Brevet FR2509460A1 — publié le 19830114

i Dispositif à ultrasons pour la mesure du débit d'un fluide dans un conduit. La présente invention concerne un dispositif à ul- trasons pour la mesure du débit d'un fluide dans un conduit, et se rapporte en particulier à un dispositif basé sur le prin- cipe de la mesure de l'écart ou de la différence de phases pré- senté par deux signaux à fréquence ultrasonore qui sont échan- gés entre deux transducteurs électro-acoustiques l'un en sens inverse de l'autre à l'intérieur d'un conduit dans lequel cir- 1 O cule le fluide en question. Plus précisément, la présente invention est rela- tive à un dispositif du type spécifié plus haut et qui peut avantageusement être utilisé dans le domaine automobile pour la mesure des débits d'air dans les moteurs à injection directe, pour lesquels on a observé que l'intervalle de valeurs des dé- bits massiques à mesurer est typiquement compris entre O et grammes à la seconde et présente des variations très brus- ques. Ainsi qu'il est connu, dans les dispositifs de me- sure du type spécifié ci-dessus, les transducteurs électro- acoustiques sont avantageusement logés dans la paroi d'un tube qui délimite le conduit et suivant un axe incliné sur l'axe du conduit, de sorte que les signaux qu'ils échangent sont directe- ment proportionnels au module de la vitesse du fluide dans le conduit et sont par ailleurs influencés par l'angle que la droi- te joignant les transducteurs forme avec l'axe du conduit. On a cependant observé que les indications fournies par de tels dispositifs ne comportent une bonne possibilité de corrélation entre la variation de phase et le débit massique d'air que dans des conditions d'écoulement laminaire à faible débit ( 20 g/s) tandis qu'elles ne sont plus fiables lorsque l'écoulement à l'intérieur du conduit est turbulent, c'est-à- dire lorsque les composantes radiales du vecteur qui représente la vitesse deviennent importantes en pourcentage relativement aux composantes axiales Malheureusement, dans le domaine des applications automobiles, le degré de turbulence de l'air qui circule dans le conduit de mesure est relativement élevé de sorte -qu'actuellement, aucun des dispositifs du type spécifié plus haut ne s'est révélé approprié pour effectuer des mesures de débit fiables D'un autre côté, l'utilisation de dispositifs de type mécanique n'est pas absolument avantageuse dans ces cas, d'une part, en raison de leur inertie qui exerce une influence négative sur la vitesse de réponse, d'autre part, par le fait qu'en raison de leur structure, qui comporte des parties méca- niques en mouvement, ils sont plus sujets aux détériorations dues à l'usure. Le but de l'invention est de réaliser un dispositif de mesure du débit d'un fluide dans un conduit qui fournisse des indications sur la valeur du débit du fluide, qui puisse être avantageusement utilisé pour la mesure des débits de fluide gazeux dans un large intervalle de valeurs de la vitesse du fluide, qui possède une vitesse de réponse élevée, qui soit par conséquent capable de suivre des variations de portée rapides, qui possède des prestations non dégradables dans le temps grâce a l'absence de pièces mécaniques en mouvement, qui soit en outre fiable et qui enfin présente dans l'ensemble un coût limité. Suivant l'invention, le dispositif pour la mesure du débit d'un fluide dans un conduit est caractérisé en ce qu'il comprend s une paire de transducteurs électro-acoustiques logés dans la paroi d'un tube qui définit ledit conduit, et disposés face à face suivant un axe incliné d'un angle prédéterminé sur l'axe du conduit, chacun desdits transducteurs étant destiné à transformer un signal électrique possédant une fréquence d'une valeur prédéterminée en une onde ultrasonore qui se propage dans le fluide vers le transducteur diamétralement opposé,ainsi qu'à recevoir une telle onde ultrasonore et à la convertir en un signal électrique; un élément collimateur du fluide qui occupe entière- ment la section transversale d'une zone dudit conduit et qui est disposé en amont de la