Brevet FR2112080A1 — publié le 19720616

La présente invention a pour objet un dispositif de mesure de la vitesse d'écoulement dtun fluide basé sur l'utilisation des ultra-sons. Divers dispositifs du même genre sont connus. Dans ces dispositifs un faisceau ultra-sonore est émis par un transducteur disposé dans la paroi de la tuyauterie ou se déplace le fluide, dans une direction faisant un angle différent de 900 avec l'aspe de la tuyauterie. Un autre transducteur est disposé également dans la dit paroi de la tuyauterie, de façon à recevoir le7faisceau ultrasonore. La mesure du débit est déduite de la mesure de la différence des vitesses apparentes du son, suivant que le transducteur émetteur est en amont ou en aval du récepteur. Ces dispositifs présentent certains inconvénients. En particulier, l'angle d'incidence du faisceau ultra-sonore doit titre choisi en fonction des conditions d'exploitation de la conduite. Par ailIeurs,lintroduction de corps étrangers2 de bulles par exemple,dans le liquide, ou do poussières dans les gaz peuvent perturbor notablement les mesures. Le dispositif objet de la présente invention permet de remédier à ces inconvénients. Le dispositif de mesure de vitesse d'écoulement 'un fluide selon l'invention est du type comportant, placés dans les parois de la tuyauterie où circule le fluide, des transducteurs émettant sous l'action d'un signal électrique des faisceawultra-sonores et des transducteurs capablesde transformer l'énergie. transportée par le faisceau ultra-sonore en un signal électrique.Il se caractérise essentiellement en ce qu'il comprend : un premier ensemble constitué d'un premier transducteur émetteur d'un faisceau ultrasonore et d'un transducteur capable de recevoir ledit faisceau, les deux transducteurs étant placés dans un premier plan diamétral de la tuyauterie ;un deuxième ensemble identique au premier et placé dans un douxièmeplnn diamétral 3 un premier et un deuxième discriminateurs de phase comparant les différences de phase respectives entre les signaux émis par les premier et deuxième émetteurs et reçus par les premiers et deuxième récepteurs. Un corrélateur pour recevoir ces différences de phase et en faire le produit et des moyens de retard réglables pour amener ce produit à la valeur maximale. Blinvention sera mieux comprise au moyen de la description ci-après en se référant aux dessins annexés parmi lesquels - la figure 1 est un schéma de principe du dispositif selon l'invention - la figure 2 est un premier exemple de corrélateur utilisable dans le dispositif selon l'invention - la figure 3 est un diagramme explicatif - la figure 4 est un deuxième exemple de corrélateur utilisable dans le dispositif selon l'invention. - la figure 5 est un diagramme explicatif. Sur la figure 1, est.représentésune canalisation C dans laquelle s'écoule dans le sens de la flèche, un fluide dont le dispositif suivant l'invention mesure la vitesse d'écoulement. Dans deux plans de section droite 1oet 2 de la canalisation, sont placés respectivement deux ensembles transducteurs émetteurs-récepteurs d?ul- tra son identiques., à savoir dans le plan 1 un émetteur El, un récepteur R1, situés aux deux extrémités d'un diamètre de la section droite ; dans le plan 2, un émetteur E2 et un récepteur R2, dont les emplacements respectifs se déduisent de ceux de El et de RI, par la translation qui amènerait le plan 1 sur le plan 2. Un générateur de signaux électriques G est couplé aux entrées des transducteurs El et E2. Les récepteurs Ri et R2 recoivent respectivement les signaux ultra-sonores émis par les émetteurs El et E2. les récepteurs R1 et R2 fournissent en réponse à ces signaux des signaux électriques qui sont respectivement transmis aux premières entrées de deux discriminateurs de phase P1 et P2. Ces deux discriminateurs reçoivent sur leurs deuxièmes entrées, le signal de sortie du générateur G. Ils délivrent à leurs sorties respectives, des signaux fonctions respectives des différences de phase et 2 du signal délivré par le générateur G, et des signaux délivrés par les récepteurs R1 et R2. Ces deux signaux auprès passage dans deuxanplifica- teurs Al et A2 sont appliqués aux deux entrées d'un corrélateur CR ; celui-ci, dont on donnera plus loin des exemples de réalisation, délivrera à sa sortie un signal qui sera fonction du retard entre les deux signaux et#2. A la sortie de ce corrélateur est placé un transducteur T qui, en fonction de ce retard,. donne le débit de la canalisation. Le fonctionnement de l'ensemble est le suivant : le liquide ou le gaz qui circule dans la canalisation C présente des inhomogénéités dues à la présence de turbulences; de poussières. il en résulte que le signal #1 présente des fluctuations. L'expérience a montré que ces inhomogénéités présentent une certaine stationnarité dans le temps. autrement