Brevet FR2203063A1 — publié le 19740510

La présente invention concerne un débitmètre à ultra-sons et plus particulièrement un débitmètre de structure simple permettant une mesure très préeise en un temps court. Dans les débitmètres à ultra sons, on a très largement utilisé un procédé différence de temps et un procédé pas différence de fréquence. La théorie de ces deux procédés, la structure des bitmètres à ultra-sons utilisés en pratique pour la mise en oeuvre de ces procédés et les avantages et inconvénients seront décrits sommairement ciaprès. 3n premier lieu, on décrira la théorie du procédé par différence de temps. Lorsqu'une onde d'ultra-sons se propage dans un fluide, sa vitesse apparente de propagation est diérente suivant que le fluide est immobile ou s'écoule. Si la vitesse du son (onde ultra-sonore) dans le fluide au repos est égale à c et si la vitesse du fluide en mouvement est égale à uS la vitesse apparente du son est égale à ( c + u) lorsque la direction de propagation du son est la même que celle de l'écoulement du fluide. La vitesse apparente est égale à (c - u) lorsque la direction de propagation du son est oppogée à la direction d'écoulement du fluide. On suppose que deux transducteurs d'ultra-sons (échantillons ultra-sonores) P1 et P2 sont montés sur la conduite P dans laquelle passe le fluide Fo ces deux transducteurs étant séparés par la longueur li, et si une onde ultra sonore U se déplace le long de la conduite sui- vant un angle 6 par rapport à la direction d'éeoulement FD du fluide F dans la conduite P (figure 1). Dans ce cas, le temps de propagation de l'onde ultra-sonore U émise par exemple par le transducteur r1 et qui arrive sur le transducteur P2 est égal à tt et l'intervalle de temps de cheminement de l'onde ultrasonore U émise, par exemple par le transducteur P2 et qui arrive sur le transducteur P1 est égal à t2, on a les équations suivantes Dans ces équations, si l'on satisfait la condition C2 > ? u2ccs2 # R on peut déduire l7ézua tion (2) ci après des équations (1) : Ainsi cette équation (2) donne la vitesse dtécoulement u du fluide F. En fait, la différence de temps A t entre les intervalles t1 et t2 ( t = t2 - t1) est très faible, si bien qu'il faut soigneusement faire les mesures de cette différence de temps très courte. Gracie à ce procédé9 comme cela ressort de l'équation (2), la valeur mesurée de la vitesse d'écoulement u varie lorsque la vitesse e du son dans le fluide F change. En général, la vitesse du son dans un liquide ou un gaz varie beaucoup en fonction des variations de température du liquide et du gaz et en outre en fonction de la présence de substances ou de bulles dans le liquide ou en fonction de la composition du liquide. Ces divers facteurs peuvent se traduire dans une très large mesure sur la vitesse du son. Il est ainsi nécessaire de compenser ces variations de vitesse. On décrira ci-après le procédé de différence de temps en se reportant à la figure 2. Selon la figure 2, la référence I se rapporte à un émetteur auquel sont reliés les transducteurs P1 et P2. Cet émetteur 1 est relié à une porte 3 de mtme que l'horloge 2 qui envoie les impulsions de cadence 2 à un compteur additionneur-soustracteur 4 recevant également le signal de porte de l'émetteur I. La porte 5 est ouverte ou débloquée pendant le temps de la transmission de l'impulsion de l'onde ultra-sonore de l'un des transducteurs P1 et P2, pour la réception du signal d'ultra-sons par l'autre transducteur P1 et P2.Cela signifie que l'on mesure le temps nécessaire à l'onde ultra-sonore pour passer à travers le liquide entre l'emplacement des transducteurs P1 et P2. Le compteur addi- tionnerr-soustracteur 4 fournit un signal de sortie proportionnel à la différence entre les temps de propagation de l'onde ultra- sonore à travers le liquide d'une part du transducteur Pî vers le transducteur P2 et d'autre part du transducteur P2 vers le transducteur P1. Le signal de sortie du compteur 4 est envoyé à une mémoire 5 pour g titre stocké. Le signal de sortie de la mémoire 5 est envoyé par un convertisseur numéri que-analogique 6 à un dispositif d'affichage 7 qui indique alors le débit. Le signal de sortie de la mémoire 5 est également envoyé à travers un circuit d' acalnmaation 8 vers un intégrateur 9 qui indique l'intégrale du débit. Â la figure 2, la référence 10 se rapporte à un compteur de temps qui est commandé par la sortie du générateur d'impulsions d'horloge 2 et qui règle les variations d'opérations d'addition et de soustraction du compteur additionnerr-soustracteur 4 et qui commande également le trans- fert de la sortie de la mémoire 5 . Le débitmètre d'ultra-sons mettant T en oeuvre le procédé décrit ci-dessus