Brevet FR2554579A1 — publié le 19850510

1i 2554579 La présente invention se rapporte à un appa- reil sonique ou ultrasonique de mesure de distance avec un transducteur électroacoustique, qui est employé alternativement comme transducteurémetteur pour l'envoi d'impulsions sonores ou ultrasonores, et comme transducteur-récepteur pour la réception d'impul- sions d'échos réfléchies, et avec un circuit raccordé au transducteur pour le traitement des signaux.élec- triques de réception livrés par le transducteur sur la base des impulsions d'échos reçues, ce dispositif comprenant un amplificateur à gain réglable et un discriminateur à seuil, monté en aval de l'amplificateur. Des dispositifs, soniques ou ultrasoniques, de mesure de distance de cette nature sont employés par exemple pour la mesure du niveau de remplissage d'un réservoir. Dans ce cas, le transducteur électro- acoustique est disposé dans le réservoir au-dessus du plus haut niveau intervenant de sorte que les impulsions sonores ou ultrasonores émises par ce transducteur viennent frapper la surface du produit de remplissage se trouvant dans le réservoir, et les impulsions d'échos réfléchies sur la surface du.produit de remplis- sage sont renvoyées au transducteur. L'excitation du transducteur se fait par des impulsions électriques d'excitation avec la fréquence de l'onde sonore ou ultrasonore, qui est produite par un générateur-d'im- pulsions d'émission, et qui est appliquée au transduc- teur par l'intermédiaire d'un commutateur émission/ réception, ou duplexeur. Les signaux électriques de réception produits par le transducteur sur la base des impulsions d'échos reçues sont appliquées par l'inter- médiaire du duplexeur au circuit de traitement qui en déduit l'intervalle de temps entre les instants de l'envoi d'une impulsion d'émission et de la réception d'une impulsion d'écho provenant de cette impulsion 2 2554579 d'émission. Cet intervalle de temps correspond à la propagation de l'onde ultrasonore dans le réservoir et donne ainsi une mesure du niveau de remplissage du réservoir. Le discriminateur à seuil appartenant au circuit de traitement sert à différencier les signaux d'échos de signaux de bruit et parasites. Le discrimina- teur à seuil est réglé pour que les signaux d'échos amplifiés dépassent ce seuil. Etant donné que les impulsions d'échos réfléchies sont d'autant plus fai- bles que la distance de mesure est plus grande, il est connu de commander le gain de l'amplificateur réglable dans chaque cycle d'émission en fonction du temps, de façon que les signaux d'échos, qui provien- nent d'impulsions d'échos arrivant d'une plus grande distance, soient plus fortement amplifiés que les signaux d'échos issus de cibles proches, de sorte que les signaux d'échos amplifiés, indépendamment de la dis- tance de mesure, ont à peu près la même amplitude. La valeur du seuil du discriminateur est donc réglée en conformité avec cette amplitude. Pour les dispositifs, soniques ou uItrasoni- ques, de mesure de distance avec un unique transducteur électroacoustique, qui est actionné alternativement comme transducteur-émetteur et comme transducteur- récepteur, le problème se pose que le transducteur, après la cessation de l'impulsion électrique d'excita- tion, ne s'arrête pas aussitôt d'osciller, mais il s'amortit au contraire avec une amplitude décroissante pendant un certain temps d'amortissement. Cet amortisse- ment est, de la même façon qu'une oscillation causée par des ondes sonores ou uItrasonores indicentes, converti par le transducteur en signaux électriques de sortie qui, par l'intermédiaire du duplexeur, parvien- nent au circuit de traitement. Ceci est indésirable 3 2554579 pour plusieurs raisons. D'une part, les signaux d'amor- tissement ont, pendant une grande partie du temps d'amortissement, une amplitude très grande en comparai- son avec les signaux d'échos, de sorte que l'amplifica- teur du circuit de traitement est fortement surmodulé et poussé à la saturation. D'autre part, le risque existe que les signaux d'amortissement, qui dépassent le seuil du discriminateur, soient faussement interpré- tés comme signaux d'échos. Finalement, le circuit de traitement peut ne pas reconnaître des signaux d'échos tombant dans le temps d'amortissement et se superposant aux signaux d'amortissement, de