Brevet FR2077968A1 — publié le 19711105

f 2077968 La présente invention concerne des perfectionnements aux systèmes et aux procédés ultrasonores de mesures acoustiques et débit-métriques dans des fluides, en particulier dans des fluides circulant dans une conduite. 5 Les techniques ultrasonores font intervenir la mesure du temps de propagation d'ondes acoustiques sur un ou plusieurs trajets à travers le fluide. Les mesures peuvent s'opérer en continu sans contact avec le fluide, donc sans modifier le régime d'écoulement de ce fluide. 10 Dans les systèmes connus, même lorsque le signal émis sur un trajet acoustique à travers le fluide a une durée très courte, l'instant d'arrivée du signal reçu est défini avec une précision en général médiocre, tant en raison des phénomènes naturels de fluctuation, qu'en raison de la sélectivité des vibrâteurs piézoélec-15 trique qui servent à convertir les signaux électriques en ondes acoustiques dans le fluide, et réciproquement, Les signaux reçus étant en général détectés en régime transitoire par des dispositifs à seuils, l'imprécision se traduit par des fluctuations de l'instant de franchissement du seuil de ces dispositifs. 20 Le système et le procédé suivant l'invention ne présentent pas ces inconvénients, car ils permettent d'utiliser des signaux relativement longs, ne subissant pratiquement pas de déformation au cours de leur transit acoustique; de plus, les instants caractéristiques des mesures n'interviennent pas pendant le régime transitoire des 25 signaux. Le système objet de l'invention exploite les temps de propagation d'ondes acoustiques sur au moins un trajet à travers le fluide, ces ondes étant introduites par piézoélectricité à une extrémité du ou de l'un des trajets au moyen d'un générateur de signaux électri-30 ques puis reconverties en signaux électriques à l'autre extrémité du trajet. Le système est caractérisé en ce que le générateur est d*un type délivrant des signaux modulés en fréquence ou modulés suivant une séquence pseudoaléatoire, et en ce que le circuit dans lequel sont reçus 1ers signaux après transit acoustique comprend une 35 ligne à retard dispersive ayant la propriété de comprimer ces signaux. L'émergence d'un signal comprimé à la sortie de cette ligne correspond à un instant caractéristique de la mesure. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif, et illustrée par les 40 figures jointes en annexe qui représentent : 70 07189 2 2077968 - la figure 1, le schéma synoptique d'un système conforme à l'invention ; -les figures 2 et 3, des diagrammes dormant les formes d'onde en différents points de deux systèmes respectivement, l'un ne com-5 portant pas de ligne dispersive, l'autre en comportant ; - la figure 4, le schéma d'un débitmètre "utilisant des systèmes conformes à l'invention. la figure 1 donne le schéma d'un circuit qui englobe les éléments de base utilisés dans le système et dans le procédé suivant tO 18invention. Sur cette figure, on note tout d'abord un tronçon de conduite 1 dans laquelle un fluide i1 s'écoule dans le sens de la flèche. Des vibrateurs piézoélectrique Ye et Vr disposés à l'extérieur de la conduite ou à l'intérieur déterminent un trajet acoustique de longueur L à travers le fluide F : le vibrateur Ve sert à 15 convertir un signal électrique en une onde acoustique qui se propage sur le trajet i, et le vibrateur Vr opère une conversion inverse. Ges vibrateurs sont constitués par des plaquettes en quartz, céramique ou autre matériau piézoélectrique, qui sont acoustiquement couplées au fluide à travers la paroi de la conduite, pouvant être 20 ou non amincie à l'endroit des vibrateurs. G Un générateur de signal électrique/est relié à l'une des entrées d'un bistable BST d'une part, et à -un amplificateur énétteur E refermé sur le vibrateur 7e d'autre part. Le vibrateur Vr est relié à l'autre entrée du bistable BST par l'intermédiaire d'un 25 amplificateur récepteur R et d'une ligne à retard dispersive LD. Le point du circuit compris entre l'entrée de l'amplificateur E et la première entrée bistable BST, reçoit le K qui est fourni par le générateur/de signaux sinusoïdaux modulés en fréquence ou de signaux modulés suivant une séquence binaire pseudoaléatoire. 