Brevet FR2077827A1 — publié le 19711105

0558a 1 2077827 La présente invention concerne des perfectionnements aux débitmètres à ultrasons. Les débitmètres mesurent la vitesse d'écoulement d'un fluide dans une conduite de diamètre connu puis, par une conversion 5 simple, indiquent le débit du fluide, flans le cas des débitmètres à ultrasons, les mesures s'opèrent en continu^sans0cbntact avec le fluide, donc sans modifier le régime d'écoulement le ce fluide. Une technique ultrasonique connue pour mesurer la vitesse 10 d'écoulement d'un fluide consiste à comparer les temps de propagation de deux ondes acoustiques traversant le fluide obliquement 1'une dans le sens amont, l'autre dans le sens aval, les ondes étant suscitées simultanément dans les deux sens. De plus, il est nécessaire de procéder en même temps à une mesure de la 15 célérité du son dans le fluide, car cette célérité varie de façon imprévisible à tout moment, par exemple avec la température, et c1 est une valeur qui se retrouve dans le décalage des temps de propagation acoustique. Dans des débitmètres connus, la vitesse d'écoulement du 20 fluide, compte-tenu du terme correctif relatif à la célérité du son, s'obtient à l'aide de circuits électriques ou électroniques faisant intervenir des méthodes analogiques. Ces méthodes sont peu précises, notamment lorsqu'elles utilisent des dispositifs tels que des comparateurs de phase analogiques dont la cour-25 be de réponse n'est pas linéaire, ou qui peuvent présenter des dérives en cours de fonctionnement. Il serait également possible d'effectuer les mesures par des moyens entièrement numériques,La précision serait meilleure, mais le processus ne serait pas rapide et nécessiterait un matériel lourd et très complexe. 30 Le débitmètre suivant l'invention a recours à une néthode hybride, en partie analogique, en partie numérique. Ce débit-mètre effectue les mesures avec une très grande rapidité, et il utilise un matériel simple. Le débitmètre objet de l'invention est caractérisé en ce 35 que deux signaux électriques résultant de la conversion ri.es on- BAD ORIGINAL 70 05581 2077827 2 des acoustiques à l'issue des trajets obliques sont respectivement appliqués à deux détecteurs de phase ayant leur sortie reliée à tua circuit bistable qui délivre une impulsion de durée proportionne lie -au décalage des signaux, la durée de cette impulsion 5 étant traduite en vitesse d'écoulement du fluide par un dispositif de comptage d'un nombre de tops délivrés pendant l'impulsion par une horloge à fréquence corrigée en fonction de la célérité du son, à partir de la propagation, puis du recyclage d'une impulsion introduite dans une boucle où est inséré un trajet acousti-10 que transversal. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la, description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif, et illustrée par les figures jointes en annexe qui représentent.; - les figures 1 et 2 deux dispositions des trajets acoustiques 15 que l'on peut prévoir sur une conduite de fluide ; - les figures 3 et 4 s le .schéma synoptique d'un débitmètre suivant l'invention ; - la figure 5 s un arrangement comprenant plusieurs groupes de trajets obliques j 20 - la figure 6 % un mode de fixation des vibrateurs sur une conduite | - les figures 7 et 8 s une disposition propre à. éviter la réflexion des ondes acoustiques. Le débitmètre suivant l'invention donne la vitesse d'écou-25 lement d'un fluide, et par suite le débit de ce'fluide, à partir du.temps que mettent des ondes acoustiques pour se propager sur divers trajets à travers le fluide. Ainsi, la figure 1 montre un tronçon de conduite de diamètre d dans lequel le fluide 3? s'écoule dans le sens de la flèche. Trois trajets acoustiques sont 30 prévus s un trajet amont 1, oblique par rapport à l'axe de la conduite et dirigé à contre-courant, un trajet aval 2, dirigé suivant le courant avec la même obliquité, et un trajet diamétral 3S dirigé suivant un diamètre de la conduite. Des vibrateurs piézoélectriques 7, disposés à l'extérieur de la conduite en regard 35 des extrémités des trajets