Brevet FR2041006A1 — publié le 19710129

La présente invention se rapporte à la mesure de la distance entre deux points par détermination du temps qui s'écoule entre l'émission d'une impulsion ultra-sonore à l'un des points et la réception d'un écho obtenu par réflexion de cette impulsion à l'autre point. Que la mesure de cet intervalle de temps s'effectue par une méthode analogique ou digitale, il faut tenir compte, pour obtenir l'indication correcte de la distance, des variations que peut subir, d'une mesure à l'autre, la vitesse de propagationdes ultra-sons dans le milieu qui sépare ces deux points. On a déjà.proposé, dans le brevet français no 1.474.171 déposé le 10 Février 1966 par la Demanderesse, pour : "Procédé et dispositif de mesure analogique de distances au moyen d'impulsions ultra-sonores", ainsi que dans le brevet français n 1.477.534, déposé le 8 Février 1966 par la Demanderesse, pour "Procédé et dispositif de mesure digitale de distances au moyen d'impulsions ultra-sonores", des méthodes de correction basées sur le principe, connu en soi, quiconsiste à utiliser, comme étalon permettant d'effectuer une correction, un phénomène de réso-nance acoustique dans un espace de longueur prédéterminée au sein du milieu considéré. Ces méthodes de correction sont très précises, mais relativement complexes et elles exigent que lton associe, à chaque sonde de mesure, au moins un transducteur auxiliaire, ce qui complique l'implantation du montage. La présente invention propose une méthode simplifiée de correction, consistant essentiellement à associer à la sonde (ou à chaque sonde) de mesure, un réflecteur d'ultra-sons situé à une distance connue de la surface active de ladite sonde, à mesurer le temps de propagation aller t retour des ultra-sons entre ladite sonde et ledit réflecteur et à utiliser le résultat de cette mesure pour calibrer les organes de mesure du temps de propagation aller et retour des ultra-sons entre les deux points dont on veut mesurer la distance. L'invention a également pour objet un dispositif de mesure des distances qui comprend un réflecteur relié à chaque sonde de masure par un support de longueur connue, des moyens de séparer l'écho formé sur ledit réflecteur et l'écho formé audit autre point et des moyens de faire varier le calibrage desdits organes de mesure en fonction de l'instant d'apparition dudit écho formé sur le réflecteur. Suivant un mode d'exécution préféré, lesdits organes de mesure comportent un compteur à présélection alimenté par une horloge, et lesdits moyens de faire varier le calibrage agissent sur la fréquence d'horloge, sous l'effet d'une tension d'erreur fonction de l'écart entre les instants d'apparition dudit écho formé sur le réflecteur et d'une impulsion de présélection fournie par le compteur. L'invention sera mieux comprise à l'aide ae la description ci-après. Au dessin annexé la figure 1 est le schéma de principe d'un dispositif de mesure des distances conforme à l'invention la figure 2 représente les formes d'ondes en-divers points du montage de la figure 1 ; la figure 3 représente schématiquement un dispositif de mesure des distances conforme à un mode d'exEcutiob préféré t la figure 4 représente un mode de réalisation plus particulier d'une partie de l'appareil de la figure 3 et la figure 5 représente les formes d'ondes en divers points du montage de figure 4. L'appareil représenté à la figure I sert à mesurer la distance ventre la surface active la d'une sonde acoustique I et une surface réfléchissante S. te parcours aller et retour des impulsions ultra-sonores entre les surfaces la et S s'effectue dans un milieu déterminé, par exemple un liquide, dans lequel la sonde est immergée, et il s'agit de corriger le résultat de la mesure de dOen tenant compte de variations éventueIles de- la température, ou autre paramètre qui modifie la vitesse de propagation des ultra-sons dans ce milieu. A cet effet, l'appareil comporte un réflecteur auxiliaire 2, qui peut être constitué par un simple fil métallique plié, fixé à la sonde, de façon à fournir une surface réfléchissante à la distance fixe lo de la surface 7a. Un générateur 3 d'impulsions électriques à fréquence de récurrence ultra-sonore déterminée par une.horloge 4 excite la sonde 1. Les échos sont amplifiés par un amplificateur de réception 5. Comme le montre la figure 2 (forme d'onde a), sont présents au point A, à chaque cycle, l'impulsion d'émission E, l'écho R0 