Brevet FR2241080A1 — publié le 19750314

La présente invention a pour objet un procédé et des dispositifs de mesure de position d'une surface, notamment de la surface libre d'un fluide, par l'utilisation d'ondes acoustiques. te mot fluide englobe les liquides, les poudres, les grains, et de façon générale tous les produits qui, placés dans un récipient, présentent une surface libre sensiblement horizontale. On connait de nombreuses méthodes pour mesurer la position d'une surface ou le niveaid'un fluide. Celles qui utilisent des ultrasons et qui, de ce fait, se rapprochent le plus de l'objet de la présente invention, consistent à émettre un train d'ultrasons vers la surface et à mesurer le temps mis par ce train pour effectuer un aller et retour. Cette méthode d'écho est peu précise lorsque les distances sont faibles et le dispositif correspondant est généralement très cotteux La présente invention remédie à ces inconvénients et conduit à un dispositif très simple et de mise en oeuvre aisée. Dans son application à la mesure de niveau, le principe du dispositif de l'invention consiste à plonger dans le fluide dont on veut mesurer le niveau une enceinte. Les niveaux de fluide à l'intérieur et à llexterieur s'équilibrent (une ouverture de décompression est éventuellement aménacrée), Un dispositif adéquat d'excitation acoustique permanente est disposé à une extrémité non immergée de l'enceinte La surface du fluide agit comme un court-circuit pour l'onde acoustique L'étude de l'état de l'onde acoustique dans l'enceinte court-circuitée permet la mesure du n-iveau du fluide. Ce principe se transpose évidemment à toute surface matérielle fermant l'enceinte, un piston lié à un-objet dont on veut mesurer la position par exemple. De manière plus précise, la présente invention a pour objet un procédé de mesure de position d'une surface, caractérisé en ce qu'on crée dans une enceinte fermée par cette surface un système d'ondes acoustiques établi et en ce qu'on'mesure l'état de ce système d'ondes acoustiques. De préférence,ladite surface est constituée par la surface libre d'un fluide dont on veut mesurer le niveau. L'invention a également pour objet un dispositif de mesure de position d'une surface, caractérisé en ce qu'il comprend: - une enceinte dont une extrémité est fermée par ladite surface, - un émetteur continu d'onde acoustique à l'autre extrémité de ladite enceinte, - un récepteur d'onde acoustique disposé dans ladite enceinte, - des moyens permettant de minimiser la transmission directe des ultrasons de l'émetteur vers le récepteur, - des moyens électroniques d'alimentation dudit émetteur et d'analyse des signaux électriques délivrés par ledit récepteur, - des moyens de lecture d'une grandeur représentative de ladite position, couplés éventuellement auxdits moyens électroniques par un transducteur. Ladite enceinte affecte de préférence la forme d'un tuyau cylindrique. Dans une première variante, l'émetteur et le récepteur disposés de préférence à l'une des extrémités du tuyau, sont reliés l'un à l'autre par l'intermédiaire d'un amplificateur. Le tuyau se comporte comme une cavité résonnante insérée dans un-montage oscillateur. La fréquence d'oscillation du circuit global est alors représentative de la longueur de la cavité acoustique donc de la position de la surface. De manière plus précise, on montrera dans la description qui suit quelea période d'oscillation peut être une fonction linéaire de cette position. Le transducteur utilisé peut être constitué, dans cette variante, par un convertisseur fréquence tension ou periode-tension. Dans une deuxième variante de réalisation, l'émetteur acoustique est excité par un générateur de signaux sinusoidaux à fréquence fixe et l'on mesure le déphasage entre l'onde acoustique émise et l'onde détectée par le récepteur; ce déphasage est proportionnel au trajet entre l'émetteur et le récepteur via la surface, ce qui permet encore de mesurer sa position Dans une troisième variante, émetteur et récepteur peuvent être à des niveaux différents, et le récepteur est constitué par un détecteur quadratique dont la tension qu'il délivre reflete la position du système d'ondes stationnaires acoustiques établi dans le tuyau, position qui dépend encore de la position de la surface. Dans une quatrième variante, 1 'émetteur est alimenté par un signal à spectre continu, au moins dans un intervalle de fréquences, un bruit blanc par exemple. Le tuyau se comporte alors comme une cavité résonnante pour une seule de ces fréquences, c'est-àdire comme un filtre. La fréquence recueillie par le récepteur est représentative de la position de la surface; le