Brevet FR2281571A1 — publié le 19760305

L'invention est relative aux appareils pour mesurer la vitesse ou le débit d'un courant de liquide par détermination de l'anisotropie engendrée par le mouvement du liquide dans la propagation d'ondes acoustiques de fréquences ultrasonores. 311e concerne plus particulièrement les dispositifs mis en oeuvre pour corriger automatiquement les erreurs de mesure provenant des variations de célérité des ondes dues par exemple & des variations de température ou de pression du milieu liquide à l'endroit et au moment de la mesure, Pour alléger le texte de la présente description, on convienim de désigner par "débitmètres" les appareils destinés à mesurer tant la vitesse que le débit du fait que dans les techniques de mesure mettant en oeuvre la propagation d'ondes acoustiques, le débit est déduit de la vitesse. On se réfère, tant pour l'exposé du problème à résoudre que pour la définition de l'invention et la description d'exemples de réalisation, aux dessins annexés dans lesquels - la Fig. 1 est une coupe schématique de canalisation de liquide équipée de transducteurs ultrasoniques - la Fig. 2 est un schéa-bloc succinct d'une chine électronique commandant les transducteurs et exploitant leurs indications, ladite chine comportant un dispositir correcteur selon l'invention - la Fig. 3 est un schéma, en majeure partie sous forme de schémabloc, d'un exemple de réalisation du dispositif correcteur de la Fig. 2 t et - la Fig. 4 est un diagrswwme illustrant la forme des signaux de sortie de certains circuits de la Fig. 3. L'un des procédés les plus précis et les plus sensibles mis en oeuvre dans la débitmétrie à ultrasons, consiste, comme le montre la Fig. 1, à disposer de part et d'autre d'une canalisation parcourue par la veine fluide,deux transducteurs ultrasonores A et B orientés l'un vers 11 autre et capables d'émettre et de recevoir selon la direction AB un rayonnement de surface d'onde quasi-plane. Si e est l'angle fait par la direction AB avec la direction du courant de fluide de vitesse V que l'on suppose uniforme et si l'on appelle C la célérité des ondes sonores dans le fluide et L la distance séparant les deux faces des transducteurs A et B, la différence des durées de parcours des ondes dans les sens 3 vers Â et A vers B est donnée par la relation D = tu'tut = L/(C-Vcose) - L/(C+Vcose) = ZLVcose/(C2-V2cos2e) (1) Dans la pratique, V/C est en général inférieur à 10 et l'on peut admettre D = 2LVcose/C2 (2) et V = C2D/2Lcose (3) La différence D des durées de parcours peut être déduite d'une mesure séparée de t1 et t2 mais on peut préférer pour améliorer la sensibilité et la précision des mesures déterminer V directement, par exemple en mettant en évidence la variation a 9 de la phase T de signaux électriques dont la fréquence et la phase sont fonction de la fréquence et de 11 époque de réception des ondes atteignant les deux transducteurs A et B. La mesure de V donnée par la relation (3) implique que la célérité C soit connue. On peut prévoir dans l'appareillage un dispositif de réglage tenant compte d'une valeur de C déduite d'une mesure faite le liquide étant au repos. Or, la célérité C peut varier entre le moment de la mesure au repos et le moment des mesures de vitesse ou de débit, ainsi qu'au cours des mesures de vitesses si certains paramètres d'état du liquide, tels que la pression ou la température se modifient. Aussi est-il préférable d'incorporer dans l'appareillage un dispositif de correction agissant en cours de mesure. On a déjà proposé de disposer face à face, dans les parois de la canalisation délimitant la veine, une paire de transducteurs supplémentaires P et Q (Fig. 1) mesurant la vitesse de phase des ondes, c'est-à-dire en fait la célérité C puisque la composante de vitesse normale à la direction de circulation du liquide peut être considérée comme nulle. Le dispositif de correction comporte des moyens pour engendrer un signal proportionnel à la célérité, pour élever ce signal au carré en donnant un signal proportionnel à c2 et pour déterminer la vitesse V en introduisant la valeur de c2 dans la relation (3). Mais