Brevet FR2422938A1 — publié le 19791109

L'invention se rapporte aux débitmètres à ultrasons. On sait que ces appareils comportent la mesure de la différence des temps de parcours, à travers le fluide dont on veut mesurer le débit, d'impulsions acoustiques se déplaçant vers l'aval et vers l'amont. suivant le même trajet, oblique par rapport à la direction d'écoulement du fluide. Le procédé couramment utilisé pour effectuer cette mesure consiste à mémoriser la tension atteinte par une rampe à pente rapide lors de l'arrivée des deux échos amont et aval et à comparer les tensions mises en mémoire. A cet effet, on engendre des impulsions calibrées correspondant aux fronts avant des echos et on charge un condensateur par la valeur que la tension de rampe atteint pendant la durée de ces impulsions calibrées. Plus précisément, la memorisation des deux tensions s'effectue habituellement dans le même condensateur, que l'on charge par la rampe à travers une porte analogique débloquée par les deux impulsions calibrées correspondant aux deux échos successifs. Un amplificateur suiveur évite la décharge du condensateur pendant l'intervalle entre les échos. L'inconvénient de ce procédé connu est que, la charge du condensateur s'effectuant de manière exponentielle et la durée de l'impulsion calibrée étant très breve tde l'ordre de 100 nanosecondes par exemple),le condensateur ne mémorise pas la valeur instantanée réelle de la tension de rampe, si bien que la différence des tensions mémorisées représente le débit entaché d'une erreur. Par ailleurs, si, par exemple, le trajet acoustique est momentanément interrompu par une bulle, le manque d'écho qui en découle se traduit par l'indication d'une pointe importante de débit ne correspondant à aucune réalité. Suivant une particularité de l'invention, le dispositif de mesure de la différence des temps de parcours de l'appareil comporte, en parallèle sur le générateur de rampe, deux chaînes de mémorisation distinctes munies chacune d'une porte analogique et d'un condensateur de mémoire, les deux portes analogiques étant respectivement commandées par les deux échos respectifs. Comme on l'expliquera dans la suite, on supprime ainsi les inconvénients précités. Un autre inconvénient des montages connus provient du fait que la vitesse du son dans le fluide est évolutive en fonction de la nature du fluide, de la température et de la pression. Il en résulte que l'instant de réception des échos peut varier jusqu'au point que l'instant de réception des échos ne coïncidera plus avec la présence d'une portion de rampe, celle-ci étant fixe dans les montages connus. C'est pourquoi on est généralement conduit à utiliser des rampes très inclinées, mais ceci, au détriment de la sensibilité du dispositif de mesure. Suivant une autre particularité de l'invention, le dispositif de mesure comprend des moyens d'engendrer, à chaque cycle de mesure, une rampe de mesure de durée brève par rapport au cycle et une rampe auxiliaire de durée suffisante pour couvrir toute la gamme des variations possibles de la position des échos de mesure, des moyens d'engendrer une fonction linéaire de la somme des amplitudes atteintes par la rampe de mesure, lors de la réception de deux échos de mesure successifs, des moyens de comparer ladite fonction, affectée d'un retard, à ladite rampe auxiliaire et des moyens de déclencher la rampe de mesure lorsque lesdits moyens de comparaison indiquent l'égalité. La demi-somme des amplitudes atteintes par la rampe de mesure lors de la réception de deux échos de mesure successifs étant égale à la tension de rampe correspondant à la position des échos pour un débit nul (par rapport à laquelle les échos de mesure sont symétriques3, la fonction linéaire susvisée exprime donc cette position, laquelle est variable en fonction des conditions de propagation des ultrasons. Dans le dispositif de mesure tel que défini ci-dessus, la position de la rampe de mesure est donc asservie à la position des échos et il en résulte finalement que les échos seront toujous reçus Fendant la durée de la rampe de mesure. Les avantages, ainsi que les particularités de l'inven- tion, apparaîtront plus clairement à la lumiere de la description ci-après. Au dessin annexé La figure 1 est un schéma de principe d'un appareil conforme à un mode d'exécution préféré de l'invention, et La figure 2 illustre le fonctionnement de cet appareil, au moyen d'un certain nombre de formes d'ondes. A la figure 1, on a symbolisé par un rectangle,1, l'ensemble des organes de l'appareil qui ne font pas l'objet de l'invention. Avantageusement, ces organes sont du type décrit dans la demande de brevet français déposée le 6 janviér 1978 par la Demanderesse, pour : "Appareil de mesure du débit d'un gaz par transmission d'impulsions ultrasonores et mesure de la différence des temps de parcours amont et aval". Il comporte les moyens d'émission, de réception et de mise en forme des échos. On sait que, dans un tel appareil, deux échos sont formés après parcours suivant le meme trajet oblique, l'un dans le sens amont, l'autre dans le sens aval ou sens d'écoulement du fluide. La différence des temps de propagation b T est proportionnelle au produit de la vitesse moyenne linéaire du fluide par-la projection du trajet ultrasonore sur l'axe des vitesses, et inversement proportionnelle au carré de la célérité c du son dans le fluide considéré. L'invention porte sur les moyens d'obtenir une tension proportionnelle àd T, tension que l'appareil transforme ensuite de façon connue en soi en un débit proportionnel. Dans l'appareil décrit, les échos amont et aval arrivent alternativement au cours des cycles de sondage successifs, sur deux sorties distinctes 101, 102 des organes 1 et sont respectivement appliqués, après mise en forme, aux entrées de validation de deux portes analogiques 2 et 3 qui reçoivent, sur leur autre entrée commune, un signal en forme de rampe issu d'un amplificateur suiveur 4. On a représenté en a, à la figure 2, deux impulsions d'émission successives, E1, E2 et les deux échos correspondants R2 técho reçu par la sonde qui a émis E2) et R1 (écho reçu par la sonde qui ~a émis E1). La ligne en pointillé R' représente la position des deux échos en l'absence de débit, c'est-à-dire que la somme des intervalles de temps R'R2 et R1R' représente hT. La rampe representée en c, figure 2, dont la génération sera expliquée dans la suite, étant appliquée aux portes 2 et 3, lors de l'arrivée de l'écho R2. I'une de ces portes est débloquée, si bien que le condensateur 4 ou 5 correspondant se charge à la valeur de la tension de rampe V1 (figure 2). De même, lors de l'arrivée de l'écho R1, l'autre porte est débloquée, si bien que l'autre condensateur se charge à la valeur de la tension de rampe V2. Il est évident que la tension de sortie de l'amplificateur différentiel 6, proportionelle à V1 - V2, sera proportionnelle à6T, la rampe ayant une pente constante, pourvu que les échos R1 et R2 coïncident avec une portion de la rampe. On expliquera dans la suite comment ce résultat est- obtenu en faisant démarrer la rampe par un créneau b (figure 2) de largeur variable. On notera que l'utilisation de deux portes analogiques (2 et 3) associées à deux condensateurs t4 et 53 et à deux amplificateurs suiveurs (7 et 83 supprime l'erreur qui serait due, dans le cas où l'on utiliserait une seule porte, au fait que la charge du condensateur par celle-ci est exponentielle. En effet, chaque condensateur ne prend ici que la valeur de l'une des deux tensions, valeur qui est pratiquement stable au bout de quelques cycles. Un manque d'échos au cours d'un cycle ne modifie pas la tension mise en mémoire. Les amplificateurs suiveurs, de gain unité et de très haute impédance d'entrée, servent, de façon connue en soi, à empêcher la décharge des condensateurs pendant les intervalles entre les échos. On va maintenant décrire la génération de la rampe de mesure (c) et la régulation automatique de sa position par rapport à R', au moyen du créneau (b). Une source de courant constant 9 charge un condensateur 10, dont la tension aux bornes croît ainsi linéairement de fi à 8 volts. Ce condensateur est déchargé brutalement par un transistor il dont l'émetteur est relié à la masse et dont la base reçoit le créneau (b). Pendant l'état 1 de ce créneau, le transistor est conducteur, pendant l'état 0, il est bloqué. La tension aux bornes du condensateur 10 est transmise aux portes 2 et 3 par l'intermédiaire d'un amplificateur suiveur 12. Il est évident, d'après la figure 2, que si le créneau (b) est trop court, la rampe aura atteint la tension maximum de a volts avant l'arrivée des échos, c'est-à-dire que V1 = V2 = 8 volts. Si, par contre, le créneau (b) est trop long, la rampe n'aura pas démarré au moment de l'arrivée des échos, d'où V1 = V2 O Un amplificateur opérationnel 13 reçoit, sur son entrée positive, les tensions V1 et V2, à travers des résistances 14 et 15 respectivement et, sur son entrée négative, laquelle est reliée à sa sortie par une résistance 16. une tension de référence V3 appliquée à travers une résistance 17. Le montage est tel que la tension de sortie soit V +V V4 = k1 2 - k2 V3, les coefficients k1 et k2 étant déterminés parles2valeurs des résistances 14 à 17. Ces coefficients sont, de préférence, tels que lorsque V1 + V2 = 4 volts. 