reste du dispositif est le meme que celui de la première variante. -Dans une variante semblable, le généree.ur est modulé en fréquence et l'enceinte joue encore le rôle de filtre chaque fois que la fréquence modulée passe par la valeur de résonance. Dans toutes ces variantes, la correspondance entre la grandeur électrique lue à la sortie du dispositif et la position de la surface dans le tuyau fait intervenir la vitesse du son à l'intérieur du tuyau. Cette vitesse dépendant de la température, et il est préférable, pour améliorer la précision de l'appareil, de prévoir des compensations en temperature, qui peuvent agir soit sur les convertisseurs dans la première variante, soit sur la fréquence du générateur de signaux sinusoïdaux dans les deuxième et troisième variantes De toute manière, les caractéristiques et avantages du dispositif de l'invention apparaîtront mleux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicacatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels:: - la figure 1 est un schéma général du dispositif de 1 'invention; - la figure 2 illustre un mode particulier de réalisation dans lequel émetteur et récepteur sont couplés au moyen d'un amplificateur pour réaliser un oscillateur; la figure 3 représente un amplificateur sélectif utilisable dans le montage de la figure 2; - la figure 4 illustre un mode particulier de réalisation dans lequel on mesure le déphasage entre 1 'onde émise et l'cade reçue pour en déduire le traJet parcouru par blonde acoustique et par conséquent le niveau du liquide; ; - la figure 5 définit les notations employées dans le calcul des longueurs à donner aux différentes parties du dispositif selon la variante de la figure 4 pour avoir un déphasage compris entre it /2 et 3 #/2; - la figure 6 est un exemple de réalisation du montage de la figure 4; - la figure 7 illustre une troisième variante dans laquelle on établit un système d'ondes stationnaires dont on mesure la position; - la figure 8 illustre un exemple de boîtier d'excitation-réception. La figure 1 représente le schéma général du dispositif de mesure de niveau de l'invention. Ce dispositif comprend: un tuyau 2 muni d'une ouverture de décompression 4, dont une extremité plonge dans le liquide 6 dont on veut mesurer le niveau ; à l'autre extrémité du tuyau 2 se trouvent un émetteur sonore 8 et un récepteur sonore 10; émetteur et récepteur sont séparés par une paroi d'isolation 12, qui évite la transmission directe des ondes sonores de l'émetteur vers le récepteur ; des moyens électroniques 14 comprennent schématiquement des moyens 16 d'alimentation de l'émetteur 8 et des moyens 18 d'analyse des sianaux délivrés par ie récepteur 10; un interface 20 tou transducteur) relie les movens 14 3 des moyens de lecture 22 d'une grandeur représentative du niveau du fluide 6. Comme on le verra par la suite, le tuyau 2 n'est pas nécessairement un cylindre vertical mais peut présenter une forme quelconque, notamment coudée selon le schéma en tirets de la partie gauche de la figure. Dans un premier mode de réalisation illustré par la figure 2, l'émetteur 8 et le récepteur 10 sont dans un meme plan horizontal et les moyens électroniques comprennent essentiellement un amplificateur 30 dont l'entrée est reliée au récepteur 10 et la sortie à l'émetteur 8. Les sons émis par la source 8 sont réfléchis par la surface 32 du liquide et détectés par le récepteur 10. On peut considérer que la partie du tuyau comtrlse entre le plan émetteur-récepteur et le niveau 32 constitue ure cavité acoustique résonnante dont ia fréquence de résonance est donnée par f = v/^, où v est la vitesse du son dans le milieu ambiant situé au-dessus du niveau 32 et @ la longueur d'onde associée. S1 L désigne ia longueur apparente du conduit se décomposant en L' = longueur du tuyau réel proprement dit et L" = longueur acoustique du dispositif d'excitation) pour le premier harmonique, on a L = ,4, d'où la relation f= n7/4 tL'L".. Pour L" fixe connu, on trouve la longueur L', donc la position du niveau 32, par la formule L' = (v/4f)-L" Le transducteur 20 peut être1 dans une première variante1 un convertisseur fréquence-tension, qui permet d'afficher sur llappareil 22 un signal électrique proportionnel à la fréquence et inversement proportionnel à la lorgueur L'. Dans une autre variante1 le convertisseur 20 peut être un convertisseur période-tension, ce qui conduit à une relation linéaire entre la grandeur de sortie et la longueur L', car on a L' = (vT/4) - L". Dans la pratique, l'émetteur et le récepteur peuvent entre constitués r dans cette variante de réalisation, par un microphone et un bas-parleur. Les oscillations s'etablissent à la fréquence pour laquelle le signal émis et le signal reçu sont en phase, et on peut favoriser l'oscillation sur le fondamental en utilisant un amplificateur muni d'un filtre pour l'élimination des oscillations harmoniques. Un tel amplificateur sélectif, qui est en soi connu, est représenté sur la figure 3. Comme les formules précédentes l'indiquent, la cor respondanceentre la grandeur affichée sur l'appareil 22 et la hauteur L', dépend de la vitesse du son v dans le fluide situé au-dessus du niveau 32; ce fluide est constitué généralement par de 1 'air. La vitesse v dépend de la température dudit fluide, qui est pratiquement la température ambiante.