Brevet FR2486648A1 — publié le 19820115

Appareil de mespre à ultra-sons, notamment pour la mesure de la vitesse d'écoulement de fluides. L'invention concerne un appareil de mesure à ultra-sons comportant deux circuits à transducteur ultra-sonore fonctionnant sélectivement comme émetteur ou comme récepteur dont les bornes peuvent être cou- plées sélectivement, au moyen d'un dispositif de com- mutation, avec un générateur de signaux d'émission ou respectivement un amplificateur de réception. Dans un appareil de mesure connu de ce type (brevet américain n0 3 818 757), le générateur de si- -10 gnaux d'émission et l'amplificateur de réception sont reliés à une des bornes de chaque circuit à trànsduc- teur ultra-sonore par l'intermédiaire d'un premier et respectivement d'un second commutateur. Grâce à la fermeture et à l'ouverture alternées, par paire, de ces commutateurs, le circuit de mesure est parcouru par le signal ultra-sonore dans un sens ou dans l'au- tre. De tels appareils peuvent être utilisés de fa- çon très variée. Ils sont par exemple utilisés pour la mesure par ultrasons de la vitesse d'agents ou de fluides. Dans ce cas, lecircuit de mesure est agencé de manière qu'au moins une composante de la vitesse d'écoulement soit dirigée suivant la direction du si- gnal ultra-sonore pour une mesure et suivant la direc- tion opposée pour l'autre mesure. En fonctionnement, il s'est avéré que, dans un appareil de mesure du type décrit précédemment, il apparaît fréquemment un déca- lage du point zéro qui se manifeste par le fait que pour une mesure dans un fluide au repos le signal de mesure a une valeur différente en fonction de la direc- tion. Etant donné qu'on utilise un seul générateur de signaux d'émission et un seul amplificateur d'émission, ces valeurs ne peuvent pas être supprimées comme cela est possible dans les modes de réalisation connus com- portant deux émetteurs. L'invention se propose de fournir un appareil de mesure à ultra-sons du type décrit ci-dessus, dans lequel le décalage perturbateur du point zéro est for- tement réduit et dans le cas le plus avantageux est pratiquement complètement éliminé. Ce problème est résolu suivant l'invention grâce au fait que pour obtenir des impédances termi- nales ayant pratiquement la même valeur pour le quadri- pôle formé par les deux circuits à transducteur ultra- sonore, le générateur de signaux d'émission se présente sous la forme d'un générateur de courant. Dans cet agencement, les deux circuits à trans- ducteur ultra-sonore, y compris les transformateurs de transmission, les câbles de liaison et le circuit de mesure situé entre les deux sont considérés comme un quadripôle qui est constitué par des éléments dont l'impédance est indépendante de l'amplitude et de la direction des signaux. Pour un tel quadripôle, la fonc- tion de transfert est indépendante de l'inversion de ce quadripôle, dans la mesure o les impédances termi- nales ont la même valeur. L'inversion de ce quadripôle correspond exactement à ce qui se passe lorsque les circuits à transducteur ultrasonore sont utilisés alternativement du côté émission et du côté réception. Du fait qu'on utilise un générateur de courant comme générateur de signaux d'émission, il est possible de donner au générateur de signaux d'émission et à l'am- plificateur de réception une impédance de valeur sem- blable et de cette manière d'obtenir des impédances terminales ayant pratiquement la même valeur. De cette manière, on parvient à maintenir, uniquement avec les impédances internes du générateur de signaux d'émis- sion et de l'amplificateur de réception ou en liaison avec d'autres impédances, les impédances terminales pratiquement égales des deux côtés du quadripôle, et de ce fait à réduire le décalage perturbateur du point zéro ou même à l'éliminer complètement. Dans cet agen- cement, des rapports de transmission identiques sont assurés dans les deux directions, même lorsque par exemple les impédances des circuits à transducteur ultra-sonore ne sont pas exactement les mêmes pour des raisons de fabrication ou lorsque ces circuits vieil- lissent différemment avec le temps, par exemple par suite d'un encrassement du circuit de mesure. Les ré- flexions sont également transmises