Brevet FR2466750A1 — publié le 19810410

La présente invention concerne des appareils de mesure de distance et, en particulier, des détecteurs à ul- trasons. Les détecteurs à ultrasons ont été développés pour mesurer le mouvement d'un élément réflecteur comme l'indique le brevet US 3o140.612. Ce type de détecteur connu, qui cons- titue un moyen pour mesurer le déplacement relatif d'un élé ment réflecteur mobile, ne fournit mas de méthode pour obte- nir la distance relative de l'élément réflecteur par rapport aux éléments transducteurs à ultrasons, permettant d effectuer une mesure directe de la distance. En conséquence, il est souhaitable de disposer d'un détecteur à ultrasons de mesure de distance pour effectuer une mesure de la distance relative d'un élément réflecteur mobile d'une manière directe tout en éliminant l'effet de réflexions ultrasoniques parasites. Un des objets de la présente invention est de four= nir un appareil perfectionné de mesure de distance. Selon la présente invention, un appareil de mesure de distance comprend un premier et un second transducteurs de signaux acoustiques, un élément réflecteur de signaux acous- tiques placé entre les premier et second transducteurs pour réfléchir des signaux acoustiques respectifs en direction des premier et second transducteurs, un premier et un second mo- yens d'excitation pour exciter les premier et second transduc- teurs avec un signal d'excitation en réponse respectivement à des premier et second signaux de commande, un moyen de comman- de pour envoyer alternativement les premier et second signaux de commande aux premier et second moyens d'excitation, et un moyen d'analyse de signaux disposé pour recevoir lesdits si- gnaux d'excitation et pour produire un signal de sortie repre- sentatif de la distance relative entre l'élément réflecteur et chacun des premier et second transducteurs. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention apparaîtront dans la description ci-après, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux des- sins annexés dans lesquels: Fig. 1 est une vue en coupe d'un émetteur à pres- sion différentielle d'un appareil selon la présente inven- tion; 2. Fig. 2 est une vue en coupe d'une variante du corps d'émetteur à pression différentielle de fig. 1; Fig. 3 est une vue en coupe d'un détecteur externe à utiliser avec la structure de fig. 4 et également mis en oeuvre dans l'appareil selon la présente invention; Fig. 4 est une vue en coupe d'une autre variante d'- émetteur à pression différentielle également mise en oeuvre dans l'appareil selon la présente invention; Fig. 5 est un schéma fonctionnel d'un circuit d'a- nalyse de signaux convenant pour une utilisation avec les é- metteurs à pression différentielle des fig. 1 à 4; Fig. 6 est un schéma fonctionnel de circuits détec- teurs de fig. 5. En figure 1, on n'a représenté qu'une partie de la structure ou corps du transmetteur de pression en omettant (car ils sont bien connus) l'entrée, ou barrière, le couver- cle du diaphragme et les connexions sur l'entrée de pression de fluide. Sur le côté périphérique d'une première plaque 2 est fixée une membrane d'arrêt (ou barrière) 4 qui forme un espace 6 avec une face concave de la plaque 2 au-dessous de la membrane 4, cet espace étant rempli avec un fluide de rem- plissage sensiblement incompressible (non représenté). Un con- duit de fluide 8 dans la plaque 2 relie l'espace 6 entre la membrane 4 et la plaque 2 à une pièce d'espacement d'interfa- ce 10 placée de l'autre côté de la plaque 2, opposé à la mem- brane 4. La pièce d'espacement 10 peut être réalisée en tout matériau approprié pour transmettre un signal acoustique tout en-constituant une adaptation d'impédance acoustique entre un transducteur acoustique et une paroi de fixation, par exemple, du verre. Un trou 12 ménagé dans la pièce d'espacement d'in- terface 10 prolonge le conduit de fluide 8 jusqu'à un second conduit de fluide 14 ménagé dans un premier bloc support 16 fait en un matériau stable quant à ses dimensions et ayant