Brevet FR2543677A1 — publié le 19841005

La présente invention concerne des dispositifs de détection d'une interface d'un liquide dans un réci- pient à l'aide d'ultrasons. La demande de brevet britannique N O 2 019 568 S indique que le niveau d'un liquide dans un réservoir peut être déterminé à l'aide d'ultrasons, par utilisation d'un plongeur comprenant un guide d'onde qui plonge dans le liquide et d'un réflecteur associé des ondes ultrasonores, placé dans le liquide Ce dispositif ne nécessite aucun élément mobile, mais il pénètre à l'inté- rieur Dans de nombreuses applications, un détecteur de niveau de liquide ne pénétrant pas dans le récipient, c'est-à-dire dont tous les éléments se trouvent à l'exté- rieur du récipient ou réservoir, est très avantageux. Le brevet britannique n'1 555 549 décrit un détecteur de niveau de liquide comprenant un émetteur et un récepteur d'ondes montés sur une paroi d'un réci- pient, le récepteur étant destiné à provoquer des vibra- tions telles que des ondes de Lamb qui se propagent transversalement à l'épaisseur de la paroi, le récepteur étant destiné à détecter les vibrations La présence d'un liquide près de la paroi est indiquée par une réduc- tion de l'amplitude des ondes reçues, l'atténuation d'amplitude dépendant de l'impédance acoustique du liquide. Bien que ce détecteur ne pénètre pas, il ne convient pas dans les situations dans lesquelles l'application directe des transducteurssur une paroi d'un récipient est peu commode ou inacceptable, par exemple lorsque le liquide est chaud ou radioactif; ce détecteur ne convient pas non plus lorsque la paroi est courbe. L'invention concerne un capteur destiné à détecter une interface d'un liquide dans un récipient d'un tel liquide, comprenant un premier transducteur ultrasonore placé à l'extérieur du récipient, couplé acoustiquement à la paroi du récipient par un guide d'onde plat et destiné à provoquer la propagation d'ondes de Lamb dans une partie de paroi du récipient, un second 254367 ? transducteur ultrasonore lui aussi placé à l'extérieur du récipient et couplé acoustiquement à la paroi par un guide d'onde plat, et destiné à détecter les ondes de Lamb se propageant dans la partie de paroi afin qu'il forme un signal électrique dépendant de l'amplitude de ces ondes, et un dispositif commandé par le signal électrique du second transducteur et destiné à donner une indication sur l'interface du liquide à l'intérieur du récipient. L'interface peut être forméeentre un liquide et un gaz ou entre deux liquides immiscibles Une onde de Lamb est une onde acoustique dont la longueur d'onde est comparable à l'épaisseur du corps dans lequel elle se propage L'expression "guide d'onde plat" désigne une bande d'un matériau dont l'épaisseur est bien infé- rieure à la largeur et le long duquel une onde de Lamb peut être transmise De préférence, 1 épaisseur du guide d'onde plat est inférieure à la moitié de la longueur d'onde des ondes de Lamb qui doivent se propager dans la paroi. Une variante de capteur destiné à détecter une interface d'un liquide dans un récipient destiné à- en contenir comporte un premier transducteur ultrasonore placé à l'extérieur du récipient, un premier guide d'onde plat couplant acoustiquement le premier transducteur à la paroi du récipient afin que des ondes de Lamb se propagent à travers une partie de la paroi, un second transducteur ultrasonore placé à l'extérieur du récipient, un second guide d'onde plat couplant acoustiquement le second transducteur à la paroi afin que les ondes de Lamb se propageant à travers la première partie de la paroi soient détectées et qu'un signal électrique relatif à leur amplitude soit formé, un troisième transducteur ultrasonore placé à l'extérieur du récipient, un troisième guide d'onde plat couplant acoustiquement le troisième transducteur à la paroi du récipient afin que des ondes