acoustiques;, servent à établir des BAD ORIGINAL; 70 05584 3 2077827 des ondes acoustiques sur les trajets à partir de signaux électriques, et à reconvertir les ondes acoustiques en signaux électriques . Dans la variante illustrée par la figure 2, les ondes acous- 5 tiques peuvent se propager dans un sens et dans l'autre sur un même trajet oblique 1-2. Les vibrateurs Y placés aux extrémi-c© tés de/trajet sont destinés à être excités simultanément par un. signal électrique de durée inférieure au temps de propagation acoustique, de telle façon que ces vibrateurs reviennent au re-10 pos en temps utile pour reconvertir les ondes acoustiques en signaux électriques. Cette disposition présente l'avantage d'économiser deux vibrateurs, et d'assurer la simultanéité du processus non seulement dans le temps, mais aussi dans l'espace. Les ondes acoustiques se propagent à la vitesse v1=(c-v) 15 sur le parcours amont 1, v2= (c+v) sur le parcours aval 2, et v3 = c sur le parcours diamétral 3, c étant la célérité du son dans le fluide, tandis que v est la composante de la vitesse d'écoulement du fluide sous l'angle 9 , inclinaison des trajets obliques. 20 II en résulte que les signaux qui émergent des trajets obliques accusent entre eux un retard ou un déphasage proportionnel à la différence des temps de propagation acoustique. Pour un trajet oblique de longueur L, cette différence est : T1 - T2 = L/ (c-v) - L / (c+v) = 2 Lv/o2 - v2 25 Sachant que c peut être compris entre 1000 et 2000 m/s et que v est en général inférieur à 10 m/s , on peut admettre que le déphasage est inversement proportionnel au carré de la célérité du son dans le fluide. Mais la célérité du son varie à tout instant de façon impré-30 visible, par exemple avec la température ; par suite, si l'on veut connaître la vitesse d'écoulement du fluide à partir de la différence des temps de propagation acoustique sur deux trajets obliques, il est nécessaire de faire intervenir la vitesse du son dans le fluide au moment de la mesure. Le trajet diamétral 3 35 est prévu à cet effet. BAD ORIGINAL 70 05583 i 2077827 4 Dans le débitmètre suivant 1'invention, le déphasage des signaux qui émergent des trajets obliques est transformé en une impulsion rectangulaire ayant une durée proportionnelle au déphasage . La durée de cette impulsion est obtenue en comptant les tops 5 d'une horloge dont la marche est corrigée en fonction de la célérité du son à l'aide d'un' circuit .comprenant le trajet diamétral 3, la cadence de ces tops étant telle que le nombre de tops contenus dans l'impulsion rectangulaire détermine la vitesse d'écoulement du fluide. 10 Les figures 3 et 4 donnent , sous forme de blocs, le schéma d1une forme de réalisation d'un débitmètre suivant l'invention. Sur la figure 3» ^ oscillateur pilote à fréquence fixe P est relié à une base de temps BT qui détermine le programme du processus de mesure, ainsi qu'à un générateur G- qui produit des 15 signaux sinusoïdaux sous la comiaande de la base de temps BT, avec une fréquence définie par le pilote P. Par l'intermédiaire de deux émetteurs iS1 et E2, le générateur G- délivre simultanément un train d'ondes sinusoïdales à chacun des vibrateurs V. Les vibrateurs transforment ces trains d'ondes de tension en trains 20 d'ondes acoustiques qui se propagent l'un vers l'autre à travers le fluide F sur le trajet 1-2. Le train d'ondes émis par chaque Vibrateur est reçu par le vibrateur opposé. Les trains d'ondes acoustiques se reconvertissent alors en trains d'ondes de tension sinusoïdales. 