indépendamment de la direction. Les moyens de commutation peuvent également être conçus de manière à n'avoir pratiquement aucune influence sur le décalage du point zéro. En outre, de façon avantageuse, les bornes des deux circuits à transducteur ultra-sonore sont munies, dans les deux positions de commutation, d'au moins une impédance de charge qui est faible par rapport à l'im- pédance du générateur de courant et de l'amplificateur de réception. Ces impédances peuvent contribuer à obte- nir des impédances terminales égales, servir à l'adap- tation ou faciliter l'intégration des moyens de commu- tation. Dans le cas le plus simple, les impédances de charge sont constituées par des résistances ohmiques qui peuvent être fabriquées à faible coût et qui peu- vent être réglées sur des valeurs précises. On peut cependant également utiliser comme impédance de charge des bobines, des condensateurs et des éléments sembla- bles, dans la mesure o leur caractéristique est li- néaire et indépendante de l'amplitude, ou des combinai- sons de différentes impédances. Les impédances de charge peuvent avant tout être dimensionnées de manière à amortir la résonance propre des transducteurs..ultra-sonores. Un mode de réalisation préféré se caractérise en ce que le générateur de courant est respectivement relié à une borne des deux circuits à transducteur ultra-sonore par l'intermédiaire d'une impédance de charge, l'amplificateur de réception est respectivement relié à l'autre borne des deux circuits à transducteur ultra-sonore par l'intermédiaire d'une impédance de charge, et toutes les bornes sont respectivement reliées à la masse par l'intermédiaire d'un commutateur, toutes les impédances de charge ayant la même valeur. Grâce à l'ouverture et à la fermeture par paire des commutateurs diagonalement opposées, qui sont de préférence des com- mutateurs à transistor, les circuits à transducteur ul- tra-sonore et les impédances de charge associées agis- sent dans le sens d'émission et dans le sens de récep- tion. Ceci donne un circuit simple dans lequel tous les commutateurs sont à la masse d'un côté. Les impédances de charge constituent respectivement, par paire, les résistances terminales égales entre elles. Les résis- tances-internes, possédant une valeur ohmique importan- te, du générateur de courant et de l'amplificateur de réception peuvent être négligées par rapport à ces ré- sistances terminales. Dans un autre mode de réalisatin préféré, cha- cune de deux impédances de charge-au moins approxima- tivement de même valeur est montée en parallèle sur les bornes des circuits à transducteur ultra-sonore. Dans ce cas, les impédances de charge sont reliées fixement aux bornes de chaque circuit à transducteur ultra-sonore et peuvent par conséquent être considérées comme faisant partie du quadripôle dont les résistances terminales sont alors formées par les impédances pro- pres très élevées du générateur de courant et de l'am- plificateur de réception. Etant donné que dans ce cas les résistances de charge ne doivent pas être exacte- ment les mêmes, elles peuvent être adaptées de façon très précise à l'amortissement de la fréquence de ré- sonance de chaque circuit à transducteur ultrasonore. - Les premiers commutateurs peuvent être des com- mutateurs à transistors. Il est particulièrement recom- mandé qu'ils soient respectivement constitués par un circuit à transistors montés en Darlington. Avec ce montage, on est assuré que presque tout le courant passe par le circuit collecteur-émetteur et par consé- quent qu'il y a un bon isolement vis-à-vis de la base. Les deux commutateurs sont de préférence formés par un pont de diodes commandé en courant. Celui-ci pré- sente également une résistance très faible, notamment par rapport à l'amplificateur de réception présentant une résistance ohmique importante. Dans de nombreux cas, il est avantageux que le générateur de courant comporte un oscillateur à déclen- chement. Lorsqu'il oscille, on peut obtenir une excita- tion plus importante. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivant de plusieurs modes de réalisation préférés mais non limitatifs représentés aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est un schéma d'un premier mode de réalisation d'un appareil de mesure à ultra-sons suivant l'invention, - la figure 2 est une représentation simplifiée de ce circuit, - la figure 3 est un schéma d'un second mode de réalisation d'un appareil de mesure à ultra-sons suivant l'invention, et - la figure 4 représente une variante d'une partie de ce circuit. Dans le mode de réalisation de la figure 1, dans un tube 1, qui est traversé par un liquide en direction de la flèche 2, est prévu un circuit de me- sure 3 qui est formé des deux côtés par un transducteur ultra-sonore 4 et respectivement 5 de type classique. Le transducteur 4 est relié à un transformateur 7 par l'intermédiaire d'un conducteur coaxial 6, et le trans- ducteur 5 est relié à un transformateur 9 par l'inter- médiaire d'un conducteur coaxial 8. Les éléments 4, 6 et 7 constituent un premier circuit 10 à transducteur ultra-sonore possédant deux bornes Il et 12. Les élé- ments 5, 8 et 9 constituent un second circuit 13 à transducteur ultrasonore possédant deux bornes 14 et 15. Les bornes il et 14 sont reliées par l'intermé- diaire de deux résistances de charge ohmiques Ri et R2, et les bornes 12 et 15 sont reliées par l'intermédiaire de deux résistances de charge ohmique R3 et R4. Chaque borne est reliée à la masse par l'intermédiaire d'un commutateur à transistor Trl, Tr2, Tr3 ou Tr4. Entre les résistances RI et R2 est monté un générateur de signaux d'émission 16 se présentant sous la forme d'un générateur de courant comportant un tran- sistor de commutation Tr5, une résistance de base R5 et une résistance d'émetteur R6. Entre les résistances R3 et R4 est branché, par l'intermédiaire d'un conden- sateur Cl, un amplificateur de réception 17 qui compor- te deux transistors Tr6 et Tr7, les résistances R7, R8, R9, R1O et Rll ainsi que le condensateur de sortie C2. Un dispositif de commande et de sélection 18 délivre, par l'intermédiaire d'un conducteur 19, une impulsion de déclenchement Si au transistor de commutation Tr5 du générateur de courant 16 et reçoit, par l'intermé- diaire du conducteur 20, le signal de réception haute fréquence S2 de l'amplificateur de réception 17. En outre, le dispositif 18 délivre des impulsions de com- mande Q et Q aux commutateurs à transistor Trl à Tr4, pour les rendre conducteurs alternativement par paire. Le résultat de mesure peut par exemple être affiché dans la zone 21. Les résistances de charge ohmiques R1 et R2 ont la même valeur, mais sont faibles par rapport à l'impédance du générateur de courant 16 qui est déter- minée principalement par la résistance R6. Les résis- tances de charge ohmiques R3 et R4 ont la même valeur, mais sont faibles par rapport à l'impédance de l'ampli- ficateur de réception 17 qui est déterminée principale- ment par la résistance R8. Le mode de fonctionnement est le suivant: lorsque le signal de commande Q est émis, on obtient l'état de fonctionnement de la figure 2. Le courant délivré par le générateur de courant 16 se partage en deux parties, dont l'une passe par le circuit série constitué par la résistance de charge Rl et le trans- formateur 7, et dont l'autre passe par la résistance de charge R2. Le signal côté réception délivré par l'intermédiaire du transformateur 9 passe par le cir- cuit série, constitué par les résistances de charge R4 et R3, qui sert de diviseur de tension, de sorte que l'amplificateur de réception 17 est commandé par la chute de tension aux bornes de la résistance de charge R3. Dans ce circuit, les deux circuits 10 et 13 à transducteur ultra-sonore forment entre leurs bornes 11, 12 et 14, 15 un quadripôle pour lequel les variations d'impédance internes n'ont pratiquement aucune influence sur la puissance délivrée par le gé- nérateur de courant. En effet, son courant est déter- miné pratiquement exclusivement par la résistance R6. L'impédance terminale côté entrée du quadripôle est faible et donnée par le montage en parallèle des ré- sistances de charge R2 et Rl à l'entrée du quadripôle. L'impédance terminale côté sortie a la même valeur et est donnée par les résistances R3 et R4. Lors de la co, -mutation du signal de commande Q et d'une nouvelle délivrance de l'impulsion de déclenchement St, l'impul- sion d'émission est délivrée par l'intermédiaire du transformateur 