formé -sur la surface 2 et l'écho R1 formé sur la surface S. Une bascule monostable 6 est déclenchée par l'impulsion d'horloge (dont on s' arrange pour qu'elle précède l'égèrement l'impulsion d'émission) et fournit un créneau de durée déterminée choisie de façon telle que son front arrière précède R0 (forme d'onde b). Les signaux a et b sont appliqués à une porte 7, qui ne transmet ainsi que les échos R0 et R1 (forme d'onde c, présente à la borne C). Une seconde bascule monestable 8 est déclenchée, en même temps que la première, pour une durée telle que le front arrière du créneau (d, figure 2) précède R1 et suive R0. Les signaux c et d sont appliqués à une seconde porte 9, qui ne transmet ainsi que les échos R1 (forme d'onde e, présente à la borne E). Un commutateur 10 relie, soit la borne C, soit la borne , à un dispositif de mesure llo Ce dernier, connu en soi5 peut tre de tWpe analogique ou numérique. Il mesure l'intervalle de temps qui sépare l'impulsion d'émission de l'écho R0 ou R1. Dans le cas d'un dispositif analogique, cette mesure s'effectue en engendrant une tension dont l'amplitude croit, pendant l'intervalle de temps à mesurer, suivant une loi connue, et en déterminant la valeur prise par cette tension à la fin dudit in ter@alle. Dans le cas d'un dispositif numérique ou "digital", l'appa- reil compte des impulsions d'horloge pendant ledit intervalle, et le copte final d'impulsions indique donc l'intervalle de temps à mesurer. Comme le dispositif ll est directement -calibré en distances il faut, avant de procéder à chaque mesure, effectuer une correction du calibrage rour tenir conpt-e d'une variation éventuelle, depuis la mesure précédente de la vitesse de propagation des ultra-sons. Cette correction s'effectue précisément en @laçant le com mutateur 10 sur la borne G, et en calibrant ft le @ispositif ll pour qu'il indique alors exactement la distance 10, laquelle est connue d'avance. L'appareil que l'on vient de décrire est particulièrement simple. il peut tre réalisé très facilement avec un grand nombre de sondes que l'on commute alors sur le même circuit élec- tronique d'émission, ae réception et de mesure. il suffit en effet ae fixer un réflecteur auxiliaire à chaque sonde, ce qui ne complique pas l'implantation de celle-ci. La correction de vitesse de propagation s'effectue en prenant, comme référénce, une base de mesure dont la longueur 10 peut etre relativement grande, -et qui est placée sur une partie du trajet réel de l'impulsion de sonde. On obtient donc une correction précise. A la figure 3, on a représenté un moae d'exécution préféré du même appareil, en version digitale. On y retrouve les mêmes organes qu'à la figure 1, affectés des mêmes numéros de référence, à l'exception du commutateur 10 et du dispositif de mesure 11. Dans l'appareil de la figure 3, le dispositif de mesure a été représenté plus en détail. il comporte un compteur électronique 12, alimenté en impulsions par une horloge 13, et commandé par l'impulsion d'émission (qui déclenche le comptage) et par le signal e (qui l'arrête). Ce compteur affiche donc la distance d La correction de vitesse de propagation agit automatiquement sur la fréquence de l'horloge 13, de la manière suivante : Une bascule bistable 14 est déclenchée par l'impulsion d'émission et arrêtée par écho R0 contenu dans le signal C, tandis qu'une bascule bistable 15 est déclenchée par l'impulsion d'émission, et arrêtée par une impulsion de présélection fournie par un circuit 16. Ce dernier circuit, de type bien connu (comportant par exempie une matrice de diodes), four@it ',no impulsion chaque fois que le compteur 12 atteint un compte N prédéterminé. Comme le compte du compteur exprime les distances dans l'uni t de mesure choisie (par exemple en mm), si l'on règle le circuit 16 pour que N exprime, la distance co@@ue 10, les fronts arrières dos signaux engendres par les bascules 14 et 15 devrcnt coïncider. I' n'en sera toutefois ainsi que si le temps de comptage de N impulsions est rigoureusement gai à l'intervalle de temps qui sépare les signaux t et ?, c'est-à-dire si la fré quence de l'horloge 13 a été correctement @alibrée. Ce calibrage est effectué pa un comparateur 17, qui applique à l'horloge une tension d'erreur proportionnelle à Id différence de durée entre les créneaux respectivement engendres par les bascules 14 et 15. Cette tension d'erreur agit sur un organe approprié,de type connu, de réglage de la fréquence