un coefficient minimal de dilatation thermique, de tels matériaux étant bien connus dans la technique. Un premier transducteur acoustique, ou à ultrasons, 18, est placé dans une cavité 20 de la plaque 2 et il est fixé 6 la pièce d'espacement 10 de l'autre côté de celle-ci, qui est opposé au premier bloc sup- port 16. Un fil de connexion 22 est disposé pour alimenter en 3. courant électrique le transducteur à ultrasons 18 pour son excitation. Le fil de connexion électrique 22 est disposé pour sortir de la plaque 2 par la cavité 20 et pour être con- necté à un moyen approprié de fourniture de signal électrique associé (non représenté). Une membrane de détection 24 est disposée sur la face du bloc support 16 opposée à celle en contact avec la pièce d'espacement d'interface 10, cette face ayant une forme concave pour permettre de contenir le fluide de remplissage entre la face concave et la membrane de détection 24. Le con- duit de fluide 14 dans le bloc support 16 permet le passage du fluide de remplissage de l'espace 6 sous la membrane d'ar- rêt 4 jusqu'à l'espace entre la membrane de détection 24 et le bloc support 16. Un autre conduit de fluide de remplissage 26 est prévu dans le bloc support 16 entre la face concave du- dit bloc et la pièce d'espacement d'interface 10 en une posi- tion alignée avec le premier transducteur 18. L'autre côté de l'émetteur à pression différentiel- le a une structure sensiblement identique à celle décrite plus haut et elle utilise un second transducteur 30 à ultrasons, ou acoustique, une seconde membrane d'arrêt 32, une seconde pla- que 34, une seconde pièce d'espacement d'interface 36 et un second bloc support 38. La seconde membrane d'arrêt 32 est ainsi fixée par son bord périphérique à la seconde plaque 34 pour former un volume intérieur 39 entre une face concave de la plaque 34 et la membrane d'arrêt 32. Un conduit de fluide est disposé pour relier la pièce d'espacement 36 à l'autre côté de la plaque 34. Un trou 42 dans la pièce d'espacement 36 est disposé pour former un prolongement du conduit de flui- de 40,tandis qu'un conduit de fluide 44 dans le second bloc support 38 forme un autre prolongement du conduit de fluide entre le trou 42 et l'autre côté du second bloc support 38. Le second transducteur à ultrasons est placé dans une cavité 46 de la seconde plaque 34 et il est connecté par un fil de connexion 48 à une source de signaux électriques d'excitation (non représentée). Le second élément transduc- teur 30 est aligné avec un conduit de fluide 50 traversant le second bloc support 38 et il est fixé à la pièce d'espacement d'interface 36 de l'autre côté de celui-ci par rapport au bloc 4. support 38. La membrane de détection 24 couvre aussi une face concave du bloc support 38 de l'autre côté de celui-ci par rapport à la pièce d'espacement d'interface 36. Deux orifices classiques de remplissage de fluide 52 et 54 sont prévus pour alimenter en un premier et en un second fluides de remplissa- ge les conduits de fluide respectifs dans l'émetteur à pres- sion. Les premier et second blocs support 16, 38, sont fixés au bord périphérique extérieur de la membrane de détection 24 par un moyen approprié pour fournir une structure composite étanche au fluide, par exemple un cordon de soudure continu. Les autres éléments de la structure d'émetteur à pression re- présentée à la figure 1 sont maintenus ensemble avec les élé- ments non représentés sur cette figure 1, par des moyens clas- siques connus. En figure 2, on a utilisé les mêmes références pour désigner les éléments communs à cette structure et à l'émet- teur à pression différentielle de la figure 1. Ainsi,les pre- mier et second transducteurs 18 et 30 sont placés dans des cavités 20 et 46 et sont connectés par des fils respectifs 22 et 48 à une source de signaux d'excitation associée (non re- présentée). La cavité 20 est placée dans une première plaqué qui est associée à une membrane d'arrêt annulaire ondulée 62 espacée d'une face onduléeèAdaptation 64 de la plaque 60 pour former un volume