Brevet FR2130059A1 — publié le 19721103

L'invention se rapporte à des débitmètres acoustiques utilisés pour mesurer la vitesse d'un fluide qui circule dans une canalisation. la présente invention vise plus particulièrement à 5 réaliser un débitmètre acoustique (à ondes sonores) utilisant deux transducteurs qui émettent et reçoivent les impulsions sonores qui traversent le fluide avec découpage dans le temps. Dans cette configuration, l'émission amont et l'émission aval se partagent le même trajet et possèdent la même longueur de trajet 10 acoustique. Ceci permet d'éliminer les erreurs de mesure résultant de différences de longueur entre les trajets acoustiques. Cette construction permet donc d'améliorer la précision de la mesure de la vitesse d'écoulement du fluide, qui est basée sur la différence entre les fréquences de répétition des 15 impulsions respectivement amont et aval. Dans la technique antérieure, on a tenté par divers principes et diverses constructions de résoudre le problème de la longueur du trajet, l'une des constructions antérieures utilise à cet effet une paire de transducteurs montés l'un à côté 20 de l'autre sur la canalisation et une deuxième paire de transducteurs analogues montés de l'autre côté de la canalisation et en aval de ceux de la première paire. L'un des transducteurs de chaque paire joue le rôle de transducteur émetteur et il émet des impulsions sonores à travers le fluide, en direction du trans-25 ducteur récepteur de la paire opposée. Bien que les trajets a-coustiques amont et aval de cette installation soient presque égaux entre eux, ils ne sont pas absolument identiques et l'inégalité introduit des erreurs dans les mesures de vitesse de l'écoulement. 30 Un but important de l'invention est de réaliser un débitmètre acoustique (sonore) qui utilise deux transducteurs montés l'un à l'opposé de l'autre, l'un de ces transducteurs é-tant en aval de l'autre, et qui émettent sélectivement des impulsions sonores à travers le fluide, pour obtenir une détermination 35 de la vitesse de l'écoulement du fluide, par mesure de la différence entre les fréquences de répétition des impulsions aval et amont. 71 37117 2 2130059 l'invention a encore pour autre tout de réaliser un débitmètre de ce type comportant un dispositif électronique d'asservissement d'amplitude pour limiter l'amplitude de l'excitation appliquée aux transducteurs dans le mode émission. 5 L'invention a encore pour autre but de réaliser un débitmètre de ce type comprenant un dispositif électronique d'asservissement de fréquence pour régler la fréquence des oscillateurs d'excitation. L'invention a encore pour autre but de réaliser un 10 débitmètre de ce type dans lequel les éléments critiques de l'installation sont communs aux émissions amont et aval, ce qui élimine les erreurs dues aux différences qui existent inévitablement entre des éléments prévus en double, aussi bien appairés qu'ils puissent être. 15 La description qui va suivre, en référence aux des sins annexés donnés surtout à titre d'exemple, fera mieux comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue en plan d'un tronçon de 20 tube muni de transducteurs et qui constitue une partie du débitmètre suivant l'invention, - la figure 2 est une coupe suivant la ligne 2-2 de la figure 1, prise dans le sens des flèches, - la figure 3 est un schéma bloc du débitmètre acous-25 tique (sonore) suivant l'invention, - la figure 4 est un diagramme représentatif du fonctionnement du dispositif de la figure 3. Sur les dessins, sur les diverses figures dans lesquelles on a utilisé les mêmes numéros de référence pour désigner 30 des éléments analogues, la référence 10 désigne un tronçon de tube intercalé dans une canalisation dont il s'agit de mesurer le débit. Le tronçon de tube 10 est fixé dans la canalisation, par exemple au moyen de boulons enfilés dans des trous 14, des brides 12 et qui coopèrent avec des bridés analogues portées par les 35 tronçons adjacents de la canalisation. Pour les besoins de la description, on suppose que le fluide s'écoule dans le sens de la flèche 16, de sorte que le transducteur 20A est le transducteur aval, qui émet