30 II va de soi que la nature du signal K et les caractéristiques de la ligne à retard dispersives LD sont liées, et que la ligne doit être capable de comprimer le signal. Le signal K peut avoir une durée relativement longue, par exemple presque égale au temps de propagation du son sur le trajet L. Il est également entendu que les 35 vibrateurs Ve et Vr ont une bande passante qui leur permet de traiter les fréquences du signal K. Le fonctionnement du circuit est déterminé" par l'arrivée d'un signal K, L'instant de cette arrivée est connu avec précision. Sur une voie, le signal K accède directement à la première entrée du 40 bistable BST et provoque sans retard le changement d '.état de ce bad original. 7° 07189 3 2077968 bistable puis actionne l'émetteur. Le bistable se rétablit dans son état primitif au moment où, empruntant la voie qui passe par le trajet acoustique L et par la ligne à retard dispersive LD, le signal K arrive à la seconde entrée du bistable BST. 5 Le signal de sortie du bistable BST est donc un signal rectan gulaire dont la durée est égale au temps de transit acoustique sur le trajet L, auquel s'ajoute le retard causé par la ligne dispersive LD. La durée de ce signal rectangulaire peut être mesurée, par tO exemple, par une méthode numérique utilisant une porte "ET" dont la sortie est reliée à un compteur CT, et dont les entrées sont respectivement alimentées par le signal rectangulaire et par des tops d'horloge H. Par simple soustraction du retard causé par la ligne dispersive, on peut déduire de cette durée le temps de transit 15 acoustique sur le trajet L, donc la vitesse du son sur ce trajet dans le fluide. Les avantages de l'invention résultent de la compression du signal K. Ces avantages apparaissent à l'aide des diagrammes donnés figures 2 et 3, lorsque l'on compare l'évolution d'un signal dans le 20 cas d'un circuit ne comprenant pas de ligne dispersive, et cette même évolution dans le cas où le circuit comprend une ligne dispersive conformément à l'invention. Dans le cas de la figure 2 (sans ligne dispersive), le signal appliqué est nécessairement une impulsion brève de tension. En 25 raison de phénomènes naturels dus à la sélectivité des vibrateurs et à l'élasticité du fluide, le signal bref donne, à la sortie du vibrateur Ye, un signal plus long dont le niveau décroît suivant une fonction exponentielle, puis, après le retard tl qui résulte du passage de l'onde acoustique dans le fluide, le signal que l'on 30 trouve à la sortie du vibrateur Yr présente une phase de croissance et une phase de décroissance exponentielle. Cette phase exponentielle nuit à la netteté du retour à l'état initial du bistable BST et, à la sortie de celui-ci, la durée du signal rectangulaire est égal au retard tl augmenté d'une erreur tx déterminée par 35 l'époque d'amorçage du bistable. Cette erreur est fluctuante, tant en raison des incertitudes de la loi de croissance du signal Yr, qu'en raison des incertitudes de l'instant auquel le signal franchit le seuil d'amorçage du bistable. Dans le cas de la figure 3 (avec ligne dispersive, donc 40 suivant l'invention) le vibrateur Ye reçoit un signal sinusoïdal 70 07189 4 -2077968 modulé en fréquence ou un signal modulé suivant une séquence binaire pseudo-aléatoire (série d'impulsions arrangées suivant un code). Le signal peut être relativement long, presque égal au temps de propagation du son sur le "trajet L. Dans ces conditions, 5 à l'expiration du retard tl, le signal atteint le vibrateur Vr sans perturbation notable. Le signal traverse ensuite la ligne à retard dispersive LD ou tout autre dispositif de compression de temps ou de corrélation, d'où, il sort avec un retard bien défini td sous une forme comprimée. A la sortie du bistable BST, la 10 durée du signal rectangulaire est égale au retard tl augmenté de la valeur constante du retard td causé par la ligne LD. La valeur trouvée pour cette durée ne présente pas d'incertitude, car l'utilisation d'impulsions longues modulées et la compression de ces impulsions .