Brevet FR2108165A1 — publié le 19720519

La présente invention a pour objet un équipement perfection- né@ de gelure des niveaux par voie acoustique, notamment ultrasonore, particulièrement adapté au contrôle du remplissage de cuves de stockage et manutention de liquides de grandes aimensions. Un but de l'invention est; de,prévoir cet équipement tel qu' il assure un haut degr~de précision de la mesure, dans les phases finales de remplissage et de vidange de la cuve tout au moins, Un autre but de l'invention est de prévoir cet équipement tel qu'il soit particulièrement adapté à des mesures de niveau en des liquidés dans -lesquels la célérité des ondes acoustiques, notamment ultra-sonores, varie de façon importante en fonction de la température. Un autre but de ltinvention est de prévoir cet équipement tel qu'il soit particulièrement adapté aux mesures de niveau de liquides à très basses températures tels que des gaz liquéfiés, méthane et azote liquides par exemple. Selon une caractéristique de l'invention, un tel équipement incorpore un premier transducteur d'ondes excité à une première fréquence et disposé dans le fond de la cuve, un second transducteur d'ondes excité à une seconde fréquence et disposé à un niveau relativement proche du niveau de remplissage maximum de la cuve, un premier et un second montages récepteurs respectivement associés à ces premier et second transducteurs d'ondes et dont les sorties sont dirigées sur un appareil d'affichage des résultats de mesure, et un montage, activé au moins par la condition du second montage récepteur, pour commander cet appareil d'affichage à partir des signaux issus des dits montages récepteurs. Selon une autre caractéristique de l'invention, la première fréquence est choisie dans une gamme d'ondes moyennes et la seconde fréquence est choisie dans une gamme de hautes et très hautes fréquences Selo. une autre caractéristique de l'invention également, l'équipement incorpore un troisième et un quatrième transducteurs respectSwement disposés sensiblement aux niveaux des pre mier et second transducteurs d'ondes niais chacun- excité à partir dlun-oscillateur à relaxation dont la fréquence dépend de la célérité des ondes sur un parcours horizontal de référence dans le milieu liquide, un troisième et un quatrième-montages récepteurs respectivement associés à ces troisième et quatrième transduc- teurs d'ondes2 et des moyens pour-combiner les sorties duspre- mier et troisième récepteurs, d'une part, du second et du quatrième récepteurs, de l'autre, pour commander ledit appareil d'affichage par des signaux prenant-ainssi en compte les variations de la célérité des ondes dans le milieu liquide concerné. des caractéristiques, ainsi que d'autres encore venant en renforcer les effets, vont être exposées dans le détail en se reportant aux figures jointes qui représentent: Fig.1, un exemple d'équipement établi en conformité de l'invention; et, Fig.2, un exemple de montage transducteur apte à fonctionner dans un milieu liquide à très basse température. De ces exemples et de leur description peuvent se déduire, sans plus, toutes variantes d'exécution technologique et d'ex ploitatioll pratique entrant dans le cadre de lrinvention. Dans l'exemple représenté sur la aig.l, une cuve 39 de grandes dimensions est destinée à recevoir un liquide à très basse température, gaz liquéfié par exemple. le remplissage de cette cuve doit être contré de façon précise en ce que le niveau maximum admissible soit défini à quelques millimètres près sur une profondeur de cuve de l'ordre d'une vingtaine de mètres, et la vidange doit Store similairement contrôlée pour ne pas dépasser un niveau inférieur de liquide également défini à quelques millimètres près; ces valeurs n'étant données, bien entendu qu2à titre illustratif. Dans le fond de la cuve est disposé un premier transducteur d'ondes 4, placé illustrativement sous un tube de guidage 23 des ondes acoustiques, en fait ultra-sonores, ouvert au moins à ses extrémités pour que le liquide y pénètre librement. Un second transducteur 5 est disposé dans le haut de la cuve à une distance déterminée du niveau de remplissage maximum admissible, par exemple à une profondeur d'un mètre par rapport à ce niveau, Ce second transducteur coopère aussi avec un tube 30 de guidage des ondes. Chacun des transducteurs 4 et 5 est à la fois émetteur et récepteur d'ondes. la variante consistant à séparer ces foncti- ons, si désiré, entre toutefois dans le cadre de l'invention. Deux générateurs 2 et 3, synchronisés par une horloge de base 1, alimentent respectivement les transducteurs 4 et 5. Le générateur 2 excite le transducteur 4, par les câbles 25 et 24, à une fréquence