vers l'amont 71 37117 3 2130059 et le transducteur 20B est le transducteur amont, gui émet vers 11 aval„ la référence 22 désigne le trajet acoustique (sonore) compris entre les faces des deux transducteurs et la longueur de 5 ce trajet est désignée par 1. l'angle aigu compris entre le trajet 22 et la paroi du tube est désigné par a. le débitmètre suivant l'invention comprend deux mesureurs de vitesse qui sont couplés par des techniques de comparaison des temps, ainsi qu'il ressortira de la suite de la des-10 cription. les transducteurs se partagent le temps sur le trajet acoustique de telle sorte que, pendant une partie du temps, le transducteur 20A travaille en mode émission et le transducteur 20B en mode réception et que, pendant une autre partie du temps le transducteur 20B travaille en émission et le transducteur 20A 15 en réception. la relation entre la vitesse du fluide et la fréquence de répétition des impulsions est donnée ci-après : Amont : fA = U 0 " VL°0S tt 20 Aval : fB = M" 0 + a où s c = "Vitesse du son dans le fluide v = Vitesse de l'écoulement du fluide 1 = longueur du trajet sonore 25 a * Angle compris entre la longueur du trajet sonore et la paroi du tube N = Rapport du diviseur de fréquence de la boucle bloquée en phase on a donc ^ f = f^ - f^ = ^FV^cos 30 ment du fluide est v = AF 1 2N cos a On peut donc voir que la vitesse du fluide est fonction de la différence de fréquence et qu'on peut la déterminer par mesure de A f. 35 A E désigne le signal qui débloque les circuits com binés au transducteur 20A pour faire travailler ce transducteur dans le mode émission et BE désigne le signal analogue correspondant au transducteur 20B. 71 37117 4 2130059 Pour la suite de la description, on considérera le circuit représenté sur la figure 3. On suppose tout d'abord que les circuits générateurs de AE sont en action de sorte que le transducteur 20A est excité par l'oscillateur commandé en tension 5 24A à travers l'interrupteur 26A et le compteur logique de commande 28, lequel transmet l'excitation à l'entrée 2 de l'amplificateur d'excitation 30A et, de là, à travers un moyen de découplage constitué de préférence par une diode 32A. L'interrupteur 26A est de préférence constitué par 10 une porte logique qui est débloquée en présence du signal AE et qui est bloquée en l'absence de ce signal AE. Le signal d'excitation est transformé par le transducteur 20A en un signal acoustique qui est transmis à travers le tube suivant le trajet 22 et qui est reçu par le transducteur 15 20B. Ce transducteur 20B transforme le signal acoustique en un signal électrique qui est bloqué par la diode 32B, de sorte que le signal traverse l'interrupteur 34A, lequel est de préférence un transistor à effet de champ qui est conducteur en présence d'un signal AE et bloqué en l'absence de signal AE. Le signal 20 est alors appliqué à l'entrée de l'amplificateur de haute fréquence 36. La sortie de cet amplificateur 36 est connectée à la diode détectrice de crêtes 38 qui est à son tour connectée à l'interrupteur 40A. Cet interrupteur est analogue à l'interrupteur 34Ao 25 La sortie de l'interrupteur 40A est connectée à un condensateur 42A et à l'entrée 1 d'un amplificateur différentiel 44A. La charge appliquée au condensateur 42A est proportionnelle à l'amplitude de l'impulsion d'excitation appliquée au transducteur 20A et elle sert à faire varier et à régler l'amplitude de 30 l'impulsion d'excitation. Pour cela, la tension appliquée à l'entrée 1 de l'amplificateur différentiel 44A est comparée à la tension de référence appliquée à l'entrée 2 par la source 46. La sortie de l'amplificateur différentiel 44A est appliquée à l'entrée 1 de l'amplificateur d'excitation 30A et sert 36 à augmenter ou réduire, suivant le besoin, le signal de sortie ou d'excitation de cet amplificateur. L'entrée 3 de l'amplificateur d'excitation 30A est utilisée pour obtenir un retard réglable. 