intérieur destiné à contenir un premier fluide de remplissage. Une première pièce d'espacement d'in-- terface acoustique d'adaptation d'impédance acoustique 66 est logée dans une cavité prévue dans une face d'un premier bloc support 68 adjacent au premier transducteur 18. Une seconde pièce d'espacement d'interface acoustique 70 est logée dans une cavité prévue dans une face d'un second bloc support 72 adjacent au second transducteur 30. Un conduit de fluide 74 est disposé entre la pièce d'espacement 66 et une face concave opposée du premier bloc support 68 tout en étant aligné avec le transducteur 18. D'une manière similaire, un conduit de fluide 76 est ménagé dans le second bloc support 72 entre la pièce d'espacement 70 et une face concave opposée du second bloc support 72 tout en étant aligné avec le second transduc- teur 30. De plus, une seconde membrane d'arrêt ondulée 80 est dl espacée d'une surface onduléeiàdaptationl 82 de la seconde pla- que de manière à former un volume Antérieur pour contenir un second fluide de remplissage. Auxz fi ures 3 et 4 on a également utilisé des réf6é rences identiques pour désigner des éléments coïmmluns aMu structures représentées auz f2gures 1 et 2, Ainsi, le pre-mier tr 'ansducteur acoustique 1M est monté sur une première piècz doespnacement d.interface 6f elle-mme plac4e dans une cav:ve dans une face d un pie ie 'br noc support 86. Le second trans= ducteur 30Si eat mont sur une secondle pice d2 espacement dÈ 2-in terface 70 eLe= plac3e dans une cavîtité d5un second b,.C support,0.c Une premiere plaque 20, placée sur le haut d l remi':ler bloc supo-rt '3t6,S comporte un trou 22 quîi la travase n"ours: p erme',,e de f'ixe2 le fil de, connexion 22S-,le p -% "e nr rnnsducteur 10 et Lusnesurc de sJ, ?gnaux 5ectai'nd tr andu'[;te (non r'eprésen tée). o e manière analogue, unge '',' IL- LI'2 C.26,,2 e i.E_ r 6S.'_ eD,Bsf i-k ê D, a;{ in il êrS aL F1in f2luide l9o. De me, un seccond ui de. vu dans Ie secod bloc suCpor O U rre- '2.a p;uT' er n f;- r- du second bloc C0 adj acente à la m.embane --ue t5',2ri'tf d5un secon7 d 'tuyaut de fluide i 0. Le second tuyau dle flie bid est prêVu avec une fi Zation au bloc MS pa' un joint 8tancho au fluide e dé,passan't de ce bloc pour fouzn:r un brantchme:S,. de fluide su le tuyau loo 2 la figure 4, on a reprêsen'é un corp-s trasmet= teur de fluide desti né à tre employé avec la structu.re de dé= Àtertion de figure 3o Le corps transmetteur de fluide coip'Dend un bloc 106 qui comporte deux membranes d'arrêt onduilées 62 etc Q0R placées adjacentes aux surfaces ondulées d'adaptation 64 et 32 sur leurs faces opposées. Un premier conduit de fluide 106 est prévu dans le bloc 108 pour relier l espace entre la première membrane d'arrêt 62 et la surface auxiliaire d'adapta- 6. tion 64 avec une extrémité d'un tuyau de fluide 110 qui est fixée au bloc 106 et dépasse de celui-ci. Un second conduit de fluide 112 est prévu dans le bloc 106 pour relier l'espa- ce entre la seconde membrane 80 et la surface auxiliaire 82 à une extrémité d'un second tuyau de fluide 114 qui est aus- si fixé au bloc 106 et dépasse de celui-ci. Les tuyaux de fluide 110 et 114 du bloc 106 sont disposés de manière à ê- tre reliés par tout moyen approprié (non représenté) aux tu- yaux de fluide 100 et 104 représentés dans la structure de détection de figure 3. On a représenté à la figure 5 un schéim fonction- nel simplifié d'un circuit d'excitation des transducteurs a- coustiques utilisés dans l'émetteur à pression des figures 1 à 4 et pour détecter les signaux reçus en provenance des transducteurs. On voiten f igu'o 5,rune représentation simpli- fiée d'un exemple d'émetteur à pression utilisant une dispo- sition de détecteur à distance avec des pressions d'entr6e P1 et P2, pour la structure de détection à disttnc-e décrite en référence aux. figures 3 et -4. n figure 5, on a utilisé les memes références pour désigner les éléments prècédemment décrits au sujet des figures 3 et 4. De plus, le dé. ecteur à distance est connecté au bloc émetteur par