ce procédé exige l'introduction de deux transducteurs supplémentaires dans la canalisation et l'utilisation d'une channe de mesures qui leur est affectée. La complication et le coût de l'appareillage en sont sensiblement accrus. Aussi peut-on songer à utiliser pour la correction les signaux des transducteurs A et B en les exploitant d'une façon différente de celle donnant la mesure des vitesses. Dans le brevet français déposé le 4 Décembre 1969 sous le N 69-41949 et publié sous le NO 2 070 438, on a décrit un dispo sitif de correction explicitant la valeur du produit des amplitudes de signaux proportionnels aux durées des parcours tl et t2. effet P = t1xt2 = L2/(C2-cos2e) (4) et l'on peut admettre, étant donné la faible valeur de V/C, P = L2/c2 (5) et, d'après (3) V = LD/2Pcose (6) les valeurs de vitesse ou de débit mesurées étant ainsi uniquement fonction de constantes géométriques ainsi que de valeurs temporelles déterminées au moment de la mesure. Le perfectionnement qui fait l'objet de l'invention exploite lui aussi les valeurs des durées de parcours des ondes entre transducteurs pour en déduire la valeur de la célérité C mais 1'exploi- tation est faite différemment et il en résulte une notable simplification de la channe électronique du dispositif de correction. L'appareil de mesure de vitesse ou de débit de liquide par détermination de l'anisotropie de propagation d'ondes acoustiques selon l'invention, mettant en oeuvre deux transducteurs ultrasoniques iniergés dans le liquide, orientés l'un vers l'autre dans une direction oblique par rapport au vecteur vitesse du liquide et capables d'émettre l'un vers l'autre et de recevoir un rayonnement ultrasonore de surface d'onde quasi-plane, comporte des moyens pour élaborer un premier signal analogique de niveau proportionnel à la différence des durées de parcours respectives des ondes dans l'un et l'autre sens, des moyens pour élaborer un deuxième signal analogique de niveau proportionnel au carré de la somme desdites durées de parcours et des moyens pour élaborer un troisi & e signal analo- gique de niveau proportionnel au quotient du niveau du premier signal par le niveau du deuxième signal. On a vu que l'amplitude du premier signal est proportionnelle à : D = t2-t1 = 2LVcose/C2 (2) D'autre part S = t 2+t1 = 2LC/(C2-V2cos29) (7) et l'on peut admettre S = ZLC/C2 = 2L/C (8) L'amplitude du deuxième signal est donc proportionnelle à S2= 4L2/C2 (9) et celle du troisième signal à D/S2 = Vcose/2L (10) où l'on déduit V = 2DL/S2cosQ (ii) valeur de la vitesse qui ne dépend que des paramètres géométriques de disposition des transducteurs relativement au mouvement du liquide et que des durées de parcours des ondes au moment de la mesure. La Fig. 2 montre sommairement la constitution d'un appareillage de débitmétrie auquel est adjoint un dispositif de correction selon l'invention. Celui-ci sera ensuite décrit plus explicitement en référence aux Figs. 3 et 4. La chaine électronique du débitmètre délivre par la sortie 23 un signal analogique de vitesse ou de débit non corrigé. Le dispositif de correction 3 délivre par la sortie 36 un signal corrigé. Dans la chaise du débitmètre un multivibrateur 12 piloté par une horloge 11 délivre les signaux électriques excitateurs aux transducteurs A et B par l'intermédiaire de deux amplificateurs adaptateurs d'impédance 13a et 13b. A titre d'exemple, les transducteurs étant équipés de capsules céramiques résonnant à une fréquence voisine de cinq MQgahertz, le multivibrateur 12 couvre une gamme de fréquences comprise entre quatre et six Mégahertz; l'horloge 11 délivre des créneaux de commande de cinquante microsecondes de largeur à une cadence ou fréquence de récurrence de cinq kilohertz. Les signaux impulsionnels de réception délivrés par les transducteurs A et B sont respectivement amplifiés par des amplificateurs HF 14a et 14b. Ils sont ensuite mis en forme en signaux carrés et calibrés par des circuits 15a et 15b. La fréquence des signaux ainsi obtenus est divisée par des diviseurs de fréquence à compteurs binaires en cascade 16a et 16b. La valeur du rapport de division est déterminée et