71 37117 5 2130059 L'entrée 3 est un réglage manuel au moyen duquel on peut égaliser les retards sur les canaux A et B, Le réglage des retards s'effectue par ajustement d'un petit condensateur de calibrage,. Le retard introduit est fonction de la capacité de ce 5 condensateur de calibrage» La boucle qu'on vient de décrire ci-dessus peut-être qualifiée de servo-circuit électronique de commande de l'amplitude, puisqu'il sert à régler l'amplitude du signal d'excitation appliqué au transducteur» On peut donc voir qu'on peut changer 10 l'amplitude pour l'adapter à des modifications de l'atténuation acoustique qui se produit sur le trajet parcouru par les ondes, et qui accompagne, par exemple, une variation de la nature du fluide qui circule dans le tube. La sortie de l'amplificateur de haute fréquence 36 15 est également connectée à l'entrée d'un détecteur à seuil 48 qui laisse passer et transmet à l'entrée 1 d'un comparateur 50 les signaux d'une valeur supérieure à un certain seuil prédéterminé» Un signal fourni par la sortie 3 du compteur logique de commande 28 est appliqué à l'entrée 2 du comparateur 50» Le si-20 gnal de sortie du comparateur 50 est transmis à travers l'inter-rrupteur 52A, qui est analogue aux interrupteurs 34A et 40A, à l'entrée 1 d'un amplificateur différentiel 56A et au condensateur 54A. La charge appliquée au condensateur 54A est proportionnelle à la fréquence de répétition des impulsions» 25 Le signal appliqué à l'entrée 1 de l'amplificateur différentiel 56A est comparé à celui fourni par une source de tension de référence 58 et qui est appliqué à l'entrée 2o La sortie de l'amplificateur différentiel 56A est connectée à l'oscillateur 24A commandé par la tension et elle fait croître la fré-30 quence de cet oscillateur si sa tension est positive et elle la fait décroître si sa tension est négative. Cet ensemble constitue un servo-dispositif électronique de commande de la fréquence puisqu'il sert à régler la fréquence de répétition des impulsions excitatrices. 35 Le compteur logique de commande 28 met le circuit AE hors d'action et le circuit BE en action pour faire émettre le transducteur 20B vers l'aval, en direction du transducteur 20A. Le fonctionnement qui vient d'être décrit à propos de l'état de 71 37117 6 2130059 marche AE se produit maintenant pour l'état de marche de BE et met en oeuvre tous les éléments désignés par le suffixe B ainsi que les éléments qui sont communs aux deux ensembles A et B. les 5 éléments critiques sont communs aux deux modes, de sorte qu'on réduit ainsi au minimum les erreurs dues au défaut d'appairement de ces composants, erreurs qui se manifesteraient probablement si ces composants étaient utilisés en double (un élément dans chaque ensemble), les composants communs sont l'amplificateur de 10 haute fréquence 36, la diode détectrice de crêtes 38, le détecteur à seuil 48, le compteur logique de commande 28 et le comparateur 50. les sorties des oscillateurs 24A et 24B commandés par la tension, dont les fréquences sont proportionnelles à la ten-15 sion, sont transmises au circuit 60 de différence de fréquence qui produit une fréquence f constituant le paramètre à partir duquel on obtient la vitesse de l'écoulement. la sortie du circuit 60 peut être affichée sur un indicateur 62, par exemple sur un compteur qui indique la vitesse 20 de l'écoulement, ou bien on peut utiliser un compteur totalisateur pour donner une indication du débit massique. le fonctionnement du débitmètre suivant l'invention sera plus facile à expliquer en regard de la figure 4. la courbe 70 représente le train d'impulsions qui est émis par l'oscilla-25 teur 24A commandé par la tension, les impulsions 72 sont celles qui sont appliquées au transducteur 20A pour produire une impulsion acoustique qui est émise vers l'amont à travers la veine de fluide. la courbe 74 représente par ses parties positives 30 l'état de marche de AE (autorisation de A) tandis que les parties d'amplitude nulle représentent l'état d'arrêt» la courbe 76 est une représentation du signal de référence du comparateur, la courbe 78 représente le train d'impulsions qui est émis par l'oscillateur 24B commandé par la tension et les impulsions 80 sont 35 celles qui sont appliquées au transducteur 20B pour produire une impulsion acoustique qui est émise vers l'aval, à travers la veine de fluide. 71 3711? 