évitent les mesures en régime transitoire. La 15 mesure peut alors se fairè sur un signal en forme dtimpulsion remplaçant le signal K. Lorsque le trajet acoustique L traverse la conduite dans un plan transversal, le retard td, temps de propagation du son sur le trajet L, permet de trouver, la célérité du son dans le 20 fluide. Dans le cas où le trajet L a une direction oblique, la vitesse que l'on trouve est égale à la célérité du son à laquelle s*ajoute ou se retranche la vitesse d'écoulement du fluide. L*indication de la célérité du son, modifiée ou non par la vitesse du fluifle, peut être utilisée directement dans divers 25 appareils tels que ceux qui permettent soit de détecter les fronts d'arrivée de produits différents en circulation dans une même conduite, soit de suivre l'évolution ou de déterminer la qualité de certains produits.Cette application n'est d'ailleurs pas limitative à ce procédé particulier de mesure de vitesse ultra-30 sonore. Le procédé et le système suivant l'invention permet également de mesurer la vitesse d'écoulement et le débit d'un fluide en circulation dans une conduite, sous réserve que plusieurs trajets acoustiques soient» prévus sur cette conduite. En plus de cette 35 mesure absolue, une mesure différentielle de vitesse d'écoulement r 70 07189 5 2077968 en deux points d'une conduite permet égàlement de déterminer, par exemple, l'existence de fuites sur cette conduite. Cette application n'est d'ailleurs pas limitative à ce procédé particulier de mesure de vitesse d'écoulement, par des moyens ultra-cj sonores. La méthode classique par mesure de déphasage des ondes émises et reçues est également applicable» Ainsi, la figure 4 illustre un débitmètre comprenant une conduite de fluide sur laquelle on a prévu un trajet diamétral T3, ainsi que deux trajets obliques T1, T2 qui sont confondus tO et tournés l'un vers l'amont, l'autre vers l'aval. Dans le débiimètre de la figure 4, la vitesse d'écoulement du fluide, et par suite le débit du fluide, s'obtient à partir de la différence des temps de propagation acoustique sur les trajets obliquês T1, T2. 15 Les ondes acoustiques se propagent à la vitesse v1 = (c - v) sur le parcours amont Tl, v2 = (c+ v) sur le parcours aval T2, et v3 = c sur le parcours diamétral T3, c étant la célérité du son dans le fluide, tandis que v est la compasante de la vitesse d'écoulement du fluide sous l'angle 8, 20 inclinaison des trajets obliques. 70 07189 6 2077968 Il 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 : 5 tt - t2 sî L/(c - v) - L/(c + v) = 2Lv/- v^ sachant que e peut être compris entre 10C 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. 10 Mais la célérité du son varie à tout instant de façon impré 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 15 le fluide au moment de la mesure. Le trajet diamétral T3 est prévu à cet effet. Sur la figure 4, chacun des trajets T1, T2, T3 est associé à un circuit analogue au circuit de la figure 1. Les vibrateurs V12 et V21 des trajets obliques T1, T2 travaillent successivement 20 à l'émission et à la réception. Les amplificateurs E1 à E3, R1 à H3, ainsi que les lignes à retard dispersives LB1 à LD3, sont désignés par des symboles alphabétiques suivis de l'indice numérique du trajet qui leur est associé. Un générateur G-1 , délivrant des signaux sinusoïdaux modulés en fréquence ou suivant une séquence 25 pseudo-aléatoire, alimente en commun les trajets obliques T1, T2. Un générateur G\5, de même type mais de fréquence différente, alimente le trajet diamétral 13. La récurrence des mesures est déterminée par une base de temps BT commandé par un oscillateur pilote à fréquence fixe P. 30 En fonctionnement, le générateur G-1 délivre simultanément un signal à chacun des vibrateurs V12 et V21. Les vibrateurs