Brevet FR2468105A1 — publié le 19810430

La présente invention concerne de façon générale un appareillage de mesure par ultrasons et plus précisément un transducteur ultrasonore amovible à monter sur une tu- yauterie, permettant la mesure des caractéristiques d'un fluide qui se trouve dans un conduit. Les mesures ultra- sonores des débits et vitesses des courants de fluide dans un conduit peuvent mettre en oeuvre différents procédés tels que l'émission d'ondes se propageant en sens inverses (vers l'amont et vers l'aval), la réflexion ou la mesure par effet Doppler, l'interaction avec les tourbillons arrachés, la corrélation, la mesure du bruit, etc. De nombreuses applications nécessitent que les transducteurs soient couplés à l'extérieur du conduit, sans qu'ils tra- versent la paroi. Dans certains cas, notamment dans les procédés à effet Doppler, un seul des transducteurs doit être cou- plé à la tuyauterie. Dans d'autres cas, deux transducteurs au moins doivent être couplés à la tuyauterie. Les trans- ducteurs peuvent devoir être couplés des deux côtés, du même côté ou, lors de la mesure des tourbillons, le long de la tuyauterie à l'extrémité de trajetsqui peuvent avoir tourner mutuellement. Des pinces connues de montage de transducteurs comportent en général un arrangement à sangle d'un type ou d'un autre fixé directement à des coins d'un trans- ducteur. Par exemple, on a utilisé des colliers pour tu- yauteries souples, entourant à la fois le conduit et le coin comprenant le transducteur. On a aussi utilisé à titre équivalent des arrangements à câble et ridoir. Dans tous les cas, lorsque le dispositif de maintien est serré, la position du transducteur varie du fait du dé- placement du dispositif de maintien. Les dispositifs con- nus ne permettent pas une remise en position précise du transducteur. On connaît déjà des transducteurs ultrasonores à monter sur tuyauteries. Dans un type de problème de me- sure, il est souhaitable que les conditions d'un fluide (et notamment la vitesse d'un courant) soient déterminées à l'intérieur de tuyauteries différentes, à des emplace- ments différents dans une installation, avec un seul dis- positif de mesure. Dans d'autres applications, on peut considérer que les transducteurs se voient attribuer un emplacement particulier et sont collés à la tuyauterie par une résine époxyde ou un caoutchouc se vulcanisant à température ambiante (RTV). Dans le premier cas, il est important que, lorsque les transducteurs ont apporté à un emplacement particulier, ils soient remis dans la même position, car les lectures ont peu de chancesd'être re- productibles même si la vitesse du courant est la même. Non seulement l'emplacement et l'espacement des transduc- teurs doivent être reproduits, mais même les conditions de couplage, par exemple la pression, doivent être repro- ductibles afin que la tuyauterie ne se déforme pas de quantités différentes à des occasions différentes. L'un de ces emplacements peut se trouver sur une boucle d'éta- lonnage de débit. Lorsque l'emplacement est attribué dé- finitivement, lorsque la colle durcit ou se vulcanise, il est important que les transducteurs ne se déplacent pas. En outre, lorsque de tels transducteurs fixes sont placés sur deux ou plusieurs tuyauteries dont les contenus doi- vent être mélangés de façon réglée, par exemple des pig- ments destinés à former un mélange de peinture, il est important que les montages sur les différentes tuyau- teries soient effectués de manière précise. Un problème posé par les transducteurs connus est celui du réglage de la pression mutuelle du transduc- teur et de la tuyauterie ou du conduit. En général, dans les techniques connues, les mêmes éléments qui règlent le serrage du dispositif de maintien sur le conduit rè- glent aussi la pression de contact de l'élément transduc- teur. Une pression trop élevée provoque une détérioration de l'élément alors qu'une pression trop faible permet le glissement longitudinal ou radial du dispositif de main- tien. L'invention concerne un transducteur à monter sur une tuyauterie dans lequel l'élément de maintien a une surface interne destinée à coopérer intimement avec la surface externe du conduit. Alors que l'élément de maintien délimite un plan perpendiculaire à l'axe du con- duit et peut être serré de façon très solide sur le con- duit, il ne porte pas lui-même les transducteurs à sa surface interne et son degré de contact avec le conduit peut être réglé indépendamment. L'élément de maintien ou collier porte un ou plusieurs organes rigides ayant une section en Ut placés parallèlement à l'axe du conduit, chaque or- gane en U portant au moins un élément transducteur, la configuration géométrique de ces organes en U étant telle qu'un trajet oblique d'interrogation est formé dans un plan parallèle à l'axe du conduit. La pression de contact des éléments transducteurs contre le conduit peut aussi être réglée indépendamment. - L'invention