Brevet FR2390711A1 — publié le 19781208

invention concerne un cmpteur volumétrique ou de quantité de chaleur pour milieux liquides comportant un parcours de mesure ultrasonique, deux transducteurs ultrasoni- ques et un dispositif d'interprétation servant à engendrer des impulsions de comptage dont lafréquence moyenne de répéti- tion est proportionnelle au débit volumétrique, ainsi qu'un compteur dtimpulsions servant à additionner les impulsions de comptage. Comme on le sait, les compteurs volumétriques mesurent le débit (donc le volume par unité de temps, par exemple en m3/s) du fluide en écoulement et forment le volume débité (par exemple en m3) en intégrant le débit dans le temps. Dans les compteurs de quantité de chaleur, on mesure le débit volumétrique du fluide en ecoulement qui sert de convecteur ainsi que la différence entre la température d'aller et celle de retour et on intègre dans le temple produit du débit volumétri- que par la différence de température0 l'intégration nécessaire dans les compteurs volumétriques et les compteurs de quantité de chaleur s'effectue le plus souvent par addition dtimpulsions de comptage dont la fréquence est proportionnelle au débit volumétrique. Pour mesurer le débit volumétrique, on utilise encore principalement aujourd' hui des compteurs mécaniques dont la-fiabilité et la stabilité à long terme ne sont pas satisfaisantes. I1 est aussi connu de déterminer le débit volumétri- que au moyen de débitmètres ultrasoniques dont le principe de fonctionnement repose sur l'effet Doppler, sur la déviation des ultrasons par le fluide en écoulement ou- sur le temps de propagation différent des ondes sonores dans le sens d'écoulement du fluide et en sens opposé-. Dans les débitmètres connus, pour in terpréter le temps de propagation différent, on mesure la différence de temps de propagation ou, dans le débitmètre dit à oscillation de réaction, on mesure la différence de fréquence. A l'exception du débitmètre à oscillation de réaction, déjà motteux en vertu de son principe, le résultat de mesure desdébitmètres ultrasoniques connus dépend de la vitesse du son dans le fluide en écoulement. I1 est connu de mesurer la vitesse du son dans le fluide et de l'inclure dans le résultat à l'aide d'une calculatrice. Cependant, cela conduit à des solutions très coûteuses. L'invention a pour but de fournir un compteur volumétrique ou de quantité de chaleur dans lequel le rapport entre les moyens mis en oeuvre et la précision obtenue soit minimal. L'invention a pour objet un compteur caractérisé par le fait que les transducteurs ultrasoniques sont reliés d'une part à un organe émetteur servant à exciter périodiquement et simultanément les deux transducteurs ultrasoniques par des im- pulsions d'émission et d'autre part à un organe de mesure de différence de temps de propagation servant à former des impulsions de mesure dont la durée correspond à la différence de temps de propagation entre les impulsions émises et reçues par les transducteurs ultrasoniques, que le compteur comprend aussi un générateur d'oscillations qui est commandé,par un capteur de température'détectant la température du fluide en écoulement, de telle sorte que la fréquence des oscillations engendrées, dans un intervalle de température donné, est liée à la température du liquide par la même loi que le carré de la vitesse du son dans le liquide-, et que l'organe émetteur, l'organe de mesure de différence de temps de propagation et le générateur d'oscillations sont disposés, dans un circuit multiplicateur, de telle sorte qu'à la sortie de ce dernier sont engendrées des impulsions de comptage dont la fréquence moyenne de répétition est égale au produit de la durée des impulsions de mesure par la fréquence des oscillations du générateur. On décrit plus précisément ci-après quelques exemples d'exécution de l'invention à propos des dessins sur lesquels - la figure 1 montre une disposition de mesure faisant partie d'un compteur volumétrique ou de quantité de chaleur - les figures 2 et 3 sont des diagrammes - les figures 4 à 6 montrent trois compteurs de quantité de chaleur différents - la figure 7 est un générateur d'oscillations et - la figure 8 est un autre diagramme. La disposition de mesure 1 représentée par la figure 1 comprend essentiellement un parcours de~mesure 2 comportant deux transducteurs ultrasoniques 3 et 4 un organe émetteur 5 et un organe de mesure de différence de temps de propagation 6 Le parcours de mesure ultrasonique 2 présente une entrée 7 et une sortie 8 destinées à un milieu liquide Les transducteurs ultrasoniques 3, 4 sont disposés de telle sorte que les ondes ultrasoniques qui en partent se propagent essentiellement dans une direction parallèle à la direction