Brevet FR2547058A1 — publié le 19841207

La présente invention concerne les appareils permettant de mesurer la vitesse d'écoulement d'un liquide ou d'un gaz et les appareils permettant de mesurer une faible variation de position d'un objet proche Les débitmétres,lochs ou anémométres à ultreasons utilisent pour mesurer la vitesse de déplacement d'un élément ,l'effet 1)ler ; ou alors ils comparent les vitesses de deux ondes émissent dans deux directions différentes formant un angle o( Par conséquent l'invention a pour objet un dispositif permettant de mesurer la vitesse de déplacement d'un solide d'un liquide ou d'un gaz Pour cela il mesure la déviation que sutitun faisceau ultrasonore convergent, émz perpendiculairement à la direction de déplace -ment de l'élément Cette déviation est proportionnelle à la vitesse de déplacement. Pour mesurer cette déviation il utilise un transducteur récepteur dont une des faces est munie d'une électrode résis -tante,l'autre face étant munie d'une électrode conductrice De la variation d'intensité aux bornes des deux électrodes on déduit la variation de la résistance, qui est inversement proportionnelle à la déviation du faisceau ultrasonore donc à la vitesse de déplacement de l'élément D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la déscription qui va suivre , donnée unique -ment à titre d'éxemple non limitatif en référence au dessin dans lequel - la figure 1 est un schéma général de l'appareil - la figure 2 est un schéma du circuit équivalent à la partie réceptrice de l'appareil -la figure 3 est un schéma d'un récepteur piezoélec- trique permettant de mesurer la variation des coordonnées du point de contact entre, un faisceau ultrasonore convergent, et ce sSme récepteur piézoelectrique ma schéma de la figure 1 indique le fonctionnement de l'appareil , L'oscillateur 10 entretient une oscillation électrique de fréquence 2 égale à la fréquence de résonance du transducteur piézoélectrique convergent 12 L'oscillateur 10 est alimenté par un générateur électrique 11 (continu ou alternatif ).Le faisceau ultrasonore convergent 21 émis se propage dans l'élément dont on veut connaitre la vitesse, tout en subissant une déviation dans le sens de la floche 22 ,du fait du mouvement de l'élément Ce faisceau 21 est émis perpendiculairement à la direction de déplacement de l'élément .Ce faisceau entre en contact avec le transducteur récepteur piézoélectrique 19 en un point 23 le point 23 étant le point ae convergence du faisceau ultra -sonore .Le récepteur 19 est constitué de trois parties accolées : premiérement d'une lame en matériau piézoélectrique dont la fréquence de résonance est la même que celle du transducteur 12 Deuxiémement d'une électrode eonductrice plane 15 .Troisiémement d'une électrode en matériau résistant 13 .L'onde ultrasonore provoque mne oscillation mécanique de fréquence F de la lame piézoélectrique 14 ,qui est trans -formée en une oscillation électrique de fréquence F égale a celle de l'onde ultrasonore .Puls cette oscillation électri -que est transmise aux deux électrodes 13 et 15 ,puis par l'intermédiaire des conducteurs 26 ,27 et 28 ,à un amplifica- -teur 16, qui est suivi d'un circuit redresseur 17 Un milliampéremétre alternatif 18 mesure ensuite l'intensité de ce courant ; de sa variation on déduit la variation de la résistance , qui est inversement proportionnelle à la variation de la vitesse de déplacement de l'élément Les solides ,les liquides ,ou les gaz dont on mesure la vitesse de déplacement doivent remplir certains critéres d'homogénéité, de continuité et de constance de certaines de leurs propriétées physiques La déviation D du faisceau est : D V L ,oW V est la vitesse de déplacement de l'élément que l'on mesure; C est la célérité du son dans cet élément,etL est la distance parcourue par les ultrasons .Pour obtenir une déviation D facilement mesurable, il faut que les ultrasons parcourent la distance L la plus grande possible Pour cela il est utile d'avoir un grand nombre de réflexions des ultrasons entre deux surfaces en matériau ayant une grande impédance acoustique ,avant de mesurer la déviation subie par le faisceau La figure 2 représente le circuit équivalent à la partie réceptrice .Le trilame piézorésistif peut être considéré comme l'association d'un trilame piézoélectrique 50 d'impédance interne Ri connue, sans face résistante, et d'une résistance variable 51 .Le trilame piézoélectrique 50 se comporte comme un générateur alternatif de tension Vsin wt, et de courant Isîn wt L'électrode résistante du trilame se comporte comme une résistance 51 variable