sorte que ces signaux d'échos se perdent. Il s'ensuit ainsi une limite infé- rieure pour la plus petite distance mesurable. Pour éviter les inconvénients précités, il est connu de bloquer le traitement des signaux de sortie du transducteur sonique ou ultrasonique pendant un temps déterminé à partir du début de l'impulsion d'émission. Le temps de blocage ne se termine de préférence que lorsque l'amplitude des signaux amplifiés d'amortisse- ment tombe au dessous du seuil du discriminateu . Toutefois, il subsiste l'inconvénient que les signaux d'échos tombant pendant le temps de blocage ne peuvent pas être captés. L'invention a pour but de proposer un appa- reil sonique ou ultrasonique de mesure de distance du genre précité, dans lequel les signaux d'échos tombant dans le temps d'amortissement du transducteur sonique ou ultrasonique peuvent être captés et aucun risque de surmodulation de l'amplificateur du-circuit de traitement n'existe à cause des signaux d'amortis- sement. Pour atteindre ce but, l'appareil sonique ou ultrasonique de mesure-de distance selon l'invention comporte un circuit de commande de gain qui, pendant 4 2554579 une durée prédéterminée après le début de chaque impulsion émise, commande le gain de l'amplificateur selon une fonction mise en mémoire qui, en accord avec le compor- tement d'amortissement du transducteur, est établiede façon que les signaux électriques provenant de l'amor- tissement du transducteur soient inférieurs au seuil du discriminateur de valeur du seuil, et s'approchent le plus près possible de ce seuil. Avec l'appareil sonique ou ultrasonique de mesure de distance selon l'invention, il n'existe pas de durée de blocage après l'arrêt de l'impulsion d'émission. Les signaux d'amortissement produits par l'amortissement du transducteur ne peuvent cependant pas surmoduler l'amplificateur, ni être interprétés faussement comme signaux d'échos car, par la commande du gain, ils sont constamment maintenus en dessous du seuil du discriminateur. Quand se superpose aux signaux d'amortissement un signal d'écho provenant d'une courte distance, le signal total dépasse le seuil du discriminateur, si bien que l'on reconnaît le signal d'écho même pendant le processus d'amortisse- ment et on le traite. De cette façon, tout écho arri- vant peut être détecté, même pour une très petite distance de mesure. Si l'on peut admettre que le comportement d'amortissement du transducteur ne varie pas sensible- ment après son montage durant une longue période, la fonction mise en mémoire peut.être définitivement établie. Dans de nombreux emplois d'appareils soniques ou ultrasoniques de mesure de distance, notamment pour la mesure du niveau, le comportement d'amortissement peut cependant varier à court terme d'une façon impré- visible, par exemple par suite de structures ajoutées, d'influences d'environnement ou de produits de remplis- sage divers. Selon un perfectionnement préféré de l'invention, l'appareil sonique ou ultrasonique de mesure de distance comporte un circuit d'analyse, qui reçoit le signal sortant du transducteur, analyse l'allure du signal d'amortissement en fonction du temps, et règle la fonction mémorisée conformément au résultat de l'analyse. D'autres particularités et avantages de l'in- vention ressortent de la description suivante d'un exemple de réalisation, décrit à l'aide des dessins qui représentent: figure 1, le schéma synoptique d'un appa- reil ultrasonique de mesure de distance selon l'inven- tion, utilisé comme sondeur acoustique pour mesurer le niveau dans un réservoir; 15. figure 2, des diagrammes de l'allure en fonction du temps de signaux dans l'appareil de la figure 1; et figure 3, le schéma synoptique d'une forme modifiée de réalisation du sondeur acoustique de la figure 1. La figure 1 montre un réservoir 10 dans lequel se trouve un produit de remplissage 11. Pour mesurer le niveau dans le réservoir 10, on a disposé sur la face supérieure du réservoir, au-dessus du niveau maximal intervenant, un transducteur à ultra- sons 12 qui est actionné à tour de rôle comme trans- ducteur d'émission et comme transducteur de réception. Dans la phase émettrice, le transducteur ultrasonore 12 est excité par un signal électrique, de sorte qu'il produit une impulsion ultrasonore qui est dirigée ver- ticalement