d'écoulement 9 du liquide et portent sur toute la section d'écoulement L'organe émetteur 5 contient un oscillateur à modulation 10, un organe de commande 11 et un étage modulateur et pilote 12 dont la sortie est reliée, par l'intermédiaire d'organe nes de couplage 13, 14, aux deux transducteurs ultrasoniques 3, . L'organe de commande il présente une entrée de commande 15 et deux sorties 16, 1-7. Il est de préférence formé d'une chaîne de comptage qui compte les périodes de l'oscillateur à modulation 10, transmet des signaux d'impulsion aux sorties 16, 17, en fonction de son compte et peut être remis à zéro par une impulsion appliquée à l'entrée de commande 159. La sortie 16 de l'organe de commande 11 et celle de l'oscillateur à modulation 10 conduisent à l'étage modulateur et pilote 124 L'organe de mesure de différence de-temps de propagation 6 est formé d'un commutateur à seuil zéro, 18, d'un commutateur-inverseur à seuil zéro 19 et d'une porte ET 20, située à la sortie et dont la sortie 21 constitue la sortie de l'orga- ne de mesure de différence de temps de propagation, la porte étant reliée par son entrée aux deux commutateurs à seuil zéro 18 et 19 ainsi qu'à la sortie 17 de l'organe de commande 11. Le transducteur ultrasonique 3 est relié au commutateur 18 et le transducteur 4 au commutateur 19. On expliquera ci-après le fonctionnement de la disposition de mesure 1 à propos des diagrammes des figures 2 et Sur la figure 2, U1 indique la tension de-commande à l'entrée de commande 15 de l'organe de cpu'u'a,de 11, U2 la tension à la sortie 16, U5 la tension à la sortie 17 de'l'organe de commande, U3 la tension au transducteur ultrasonique 3 et U4 la tension au transducteur ultrasonique 4. La figure 3 représente à nouveau la variation des tensions U5, U3 et U4 à une échelle de temps plus étalée que sur la figure 2o En outre, la figure 3 montre la variation des tensions U6, U7 et U8 à la sortie des commutateurs à seuil zéro, 18, 19 et de la porte ET 20. La tension de commande sous forme d'impulsions, U1, à l'entrée de commande 15, est formée à laide d'un générateur d'oscillations décrit plus loin. Par chaque impulsion 22 de cette tension, l'organe de commande 11 est remis au repos, puis remis en action. A la sortie 16 est obtenue une impulsion d'émission 23. Celle-ci module, dans l'étage modulateur et pilote 12, la fréquence f0 de l'oscillateur à modulation 10. On supposera à titre d'exemple que la fréquence f0 est de 1 z et que la longueur des impulsions d'émission 23 déterminées par une chaîne de comptage de l'organe de commande Il correspond à la durée de 128 périodes d'oscillation de l'oscillateur à modulation 10.Les transducteurs 3 et 4 sont excités simultanément, respectivement par des impulsions d'émission modulées en phase 24 (tension U3) et 25 (tension U4) dont la durée est inférieure au temps de propagation des ondes ultrason ores engendrées. Les ondes ultrasonores sinusoRdales émises par le transducteur ultrasonique 3 sont reçues par le transducteur 4 et transformées par celui-ci en un signal électrique de réception 26. À peu près simultanément, le transducteur 3 reçoit les ondes ultrasonores sinusoidales émises par le transducteur 4 et engendre un signal électrique de réception 27.En vertu du temps de propagation différent des ondes ultrasonores dans le sens d'écoulement 9 du liquide et en sens inverse, les signaux de réception 26 et 27 ont entre eux un déphasage /\t O Ce déphasage correspond, si la fréquence fO est constante, à la différence de temps de propagation t des ondes ultrasono rets, L'organe de commande il donne, à sa sortie 17, une impulsion de tension 28 (tension U$) dont la durée peut à nouveau être déterminée par la chaine de comptage mentionnée et correspond par exemple à la durée de 64 périodes de l'oscillateur à modulation 10.Par cette impulsion de tension 28, la porte ET 20- est ouverte pendant 64 périodes des signaux de réception 26, 27, dans le cadre du fonctionnement en réception de la disposition de mesure lo La porte BU est seulement låbé-- rée après la fin de la phase de montée et au plus tard au début de la phase de descente des impulsions ultrasonores reçues, de sorte que les signaux de réception 269 27 sont effacés pendant les phases de montée et de descente. La tension U6 à la sortie du commutateur à seuil zéro 18 prend la valeur 'r1" logique, pendant chaque demi- alternance positive du signal de réception 27 et, la -tension U7 à la sortie du commutateur à seuil zéro 19 prend la valeur "1" logique pendant chaque demi-alternance négative du signal de réception 26. Par la combinaison ET des tensions U6 et U7 on obtient à la sertie 21 des impulsions de mesure 29 (tension U8) dopt la durée 6 correspond à la différence de temps de