Brevet FR2167442A1 — publié le 19730824

La présente invention, concerne la mesure du débit de fluides à l'aide des ultra-sons et, plus particulièrement, la mesure du débit volumétrique Si l'on fait passer un faisceau de radiations ultrasoniques à travers un courant de fluide, ledit faisceau est dévié par le courant vers l'aval et lton peut démontrer que la grandeur de cette inflexion est proportionnelle au débit vdumétrique par unité de profondeur transversalement au parcours du faisceau, la constante de proportionnalité étant la vitesse du son dans le fluide en question. Ce résultat est encore vrai lorsque le profil de la vitesse du fluide varie le long de la trajectoire du faisceau, car il y a dans la production de l'inflexion une action d'intégration effective.En outre, ce résultat n'est pas influencé de façon notable par des variations dans le débit, et par conséquent, il peut être utilisé pour la mesure continue de courants fluctuants. De toute façon, l'invention fournit un procédé de mesure du débit wolumXtrique d'un fluide circulant dans une conduite, procédé qui consiste à envoyer, d1un côté de la conduite, un faisceau de radiations ultrasoniques à travers le fluide, transversalement à la conduite, à détecter le faisceau sur 1' autre c8té de la conduite et à prévoir une mesure de l'inflexion vers l'aval du faisceau traversant le fluide. Le faisceau est de préférence étroit et sa fréquence est nor malement comprise entre 0,1 et 1,0 MHz, ce qui donne un faisceau étroit dans lequel le front de l'onde est plan. On peut prévoir que de telles fréquences fourniront une résolution qui peut Qtre de l'ordre de 1 mm dans la mesure de l'inflexion du faisceau et une portée de transmission pouvant atteindre 0,5 m et davantage. Ces chiffres sont donnés en relation avec des gaz dont la vitesse d'écoulement est comprise entre 5 et 100 m/s, pour lesquels l'invention est considérée comme particulièrement utile. Un avantage du procédé selon l'invention est qu'il n' entraîne pas de perturbation de l'écoulement lorsque l'appareil de mesure est convenablement placé. Normalement, cet appareil comprend un transducteur électroacoustique agissant comme émetteur de faisceau et une rangée de transducteurs similaires, agissant comme des récepteurs alignés dans le sens de l'écoulement, c'est à dire l'axe longitudinal de la conduitet Ces trans )dseteurg sont placés, de préférence, dans la paroi de la conduite, affleurant à la face interne de celle-ci, l'émetteur se trouvant en face du récepteur d'une des extrémités de la rangée, dont le reste s'étend vers l'aval.Comme variante, ces transducteurs peuvent être placés sur la face interne de la conduite mais ils doivent alors être enfermés dans un bottier ayant un profil étudié pour offrir le nains de résistance possible à l'écoulement du fluide. Dans certaines circonstances, il peut être désirable de placer quelques récepteurs en amont de celui qui se trouve en face de l'émetteur pour tenir compte d'un reflux possible du fluide. De toute façon, les transducteurs récepteurs doivent être disposés de façon à produire des signaux de sortie respectifs indiquant la grandeur d'inflexion du faisceau qu'ils représentent, relativement à une trajectoire "diamétrale" reliant l'émetteur au récepteur qui lui fait face. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé, représantant, à titre d'exemples non limitatifs, deux formes d'exécution d'un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé Figure 1 est un schéma de l'appareil selon l'invention, monté sur une conduite représentée en coupe longitudinale Figure 2 est un schéma d'une forme multiple de l'appareil de figure 1, la conduite étant représentée en coupe transversale. L'appareil représenté à la figure 1 sert à indiquer le débit vdnmétrique d'un fluide 1 circulant dans une conduite 2 qui, pour simplifier la description, a une section circulaire. Sur un coté de la conduite est placé un transducteur électroacoustique 3 qui envoie un faisceau d'ultra-sons 4 diamétralement à travers la conduite. Le transducteur 3 est d'un type connu comportant l'emploi d'un cristal piézo-électrique pour produire des radiations ultrasoniques sous l'effet d'une excitation électrique. D'autres transducteurs électroacoustiques 5a, .... sont disposés en unCtangée sur la paroi de la conduite, de l'autre côté de cette dernière par rapport au transducteur 3, le transducteur 5aétant -diamétralement opposé au transducteur 3 et les autres transducteurs-5b,*..5n s'étendant dans la direction de le longitudinal de la conduite, en aval du tranaducteur a . Ces derniers transducteurs sont aussi d'un type connu comportant l'emploi d'un cristal piézo-électrique, mais ils sont agencés de façon à agir comme des récepteurs dont la sortie émet des signaux électriques sous l'effet des radiations ultrasoniques du