Brevet FR2368036A1 — publié le 19780512

La présente invention concerne le domaine d'utilisation des oscillations ultra-soniques pour le contrôle automatique des processus technologiques et, en particulier, un procédé de contre des paramètres physiques des milieux liquides. L'invention peut être utilisée pour le contrôle sans contact des paramètres de milieux liquides, par exemple, du débit, de la pression, de la densité dans les industries chimique, aéronautique, dans les constructions mécaniques et dans d'autres domaines de la technique. Pendant le mesurage des paramètres physiques d'un liquide dans les systèmes de conduits lorsqu'on introduit des oscillations ultrasoniques dans un liquide à contrôler à travers les parois d'un conduit considéré, on constate la naissance de perturbations dues à la réverbération des oscillations ultra-soniques dans les parois du conduit et de sa surface intérieure. Les perturbations de réverbération apportent une rr--ur sensible dans la mesure des paramètres physiques du liquide. Pour affaiblir le phénomène de la réverbération lors du mesurage des paramètres physiques des milieux liquides et augmenter la précision de mesure, ce qui est après important surtout lors du mesurage de la vitesse du courant dans le cas des petits intervalles de temps ou du débit de liquide à des petites bases acoustiques (distances entre l'émetteur et le récepteur des oscillations ultra-soniques), les oscillations ultra-soniques sont introduites dans le milieu à contrôler sous un angle aigu ou obtus par rapport à la surface du conduit. On connait un procédé de contrôle des paramètres physiques des milieux liquides au moyen d'oscillations ultra-soniques. Ce procédé consiste en ce qu'on introduit, dans le milieu à contrôler à travers un milieu conducteur de son et les parois du conduit, des oscillations ultra-soniques sous un angle aigu ou obtus par rapport à la surface du conduit. On mesure les paramètres des oscillations ultra-soniques passées à travers le milieu contrôlé et suivant leur valeur on juge la valeur du paramètre contrôlé. Cependant, en appliquant le procédé connu on n'arrive pas à assurer une précision élevée du contrôle des paramètres physiques du liquide, en particulier de sa densité ou de sa vitesse de circulation, lorsque la vitesse de propagation des oscillations ul tra-soniques dans le liquide varie sensiiiilement, L'abaissement de la précision est conditionné par l'apparition d'un décalage en phase supplémentaire des oscillations ultra-soniques pendant l'introduction des oscillations à travers les parois du conduit. La valeur du décalage en phase dépend des paramètres acoustiques du milieu conducteur de son, de la paroi du conduit et du liquide à contrôler. En outre, un abaissement de la précision est conditionné par l'erreur de mesurage due à l'interférence de la perturbation acoustique et du signal porteur dtinformation. Par perturbation acoustique on entend, dans ce cas, des oscillatir.s ultra-soniques passées à partir de l'émetteur directement par la paroi du conduit (suivant son périmètre) au récepteur. On s'est posé le problème dtélaborer un procédé de contrôle des paramètres physiques- des milieux liquides au moyen d'oscillations ultra-soniques, dans lequel la suppression du décalage en phase supplémentaire des oscillations ultra-soniques et la diminution de l'erreur due à l'interférence du signal porteur d'information et de la perturbation acoustique assureraient une précision élevée du contrôle. Ce problème est résolu par le fait que, dans le procédé de contrôle des paramètres physiques des milieux liquides au moyen d'oscillations ultra-soniques consistant en ce que dans le milieu à contrôler se trouvant dans un conduit on introduit à travers la paroi du conduit des oscillations ultra-soniques sous un angle aigu ou obtus à la surface du conduit, on mesure les paramètres des oscillations ultra-soniques passées à travers le milieu en cours de contrôle et un autre milieu conducteur de son et d'après leur valeur on juge la valeur du paramètre contrôlé, suivant l'invention, l'angle d'introduction des oscillations ultra-soniques laissées passer à travers le milieu en cours de contrôle est déterminé d'après l'équation OC = arc sin où C est la vitesse de propagation des oscillations ultra-soniques o dans le milieu conducteur de son C, est la vitesse de propagation des oscillations ultra-soniques transversales dans le matériau de la paroi de conduit la fréquence f des oscillations ultra-soniques étant établie d'a près le rapport où n est un nombre entier /1,2,3.../; d est l'épaisseur de la paroi du conduit. Le procédé proposé permet d'élever la précision du contrôle des paramètres phyiques des milieux liquides au moyen d'oscillations ultra-soniques. L'élévation de la précision est obtenue grâce à la suppression du décalage en phase supplémentaire des oscillations ultra-soniques lors de leur introduction à travers la paroi du conduit et à l'abaissement de l'erreur due à l'interférence du signal porteur d'information et de la perturbation acoustique, ce qui est conditionné par le choix susmentionné de l'angle d'introduction et de la fréquence des oscillations ultra-soniques. D'autres buts et avantages de la présente invention ressortiront