Brevet FR2421371A1 — publié le 19791026

La présente invention concerne les débitmètres ultrasoniques du type à temps de transit. Bes débitmètres ultrasoniques de ce type agissent en mesurant le temps de transit d'un signal à travers un fluide en écoulement dans une direction qui présente une composante parallèle à la direction d'écoulement. Ces débitmètres sont sujets à des erreurs de zéro dues à des variations dans les caractéristiques électriques et/ou mécaniques des transducteurs, du fluide, des fiis de connexion et d'autres parties du système, sous l'effet des variations. de température par exemple. L'invention vise à minimiser ces erreurs et elle applique à cet effet le théorème de la réciprocité électroacoustique. Le théorème de la réciprocité électroacoustique est exposé dans un article de 1.1. Foldy et E. Primakoff intitulé "A General Theory of Passive Linear Electroacoustic Transducers and the Electroacoustic Reciprocity Bheorém" et publié dans J. Acbust. Soc. Amer., volume 17, n02 (1945) et volume 19 nol (1947). En bref, ce théorème dit que Si deux transducteurs électroacoustiques sont couplés entre eux par un milieu élastique stationnaire et si un premier signal d'amplitude et de phase déterminées appliqué à ltun des transducteurs a pour effet que l'autre transducteur engendre un signal de sortie ayant une amplitude et une phase particulières, si l'on applique alors le même signal d'entrée déterminé au deuxième transducteur, le premier transducteur engendrera un signal de sortie ayant la meme amplitude et la moeme phase particulières, à condition que l'application et la détection soient effectuées dtune façon appropriée, décrite dans l'article cité . L'invention propose un débitmètre ultrasonique comportant deux transducteurs électroacoustiques espacés disposés de part et d'autre d'un parcours d'écoulement du fluide dont il s'agit de mesurer le débit et placés face à face le long dlun axe ayant une composante parallèle au parcours d'écoulement1 un générateur de courant ou de tension électrique, des moyens permettant de détecter respectivement une tension ou un courant électrique, des moyens de commutation ayant un premier etat dans lequel le générateur est relié au premier transducteur et les moyens de détection au deuxième transducteur et un deuxième état dans lequel les moyens de détection sont reliés au premier transducteur et le générateur au deuxième transducteur, des moyens de rythme permettant de mesurer la différence de temps ou de phase entre l'émission du signal par le générateur et la réception du signal par les moyens de détection pour les deux états des moyens de commutation, et des moyens permettant de convertir ladite différence de temps ou de phase en une indication de débit. Selon le théorème de la réciprocité électroacoustique, si le fluide est stationnaire, la sortie des moyens de détection lorsque les moyens de commutation sont dans leur premier état est la meme que lorsque les moyens de commutation sont dans leur deuxième état. Par conspuent, toute différence entre les deux sorties, lorsque le fluide n'est pas stationnaire, dépend uniquement, en pratique, du débit du fluide. La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut etre réalisée, les particularités qui ressortent tant du dessin que du texte faisant, bien entendus partie de ladite invention. Ta figure 1 est un diagramme illustrant un système obéissant au théorème de la réciprocité électroacoustique la figure 2 une coupe longitudinale d'une tête de débitmètre pouvant servir dans un débitmètre selon l'invention et les figures 3 et 4 des schémas avec blocs de variantes de circuits électriques utilisables avec la tête de débitmètre de la figure 2. La figure 1 montre deux transducteurs électroacoustiques linéaires passifs 1 et 2 enrobés dans un milieu élastique fixe 3 qui peut entre composé d1un certain nombre de solides et de fluides en contact. Chacun de ces solides et fluides peut être homogène et isotrope, mais cela 'est pas essentiel, du moment que les contraintes sont en relation linéaire avec les déformations en tout point du milieu. S1il existe des tensions alternatives de part et d'autre des transducteurs (ou de part et d'autre des extrémités de cibles reliés à ceux-ci) et si des courants alternatifs les traversent, leurs amplitudes complexes étant, dans un cas, V1 de part et d'autre du transducteur 1, V2 de part et d1 autre du transducteur 2, I1 à travers le transducteur 1 et I2 à travers le transducteur 2 et dans un autre cas, V1 de part et d1 autre du transducteur 1, V2' de part et d'autre du transducteur 2, Il' à travers le transducteur I et la' à travers le transducteur 2, la relation entre les tensions et les courants dans les deux cas, selon le théorème de la réciprocité, est la suivante V1 I1' + V2I2' = V1'I1 + V2'I2 ..................