vers le bas sur le produit de remplissage 11 se trouvant dans le réservoir. Dans la phase réceptrice, le transducteur 12 à ultrasons reçoit le signal d'écho réfléchi sur la surface du produit de remplissage 11, le transducteur convertissant ce signal d'écho en un 6 2554579 signal électrique. Tout cycle de mesure se compose d'une phase d'émission et d'une phase de réception. Un générateur d'impulsions d'émission 13 produit au début de chaque cycle de mesure pendant la phase émettrice le signal électrique en forme d'impuI- sions, nécessaire pour exciter le transducteur à ultrasons 12 avec la fréquence de l'onde ultrasonore- à émettre. Ce signal est appliqué au transducteur 12 par l'intermédiaire d'un duplexeur 14. Lorsque, après arrêt de l'impulsion d'émission, un signal d'écho réfléchi sur le produit de remplissage 11 arrive au transducteur 12, ce signal est transformé en oscilla- tions qui sont converties par le transducteur en un signal électrique qui, par le duplexeur 14, est amené à un circuit de traitement qui comporte l'un après l'autre, un amplificateur 15, un discriminateur à seuil 16, un circuit de traitement 17 de signal, et un dispositif de mesure 18 du temps de propagation. Le gain de l'amplificateur 15-peut être réglé sans retard par un signal de commande appliqué à une entrée 15a de commande de gain. Le discriminateur à seuil 16, connecté à la sortie de l'amplificateur 15 réglable, ne laisse passer que les signaux dont l'amplitude dépasse une valeur de seuil déterminée du discrimiiateur. Les signaux admis par le discriminateur à seuil 16 sont traités par le circuit 17 de traitement de signal de la façon appropriée pour la mesure du temps de propa- gation. Le dispositif 18 mesurant le temps de propa- gation détermine le laps de temps entre l'envoi de chaque impulsion d'émission et une impulsion d'écho provenant de cette impulsion d'émission. Ce laps de temps est égal au temps de propagation de l'impulsion ultrasonore dans le réservoir 10 allant du transducteur 12 à la surface du produit de remplissage 11 et. revenant du transducteur 12. Ce temps de propagation est une 7 2554579 mesure de la distance entre le transducteur à ultra- sons 12 et la surface du produit de remplissage 11, et il est ainsi également une mesure du niveau dans le réservoir 10. Le dispositif de mesure 18 du temps de propagation livre en sortie un signal proportionnel au temps de propagation ou au niveau, qui peut être utilisé de la façon désirée pour l'affichage du niveau ou pour le déclenchement de phénomènes de commutation. L'entrée de commande de gain 15a de l'amplifi- cateur 15 est reliée par un inverseur électronique 19 à la sortie d'un circuit 20 de commande de gain, ou bien à la sortie d'un dispositif 21 de réglage de gain. La manoeuvre de l'inverseur 19 se fait, d'une façon expliquée plus loin de manière plus précise, par le circuit 20 de commande de gain. Une horloge 22 fournit au début de chaque cycle de mesure un signal de synchronisation à tous les étages qui doivent être déclenchés à cet instant. Ce signal de synchronisation sert en particulier à déclen- cher l'envoi d'une impulsion émettrice par le généra- teur 13 d'impulsiors d'émission, pour le déclenchement de la fonction du circuit 20 de commande de gain et pour la mise en route de la mesure du temps dans le dispositif 18 de mesure du temps de propagation, qui est ensuite arrêté par le signal sortant du circuit 17 de traitement du signal. Le mode de fonctionnement de l'appareil à ultrasons de mesure de distance de la figure 1 est exposé à l'aide des diagrammes de la figure 2. Le diagramme A présente l'allure en fonction du temps, du signal sortant du transducteur à ultra- sons 12, s'appliquant à l'entrée de l'amplificateur 15, lors de l'émission aussi bien que de la réception des impulsions d'écho possibles. Pour simplifier, dans le diagramme A de même que dans les diagrammes C et D, on - 8 2554579 ne représente que les courbes enveloppes positives des signaux. En réalité, il s'agit d'oscillations à la fréquence de l'onde sonore ou ultrasonore, dont les amplitudes se modifient selon les enveloppes représen- tées. Le cycle de mesure commence à l'instant t. A cet o instant, l'horloge 22 libère l'impulsion de déclenche- ment, qui provoque l'envoi d'une impulsion d'émission par le