25 • Oes tensions sont amplifiées par des amplificateurs R1,R2, puis transposées à une fréquence plus basse; à cet effet, les sorties des amplificateurs R1, R2 sont reliées aux entrées d'un changeur de fréquence hétérodyne CF utilisant une fréquence intermédiaire qui provient du pilote P. La transposition de fré-30 quence n'altère pas la phase relative des impulsions, et permet une mesure plus facile de leur retard relatif. Les deux sorties du changeur de fréquence CF sont respectivement reliées à des détecteurs de phase Ph1 et Ph2. Chaque détecteur de phase Ph1 ou Ph2 produit un signal 35 bref au moment où la. tension qv.i lui est appliquée passe par zéro dans un sens croissant ou décroissant choisi. BAD ORIGINAL 70 0558& 5 •2077827 Les paramètres intervenant dans la mesure du retard, notamment la fréquence des signaux, sont choisis tels que le déphasage entre deux signaux reçus n'excède pas 360° ; cela supprime les ambiguités et permet à la mesure d'avoir lieu entre deux 5 alternances de rang quelconque. Un circuit "Auto" , autorisation de mesure est prévu entre la base de temps BT et les détecteurs de phase Ph1 et Ph2 pour désigner les alternances entre lesquelles s*effectue la mesure. La mesure du retard est effectuée par des moyens numériques. 10 Les signaux brefs issus des détecteurs de phase Fh1 et Ph2 actionnent un circuit bistable ST qui délivre une impulsion rectangulaire de durée proportionnelle au déphasage entre les signaux reçus par ces détecteurs de phase. Cette impulsion est conduite à l'une des entrées d'une porte "BT" dont l'autre en-15 trée est alimentée par les tops d'une horloge H, décrite plus loin, dont la marche est corrigée en fonction du carré de la célérité du son dans le fluide. La sortie de la porte "ET" est connectée à un compteur CT qui, faisant le compte du nombre de tops contenus dans l'impulsion rectangulaire, indique la vitesse 20 d'écoulement du fluide. L'horloge H est représentée de façon plus détaillée sur la figure 4. L'horloge H fonctionne à partir d'une boucle de recyclage dans laquelle est inséré le trajet acoustique diamétral 3 (rac-25 cordé électriquement à la .boucle par ses vibrateurs piézoélectriques Ve et Vr) ainsi qu'un amplificateur à deux entrées A pris entre sa sortie et l'une de ses entrées. Le recyclage démarre lorsque la base de temps envoie une impulsion sur la deuxième entrée de l'amplificateur A ; il continue ensuite en perma-30 nence indépendemment des signaux sinusoïdaux qui sont envoyés sur les vibrateurs V des trajets obliques. En un point quelconque de la boucle, on peut alors prélever une suite d'impulsions dont la fréquence f est l'inverse du temps de propagation acoustique t sur le trajet 3, soit le quotient de la vitesse du 35 son c sur le diamètre d de la canalisation (f=l/t=c/d). On BAD ORIGINAL 70 05589. 1 2077827 S voit que la fréquence f 0©rree|>0B,ê à la vitesse du son6 ïjes impulsions prélevées sur M "feoaele de recyclage sont reçues par un diserdainateur 330 dosât. le r£lo est" d'indiquer des -variations de tensions ea réponse à de® variations de fré-5 quence«> Le discriminâtour DSC délivre des signaux d'erreur dont la tension varie ©s fonction fie 1® écart que la fréquence f des impulsions accase par rapport à ua© fréquence centrale sur laquelle le discriioiaateur -est calé« le signal d5 erreur agit ensuite sur tm .dispositif quadra.-tû teur Q qui effectue une élévation au carré» puis sur un oscillateur VCO commandé par la tension. Ainsi, l'oscillateur ¥09 délivre des signaux dont la fréquence varie coma© le carré de la vitesse du son, donc à l'inverse de la variation qui affecte la différence des temps T1 et 15 T2 de propagation, du son sur Isa trajets obliques 1, 2. la fait, les signaux de sorti© &© l'oscillateur YCO soat également le® sigesax de sorti® às l'iiorloge à fréquence "variable H | ce sont Isa tops.oui sont appliqués à la deuxième ®atré© de 1®, port© MSF? représ®até© bis? la figure 3. J& variation jta-20 verse gui affecte le, fs»éfa®ae© &b& tops d'une gart, et la dtœée de l'isspolsioa rectaageXair® traduisant 'la différence des. temps SI et T2 d8satre part„ & pour effet d© compenser les erreurs dues aux fluctuâtlong de-la mtesse du son lorsque lé"compteur 0T fait le compte du aosbre «fe tops contenus d&as cette 25 impulsion rectangulaire. Bar suite,. 