Brevet FR2450456A1 — publié le 19800926

'invention se rapporte à un vglocimètre a onde accustique. Â ce jour, sont déjà connus des velociLètrès par analyse de 1 de la vitesse modification apparentefldes ondes acoustiques entre leurs points d'émission et de réception. En effet, ces ondes se propageant dans un milieu, sous la forme de vibrations mécaniques de ce milieu, lorsque ce milieu se déplace par rapport à un observateur, la vitesse apparente de progression de l'onde se trouve modifiée; la mesure de cette modification donne une composante de la vitesse du fluide. Dans les réalisations connues, afin d'éliminer une partie des modifications dues au milieu luimeAme, l'onde est analysée dans les deux sens opposés d'une même direction en utilisant pour l'émission et la réception deux transducteurs servant dans un premier temps, l'un d'émetteur et l'autre de récepteur, alors que dans un second temps, ces transducteurs voient leurs rôles inversés par actionnement d'un dispositif de commutation tel qu'un relais, un circulateur etc... Ces transducteurs tels que des quartz, des céramiques Siézo- électriques etc... sont, par ce dispositif de commutation, raccordE à un circuit de mesure de manière que les modifications subies par les signaux envoyés successivement dans un sens et dans l'autre traduisent bien la valeur et le sens du déplacement du milieu tel aucun fluide liquide ou gazeux. Certains vélocimètres à ondes acoustiques de type connu ut i- lisent un circuit de mesure conçu pour déterminer les temps de propagation dans les deux sens et calculer la différence entre ces temps (brevet français 2.264.119); d'autres utilisent un circuit conçu pour effectuer une mesure de la différence des fré minimisant quences j le produit d'intercorrelation des signaux émis et reçus et ce dans chaque sens (brevets français 2.308.104 et 2.332.536). La première méthode présente de nombreux inconvénients : l'éner- gie utile en réception est faible; la mesure est influencée par des réflections parasites génantes; la différence de temps qui est très faible est difficile à mesurer; la correction nécessaire pour éliminer l'influence de la célérité des ondes acoustiques dans le milieu est lourde à mettre en oeuvre. Par rapport à cette première méthode basée sur la différence de temps, la seconde basée quant à elle sur la différence de fréquence a l'avantage d'offrir une forte énergie en réception et d'assurer une mesure qui est indépendante de la célérité des ondes acoustiques dans le milieu, lorsque celle-ci ne varie que faiblement. Un tel vélocimètre à ondes acoustiques travaillant par différence de fréquence comprend un circuit de mesure bouclé dans lequel un dispositif d'intercorrelation tel qu'un comparateur ou détecteur de phases reçoit à chacune de ses deux entrées l'une les signaux d'émission et l'autre de réception et ce, soit directement, soit indirectement et par exemple après amplification. En sortie de ce dispositif, on obtient alors une tension qui est fonction de la différence de phase entre les deux signaux. Cette tension est appliquée, généralement après amplification, voire même filtration à un oscillateur à fréquence commandée qui, tant que boucle est verrouille correotement corrigera la fréquence du signal qui, après amplification excitera le transducteur d'émission. A ce circuit est relié un dispositif pour mesurer la fréquence et effectuer les calculs de différence des fréquences, de débit de densité massique etc... Les vélocimètres à ondes acoustiques mesurant la différence de fréquence présentent toutefois des inconvénients majeurs - une ambiguité importante quand la longueur d'monde est courte par rapport à la distance entre les transducteurs, - la dépendance de la mesure des variations de température et d'autres paramètres susceptibles d'influer sur la célérité fortement des ondes acoustiques dans le milieu quand celle-ci varie Un résultat que l'invention vise à obtenir est un vélocimètre à ondes acoustiques travaillant par mesure de la différence de fréquence tout en permettant de lever l ambiguité susmentionnée et en étant corrigé automatiquement en cas de variations des pa ramètres susceptibles d'influer sur la célérité. A cet effet, l'invention a pour objet un vélocimètre du type cité plus haut, notamment caractérisé en ce qu'entre le disposi tif dintercorrelation et l'oscillateur, le signal passe par un filtre en fréquence et un limiteur de tension et en ce qu'il com prend un