commandée en tenant compte de divers paramètres propres à l'appareillage, tels que la section de la canalisation, l'inclinaison des axes des transducteurs, etc.. et en fonction de la gamme de mesure de vitesse ou de débit choisie La remise à zéro des compteurs des diviseurs 16 à la fréquence de récurrence au début de chaque période de comptage est assurée par le circuit RAZ 17 déclenché par l'horloge 11.L'un des diviseurs, par exemple 16a, comporte un circuit de déphasage 161 qui lui impose un retard tel que, lorsque la vitesse du courant de liquide est nulle, les trains de signaux carrés adressés par les deux diviseurs sont décalés d'une demi-période. Ces trains de signaux sont respectivement traités par des circuits à portes logiques 18a et 18b qui délivrent chacun des signaux rectangulaires dont la largeur varie en raison du temps de parcours des ondes sonores reçues respectivement par chaque transducteur A et B et qui, adressés respectivement à des intégrateurs 19a et 19b, sont transformés en signaux analogiques d'amplitude proportionnelle auxdites largeurs et donc auxdits temps de parcours.L'amplificateur différentiel 20 dont les entrées reçoivent respectivement lesdits signaux analogiques délivre donc en sortie un signal d'amplitude proportionnel aux différences de temps de parcours et proportionnel à la vitesse du liquide en conséquence de la relation (2). Ce signal de vitesse est filtré par un filtre passe-bas 21 et transmis par un éte adaptateur 22 à la sortie 23 où il est disponible pour affichage et enregistrement. Quant au dispositif de correction 3, il comprend un dispositif logique 31 qui reçoit de lthorloge 11 le signal de début d'émission et des sorties des diviseurs 16a et 1 6b les trains de signaux carr de durées proportionnelles aux délais de réponse des transducteurs. Le circuit 31 délivre un signal analogique de niveau proportionnel à la somme des niveaux des signaux logiques de durées t1 et t2, signal qui est adressé à l'intégrateur 32 qui délivre un signal analogique d'amplitude proportionnelle à S. Le circuit multiplieur 33 élabore un signal d'amplitude proportionnelle à s2 lequel est adressé au diviseur 34. Celui-ci élabore un signal analogique dont l'amplitude est proportionnelle au quotient du signal présent en sortie de l'adaptateur 22 par le signal délivré par le multiplieur 33. Autrement dit, l'amplitude du signal du diviseur 34 est proportionnelle à D/S2 = VcosQ/2L (10) Le diviseur 34 est suivi d'un amplificateur adaptateur 35 dont la sortie est connectée à la borne 36.Ainsi la chine ci-dessus décrite permet-elle de disposer à la borne 36 d'un signal de vitesse ou de débit corrigé et à la borne 23 d'un signal non corrigé mais dont le rapport signal/bruit est inférieur et capable de suivre des fluctuations rapides de vitesse ou de débit. La Fig. 3 illustre un exemple de réalisation du correcteur de la Fig. 2. Elle doit être examinée en meme temps que la Fig. 4 qui montre l'allure en fonction du temps t des signaux élaborés par les circuits du correcteur et identifiés dans la Fig. 4 par les repères affectés dans la Fig. 2 ou la Fig. 3 aux circuits à la sortie desquels ils apparaissent. Le dispositif additionneur 31 de la Fig. 2 comporte - deux circuits monostables 311a et 311b de constante de temps supérieure à la durée d'émission des transducteurs, dont les entrées reçoivent respectivement les trains de signaux délivrés par les diviseurs 16a et 16b et qui délivrent des créneaux dont les fronts avant se situent au moment où chaque transducteur reçoit les ondes acoustiques émises par l'autre transducteur - deux portes NON-ET 312a et 312b à chacune deux entrées dont l1une est connectée à la sortie du monostable 311 correspondant et l'autre à lthorloge il et qui sont donc ouvertes en permanence, sauf au cours de la durée du top d'émission (horloge H) - deux bistables 313a et 313b recevant chacun par une entrée le signal de l'horloge 11 et par l'autre entrée le signal de sortie de la porte NON-E? 312 correspondante et qui délivrent un signal de valeur zéro entre le début du signal 11 et le début des créneaux des diviseurs 311 (ctest-à-dire pendant