrélation croisée, on mesure le degré de similitude entre ces deux signaux ce qui permet de remonter à la localisation et la quantification de la perturbation appliquée sur la fibre optique, a longueur de l'unité est choisie par l'opérateur en fonction de la longueur de la fibre à considérer et d'autres paramètres tels que les conditions d'utilisation du capteur.
Si, en situation réelle, un paramètre externe au dispositif de mesure (température, contrainte mécanique) est modifié par rapport à la situation de référence en un point de la
fibre, ce changement est enregistré comme un décalage de la longueur d'ondes obtenu par la corrélation croisée en ce point. L'amplitude du décalage est fonction de l'amplitude de la modification du paramètre externe. L'analyseur 19, typiquement, comporte des tabulations en mémoire, permettant de déterminer l'amplitude de la modification du paramètre externe en fonction du décalage de la longueur d'onde.
L'analyseur 19 typiquement analyse la signature spectrale de diffusion Rayleigh de la fibre optique. Dans le cas où l'analyseur 19 est du type OTDR et non OFDR, la signature Rayleigh est utilisée pour mettre en évidence la distribution des pertes optiques le long de la fibre optique. Une contrainte mécanique appliquée en un point de la fibre optique contribue à l'augmentation de ces pertes optiques. L'analyseur 19 est prévu pour détecter le lieu d'application de la contrainte via la détection des pertes en excès générées localement.
En variante, l'analyseur 19 analyse la signature spectrale Brillouin.
De manière avantageuse, l'analyseur 19 et la source de lumière 17 sont déportés dans un local de mesure 20, à distance du volume de liquide. Ainsi, l'analyseur 19 est situé dans un local différent du local où est situé le volume de liquide 7. Ce local est par exemple dans un autre bâtiment, ou est un local du même bâtiment que celui où se trouve le volume de liquide 7.
Le dispositif de mesure 1 comprend encore un flotteur 21 flottant à la surface libre 13 du liquide, le flotteur 21 comportant un passage 23 dans lequel la ou chaque fibre optique est reçue de manière coulissante. Un tronçon 25 de la fibre optique engagé dans le passage 21 est pincé ou dévié.
Dans l'exemple de réalisation de la figure 1 , le tronçon 25 de la fibre optique engagé dans le passage 23 est dévié. On entend par là qu'il n'a pas une forme rectiligne, cette forme rectiligne correspondant à la situation de référence.
Au contraire, le tronçon 25 adopte la forme du passage 23.
De manière à générer un décalage de longueur d'onde facile à détecter, le passage 23 est agencé pour que le tronçon 25 de la fibre optique forme un arc de cercle d'au moins 45°, de préférence d'au moins 90° et encore de préférence d'au moins 180°.
Dans l'exemple représenté, le passage 23 est agencé pour que le tronçon 25 de la fibre optique engagé dans le passage ait la forme d'un S. Ainsi, le tronçon 25 comporte deux portions en arc de cercle, s'étendant chacun sur 180°, de courbures opposées.
Par ailleurs, la fibre optique 15 est agencée de telle manière à présenter un tronçon supérieur 27 non immergé sur le volume de liquide 7, et un tronçon inférieur 29 immergé dans le volume de liquide 7. Les tronçons 27 et 29 sont raccordés l'un à l'autre par le tronçon 25.
Le dispositif de mesure 1 comporte encore un support rigide 31 , rigidement fixé au génie civil de la structure 3, ou un châssis solidaire de ce génie civil. Le tronçon non immergé 27 de la fibre optique est suspendu par son extrémité supérieure 33 au support rigide 31 . L'extrémité supérieure 33 est par exemple raccordée à la source lumineuse 17 et à l'analyseur 19 par une fibre optique intermédiaire 35.
Le tronçon immergé 29 présente une extrémité inférieure 37 située de préférence au ras du fond 9. Un lest 39 est fixé à l'extrémité 37, de manière à maintenir le tronçon immergé 29 dans une orientation sensiblement verticale.
Le dispositif de mesure 1 comporte avantageusement un tube tranquiliseur 41 prévu pour être plongé dans le liquide à travers la surface libre 13, le flotteur 21 flottant à l'intérieur du tube tranquiliseur.
La ou les fibres optiques 15 sont elles aussi disposées à l'intérieur du tube tranquiliseur 41 . Celui-ci est dans une orientation verticale. Il est par exemple rigidement fixé à la structure 31 .
Le tube tranquiliseur 41 permet d'obtenir un niveau de liquide constant autour du flotteur, même si des vagues se propagent à la surface libre 13 à l'extérieur du tube tranquiliseur. Ceci contribue à obtenir une mesure fiable.