faisceau précité. l'es signaux 6Xis par la sortie des transducteurs récepteur 5a, 5b...5n sont dirigés sur des amplificateurs respectifs 6a 6b,..in ainsi, que sur l'entrée commune d'un circuit de Commande altoutique de gain 2 dont le signal de sortie commande chacun des amplificateurs.Les signaux sortant des ampbficateurs sont di rivés sur us totalisateur 8 et, à l'exception de l'amplificateur 6a ces signaux sont dirigés sur 1' ampbficateur précédent respectif pour que ce dernier produise un signal de sortie masisallors- que/la sortie de l'amplificateur qui lui fait suite émet un signal. Cette forme de avise en oeuvre du procédé selon l'invention fonctionne de la manière suivante. Le transducteur émetteur 3 envoie un faisceau d'ultra-sons 4 à travers la conduite 2 et le fluide 1 qu'elle contient, en direction du transducteur récepteur fia. Si le fluide circule dans la conduite, il provoque une inflexion du faisceau 4 dont la grandeur est proportionnalîe au débit volumétrique du fluide traversé par ladite trajectoire. l'es transducteurs récepteurs sont disposés en rangée de talle façon que le faisceau balaie effectivement ladite rangée pour venir frapper celui des transducteurs qui est séparé du transducteur Sa par une distance proportionnelle au débit volumétrique du fluide. Dans la pratique, naturellement, le faisceau n'est pas infinitésimalement étroit et, lorsqu'il est infléchi, il se peut qu'il frappe, en partie l'un et en partie l'autre de deux récepteurs adjacents. Pour tenir compte de cette éventualité, les amplificateurs correspondant à ces récepteurs sont intercon bectés. Ainsi celui des transducteurs récepteurs frappés par le faisceau qui se trouve le plus loin du transducteur 5a produit un signal de sortie qui est proportionnel à la fraction de faisceau qui le frappe et ce signal de sortie est dirigé, après avoir été amplifié, sur l'amplificateur immédiatement en amont, pour l'empêcher de fonctionner normalement et obtenir un signal de sortie maximum. Cet amplificateur, a son tour, a son signal de sortie qui est dirigé sur l'amplificateur qui le précède imiédiatement pour que ce dernier produise un signal de sortie maximum et ainsi de suite, jusqu'à l'amplifica teur 6a.Tous les signaux de sortie des ampliflhateursF sont aussi envoyés au totalisateur 8 et l'on obtient ainsi un signal égal à la somme de-tous les signaux de sortie et représentant la distance totale d'inflexion du -faisceau 4. Lorsqu'il est affecté d'une constante de proportionnalité tenait compte de la section de la conduite et d'une autre constante représenknt la vitesse du son dans le fluide en question, ce signal donne une mesure directe du débit volumétrique dans la conduite. Dans la pratique, chaque amplificateur est agencé de façon que chaque signal de sortie qu'il reçoit de l'amplificateur situé immédiatement enE8al doit être supérieur à un niveau prédéterminé pour obtenir un signal de sortie maximum. Le niveau prédéterminé equestion peut être relativement, bas tout en tenant compte de toute erreur notable qui, pourrait résulter d'un niveau très bas du signal de sortie de 1' amplificateur, à cause des bruits ultrasoniques dans la conduite. Une précaution supplémentaire contre l'erreur est assurée par le circuit de commande de gain 7. Ainsi, lise peut que le faisceau 4 soit atténué de façon variable et donne lieu à une erreur dans le signal de sortie de l'amplificateur associé an transducteur récepteur que vient frapper le faisceau. Etant donné qutil ne se produira aucune erreur si le total des signaux de sortie additionnés des transducteurs récepteurs ne varie pas, le total réel de ces signaux de sortie est envoyé à un circuit de commande de gain 7 et ce circuit agit sur les amplificateurs de façon à compenser toute variation, qui en fait, se produit. Comme on peut le voir, la rangée des transducteurs récepteurs doit être placée de façon à éviter tout intenalle effectif entre des transducteurs successifs et, à cet effet, il peut être utile de placer un récepteur sur deux en retrait par rapport à la conduite, en employant un couplage ultrasonique approprié entre chaque récepteur en retrait et la conduite. il peut aussi être désirable d'employer une pluralité de dispositifs tels que celui qui vient d'être décrit en référence à la figure 1, ceci afin d'étudier ssus complètement les conditions d'écoulement du fluide dans la conduite. En particulier, il peut Stre avantageux d'aligner les émetteurs de façon qu'ils envoient des faisceaux parallèles à travers une section commune de conduite, les dits faisceaux étant uniformé- ment espacés l'un de l'autre dans le ails transversal, de sorte que les signaux de sortie respectifs peuvent être additionnés pour représenter le volume total de fluide qui s'écoule dans la conduite, à la section en question. Cet agencement est représenté