de travail de, par exemple2 200 à 300 liliz. Le générateur 3 excite le transducteur > , par les cibles 32 et @1, à une fréquence de travail de, par exemple, 1 MHz.Les ondes de retour sont transformées en signaux électriques atteignant le récepteur 8 pour le transducteur 4, le récepteur 9 pour le transducteur 5O Chaque récepteur reçoit, selon un processus usuel, les signaux d'échos provenant du transducteur qui lui est associé, sélectionnent ces signaux d'échos par rapport aux si- gnaux d'excitation , et amplifie les signaux ainsi sélectionnés. les signaux issus des récepteurs @ et 9 attaquent respectivement des circuits de mise en forme lu et llo -A partir d'un de ces circuits, un seul à la fois ainsi qu'on le verra plus loin, est commandée une porte 18 pour l'application d'impulsions, de fréquence démultipliée vis à vis des fréquences d'excitation des transducteurs, sur un circuit de comptage 19 formant appareil d'affichage des résultats de mesure, sous forme numérique par exemple par association de voyants à ses décades de comptage, En fait, le principe général de la mesure, connu en soi, est le suivant: :- un transducteur piesoélectrique ayant une face "par- lante" en contact avec le liquide émet une vibration acoustique, mi général ultra-sonore, qui se propage dans le liqui e, se réfléchit sur sa surface et revient pour exciter le transducteur opérant alors en récepteur, au bout d'un temps: (1) t - 2h Jc , en désignant par h, la hauteur du liquide au dessus du transduc- -teur, et c, la célérité (vitesse de propagation) des ondes dans le milieu liquide.Cet écho referme une porte de comptage d'impulsions qui a été ouverte b l'instant d'émission de la vibr-a- tion acoustique0 La mesure de niveau s'effectue avec une précision 'Woyennew au remplissage, à un ordre de précision de 1t 2 par exemple et non limitativement, tant que le liquide n'a pas atteint le niveau du transducteur 5, les échos provenant jusque là du transducteur 4 pour la commande du récepteur 8.Avant que le niveau du transducteur j n1 ait été atteint, le récepteur 9 peut être considéré comme désensibilisé car, même si ce transducteur est alimenté en permanence à partir du génércWteur ;, l'affaiblissement des ondes ultra-sonores qu'il émet dans l'air est trop important pour que des 'échos" sur la paroi supérieure de la cuve puissent, au niveau d'entrée du récepteur 9, atteindre le seuil de réponse de ce récepteur. Lorsque le niveau du liquide dépasse celui du dit transducteur 5 , tout écho réfléchi par la surface du liquide atteint un niveau dépassant le seuil du récepteur 9.Une mesure effectuée à partir du transducteur 5 est alors d'une précision supérieure, par exemple d'un ordre de 1@-3, non limitativement bien entendu, en raison notamment du choix de la fréquence d'excitation susdite du transducteur v. Le récepteur 8 ne doit plus pouvoir agir sur la porte 18, donc sur l'appareil d'affichage 19. Ceci peut autre assuré, comme indiqué, par la liaison 37 en trait interrompu, en inhibant le récepteur 8 à partir d'une sortie du circuit de mise en forme 11 associé au récepteur 9. Toutefois, pour plus de sécurité, compte tenu notamment qu'il convient de changer de générateur d'impulsions de comptage en mdme temps que de récepteur, il parait préférable de recourir au circuit plus élaboré qui est représenté::- la sortie du circuit de mise en forme 10 associé au récepteur 8 passe par un circuit-porte 22 qui est passant tant que la sortie du circuit de mise en forme 1; associé au récepteur 9 est à un niveau "faux" (absence pratique de répciise du récepteur 9) et bloqué dès que ce niveau devient "vrai" (niveau de liquide atteignant le transducteur 5). La sortie de la porte 22 commande d'une part l'ouverture de la porte 18 des impulsions de comptage affectées à l'affichage en 19 tant que le transducteur 4 agit seul dans le liquide.D'autre part, cette sortie inhibe la porte 21 qui reçoit sur son entrée les impulsions de comptage affectées à la mesure et l'affichage lorsque le transducteur 5 est immergé, Bar ailleurs, les impulsions de comptage de la première "voie" de mesure susdite n'atteignent l'entrée de la porte 18 qu'à travers un circuit-porte 20 qui est inhibe sitôt activé le circuit de mise en forme 11 de la seconde "voie" de mesure, La commutation des commandes de l'appareil d'affichage 19 est ainsi positive et on peut de plus vérifier qu'elle opère avec la même sécurité dans les -deux sens, remplis- sage et vidange de la cuve. Si le milieu liquide concerné maintenait une célérité sensiblement constante des ondes sonores, les impulsions de comptage pourraient provenir de générateurs à fréquences fixes, dérivées par exemple de celle de l'horloge 1 