Le dispositif de mesure 1 comprend typiquement plusieurs fibres optiques 15. Dans ce cas, le flotteur 21 comprend plusieurs passages 23, identiques les uns aux autres et séparés les uns des autres. Chaque passage 23 reçoit de manière coulissante un tronçon d'une des fibres optiques.
En variante, plusieurs fibres optiques sont engagées dans un même passage. Par exemple, le dispositif de mesure comprend au moins deux fibres optiques 15, et comporte typiquement quatre fibres optiques 15.
Avantageusement, chaque fibre optique 15 est choisie de manière à résister à des niveaux élevés d'irradiation et de température. Typiquement, au moins une des fibres optiques 15 est revêtue d'un revêtement d'acrylate, et au moins une autre est revêtue d'un revêtement de polyimide et/ou métallique. Par exemple, une fibre optique est revêtue d'un revêtement d'acrylate résistant aux hautes températures, et trois fibres optiques sont revêtues d'un revêtement de polyimide et/ou métallique.
Ainsi, les fibres optiques 15 sont résistantes à une température supérieure à 150°C, et à une irradiation supérieure à 1 MGy, de préférence 5 MGy, encore de préférence 10 MGy. On entend par résistante le fait que les fibres optiques restent utilisables comme capteur de contrainte, sans dégradation significative de leur performance.
La figure 2 illustre le signal rétrodiffusé par chaque fibre optique 15 à l'analyseur 19, en fonction de la position le long de la fibre optique 15, pour un analyseur de type OTDR. Ce signal est représentatif du niveau de pertes optiques induites en chaque point de la fibre, en particulier celles induites par la contrainte appliquée au niveau de l'interface air-eau. La courbe représentée sur la figure 2 présente en partie gauche un premier plateau, correspondant au tronçon 27 de la fibre situé au-dessus de la surface libre 13, et éventuellement à la fibre 35.
La courbe présente en partie droite un second plateau, correspondant au tronçon 29 de la fibre optique 15 immergé dans le liquide.
Les deux plateaux sont raccordés par une zone formant une bosse, notée V, dans laquelle le signal obtenu par l'analyseur 19 varie rapidement en fonction de la position le long de la fibre optique. Cette zone correspond au tronçon 25 de la fibre optique engagé dans le passage 23 du flotteur. Ce tronçon est soumis à des contraintes mécaniques entraînant des pertes optiques importantes facilement détectables par l'analyseur 19, car il est déformé pour s'adapter à la forme du passage 23.
La figure 3 illustre le niveau de contrainte pour chaque fibre optique 15 jusqu'à l'analyseur 19, en fonction de la position le long de la fibre optique 15, pour un analyseur de type OFDR. Le signal est similaire à celui de la figure 2, avec quelques différences. Les deux plateaux sont sensiblement au même niveau de contrainte.
L'analyseur 19 est prévu pour déterminer un profil de contraintes mécaniques le long de la ou chaque fibre optique 15 en fonction du rayonnement lumineux rétrodiffusé par la fibre optique, et pour en déduire la position de la surface libre 13 par rapport au fond 9.
Pour ce faire, l'analyseur 19 est prévu pour déterminer la position de la zone V de variation rapide du signal le long de la fibre optique, en fonction du rayonnement lumineux rétrodiffusé par la fibre optique.
L'analyseur 19 est également prévu pour, en fonction de cette position, calculer la position de la surface libre 13 par rapport au fond 9.
Pour ce faire, l'analyseur est prévu pour déterminer la distance le long de la fibre optique 15 entre un point de référence et la zone de variation rapide du signal. Le point de référence est typiquement la source de lumière 17. Sur la figure 2, l'origine de l'axe des abscisses correspond par exemple à la source de lumière 17.
L'analyseur 19 est prévu pour en déduire le niveau de liquide par rapport au fond. Pour ce faire, l'analyseur 19 est prévu pour faire la différence entre la longueur, le long de la fibre optique 15 et éventuellement de la fibre intermédiaire 35, séparant la source de lumière 17 et l'extrémité inférieure 37 de la fibre optique, et la distance préalablement
déterminée. Ladite longueur est une donnée enregistrée dans la mémoire de l'analyseur. Ce résultat est éventuellement corrigé pour tenir compte de la distance entre l'extrémité inférieure 37 de la fibre optique et le fond 9, si l'extrémité inférieure 37 n'est pas au ras du fond.
Le procédé de mesure de niveau à l'aide d'un dispositif de mesure conforme à l'invention va maintenant être décrit.
On considère un état initial dans lequel le dispositif de mesure est situé hors du volume de liquide.
Au cours d'une première étape, on plonge la ou chaque fibre optique 15 dans le liquide à travers la surface libre 13, le flotteur étant mis en place flottant à la surface libre 13 du liquide, la ou chaque fibre optique 15 étant reçue de manière coulissante dans le passage 23 du flotteur 21 .