propagation /\t Lors de l'impulsion suivante 22 de la tension de commande U1, le processus de mesure décrit se répète.Chaque impulsion 22 déclenche ainsi la formation de 64 impulsions,de- mesure 29. Pour la durée 6 des impulsions de mesure 29, on a b étant la longueur du parcours de mesure 2, cm la vitesse dtécoulement du liquide, c0 la vitesse du son dans le liquide, V le débit volumétrique et X une constante. La figure 4 représente la disposition de mesure décrite, 1, sous forme de- bloc, comportant l'entrée de commande 15 ét la sortie 21. À l'entrée de commande 15 est relié un générateur d'oscillations 30 qui est commandé par un capteur de température 31, détectant latempérature du liquide en écoulement, de telle sorte que la fréquence f1 de la tension de commande U1 (figure 2) engendrée par le générateur d'oscillations, dans un intervalle de température donnée, est liée à la température du liquide par la même loi que le carré de la vitesse cO du sonO Donc, au sein de l'intervalle de température prescrit, on a : f1 # k2 . co k2 étant une constante. Si la disposition de la figure 4 doit servir de compteur de quantité de chaleur, le générateur d'obscessions 30 est en outre relié à un capteur de température d'aller 32 et à un capteur de température de retour 33. Le capteur 32 mesure la température du liquide en écoulement avant son entrée dans un appareil consommateur de chaleur, non représenté, et le capteur 33 la température du liquide qui reflue de cet appareil à un générateur de chaleur.Le générateur d'oscillations 30 est commandé, par le capteur de température d'aller 32 et le capteur de température de retour 33, de telle sorte que la fréquence f1 est proportionnelle à la différence entre la température d'al ler'F et la température de retour Tr, ce qui fait que l'on a :: f1 # k2 . (Tv - Tr) . co La sortie 21 de la disposition de mesure i est reliée à la première entrée d'une porte ET 34, dont la deuxième entrée est reliée à un générateur d'échantillonnage 35 et dont la sortie conduit, en passant par un étage diviseur d'impulsions 36, à un compteur d'impulsions 37; Le générateur d'échantillonnage 35 engendre de préférence des impulsions d'échantillonnage étroites ayant une fréquence de répétition constante f20 Le processus de mesure décrit plus haut, déclenché par les impulsions 22, se répète à la fréquence f1 ce qui revient à multiplier ô par f1'. A la sortie de la porte ET 34 apparaissent des impulsions de comptage dont la fréquence moyenne de répétition est : : f3 = k3 . f1 . f2 . # # k1 . k2 . k3.(Tv - Tr) . V La fréquence moyennne de répétition f3 est donc pro portionnelle au produit de la différence de température Tv - Tr par le débit volumétrique V. En additionnant les impulsions de comptage dans le compteur d'impulsions 37, on détermine la quantité de chaleur Q pour laquelle on a, à supposer que le coefficient thermique soit constant Q = k S ) .V at Si l'on omet les capteurs de température 32 et 33 ou si l'on les remplace par des résistances fixes, le compteur a'impulsions 37 détermine le volume débité V V = k # V dt Le parcours de mesure ultrasonique 2 (figure 1) est conçu de telle sorte que lorsque le débit V est maximal, le déphasage Lt (figure 3) ne dépasse pas 1800. Cela permet de détecter le déphasage de façon très simple, comme on l'a décrit.La durée maximale ô des impulsions de mesure 29 est alors égale à la moitié de la durée des périodes de ltosaillateur à modulation 10 (figure 1), donc, dans l'exemple ci-dessus, elle est de 0,5 psO Si la fréquence de répétition f2 est par exemple de 40 MHz, on obtient donc à la sortie de la porte ET 34, pour chaque impulsion de mesure 29, un maximum de 20 impulsions de comptage0 Toute- fois, étant donné que dans la pratique il se produit toujours des variations statistiques du débit et de la température du liquide, on obtient, malgré l'échantillonnage des impulsions de mesure 29 à une fréquence finie, une définition très poussée du résultat de mesure. La disposition de la figure 5 se distingue seulement de celle de la figure 4 par le fait qutun générateur dtimpul- sions 38, qui engendre une fréquence constante, est relié à la sortie de commande 15 de la disposition de mesure 1 et que le générateur d'oscillations 30 est reliée à la deuxième entrée de la porte ET 34. Le résultat e mesure reste le même que pour la figure 4. Sur la figure 6, les mêmes références désignent les mêmes parties que les précédentes. Le générateur d'impulsions 38 est à nouveau relié à l'entrée de commande 15 de la disposition de mesure 1. La sortie 21 de la disposition de mesure 1 commande un commutateur 39 disposé à la sortie d'un convertisseur analogique-fréquence 40 et qui, dans l'état fermé, relie un organe de mesure 41 à ce