(1). En particulier, si I2 = O et I1' = 0 et I1 = I2' , l'équation (1) donne V2 = V1'...................................................(2). Etant donné que cela est valable pour toutes les fréquences, il résulte du théorème de Fourier que, si lton fait passer à travers le transducteur 1 un courant I(t) qui peut être une fonction quelconque du temps et si lton mesure la tension à vide V2 (t) de part et dtautre du transducteur 2, on obtient une fonction de tension qui est identique à la fonction de tension V1' (t) qui existerait de part et d'autre de la sortie de circuit ouvert du transducteur 1 si lton faisait passer le même courant I(t) à travers le transducteur 2. Autrement dit V2(t) = V1' (t).......................................... (3). Ou encore, et de façon similaire, il résulte de l'équation (1) que si l'on applique de part et d'autre du transducteur 1 une tension V(t) qui peut être toute fonction du temps et si l'on mesure le courant I2(t) dans la sortie court-circuitée du transducteur 2, on obtient une fonction de courant identique à la fonction de courant Iî' (t) qui existerait dans la sortie court circuitée du transducteur 1 si la meAme tension V(t) était appliquée au transducteur 2. Autrement dit I2(t) = I1' (t).................................. (4). Comme le montre la figure 2, la tête d'un débitmètre selon l'invention comprend un tube principal 10 muni de deux tubulures latérales 11 et 12 placées face à face le long d'un axe qui coupe le tube principal et qui fait un angle d'environ 600 avec l'axe longitudinal de celui-ci. Bes tubulures li et 12 contiennent des transducteurs électroacoustiques respectifs 13 et 14. Dans la disposition représentée, l'intérieur de chaque tubulure 11, 12 communique avec l'intérieur du tube principal. Dans une variante, les transducteurs peuvent être montés à ltex- térieur d'un conduit par lequel le fluide doit s'écouler, de sorte que le son traverse aussi bien les parois du conduit que le fluide. Dans la disposition représentée, les transducteurs 13 et 14 comprennent des disques piézoélectriques 15 et 16 liés à des barres de résine 17 et 18 liées à leur tour à des joues 19 et 20. Les électrodes (non représentées) qui se trouvent sur la face des disques 154t 16 en contact avec les barres de résine respectives 17 et 18 sont reliées à des bornes respectives 21 et 22 tandis que les électrodes placées sur la face opposée des disques 15 et 16 sont reliées à -la masse Bien que l'on utilise des disques piézoélectriques dans la tête de débitmètre de la figure 2, l'invention s'retend à des débitmètres présentant d'autres formes de materiels piézoéle- triques et d'autres sortes de transducteurs électroacoustiques, par exemple des transducteurs magnétostrictifs, électrostatiques ou électromagnétiques0 Toutefois, pour que le théorème de la réciprocité soit valable, il est nécessaire que les transducteurs de la tette de débitmètre soient du meAme type (voir 1ar ticle de B.7=. Foldy et H. Primakoff, déjà cité). Par exemple, si l'un des transducteurs est électrostatique et l'autre piézoélectrique, ou si tous deux sont piézoélectriques, les transducteurs sont du meme type et le théorème de la réciprocité est valable. Par contre, si l'un des transducteurs est piézoélectrique et l'autre magnétostrictif, les transducteurs sont de types différents et le théorème de la réciprocité n'est pas valable. Ta figure 3 montre un circuit électronique utilisant un discriminateur de phase et destiné à servir avec la têteZde débitmètre de la figure 2. Les transducteurs 13 et 14 sont reliés, par des câbles blindés respectifs 30 et 31, à une unité de commutation 32 de faible impédance à l'état fermé; bien qu'on l'ait représentée schématiquement comme comportant des contacts mecaniciues classiques, cette unité peut en pratique comprendre soit des commutateurs électroniques soit des relais à lames. ='unité de commutation 32 est conçue pour relier l'un des transducteurs 13 et 14 à un générateur de courant alternatif 33 et l'autre à l'entrée 34 d'un discriminateur de phase 35. 