mieux à la lecture de la description dcun exemple de sa réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente le dispositif pour la réalisation du procédé de contrôle des paramètres physiques des milieux liquides au moyen d'oscillations ultra-soniques (coupe longitudinale du conduit) suivant l'invention - la figure 2 représente une portion du conduit avec l'émetteur et le récepteur des oscillations ultra-soniques (coupe partielle de l'émetteur et du conduit) suivant l'invention - la figure 3 est la meme vue, mais de côté, suivant l'invention. Le dispositif pour la réalisation du procédé de contrôle des paramètres physiques des milieux liquides au moyen d'oscillations ultra-soniques comprend un émetteur 1 (fig.a) d'oscillations ultra-soniqués avec un générateur 2 branché sur celui-ci et un récepteur 3 des oscillations ultra-soniques avec un bloc de mesure 4 branché sur ce premier. L'émetteur 1 et le récepteur 3 des oscillations ultra-soniques ont une construction connue des émetteurs à large bande et des récepteurs du type piézo-électrique. Le générateur 2 utilise le montage connu à excitation par choc du circuit électrique. Le bloa de mesure 4 est réalisé suivant un schéma connu. L'émetteur 1 et le récepteur 3 des oscillations ultra-soniques sont liés acoustiquement avec un conduit 5 rempli du liquide à contrôler 6 par l'intermédiaire des conducteurs de son 7 et 8. Chaque conducteur de son 7 et 8 est installé dans un corps 9 (fig.2) monté sur le conduit 5 et est réalisé avec une possibilité du déplacement le long de l'axe du conduit 5 sur des guides 10. Un tel guide 10 est muni d'une viv de limitation 11. Grace à la réalisation décrite du corps 9, le dispositif peut être appliqué pour le contrôle des paramètres des milieux liquides 6 dans des conduits 5 dont les diamètres sont différents. Chaque conducteur de son 7, 8 comprend une douille 12 et une douille 13. La douille 12 est fixée d'une manière immobile dans le corps 9 et se trouve en contact avec la surface extérieure du conduit S à travers une mince couche 14 dè liquide. La douille 13 est liée acoustiquement avec l'émetteur 1 ou avec le récépteur 3 des oscillations ultra-soniques. Elle est montée de façon qu'elle puisse tourner autour d'un axe perpendiculaire à l'axe de la douille 12. L'axe de la douille 13 porte installée une poignée 15 (fig.3) dotée d'un fixateur 16. Sur la surface du corps 9 est installé un limbe 17 (fig.2) ayant une échelle 18, sur laquelle sont portées des divisions angulaires, et une aiguille 19 liée cinématiquement à la poignée 15 (fig.3). Grâce à la réalisation proposée des conducteurs de son 7, 8 (fig.1) assurant une variation de l'angle d'inclinaison OC en fonction du matériau du conduit, le dispositif peut être utilisé pour le contrôle des paramètres physiques des milieux liquides dans les conduits 5 réalisés en divers matériaux. Les corps 9 (fig.2) avec les conducteurs de son 7, 8-placés dans ceux-ci sont installés sur le conduit 5 par l'intermédiaire de guides 20 et d'une vis de serrage 21. Grâce au montage des émetteurs 1 et du récepteur 3 sur le conduit 5 par l'intermédiaire des conducteurs de son 7, 8 qui ne constituent pas une partie du conduit 5, le dispositifpropose peut être utilisé pour le contrôle sans destruction des paramètres physiques des milieux liquide-s dans les canalisations fermées. Cela accélère le processus du contrôle et réduit les frais pour sa réalisation. Le procédé du contrôle des paramètres physiques des milieux liquides au moyen d'oscillations ultra-soniques s'effectue dans le dispositif décrit la manière suivante Le générateur 2 (fig.1) envoie les impulsions électriques vers l'émetteur 1 qui transforme les impulsions électriques en oscilla tions mécaniques ultra-soniques. L'emetteur 1 i envoie dans le con- ducteur de son 7 les oscillations ultra-soniques dont la fréquence est établie d'après le rapport où n est un nombre entier ; d est l'épaisseur de la paroi du conduit 5. Les oscillations ultra-soniques émises passent à travers le conducteur de son 7 et la paroi du conduit S dans le liquide 6 en cours de contrôle sous l'angle OC établi pour la mesure donnée à l'aide de la poignée 15 (fig.3) et déterminé par le rendort C OC = arccos C où C est la vitesse de propagation des oscillations ultra-so o niques dans le matériau des conducteurs de son C est la vitesse de propagation des oscillations ultra-soniques transversales dans le matériau de la paroi du conduit. Les oscillations ultra-soniques pénètrant dans le liquide 6 se propagent dans celui-ci sous un angle g qui est fonction de la vitesse C1 de propagation des oscillations ultra-soniques dans lelliquide 6 à contrôler et déterminé par le rapport Les oscillations ultra-soniques passées à travers le liquide 6 arrivent à travers la paroi du conduit S dans le conducteur de son 8 du récepteur 3 des oscillations ultra-soniques sous un angle OC avec un décalage temporel, par rapport au moment de l'émission, dépendant de la vitesse de leur propagation dans le liquide 6. Le décalage temporel des oscillations ultra-soniques reçues par le récepteur 3 des oscillations ultra-soniques est mesuré à l'aide d'un phasemètre(non représenté sur la figure) du bloc de mesure 4 et on juge, d'après sa valeur, la