par des chaînes multiplicatrices de fréquences d'impulsions. Dans les cas pratiques d'exploitation de l'invention, il nten est pas ainsi et le facteur célérité varie de façon très importante lorsque la basse température du liquide varie de quelques degrés.De plus, au cours du remplissage tout :i moins, il peut temporairement se former des couches de compositions et(ou) gradients de température différents dans le milieu liquide:- le facteur célérité aura alors des valeurs distinctes, ou pourra avoir des valeurs distinctes, du niveau du transducteur 4 au niveau du transducteur 5. Sour tenir compte de ces conditions, il est alrs complémen- tairement prévu de "tarer" en quelque sorte les fréquences des deux suites d'impulsions de comptage en fonction des valeurs et variations de valeur des célérités des ondes dans le milieu liquide concerné. Deux systèmes de "tarage" sont respectiv ement associés aux deux "voies" de la mesure.Le système de la première re voie de mesure comporte un oscillateur à auto-relaxation comprenant un circuit émet-leur 12, un circuit récepteur 14, un troisième transducteur émetteur-récepteur 6 disposé à côté du premier transducteur 4 et un réflecteur 49 associé à ce transduc- teur 6 définissant un trajet de longueur constant e dan-s le milieu liquide. La fréquence f de cet auto-relaxateur dépend alors de la célérité des ondes dans le milieu, selon la relation: (2) f = c / (E en désignant par @ la longueur du trajet entre la face parlante du transducteur 6 et le miroir d'ondes 49.Pour une fréquence de base du r@laxteur d'une valeur de, par exemple, près de 2000 Hz, la distance L peut, illustrativement, être choisie de 11 ordre de 25 mm. Les impulsions de retour entretiennent la relaxation, et, de plus, elles sont prélevées de 14 pour autre appliquées sur une chaîne 16 de circuits multiplicateurs de fréquence, par exemple huit circuits doubleurs de fréquence en cascade, potr obtenir sur l'enrée de la porte 20 une suite d'impulsions d'une fréquence de l'ordre de 500 KHz par exemple. au lieu de circuits doubleurs de fréquence, an pourrait, en variante, exploiter des circuits tripleurs de fréquence, si désiré.De toutes façons, la fréquence finale, F, des impulsions de comptage, est ainsi rendue proportionnelle à la célérité c de propagation des ondes de mesure dans le milieu liquide concerné et à ses variations en fonction de la température au niveau concerné. Similairement, le second système de tarage comporte un oscillateur à auto-relaxation comprenant un émetteur 13, un récepteur 152 un quatrième transducteur 7 disposé à c8té du second transducteur 5 et un réflecteur 50 associé à ce transducteur 7 et définissant un traJet de longueur constante horizontal dans le milieu liquide. la distance ì entre la face parlante du transducteur 7 et le réflecteur 5u peut également être prise de l'ordre de 25 mm et la fréquence de base de l'auto-relaxateur, de l'ordre de 2000 liz. Les impulsions prélevées en 15 sont éga lement appliquées sur une chaîne de multiplication de leur fréquence 17 pour la formation de la suite d'impulsions de comptage finalement appliquée sur la porte 21. Dans le cas d'une commutation simplifiée, la sortie 37 du circuit de mise en forme 11 est appliquée en inhibition sur le récepteur l4 du système de tarage de la première voie de mesure. Le matériel doit, de plus, être capable d'opérer fiablement aux très basses températures. il est alors prévu de réaliser les câbles 24 allant au transducteur 4, 27 allant au transduc-teur 6, 31 allant au transducteur 5 et 34 allant au transducteur 7 au moyen des cibles connus sous la dénomination de "eyrotenax", (marque déposée), et consistant comme connu d'un conducteur enrobé de magnésie frittée gaînée d'une enveloppe en acier inoxydable. Une telle structure de cible est, dans les équipements conformes à l'invention, avantageusement exploitée en câble co- axial "tenant" aux très basses températures.On a indiqué en 26, 28, 33 et 35 les bottes de raccordement entre ces cables 24, 27, 31 et 34 et les cibles coaxiaux normaux 25, 29, j2 et 36 employés extérieurement à la cuve pour les raccordements aux circuits électroniques extérieurs Chaque transducteur est établi avec un boîtier en acier ino- xydable, par exemple comme représenté sur la Fig.2::- Ia céramique piezoélectrique 44 est montée dans un corps v9 en acier inoxydable fermé sur la face parlante par une plaque +1 en ce même alliage, avec joint d'étanchéité 42 en une matière plastique mé- tallisée. La liaison conductrice entre la céramique 44 et la pa roi interne de la face parlante 41 est assurée par un ou plusieurs fils d'argent noyés dans une graisse tenant aux très basses températures, la