de Lamb se propagent à travers une seconde partie de la paroi, se trouvant au-dessous de la première partie, un quatrième transducteur ultrasonore placé à l'extérieur du récipient, un quatrième guide d'onde plat couplant acoustiquement le quatrième transducteur à la paroi afin qu'il détecte les ondes de Lamb se propageant dans la seconde partie de la paroi et qu'il forme un signal électrique dépendant de leur amplitude, un dispositif d'excitation du premier et du troisième transducteur ultrasonore, et un dispositif commandé par les signaux du second et du quatrième transducteur ultrasonore et destiné à donner une indication sur l'interface. Chaque fois qu'une onde de Lamb se propage dans une surface solide qui est au contact d'un liquide, il apparaît une transformation du mode des ondes: l'onde de Lamb perd de l'énergie à la surface alors qu'une onde de compression ultrasonore se propage à travers le liquide. L'interface du liquide peut donc être détectée par détec- tion de la réduction d'énergie et d'amplitude de l'onde de Lamb dans la paroi du récipient. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel la figure 1 représente schématiquement un capteur d'une interface de liquide selon l'invention la figure 2 représente schématiquement une variante de capteur d'interface de liquide selon l'inven- tion; et la figure 3 représente schématiquement un troisième mode de réalisation de capteur d'une interface d'un liquide. Sur la figure 1, un capteur d'une interface de liquide est représenté fixé à l'extérieur d'une paroi 10 de 2,7 mm d'épaisseur d'un récipient 12 (représenté sous forme d'une tuyauterie) destiné à contenir un liquide. Le capteur comporte un transducteur piézoélectrique émetteur 14 relié par un câble électrique 16 à un généra- teur 18 de signaux, et un transducteur piézoélectrique récepteur 20 relié par un câble électrique 22 à un détec- teur 24 de signaux. Le transducteur émetteur 14 est fixé à une première extrémité d'une bande 30 d'acier inoxydable de 25 mm de largeur et 1,6 mm, l'autre extrémité 36 de la bande 30 étant soudée à l'extérieur de la paroi 10, et le transducteur récepteur 20 est fixé à une première extrémité d'une seconde bande 34 d'acier inoxydable ayant aussi une largeur de 25 mm et une épaisseur de 1,6 mm, l'autre extrémité 38 de la bande étant aussi sou- dée à l'extérieur de la paroi 10 au même niveau horizontal que l'extrémité 36 de la bande 30 mais en étant décalée angulairement par rapport à elle. Lorsque le générateur 18 de signaux est excité, le transducteur émetteur 14 oscille à 1 M Hz et provoque la propagation d'une onde de Lamb le long de la bande 30 si bien qu'une onde de Lamb est formée dans la partie adjacente de la paroi 10 Une onde de Lamb qui se propage à travers la paroi 10 à l'extrémité 38 de la seconde bande 34 d'acier inoxydable crée une onde de Lamb dans la bande 34, cette onde étant reçue par le transducteur Les bandes d'acier 30 et 34 jouent donc le rôle de guides d'onde qui transmettent les ondes de Lamb à la paroi 10 du récipient 12 et à partir de celle-ci respectivement. Lorsque le niveau du liquide dans le récipient 12 se trouve au-dessous du niveau horizontal des extré- mités 36 et 38 des bandes 30 et 34, l'onde détectée par le transducteur récepteur 20 a une amplitude A. Lorsque le niveau de liquide se trouve audessus du niveau des extrémités 36 et 38, de l'énergie est perdue par l'onde de Lamb se propageant dans la paroi 10, étant donné la conversion de mode en ondes de compression dans le liquide, si bien que l'onde de Lamb détectée par le transducteur récepteur 20 a une amplitude B qui est inférieure à l'amplitude A En conséquence, la différence entre A et B est une indication de la présence du liquide 254367 ? au niveau des extrémités 36 et 38 des bandes 30 et 34. Le détecteur 24 de signaux reçoit les signaux du transduc- teur 20 correspondant