donne une grande souplesse pour le réglage de la position du transducteur de manière prédé- terminée ou permet le glissement alterné du transduc- teur dans un guide destiné à donner une position qui est rendue optimale pour ses propriétés de raccordement, d'un signal reçu maximal ou d'un angle réfracté maximal. Un positionnement prédéterminé est avantageux pour une appli- cation bien établie ou lorsqu'un certain nombre de cana- lisations analogues doivent être surveillées. La possibi- lité de mise en position "accordable" peut être préfé- rable dans le cas d'un dispositif expérimental. On note que la pression d'accouplement peut être appliquée avec une vis d'arrêt ou un dispositif ana- logue classique de fixation ou par l'intermédiaire d'un ressort, par exemple un plongeur repoussé par un ressort, du type fabriqué par the Vlier Corp. Lorsque l'appareil doit fonctionner avec des excursions très importantes de température, cet accouplement avec ressort de rappel peut mettre en oeuvre des matières à ressort convenablement choisies telles que l"'Inconel" ou autres afin que l'accou- 2468 105 plement reste convenable malgré les différences de coeffi- cientsde dilatation thermique entre la tuyauterie et le dispositif de maintien. Cependant, des modes de réalisa- tion avantageux sont formés avec des matières présentant des différences faibles de coefficients de dilatation thermique, lorsque les excursions prévues de température sont importantes. Par exemple, la canalisation, le dispo- sitif de maintien et les vis peuvent tous être formés d'une même matière. Les dispositifs de maintien utilisés pour les tuyauteries de verre comportent habituellement une garniture interne évitant l'application de contraintes excessives à la tuyauterie. La configuration à collier fendu a normalement une largeur W inférieure au rayon de la tuyuaterie afin qu'elle n'interfère pas avec une disposition des trans- ducteurs suffisamment près pour qu'ils communiquent le long d'un trajet de propagation en sens inverses ayant une projection axiale DtgO, D représenant le diamètre interne de la tuyauterie et 8 l'angle de réfraction, donné par la loi de Descartes. Dans des mesures de corrélation, l'es- pacement le plus avantageux est compris entre D/2 et 2D, la distance W étant aussi avantageusement inférieure à D/2. Le collier fendu est normalement formé en deux parties afin qu'il puisse être monté sur une tuyauterie existante ou retiré d'une telle tuyauterie, sans ouver- ture de la canalisation. Le collier fendu peut compren- dre des moitiés articulées, ayant des moitiés repoussées élastiquement afin que la manipulation soit facilitée. Cependant, lorsqu'une canalisation est construite en prévision de l'utilisation de débitmètres ou appareils de mesure de vitesse à ultrasons à monter, des colliers en C, c'est-à-dire en une seule pièce ayant une seule vis de serrage peuvent être aussi glissés sur la tuyauterie. De tels colliers peuvent être déplacés sur la longueur mais ils ne peuvent pas être retirés sans ouverture de la tuyauterie. Leur avantage est de présenter une meil- leure sécurité contre le vol. En outre, ils réduisent les risques d'erreur humaine car ils ne peuvent pas être mon- tés par inadvertance sur un tronçon erroné de canalisation. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront mieux de la description qui va sui vre, faite en référence au dessin annexé sur lequel: - la figure 1 est une perspective d'un trans- ducteur réalisé selon l'invention; - la figure 2 est une élévation latérale du transducteur de la figure 1, avec une partie arrachée représentant des détails internes; - la figure 3 est une coupe par le plan repéré par la ligne 3-3 de la figure 2; - les figures 4a et 4b sont des élévations re- présentant des détails de l'élément 77b représenté sur la figure 2; et la figure 5 est une coupe d'un détail d'une variante d'un élément de la figure 2. Les figures 1 et 2 représentent un mode de ré- alisation avantageux de transducteur monté sur une tuyau- terie. Sur ces figures, la tuyauterie ou le conduit 70 de forme générale circulaire contient un fluide 71, en général un liquide, dont la vitesse V doit être déterminée sans traversée de la paroi de la tuyauterie. Ainsi, des ensembles formant des transducteurs à faisceau incliné sont placés de part et d'autre de la tuyauterie, et ils comportent des dispositifs 74a, 74b en forme de coin con- tenant des éléments transducteurs 73a, 73b. Ces derniers sont reliés électriquement par des câbles coaxiaux 75a, 75b à un circuit électronique convenable disponible par exemple auprès de Panametrics, Inc., Waltham, Massachusetts, sous forme d'un débitmètre ultrasonore du type 6000. Les coins sont couplés acoustiquement par un liquide de cou- plage, une couche de graisse, un liquide élastique de cou- plage tel qu'un film élastomère ou un métal mou et résis- tant à l'oxydation, par exemple l'or ou le platine, ou sont collés