- Il est donc préférable de prévoir, par exemple au niveau du convertisseur 20, un dispositif 34 de compensation de la température. Selon un autre mode particulier de réalisation du dispositif de l'invention, on mesure le déphasage entre l'onde acoustique émise par l'émetteur et l'onde détectée par le récepteur. Dans cette variante1 la fréquence de travail est imposée et on évite ainsi le problème de l'élimination des fréquences harmoniques.Sur la figure 4, qui illustre cette variante, le dispositif représenté comprend: un générateur de signaux sinusoidaux 40, éventuellement compensé en température par un dispositif 42; une partie du signal engendré par le générateur 40 sert à alimenter l'émetteur acoustique 44, dont les ondes qu'il émet, après s'être réfléchies sur la surface 46, sont detectées par le récepteur 48; l'autre partie du signal délivré par le générateur 40 est envoyée sur un comparateur de phase 50, qui reçoit égaiement le signal délivré par ie récepteur 48 et amplifié par l'amplificateur 52. Le comparateur de phase 50 délivre un signal qui est fonction du déphasage # entre le signal émis et le signal reçu.L'interface 54 convertit cette grandeur en une autre grandeur directement mesurable, par exemple en un courant. Avec les notations de la figure. 5, il est clair que la longueur L du trajet parcouru par l'onde acoustique entre l'émetteur et le récepteur est L = 2 (L' + H - 1). Le déphasage # est relié a la longueur L et à la longueur d'onde A par la relation classique # = 2# L/A soit, en fonction de la fréquence f w = 4of(L'+H - 1)/vo (1+ #T)1/2 ot T représente la température en degrés Celsius et a = 1/273 pour l'air. La relation entre le déphasage g et le niveau 1 par rapport à l'extrémité immergée du tuyau est donc une relation linéaire. Le déphasage réellement mesuré par le comparateur de phase 50 peut éventuellement différer d'une constante 'fo qui dépend des transducteurs utilisés. On peut régler les dimensions respectives de l'appareil pour que le déphasage'? varie entre les valeurs /2 et 3X/2 lorsque le niveau varle entre ses posltions extrêmes correspondant à 1 = O et 1 = 1M On trouve alors facilement que la longueur L' + H, qui représente la hauteur acoustique équivalente totale du dispositif, doit être égale à 3 1M/2, ce qui permet, pour un boîtier emetteur-récepteur donné, de choisir la longueur H du tuyau. Pour obtenir une compensation parfaite en température, la fréquence de travail doit être liée à celleci par une relation de la forme: f = vo (1 + &alpha;T)1/2/41M On peut, en première approximation, choisir une fréquence de la forme: f = fo (1 + T/2&alpha;) avec to = vo/41M ne commettant ainsi qu'une erreur du second ordre sur la fréquence, donc sur la mesure du niveau. Le déphasage # est alors donné par la formule: # = # (31M/2-1)/1M Lorsque 1 varie de O à lM, on trouve bien une phase qui varie linéairement de 3#/2 à s/2. Ainsi, dans cette variante de réalisation, la sortie du phasemètre 50 est proportionnelle à ia hauteur I de liquide au-dessus de 1 'extrémité- immergée du tuyau et cela indépendamment de la température ambiante si la fréquence du générateur 40 est correctement compensée. A titre purement indicatif, d'après ce qui précède, on a f0 = 425 Hz si 1M = 20cm, ce qui conduit à L' + H = 30cm. Pour 1 = 10 cm, on a t'*H=15 cm et fO = 850 Hz A titre purement explicatif, on a représenté sur la figure 6 un exemple concret de réalisation du montage de la figure 4. Sur ce schéma qui comprend des sous-ensembles connus, on reconnait : le circuit de compensation de température 42; l'oscillateur 40 constitué par un circuit intégré 43 délivrant sur sa sortie 60 le signal sinusoïdal proprement dit èt sur la sortie 62 un signal carré; l'amplificateur de lecture 52 qui reçoit le signal du récepteur -48, cet amplificateur 52 a une sortie compatible avec la logique TTL, qui suit et qui comprend, de façonclassique, des bascules B1, B2 et des portes logiques PI, P2 associées