dit les poussières et les turbulences que l'on constatera dans le plan 1, seront constatés au bout du tenps T mis par le fluide pour aller de 1 à 2. Dans le plan 2, les fluctuations de P 1 se retrouveront donc dans le signal 9 2 au bout du temps T. La figure 2 représente un schéma de corrélateur utilisable dans le dis-positif selon l'invention. Ce corrélateur a deux entrées. Sur une de ses entrées, il re çoit le signal #1(t), sur l'autre le signal#2(t). Ces deux signaux sont délivrés sous la forme analogique. Le signal ç 1 (t) est appliqué directement aux premières en- trées de multiplicateurs M1...Mn. Le signal #2(t) est appliqué@aux secondes entrées des mêmes multiplicateurs, après avoir subi dans les diverses cellules d'une ligne à retard L, les retards T, 2T, nT. Autrement dit, le multiplicateur M1 recevra sur ses entrées les signaux #1(t) et #2(t), le multiplicateur M2 les signaux #1(t) et 92(t - T), le multiplicateur M, les signaux #1(t) et #2 (t - nT). Les signaux de soitie des multiplicateurs M1...Mn sont respectivement délivrés aux entrées de n entrées de n intégrateurs Il à In. Ces intégrateurs sont reliés par un commutateur électronique un un dispositif à seuil S. Le fonctionnement de l'ensemble est le suivant Chaque multiplicateur 141 (i = 1...n) effectue la multiplication des signaux analogiques#1, #2 (t - iT), la tension de sortie est Pi = 91(t). ?2(t -iTj r les intégrateurs I1 à In effectuent pendant un temps la moyenne de ces produits Pi. Pendant le meme temps #, le commutateur commute successivement chaque il égrateur sur le dispositif à seuil S à seuil croissant. Quant à la moyenne pendant le temps # de ce produit atteint le. seuil maximum on sait que l'intégrateur Ij donne le produit le plus élevé. La figure 3 dorme en fonction de # ,-les variations du produit P#; on constate qu'il atteint un maximum pour 3T sur l'exemple considéré. Le produit est maximal, dans e cas, ainsi que le montre le @@l- cul des probabilités quand #1(t) = P 2 (t+3T) autrement dit, quand le maximum de la fonction dc corrélation est obtenu, c' tst-à-dire quand la configur@tion du fluide qui a donné la phase # (t) donnera la même phase #2(t+3T) après propagetion dans l@@canalisation, pen- dant le temps nécessaire 3T pour aller du plan 1 au plan 2. 3T est donc le temps mis par le fluide pour aller d'un des deux plans à l'autre. Si on connaît la section de la canalisation, on en déduit immédiatement le bit du fluidc. La figure ex représente un autre exemple de corrélateur utilisable dans le dispositif selon l'invention. Ce corrélateur est décrit dans le brevet français is N i 493 450 demandé le 25 avril i 966. Ce corrélateur a --teux entrées El et E2 recevant l'une El la fonction #1(t), l'autre E2 la fonction #2(t). L'entrée E1 est connectée à lur modulateur1,qui reçoit d'un diviseur ae fréquence 20 des impulsions récurrentes de période Te(fréquence 1/Te et de durée Te/2. Ce diviseur est commandé par une norloge 21 qui délivre des impulsions de fréquence 1/T, étant un nombre entier, Cette horloge commande un registre 2 connecté à la sortie du modulateur 1. Chaque étage de ce registre est relié à l'entrée de commande d'un commutateur 6jqui a deux entrées 7a et 7b et une sortie 9. La sortie 9 du commutateur est connectée à un intégrateur formé d'une résistance 10a et d'une capacité 10b. Les sorties de ces intégrateurs sont connectées aux n entrées 1) d'un commutateur 12 dont la sortie est connectée à mi dispositif d'affichage 11. Chaque commutateur 60 reçoit sur l'entrée 7a la fonction #2(t) et sur l'entree 7b la fonction - # 2(t) qui est engendrée par un invel- seur 19. Ceci étant, le fonctionnement de l'ensemble est le suivant Le dispositif 20 délivre des impulsions de même durée d Te et de fréquence 1/Te. @ - 2 Le signal délivré est donc un signal carré, la tension de sortie étant alternativement à un niveau haut dit niveau 1 et à un niveau bas dit O (courbe 1 de la figure 5). Le modulateur 2 en réponse au signal#1(t), délivre une succession de niveaux 1 et de niveaux C:, se succédant à la fréquence moyenne 1/Te.Pour chaque valeur instantanéc de #1(t) la durée dl du niveau 1 et la durée d2 du niveau O seront respectivement Te d1 = - + K 2 Te d2 = -- 2 (courbe 2 de la figure 5). Le signal de sortie du modulateur est donc un échantillonnage de la fonction #1 aux temps 0, Te, 2Te ... nTe. Chaque commutateur 6jest mis dans la position 7a quand il re çoit le niveau 1 et dans la position 7b quand il reçoit le niveau 0. La courbe 3 représente le signal 92(t), la courbe 4, le signal - #2(t). La tension délivrée par le commutateur 60 est donc le signal représenté en 5. Le commutateur 6j effectue la même opération sur le signal de sortie de l'étage de rang j du registre. Chaque étage du registre délivre une suite d'impulsions identiques à celles délivrées