Brevet FR2483606A1 — publié le 19811204

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour mesurer la hauteur d'un matériau, qui peut être fluide, granulaire ou pâ- teux, dans un réservoir, et notamment pour mesurer la quantité de charbon dans des soutes de stockage verticales. De nombreuses tentatives ont été faites pour mettre au point un sys- tème fiable pour déterminer le niveau du charbon dans des soutes de stockage. Ces soutes ont des formes et des dimensions diverses. Les soutes de surface peuvent être divisées en trois catégories: la première, rectangulaire: 5m de longueur x 5m de largeur par 15m de profondeur; la seconde, circulaire: 8m de diamètre et 30m de profondeur; et la troisième, rectangulaire: 1Dm de longueur x 10m de largeur x 30m de profondeur. Une autre catégorie est constituée par les soutes à puits intérieur sous terre, dans lesquelles le diamètre est de l'ordre de 8-9m et la profondeur comprise entre 50 et 100m. On a utilisé d'une manière ou d'une autre de nombreux phénomènes physiques pour déterminer le niveau de la surface du charbon dans la soute, ou en variante pour jauger le volume du charbon stocké. Tous les procédés habituellement utilisés à ce jour présentent de sérieux incon- vénients et de nombreux procédés se sont révélés inutilisables. Nos recherches ont montré que les problèmes connus peuvent être résolus en utilisant un système de radar pulsé à fort pouvoir de séparation. En conséquence, la présente invention procure un procédé pour mesurer la hauteur d'un matériau en écoulement dans un réservoir ou une soute, dans lequel un rayonnement impulsionnel en provenance d'une source de microondes est projeté vers le bas sur la surface du matériau et le rayonnement de retour réfléchi sur cette surface est traité pour détecter dans la forme d'ondes les impulsions dont les amplitudes variables dans le temps dénotent des réflexions sur la surface en écoulement et pour rejeter les impulsions dont la forme fixe dénote des réflexions sur des parties fixes de la structure de la soute. L'invention procure en outre un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé ci-dessus, comportant une source de microondes à rayonnement pulsé adaptée pour être montée au-dessus ou sur la partie supérieure du réservoir ou de la soute pour projeter ce rayonnement vers le bas sur la surface du matériau en écoulement dans le réservoir ou la soute, des moyens pour recevoir le rayonnement de retour réfléchi sur cette surface, et des moyens pour détecter dans la forme d'ondes de ce rayonnement de retour les impulsions dont les amplitudes variables dans le temps dénotent des réflexions sur la surface en écoulement, et pour rejeter les impulsions ? 48 Sf o in, dont la forme fixe dénôte des réflexions sur des parties fixes de la structure de la soute. Le dispositif selon l'invention n'a pas de problèmes de linéariseur ou de problèmes de lobes latéraux de distance et élimine les ambiguïtés inhérentes aux systèmes d'ondes continues modulées en fréquence (OCMF), tandis qu'il est capable de fonctionner à des niveaux de puissance de sécurité industrielle. On a constaté que, même avec un système puisatoire, les réflexions sur la structure d'une soute peuvent créer des ambiguïtés. On a observé que la seule caractéristique pouvant être utilisée pour éliminer la majorité des ambiguïtés est le mouvement du charbon lui-même. Dans une soute, seul le charbon est en mouve- ment. Il y a le charbon tombant de l'ouverture de remplissage et il y a les mouvements de la surface du charbon dans la soute lorsque celle-ci soit se remplit, soit se vide. La détection de ce mouvement élimine pratiquement complètement les problèmes associés aux obstacles qui rendaient inutilisable l'utilisation des systèmes OCMF. Le dispositif est conçu de telle sorte qu'il opère la discrimination nécessaire entre les deux mouvements du charbon, les signaux provenant de-la chute du charbon de l'ou- verture de remplissage étant éliminés et les signaux provenant de la surface en mouvement étant retenus pour indiquer le niveau du charbon. Des essais ont montré qu'il y a une différence significative entre les composantes basse fréquence du rayonnement de retour du radar. Les composantes provenant du déversement du charbon en provenance de 1'ou- verture de remplissage ont des fréquences sensiblement plus élevées que celles créées par les mouvements de surface. Cette caractéristique permet de détecter aisément et sans ambiguïtés le rayonnement réfléchi sur la surface. On va maintenant décrire des dispositions selon l'invention, à titre d'exemple en se reportant au dessin joint sur lequel: La figure 1 est un schéma bloc simplifié du dispositif montrant les parties essentielles du système selon l'invention; La figure 2 montre des formes d'ondes idéalisées obtenues lorsque le dispositif est utilisé en liaison avec une soute dont la sur- face à mesurer est en mouvement; et La figure 3 donne un exemple schématique d'une réalisation particulière du dispositif. Il est bien entendu que ces figures sont schématiques et représentatives seulement d'un type d'ensemble selon l'invention. Sur la figure 1, on voit une source de