9 et le signal de réception est ramené par l'intermédiaire du transformateur 7. De ce fait, on obtient les mêmes conditions. De cette manière, le décalage perturbateur du point zéro est pratiquement complètement éliminé. Dans le mode de réalisation de la figure 3, on a simplement représenté les transformateurs 107 et 109 avec les bornes associées 111 et 112 et respectivement 114 et 115 pour les circuits 110 et 113 à transducteur ultra-sonore. Le générateur de signaux d'émission 116 possède une constitution différente de celle de la fi- gure 1, l'amplificateur de réception 117 peut àvoir la même constitution. Dans ce mode de réalisation, une résistance de charge ohmique R12 est branchée entre les bornes 111 et 112 et une résistance de charge ohmique R13 est branchée entre les bornes 114 et 115. Les deux résis- tances ont de préférence la même valeur, mais sont faibles par rapport à l'impédance du générateur de si- gnaux d'émission 116, se présentant de nouveau sous la forme d'un générateur de courant, et de l'amplificateur de réception 117. Les résistances de charge servent simultanément à amortir les résonances du circuit à transducteur ultra-sonore qui pourraient provoquer une surrégulation et une non-linéarité dans les moyens de commutation. Le générateur de courant 116 comporte un tran- sistor Tr8 muni d'une résistance d'émetteur R14. Sa base est commandée, par l'intermédiaire d'un transfor- mateur 22, par un circuit oscillateur 23 de type cou- rant commandé par l'impulsion de déclenchement Sl, de sorte que le générateur de courant délivre une os- cillation de courant commesignal d'émission. Le conducteur de sortie 23 du générateur de courant 116 est relié à la borne Il par l'intermédiaire d'un commutateur à transistor Tr9, et à la borne 114 par l'intermédiaire d'un commutateur à transistor TrlO. La base de ces premiers commutateurs se trouve normale- ment à la tension d'alimentation positive par l'inter- médiaire des résistances R15 et respectivement R16, de sorte que ces commutateurs sont bloqués ou ouverts. Elle peut être mise au potentiel négatif, par l'inter- médiaire des amplificateurs 24 et respectivement 25 et des résistances associées R17 et respectivement R18, à l'apparition des signaux Q et respectivement Q. de sor- te que ces commutateurs deviennent conducteurs ou fer- més. La borne 111 est reliée à un commutateur 26 par l'intermédiaire d'un condensateur C3, et la borne 114 est reliée à un commutateur 27 par l'intermédiaire d'un condensateur C4. Les sorties des commutateurs ar- rivent à l'amplificateur 117. Ces deux seconds commuta- teurs sont respectivement constitués par un pontde diodes 28, 29 en amont et en aval duquel sont bran- chées des résistances R19, R20 et respectivement R21, R22. Ces commutateurs sont commandés par les signaux Q et respectivement Q par l'intermédiaire des amplifi- cateurs 30 et respectivement 31. Lorsque par exemple l'amplificateur 30 délivre un signal de sortie positif et l'amplificateur 31 un signal de sortie négatif, un courant circule dans le commutateur 27 avec pour ré- sultat qu'un signal de sortie provenant de la borne 114 peut être transmis à l'amplificateur de réception 117. Le circuit est agencé de manière que le commuta- teur à transistor Tr9 soit simultanément conducteur. Lors de l'inversion des signaux, le commutateur à transistor TrlO est conducteur et le commutateur 28 sert à la transmission du signal de réception. Dans ce circuit, les résistances de charge R12 et R13 peuvent être considérées comme faisant partie du quadripôle, de sorte que les impédances terminales égales entre elles sont formées par les résistances internes très élevées du générateur de courant 116 et de l'amplificateur de réception 117. De ce fait, le générateur de courant 116 présentant une résistance ohmique importante due à sa résistance R14 est chargé par une impédance très faible, étant donné que sur le quadripôle formé entre les bornes 111, 112 et 114, 115 est branché en parallèle, côté entrée, une faible ré- sistance de charge,et que côté sortie, le quadripôle est terminé par une faible résistance. Dans le mode de réalisation de la figure 4, les deux commutateurs à transistor Tr9 et TrlO sont rempla- cés par un montage Darlington 