circuit distinct réglant la fréquence doyenne de 'a boucle. L'invention sera bien comprise à l'aide de la descriJtion ciaprès faite, à titre d'exemple non limitatif, en regard du dessin ci-annexé qui représente le vélocimètre en vue schématique. En se reportant au dessin, on voit que le vélocimètre comprend deux transducteurs 1,2 qu'un commutateur 3 raccorde dans un ;-re- mier temps (selon dessin) avec le premier transducteur 1 comme émetteur et l'autre 2 comme récepteur, alors que dans un autre temps, ces transducteurs voient leurs rôles inversés. Les transducteurs sont raccordés à un circuit bouclé comprenant un dispositif tel une porte " OU-CLUSIF " ou un multiplicateur de tension 4 permettant d'extraire la phase ou d'effectuer l'intercorrelation entre les signaux 5,6 d'émission et de réception reçus à ses entrées. Les signaux de réception sont de préférence reçus après avoir traversé un amplificateur 7 à gain variable, réglé par un système 8 de commande devin en vue d'envoyer adit multiplicateur 4 un signal d'amplitude constante afin de s'affranchir des dérives dues à l'offset du phasemètre et des autres amplificateurs. En sortie du multiplicateur 4 le signal 10 traverse un premier ampliScateur Il puis un amplificateur 12 destin " + ou - 1", qui est commandé par un microprocesseur 13. Ensuite le signal parvient à un filtre en fréquence 14. Le multiplicateur 4 de type analogique est raccordé en sortie de l'amplificateur 19 (ou du retard 27). Dans une variante, il peut être de type numérique analogique et sera par exemple formé d'un ccn vernisseur et un inverseur recevant son information d'émission du diviseur 17. Son signal de sortie ainsi contrôlé par l'amplificateur commandé 12 et le filtre 14 est envoyé à un oscillateur à fréquence commandée 15 (vCo) dont le signale sortie 16 traverse un diviseur de fréquence 17 et un conformateur 18 avant d'atteindre un amplificateur de puissance 19 et d'être renvoyé exciter le transducteur émetteur. En sortie de l'oscillateur à fréquence commandée 15, est également puisé le signal 20 envoyé à un compteur 21, indiquant la fréquence du VCO 15 au microprocesseur 13 qui en déduit toute inforia-a- tion utile, et à un dispositif (non représenté) pour cadencer tant les opérations successives de relaxation et de mesure de fréquence d 'oscillateur dans un premier cas lors d'un signal allant du transducteur I au transducteur 2 de même que dans un second cas lors d'un signal circulant en sens inverse entre les transducteurs que l'action du commutateur 3. selon une caractéristique essentielle de l'invention, le circuit comprend en outre un limiteur 22 de la tension du signal retournant à l'oscillateur à fréquence commandée 15 ainsi qu'un circuit dis tinot de commande de cet oscillateur 15 en vue de régler la fréquence moyenne de la boucle par l'intermédiaire d'un convertisseur numérique analogique 23, avec son filtre. De ce fait, l'oscillateur est du type à deux entrées 24,25 ou formé d'un oscillateur à une entrée raccordée à un additionneur à deux entrées. ta correction en fréquence peut s'opérer selon les principes des servo mécanisRes. La commande de l'oscillateur 15 par le signal issu du limiteur 22 permet d'effectuer des excursions de fréquence limitée, avec une constante de temps faible. Un signal approprié 22 est évidemment prévu pour prévenir le micro-processeur 13 que la boucle est vérouillée et donner également le sens de l'erreur. La commande du VCO 15 par le circuit 23 permet d effectuer des excursions de fréquence grande, avec constante de temps grande le traitement se fait par le microprocesseur 13. Grâce à cette boucle d'asservissement à temps de réponse lent et agissant sur la fréquence moyenne, on peut imposer un nombre de longueur d'ondes constant. Pour la mesure de ce nombre, en utilisant la commande à grande constante de temps, on balaye le domaine de fréquence relatif à.la bande passante des sondes et, à chaque fgis que la boucle est verrouillée, on note la fréquence. Quand la fréquence varie le gain de la boucle s inverse naturellement et l'amplificateur commandé 12 permet de n'avoir que des points d'équilibre stable. Une relation mathématique entre ces fréquences permet au microprocesseur de traduire le nombre de longueurs d'ondes et de lever l ambiguité cor res iondante. Cela constitue une phase d'auto-étalonnage. Ensuite, à l'aide de la même cornande, on se place sur l'une des fréquences relevées et la mesure proprement dite peut