par le modulateur i, mais décalées dans le temps, de Tpour le premier étage, 2T pour le deuxième, nT pour le dernier étage. T étant le temps de passage d'une impulsion d'un étage du registre au suivant. il en résulte que tous les commutateurs délivreront des tensions analo- gues à celles représentées sur la courbe 5. t'aire liachurée représente la moyenne des produits 1(t - jT). #2(t) pendant un temps oe, beaucoup plus grand que Te. L'intégrateur associé à chaque commutateur délivre une tension égale à la moyenne pendant le temps Tde ce produit. L'étage j donnera un produit maximum quand, comme dans le cas précédent, il y aura un maximum de corrélation entre la fonction #1 (t) et#2(t), autrement dit quand #1(t - jT) sera égal à ç 2(t). Ce retard j%: sera donc le temps mis par le fluide pour aller du plan i au plan 2. - REVENDICAtIONS 1 - Dispositif de mesure de vitesse d'écoulement d'un fluide dans un conduit, du type utilisant la propagation des ondes acoustiques ultrasonores à travers ledit fluide et comprenant à cet effet - un générateur de signaux électriques - un premier et un second transducteurs, dits émetteurs, transformant les signaux électriques issus dudit générateur qui les alimente en parallèle, en ondes acoustiques, lesdits transducteurs étant disposés le long d'une partie droite dudit conduit à une distance X prédéterminée l'un de l'autre et émettant lesdites ondes perpendiculairement à la direction de ltécoulement qui est paral lèle à l'axe du conduit - un troisième et un quatrième transducteurs, dits récepteurs, disposés respectivement diamétralement par rapport audits premier et second transducteurs relativement à l'axe du conduit et transformant les ondes ultrasonores reçues en signaux électriques; caractérisé par le fait qu'il comporte en outre en combinaison - un premier et un second discriminateurs de phase respectivement alimentés, d'une part, par lesdits troisième et quatrième transducteurs et, d' autre part, en parallèle par ledit générateur et délivrant respectivement, un premier et un second signaux dont le niveau varie en fonction des fluctuations de l'amplitude et de la phase des ondes reçues par les transducteurs qui les alimentent ; et - un dispositif corrélateur comportant deux entrées respectivement alimentées par lesdits premier et second discriminateurs et un dispositif de retard composé de n éléments en cascade dont chacun retarde le signal appliqué sur son entrée d'un intervalle de temps T prédéterminé et dont chacun comporte-une sortie. 2 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit dispositif de retard est alimenté par ledit premier signal et par le fait que ledit dispositif corrélateur comporte en outre n dispositif multiplicateurs alimentés, d'une part, respectivementpar les sorties des n éléments du dispositif de retard, et, d'autre part, en parallèle par ledit second signal, lesdits dispositifs multiplicateurs fournissant respectivement des signaux correspondant au produit de ce dernier avec le premier signal retardé de i T ou i est un nombre entier supérieur ou égal à 1 et intérieur ou égal à n, - n dispositifs intégrateurs respectivement alimentés par lesdits n dispositifs multiplicateurs et fournissant respectivement la moyenne desdits signaux correspondant au produit ; et - un commutateur électronique à n entrées alimentées respective- ment par les n dispositifs intégrateurs et alimentant successivement un dispositif à seuil déterminant par son niveau celui des dispositifs intégrateurs qui fournit le niveau maximal. 3 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit dispositif de retard est constitué par un registre à décalage à n étages, dont chacun comporte une sortie parallèle ; et par le fait que ledit dispositif corrélateur comporte en outre - une horloge fournissant des impulsions de fréquence Q. Fe où Q est un nombre entier et commandant l'avance dudit registre - un diviseur de fréquence alimenté par ladite horloge et fourvissant des signaux carrés de fréquence F e = i/Te - un modulateur recevant, d'une part, lesdits signaux carrés et, d'autre part, ledit premier signal et fournissant sur sa sortie des impulsions de fréquence Fe, dont la durée varie proportionnellement audit premier signal, ledit modulateur alimentant l'entrée série dudit registre - un inverseur de phase pimenté par ledit second signal - n commutateurs aliment ~ pa.-llèle, d'une part, par ledit second signal et, autre par4 par ledit, inverseur, leurs n entrées de commande étant respectivement reliées aux n sorties parallèles dudit registre - n dispositifs intégrateurs respecti-ement alimentés par lesdits commutateurs - un dispositif commutateur à n entrées respectivement alimentées par lesdits intégrateurs et fournissant successivement à un dispositif d'affichage les signaux fournis par ces derniers,