présente 1 'avanta- ge d'une construction simple par rapport au procédé de différence de fréquence décrit ultérieurement. Toutefois ce débitmètre présente l'inconvénient que la valeur mesurée peut être affectée par la vitesse du son dans le fluide à mesurer, comme l'indique la théorie. On décrira ci-après la théorie du procédé de différence de fréquence. Ce procédé utilise géé- raclement un procédé dit de circulation. Â la figure 1 Si une impul sion ultra-sonore est créée par le transducteur d'ultra- sons P1, cette impulsion est reçue par le transducteur d'ultra-sons P2 après un intervalle de temps déterminé. Puis, le signal reçu est transformé en une impulsion électrique correspondante qui est amplifiée, puis est appliquée du détecteur P1 émettant une impulsion ultra-sonore. Ainsi, l'impulsion ultra-sonore et 1 'im- pulsion électrique font une boucle partant du transducteur P1 et y revenant à travers le fluide F, le transducteur P2 et son circuit électrique (non représenté à la figure 1). Dans ce cas, l'intervalle de temps nécessaire aux impulsions pour décrire le chemin est essentieIlement déterminé par le temps pendant lequel l'onde ultra-sonore traverse le fluide.Ainsi, la fréquence de répétition f1 est donnée par l'équation (3) ci-après t De la même manière, on obtient la fréquence de répétition 2 dans le cas où l'Impulsion ultras sonore et l'impulsion électrique décrivent un chemin partant du transducteur P2 et y revenant en passant par le fluide F, le transducteur P1 et son circuit électrique non représenté.Cette fréquence f2 est donnée par la formule ci-après : Ainsi la différence fl f entre les fréquences f1 et f2 est donnée par la formule suivante t Ainsi, il ressort de l'équation (5) que la vitesse d'écoulement u du fluide P s'obtient par la mesure de la différence A f résultant de l'équation (5). Comme l'équation (5) ne comporte aucun facteur relatif b la vitesse c du son dans le fluide iF, ce procédé de détermination ne dépend pas de la variation de la vitesse du son dans le fluide P, ce qui signifie que l'on n'a aucune erreur de mesure mssme si cette vitesse du son c dans le fluide F varie. Ce procédé est utilisé pour cette raison de fa çon prépondérante dans la technique. On décrira ci-après en relation avec la figure 3, un débitmètre d'ultra-sons mettant en oeuvre le procédé de différence de fréquence. Dans la description de la figure 3, on a utilisé les mOrnes références qu'à la figure 2 pour désigner les éléments correspondants. Dans l'exemple de la figure 3, l'impulsion d'ultra-sons et l'impulsion électrique circulent entre les transducteurs d'ultra-sons P1 et P2 dans l'émetteur f et les impulsions éleotriques sont envoyées par période ou plus pendant un intervalle de temps prédéterminé, de l'émetteur 1 vers le multiplicateur de fréquence 12. Les impulsions électriques multipliées en fréquence sont envoyées au compteur additionneursoustracteur 4 qui fournit un signal de sortie correspondant à la différence entre le nombre d'impulsions multipliées dans une période de temps prédéterminée allant du transducteur P1 vers le transducteur P2 et inversement. Le signal de sortie du compteur additionneur-soustracteur 4 est envoyé à la mémoire 5 pour y être stocké.Le signal de sortie de la mémoire 5 est envoyé par un convertisseur numérique-analogique 6 à un dispositif d'affichage 7 ainsi qu'à un circuit d'acawrniiation 8 allant vers l'intégra teur 9 qui affiche la valeur intégrée de l'intensité. Dans cet exemple, l'organe de temps 10 commande l'émetteur 1, le compteur additionneur-soustracteur 4 et la mémoire 5. Le dispositif connu, représenté à la figure 3 présente l'inconvénient de ne pas dépendre de la vitesse du son dans le fluide, vitesse qui peut varier en fonction des variations de température de la composition etc, du fluide traversé par le son. Toutefois, ce dispositif présente l'inconvénient que la structure du circuit est compliquée par rapport au dispositif mettant en oeuvre le procédé par différence de temps et c'est pourquoi ce second dispositif est onéreux. 