1© eoaroieur '0® affiche un nombre proportionnel à la vitesse d3éseuleœe3it du- fluide, donc au débit du fluide 0 11 faut noter que l8oa peut 'faire interrôsiir un terme correctif supplémentaire en fonction de paramètres susceptibles de 30 perturber la distribution des vitesses dans la canalisation, par exemple la viscosité, en agissant sur le centrage du discriminât eiir BSCj, par exemple es désaccordant xm de ses circuits constitutifs o ou de toute autre jsBBiëre. Suivant un arrangessnt partisulier du &JMiaïëtre conforme 35 à l'invention 9 un seul circuit éle©ta?cat$a© semblable à celui BAD ORIGINAL 70 0558S 7 •2077827 qui est représenté sur la figure ' Dans un premier cas, les trajets sont prévus sur différentes conduites, ceci en vue d'abaisser le coût d'une installation, 5 Dans un deuxième cas, les trajets sont prévus sur une même conduite. la figure 5 montre à titre d'exemple une conduite 10 traversée sous des angles différents par des trajets obliques intersectant l'axe de la conduite ou n'intersectant pas cet axe. Des têtes de mesure 11 montées aux extrémités des trajets sont 10 desservies par un seul coffret électronique 11. Les mesures sur les différents trajets peuvent être effectuées simultanément à l'aide de fréquences différentes, ou séquentiellement à l'aide de la même fréquence. L'effet de diversité résultant de plusieurs trajets obli-15 ques sur une même conduite donne une meilleure connaissance des particularités du débit et fournit des mesures plus exactes. Les trajets peuvent être répartis le long de la conduite et la traverser soit sous des angles identiques, soit sous des angles différents. Ces trajets peuvent même être contenus dans le plan 20 d'une même section oblique et passer en dehors de l'axe de cette section. Lorsque de tels trajets traversent essentiellement la couronne extérieure de la veine de fluide, ils permettent de saisir les variations de viscosité du fluide et leurs effets sur la courbe de distribution des vitesses de ce fluide à 1'-intérieur 25 de la conduite. La diversité des mesures permet d'opérer une certaine correction, par le fait que l'on peut pondérer différemment les vitesses relevées dans la couronne périphérique du fluide. L'un des avantages du débitmètre suivant l'invention découle de ce que le processus de mesure utilise la différence des 30 temps de transmission acoustique sur des trajets obliques amont et aval ; cet avantage consiste à pouvoir placer les vibrateurs à une certaine distance de la paroi de la conduite. Ainsi, sur la figure 6, les vibrateurs Y, constitués par exemple par des plaques de quartz ou de céramique piézoélectrique, sont montés 35 au fond de cornets 13 faisant saillie sur la paroi (très amincie. ORIGINAL 70 05584 •2077827 à cet endroit) de la conduite 14. les ondes acoustiques se propagent sur la hauteur des cornets en un temps gui est le même en aval et en amont. Donc, quelle que soit la hauteur des cornets, la différence des temps de propagation acoustique sur les tra-5 jets amont et aval ne fait pas apparaître ce qui se passe dans les cornets, mais seulement dans, le fluide. Le fait de pouvoir éloigner les vibrateurs de la paroi rend possible le refroidissement de ces vibrateurs. Ceci est utile dans le cas où le fluide est chaud, car, au-dessus de 300° C, on 10 risque de dépasser le point de Curie pour lequel les vibrateurs perdent leurs propriétés piézoélectriques. De plus, les cornets 13 peuvent assurer la fonction d'adaptateur d'impédance acoustique et avoir un effet directif, amincissant le lobe principal et réduisant l'importance des lobes secondaires. 15 Pour éviter la réflexion non désirée des ondes acoustiques, il est recommandable d'introduire une sujyépaisseur de la paroi égale à /Y4-, quart de la longueur d'onde acoustique,sur une moitié de cette paroi. Cette disposition est représentée en plan sur la figure'7 et en coupe suivant Z-Z sur la figure 8. Le vi-20 brateur V est monté au centre d'un disque 15 qui, du côté 16 éclairé par le vibrateur opposé, présente une .surépaisseur égale à 7i/ 4 sur une moitié de la surface éclairée. Cela introduit une différence de marche.de ^/2 pour une moitié des rayons réfléchis d'où une annulation globale. Une telle disposition est 25 particulièrement recommandable pour les vibrateurs du trajet diamétral, mais est également applicable au trajet oblique, La description qui précède montre que le débitmètre suivant