2 V4 prend une valeur légèrement inférieure à 4 volts. La tension V4 est appliquée. à travers une résistance 18 à une première entrée d'un comparateur 19, dont l'autre entrée est reliée à la sortie d'un montage qui engendre une rampe lente. comme on le verra ci-après. La première entrée est reliée à la masse à travers un condensateur 20. La rampe lente (forme d'onde d, figure 2) est engendrée par la charge linéaire d'un condensateur 21 par une source de courant constant 22. Elle est transmise au comparateur 19 par un amplificateur suiveur 23 et commandée par un transistor 24 dont la base reçoit les signaux de synchronisation de l'émission. Autrement dit, la rampe (d) démarre à chaque émission. Le montage est ajusté pour qu'elle atteigne une valeur approximative de 4 volts lors de l'arrivée de l'écho. La sortie du comparateur 19 (créneau b) est à l'état 1 lorsque la tension de la rampe (d) est inférieure à V4, à l'état O dans le cas contraire. Il en résulte que la rampe (c) démarre lorsque la tension de la rampe (d) atteint la valeur V4. La rampe (d) étant fixe, lorsque V1 + V2 croit (par 2 exemple, par suite du fait que la célérité du son dans le fluide décroît), V4 croît et, par suite, le démarrage de la rampe (o) se trouve retardée. Inversement, lorsque V1 V2 dé croit, le démarrage de la rampe (c) se trouve avancé. 2 A la mise sous tension du montage, les échos apparaî- tront immédiatement, ainsi que la rampe lente td3. Le créneau (b) peut prendre une largeur quelconque. S'il est tres court. on aura, comme on l'a expliqué ci-dessus, V1 = V2 = 8 volts, d'où une forte valeur de V1 +V2 entraînant un allongement du créneau (b).A l'inverse, si ie créneau (b) est très long, on aura V1 = V2 = 0, d'où décroissance du créneau (b). La rampe de mesure se trouve ainsi, dans tous les cas. déplacés de telle façon que la réception des échos s'effectue pendant sa durée. La constante de temps constituée par la résistance 18 et le condensateur 20, placée à l'entrée du comparateur 19, est choisie de façon à assurer un amortissement correct de la boucle, évitant les oscillations autour du point d'équilibre. Dans l'exemple préféré où V4 prend une valeur légèrement inférieure à 4 volts pour ## # ## = 4 volts. la position d'équi- libre correspond au milieu de a rampe de mesure. fin notera que la position de la rampe ae mesure est asservie pour un cycle donné, en tenant compte de la position que l'échois fictif R' occupera au cycle suivant. Ceci est possible du fait que les conditions de propagation ne peuvent normalement varier considérablement au cours de la durée brève d'un cycle de mesure. A titre d'exemple, la durée du cycle est de l'ordre de 1 ms, la durée E1R2, 100 /{ s, la durée de la rampe lente, 20fiAs, et la durée de la rampe de mesure, 2 )ts. Il va de soi que diverses modifications pourront être apportées au montage décrit et représenté, sans s'écarter de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS. 1. Débitmètre à ultrasons comportant des moyens de transmettre cycliquement, dans le fluide dont on veut mesurer le débit, une première et une seconde impulsions acoustiques effectuant, dans des sens opposés, le même trajet oblique par rapport au déplacement du fluide et de recevoir lesdites impulsions, des moyens, comportant un générateur de rampe de mesure, de mesurer la différence des temps de parcours de la première et de la seconde impulsions, lesdits moyens de mesure comportant un condensateur chargé par la rampe à travers une porte analogique débloquée par les impulsions reçues. caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure comportent, en parallèle sur le générateur de rampe, deux chaînes de mémorisation distinctes munies chacune d'une porte analogique et d'un condensateur de mémoire, les deux portes analogiques étant respectivement commandées par la première et la seconde impulsions. 2. Débitmètre à ultrasons selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de mesure comprend des moyens d'engendrer à chaque cycle de mesure une rampe de mesure de durée brève par rapport au cycle et une rampe auxiliaire de durée suffisante pour couvrir toute la gamme des variations possibles de la position des échos de mesure. des moyens d'engendrer une fonction linéaire de la somme des amplitudes atteintes par la rampe de mesure lors de la réception de deux échos de mesure successifs, des moyens de comparer ladite fonction, affectée d'un retard, à la rampe auxiliaire et des moyens de déclencher la rampe de mesure lorsque lesdits moyens de comparaison indiquent l'égalité. 3. Débitmètre à ultrasons selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite fonction prend une valeur légèrement inférieure à celle de la demi-somme desdites amplitudes lorsque ladite demi-somme prend la valeur qui correspond au milieu de la rampe de mesure.