3n outre, comme le dispositif de la figure 3 doit multiplier un grand nombre de fois les si- graux (par exempLe de 300 à 2000 fois) pour arriver à une résolution prédéterminée, le dispositif et notamment son circuit deviez, nent instables. Ainsi, il faut des moyens techniques très élevés pour fixer le facteur d'échelle du circuit. Les réglages d'ins lallation et de changement de facteur d'échelle sont longs ; Ces travaux nécessitent des spécialistes et le temps de mesure est long (par exemple 1 à plusieurs secondes) et la réponse est mauvaise. Un débitmètre à ultra-sons selon l'invention comporte au moins deux transducteurs, un émetteur pour envoyer une impulsion à l'un des transducteurs et fournir une impulsion ultra-sonore, l'autre tranaducteur recevant l'impulsion ultra-sonore, puis fournissant un signal électrique correspondant, un générateur de signal de référence, un compteur pour compter les impulsions du générateur de signal de réf érence, dans le temps et un circuit de fonctionnement logique qui reçoit le signal de sortie du compteur et calcule la différence entre un premier temps nécessaire à l'impulsion ultra-sonore de passer de l'un des transducteurs à l'autre et an second temps nécessaire à ltimpulsion ultra-sonore de parcourir le chemin inverse entre les deux transducteurs, la différence entre les deux temps de parcours étant multipliée par une constante. Ainsi, l'invention crée un débitmètre ultra-sonozo ne présentant pas les inconvénients de débitmètres connus, ne dépendant pas des caractéristiques ac9- tiques du fluide à mesurer et permettant de faire une mestre en un temps court avec un circuit de structure simple. La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide de divers modes de réalisation représentés schématiquement dans les dessins annexés, dans les- quels : - la figure 1 est un schéma servant à l'explication de la théorie des mesures de débit à 1 'aide d 'ultra-sons. - les figures 2 et 3 sont des schémas-blocs de deux débitmètres connus. - la figure 4 est un schémabloc d'un exemple de débitmètre ultra-sonore selon l'invention. - les figures 5A + sont des courbes chronologiques expliquant le fonctionnement du débitmè- tre ultra-sonore de la figure 4. On décrira ci-après un exemple de débitmètre selon l'invention se reportant aux figures 4 et 5 dans lesquelles on a repris les mêmes références qu'aux figures 1 à 3 pour désigner des éléments analogues. L'émetteur 1 crée un fonctionnement cyclique et est relié à deux transducteurs P1 et P2 transmettant des impulsions ultra-sonores et les recevant. L'émetteur comprend un circuit de duplexage ou de transfert 15, un amplificateur 16 amplifiant le signal reçu, un multivibrateur astable 17 et un générateur d'impulsions 18 créant une impulsion à transmettre. Le circuit de transfert 15 comme imite l'entrée de l'amplificateur 16 et la sortie du générateur d'impulsions 18 suivant des intervalles de temps prédéterminés, dans le sens direct (sens pour lequel l'impulsion ultra-sonore passe du transducteur P1 vers le transducteur P2) ou dans le sens inverse (sens pour lequel l'impulsion ultra-sonore passe du transducteur P2 vers le transducteur P1) comme représenté à la figure SA. Le multivibrateur astable 17 est réalisé de façon que sa fréquence d'oscillation propre soit légèrement plus grande que la période nécessaire à l'impulsion ultra-sonore pour tra- Terser le fluide entre les transducteurs P1 et P2. Le signal de scrtie ou impulsion érembrique fourni par l'amplificateur 15 est envoyé à un multivibrateur astable 17 qui commande la zyn^Sh oni- sation. Le signal de sortie du multivibrateur astable 17 est envoyé à un générateur d'impulsions 18 qui fournit alors une impulsion électrique à un instant correspondant au flanc de mon- tée du signal d'impulsion fourni par le multivibrateur astable 17.Le signal de sortie oscillant fourni par le multivibrateur astable 17 de l'émetteur I est à une fréquence égale à ter- valle de temps de propagation de l'impulsion ultra-sonore dans le fluide entre les transducteurs P1 et P2 suivant le sens direct et le sens inverse et ce signal est envoyé à un diviseur de fréquence 19 pour titre divisé suivant un rapport donné. Â la figure 4, la référence 20 se rapporte à une porte qui reçoit l'impulsion d'horloge de l'horloge 2 et le signal de sortie du diviseur de fréquence 19 constituant le signal de porte. L'impulsion d'horloge de 1 'horlo- ge 2 passe dans la porte 20 et va au compteur 21. Le nombre d'impulsions d'horloge passant par la porte 20 en un intervalle de temps prédéterminé correspond à l'intervalle de temps de pro- pagation de l'impulsion ultra-sonore dans le fluide entre les transducteurs P1 et P2, dans le sens direct et dans le sens inverse. Cela signifie que le compteur 20 compte un nombre corres- pondant d'impulsions d'horloge.La figure 53 représente les intervalles de temps de propagation t1 et t2 de l'onde ultra-so- nore, tels que ces intervalles sont déterminés par le compteur 21, respectivement dans le sens direct et dans le sens inverse. La sortie du compteur 21 est envoyée par une porte 22 à un registre d'entrée 23. Un circuit de commande séquentiel 24 commandé par l'impulsion d'horloge de l'horloge 2, commande le circuit de transfert 15, la porte 20, le compteur 21, la porte 22 et le circuit d'opération logique 25 décrit ultérieurement. La figure 