'ta sortie 36 du discriminateur de phase 35 est reliée par l'uni-- té de commutation 32 à l'un ou à l'autre de deux condensateurs 37 et 38. quand le commutateur 32 est dans l'état représenté par la figure 3, le générateur de courant 33 est relié au transducteur 13, le transducteur 14 est relié à l'entrée 34 du discriminateur de phase 35 et la sortie 36 du discriminateur de phase 35 est reliée au condensateur 37. quand l'unité de commutation 32 est dans l'autre états le générateur de courant 33 est relié au transducteur 14 et le transducteur 13 est-relié à 11 entrée 34 du discriminateur de phase 35 dont la sortie 36 est reliée au condensateur 38. Be générateur de courant 33 comprend un générateur de tension 39 en série avec une résistance 40 qui est grande en comparaison de l'impédance que l'on voit en regard de la sortie 41 du générateur de courant vers l'intérieur du commutateur 32; I1 est ainsi assuré qu'un courant défini d'intensité -prédétermi née arrive au câble du transducteur émetteur. De même, l'impédance à l'entrée 34 du discriminateur de phase 35, telle qu'on la voit en regardant vers l'intérieur du discriminateur de phase 35, est grande en comparaison de l'impédance au meme point, telle qu'on la voit en regardant vers l'intérieur de l'unité de commutation 32.On est ainsi assuré que la tension à vide à l'extré- mité du cabale du transducteur récepteur est présente à 11 entrée 34 du discriminateur de phase 35. La tension constante engendrée à la sortie 36 de celui-ci; est proportionnelle au déphasage entre les tensions à 11 entrée 34 de celui-ci et à une deuxième entrée 42 reliée à la sortie du générateur de tension 39 pour la référence de phase. Be commutateur 32 est actionné de manière à changer d'état à des intervalles réguliers, par exemple de 10 à 100 ms, choisis assez longs pour qu'il s'établisse une mesure précise du déphasage. Un instrument de mesure 43, branché entre les condensateurs 37 et 38, mesure toute différence de déphasage entre les sorties des deux transducteurs 13-et 14. Selon le théorème de réciprocité exprimé par l'équation (2), quand le fluide est au repos, les déphasages entre les tensions aux points 34 et 42, quand l'unité de commutation 32 est dans chacun de ses deux etats, sont identiques de sorte que l'ins- trument 43 donne une lecture nulle et demeure à zéro- en dépit de toutes variations des propriétés électriques ou acoustiques des transducteurs, du fluide ou des câbles, pendant des temps longs en comparaison du temps pendant lequel l'unité de commutation 32 se trouve dans l'un ou l'autre état. Par contre, si le fluide s'écoule à travers le tube 10, le temps de propagation du son entre les deux transducteurs est plus court quand le son se propage dans le sens d'écoulement du fluideque lorsqu'il se propage en sens opposé.La différence qui en résulte entre les déphasages obtenus quand l'unité de commutation 32 est dans chacun de ses deux états,est indiquée par 11 instrument 43 et donne une mesure de débit. La figure 4 montre une variante de circuit électrique destinée à servir avec la texte de debitmètre représentée par la figure 2 et fonctionnant par oscillation de réaction. Bes deux transducteurs 13 et 14 sont reliés à une unité de commutation 50 similaire à l'unité 32 de la figure 3. Un générateur d'impulsions 51 est relié à l'unité de commutation 50 de sorte que sa sortie 52 est reliée à l'un des transducteurs 13 et 14 tandis que son entrée de déclenchement 53 est reliée à l'autre transducteur par l'intermédiaire d'un amplificateur 54, les connexions des transducteurs 13 et 14 s' inversant quand l'unité de commutation 50 change état. Une petite résistance 55, branchée sur l'entrée l'amplificateur 54, court-circuite en fait le transducteur auquel elle est reliée de sorte que l'entrée à l'amplificateur 54 est une tension proportionnelle au courant qui passe dans la sortie court-circuitée du transducteur précepteur0 La sortie 52 du générateur d'impulsions 51 est aussi reliée à un convertisseur fréquence-tension 56 dont la sortie est reliée par l'unité de coeiiautation 50 à l'un ou à 1' autre de deux condensateurs 57 et 58 de sorte que chaque condensateur est associé à un transducteur respectif, de façon similaire à la disposition de la figure 3. Bes tensions aux condensateurs 57 et 58 sont comparées par un instrument de mesure 59 comme précédemment. Un circuit logique (non représenté) est conçu pour engendrer une seule impulsion initiale de déclenchement afin de déclencher le générateur d'impulsions 51. Ensuite, l'unité de commutation 50 étant dans l'état représenté par la figure 4, cette impulsion initiale excite le transducteur 14 et îlimpulsion acoustique qui en résulte est reçue par le transducteur 13 et sert à déclencher le générateur d'impulsions 51 pour engendrer une nouvelle impulsion. La fréquence de la chaîne dtimpulsions ainsi engendrée est convertie en une tension par le convertisseur 56 et cette tension est emmagasinée par le condensateur 58. Une fois que le nombre d'impulsions aant passé est suffisant pour assurer une mesure précise de leur fréquence de répétition, l'unité de c-ommutation 50 change d'état et une autre chaîne d'impulsions est engendrée, le transducteur 13 jouant maintenant le rôle