des conduIts de fluide 120 et 122 cqui sont branchtlés sur les tuyaux de projec- tion de fluide respectifs des figures 3 et 4. Une première commande de transducteur 124 est connectée au premier trans- ducteur 18 pour lui fournir un signal d'excitation. Un pre- mier circuit détecteur 126 est également connecté au premier transducteur 18 pour recevoir decelui-ci un signal de sortie. Le signal de sortie du circuit détecteur est envoyé à un pre- mier oscillateur à régulation de tension (V.C.O.) 130 pour régler la fréquence de son signal de sortie. Le signal de sortie de l'oscillateur à régulation de tension 130 est en- voyé au circuit détecteur 126 et au circuit de commande 124. De plus, le signal de sortie de l'oscillateur à régulation de tension 130 est envoyé à un circuit calculateur ou d'ana- lyse de signal 132 comme une indication du signal déduit de la réception d'un signal acoustique par le premier transduc- teur 18. Le circuit d'analyse de signal 132 a une sortie 133 o est finalement établi un signal de sortie représentant la 7. pression différentielle entre les pressions d'entrée P1 et P2. Similairement, un second circuit de commande 134 est connecté au second transducteur 30 pour lui fournir un signal d'excitation. Un second circuit détecteur 136 est con- necté au second transducteur 30 pour recevoir un signal de sortie de celui-ci. Le signal de sortie du détecteur 136 est envoyé à un second oscillateur à régulation de tension 138 pour régler sa fréquence. Le signal de sortie de l'oscilla- teur à régulation de tension 138 est appliqué au second cir- cuit de commande 134 et au second circuit détecteur 136, ain- si qu'au circuit d'analyse 132, pour y engendrer un signal d'entrée indicatif du signal de sortie du second transducteur 30. Un circuit de commande de synchronisation 139 est utilisé pour fournir des signaux de synchronisation afin de commander la séquence d'opérations des détecteurs 126, 136, des circuits de commande 124, 134 et du circuit calculateur 132. Bien que la figure 5 représente deux paires de circuits de commande et de détecteur, il est évident qu'une seule paire de circuits de commande et de détecteur pourrait être utilisée avec des circuits de commutation appropriés commandés par le circuit de commande de synchronisation 139 pour multiplexer la seule paire de circuits entre les transducteurs et les oscillateurs à régulation de tension. En figure 6jon a représenté schématiquement un cir- cuit pouvant être utilisé comme circuit détecteur,àsavoir le détecteur 126. Un signal de sortie du transducteur correspon- dant, c'est-à-dire le transducteur 18, est appliqué à l'en- trée d'un amplificateur de signal 142 par une première porte de signal 140 commandée par un signal de synchronisation. Un signal de sortie de l'amplificateur 142 est envoyé à l'entrée d'un détecteur de passage à zéro 144 et d'un détecteur d'am- plitude 146, de tels dispositifs appartenant à la technique connue. Les signaux de sortie du détecteur de passage à zéro 144 et du détecteur d'amplitude 146 sont envoyés aux entrées correspondantes d'une porte ET à deux entrées 148. Le signal de sortie de la porte ET 148 est envoyé à l'entrée d'une bas- cule monostable150 de manière à produire à sa sortie une im- pulsion appliquée à l'entrée d'un comparateur de phases 152. 8. Le comparateur de phases 152 est utilisé pour comparer la phase de l'impulsion provenant de la bascule 150 à celle du signal de sortie d'un oscillateur 130 à régulation de tension correspondant VCO, qui est envoyé au comparateur de phases 152 par l'intermédiaire d'un second commutateur de signal commandé par un signal de synchronisation 156. Un signal de sortie du comparateur dé phases 152 est envoyé à un circuit d'échantillonnage et de maintien 154 dont le signal de sortie est envoyé à l'oscillateur 130 pour contrôler sa fréquence. Le signal de sortie de l'oscillateur 130 est également envoyé à l'entrée du circuit de commande 124 comme on l'a déjà vu au sujet de la figure 5. Le fonctionnement de l'appareil, décrit plus