à la tuyauterie 70. Les transducteurs 73a et 73b communiquent par l'intermédiaire du trajet oblique 72a qui peut correspondre à un segment de droite incliné par rapport à un diamètre. Le trajet oblique est réglé de la manière suivante. Le collier 76 formant un dispositif annu- laire de maintien fendu en deux parties, a un alésage usiné avec précision et est serré autour de la tuyauterie. Des pinces ou colliers de ce type sont disponibles dans le commerce auprès de Ruland Manufacturing Co., Watertown, Massachusetts, pour des dimensions de tuyauteries compri- ses entre environ 25 et 76 mm alors que, pour de plus grandes démensions, de tels dispositifs sont disponibles auprès de Victaulic,So. Plainfield, New Jersey. Un élément 77a, 77b à section en U est monté rigidement et orthogona- lement sur chaque moitié du collier fendu. Cette conne- xion peut être effectuée par soudage comme représenté pour l'élément 77a qui est fixé à la moitié du collier ou par un boulon 79 serré dans un trou taraudé formé dans le collier. La fente ou gorge fraisée assure la perpendicularité entre l'élément à section en U et la pince, c'est-à-dire l'or- thogonalité entre le plan du collier et l'axe de l'élément en U. Comme le plan du collier est aussi perpendiculaire à l'axe de la tuyauterie, l'axe de l'élément et l'axe de la tuyauterie sont parallèles. Le collier est suffisam- ment rigide pour qu'il détermine pratiquement la con- figuration de la tuyauterie à son voisinage si bien que la tuyauterie reste circulaire ou reprend sa forme cir- culaire malgré les faibles excentricités qui peuvent ap- paraître au cours de la fabrication de la tuyauterie et malgré la pression d'accouplement qui peut être appliquée aux ensembles transducteurs. Il faut noter que, bien qu'on ait représenté le conduit 70 sous forme d'un cy- lindre de section droite circulaire, d'autres conduits cylindriques de section rectangulaire ou elliptique peu- vent être utilisés, avec un collier de configuration complémentaire. L'élément 77a représenté a une largeur interne, après usinage, supérieure d'environ 0,1 mm à la largeur * 7 du coin 74a qu'il guide. Des cales ou des vis de contre- clavettes (non représentées)peuvent être utilisées pour la réduction du jeu le cas échéant. Le coin 74a est re- poussé contre la tuyauterie, à l'extérieur, par rotation d'une vis 78a de réglage. Un coin analogue 74b est re- poussé par rotation d'une vis 78b. L'utilisation d'une seconde vis 78d représentée en appui contre un écrou ou un patin en V 78e qui transmet la force de pression à la tuyauterie peut être avantageusement utilisées pour l'é- quilibrage de cette force d'accouplement. Dans certains cas, les deux ensembles transducteurs sontplacés du même côté de la tuyauterie. Ainsi, on a représenté en traits interrompus sur la figure 2 le coin dans l'autre posi- tion 74c, repoussé par une vis 78c contre la tuyauterie afin qu'il reçoive l'impulsion d'interrogation après le parcours sinueux 72b. La figure 3 est une vue de bout des éléments à section en U qui sont diamétralement opposés, repré- sentant aussi les transducteurs centrés dans les éléments de guidage et destinés à communiquer le long de segments de droite inclinés par rapport à un diamètre. Cependant, le collier et les éléments de section en U peuvent être usinés et/ou réalisés avant le montage rigide de manière qu'ils délimitent un trajet d'interrogation oblique qui n'est pas compris dans un plan diamétral. La caractéris- tique principale est l'ajustement précis du collier sur la tuyauterie afin que, compte tenu des tolérances nor- males des tubes ou tuyauteries, le collier puisse être serré facilement et de manière fiable en position fixe et stable et joue le rôled'une plate-forme ou d'un poste de référence. Cette plate-forme, bien qu'elle soit amo- vible, peut en fait rester montée à un emplacement donné alors que les transducteurs peuvent être mis en place, retirés puis remis en place dans les guides formés par les éléments à section en U. Comme le coût du collier fendu est relativement faible, la pratique industrielle impose habituellement le maintienen place du collier sous forme d'un accessoire à demeure sur la tuyauterie, à un emplacement donné de mesure. Cependant, les transduc- teurs qui sont relativement coûteux peuvent souvent être déplacés d'un endroit à un autre lorsque des mesures continues ne sont pas nécessaires à un emplacement dé- terminé, par exemple dans une application de surveillance. Les colliers connus font en général partie du transduc- teur si bien que les colliers doivent être desserrés ou retirés lorsque les transducteurs doivent être retirés. En conséquence, lors du retour à un emplacement donné, en vue de la reproduction d'une condition déterminée de mesure, l'obtention d'une bonne précision est peu pro- bable. Un autre avantage du collier selon l'invention par rapport aux colliers connus est que, alors que les barres de maintien provoquent