paire de transducteurs électro- acoustiques, un générateur destiné à engendrer ledit signal électrique qui possède une fréquence de valeur prédéterminée, et à alimenter lesdits transducteurs; et des moyens de traitement qui sont reliés aux trans- ducteurs et qui fournissent une indication relative à la difúé- rence de phase entre les signaux ultrasonores reçus par les transducteurs, et qui établissent la liaison entre cette dif- férence de phase et le débit du fluide dans le conduit. Un mode de réalisation de l'invention sera à pré- sent décrit à titre d'exemple non limitatif et en regard des dessins annexés sur lesquels s la figure 1 illustre la composition vectorielle de la vitesse du fluide dans un conduit avec la vitesse de pro- pagation de deux ondes ultrasonores dans ce conduit; la figure 2 est un schéma d'un dispositif de me- sure réalisé suivant l'invention, qui comprend en même temps le schémablocs d'un circuit électronique; la figure 3 montre l'allure de variation des si- gnaux électriques prélevés en quelques points du schéma de la figure 2; et la figure 4 est une vue en perspective de dessus d'une forme préférée de réalisation d'un détail qui fait partie du dispositif de mesure de la figure 2. On se reportera maintenant en particulier à la fi- gure 1 Sur cette figure, on a représenté le schéma de l'inte- raction d'un fluide 5 en mouvement à une vitesse t avec deux ondes ultrasonores 3, 4 engendrées par deux transducteurs 1, 2 orientés suivant une direction qui forme un angle e avec la di- rection du mouvement du fluide Chacun des deux transducteurs est destiné à recevoir une partie de l'onde ultrasonore engen- drée par l'autre transducteur et qui se propage dans la direc- tion de la droite qui joint les deux transducteurs Les vitesses respectives de propagation l C 2 des ondes 3 et 4 peuvent être calculées au moyen des constructions vectorielles indiquées sur le dessin, dans lesquelles les cercles tracés en traits inter- rompus ont pour rayon le module de la vitesse t du son dans le fluide étudié. Sur la figure 2, on a désigné dans son ensemble en 33 un dispositif de mesure du débit d'un fluide qui circule à l'intérieur d'un conduit 6, plus précisément entre une section d'entrée 6 a et une section de sortie 6 b de ce conduit 6. Le dispositif 33 comprend essentiellement un seg- ment instrumenté 11 du conduit 6 parcouru par le fluide à mesu- rer, une chaine de transmission 12, une chafne de réception et de traitement 14 et une chatne de temporisation 13. Dans le segment instrumenté 11 est montée la paire de transducteurs électro-acoustiques 1, 2 chacun est logé dans la paroi 7 d'un tube 8 qui définit le con- duit 6 En particulier, les transducteurs 1 et 2 sont disposés face à face et suivant un axe incliné d'un angle prédéterminé (avantageusement l'angle e de la figure 1) sur l'axe du conduit 6 Suivant l'invention, le segment instrumenté 11 comprend un élément collimateur 9 (représenté plus clairement sur la figu- re 4) qui occupe entièrement la section transversale d'une zone du conduit 6 disposée entre les sections d'entrée 6 a et de sortie 6 b du conduit 6 et en amont de la paire de transducteurs 1, 2. La cha ne de transmission 12 comprend un oscilla- teur 22 et un amplificateur 21, connectés en cascade En parti- culier, l'oscillateur 22 engendre pendant un intervalle de temps d'une durée pré-établie, un signal électrique sinusoldal ou rec- tangulaire ayant une fréquence appropriée qui est de l'ordre de quelques centaines de k Hz, dans le cas de la mesure de dé- bits de fluides gazeux, tandis que, dans le cas de la mesure des débits de fluides liquides, elle est avantageusement de l'ordre de quelques M Hz. La chaine de réception 14 présente, connectés en cascade à partir d'une paire d'inverseurs 15 et 16, une paire d'amplificateurs 23, 24, un comparateur de phase 25 et un cir- cuit échantillonneur commandé 26 La sortie de ce dernier est connectée à' l'entrée d'un circuit de traitement 27, dont la sor- tie alimente un groupe indicateur 28, par exemple du type com- prenant des éléments d'affichage