les durées de parcours des ondes) et un signal de valeur 1 le reste du temps - deux portes NON-ET 314a et 314b fonctionnant en inverseurs puisque leurs deux entrées sont réunies à la sortie de chaque bistable 313 de meme indice et qui délivrent par conséquent un signal de valeur 1 durant le parcours des ondes acoustiques - un circuit mélangeur à résistances 315a et 31 5b dont le point commun 315 délivre un signal analogique d'amplitude proportionnelle à la somme des niveaux des portes 314, le front arrière dudit signal étant en escalier du fait des durées inégales des signaux desdites portes. L'intégrateur 32 des Figs . 2 et 3 est un filtre passe-bas d'ordre 6 délivrant durant la période de récurrence un signal analogique d'amplitude proportionnelle au niveau moyen du signal analogique du mélangeur. Il est suivi d'un étage d'adaptation comportant un circuit de décalage du niveau zéro constitué d'une part par un amplificateur opérationnel 321 dont une entrée reçoit le signal de l'intégrateur 32 divisé par un circuit diviseur à potentiomètre 322 et résistance 323, l'autre entrée étant mise à la masse par l'intermédiaire d'une résistance 324 et d'autre part par un amplificateur 325. Le signal analogique de sortie de 325, de niveau proportionnel à S, est élevé au carré (S2) par le multiplieur 33 du type à quatre quadrants. Le diviseur 34 de la Fig. 2 comporte un inverseur 341 délivrant un signal d'amplitude 1/S2 et un multiplieur 342 dont la deuxième entrée reçoit le signal de la borne 23, de niveau D et qui délivre le signal produit D x 1/S2 = D/S2 qui représente le résultat cherché et qui est transmis à la borne 36 par l'amplificateur d'adaptation 35. Tous les circuits constitutifs décrits ci-dessus sont des circuits intégrés numériques ou analogiques du commerce. Il est évident que le dispositif correcteur de 11 invention peut autre adjoint à tout appareillage débitmétrique à deux transducteurs ultrasoniques émetteurs et récepteurs muni de circuits de mesure des durées de parcours dans l'un et l'autre sens des ondes acoustiques circulant entre les deux transducteurs. - R E V E N D i C A T i O N S - 10) - Appareil de mesure de vitesse ou de délit de liquide par déternination de l'anisotropie de propagation d'ondes acoustiques, ledit appareil comportant, dans une canalisation parcourue par le liquide, deux transducteurs insérés dans des parois opposes, orientés l'un vers l'autre selon une direction oblique par rapport au vecteur vitesse du liquide et capables d'émettre l'un vers l'autre et de recevoir l'un de 11 autre des signaux ultrasonores de surface d'onde quasi-plane, ledit appareil comportant des moyens pour exciter simultanément les transducteurs par des trains dtimpulsions récurrentes modulant une porteuse à haute fréquence, des moyens pour mesurer les durées de parcours des signaux ultrasonores entre les deux transducteurs dans l'un et l'autre sens et des moyens pour élaborer un premier signal analogique de niveau proportionnel à la différence desdites durées de parcours dans l'un et l'autre sens, des moyens pour élaborer un deuxième signal analogique de niveau proportionnel au carré de la somme desdites durées de parcours et des moyens pour élaborer un troisième signal analogique de niveau proportionnel au quotient du niveau du premier signal analogique par le niveau du deuxième signal analogique, le niveau du troisième signal analogique étant ainsi proportionnel à la vitesse et au débit du liquide dans la canalisation, caractérisé en ce que les durées de parcours sont mesurées sur un même signal en forme de trains d'impulsions récurrentes. 20) - Appareil de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour élaborer le deuxième signal analogique comprennent un circuit logique à deux sorties dont cnacune délivre un créneau logique de durée égale à la durée de parcours des signaux ultrasonores dans l'un des sens de parcours, un circuit analogique délivrant un signal analogique de niveau proportionnel à la sommation desdits créneaux et un circuit intégrateur délivrant un signal dont le niveau est proportionnel à la valeur moyenne dudit signal analogique.