transforment les signaux en ondes acoustiques qui se dirigent l'une vers l'autre à travers le fluide. L'onde émise par chaque vibrateur, reçue par le vibrateur opposé, se reconvertit en un signal de même 35 forme que le signal primitif. Après amplification, chaque signal traverse une des lignes à retard dispersives LD1, LD2. Les signaux comprimés qui sortent des lignes à retard sont appliqués à chacune des entrées d'un bistable BST 1. Le signal de sortie de ce bistable est une impulsion rectangulaire dont la durée est proportionnelle 40 au décalage des signaux reçus, donc à la différence t1-t2 des 70 07189 7 2077968 temps de propagation acoustique sur les trajets amont et aval T1, T2. La mesure de cette durée s'effectue en reliant la sortie du bistable BST1 à l'une des entrées d'une porte "ET 1", dont l'autre 5 entrée reçoit, par la voie du circuit associé au trajet diamétral T3, des signaux d'horloge à fréquence variable, corrigée en fonction du carré de la célérité du son dans le fluide. La correction de la fréquence d'horloge peut être obtenue de la manière suivante : dans le circuit associé au trajet dia-10 métrai T3, la sortie du bistable BST 3 (impulsion rectangulaire de durée proportionnelle à la célérité du son) est reliée à l'une des entrées d'une porte "ET 3"» dont l'autre entrée reçoit, à partir du pilote P, un signal d'horloge à fréquence fixe. Un circuit C connecté à la sortie de la porte "ET 3", transforme la durée en 15 une rampe de tension, d'amplitude proportionnelle à cette durée. Cette rampe de tension est transformée à son tour suivant une loi quadratique par le quadrateur Q, avant d'être appliquée sur l'oscillateur DSC à fréquence commandée par la tension. L'oscillâteur OSC fournit les signaux d'horloge à fréquence variable, mesurant 15n-20 tervalle de temps qui sépare les deux signaux comprimés relevés sur les trajets obliques. élémentaires Pendant cette durée, il arrive un nombre de signaux/à fréquence corrigée qui est proportionnel à la vitesse d'écoulement du fluide, indépendamment de la célérité du son. Ce nombre est totalisé par un 25 compteur CT1 qui affiche le résultat de la mesure, résultat qui peut être obtenu en lecture directe, moyennant l'introduction d'un coefficient de proportionnalité sur la fréquence du signal d'horloge—èr-fréquence fixe appliqué à la porte "ET 3". Il doit être entendu que le procédé de compression d'impulsions 30 suivant l'invention ne se limite pas aux exemples décrits ci-dessus, mais, peut être appliqué à tout processus exploitant les temps de propagation d'ondes ultrasonores sur des trajets traversant un fluide en circulation. Si on le désire, le procédé peut être appliqué sur certains trajets, et ne pas être appliqué sur d'autres. 35 Ainsi, dans le débitmètre dont le schéma est donné figure 4, tout en conservant la partie de ce schéma qui concerne la correction de fréquence d'horloge opérée à l'aide du trajet diamétral T3, on pourrait modifier la partie du schéma qui concerne la différence des temps de propagation acoustique sur les trajets obliques T1, T2. 40 Par exemple, en utilisant des signaux sinusoïdaux à fréquence fixe, 70 07189 8 2077968 on pourrait mesurer cette différence par une méthode utilisant le déphasage entre l'onde émise et l'onde reçue 5 La description qui précède montre que le procédé et le systè me suivant l'invention permettent d'obtenir une grande résolution temporelle, là où, du fait de l'excitation en régime transitoire des vibrateurs, les méthodes habituelles qui consistent à détecter l'instsint de franchissement d'un seuil par le signal reçu-fournis-10 sent une résolution médiocre, par suite de la croissance relativement lente du signal reçu et de l'amplitude fluctuante de ce signal. La technique de compression d'impulsion permet d'allonger considérablement la durée des signaux, donc de fonctionner en régi-15 me quasi-stationnaire, sans toutefois perdre la résolution temporelle, du fait -de là compression en temps opérée à la réception. Cette technique