à sept segments. L'unité de temporisation 13 comprend trois tem- porisateurs 30, 31, 32 dont chacun a son entrée activée par un oscillateur 29 et sa sortie reliée à des entrées d'habilitation de l'oscillateur 22, du circuit d'échantillonnage 26 et des in- verseurs 15 et 16. Sur la figure 3, on a reporté l'allure des varia- tions dans le temps de signaux électriques V 1, V 2, V 3, V 4, V 5, V 6, qui sont prélevés en des points du schéma de la figure 2 qui sont indiqués par les mêmes références. Comme on peut le voir en se reportant en particu- lier aux figures 1 et 4, l'élément collimateur 9 possède sensi- blement une section transversale en nid d'abeilles ayant les mêmes dimensions que la section transversale du conduit 6 dans la zone 10, et qui présente une série de trous traversants 34 parallèles entre eux et également parallèles à l'axe du conduit 6 L'élément collimateur 9 peut être réalisé en n'importe quel- le matière suffisamment rigide et résistante, en prenant soin de limiter à une valeur minimale le rapport entre la surface oc- cupée par la matière et la surface des trous 34. Avant de passer à la description du fonctionnement du dispositif de mesure 33, on donnera un bref exposé théorique relatif à la loi qui lie la différence de phase des ondes ultra- sonores reçues par les transducteurs 1 et 2 au débit du fluide circulant dans le conduit 6 On introduira l'hypothèse générale- ment bien vérifiée que la vitesse t du fluide est constante en module et en direction en tous les points du conduit 6. Comme on peut le voir sur la figure 1, le module de la vitesse X de propagation d'une onde ultrasonore émise par le transducteur 1 et qui se propage vers le transducteur 2 le long de la droite qui joint les deux transducteurs est don- née par J =uos Q ( 1) C 1 = cos O c sin 2 O et, de même, le module de la vitesse C 2 de propagation dtune onde ultrasonore émise par le transducteur 2 et qui se propage vers le transducteur 1 le long de la droite joignant les deux transducteurs est donnée par: -6 - ( 2) c 2 = ucos + _ 2 Si l'on indique par v la fréquence de l'onde ultrasonore et par "d" le diamètre intérieur du conduit 6, la variation de phase subie par l'onde émise par le transducteur 1 au moment oh elle atteint le transducteur 2 est: e 2 Tv d ( 3)* sin ( u cos O + C 2 _u 2 sin 20) tandis que la variation de phase de l'onde émise par le transducteur 2 au moment o elle atteint le transducteur 1 est: ( 4) 2 I Tv d sin O ( - _ucos + e 28 N 2 Q) La différence entre les variations de phase ( 3) et ( 4) est ( 5) 6 2 Tr v d 2 U cos sin C 2 U 2 et, si l'on pose = 2 la différence de phases devient s ( 6) 8 = 4 Tvd tg ( u1 02 1 _ U 2 ans la majeure partie des applications de caractère pratique, on peut négliger le terme u 2/C 2, de sorte que la relation entre la différence de phase ô ( et le débit du fluide devient linéaire Si l'on désigne par "G" le débit massique et par " p " la densité du fluide: Td 2 ( 7) G = d p u de sorte que: ( 8) a = 16 v G tg Pc 2 p 2 Pour tous les fluides, le produit p C 2 est une caractéristique du flui- de relative à ses conditions thermodynamiques; pour les liquides, on a: p C 2 = 1/-)( o X est la compressibilité adiabatique; pour les gaz, on a: p C 2 =YP oh Y est le rapport entre les chaleurs spécifiques et p la pression du gaz. On décrira maintenant le fonctionnement du dispositif de mesure 33. Le fluide dont on désire mesurer le débit est in- troduit dans la section d'entrée 6 a du conduit 6, il circule dans l'élément collimateur 9 et dans la section dans laquelle sont disposés les transducteurs 1 et 2 et sort du conduit 6 à travers la section de sortie 6 b La structure particulière de l'élément collimateur 9 permet de réduire à des valeurs abso- lument négligeables les composantes radiales du vecteur vites- se du fluide acheminé à la section d'entrée 6 a Le fonctionne- ment du circuit électronique est subdivisé en deux phases dans la première desquelles les transducteurs électro-acoustiques 1, 2 sont connectés, par l'intermédiaire des bornes de commu- tation 17, 19 des inverseurs 