5C: représente une impulsion de porte de transfert qui est transmise par le circuit de commande séquentiel 24 à la porte de transfert 22. La figure 5D représente le contenu mis en mémoire dans le registre d'entrée 23. Le circuit d'opération logique 25 reçoit le signal de sortie du registre d'entrée 29 et calcule le débit à mesurer en multipliant la différence entre les interw valles de temps réciproques t1 et t2 par une constante prédéterminée ou facteur d'échelle k ou ( 1 - 1 ) = k(f1 - f2) relation t1 t2 dans laquelle f1 et f2 sont les fréquences de répétition à savoir i I f1 = t1 et f2 = t2 . Le calcul de k/t2 (K=f2) ou k/t1(=kf1) de la figure 5E est effectué par le circuit d'opérations logiques 25 et le résultat calculé est envoyé à une mémoire 26 pour y titre stocké comme représenté à la figure 5F. Puis, on ef- fectue le calcul de l'expression k(f1 - f2) à l'aide du circuit d'opération logique 25 représenté à la figure SG s Le résultat du calcul est envoyé à un registre de sortie 27 dans lequel on le met en mémoire. Le registre 28 envoie un facteur d'échelle k au circuit d'opération logique 25. La donnée corres- pondant au diamètre de la conduite P traversée par le fluide F dont on veut mesurer le débit, 11 épaisseur de la conduite P, le matériau et la structure de cette conduite P, la plage de mesures, etc sont envoyés au préalable au registre d'entrée 28 qui détermine alors le facteur d'échelle nécessaire ou un facteur d'échelle voulu qui a été calculé en réponse aux données ci-dessus envoyées au registre d'entrée 28.Comme source de données, on peut utiliser un dispositif analogue à la mémoire 26 ou d'autres circuits-mémoires. Â titre d'exemple, on peut avoir comme registre d'entrée 28, un circuit d'inscription à noyau magnétique, un circuit d'inscription à mémoire à semi-conducteurs, un clavier, une matrice à fiches etc. Le signal de sortie du registre 27 est envoyé par le convertisseur numérique-analogique 6 au dispositif d'affichage 7 pour y titre affiché sous la forme de débit (équivalent à une quantité instantanée). Le signal de sortie du circuit d'opération logique 25 est envoyé à un circuit integrateur 29 et à un intégrateur 9 qui affiche la valeur intégrée du débit. Cependant, il est possible que la sortie du registre 27 soit envoyée directement à un dispositif d'affichage numérique pur être affichée sous cette forme. Il est clair qu'il peut exister diverses variantes à l'exemple décrit ci-dessus et que le nombre de transducteurs ultrasontres 'est pas limité à deux, mais que l'on peut prévoir plusieurs groupes d'émetteurs et de récepteurs ultra-sonores pour effectuer des mesures sur plusieurs conduites. Il est possible de commander simultanément ou successivement un ensemble d'émetteurs-récepteurs en boucle fermée pour effectuer la mesure. En outre, il est possible de calculer les signaux de plusieurs émetteurs a' à l'aide d'un circuit d'opération logique pour effectuer la mesure. Grecs à l'invention décrite I dessus, le débitmètre ultra-sonore n'est pas influencé par les caractéristiques acoustiques du fluide à mesurer, et il assure la mesure en un temps court avec un dispositif de structure simple. On règle facilement le facteur d'échelle et on peut également changer facilement l'échelle. Le débitmètre selon l'inventioa peut se transporter facilement étant donné sa structure. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cap dre de l'invention. REVENDICATIONS 1 ) Débitmètre à ultra-sons caractérisé en ce qusil comporte au moins une paire de transdu:- teurs, un émetteur envoyant une impulsion a' à l'-un des transdac- teurs pour créer une impulsion ultra-sonXres I 'autre transducteur recevant cette impulsion et créant un signal électrique correspondant, un générateur de signal d'impulsions de référence, un compteur comptant les impulsions du générateur de signaux de référence en fonction du signal électrique correspondant de l'émetteur, un circuit d'opération logique recevant le signal de sortie du compteur et multipliant par une constante la différence entre le temps nécessaire au parcours de l'impUlsion ultra-sonore entre les deux transducteurs dans le sens direct et le temps de parcours de l'impulsion ultra sonore dans le sens inverse. 20) Débitmètre i ultra-sons selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux paires de transducteurs. 30) I?ébitmètre selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un émetteur pour chaque groupe de deux transducteurs et un circuit de transfert pour les émetteurs. 40) Débitmètre à ultra-sons selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de transfert pour chaque groupe de deux transducteurs ainsi qu'un émetteur pour les circuits de transfert.