céramique 44 étant pressée par une lame élastique 45 prenant appui sur un plot métallique 46 noyé dans un cube diélectrique 4v. Le plot 46 est relié par un conducteur 47 au conducteur central du cible 48, dont la gaine extérieure est soudée acier inoxydable sur acier inoxydable pour assurer 11 étanchéité de la traversée, rar un tel montage, les liaisons acoustique et électrique entre céramique et face parlante sont assurées sans soudure et maintenues même en condition de choc thermique du montage transducteur à sa venue en contact avec un liquide à une température avoisinant -180 à -190 C. R E V E N D I C A T I O N S 1. - équipement de mesure des niveaux pour le contrtle du remplissage et de la vidange de cuves de grandes dimensions pour le stockage et la manutention de liquides, caractérisé en ce qu'il comporte un premier transducteur d'ondes acoustiques, no- tamment ultra-sonores, excité à une première fréquence et dispo- sé dans le fond de la cuve, un second transducteur d'ondes exci- té à une seconde fréquence et disposé à un niveau relativement proche du niveau de remplissage maximum admissible de la cuve, un premier et un second montages récepteurs respectivement associés à ces premier et second transducteurs d'ondes et dont les sorties sont dirigées sur un appareil d'affichage des résultats de mesure, et un montage, activé par au moins la condition de sortie du second montage récepteur, pour comnander cet affichage à partir des signaux issus des dits montages récepteurs. 2. - Equipement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la dite première fréquence est choisie dans une gamme de fréquences moyennes alors que la seconde fréquence est choisie dans une gamme de fréquences hautes et très hautes. - - auipement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un troisième et un quatrième transducteurs sont respectivement disposés sensiblement aux mimes niveaux que les premier et second transducteurs, chacun des dits troisième et quatrième transducteurs étant excité dans un circuit à auto-relaxation dont la fréquence dépend de la célérité des ondes sur un parcours horizontaiA référence dans le milieu liquide, un troisième et un quatrième montages récepteurs sont respectivement associés aux dits troisième et quatrième transducteurs et des moyens combinent les sorties des premier et troisième récepteurs et les sorties des second et quatrième récepteurs pour la commande dudit appareil d'affichage. 4. - équipement selon la revendication 3, caractérisé en ce que les sorties des troisième et quatrième montages récepteurs incorporent des chaînes multiplicatrices de fréquence des impul- sions d'auto-relaxation, les sorties des premier et second mon tages récepteurs incorporant des circuits formant des créneaux dont les largeurs sont proportionnelles aux temps de parcours des ondes émises par les premier et second transducteurs dans le milieu liquide, et le montage de commande de l'appareil d'afficha- ge, qui incorpore un dispositif de comptage d'impulsions, incorpore un circuit-porte destiné à recevoir l'une ou l'autre des dites suites d'impulsions et les créneaux correspondants selon un choix déterminé par la condition de la sortie du second montage récept eur. 5. - Equipement selon la revendication i, caractérisé en ce que ce choix est déiini par le blocage des sorties des premier et troisième récepteurs lorsqu'est activée la sortie du second montage récepteur. 6. - - Equipement selon la revendication 4, caractérisé en ce que ce choix est défini par un montage logique opérant sur les sorties des premier et second montages récepteurs pour inhiber l'accès audit circuit-porte des impulsions issues du quatrième montage récepteur en l'absence d'activation de la sortie du second montage récepteur et inhiber au contraire l'accès à ce circuit-porte à la suite d'impulsions issues du troisième montage récepteur et aux créneaux issus du premier montage récepteur si- tôt activée la dite sortie do seconde montage récepteur, (. - Equipement selon la revendication 1 ou la revendication 4, caractérisé en ce que , s'agissant de milieux liquides à très basses températures, les cibles coaxiaux allant aux transducteurs immergés consistent en des cibles dont le conducteur central est isole par de la magnésie frittée d'une gaine en acier inoxydable0 8. - - Equipement selon la revendication 7, caractérisé en ce que les transducteurs comportent chacun un boîtier en acier inoxydable étanche contenant une céramique piezoélectrique pressée par ressort contre la paroi interne de la face parlant e du boî- tier avec intercalation d'@ne couche de graisse tenant aux très basses températures et noyant au moins un conducteur en argent.