l'invention utilise des mesures faites simultanément sur deux trajets obliques et. sur un. trajet radial. Le résultat de ces 30 mesures est donc fourni en un temps très court, comparativement à ce qui aurait lieu si les mesures étaient faites successivement. De plus, l'utilisation d'un seul trajet oblique dans les deux • sens assure non seulement une coïncidence dans le temps, mais aussi dans l'espace. Ces particularités sont avantageuses dans 35 les cas où les vitesses d'écoulement sont susceptibles de préBAt) ORIGINAL 70 05585 9 •2077827 senter des sautes rapides de valeur, par exemple lorsque le diamètre des conduites est faible. Enfin, le débitmètre comprend des circuits électroniques à fonctionnement rapide, très simples et peu nombreux, utilisant à la fois des processus analogiques et numériques. Il résulte de tout cela que le débitmètre est extrêmement précis et fidèle, compte tenu de sa simplicité et de la rapidité avec laquelle il effectue les mesures. BAD ORIGINAL 70 05583 2077827 1Q • HB¥E'MI)IGATIOag 1 « Débitmètre à ultrasons utilisant la comparaison des temps de propagation d'ondes acoustiques émises simultanément sur deux trajets traversant obliquement un fluide en mouvement dans une conduite, et apportant' une correction relative à la célérité du 5 son dans le fluide mesurée sur un trajet acoustique ■fcransvGrsal caractérisé en ce que deux signaux électriques résultant Ut-.- la conversioii des ondes acoustiques à l'issue des trajets obliques sont respectivement appliqués à deux détecteurs de phase ayant leur sortie reliée à un circuit bistable qui délivre une impul-10 sion de durée proportionnelle au décalage des signaux, la durée de cette impulsion étant traduite en vitesse d'écoulement du fluide par un dispositif de comptage d'un nombre de tops délivrés pendant. 1 8 impulsion par une horloge à fréquence corrigée en fonction de la célérité du son# à partir de la propagation, 15 puis du recyclage, d'une impulsion introduite dans une boucle - où est inséré le trajet acoustique transversal» 2. Débitmètre suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'un changeur de fréquence est inséré entre la sortie des trajets obliques et l'entrée des détecteurs de phase. 20 3« Débitmètre'suivant la revendication 1, caractérisé en ee que les signaux issus des trajets obliques sont sinusoïdaux et sont décalés d'un angle de phase inférieur à 560e. 4» Débitmètre suivant la revendication 1 »• caractérisé en ce que le recyclage d5impulsion dans la boucle où est inséré le 25 trajet diamétral produit un train d'impulsions qui, par 1'intermédiaire d'un discriminateur et d'un quadrateur, eosMande, sous une tension proportionnelle au carré de la fréquence du train d'impulsions, un oscillateur à fréquence commandée par la tensions 5 = Débitmètre suivant la revendication 1, caractérisé en 30 ce que des vibrateur s piézoélectriques montes aux extrémités des parcours obliques sont placés à distance de la surface extérieure de la conduite de fluide. bad original 70 05584 h 2077827 6. Débitmètre suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les trajets obliques sont confondues en un seul trajet parcouru dans les deux sens par les ondes acoustiques. 7. Débitmètre suivant la revendication 6, caractérisé en 5 ce que la monture des vibrateurs présente une surépaisseur dans une région qui est voisine de l'un des vibrateurs et est éclairée par le vibrateur opposé. 8. Débitmètre suivant la revendication 1, caractérisé en ce que plusieurs trajets obliques sont prévus sur la conduite. 9. Débitmètre suivant la revendication 8, caractérisé en ce que les trajets obliques sont répartis le long de la conduite et traversent le fluide sous des angles identiques ou différents, en intersectant ou non l'axe de la conduite, 10. Débitmètre suivant la revendication 8, caractérisé en ce que les différents trajets obliques sont contenus dans le plan d'une même section oblique de la conduite. 11.Débitmètre suivant la revendication 8, caractérisé en ce que les différents trajets sont desservis par un unique coffret électronique . BAn ORIGINAL