à l'amplitude de l'onde détectée de Lamb, et il est destiné à donner une indication lorsque l'amplitude du signal reçu tombe au-dessous d'une valeur choisie de seuil sélectionnée d'après l'amplitude du signal lorsque l'onde détectée a une amplitude A (Lors- que le récipient 12 est une tuyauterie, le détecteur 24 de signaux peut être commandé par une fenêtre dans le temps de manière que les ondes de Lamb qui se déplacent en sens inverse autour de la paroi 10 de la tuyauterie ne soient pas détectées). La différence entre A et B doit être suffisam- ment grande pour qu'elle donne un rapport signal/bruit suffisant pour le capteur Ceci peut être réalisé par sélection convenable de la distance séparant l'extrémité 36 de la bande 30 de l'extrémité 38 de la bande 34 et de la fréquence à laquelle le générateur 18 de signaux provoque une oscillation du transducteur émetteur 14 La fréquence du signal appliqué à ce transducteur 14 et l'épaisseur de la bande 30 ou de la paroi 10, déterminent ensemble les modes de l'onde de Lamb créée par le transduc- teur émetteur 14 dans la bande 30 et sa propagation à travers la paroi 10 du récipient L'épaisseur de la bande 30 est inférieure à la moitié de la longueur de l'onde de Lamb créée dans la paroi 10 afin que la création de ces ondes dans la paroi 10 soit optimale. Un récipient de stockage destiné à contenir un liquide peut avoir plusieurs capteurs du type indiqué à différents niveaux, à l'extérieur de la paroi du réser- voir, de manière-qu'une indication sur les changements du niveau de liquide, par paliers, puisse être obtenue dans le réservoir. Les bandes 30 et 34 d'acier inoxydable peuvent avoir toute longueur commode pouvant atteindre plusieurs mètres, si bien que les transducteurs 14 et 20 peuvent être placés loin du récipient 12- On a constaté qu'une atténuation optimale des ondes de Lamb par transformation des modes dans le liquide existe lorsque la distance de propagation dans la paroi du récipient est au moins égale à 100 mm En conséquence, lorsque le capteur doit être appliqué sur une tuyauterie de diamètre par exemple égal à 25 mm, les points auxquels les extrémités 36 et 38 des bandes 30 et 34 sont fixées à la tuyauterie sont de préférence séparés par une distance de 100 mm sur la longueur de la tuyau- terie, les extrémités 36 et 38 se trouvant dans des plans perpendiculaires à l'axe longitudinal de la tuyau- terie et étant découpées avec une forme concave correspon- dant à l'extérieur de la tuyauterie, au lieu de se trouver au même niveau horizontal comme dans le capteur de la figure 1. Le capteur de la figure 1 peut être utilisé comme décrit précédemment pour la détection du fait que la surface d'un liquide se trouve au-dessus ou au- dessous de la partie de paroi 10 à laquelle les extrémités 36 et 38 des bandes 30 et 34 sont fixées, car il existe une différence relativement grande entre les amplitudes A et B Lorsque le récipient 12 doit contenir deux li- quides immiscibles, il existe encore une différence d'amplitude de l'onde de Lamb détectée par le transducteur récepteur 20, suivant le liquide qui est adjacent à la partie de paroi 10, car l'atténuation de l'onde de Lamb se propageant à travers la paroi 10 dépend de l'impé- dance acoustique du fluide adjacent à la paroi 10, cette impédance étant en général différente lorsque les liquides sont différents Cette différence d'amplitude est cepen- dant inférieure à celle qui existe entre A et B, et elle peut être cachée par des variations de la sensibilité du détecteur 24 de signaux. On se réfère imaintenant àI la lri ui-r 2 qui. représente une variante de capteur d'interface de liquide selon l'invention, fixé à l'extérieur d'une paroi 40 d'un récipient 42 (représenté sous forme d'une tuyauterie) contenant deux liquides immiscibles Le capteur comporte un transducteur supérieur 44 relié par un câble électri- que 46 à un