15 et 16, à la sortie de la chatne de transmission 12 Dans la deuxième phase, les transducteurs 1, 2 sont connectés à l'entrée de la chatne de réception 14 par l'intermédiaire des bornes de commutation 18 et 20 des inver- seurs 15 et 16. La position prise par les inverseurs 15 et 16 est déterminée par le niveau du signal V 5 qui est fourni par le circuit temporisateur 32 et est représenté sur la figure 3 e. Le circuit d'échantillonnage 26 est activé par le niveau du si- gnal V 6 fourni par le circuit temporisateur 31 et illustré sur la figure 3 f Finalement, le générateur 22 est activé par le niveau du signal V 4 qui est fourni par le circuit temporisateur 30. Les circuits 30, 31 et 32 sont activés, ainsi qu'on l'a déjà indiqué, par le générateur d'impulsions 29 dont la ten- sion de sortie V 3 est représentée sur la figure 3 c. En particulier, les positions des inverseurs 15 et 16 qui sont représentées sur la figure 2 correspondent à la po- sition effective que ces inverseurs prennent pendant la première phase. Dans le cours de la première phase, le signal V 1 engendré par l'oscillateur 22 est acheminé à travers l'amprliúi- cateur 21 et les bornes 17 et 19 des inverseurs 15 et 16 aux transducteurs 1 et 2 dont chacun émet des ondes de pression ul- trasonores qui, en se propageant dans le fluide, atteignent le transducteur opposé La période de temps pendant laquelle le si- gnal est acheminé aux transaucteurs est indiquée par T O sur la figure 3 a. La première phase se termine avec la commutation des inverseurs 15 et 16 sur les bornes 18 et 20, commutation qui est commandée par le signal V 5 à la fin de la période T 4 indiquée sur la figure 3 e. Commence alors la deuxième phase pendant -laquelle les transducteurs 1 et 2 se comportent comme des éléments ré- cepteurs et envoient à l'entrée de la ligne de réception 14 les signaux que chacun reçoit du transducteur opposé En particu- lier, les signaux reçus par les transducteurs 1 et 2 sont en- voyés, à travers les amplificateurs 23 et 24, au comparateur qui en mesure la différence de phase Le signal de sortie du comparateur 25 est échantillonné pendant l'intervalle de temps T 6 indiqué sur les figures 3 a, 3 f et traité ensuite dans le cir- cuit 27 qui permet d'établir la liaison entre la différence de phase ainsi mesurée et le débit du fluide La sortie du circuit 27 pilote finalement le groupe afficheur 28. De l'examen des caractéristiques du dispositif 33 réalisé conformément à l'invention, on peut conclure que ce dis- positif permet de surmonter les inconvénients présentés par les dispositifs connus et spécifiés plus haut. L'adoption de l'élément collimateur 9 permet d'ef- fectuer avec une bonne fiabilité des mesures de débit sur des fluides qui présentent un degré de turbulence élevé comme dans le cas des gaz. Grâce à la grande vitesse d'échantillonnage, le dispositif 33 peut avantageusement être utilisé pour les mesures de débit dans le domaine automobile, en particulier dans les mo- teurs à injection directe En effet, si l'on fait émettre simul- tanément les deux transducteurs pendant un temps dans lequel sont contenues par exemple 40 ondes ultrasonores (c'est-à-dire pendant 160 ps à la fréquence de 250 k Hz), et en mettant suc- cessivement en réception les transducteurs, on a des temps de mesure de l'ordre de 400 ps tandis que, dans les dispositifs connus, il n'est pas possible de descendre au-dessous de quel- ques ms. Finalement, l'emploi du temporisateur 30 délimite étroitement le temps pendant lequel le signal est transmis aux transducteurs 1 et 2 et élimine par conséquent la présence de bruits de fond dus, par exemple, à des couplages électro-magné- tiques indésirables. Finalement, il est évident que l'on peut apporter différentes modifications et variantes au dispositif décrit plus haut sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, lorsque dans les moteurs considérés, il se produit à certains instants déterminés des écoulements inversés d'une certaine valeur, il peut être avantageux de mon- ter un deuxième collimateur, avantageusement