générateur 13 d'impulsions d'émission. L'impulsion émise se présente au transducteur 12 pendant le temps d'émission Ts allant de l'instant to à l'instant ts. Pendant ce temps, le transducteur à ultrasons 12 oscille avec une amplitude déterminée par celle de l'impulsion d'émission, et en conséquence, un signal S$ avec l'amplitude A s'applique à l'entrée de l'ampli- ficateur 15. L'impulsion d'émission prend fin à l'instant t1 Le transducteur 12 à ultrasons ne s'arrête cepen- dant pas aussitôt d'osciller, mais il achève progressi- vement ses oscillations pendant une durée d'amortisse- ment TA. Dans le cas idéal, que représente le diagramme A, l'amplitude des oscillations décline exponentielle- ment. Selon les conditions du montage, l'allure de l'amplitude peut cependant être irrégulière pendant l'amortissement, notamment en raison des réflexions parasites. En conséquence, un signal d'amortissement SA s'applique à l'entrée de l'amplificateur 15, avec SA l'amplitude correspondante décroissante AA. L'instant t2 est admis comme instant final de la durée TA d'amor- tissement, o l'amplitude AA d'amortissement décroît en dessous d'une valeur qui n'est plus gênante. La phase de réception se raccordant au temps d'émission TS est si longue qu'une impulsion d'écho, réfléchie avec la plus grande mesure de distance se présentant, peut retourner encore au transducteur à ultrasons 12, avant que le cycle de mesure suivant 9 2554579 commence par l'envoi d'une impulsion d'émission. Dans le diagramme A de la figure 2, est représenté le signal de réception Ef causé par une impulsion d'écho venant d'une distance plus grande. La ligne brisée de l'axe des temps indique que l'intervalle de temps de l'impuI- sion d'écho EF n'est pas représenté en rapport correct avec le temps d'émission TS et le temps d'amortissement TA. L'impulsion d'écho Efa par rapport à l'impulsion d'émission, une amplitude très petite. L'intervalle de temps TM entre l'instant t du début de l'impulsion émise et l'instant t3 du début de l'impulsion d'écho EF est égal au double de la durée de propagation de l'onde ultrasonore sur la distance entre le transducteur à ultrasons 12 et la surface du produit de remplissage 11. Cette durée est une mesure du niveau dans le réservoir 10. L'impulsion d'écho Ef est reçue avec un bas niveau dans le réservoir 10. Si au contraire le niveau dans le réservoir 10 est très haut, de sorte que la surface du produit de remplissage 11 se situe à une très petite distance du transducteur à ultrasons 12, la durée de propagation de l'impulsion d'écho est si courte qu'elle arrive pendant le temps d'amortissement TA et vient se super- poser à cet amortissement du transducteur. Une telle impulsion d'écho En est également représentée dans le diagramme A. Par suite de la faible distance de mesure, l'impulsion a une amplitude beaucoup plus grande que l'impulsion d'écho Ef provenant d'une distance plus éloignée. Cependant, même si l'amplitude de l'impulsion d'écho proche En est supérieure à l'amplitude d'amor- tissement du transducteur, l'impulsion d'écho En ne peut pas être exploitée si l'évaluation est bloquée durant le temps d'amortissement. Dans ce cas, il n'est pas possible de mesurer des distances pour lesquelles le temps de propagation d'écho est plus court que le 2554579 temps d'amortissement. Dans le dispositif de la figure 1, il ne se produit pas de blocage du circuit d'évaluation pendant le temps d'amortissement. L'exploitation d'impulsions d'échos, qui se superposent à l'amortissement, est plutôt rendue possible par la commande de gain de l'amplifica- teur 15 actionnée par le circuit 20 de commande de gain. Le circuit 20 de commande de gain est un générateur de fonctions, qui est déclenché à l'instant to au début de chaque cycle par une impulsion amenée par l'horloge 22 à une entréé 20a de déclenchement, et sur cela il délivre à sa sortie 20b une tension, qui se modifie selon une fonction emmagasinée dans une mémoire 23. En outre, le circuit 20 de commande de gain fournit après chaque déclenchement un signal de commande à une sortie 20c mettant, pour la durée du temps TA d'amortis- sement, l'inverseur 19 dans la position o l'entrée 15a de commande de gain de 1'ampliticateur réglable 15 est reliée à la sortie 20b du circuit 20 de commande de gain. L'inverseur 19, représenté