Le tube tranquiliseur 41 est mis en place avant ou après la mise en place de la fibre optique et du flotteur.
L'extrémité supérieure 33 du tronçon non immergé 27 de la fibre optique est raccordée au support rigide 31 . Le tranquiliseur 31 est raccordé lui aussi au support 31 .
La fibre optique 15 est agencée de telle sorte que les tronçons non immergé et immergé 27 et 29 sont sensiblement verticaux. Le lest 39 maintient l'extrémité inférieure 37 au ras du fond 9 et assure une certaine tension verticale de telle sorte que la fibre 15 est rectiligne et permet au flotteur 21 de coulisser librement le long de la fibre avec le mouvement de la surface libre du liquide 13.
Puis, la source de lumière 17 envoie un rayonnement lumineux dans la ou chaque fibre optique 15. Le rayonnement lumineux rétrodiffusé par la ou chaque fibre optique 15 est analysé par l'analyseur 19, qui en déduit le niveau de liquide par rapport au fond 9.
Pour ce faire, l'analyseur 19 détermine d'abord le profil de contraintes mécaniques le long de la ou chaque fibre optique 15, en fonction du rayonnement lumineux rétrodiffusé par la ou chaque fibre optique 15. L'analyseur 19 détermine ensuite la position le long de la fibre optique du tronçon 25 de chaque fibre optique engagé dans le passage 23, en utilisant le profil de contraintes mécaniques. L'analyseur, pour ce faire, détermine la zone de la fibre optique dans lequel les contraintes mécaniques varient très rapidement. Il détermine ensuite la distance, le long de la fibre optique 15 et éventuellement de la fibre intermédiaire 35, entre le tronçon 25 et la source lumineuse.
Il en déduit le niveau de liquide par rapport au fond 9, en faisant la différence entre la longueur totale, le long des fibres 15 et 35, entre la source luminaire 17 et l'extrémité inférieure 37 et la distance préalablement déterminée.
Il est possible que l'extrémité inférieure 37 de la fibre ne soit pas située exactement au ras du fond 9. Dans ce cas, on corrige la distance calculée précédemment pour tenir compte de la hauteur à laquelle se trouve l'extrémité inférieure 37 par rapport au fond.
Selon une variante de réalisation, représentée sur la figure 4, le tronçon 25 de la fibre optique engagée dans le passage 23 n'est pas dévié mais pressé, par des organes prévus à cet effet et montés sur le flotteur 21 . Par exemple, comme illustré sur la figure 3, le tronçon 25 est pris entre deux galets 41 montés rotatifs sur le flotteur 21 , les galets 41 roulant le long de la fibre optique quand le flotteur 21 se déplace verticalement. Les deux galets 41 pincent entre eux la fibre optique et créent donc une contrainte au niveau du tronçon 25.
Le dispositif de mesure et le procédé de mesure décrits ci-dessus présentent de multiples avantages.
Tout d'abord, du fait que le dispositif de mesure comprend un flotteur flottant à la surface libre du liquide, et comportant un passage dans lequel un tronçon de la fibre optique est reçu de manière coulissante, l'agencement du dispositif de mesure dans la structure est très simple. Le flotteur se déplace avec la surface libre du liquide, ce qui provoque un coulissement de la fibre optique dans le passage, le tronçon pincé ou déformé variant ainsi avec le niveau de liquide. Le dispositif de mesure peut ainsi être facilement implanté dans des installations existantes, sans modification du génie civil. L'intégration du dispositif de mesure dans une structure est peu intrusive.
L'électronique, notamment l'analyseur, peut être facilement disposé dans un local situé à distance du volume de liquide. Ainsi, en cas d'accident provoquant une augmentation de la température à l'intérieur de la structure, et/ou une augmentation du taux d'humidité dans l'atmosphère au-dessus du volume de liquide, et/ou une augmentation du rayonnement ionisant au-dessus du volume de liquide, l'analyseur n'est pas affecté.
Le dispositif de mesure reste donc fonctionnel dans des conditions d'ambiance accidentelles à l'intérieur de la structure telles que la température du liquide atteint 100°C, l'humidité dans l'atmosphère au-dessus du liquide atteint 100%, et les éléments du dispositif de mesure situés à l'intérieur de la structure sont exposés à une dose cumulée supérieure à 1 MGY, de préférence 5 MGy, encore de préférence 10 MGy.
Un tel agencement permet par ailleurs de respecter les exigences de tenue au séisme des normes CEI 60068 et CEI 69180. Cet agencement permet également d'être conforme aux prescriptions du RCC-E (règles de conception et de construction des matériels électriques des îlots nucléaires).
Par ailleurs, des essais ont montré que le dispositif de mesure permet de déterminer le niveau de liquide par rapport au fond avec une précision de l'ordre du centimètre.