7 2130059 La courbe 82 représente par ses parties positives l'état de marche de BE (autorisation de B) et ses parties d'amplitude nulle représentent l'état d'arrêt. La courbe 84 représente la combinaison des trains d'impulsions émis par les oscil-5 lateurs 24A et 24B, les impulsions émises par l'oscillateur 24A étant désignées par f^ et apparaissant dans l'état de marche de AE et les impulsions émises par l'oscillateur 24B étant désignées par f-g et apparaissant dans l'état de marche de BE. Les impulsions 86, 88 et 90 représentent les trois 10 positions possibles dans lesquelles une impulsion acoustique émise par le transducteur 20A peut apparaître sur la sortie du détecteur à seuil 48. Les impulsions 92, 94 et 96 représentent les trois positions possibles dans lesquelles une impulsion acoustique émise par le transducteur 20B peut apparaître à la sortie 15 du détecteur à seuil 48» Les impulsions 88 et 94 se sont manifestées à l'instant voulu, c'est-à-dire au front positif de la courbe 76 de référence du comparateur. Dans cette condition, il ne s'effectue pas de correction de fréquence. Les impulsions 86 et 92 se mani-20 festent trop tôto Dans ces conditions, la fréquence de l'oscillateur correspondant subit une augmentation. Les impulsions 90 et 96 se manifestent trop tard et, dans ces conditions, il se produit une diminution de la fréquence de l'oscillateur. Le fonctionnement se déroule comme suit : 25 1. Signal AE présent 2. L'impulsion 72 est appliquée au transducteur 20A et une impulsion acoustique est transmise à travers le fluide. 3a. Réception de l'impulsion 88 - Aucune correction de fréquence, ou 30 3b. Réception de l'impulsion 86 - Accroissement de la fréquence de l'oscillateur 24A, ou 3c. Réception de l'impulsion 90 - Diminution de la fréquence de l'oscillateur 24A. 4. A un instant consécutif, le signal AE est suppri-35 mé par le compteur logique de commande 28. 5. Signal BE présent. 71 37117 8 2130059 6. L'impulsion 80 est transmise au transducteur 20B et une impulsion acoustique est émise à travers le fluide, 7a. Réception de l'impulsion 94 - aucune correction de fréquence, ou 5 7b. Réception de l'impulsion 92 - Accroissement de la fréquence de l'oscillateur 24B, ou 7co Réception de l'impulsion 96 - Diminution de la fréquence de l'oscillateur 24B» 80 Le signal représenté par la courbe 84 et qui con-10 tient f^ pendant la présence du signal AE et f^ pendant la présence du signal BE est utilisé comme entrée pour le compteur logique de commande 28. Les signaux représentés par les courbes 70 et 78 (f^ et f-g respectivement) sont appliqués à un circuit de différence de fréquences dont la sortie est utilisée pour affi-15 cher la vitesse de l'écoulement ou le débit massique de cet écoulement, suivant la nature du dispositif indicateur utilisé. 71 37117 9 2130059 • - REVENDICATIONS - 1 - Dispositif destiné à mesurer l'écoulement d'un fluide dans une canalisation, dans lequel deux transducteurs sont montés sur cette canalisation, l'un à l'opposé de l'autre, et où l'un des transducteurs est en aval de l'autre, les deux 5 transducteurs étant excités par deux oscillateurs respectivement associés aux deux transducteurs, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de sélection à l'aide desquels on peut choisir l'un des oscillateurs pour exciter l'un des transducteurs de manière qu'un seul de ces transducteurs soit excité 10 à un moment donné dans le mode émission, pour provoquer la transmission d'une onde acoustique à travers le tube et la réception de cette onde par l'autre transducteur qui travaille dans le mode réception, et chacun des transducteurs travaillant alternativement dans le mode émission et dans le mode réception j un dispo-15 sitif d'asservissement d'amplitude connecté aux transducteurs de manière que son entrée soit connectée au transducteur travaillant dans le mode réception et que sa sortie soit connectée au transducteur travaillant dans le mode émission, afin que l'amplitude du signal reçu par le transducteur travaillant dans le mode ré-20 ception reste maintenue dans des limites prédéterminées ; un dispositif d'asservissement de fréquence dont l'entrée est connectée au transducteur travaillant dans le mode