générateur 48 de signaux, un transducteur émetteur inférieur 54 relié par un câble électrique 56 à une borne différente du générateur 48 de signaux, et un transducteur récepteur supérieur 58 et un transduc- teur récepteur inférieur 60 reliésà une entrée commune d'un amplificateur 62 relié à un analyseur 64 de signaux- Chacun des transducteurs 44, 54, 58 et 60 est couplé acoustiquement à la paroi 40 par une bande respective d'acier inoxydable 66, 67, 68 ou 69 ayant une largeur de 25 mm et une épaisseur de 1,5 mm, fixée à une extrémité de la bande Les autres extrémités 70 et 72 des bandes 66 et 68 respectivement sont soudées à la paroi 40 au même niveau horizontal afin qu'elles délimitent une partie supérieure 74 de la paroi 40 placée entre elles, alors que les autres extrémités 71 et 73 des bandes 67 et 69 respectivement sont toutes deux soudées à la paroi au même niveau horizontal afin qu'elles délimitent une partie inférieure 76 de la paroi 40 entre elles, le niveau de la partie inférieure 76 étant suffisamment éloigné de celui de la partie supérieure 74 pour que les ondes de Lamb se propageant à travers la partie supérieure 74 de la paroi 40 ne donnent pas un effet détectable sur la partie inférieure 76, et inversement. Lors du fonctionnement du capteur de la figure 2, le générateur 48 de signaux excite le transducteur émetteur supérieur 44 et le transducteur émetteur infé- rieur 54 en alternance Lorsque chaque tansducteur est excité, il provoque la propagation d'ondes de Lamb le long de la bande respective 66 ou 67 avec création d'ondes de Lamb dans la partie supérieure 74 ou la partie infé- rieure 76 de la paroi 40 respectivement, si bien que des ondes de Lamb sont formées dans la bande respective 68 ou 69 et sont détectées par les transducteursrécepteurs supérieur ou inférieur 58 ou 60 respectivement L'ampli- ficateur 62 reçoit ainsi en alternance des signaux par 254367 ? 7 l'intermédiaire de la partie supérieure 74 et de la partie inférieure 76 de la paroi 40, et l'analyseur 64 de signaux détermine le rapport de ces signaux. Lorsque l'interface des deux liquides se trouve au-dessus de la partie supérieure 74, les deux signaux ont la même amplitude et leur rapport est égal à 1 Lors- que l'interface se trouve entre la partie supérieure 74 et la partie inférieure 76, les deux signaux ont des amplitudes différentes, dépendant de l'atténuation due aux liquides et donc des impédances acoustiques des liquides, si bien que le rapport diffère de un Par exemple, lorsque les liquides sont l'eau et le kérosène, le rapport est égal à 2/3 Lorsque l'interface se trouve au-dessous de la partie inférieure 76, les deux signaux ont à nouveau la même amplitude et le rapport est à nouveau égal à 1 La valeur du rapport des amplitudes des signaux indique donc si l'interface se trouve entre les limites fixées par les positions de la partie supé- rieure 74 et de la partie inférieure 76 de la paroi 40 ou non Lorsque l'interface s'élève ou s'abaisse en dehors de ces limites, l'analyseur 64 de signaux détecte le signal qui subit un changement et indique donc si l'in- terface a monté ou descendu. Il faut noter que les valeurs absolues des signaux reçus par l'analyseur 64 n'affectent pas le fonctionnement du capteur et ainsi, celui-ci n'est pas affecté par les variations du gain de l'amplificateur 62 Cependant, il est préférable que l'analyseur de signaux 64 puisse contrôler les valeurs absolues des signaux reçus afin que les variations rapides ou impor- tantes puissent être utilisées pour le déclenchement d'une alarme, ces variations pouvant être dues par exemple à une variation du couplage acoustique entre un transduc- teur et la bande correspondante. A titre de précaution supplémentaire contre une panne du capteur, un second jeu de transducteurs récepteurs supérieur et inférieur (non représenté), 9 2543677; ayant un amplificateur et