30 et respectivement 31 qui est respectivement constitué par deux transistors Trll et Trl2 et respectivement Trl3 et Trl4. Ce circuit présente l'avantage que seule une petite partie du cou- rant de commutation passe par le circuit de base, de sorte que des non linéarités de ces commutateurs n'ont pas non plus d'influence sur le résultat de mesure. Des variations de toutes sortes des modes de réalisation décrits sont possibles. Par exemple, les seconds commutateurs 26 et 27 peuvent également être remplacés par de simples commutateurs à transistor. Dans un mode de réalisation pratique du cir- cuit de la figure 1, les résistances de charge Rl et R4 possédaient respectivement une valeur de 100l-7. L'impédance du générateur de courant 16 était égale à environ 50 kSL. Dans le cas de l'amplificateur de réception, la résistance R7 possédait une valeur de 200 kflet la résistance R8 une valeur de 33 kSî il REVENDICATIONS 1. APPareil de mesure à ultra-sons comportant deux circuits à transducteur ultra-sonore fonctionnant sélectivement comme émetteur ou comme récepteur dont les bornes peuvent être couplées sélectivement, au moyen d'un dispositif de commutation, avec un généra- teur de signaux d'émission ou respectivement un ampli- ficateur de réception, caractérisé en ce que pour ob- tenir des impédances terminales ayant pratiquement la même valeur pour le quadripôle formé par les deux cir- cuits (10, 13; 110, 113) à transducteur ultra-sonore, le générateur de signaux d'émission se présente sous la forme d'un générateur de courant (16; 116): 2. Appareil de mesure suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les bornes des deux circuits à transducteur ultra-sonore (10, 13; 110, 113) sont munies, dans les deux positions de commutation, d'au moins une impédance de charge (R1-R4; R12-R13) qui est faible par rapport à l'impédance du générateur de cou- rant (16; 116) et de l'amplificateur de réception (17; 117). 3. Appareil de mesure suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les impédances de charge (Ri- R4; R12-R13) sont des résistances ohmiques. 4. Appareil de mesuré suivant l'une des reven- dications 2 ou 3, caractérisé en ce que les impédances de charge (R12, R13) sont choisies de manière à amortir la résonance propre des circuits (110, 113) à transduc- teur ultra-sonore. 5. Appareil de mesure suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le gé- nérateur de courant (16) est respectivement relié à une borne (11, 14) des deux circuits à transducteur ultra-sonore (10, 13) par l'intermédiaire d'une impé- dance de charge (RI, R2), l'amplificateur de réception (17) est respectivement relié à l'autre borne (12, 15) des deux circuits a transducteur ultra-sonore par l'intermédiaire d'une impédance de charge (R3, R4), et toutes les bornes sont respectivement reliées à la masse par l'intermédiaire d'un commutateur (Trl à Tr4) toutes les impédances de charge ayant la même valeur. 6. Appareil de mesure suivant la revendication , caractérisé en ce que les commutateurs sont des com- mutateurs à transistor (Trl à Tr4). 7. Appareil de mesure dans lequel le générateur de signaux d'émission et l'amplificateur de réception sont reliés, par l'intermédiaire d'un premier et res- pectivement d'un second commutateur, a une borne-de chaque circuit à transducteur ultra-sonore, suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chacune de deux impédances (R12, R13) au moins approximativement de même valeur est branchée en parallèle sur les bornes des circuits (110, 113) à transducteur ultra-sonore. 8. Appareil de mesure suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les premiers commutateurs sont des commutateurs à transistor (Tr9, TrIO). 9. Appareil de mesure suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les premiers commutateurs sont respectivement formés par un circuit à transis- tors montés en Darlington (30, 31). 10. Appareil de mesure suivant l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que les seconds commutateurs (26, 27) sont formés par un pont de diodes (28, 29) commandé en courant. 11. Appareil de mesure suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le gé- nérateur de courant (116) comporte un oscillateur à déclenchement (23).