la formation d'une liaison directe correspondant à un court-circuit acoustique en- tre les paires de coins, l'arrangement selon l'invention introduit plusieurs discontinuités qui ajoutent des impé- dances, sous forme de trajets comprenant des filetages et ayant des interruptions. Le cas échéant, lorsque l'iso- lement doit être meilleur, les vis qu'on a représentées comme en appui direct contre les coins, peuvent être iso- lées par rapport à ceux-ci par disposition d'une simple couche d'une matière acoustiquement différente telle qu'une feuille de "Kapton" ou de "Teflon", ou de plusieurs minces couches de matièresayant alternativement des impédances acoustiques élevées et faibles, par exemple d'acier, d'une matière analogue à de l'amiante ou de "Kapton", d'acier, etc. La mise en oeuvre du collier et des éléments à section en U, comme indiqué sur la figure 2, peut être modifiée par addition de manchons de perçage constituant un dispositif de montage permettant la mise en place sur le terrain de canaux de logement de transducteurs tra- vaillant en milieu humide. Un manchon 79d de perçage est par exemple soudé à 450 dans l'élément à section en U représenté sur la figure 5. Suivant le diamètre de la tu- yauterie, la matière de celle-ci, son épaisseur de paroi, etc., le renforcement du support de l'élément en U peut être souhaitable (qu'il contienne un manchon de perçage ou même uniquement des coins de transducteur) par dis- position d'un second collier fendu, constituant un second dispositif d'ancrage de l'élément à section en U. Comme dans le cas de l'élément ayant le manchon 79d de perçage (mais non représenté), un élément à section en U peut être mis en place avec un arrangement de maintien obli- que ou radial constituant un dispositif de montage uti- lisé pour le soudage lors de la réalisation de canaux de logement de transducteurs montés sur le terrain. Ainsi, un collier fendu de même type peut être utilisé pour une ou plusieurs applications de contrôle de courant de flui- de par ultrasons: une base de support permettant un mon- tageprécis par serrage, une base pour le perçage et pour le soudage de parties utilisées avec des transducteurs de type humide, et une base pour la fixation de transduc- teurs ou de dispositifs de montage de transducteurs à des emplacements déterminés avec précision sur la tuyauterie. Il est bien entendu que l'invention n'a été dé- crite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son ca- dre. REVENDICATIONS 1. Transducteur ultrasonore destiné à la mesure de la propagation d'ondes ultrasonores dans une matière con- tenue dans un conduit de forme générale cylindrique, ca- ractérisé en ce qu'il comprend un collier mobile (76) ayant une périphérie in- terne ajustéeétroitement sur la périphérie externe du conduit (70) dans un plan perpendiculaire à l'axe du cylindre délimité par le conduit, un dispositif de fixation robuste du collier sur le conduit, dans un plan transversal à l'axe du cylindre en un point fixé sur l'axe, un organe de support (77a) fixé rigidement au collier (76) et disposé en direction parallèle à l'axe du cylindre, cet organe délimitant ainsi un plan conte- nant l'axe du cylindre, et au moins un élément transducteur (74a) porté par l'organe de support et destiné à la propagation d'on- des ultrasonores dans le conduit, le long d'un trajet d'interrogation passant dans la matière contenue dans le conduit. 2. Transducteur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que lelément transducteur (74a) est porté de façon amovible par l'élément de support (77a). 3. Transducteur selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il comprend un second élément transducteur (74b) placé sur le conduit à l'extrémité du trajet d'in- terrogation qui est opposée à celle à laquelle se trouve le premier élément transducteur (74a). 4. Transducteur selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il comprend en outre un dispositif (78a) de réglage d'accouplement destiné à régler la pression de contact de l'élément transducteur et du conduit. 5. Transducteur selon la revendication 3, caracté- risé en ce qu'il comprend en outre un second organe de support (77b) fixé rigidement au collier et dépassant du collier parallèlement à l'axe du cylindre, ce second or- gane de support (77b) supportant le second élément trans- ducteur (74b). 6. Transducteur selon la revendication 5, caracté- risé en ce qu'il comprend un dispositif de réglage d'ac- couplement porté par le premier et le second organe de support et destiné à régler la pression de contact entre le premier et le second élément transducteur d'une part et reconduit d'autre part. 7. Transducteur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la périphérie interne du collier amovible porte une garniture. 8. Transducteur selon la revendication 2, caracté- risé en ce que l'élément transducteur peut occuper plu- sieurs positions le long desorganes de support.