haut, qui sert à détecter la distance entre la membrane de réfle- xion dans l'émetteur à pression, et un transducteur acousti- que peut être simplifié dans le cas général d'un appareil de mesure de distance. Au début du fonctionnement, c'est-à-dire à l'instant zéro, le premier transducteur émet une impulsion acoustique, par exemple de 100 KHz, en direction du réflec- teur qui est supposé être à une distance X de ce transduc- teur. A un instant 2X, o C est la vitesse du son dans le mi- C lieu séparant le transducteur du réflecteur, le signal réflé- chi atteint le premier transducteur. Immédiatement après, une seconde impulsion est envoyée par le second transducteur en direction du réflecteur. La seconde impulsion est réfléchie de l'autre côté du réflecteur et atteint le second transduc- teur à l'instant (0 X), o X0 est la distance entre les deux transducteurs. Si les deux périodes de temps sont dési- gnées par Tl et T2, on a alors: - Tl 2CX X Tl + T2 2C (X0 - X) + 2CX X0 Si, pendant le temps Tl, un filtre RC change d'é- tat par un moyen de commande en réponse à une tension de ré- férence aux instants Tl et T2, et si pendant le temps T2, il est mis à la masse, le signal de sortie du filtre est xx qui fournit la fonction de détermination de position. Bien que ce fonctionnement constitue un mode de fonctionnement alterné sans interférence pour éviter l'interférence entre des si- gnaux transmis par la membrane de réflexion, il n'est pas di- rectement applicable à la détermination d'une position de membrane dans un émetteur à pression différentielle relati- vement petit o la position de la membrane implique une mesu- re en micro-centimètres pour un déplacement total de membrane de millièmes de centimètre, par exemple de 0,013 cm, tel que représenté par des différences de temps d'arrivée en picose- condes, c'est-à-dire, 10=12So Pour lui donner cette aptitude, le circuit représeli té sur la figure 6 est utilisé pour détecter des différences o de phase dans les signaux réfléchis de chaque côté du r6flec- teur quand ils sont comparés à un signal de sortie correspon= dant d'un oscillateur à régulation de tension commandant le transducteur du mmwe côté du rf lecteur, par exemple une différence de 6 ZEz pour un signal de 100 ÀieEz. Le circuit dé- tecteur de chaque cSté du réflecteur fonctionne donc à la ma- nière d'un circuit du type de boucle à blocage de phase pour maintenir la fréquence d'un oscillateur correspondant régu- lation de tension à une valeur en relation de phase nulle a- vec le signal réfléchi du môme côté du réflecteur. Cette fré- quence est déterminée par la posiîtiGn du réflecteur et elle est, en conséquence, représentative de la pression appliquée à l'entrSée savoir la pression P% dans l'exemple décrit. De même2 la fréquence du signal de sortie du second oscillateur à régulation de tension 138 est représentative de la seconde pression d'entrée P2o Un circuit d'échantillonnage et de main- tien peut etre utilisé dans chaque circuit détecteurà savoir le circuit d'échantillonnage et de maintien 154, pour mainte- nir la fréquence de l'oscillateur à régulation de tension correspondant7 l'oscillateur 1307 pendant le fonctionnement alterné du circuit représenté en figure 5. Les deux fréquences de signaux de sortie F1 et F2 des oscillateurs à régulation de tension 124 et 134 sont res- pectivement appliquées au circuit de calcul 132 en vue de ler analyse de manière à produire un signal de sortie représen- tant une pression différentielle. Le circuit de calcul 132 peut être du type analogique, cas o il traite directement les signaux de fréquence provenant des oscillateurs à régula- tion de tension, ou du type numérique, cas o des convertis- seurs analogique-numérique, des circuits de traitement numéri- 10. que, c'est-à-dire un calculateur numérique, sont utilisés ainsi qu'un convertisseur numérique-analogique si nécessaire, pour obtenir un signal de sortie convenable sur la ligne 133, ces dispositifs étant bien connus dans la technique. Dans chaque cas, le calcul est exécuté selon