est-directement applicable à la mesure du temps de propagation sur le trajet transversal,•c'est-à-dire à la mesure de la vitesse ultrasonique. Elle l'est également sur les tra-20 jets obliques, c'est-à-dire à la mesure delà vitesse d'écoulement, car elle permet de remplacer la mesure de phase parfois délicate à effectuer, par une mesure de retard entre deux instants parfaitement définis du point de vue temporel : instant de l'émission et instant auquel le train d'ondes reçu est délivré à la sortie de la 25 ligne à retard» Une mesure précise des différents temps de transmission à travers le fluide devient donc possible sans effectuer de mesure de phase» - Cette méthode prend fout son intérêt dans le" cas de la mesure de temps de propagation à travers les gaz. 70 07189 9 2077968 REVBNDICAtlOlS 1. Système ultrasonore de mesures acoustiques et débitmétriques dans des fluides exploitant les temps de propagation d'ondes acoustiques sur au moins un trajet à travers le fluide, ces ondes 5 étant introduites par piézoélectricité à une extrémité de l'un des trajets au moyen d'un générateur de signaux électriques, puis reconverties par piézoélectricité en signaux électriques à l'autre extrémité du trajet, système caractérisé en ce que le générateur délivre des signaux électriques modulés en fréquence ou 10 modulés suivant une séquence pseudo-aléatoire, et en ce que le circuit dans lequel sont reçus les |i^naux^a^r^Sstrw^i^, acoustique comprend une ligne à retard dispersive/ayant la propriété de comprimer ces signaux, l'incidence des signaux comprimés déterminant des instants caractéristiques de mesure. 15 2. Système suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les signaux délivrés par le générateur sont appliqués simultanément à l'orne des entrées d'un dispositif bistable et à l'entrée du trajet acoustique, tandis que les signaux comprimés, délivrés par la ligne à retard dispersive, sont appliqués à l'autre entrée du dis- 20 positif bistable, de telle sorte que le signal de sortie du bistable est de durée proportionnelle au temps de transit acoustique du signal auquel s'ajoute le retard causé par la ligne,, 3. Système suivant la revendication 1, utilisant deux trajets acoustiques traversant le fluide l'un en sens amont, l'autre en 25 sens aval, caractérisé en ce que les signaux comprimés, délivrés par la ligne à retard dispersive de chacun des trajets, sont respectivement appliqués aux entrées d'un dispositif bistable, de telle sorte que le signal de sortie du bistable est de durée proportionnelle à la différence des temps de transit acoustique sur 30 les trajets amont et aval. 4. Système suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'il utilise un seul trajet acoustique contenu dans un plan transversal au courant de fluide, de telle sorte que, à une constante près, le signal de sortie du bistable est de durée proportionnelle à la 35 célérité du son dans le fluide. 5. Système suivant la revendication 3 associé à un système suivant la revendication 4 et constituant un débitmétre ultrasonore, caractérisé en ce que la durée proportionnelle à la différence des temps de transit acoustique sur les trajets obliques amont et aval, donnée 40 par le signal de sortie du système suivant la revendication 3» est 70 07189 10 2077968 mesurée par une fréquence d'horloge corrigée en fonction de la célérité du son dans le fluide, la correction de cette fréquence d'horloge, étant déterminée à partir du signal de sortie du système suivant la revendication 3» dont la durée est, à une cons-5 tante près, égale à la célérité du son dans le fluide. 6. Procédé ultrasonore de mesures acoustiques et détoitmétriques dans les fluides exploitant les temps de propagation d'ondes acoustiques sur au moins un trajet à travers le fluide, ces ondes étant engendrées par piézoélectricité à partir de signaux électri-10 ques, puis reconverties en signaux électriques après leur transit dans le fluide, procédé caractérisé en ce que l'on opère une compression des signaux électriques reçus.