en coupe transversale à la figure 2, qui montre la conduite 2, avec l'émetteur 3 et le récepteur 5a diamétralement opposé, les autres récepteurs de la rangée 5b,....5n étant représentés par le récepteur 5â. D' autres combinaisons analogues d'un émetteur et de récepteurs sont disposées parallèlement à la première et sont indiquées par les références 31, 29i, 32, 52a, 33, 53a, 34, 54a. Leurs faisceaux respectifs, 41, 42, 43 et 44 sont dirigés et infléchis dans des plans parallèles à celui du faisceau diamétral 4.Si les plans successifs qui contiennent ces faisceaux sont équidistants, toutes les rangées des amplificateurs associés peuvent alors fonctionner de façon identique et leurs signaux de sortie peuvent être envoyés à un totalisateur commun 80 pour donner un signal représentant le débit volumétrique général du fluide dans la conduite. Toutefois, on peut considérer comme désirable une disposition des transducteurs telle que les plans contenait les faisceaux sont plus rapprochés dans les parties de la conduite où le profil de la section change le plus rapidement. Dans ce cas, les signaux envoyés au totalisateur doivent être dosés en fonction des invervalles séparant les plans qui contiennent les faisceaux associés, et ceci peut être effectué de façon pratique par un réglage approprié deains des différentes rangées d'amplificateurs. Bien que l'obJet initial de la présente invention fut de mesurer des débits fluctuants de fluides gazeux, il va de soi qu'elle permet aussi Q mesurer des débits constants. Dans ce dernier cas, il suffit d'un seul transducteur récepteur pour capter le faisceau, ledit transducteur étant déplacé parallèle ment à l'axe longitudinal de la conduite, dans un élément de guidage approprié. Un agencement similaire pourrait être utilisé pour la mesure de débits qui ne varient que lentement ; dans ce cas, le transducteur récepteur pourrait capter le faisceau en se déplaçant ç grâce à un mécanisme asservi. REVENDICATIONS 1. - Procédé de mesure du débit volumétrique d'un fluide qui s'écoule dans ne conduite, caractérisé en ce qu'il consiste à envoyer un faisceau de radiations ultrasoniques à travers le fluide, transversalement à l'axe de la conduite, d'un c8té de celle-ci, puis à détecter le faisceau sur l'autre côté de la conduite et à prévoir une mesure de l'inflexion vers l'aval du faisceau traversant le fluide. 2. - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un transducteur électroacoustique agissant comme émetteur et placé près de la paroi de la conduite de façon à envoyer un faisceau de radiations ultrasoniques à travers cette dernière et un ensemble de transducteurs électroacoustiques agissant comme récepteurs, placés près de la paroi de la conduite, de l'autre côté de celle-ci par rapport au transducteur émetteur, pour détecter ledit faisceau et fournir une mesure de son inflexion vers l'aval en traversant ledit fluide. 3o - Dispositif de mesure selon la revendication 2, caractérisé en ce que les transducteurs récepteurs sont disposés en une rangée orientée suivant l'axe longitudinal de la conduite, le récepteur placé à l'une des extrémités de la rangée étant placé en face du transducteur émetteur tandis que les autres récepteurs de la rangée sont placés en aval, et en ce qu'il comporte des moyens de calcul réagissant aux transducteurs récepteurs pour fournir une mesure de l'inflexion vers l'aval du faisceau détecté par les dits transducteurs técepteurs. 4. - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de calcul comprennent une pluralité d'amplificateurs réagissant individuellement aux transducteurs récepteurs respectifs, en ce que chaque amplificateur, à l'exception de celui correspondant à l'autre extrémité ou extrémité aval de la rangée de récepteurs, est actionnable à un niveau élevé prédéterminé en réponse au fonctionnement au-dessus d'un niveau bas prédéterminé de l'amplisscateur immédiatement en aval, et en ce qutil comporte des moyens de totalisation réagissant à tous les amplificateurs pour fournir un signal électrique représentant la grandeur de l'inflexion du faisceau vers l'aval. 5. - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qut il comporte des moyens de commande automatique du gain, actionnables pour commander chacun des amplificateurs en réponse à la somme des signaux de sortie des transducteurs récepteurs. 6. - Dispositif de mesure du débit volumétrique d'un fluide circulant dans une conduite, caractérisé en ce qu'il est formé de plusieurs dispositifs selon l'une quelconque des revendications 3, 4 et 5, placés dans des plans parallèles traversant la section de la conduite. 7. - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les gains des amplificateurs respectifs des dispositifs sont réglables en fonction des intervalles entre les rangées successives de transducte1rm récepteurs.