l'une des expressions: f2 f1 et f2 -fe f1 + f2 f2 la première de ces expressions étant préférée car elle pré- sente moins de sensibilité aux effets de température et elle est linéaire par rapport à celle de la structure d'émetteur de distance de membrane. La seconde expression calculée donne cependant une compensation pour la non-linéarité inhérente de l'équation de déviation de membrane. Ces deux techniques sont préférables à une simple relation entre une différence des fréquences tAf et la pression différentielle qui est égale- ment en soi une relation non-linéaire. Evidemment, d'autres techniques de linéarisation peuvent être utilisées, telles que l'emploi d'une table de valeurs linéarisées inscrites dans une mémoire numérique. Le résultat fourni par le circuit de calcul 132 est la distance relative du réflecteur par rap- port aux transducteurs qui représente la différence entre les pressions d'entrée P1 et P2., c'est-à-dire, la pression diffé- rentielle. 11. REVENDICATIONS. 1. Appareil de mesure de distance, caractérisé en ce qu'il comprend un premier et un second transducteurs de signaux acoustiques (18, 126 et 30, 136) un réflecteur de si- gnaux acoustiques ducteurs (18, 30) pour réfléchir les signaux acoustiques res- pectifs en direction des premier et second transducteurs, des premier et second moyens d'excitation (130, 138) pour exciter les premier et second transducteurs avec un signal d'excita- tion en réponse respectivement à des premier et second signaux de commande, un moyen de commande (139) pour envoyer alterna- tivement les premier et second signaux de commande aux pre- mier et second moyens d'excitation, et un moyen d'analyse de signaux (132) disposé de manière à recevoir les signaux d'ex- citation et à produire un signal de sortie représentant la distance relative entre le réflecteur et chacun des transduc- teurs. 2. Appareil de mesure de distance selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que les premier et second trans- ducteurs comprennent chacun un seul élément (18, 30) de pro- duction et de réception de signal acoustique. 3. Appareil de mesure de distance selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que les premier et second trans- ducteurs comprennent chacun un seul élément (18, 30) de pro- duction et de réception de signal acoustique et un détecteur (126, 136) connecté à cet élément pour produire un signal de sortie en réponse à un signal de sortie de cet élément repré- sentant un signal acoustique réfléchi par ledit réflecteur. 4. Appareil de mesure de distance selon la revendi- cation 3, caractérisé en ce que lesdits moyens d'excitation comprennent deux oscillateurs à régulation de tension (130, 138) ayant chacun une entrée connectée pour recevoir un si- gnal de sortie d'un des détecteurs (126, 136) correspondant et comportant chacun un circuit de commande de transducteur 124, 134) dont une entrée est connectée à une sortie d'un os- cillateur (130, 138) correspondant et dont une sortie est con- nectée en fonctionnement à l'élément (18, 30) d'un des trans- ducteurs correspondant. 5. Appareil de mesure de distance selon la revendi- 12. cation 4, caractérisé en ce que ledit moyen d'analyse de si- gnaux(132) est disposé pour recevoir les signaux de sortie des oscillateurs et pour produire un signal de sortie repré- sentant la différence entre les premier et second signaux d'- oscillateurs divisée par la somme des premier et second si- gnaux d'oscillateurs. 6. Appareil de mesure de distance selon l'une quel- conque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il com- prend un bâti pour porter les premier et second transducteurs dans des positions relatives fixes et séparées et comportant un volume clos divisé par ledit réflecteur de signaux en deux cavités séparées, une première entrée pour introduire une première contrainte de pression d'un côté du réflecteur dans une première desdites cavités, et une seconde entrée pour-in- troduire une seconde contrainte de pression de l'autre côté du réflecteur dans la seconde cavité.