moins long que le collimateur 9, immédiatement en aval des transducteurs 1 et 2 et qui occupe entièrement la section 6 b du conduit 6 De cette façon, il serait également possible de mesurer également avec précision le débit des écoulements inversés et, par conséquent, le débit effectif de l'air envoyé au moteur. REVENDICATIONS 1 Dispositif à ultrasons pour la mesure du débit d'un fluide dans un conduit, caractérisé par le fait qu'il com- prend une paire de transducteurs électro-acoustiques ( 1, 2), logés dans la paroi ( 7) d'un tube ( 8) qui définit ledit conduit ( 6), et disposés face à face suivant un axe incliné d'un angle prédéterminé sur l'axe du conduit ( 6), chacun desdits transduc- teurs ( 1,2) étant destiné à transformer un signal électrique possédant une fréquence d'une valeur prédéterminée en une onde ultrasonore qui se propage dans le fluide vers le transducteur diamétralement opposé, ainsi qu'à recevoir une telle onde ultra- sonore et à la convertir en un signal électrique; un élément collimateur ( 9) du fluide qui occupe entièrement la section transversale d'une zone ( 10) dudit con- duit ( 6) et qui est disposé en amont de la paire de transduc- teurs électro-acoustiques ( 1, 2), un générateur ( 22) destiné à engendrer ledit si- gnal électrique qui possède une fréquence de valeur prédéter- minée, et & alimenter lesdits transducteurs ( 1, 2); et des moyens de traitement ( 25, 26, 27, 28) qui sont reliés aux transducteurs ( 1, 2) et qui fournissent une in- dication relative à la différence de phase entre les signaux ultrasonores reçus par les transducteurs ( 1 2), et qui établis- sent la liaison entre cette différence de phase et le débit du fluide dans le conduit ( 6). 2 Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que ledit élément collimateur ( 9) présente une sec- tion transversale en nid d'abeilles. 3 Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 et 2, caractérisé en ce que ledit élément collimateur ( 9) est équipé d'une série de trous traversants ( 34) parallèles entre eux et parallèles à l'axe du conduit ( 6). 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de commutation ( 15, 16) destinés à connecter les transducteurs ( 1,2) audit générateur ( 22) ou auxdits moyens de traitement ( 25, 26, 27, 28) et des moyens de commande ( 32) desdits moyens de commutation ( 15, 16) qui commandent ces moyens de telle maniè- re que lesdits transducteurs ( 1, 2) soient alternativement con- nectés tous deux audit générateur ( 22) ou tous deux auxdits moyens de traitement ( 25, 26, 27, 28). Dispositif selon la revendication 4, caracté- risé en ce que lesdits moyens de commande ( 32) comprennent un circuit temporisateur. 6 Dispositif-selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens temporisateurs ( 30) qui habilitent la transmission du signal électrique émis par ledit générateur ( 22) pendant des interval- les de temps d'une durée pré-établie (To). 7 Dispositif selon l'une quelconque des reven- aications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de traite- ment comprennent un circuit comparateur de phases ( 25) compor- tant deux entrées respectivement connectées aux deux transduc- teurs ( 1, 2) et une sortie qui est connectée à des moyens d'af- fichage ( 28) par l'intermédiaire d'un circuit d'échantillonnage ( 26) et d'un circuit de traitement ( 27). 8 Dispositif selon la revendication 7, caracté- risé en ce que ledit circuit d'échantillonnage ( 26) est comman- dé par l'intermédiaire d'un circuit temporisateur approprié ( 31). 9 Dispositif selon les revendications 4, 6 et 8 caractérisé en ce que lesdits moyens de commande ( 32), lesdits moyens temporisateurs ( 30) et ledit circuit temporisateur ( 31) sont commandés de façon synchrone par l'intermédiaire d'un os- cillateur ( 29). Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend un autre élé- ment collimateur du fluide qui occupe entièrement la section transversale de ladite zone ( 10) dudit conduit ( 6) qui est dis- posée immédiatement en aval de ladite paire de transducteurs électro-acoustiques ( 1, 2).