d'émetteur, La fréquence de cette deuxième channe d'impulsions est convertie en une tension emmagasinée dans le condensateur 57. quand le fluide est au repos dans le tube 10, le théorème de la réciprocité, exprimé par l'équation (4), assure que le temps écoule entre les impulsions successives lorsque le transducteur 13 est émetteur, est égal au temps écoulé entre impulsions suczessives lorsque le transducteur 14 est emetteur, de sorte que l'instrument de mesure 59 est à zéro et reste à zéro quelles lue soient les variations de caractéristiques sur des laps de temps cui sont longs en comparaison du temps pendant lequel l'unité de commutation 50 est dans l'un ou l'autre état. Ainsi, la différence de tension indiquée par l'instrument 59 quand le fluide s'écoule est-une mesure du débit, comme precé gemment. Il va de soi que les modes de réalisation ne sont que des exemples et l'on pourrait les modifier notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. RVENI > ICATI0NS 1) Débitmètre ultrasonique caractérisé par deux transducteurs électroacoustiques espacés disposés de part et d'autre d'un parcours d'écoulement du fluide dont il s'agit de mesurer le doit et placés face à face le long d'un axe ayant une omposante parallèle au parcours d'écoulement, un générateur de cou rant ou de tension électrique, des moyens-permettant de détecter respectivement une tension ou un courant électrique, des moyens de commutation ayant un premier état dans lequel le générateur est relié au premier transducteur et les moyens de détection au deuxième transducteur et un deuxième état dans lequel les moyens de détection sont reliés au premier transducteur et le genéra- teur au deuxième transducteur, des moyens de rythme permettant de mesurer la différence de temps ou de phase entre 1'-missinn du signal par le générateur et la réception du signal par les moyens de détection pour les deux états des moyens de commutation, et des moyens permettant de convertir ladite différence de temps ou de phase en une indication de débit. 2) Débitmètre ultrasonique selon la revendication 1 caractérisé en ce que les premier et deuxième transducteurs sont montés dans des chambres disposées de part et d'autre d'un conduit à travers lequel le fluide soit d'écouler, l'intérieur de chaque chambre étant en communication avec l'intérieur du conduit. 3) Débitmètre ultrasonique selon la revendication 1 caractérisé en ce que les premier et deuxième transducteurs sont montés à l'extérieur dlun conduit à travers lequel le fluide doit s'écouler, le son traversant aussi bien les parois du conduit que le fluide. 4) Débitmètre ultrasonique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les premier et deuxième transducteurs sont placés face à face le long d'un axe faisant un angle d'environ 60 avec la direction du parcours d'écoulement. 5) Débitmètre ultrasonique selon l'une quelconque les revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les deux transducteurs comprennent une matière piezoélectrique. 6) Débitmètre ultrasonique selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les deux transducteurs comprend nent une matière magnétostrietive. 7) Débitmètre ultrasonique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les deux transducteurs sont des dispositifs électrostatiques. 8) Débitmètre ultrasonique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les deux transdu.teurs sont des disBositifs électromagnétiques. 9)- Débitmètre ultrasonique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'un des transducteurs comprend une matière piézoélectrique et que l'autre est un dispositif électrostatique0 10) Débitmètre ultrasonique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'un des transducteurs comprend une matière magnétostrictive et cluse l'autre est un dispositif électromagnétique 11) Débitmètre ultrasonique selon Itune quelconque des revendications 1 à 10 caractérisé en ce quelles moyens de commutation sont conçus pour changer d'état périodiquement. 12) Débitmètre ultrasonique selon la revendication 11 caractérisé en ce que les moyens de commutation sont conçus pour changer d'état à des intervalles réguliers de 10 à 100 ms. 13) Débitmètre ultrasonique selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 caractérisé en ce que le générateur est un générateur de courant alternatif ou de tension alternative et que les moyens de rythme comprennent un discriminateur de phase0 14) Débitmètre ultrasonique selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 caractérisé en ce que le générateur est un générateur d'impulsions de courant ou de tension et que les moyens de rythme mesurent les intervalles de temps entre l'émission et la réception des impulsions.