à un amplificateur 45; l'interface de sortie 54 qui, dans ce cas particulier, convertit l'angle 9 de déphasage en un courant variable mesurable entre les bornés de sortie 66 et 68. Sur la figure 7, on a représenté une troisième variante de réalisation dans laquelle on établit un système d'ondes stationnaires acoustiques dans le tuyau 2, à l'aide d'un émetteur 70 alimenté par un générateur non représenté délivrant un signal sinusoïdal * Un détecteur 72 placé en un point du tuyau 2 détecte l'amplitude que possède en ce point l'onde stationnaire, amplitude qui dépend de la position respective de l'onde stationnaire et-du détecteur 72 Pour un détecteur fixe, l'amplitude détectée est donc représentative du niveau du fluide dans le tuyau 2. Dans certaines des variantes de réalisation de l'invention qui vlennent d'être décrites, notamment dans le cas de la figure 2, ol l'on mesure la période de l'oscillations ou dans le cas de la figure 4, où l'on mesure le déphasage entre onde émise et onde reçue, on trouve des relations linéaires entre le niveau du liquide et le signal électrique mesuré a la sortie de l'appareil. Si pour une raison quelconque on désire modifier cette relation linéaire pour obtenir une réponse non linéaire donnée entre le niveau et le signal de sortie, l'in Invention prévoit d'utiliser un tuyau courbe, comme il a été représenté en tirets sur la figure 1.Dans les parties Immerg8es perpendiculaires à la surface du liquide, le niveau est encore une fonction linéaire des grandeurs électriques mesurées, mais dans les parties inclinées, on obtient une variation du trajet acoustique plus rapide, qui est en 1/cors a, si a recré- sente l'angle de l'axe du tuyau avec la surface du liquide, Suivant la valeur donnée à l'angle a et la longueur de la partie inclinée, on peut modifier la correspondance entre niveau et signal de sortie. On peut appliquer cette variante dans le cas suivant par exemple: lorsque l'on règle le débit d'un liquide en mesurant son niveau dans un- circuit d'écoulement, on observe généralement une relation non linéaire entre débit et niveau. Le dispositif de l'invention permet d'établir une relation entre ledit niveau et un signal électrique de sortie et, par l'intermédiaire d'un conduit coudé, on peut relinéariser la correspondance entre le débit et ladite grandeur de sortie. A titre explicatif, la figure 8 illustre un exemple de réalisation d'un boîtier d'excltation-réception, qui comprend: un boîtier principai 90 dans lequel est percé un trou de décompression 92; deux joints d'étanchéité 94 et 96 et deux transducteurs 98 et 100; l-'ensemble est fermé par un capot 102; le tuyau sonde 104 est fixé à l'extrémité inférieure du bottier Cette réalisation apparaît comme plus commode que celles qui ont été représentées à titre explicatif aux ligures 1, 2 et 4 et dans lesquel sles deux transducteurs se trouvent au même niveau. Apres cette description, on voit que les avantages du dispositif de l'invention sont nombreux: - possibilité d'effectuer une mesure directe, sans réétalonnage, de toute une gamme de liquides (conducteurs, isolants, pollués ou non, cryogéniques, etc.. ); - insensibilité aux pollutions de type mécanique ou électrique (sel, acidité, boue etc .); - faible coût ; - possibilité de réaliser un dispositif étanche ; ; - grande facilité dtinstallation due aux faibles dimensions - poids faible - réponse très rapide, de ltordre du dizième de seconde, ce qui permet l'application à l'étude des mouvements rapides de liquide houle, marée etc...) Dans la présente description, on a utilisé des ondes acoustiques sonores; il est bien évident que l'invention englobe des réalisations fonctionnant avec des ondes ultrasonores ou infrasonores suivant la gamme désirée de mesure. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de position d'une surface, caractérisé en ce que l'on crée dans une enceinte fermée par cette surface un système d'ondes acoustiques établi, et en ce que l'on mesure l'état de ce système d'ondes acoustiques. 2. Dispositif de mesure de position d'une surface, faisant application du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte - une enceinte dont l'une des extrémités est fermée par ladite surface, - un émetteur d'onde acoustique à l'autre extrémité de ladite enceinte, - un récepteur d'onde acoustique disposé dans ladite enceinte, - des moyens permettant de minimiser la transmission directe de l'émetteur vers le récepteur, - des moyens électroniques d'alimentation dudit émetteur et d'analyse des signaux électriques délivrés par ledit récepteur, - des moyens de lecture d'une grandeur représentative de ladite position, couplés éventuellement auxdits moyens électroniques par un transducteur. 