microondes comportant un oscillateur à effet GUNN 1 qui est raccordé par l'intermédiaire d'un modu- lateur dit modulateur PIN 2 à une antenne émettrice à pavillQn 3. Le rayonnement réfléchi sur la surface de la soute est recueilli par l'antenne réceptrice à pavillon 4 et envoyé par l'intermédiaire du cristal mélan- geur 5 à un amplificateur vidéo 6. Un petit échantillon du signal émis est prélevé au voisinage de la source de microondes par le coupleur 8 et envoyé également au cristal mélangeur 5. Les composants microondes peuvent être contenus dans un circuit intégré 14 afin de réduire le coût et la dimension de l'ensemble. La sortie de l'amplificateur vidéo 6 est amenée dans le circuit à portes pour l'échantillonnage et la retenue des distances 7, dans lequel l'impulsion de retour est comparée a l'impulsion émise par référence aux circuits de synchronisation 9. Le signal provenant du circuit 7 est envoyé au filtre 10 dans lequel les retours indésirables sont atténués. Le signal contenant l'information de distance est envoyé, par l'intermédiaire de l'amplificateur basse fréquence 11, au circuit de détection 129 o il est conditionné pour être envoyé à l'unité de microprocesseur 13. Les circuits de synchronisation 9 envoient également des signaux à cette.unité de microprocesseur 13 et des signaux émanant de cette unité 13 sont envoyés aux circuits de synchronisation 9. L'unité de microprocesseur utilise un lo- giciel tel qu'il y est construit un algorithme de recherche approprié. La sortie de l'unité de microprocesseur 13 contient l'estimation de la distance actuelle de la surface du charbon dans la soute et peut être utilisée comme sortie à envoyer à un système de commande ou à un indicateur visuel. Les formes d'ondes qui sont montrées sous forme idéalisée sur la figure 2 illustrent les caractéristiques du principe de l'invention du point de vue des formes des signaux. Les impulsions 201 à la fréquence des microondes sont émises de façon intermittente par-l'antenne à pavil- lon 3. Le signal mélangé en provenance du cristal mélangeur 5 prend la forme des impulsions représentées sur les formes d'ondes de retour vidéo 202 et 203. On doit noter que les signaux de retour vidéo 202 en provenance d'objets stationnaires ont des formes nettes qui ne varient pas dans le temps, tandis que les retours vidéo 203 en provenance de cibles en mouvement ont des amplitudes variables dans le temps. La composante basse fréquence conte- nue dans les retours vidéo en provenance des cibles en mouvement indique le type de ces cibles. Les retours vidéo sont traités au stroboscope par les signaux de porte d'échantillonnage représentés en 204. La figure 3 montre schématiquement une réalisation de l'invention sous une forme pratique. L'enceinte 301 contient deux pavillons de micro- ondes 302 et 303. On doit noter que, dans d'autres réalisations, de tels pavillons peuvent être remplacés par un seul pavillon ou une cuvette qui sert à la fois d'émetteur et de récepteur en association avec un élément de recyclage. Deux guides d'ondes 304 et 305 sont associés aux pavillons et sont couplés au circuit intégré de microondes 306. Tous les circuits électroniques associés pour traiter les signaux et pour procurer les conducteurs de puissance particuliers aux circuits sQnt incorporés dans l'unité de traitement 307. Les spécifications d'alimentation en courant de l'unité sont telles qu'elle peut être réalisée pour se conformer aux règiements de sécurité industrielle. En principe, ceux-ci impliquent que les valeurs de tension à l'intérieur de l'unité sQient faibles et que la consommation de courant soit également faible. En outre, aucune partie du dispositif ne contient des inductances ou des capacitances dépassant certains niveaux compatibles avec les spécifications-de sécurité industrielle. Le courant est fourni à l'entrée par le raccord 308 en provenance d'une source de courant à sécurité industrielle approuvée. Le signal de sortie de l'unité est prélevé au raccord 309. En outre, un affichage local 310 de la distance de la surface de la cible peut être donné sur une unité visuelle correctement disposée sur la surface de l'enceinte 301. Les pavillons sont raccordés par leurs bords à l'enceinte en acier dans laquelle sont découpées des ouvertures pour permettre aux signaux de micro- ondes émis de quitter le dispositif et aux signaux de microondes reçus d'y pénétrer. Afin d'empêcher la poussière et d'autres matières étrangères de pénétrer dans l'enceinte, ces ouvertures sont recouvertes par un couvercle transparent aux microondes, de façon caractéristique une feuille de poly- carbonate 311. Dans une réalisation d'un équipement sensiblement similaire à celui représenté sur le dessin, le système émet une impulsion de 30 nanosecondes qui est équivalente à une distance de 10 m. La fréquence des impulsions du système est choisie de façon à permettre une plage de distances de la cible atteignant 200 m. Un dispositif est prévu pour afficher le signal de retour avec la possibilité de choisir tout intervalle de temps désiré depuis le début d'une impulsion. Cet intervalle de temps peut être affiché de telle manière qu'il est traduit en