un analyseur de signaux com- muns (non représentés) peut être disposé, en étant couplé acoustiquement à la paroi 40 par des bandes (non repré- sentées), la bande supérieure étant soudée à la paroi 40 aussi à gauche de l'extrémité 70 que l'extrémité 72 est à droite (comme représenté), et la bande inférieure étant soudée aussi à gauche de l'extrémité 71 que l'extré- mité 73 est à droite Une onde de Lamb se propageant dans la bande 66 ou 67 provoque la propagation d'ondes de Lamb dans les deux sens autour de la paroi 40 si bien que les signaux reçus par le second jeu de transduc- teurs récepteurs doivent être les mêmes que ceux qui sont reçus par les transducteur 58 et 60 Les indications données par le second analyseur de signaux (non représenté) peuvent donc être utilisées comme vérification du fonction- nement du capteur, car elles doivent représenter en double les indications données par l'analyseur 64. La figure 3 représente un autre capteur d'inter- face de liquide comprenant un long transducteur émetteur 80 fixé à une paroi 82 d'un récipient 84, disposé à une distance à peu près égale à la plage de niveaux de liquide que doit indiquer le capteur, et un long transducteur récepteur 86 de même longueur que le transduc- teur 80 et parallèle à celui-ci, lui aussi fixé à la paroi 82 Le transducteur émetteur 80 est relié par un câble électrique 88 à un générateur 90 de signaux, et le transducteur récepteur 86 est relié par un câble électrique 92 à un détecteur 94 de signaux. Lorsque le générateur 90 de signaux est excité, le transducteur émetteur 80 provoque la propagation d'une onde de Lamb à travers la paroi 82 du récipient 84, avec des fronts d'ondes parallèles au transducteur L'onde de Lamb est donc en phase sur toute la longueur du transducteur récepteur 86 Un signal correspondant est transmis par le transducteur récepteur 86 au détecteur de signaux 94 Lorsque le niveau du liquide dans le récipient 84 se trouve au-dessous du niveau des extrémités inférieures des transducteurs 80 et 86, l'onde de Lamb n'est pas atténuée par la conversion de mode en ondes de compression dans le liquide et le signal a une ampli- tude P alors que, lorsque le niveau du liquide se trouve au-dessus des extrémités supérieures des transducteurs et 86, l'onde de Lamb est atténuée par transformation de mode en ondes de compression dans le liquide sur toute la longueur des fronts d'ondes, et le signal a une amplitude Q Dans le cas des niveaux intermédiaires du liquide, une partie du front d'onde des ondes de Lamb est atténuée par transformation en ondes de compres- sion dans le liquide et l'amplitude du signal se trouve entre les valeurs P et Q Bien que la relation entre l'amplitude du signal et le niveau du liquide ne soit pas exactement linéaire sur toute la longueur des transduc- teurs 80 et 86, le capteur peut être étalonné afin qu'il donne une indication sur le niveau du liquide sur toute la longueur des transducteurs 80 et 86. Les transducteurs 8 G et 86 peuvent être des transducteurs électromagnétiques ou piézomagnétiques et chaque transducteur peut comprendre plusieurs courts transducteurs placés bout à bout et reliés électriquement afin qu'ils oscillent en phase lorsqu'ils sont excités simultanément. Bien qu'on ait décrit les transducteurs 80 et 86 comme étant fixés directement à la paroi 82, il faut noter que, dans une variante, ils peuvent-être couplés acoustiquement par des guides d'ondes sous forme de feuilles rectangulaires d'acier inoxydable d'environ 1,5 mm d'épaisseur, ayant une largeur égale à la longueur du transducteur et ayant une longueur suffisante pour que les transducteurs ne risquent pas d'être détériorés par la chaleur ou le rayonnement provenant du récipient. 