sur le dessin comme inverseur mécanique, est bien entendu un inverseur électronique fonctionnant sans retard. Le diagramme B de la figure 2 montre la varia- tion dans le temps du gain v de l'amplificateur régla- ble 15, qui est causée par la tension de sortie du circuit 20 de commande de gain, appliquée par l'inver- seur 19 à l'entrée 15a de commande de gain. Pendant le temps d'émission Ts entre-les instants t0 et tl, le gain v est très petit, et de préférence égal pratique- ment à zéro. En partant de l'instant t1, le gain s'accroit sur la base de la fonction emmagasinée dans la mémoire 23 et traitée par le circuit 20 de commande de gain, de sorte que la variation dans le temps du signal d'amortissement, produit par l'amortissement du transducteur 12 à ultrasons, est juste compensée, il 2554579 si bien que le signal d'amortissement amplifié à la sortie de l'amplificateur 15 a une amplitude demeurant essentiellement constante, qui se situe légèrement en dessous du seuil du discriminateur 16. Le signal de sortie ainsi obtenu de l'amplificateur réglable 15 est représenté dans le diagramme C de la figure 2, et le diagramme D de cette figure montre le signal de sortie correspondant du discriminateur à seuil 16. Le seuil du discriminateur est représenté par SD dans le diagramme C. Pendant le temps d'émission TS entre les instants t0 et tl, le signal sortant de l'ampliticateur 15 est, de préférence, nul mais en tout cas si faible qu'il n'atteint pas le seuil SD du discri- minateur. Dans le temps d'amortissement TA, entre les instants t1 et t2, apparaît à la sortie de l'amplifica- teur 15 un signal d'amortissement S'A amplifié, dont l'amplitude A'A demeure essentiellement constante, qui est un peu inférieur au seuil SD du discriminateur. En conséquence, le signal d'amortissement S'A amplifié ne provoque aucun signal sortant à la sortie du discri- minateur 16 à seuil (Diagramme D). Lorsque cependant une impulsion d'écho E de n cible proche se superpose au signal d'amortissement SA, l'impulsion d'écho E'n amplifiée, obtenue à la sortie de l'amplificateur 15, dépasse le seuil SD du discrimi- nateur, et une impulsion E"n apparaît à la sortie du discriminateur 16 à seuil qui peut continuer son trai- tement par le circuit 17 de traitement de signal (Diagramme D). A l'instant tr à la fin du temps d'amortisse- ment TA, le signal de commande délivré à la sortie 20c du circuit de commande de gain 20 porte l'inverseur 19 dans l'autre position, o l'entrée de commande de gain a est reliée à la sortie du circuit de réglage de gain 21. Ensuite, pendant le reste de la phase de J' 12 2554579 réception, le circuit 21 de réglage de gain commande le gain de l'amplificateur 15 de la façon usuelle pour l'appareil à ultrasons de mesure de distance, de sorte que les impulsions d'échos reçus de cibles utiles sont amplifiées à un niveau croissant avec l'augmentation de la distance de mesure, si bien qu'elles dépassent le seuil SD du discriminateur. Ce réglage peut se faire sur la base des signaux obtenus à la sortie du discri- minateur à seuil 16 et/ou de grandeurs de référence reçues de l'extérieur. Comme ce mode de réglage de gain est connu du spécialiste, Il ne sera pas décrit ici plus en détail. Par suite du réglage de gain réalisé par le circuit 21 de réglage de gain, l'impulsion d'écho Ef de cible lointaine dépasse ainsi à la sortie de l'amplificateur 15 la valeur de seuil S du discrimi- D nateur (Diagramme C), de sorte qu'à la sortie du dis- criminateur 16, on obtient une impulsion correspon- dante utile E"f (Diagramme D) qui peut être traitée par le circuit 17 de traitement de signal. Pour la détermination de la fonction emmaga- sinée dans la mémoire 23, il y a diverses possibilités. Si le comportement de l'amortissement du transducteur à ultrasons 12 peut être prévisible avec une précision suffisante, en raison de conditions connues de stru- ture, et que l'on peut en outre attendre que le compor- tement de l'amortissement ne varie pas sensiblement au cours du temps, la fonction peut être définitivement fixé lors de la fabrication de l'appareil. Le circuit de commande de gain 20 peut alors être par exemple un générateur de fonction analogique, dont la fonction est déterminée par des éléments de circuit câblés, qui forment ensuite la mémoire 23. Par