Rv ,qui est inversement proportionnelle à la déviation du faisceau ultrasonore Le courant est ensuite amplifié par l'amplificateur 16 ;puis il est redressé par le circuit redresseur 17 Puis il est mesuré par le milliampéremétre 18 Nous obtenons d'après la loi de KirchoXfappliquée a ce circuit Veff =( -Rv + Ri )Ieff car le courant et la tension sont en phase .Une variation de la résistance ( Rv + Ri) provoque une variation inversement proportionnelle d'intensité B Ieff. La variation de vitesse est inversement proportionnelle à la variation de la résistance Rv, qui est déduit de la variation d'intensité qui est connue en lisant le milliampéremétre Rv maximum devra être inférieure à Ri , mais du m8me ordre de grandeur Le schéma de la figure 3 indique le fonctionnement d'un appareil découlant du m8me principe que le débitmètre à ultrasons présenté précédemment Un faisceau ultrasonore est émis par un transducteur placé su un mobile,perpendiculairement par rapport au récepteur, Le point de convergence 67 de ce faisceau étant dans le plan défini par le récepteur piézoélectrique qui posséde une électrode résistante 60 .S deux cotés perpendiculaires de l'électrode résistante 60 sont disposées deux électrodes conductrices 65 et 66 reliées à un inverseur 63 s puis à un amplificateur 16 ,suivi d'un circuit redresseur 17, puis d'un milliampéremétre alternatif 18 L'électrode conductrice du récepteur piézoélectrique est reliée par la borne 64 à l'amplificateur 16 Si l'inverseur est sur la position 61 on déduit la coordonnée verticale du point 67;; qui est proportionnelle à la résistance séparant le point 67 de l'électrode 65 ,on la déduit de l'intensité mesurée par le milliampnremétre 8 Si l'inverseur est sur la position 2, on déduit la coordon -née horizontale du point 97, par un procédé analogue Le dispositif objet de l'invention peut être utilisé pour mesurer : le débit dans une canalisation de diamètre important, la vitesse d'un navire par rapport à l'élément marin , la vitesse du vent , ou pour positionner des objets en robotique L'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites ; on pourra mesurer la variation d'intensité aux bornes du trilame piézorésistif ,ou la variation de tension aux bornes de l'électrode résistante par un autre moyen qu'avec un amplificateur et un milliampéremétre ou un voltmètre ; et l'homme de l'art pourra y apporter diverses modifications sans pour autant sortir de son cadre 9 REVENDICATIONS 1 - Appareil mesurant la vitesse d'un solide, d'un liquide ou dtun gaz. Ceci en mesurant la déviation d'un faisceau ultrasonore convergent 21, produite par cet élément en mouvement. Cette déviation étant proportionnelle à la vitesse de déplacement de l'élément. Cet appareil est caractérisé en ce qu'il utilise pour mesurer la déviation du faisceau ultrasonore 21, un transducteur récepteur piézoélectrique 19 dont une des faces est munie d'une électrode résistante 13; l'autre face butant munie d'une électrode conductrice 15. De la variation de l'intensité mesurée on deduit la variation de la resistance, qui est proportionnelle (ou inversement proportionnelle suivant le sens du dEplace- ment) a la déviation du faisceau ultrasonore, donc b la vitesse de déplacement de l'élément. 2 - Application de l'appareil selon la revendication 1, a la mesure de la vitesse d'une navire, etc, par rapport à l'élément marin. L'appareil est utilisé comme loch. 3 - Application de l'appareil selon - la revendication 1, a la mesure de la vitesse du vent. L'appareil est utilisé comme anémomètre. 4 - Application de l'appareil selon la revendication 1, a la mesure du débit dans une canalisation dont on connait la section. L'appareil est utilise comme débitmétre. 5 - Application de appareil selon la revendication i, à la mesure d'une variation de tension aux bornes de l'électrode résistante pour connaitre la variation de résistance, donc la déviation du faisceau ultrasonore. 6 - Application de l'appareil selon la revendication 1, a la mesure du déplacement d'un mobile par rapport à un autre (déplacement de faible distan ce). Ln metteur étant fixe a l'un des mobiles. & récepteur piézoélectrique, possédant une ou deux électrodes résistantes, tant fixé à l'autre mobile .L'émetteur émettant un faisceau tel qu'il converge au point de contact avec le récepteur La déviation du faisceau ultrasonore étant proportionnelle au déplacement d'un mobile par rapport à l'autre , donc proportionnelle (ou inversement proportionnelle suivant le sens du déplacement ) à la variation de la résistance , que l'on déduit de la variation de l'intensité mesurée