3. Dispositif de mesure du niveau d'un fluide selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend - un tuyau ouvert dont une extrémité- plonge dans ledit liquide, - un émetteur/049eXtrémité non immergée dudit tuyau, - un récepteur disposé dans ledit tuyau, - des moyens permettant de minimiser la transmission directe des ultrasons de l'émetteur vers le récepteur, - des moyens électroniques d'alimentation dùdit émetteur et d'analyse des signaux électriques délivrés par ledit récepteur, - des moyens de lecture d-'une grandeurreprésentative dudit niveau, couplés éventuellement auxdits moyens électroniques par un transducteur. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que - lesdits moyens électroniques d'alimentation compren nent.un amplificateur dont l'entrée est reliée audit récepteur et la sortie audit émetteur, - le transducteur comprend un convertisseur fréquence tension dont l'entrée est connectée à la sortie dudit amplificateur, la grandeur représentative de ladite position ou dudit niveau étant ladite tension de conversion. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce-que - lesdits moyens électroniques d'alimentation compren nent un amplificateur dont l'entrée est reliée audit récepteur et la sortie audit émetteur, - le transducteur comprend un convertisseur période tension dont- l'entrée est connectée à la sortie dudit amplificateur, la grandeur représentant linéairement ladite position ou ledit niveau, étant ladite tension de conversion. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que - lesdits moyens électroniques d'alimentation compren nent un générateur de signaux à spectre continu au moins dans un intervalle de fréquences, - ledit transducteur comporte un convertisseur fréquence tension ou periode-tension. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que - lesdits moyens electroniques d'alimentation compren nent un générateur de signal sinusoïdal modulé en fré quence, - lesdits moyens électroniques d'analyse comprennent des moyens de mesure de la fréquence filtrée par l'enceinte. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que ledit amplificateur est muni d'un filtre sélectif d'elimination des oscillations harmoniques. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que ledit convertisseur est compensé en température. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que - Ledit émetteur est excité par un générateur de signaux sinusoïdaux à fréquence fixe, - lesdits moyens d'analyse comprennent un comparateur de phase à deux entrées dont l'une est reliée à la sortie dudit générateur, et l'autre à la sortie du récepteur par l'intermédiaire d'un amplificateur. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit transducteur comprend un convertisseur phase-courant relié à la sortie dudit comparateur, la grandeur représentative dudit niveau étant ledit courant de conversion. 12. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit générateur délivre un signal dont la. fréquence est sensiblement de la forme f = fo 1 + aT, où fo est une fréquence fixe, T la température ambiante en degrés Celsius au niveau dudit tuyau et a = 1/273. 13.Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit générateur est compensé en température et délivre un signal dont la fréquence est sensiblement de la forme f = fo (1 + aT/2), où fo est une fréquence fixe, T la température ambiante en degrés Celsius au niveau du tuyau et a = 1/273. 14.-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 12 et 13, caractérisé en ce qu'on prend fo = vo/41M, où vo est la vitesse du son dans l'air à 00C, et 1M le niveau maximal que peut prendre le liquide par rapport à l'extrémité immergée du tuyau et en ce qu'on prend L' + H = 3 lu/2, où L' est la hauteur acoustique apparente de l'ensemble émetteur-récepteur au-dessus de l'extrémité non immergée dudit tuyau et H la hauteur totale dudit tuyau, le déphasage mesuré par ledit comparateur des phase étant alors comprls entre s/2 et 3in/2 à une constante additive près lorsque le niveau de fluide varie entre 1M et O. 15. Dispositif selon la revendication 2, caractertse en ce qu? le tuyau est coudé et incliné par rapport à la normale au liquide sur au moins une partie de sa hauteur. 16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que - les moyens d'alimentation dudit émetteur sont consti- tués par un générateur de fréquence fixe, - le récepteur est un détecteur quadratique dont la tension qu'il délivre est représentative de la position du système d'ondes acoustiques établi dans le tuyau, donc du niveau du fluide.