valeur du paramètre physique du liquide à contrôler, par exemple de sa densité ou de sa pression. Lorsqu'il est nécessaire de contrôler la vitesse du courant de liquide on effectue une seconde émission supplémentaire de rencontre de la deuxième onde ultra-sonique par le récepteur 3 et le bloc de mesure 4 prend la mesure de la différence des décalages temporels des signaux reçus. D'après la valeur de cette différence on détermine la vitesse contrôlée du courant du liquide. Le procédé décrit ci-dessus permet d'élever la précision du contrôle des paramètres physiques des liquides au moyen dwoscil- lations ultra-soniques. L'élévation de la précision est obtenue grâce à la suppression du décalage supplémentaire en phase des- oscillations ultra-soniques lors de leur introduction à travers la paroi du conduit et à la réduction de l'erreur due à l'interférence du signal porteur d'information et de la perturbation acoustique, ce qui est expliqué plus bas. Lors de l'introduction des oscillations ultra-soniques directement à travers la paroi du conduit 5, on constate l'apparition d'un décalage supplémentaire en phase , des oscillations ultrasoniques, égal à la moitié de la différence des phases de deux oscillations à chaque point de la surface du conduit S dans la zone de l'introduction des oscillations ultra-soniques dont l'une tombe à un point donné à partir de l'émetteur 1 et la deuxième y arrive après deux réflexions g lsintrieur de la paroi du conduit 5. Le décalage en phase est déterminé par l'expression Pour l'angle OC d'introduction choisi du rapport (2), le décalage en phase est multiple à t .Alors, les ondes réfléchies et incidentes des oscillations ultra-soniques coïncident toujours en phase, se distinguant en phase de 2 n1r, et s'amplifient l'une l'autre à la sortie des oscillations ultrasoniques de la paroi du conduit 5. A la suite des additions multiples des phases coincidantes des oscillations ultra-soniques dans la paroi du conduit 5, il se produit une résonance, grâce à quoi on obtient le maximum de passage du signal à travers la paroi. Dans ce cas le passage des oscillations ultra-soniques dans le liquide 6 à partir du conducteur de son 7 à travers la paroi du conduit 5 se fait (d'après la valeur de la transmission) comme si les oscillations étaient transmises du conducteur de son 7 directement au liquide 6 en cours de contrôle en l'absence de paroi. Puisque le décalage en phase t dépend également de la fré quence f des oscillations ultra-soniques, alors en réglant la fréquence f, l'épaisseur d de la paroi du conduit 5 étant constante, on peut obtenir une valeur requise çt = y1 pour laquelle a lieu le maximum de passage des oscillations ultra-soniques partir du conducteur de son 7 dans le liquide 6 à travers la paroi du conduit 5. En cas de choix incorrect de la fréquence f, par exemple celle qui crée le décalage en phase égal à un nombre impair le fl, les oscillations ultra-soniques seront amorties dans la paro r du du conduit et n'arriveront pas dans le liquide 6. A la transmission des oscillations ultra-soniques par des conducteurs de son 7, 8 réalisés en même matériau que le conduit 5, comme c'est le cas des dispositifs connus,par exemple, par rapport du métal à la paroi du conduit par soudure, on évite les réflexions des oscillations ultra-soniques à la li- mite du conducteur de son 7 avec le conduit 5. Dans ce cas, il ne se produira ici aucune amplification du signal (par addition des oscillations introduites et réfléchies coïncidant en phases comme cela a lieu dans le dispositif proposé), ce qui réduit la transmission de l'énergie ultra-sonique dans le liquide. Dans le dispositif proposé les matériaux des conducteurs de son 7, 8 et du conduit 5 se distinguent par les résistances acoustiques, et la réflexion des oscillations ultra-soniques à la limite du conducteur de son 7 et de la paroi du conduit S aura toujours lieu et, en conséquence, cela assure le maximum de passage des oscillations ultra-soniques au choix de OC et de f assurant la coïncidence en phase des oscillations ultrasoniques introduites et réfléchies. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATION. Procédé de contrôle des paramètres physiques des milieux liquides au moyen d'oscillations ultra-soniques, qui consiste en ce que dans le milieu à contrôler se trouvant dans un conduit -on introduit à travers un milieu conducteur de son et la paroi du conduit des oscillations ultra-soniques sous un angle aigu ou obtus par rapport à la surface du conduit, on mesure les paramètres des oscillations ultra-soniques passées à travers le milieu en cours de contrôle et un autre milieu conducteur de son et d'après leur valeur on juge sur la valeur du paramètre contr8lé, caractérisé en ce que l'angle OC d'introduction des oscillations ultra-soniques passant à travers le milieu à contrôler est déterminé d'après le rapport ou C est la vitesse de propagation des nscillations ultra o soniques dans le milieu conducteur de son C est la vitesse de propagation des oscillations ultra-soniques transversales dans le matériau de la paroi du conduit ; la fré- quence f des oscillations ultra-soniques étant établie d'après le rapport n est le nombre entier (1,2,3...) d est l'épaisseur de la paroi du conduit.