convertisseur. L'organe de mesure 41 relié au capteur de température d'aller 32 et au capteur de température de retour 33 fournit un courant proportionnel à la différence de température ~Ur. La moyenne du courant sous forme d'impulsions, I, à l'entrée du convertisseur analogiquefréquence 40, est proportionnelle au produit de la différence de température Dv~Ur par la durée ô des impulsions de mesure 29. A la sortie du convertisseur analogique-fréquence 40 apparaissent des impulsions de comptage ayant une fréquence de répétition proportionnelle à ce produit. Les impulsions de comptage arrivent, en passant par l'étage diviseur d'impulsions 36 placé à la suite du convertisseur 40, au compteur d'impulsions 37 où elles sont additionnées. Le capteur de température 31, relié au convertisseur 40, influence la fréquence du générateur d'oscillations 42 comprenant l'organe de mesure 41, le commutateur 39 et le convertisseur analogique-fréquence 40 de la même façon que celle du générateur d'oscillations 30 (figures 4 et 5). Pour mesurer le volume écoulé, on peut omettre l'organe de mesure 41 et brancher à sa place sur le commutateur 39, une source de courant constante ou de tension constante. La figure 7 montre un exemple d'exécution aussi bien du générateur d'oscillations 42 comportant l'organe de mesure 41, le commutateur 39 et le convertisseur analogique-fréquence 40 que pour le générateur d'oscillations 30, lorsqu'on omet le commutateur 39. L'organe de mesure 41 est formé, sur la figure 7, d'un pont de mesure qui comprend les capteurs de température 32, 33 et deux résistances 43, 44o Le convertisseur 40 comporte un amplificateur différentiel 45 dont l'entrée sans inversion est reliée directement et l'entrée d'inversion, éventuellement par l'intermédiaire du commutateur 39, à la diagonale du pontde mesure. Un condensateur 46, qui forne avec l'a-plificateur différentiel 45 un intégrateur, est branché entre l'entrée d'inversion et la sortie de l'amplificateur différentiel 45. L'entrée sans inversion de l'amplificateur différentiel 45 est re-liée à l'entrée sans inversion d'un autre amplificateur différentiel 47 dont la sortie est couplée à son entrée d'inversion et constitue un zéro artificiel 48. Le capteur de température 31, non linéaire dans le cas présent, forme avec une résistance fixe 49 un diviseur de tension dépendant de la température du liquide en écoulement, branché sur la sortie de l'intégrateur 45, 46 et sur le zéro 48 et dont la prise conduit a' un commutateur à seuil 50.Le rapport de ce diviseur de tension est approximativement lie à la température du liquide, dans un intervalle prescrit, par la même loi que le carré de la vitesse du son dans le liquidez La sortie du commutateur à seuil 50 commande dans l'exemple représenté un interrupteur de décharge 51 et forme la sortie de fréquence 52 du générateur droscillations 30, 42e L'organe de mesure 41 fournit à l'intégrateur 45, 46 un courant proportionnel à la différence - de température N ~r. La tension Ue à la sortie de l'intégrateur augmente donc de façon linéaire. Aussitôt que la tension partielle Ua prise au diviseur de tension 31, 49 atteint le seuil du commutateur 50, celui-ci répond et assure la fermeture'de l'interrupteur 51'. De condensateur 46 se décharge par l'interrupteur 51; le commutateur à seuil 50 bascule à nouveau à la position de repos et le processus décrit recommence0 La fréquence de répétition à la sortie 52 est proportionnelle, à la fois, la différence de température IV-'Pr et au rapport du diviseur de- tension. La décharge du condensateur 46 par l'interrupteur 51, quand le seuil est dépassé, constitue l'un de plusieurs moyens usuels dans les convertisseurs analogique-fréquence-. Àu lieu de cela, on peut appliquer le produit dit de compensation de charge et amener au condensateur 46, chaque fois que le seuil est dépassé, un signal constant de charge de compensation. En outre, on peut appliquer le procédé dit de transfert de charge, dans lequel on change la polarité du signal d'entrée du conver tisseur analogique-fréquence 40 chaque fois qu'un seuil supérieur est dépassé au commutateur 50 et chaque fois que la tension tombe en-dessous d'un seuil inférieur. Le graphique de la figure 8 montre, à titre d'exemple, la relation entre le carré de la vitesse cn du son dans l'eau et la température Tm de celle-ci. En outre, on a porté le rapport du diviseur de tension 31, 49 en fonction de la température Tm du liquide, cette fonction pouvant être réalisée à l'aide d'une résistance à coefficient de température négatif 2 constituant le capteur 31. Les courbes co et se coupent aux points Tm = 200C et Tm = 750C. Dans l'intervalle 20aCTm Les compteurs volumétriques et de quantité de chaleurs décrits se contentent