contre, si le comportement de l'amortis- sement du transducteur à ultrasons 12 est influencé 13 2554579 par les conditions de montage du moment, la fonction est de préférence réglable dans la mémoire 23. Le signal d'amortissement est capté après le montage de l'appareil, et la fonction est réglée pour le mieux dans la mémoire 23 en répondant à la courbe reçue du signal d'amortissement. Cette solution offre aussi la possibilité de régler à nouveau la fonction de temps en temps, pour l'adapter aux variations du comportement de l'amortissement, causées par exemple par des phéno- mènes de vieillissement. La figure 3 représente une variante du sondeur acoustique de la figure 1, qui tient compte de toutes les possibilités de manière optimale, et tient compte aussi en particulier des variations à court terme, imprévisibles, du comportement de l'amortissement, comme elles sont causées par exemple par des structures ajoutées, des produits de remplis- sage de natures diverses, d'influences d'environnement ou analogues. La forme de réalisation de la figure 3 se distingue de celle de la figure 1 seulement par l'adjonction d'un circuit d'analyse 24 qui reçoit le signal sortant du transducteur 12, analyse la forme de courbe du signal d'amortissement et règle la fonction dans la mémoire 23 en réponse à la forme de courbe finalement fixée chaque fois. L'analyse peut se faire dans chaque cycle de mesure ou aussi dans de plus grands intervalles de temps. En particulier, avec la forme de réalisation de la figure 3, la mémoire 23 est de préférence une mémoire numérique, et le générateur de fonction 20 ainsi que le circuit d'analyse 24 sont des circuits numériques développés en conséquence. Selon la techno- logie moderne, les circuits 20, 23 et 24 peuvent être formés par un microprosseur convenablement programmé. Les autres circuits contenus dans le 14 2554579 dispositif de la figure I sont d'un genre coutumier, familier au spécialiste, et ils n'ont donc pas à être décrits plus en détail. 2554579 REVENDICATIONS 1. Appareil sonique ou ultrasonique de mesure de distance avec un transducteur électroacoustique, qui est employé alternativement comme transducteur-émetteur pour l'envoi d'impulsions sonores ou ultrasonores, et comme transducteur-récepteur pour la réception d'impulsions d'échos réfléchies, et avec un circuit raccordé au trans- ducteur pour le traitement des signaux électriques de réception livrés par le transducteur sur la base des impulsions d'échos reçues, ce circuit comprenant un amplificateur à gain réglable et un discriminateur à seuil, monté en aval de l'amplificateur, caractérisé par un circuit de commande de gain-(20), qui pendant une durée prédéterminée après le début de chaque impulsion émise, commande le gain de l'amplificateur (15) selon une fonction mise en mémoire qui, en réponse au-comportement d'amortissement du transducteur (12), est- établie de façon que les signaux électriques de réception provenant de l'amortissement du transducteur soient inférieurs au seuil du discriminateur (16) de valeur de seuil, et s'approchent le plus près possible de ce seuil. 2. Appareil sonique ou ultrasonique de mesure de distance selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fonction mise en mémoire est ajustable. 3. Appareil sonique ou ultrasonique de mesure de distance selon la revendication 2, caractérisé par un circuit d'analyse (24), qui reçoit le signal sortant du transducteur (12), analyse l'allure en fonction du temps du signal d'amortissement, et ajuste la fonction mise en mémoire en correspondance avec le résultat de l'analyse. 4. Appareil sonique ou ultrasonique de mesure de distance selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit (20) de commande de gain, la mémoire (23) contenant la fonction, et le circuit (24) d'analyse sont formés par un microprocesseur. 16 2554579 5. Appareil sonique ou ultrasonique de mesure de distance selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par un inverseur (19) qui relie l'entrée (15a) de commande de gain de l'amplificateur (15) réglable pendant le temps prédéterminé suivant le début de chaque impulsion d'émission, à la sortie du circuit de commande de gain (20), et, dans la partie résiduelle de chaque cycle émission/réception, à la sortie d'un dispositif (21) de réglage de gain.