distance en mètres. Un procédé caractéristique d'affichage de cette distance est l'utilisation d'un affichage à cristaux liquides. La distance choisie peut 2 48 3606t également donner une portion brillante sur l'affichage, permettant d'indiquer immédiatement tout retour présentant de l'intérêt, Des démonstrations pratiques du fonctionnement du dispositif montrent qu'il fonctionne particulièrement bien et sans ambiguïté jusqu'à une distance de 200 m. Une autre caractéristique du dispositif est la facilité d'envoyer un signal de sortie de l'amplificateur basse fréquence dans une paire d'é- couteurs. Ceci est particulièrement intéressant pour caractériser la nature de la surface produisant le signal de retour. L'expérience a montré que des surfaces différentes en mouvement ont des signatures sans ambi- guïté. Par exemple, le charbon tombant dans la soute de l'ouverture de remplissage contient de nombreuses composantes sonores à haute fréquence, tandis que les retours de la surface du charbon contiennent des composan- tes qui donnent lieu à un ronflement basse fréquence. Le dispositif selon l'invention a été essayé de façon satisfai- sante dans une soute de 16 m et une soute de 30-m, à la fois lors du remplissage et lors de la vidange. On a également mesuré de façon satis- faisante des soutes avec à la fois des goulottes spirales internes et des goulottes pour chute libre. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Procédé pour mesurer la hauteur d'un matériau en écoule- ment dans un réservoir ou une soute, caractérisé en ce qu'un rayonnement impulsionnel provenant d'une source de microondes est projeté vers le bas sur la surface du matériau et en ce que le rayonnement de retour réfléchi sur cette surface est traité pour détecter dans la forme d'ondes les impulsions dont les amplitudes variables dans le temps dénotent des réflexions sur la surface en écoulement et pour rejeter les impulsions dont la forme fixe dénote des réflexions sur des parties fixes de la structure de la soute. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rayonnement de retour est traité pour distinguer dans la forme d'ondes les composantes basse fréquence indiquant des mouvements de surface des composantes haute fréquence indiquant un déversement du matériau en provenance de l'ouverture de remplissage, et pour éliminer les composantes haute fréquence. 3. Dispositif pour mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une source de microondes à rayonnement impulsionnel adaptée pour être montée au-dessus ou sur la partie supérieure du réservoir ou de la soute pour projeter ce rayon- nement vers le bas sur la surface du matériau en écoulement dans le réservoir ou la soute, des moyens pour recevoir le rayonnement de retour réfléchi sur la surface, et des moyens pour détecter dans la forme d'ondes de ce rayonnement de retour les impulsions dont les amplitudes variables dans le temps dénotent des réflexions sur la surface en écoulement et pour rejeter les impulsions dont la forme fixe dénote des réflexions sur des parties fixes de la structure de la soute. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour traiter le rayonnement de retour pour distinguer dans la forme d'ondes les composantes basse fréquence indi- quant des mouvements de surface des composantes haute fréquence indiquant un déversement du matériau en provenance de l'ouverture de remplissage et pour éliminer ces composantes haute fréquence. 5. Dispositif selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisé en ce que la source de microondes comporte un oscillateur à effet GUNN (1) , un modulateur dit modulateur PIN (2) et une antenne émettrice à pavillon (3). 6. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les moyens de réception comportent une antenne réceptrice à pavillon (4), un cristal mélangeur (5) et un amplificateur vidéo (6). 7. Dispositif selon la revendication 5 et la revendication 6, caractérisé en ce qu'un coupleur (8) prélève un petit échantillon du signal émis au voisinage de la source de microondes et l'amène au cristal mélangeur. 8. Dispositif selon la revendication 6, ou les revendications 6 et 7,caractérisé en ce qu'il comporte un circuit à portes pour l'échan- tillonnage et la retenue des distances (7) pour recevoir la sortie de l'am- plificateur vidéo (6), un filtre (10) pour recevoir la sortie du circuit à portes pour l'échantillonnage et la retenue des distances (7) et pour affaiblir les fréquences indésirables dans la forme d'ondes de retour, un amplificateur basse fréquence (11) recevant la sortie du filtre et un circuit de détection (12) recevant la sortie de l'amplificateur basse fréquence (11). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte un microprocesseur (13) recevant la sortie du circuit de détection et fournissant un signal de sortie représentant la distance de la surface du matériau fluide en dessous des antennes. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte des circuits de-synchronisation (9) couplés au microprocesseur (13) et envoyant des sorties au modulateur dit modulateur PIN (2) et au circuit à portes pour l'échantillonnage et la retenue des distances (7).