L'analyseur est multiplexable, et permet de réaliser l'analyse de signaux provenant de plusieurs fibres optiques, qui ne sont pas nécessairement plongées dans le même volume de liquide.
Claims
1 . - Dispositif de mesure de niveau par réflectométrie optique pour une structure (3) d'une installation nucléaire contenant un volume (7) de liquide, le volume de liquide étant délimité par un fond (9) et par une surface libre (13), le dispositif de mesure (1 ) comprenant :
- au moins une fibre optique (15) prévue pour être plongée dans le liquide à travers la surface libre (13);
- une source de lumière (17) envoyant un rayonnement lumineux dans la fibre optique (15) ;
- un analyseur (19), prévu pour analyser un rayonnement lumineux rétrodiffusé par la fibre optique (15) et pour en déduire le niveau de liquide par rapport au fond (9) ;
caractérisé en ce que le dispositif de mesure (1 ) comprend un flotteur (21 ) flottant à la surface libre (13) du liquide, le flotteur (21 ) comportant un passage (23) dans lequel la ou chaque fibre optique (15) est reçue de manière coulissante, un tronçon (25) de la fibre optique (15) engagé dans le passage étant pincé ou dévié.
2. - Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le dispositif de mesure (1 ) comprend un tube tranquiliseur (41 ) prévu pour être plongé dans le liquide à travers la surface libre (13), le flotteur (21 ) flottant à l'intérieur du tube tranquilliseur (41 ).
3.- Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le passage (23) est agencé pour que le tronçon (25) de la fibre optique (15) engagé dans le passage (23) forme un arc de cercle d'au moins 45°, de préférence d'au moins 180°.
4. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le passage (23) est agencé pour que le tronçon (25) de la fibre optique (15) engagé dans le passage (23) forme au moins un demi S et de préférence un ou plusieurs S.
5. - Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de mesure (1 ) comprend au moins deux fibres optiques (15), l'une étant revêtue d'un revêtement d'acrylate et l'autre d'un revêtement de polyimide ou métallique.
6. - Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'analyseur (19) est de type OFDR (réflectométrie optique dans le domaine fréquentiel) ou OTDR (réflectométrie optique dans le domaine temporel).
7. - Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'analyseur (19) est prévu pour déterminer un profil de contraintes mécaniques le long de la fibre optique (15) en fonction du rayonnement lumineux
rétrodiffusé par la fibre optique (15) et pour calculer la position de la surface libre (13) par rapport au fond (9) en fonction dudit profil.
8. - Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fibre optique (15) est résistante à une irradiation supérieure à 1 MGy, de préférence à 5 MGy.
9. - Structure d'une installation nucléaire contenant un volume de liquide, le volume de liquide (7) étant délimité par un fond (9) et par une surface libre (13), la structure (3) comportant en outre un dispositif (1 ) de mesure de niveau par réflectométrie comprenant :
- au moins une fibre optique (15) plongée dans le liquide à travers la surface libre (13);
- une source de lumière (17) envoyant un rayonnement lumineux dans la fibre optique (15) ;
- un analyseur (19), prévu pour analyser un rayonnement lumineux rétrodiffusé par la fibre optique (15) et pour en déduire le niveau de liquide par rapport au fond (9) ;
caractérisé en ce que le dispositif de mesure (1 ) comprend un flotteur (21 ) flottant à la surface libre (13) du liquide, le flotteur (21 ) comportant un passage (23) dans lequel la ou chaque fibre optique (15) est reçue de manière coulissante, un tronçon (25) de la fibre optique (15) engagé dans le passage (23) étant pincé ou dévié.
10. - Procédé de mesure de niveau par réflectométrie pour une structure (3) d'une installation nucléaire contenant un volume de liquide (7), à l'aide d'un dispositif de mesure
(1 ) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, le procédé comprenant les étapes suivantes:
- plonger la ou chaque fibre optique (15) dans le liquide à travers la surface libre (13), le flotteur (21 ) flottant à la surface libre (13) du liquide, la ou chaque fibre optique (15) étant reçue de manière coulissante dans le passage (23) du flotteur (21 ), le tronçon (25) de la fibre optique (15) engagé dans le passage (23) étant pincé ou dévié ;
- envoyer le rayonnement lumineux dans la fibre optique (15) à partir de la source de lumière (17);
- analyser le rayonnement lumineux rétrodiffusé par la fibre optique (15) et en déduire le niveau de liquide par rapport au fond (9).
1 1 . - Procédé de mesure selon la revendication 10, caractérisé en ce que le niveau de liquide par rapport au fond (9) est déduit en déterminant un profil de contraintes mécaniques le long de la fibre optique (15) en fonction du rayonnement lumineux rétrodiffusé par la fibre optique (15), et en calculant la position de la surface libre (13) par rapport au fond (9) en fonction dudit profil.
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