réception et dont la sortie est connectée à l'oscillateur associé au transducteur travaillant dans le mode émission, afin que la fréquence de l'oscil-25 lateur soit maintenue dans des limites prédéterminées î et des moyens permettant de tirer la différence existant entre les fréquences des deux oscillateurs, pour obtenir une fréquence différentielle fonction de la vitesse de l'écoulement du fluide dans la canalisation» 30 2 - Dispositif suivant la revendication 1, caractéri sé en ce que le dispositif d'asservissement d'amplitude comprend: un unique amplificateur de haute fréquence radio, comprenant une entrée et une sortie, dont l'entrée est connectée à celui des transducteurs qui travaille dans le mode réception ; deux ampli— 35 ficateurs différentiels dont chacun comprend deux entrées et une sortie, ces amplificateurs différentiels étgnt associés respectivement aux deux transducteurs, lorsque ces derniers travaillent dans le mode émission ; deux amplificateurs d'excitation, respec 71 37117 10 2130059 tivement associés aux deux transducteurs lorsque ces derniers travaillent dans le mode émission, chacun de ces amplificateurs d'excitation comprenant au moins deux entrées et une sortie, la sortie de l'amplificateur de fréquence radio étant sélectivement 5 connectée à l'une des entrées de l'amplificateur différentiel associé au transducteur qui travaille dans le mode émission à l'instant considéré ; une tension de référence connectée directement à la deuxième entrée de chacun des amplificateurs différentiels ; la sortie de chaque amplificateur différentiel étant 10 connectée à l'une des entrées de l'amplificateur d'excitation correspondant ; l'autre entrée de chaque amplificateur d'excitation recevant l'excitation de l'oscillateur qui lui est associé lorsque le transducteur qui lui est associé travaille dans le mode émission. 15 3 - Dispositif suivant la revendication 2, caracté risé en ce qu'il comprend une diode formant détecteur de crêtes, connectée entre la sortie de l'amplificateur de haute fréquence et les entrées des amplificateurs différentiels. 4- - Dispositif suivant la revendication 3, caracté-20 risé en ce que le dispositif d'asservissement de fréquence comprend un compteur logique de commande qui comprend une entrée et plusieurs sorties ; l'entrée du compteur logique étant sélectivement connectée à la sortie de l'oscillateur qui travaille dans le mode émission ; un détecteur à seuil comprenant une entrée et 25 une sortie, son entrée étant connectée à la sortie de 1*amplificateur âe haute fréquence ; un comparateur comportant au moins deux entrées et une sortie, une sortie du compteur logique de commande étant connectée à une entrée de l'un des deux amplificateurs d'excitation de manière que le signal soit transmis à l'am-30 plificateur d'excitation lorsque les éléments associés à cet amplificateur travaillent dans le mode émission ; une sortie du compteur logique de commande étant connectée à une entrée du comparateur et la sortie du détecteur à seuil étant connectée à une deuxième entrée du comparateur de manière que les signaux de sor-35 tie du compteur logique et du détecteur à seuil soient comparés pour produire à la sortie du comparateur un signal représentant la différence entre ces signaux ; deux amplificateurs différentiels, respectivement associés aux deux transducteurs, chacun de 71 37117 n 2130059 ces amplificateurs comprenant deux entrées et une sortie, la sortie du comparateur étant sélectivement connectée à l'une des entrées de l'amplificateur différentiel qui correspond à celui des transducteurs qui travaille dans le mode émission ; une ten-5 sion de référence connectée à la deuxième entrée de chacun des amplificateurs différentiels de manière que l'amplificateur différentiel qui correspond au transducteur travaillant le mode émission à un moment considéré développe un signal représentant la différence entre le signal de sortie du comparateur et ladite 10 tension de référence ; la sortie de cet amplificateur différentiel étant connectée à l'oscillateur qui lui est associé de manière que la fréquence soit ajustée par variation dans un sens déterminé, en fonction du signa et de l'amplitude du signal différence . 