dthorloge, de façon à annule- ladite différence. A la figure i, on a représenté, plus en détail, un mode concret d'exécution de l'ensemble des organes de correction contenus, à la figure 3, à l'intérieur du rectangle en trait mixte 18. Dans ce mode d'exécution, une bascule unique 27 reçoit d'une part l'impulsion R0 appliquée en C, d'autre part,l'impulsion de présélection issue du circuit 16, et fournit à l'horloge 13 la tension de commande de fréquence. Mais, avant d'être appliquée à la bascule 27, l'impulsion R0 subit le traitement suivant -allongement de la durée de son pont arrière, par décharge lent du condensateur 21 à travers la résistance 22. Le condensateur 21 est préalablement chargé à travers une diode 19. On obtient la forme d'onde g, figure 5. - écrétage de la forme d'onde g par l'amplificateur saturé 23. La polarisation de cet amplificateur est modulée par une tension alternative de fréquence relativement basse appliquée à la borne 20a àtravers une résistance 2C. La largeur du créneau h est donc motlée par ladite tension. - dérivation de la forme d'onde h par le condensateur 24 et la résistance 25, pour donner la forme d'onde i. - suppression des impulsions positives de i, par la diode 26. On obtient finalement des impulsions négatives j modulées en position a 'me cadence relativement faible par rapport à la cadence d'émission. Grâce à cette modulation, les impulsions j précèdent l'impulsion de présélection Is à certains cycles et lui succèdent à d'autres cycles. Lorsque j précède Is, la tension de s@rtie Vc de la bascule 27 est, par exemple, positive pendant , bref intervalle de temps qui sépare à de Is, nulle pendant le reste du cycle. Au contraire, lorsque Is précède j, Vc est positive pendant la plus grande partie au cycle et nulle pendant le bref intervalle de temps qui sépare Is de j. Lorsque la fréquence de l'horloge 16 est convenablement calibrée, à un certain nombre de cycles pendant lequel a précède Is succède un nombre égal de cycles pendant lequel Is précède i, si bien que, par intégration et amplification dans un circuit approprié 27a, on obtient alors une tension d'erreur nulle. On peut montrer que la tension d'erreur est finalement une tension continue, fonction de l'écart par rapport à la fréquence d'horloge qui correspond au calibrage correct, si bien que la correction s'effectue facilement en faisant agir cette tension continue, par exemple au moyen d'une "Varicap", sur la fréquence de lthorloge. il va de soi que diverses modifications pourront être apportées aux montages décrits et représentés, et que l'homme de l'Art pourra en imaginer des variantes d'exécution, sans s'écarter de l'esprit de 1' invention. R E V E N D I C A T I O N S 1 - Procédé. de mesure de la distance entre deux points par détermination du temps qui s'écoule entre l'émission d'une impulsion ultra-sonore à un premier point et la réception d'un écho obtenu par réflexion de cette impulsion au second point, carac térisé par la mesure auxiliaire du temps de propagation aller et retour de ladite impulsion entre le p-emier point et un troi siège point intermédiaire et par le calibrage des organes de mesure du temps en fonction du résultatÂle cette mesure auxiliaire. 2 - Dispositif de mesure de distances destin å la mise en oeuvre du procédé conforme à la revendication 1,. caractérisé par an réflecteur relié à chaque sonde de mesure par un support de longueur connue, par des moyens de séparer l'écho formé sur ledit réflecteur et l'çcho formé audit second point et par des moyens de faire varier le. calibrage desdits organes de mesure en fonction de l'instant d'apparition de l'écho formé sur le réflecteur. 3 - Dispositif suivant 1 revendication 2, caractérise en ce que lesdits organes de mesure comportent un compteur à prese- lection alimenté par une horloge, et lesdits moyens de faire varier le calibrage agissent sur la fréquence d'horloge, l'effet d'une tension d'erreur fonction de l'écart entre les instants d'apparition dudit écho formé sur le réflecteur et d1une impulsion de présélection fournie par le compteur. 4 - Dispositif suivant la revendication 3, caractérise en ce que ladite tension d'erreur est engendrée par une bascule bi-stable qui reçoit, d'une part ladite impulsion de présélection, et, d'cette part une impulsion obtenue par calibrage à une largeur modules par une tension alternative de fréquence relativement basse, et dérivation dudit écho formé sur le réflecteur.