commencer. tendant cette mesure, cette boucle permet aussi de tenir ce nombre de longueurs d'ondes et de corriger automatiquement les variations des constantes de l'oscillateur à fréquence commandée et celles dues au milieu en fonction par exemple de la température réponse de cette et d'autres paramètres. Dans tous les cas, le temps de / boucle reste plus rapide que les variations très lentes de ces paramètres tels que température, salinité, densité, etc... Le dispositif comprend également un détecteur de l'absence prolongée de signal pour aviser de l'existence d'une varie. Selon une autre caractéristique essentielle de l'invention, un circuit 27, 28 de retard ou de déphasage commandé est prévu au raoins à l'une des entrées du phasemètre 4 et/ou un circuit commandé 9 de décalage en tension, sur la sortie du phasemètre 4, afin de faire varier le temps de transit de l'information et de garder la geree par le microprocesseur 13 fréquence moyenne constante au moyen d'une troisième boucle 29 / ce qui permet alors de corriger efficacement les variations de déphasage en fonction de la fréquence et dues aux sondes 1, 2 de anière à avoir une mesure stable. Il est bien évident que l'invention n'est pas limitée à l'exem ple ci-dessus décrit et représenté, mais qu'elle s'étend également à ses variantes de réalisation. Par exemple, dans le cas de la mesure d'un débit dans une grosse conduite où le nombre de longueur d'ondes serait donc très grand, plutôt que de travailler à une fréquence moyenne basse qui serait influencée par des turbulences, vibrations mécaniques... on peut alors utiliser une onde porteuse de fréquence fixe modulée suivant le procédé connu - fréquencephase-amplitude, le signal étant alors travaillé sur la modulation après démodulation. les applications dc ce vélocimètre à ondes acoustiques sont nombreuses. Il peut servir de débitmètre, de tachymètre, d'ané- momètre, d'appareil de détection de la vitesse apparente d!un mobile par rapport à un fluide, tel un navire, d'appareil de mesure de quantités et/ou de la température, de la densité massique et donc de la pression etc... RD IONS 1. Velocimètre à ondes acoustiques comprenant principalement à - deux transducteurs disposés face à face etXune certaine distance l'un de l'autre sur un axe sécant avec la veine du fluide, liquide ou gazeux, dont on veut mesurer la vitesse, au moins - un circuit de mesure du type formant/une boucle à verrouil lage de phase, et de fréquence - un dispositif de cDmmutation des transducteurs sur le circuit de façon telle que cerix-ci soient raccordés, dans un premier temps, de manière à ce que l'un d'eux soit émetteur et l'au tre récepteur, alors que dans un second temps ces transducé teurs voient leurs rôles inversés dans lequel vélocimètre le circuit de mesure comprend - un dispositif d'intercorrelation recevant distinctement les signaux du transducteur émetteur et ceux du transducteur récepteur et ce éventuellementi notamment pour ce dernier transducteur, après amplification du signal - un oscillateur à fréquence commandé révevant, généralement après amplification voire filtration, le signal de sortie du dispositif d'intercorrelatiopour le corriger avant qu'en sortie de cet oscillateur, ce signal soit à nouveau amplifié et appliqué au transducteur émetteur. - un dispositif de mesure de la fréquence en sortie de l'os- cillateur à fréquence commandée, ce vélocimètre étant c a r a c t é r i s é en ce qui entre le dispositif d'intercorrelation et l'oscillateur, le signal passe par un filtre en fréquence et un limiteur de tension et en ce qu'il comprend un circuit distinct réglant la fréquence moyenne de la boucle. 2. Vélocimètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'entre le dispositif d'intercorrelation et le filtre est interposé un amplificateur commandé de gain + ou - 1". 3. Vélocimètre son la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qutau moins l'un des signaux amenés aux deux entrées du dispositif dtintercorrelation passe par un circuit de retd commandé 4. Vélocimètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le signal de sortie du dispositif d'inter correlation passe par un circuit de décalage En tension commandé 5. Vélocimètre selon l'une quelconque d e revendication 1 à 4, 1 caractérisé en ce que l'amplificateur du signal allant dv transduc- teur récepteur au dispositif d'intercorrelation passe par un ampli- ficateur à gain variable à tension de sortie constante.