15 5 - Dispositif suivant la revendication 2, caracté risé en ce que le dispositif d'asservissement de fréquence comprend un compteur logique de commande qui comprend une entrée et plusieurs sorties ; l'entrée du compteur logique étant sélectivement connectée à la sortie de l'oscillateur qui travaille dans 20 le mode émission ; un détecteur à seuil comprenant une entrée et une sortie, son entrée étant connectée à la sortie de l'amplificateur de haute fréquence ; un comparateur comportant au moins deux entrées et une sortie, une sertie du compteur logique de commande étant connectée à une entrée de l'un des deux amplifi-25 cateurs d'excitation de manière que le signal soit transmis à l'amplificateur d'excitation lorsque les éléments associés à cet amplificateur travaillent dans le mode émission ; une sortie du compteur logique de commande étant connectée à une entrée du comparateur et la sortie du détecteur à seuils étant connectée à une 30 deuxième entrée du comparateur de manière que les signaux de sortie du compteur logique et du détecteur à seuil soient comparés pour produire à la sortie du comparateur un signal représentant la différence entre ces signaux ; deux amplificateurs différentiels, respectivement associés aux deux transducteurs, chacun de 35 ces amplificateurs comprenant deux entrées et une sortie, la sortie du comparateur étant sélectivement connectée à l'une des entrées de l'amplificateur différentiel qui correspond à celui des transducteurs qui travaille dans le mode émission ; une tension 71 37117 12 2130059 de référence connectée à la deuxième entrée de chacun des amplificateurs différentiels de manière que l'amplificateur différentiel qui correspond au transducteur travaillant le mode émission à un moment considéré développe un signal représentant la diffé-5 rence entre le signal de sortie du comparateur et ladite tension de référence ; la sortie de cet amplificateur différentiel étant connectée à l'oscillateur qui lui est associé de manière que la fréquence soit ajustée par variation dans un sens déterminé, en fonction du signe et de l'amplitude du signal différence. 10 6 - Dispositif suivant la revendication 1, caracté risé en ce que le dispositif d'asservissement de fréquence comprend : un détecteur à seuil comportant une entrée et une sortie et dont l'entrée reçoit un signal du transducteur qui travaille en mode réception ; un compteur logique comportant une entrée et 15 plusieurs sorties ; l'entrée du compteur logique étant sélectivement connectée à la sortie de l'oscillateur travaillant dans le mode émission, un comparateur comportant au moins deux entrées et une sortie, une sortie du compteur logique de commande étant connectée de manière que le signal soit transmis au transducteur 20 travaillant dans le mode émission ; une sortie du compteur logique de commande étant connectée à une entrée du comparateur et la sortie du détecteur à seuils étant connectée à une deuxième entrée du comparateur de manière que les signaux de sortie du compteur logique et de sortie du détecteur à seuils soient comparés 25 pour produire à la sortie du comparateur un signal représentant la différence entre ces signaux ; deux amplificateurs différentiels respectivement associés aux deux transducteurs, chacun de ces amplificateurs comprenant deux entrées et une sortie, la sortie du comparateur étant sélectivement connectée à l'une des entrées 30 de l'amplificateur différentiel qui correspond à celui des transducteurs qui travaille dans le mode émission ; une tension de référence connectée à la deuxième entrée de chacun des amplificateurs différentiels de manière que l'amplificateur différentiel qui correspond aux transducteurs travaillant le mode émission à 35 un moment considéré développe un signal représentant la différence entre le signal de sortie du comparateur et ladite tension de référence ; la sortie de cet amplificateur différentiels étant connectée à l'oscillateur qui lui est associé de manière que la fréquence soit ajustée par variation dans un sens déterminé, en fonction du signe et de l'amplitude du signal différence.