Développement d'un système pour la mesure du taux de vide dans un écoulement diphasique par une méthode utilisant des micro-ondes

La mesure du taux de vide est un paramètre important dans de nombreux secteurs industriels. Que ce soit pour prévenir le phénomène de flux de chaleur critique dans les tubes caloporteurs de centrales thermiques, l'explosion de poches de gaz remontant aux plates formes pétrolières ou encore la présence de bulles dans des cathéters médicaux, la connaissance du taux de vide est un paramètre déterminant dans nombres d'applications aussi diverses que variées. Plusieurs techniques de mesure intrusives et non intrusives ont été développées ces dernières décennies utilisant la différence des propriétés physiques des fluides lorsqu'ils se trouvent à l'état liquide ou gazeux. Certaines de ces techniques ne sont pas toujours possibles à mettre en place à cause de restrictions dans la géométrie et les propriétés des canaux d'écoulement ou de normes de règlementation limitant leur utilisation. Nous proposons dans ce travail une nouvelle technique non intrusive de mesure de taux de vide d'un écoulement diphasique basé sur la réflexion d'ondes électromagnétiques à l'interface eau-air d'un mélange. La réflexion des ondes est induite par un changement de l'impédance du milieu de propagation. L'impédance est fonction des propriétés diélectriques de ce milieu. Les caractéristiques physiques de l'eau et de l'air étant distinctes, on peut calculer le coefficient de réflexion complexe à l'interface d'un milieu diphasique. Dans cette optique, une modélisation mathématique de la réponse d'une onde électromagnétique dans un tube contenant un mélange diphasique a été faite en utilisant le modèle des lignes de transmission, applicable aux fréquences micro-ondes que nous utilisons. Les effets de la quantité d'air dans l'eau ainsi que la position des bulles dans la section du tube (configuration de l'écoulement) ont été simulées. Il a été montré que la phase de l'onde réfléchie était sensible à la position de bulles dans la section de tube et que la norme du coefficient de réflexion variait en fonction du taux de vide de l'écoulement. Dans un second temps, nous avons conçu et construit un système de réflectomètre sixports fonctionnant à la fréquence de 2.45 GHz. Ce système permet le traitement et le calcul du coefficient de réflexion de l'onde réfléchie par rapport à l'onde incidente. Un réseau six-ports, une antenne de type ‘patch', un générateur d'onde, et un amplificateur ont été simulés à l'aide des logiciels ADS et HFSS. Ces composants ont été ensuite construits en utilisant la technologie des micro-rubans sur substrat diélectrique, puis l'ensemble du réflectomètre a été étalonné à 6 fréquences distinctes proches de 2.45 GHz. Pour ce faire, on a utilisé des