de deux transducteurs ultrasoniques, ils sont très simples et fournissent tout de même un résultat de mesure pratiquement indépendant de la variation de la vitesse du son dans le liquide sous l'influence de la température. Grâce à la modulation décrite des impulsions d'émission et à l'effacement des phases montante et descendante des signaux de réception, on peut utiliser des transducteurs ultrasoniques qui ont une courbe de fréquence relativement mauvaise et sont donc peu coûteux REVENDICA2IONS 1) Compteur volumétrique ou de quantité de chaleur pour milieux liquides comportant un parcours de mesure ultraso -nique, deux transducteurs ultrasoniques et un dispositif d'interprétation servant à engendrer des impulsions de comptage dont la fréquence moyenne de répétition est proportionnelle au débit volumétrique, ainsi qu'un compteur d'impulsions servant à additionner les impulsions de comptage, caractérisé par le fait que les transducteurs ultrasoniques sont reliés d'une part à un organe émetteur servant à exciter périodiquement et simultanément les deux transducteurs ultrasoniques pas des impulsions d'émission et d'autre part à un organe de mesure de différence de temps de propagation servant à former des impulsions de mesure dont la durée correspond à la différence de temps de propagation entre les impulsions émises et reçues par les transducteurs ultrasoniques, que le compteur comprend aussi un générateur dtoscillations qui est commandé, par un capteur de température détectant la température du fluide en écoulement, de telle sorte que la fréquence des oscillations engendrées, dans un intervalle de température donné, est liée à la température du liquide par la même loi que le carré de la vitesse du son dans le liquide, et que l'organe émetteur, l'organe de mesure de différence de temps de propagation et le générateur d'oscillations sont disposés, dans un circuit multiplicateur, de telle sorte qu'à la sortie de ce dernier sont engendrées des impulsions de comptage dont la fréquence moyenne de répétition est égale au produit de la durée des impulsions de mésure par la fréquence des oscillations du générateur. -2) Compteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'organe émetteur est commandé à la fréquence du générateur d'oscillations et que la sortie de l'organe de mesure de différence de temps de propagation est reliée à une première entrée d'une porte ET à la deuxième entrée de laquelle est relié un générateur d'échantillonnage0 3) Compteur selon la revendication 1,- caractérise' par le fait que l'organe émetteur est commandé à la fréquence constante d'un générateur d'impulsions et que la sortie de l'organe de mesure de différence de temps de propagation est reliée à la première entrée d'une porte ET à la deuxième entrée de laquelle est relié le générateur d'oscillations. 4) Compteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le générateur d'oscillations comporte un convertisseur analogique-fréquence dans entrée duquel est disposé un commutateur commandé par la sortie de l'organe de mesure de différence de temps de propagation. 5) Compteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le générateur d'oscillations comporte un diviseur de tension formé du capteur de température et d'une résistance fixe et dont le rapport de division, dans un intervalle de température donné, est liée à la température du liquide par la même~loi que le carré de la vitesse du son dans le liquide. 6) Compteur selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le générateur d'oscillations comporte un couver- tisseur analogique-fréquence muni d'un intégrateur et d'un commutateur à seuil situé à la sortie et que le diviseur de tension est branché entre la sortie de l'intégrateur et l'entrée du commutateur à seuil. 7) Compteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que l'organe émetteur comporte un modulateur servant à moduler les impulsions d'émission à une fréquence constante et que l'organe de mesure de différence de temps de propagation présente, du caté de la sortie, une porte ET qui est reliée à un organe de commande et n'est libérée par celui-ci qufaprès la fin de la phase montante et au plus tard au début de la phase descendante des impulsions ultrason ores reçues. 8) Compteur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que la fréquence des oscillations engendrées par le générateur d'oscillations est proportionnelle à la différence entre une température d'aller et une température re de retour du liquidez 9) Compteur selon l'une des revendications 6 et 8, caractérisé par le fait que le oonvertisseur analogiquefréquence est relié à un pont de mesure qui comporte un capteur de température d'aller et un capteur de - température de retour.