254367 ?i REVENDICATIONS 1 Procédé de détection d'une interface d'un liquide dans un récipient, du type qui comprend la création d'ondes de Lamb afin qu'elles se propagent dans une partie de paroi, la réception des ondes de Lamb après leur propagation à travers ladite partie de paroi, et la détection de l'interface-du liquide en fonction de l'ampli- tude des ondes reçues de Lamb, caractérisé en ce que les ondes de Lamb sont transmises vers la partie ( 74, 76) de surface et à partir de cette partie de surface le long de guides d'ondes plats respectifs ( 66, 68, 67, 69). 2 Capteur destiné à la détection d'une inter- face d'un liquide dans un récipient destiné à contenir le liquide, du type qui comprend un premier transducteur ultrasonore placé en dehors du récipient et destiné à provoquer la propagation d'ondes de Lamb dans une partie d'une paroi du récipient, un second transducteur ultrasonore placé à l'extérieur du récipient et destiné à détecter les ondes de Lamb se propageant dans la partie de paroi et à former un signal électrique qui dépend de leur amplitude, et un dispositif commandé par le signal électrique du second transducteur et destiné à donner une indication sur l'interface du liquide à l'intérieur du récipient, caractérisé en ce que le premier transducteur ultrasonore ( 44) et le second transducteur ultrasonore par des guides d'ondes plats ( 66, 68). 3 Capteur selon la revendication 2, caractérisé par un troisième transducteur ultrasonore ( 54) placé à l'extérieur du récipient et destiné à provoquer la propagation d'ondes de Lamb dans une seconde partie ( 76) de la paroi ( 40), cette seconde partie se trouvant au- dessous de la première partie ( 74), un quatrième transducteur ultrasonore ( 60) placé à l'extérieur du récipient ( 42) et destiné à détecter des ondes de Lamb se propageant dans la seconde partie ( 76) de la paroi ( 40) et destiné à former un signal électrique dépendant de- 254367 ? t leur amplitude, et un dispositif ( 48) destiné à exciter le premier ( 44) et le troisième transducteur ultrasonore ( 54), le troisième tansducteur ultrasonore ( 54) et le quatrième transducteur ultrasonore ( 60) étant couplés acoustiquement à la paroi ( 40) par des guides d'ondes plats respectifs ( 67, 69), et le dispositif indicateur ( 64) est commandé par les signaux du second ( 58) et du quatrième transducteur ultrasonore ( 60) afin qu'il donne une indication sur l'interface. 4 Capteur selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que l'épaisseur de chaque guide d'onde plat ( 66, 67, 68, 69) est inférieure au dixième de sa largeur. Capteur selon l'une quelconque des revendica- tions 2 à 4, caractérisé en ce que l'épaisseur de chaque guide d'onde plat ( 66, 67, 68, 69) est inférieure à la moitié de la longueur d'onde des ondes de Lamb qui doivent se propager dans la partie resxpective ( 74, 76) de la paroi. 6 Capteur selon la revendication 2 considérée seule ou en combinaison avec l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les guides d'ondes plats sont couplés à la paroi ( 82) le long de droites parallèles, chaque droite étant disposée verticalement sur une distance égale à une variation prévue de l'interface -du liquide. 7 Capteur destiné à détecter une interface d'un liquide dans un récipient destiné à le contenir, comprenant un premier transducteur ultrasonore placé en dehors du récipient et destiné à provoquer la propagation d'ondes acoustiques de surface dans une partie d'une paroi du récipient, un second transducteur ultrasonore lui aussi placé en dehors du récipient et destiné à détecter des ondes ultrasonores provenant du premier transducteur et à former un signal électrique correspondant à leur amplitude, et un dispositif sensible au signal électrique provenant du second transducteur et destiné à donner une indication sur l'interface du liquide à l'intérieur 2543677 l du récipient, caractérisé en ce que chaque transducteur ( 80, 86) est disposé verticalement sur une distance égale à une variation prévue du niveau du liquide.