Brevet FR2561393A1 — publié le 19850920

Capteur de macroparticules à ultrasons La présente invention concerne un procédé pour identifier et pour déterminer la taille de macroparticules dans un écoulement. Dans certains processus chimiques, tels que la fabrication de semiconducteurs, il est important que les fluides chimiques complexes utilisés aient la composition appropriée. Par exemple, dans l'un de ces processus, la présence de petites particules de nickel ou de fer peut être nécessaire, mais les petites particules d'aluminium peuvent détruire le produit fini. Dans un autre processus, il peut être critique, pour la même raison, de distinguer les bulles d'air des gouttes d'huile. En outre, dans cer- tains processus, la taille d'un certain type de macroparti- cules peut être un facteur important. On a découvert que les macroparticules d'un fluide peuvent être identifiées en émettant une impulsion d'ultra- sons à travers le fluide, en mesurant l'amplitude de la par- tie de l'impulsion diffusée par la macroparticule selon un angle prédéterminé, en convertissant l'amplitude en des va- leurs liées à la densité et à l'élasticité et en comparant ces valeurs à celles associées à des macroparticules connues. La taille relative de la macroparticule est simultanément déterminée à partir de l'amplitude du signal diffusé. Dans des formes de réalisation préférées, un transducteur émet une impulsion d'ultrasons à travers un fluide en écoulement, et l'impulsion est partiellement diffusée lorsqu'elle heurte une macroparticule du fluide. L'amplitude de la partie diffusée de l'impulsion est mesu- rée par deux transducteurs situés en des emplacements qui recevront l'énergie diffusée sous des angles différents, et des valeurs liées à la densité et à l'élasticité de la ma- croparticule sont déterminées à partir des amplitudes et des angles prédéterminés sous lesquels sont reçues les par- ties diffusées de l'impulsion. Afin d'identifier la macro- particule, ces valeurs sont comparées à celles associées à des macroparticules connues en traçant des points à partir des valeurs, tandis qu'une comparaison sur la mesure de l'amplitude procure une détermination concernant la taille de la macroparticule. La structure et le fonctionnement de formes de réalisation préférées de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description suivante, faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure I est une vue en coupe transversale d'un dispositif selon une forme de réalisation préférée de l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe transversale d'un dispositif selon une autre forme de réalisation préfé- rée; et la figure 3 est un tracé de points de valeurs basées sur l'amplitude pour un certain nombre de macropar- ticules de différents types. Sur la figure 1 est représenté en 10 un dispositif de détection des diffusions. Le dispositif 10 comprend glo- balement un transducteur d'émission 12 et deux transducteurs de réception 14, 16. Le transducteur 12 est monté dans une paroi laté- rale 18 d'un conduit 20 d'acheminement d'un fluide, de ma- nière à diriger une impulsion convergente d'énergie d'ul- trasons à travers l'écoulement, qui contient un certain nombre de macroparticules 22 de types différents. Le point focal est agencé pour être situé environ au point milieu du conduit 20. Le-transducteur de réception 14 est monté dans la partie de la paroi latérale 18 qui est sensiblement à l'opposé du transducteur d'émission 12, mais assez loin en amont pour être situé à l'extérieur de la zone directement exposée 24 de l'impulsion convergente d'ultrasons. Le trans- ducteur de réception 16 est encore en amont du transducteur 14. Les deux transducteurs de réception 14, 16 sont cepen- dant assez proches de la zone directement exposée 24 de l'impulsion convergente pour être situés dans la zone d'om- bre du transducteur, c'est-à-dire dans une zone de bordure proche qui reçoit une partie tout à fait réduite de l'éner- gie d'ultrasons de l'impulsion. Les transducteurs sont iden- tiques à ceux décrits dans la demande de brevet US 187 615 déposée le 15 septembre 1980, citée ici comme référence. Les transducteurs sont reliés aux appareils élec- troniques générateur et récepteur d'impulsions (non repré- sentés) qui sont décrits dans la demande de brevet US 360 404 déposée le 22 mars 1982, également citée ici comme référence. En fonctionnement, le transducteur d'émission 12 émet une impulsion convergente d'énergie d'ultrasons à tra- vers l'écoulement, et une macroparticule 22 située dans la zone directement exposée à l'impulsion convergente réfléchi- ra une partie de l'énergie vers le transducteur 12. Simulta- nément, cependant, la macroparticule diffusera également une partie de l'impulsion qui la heurte, et le champ d'énergie diffusée rayonnera dans toutes les directions à partir de la macroparticule. Ce champ d'énergie diffusée n'est pas uniforme. Au contraire, son amplitude en tout endroit donné est fonction (pour des particules solides) de la densité de la particule et de ses ondes de cisaillement et longitudi- nale, qui sont représentatives de l'élasticité de la parti- cule. Pour les bulles d'air et les gouttes de liquide, l'am- plitude n'est fonction que de la densité et des ondes longi- tudinales, du fait que ces particules ne supportent pas les ondes de cisaillement. Dans les deux cas, chaque type de ma- croparticule engendre son propre et unique champ d'énergie diffusée. Une partie de l'énergie diffusée est détectée par les deux transducteurs de réception 14, 16 et l'amplitude de crête de l'énergie détectée est mesurée pour chaque transducteur. L'amplitude de crête est une tension qui est convertie en une amplitude de pression par l'équation sui- vante: P = VC o V est la tension de l'amplitude de crête mesurée et C est une constante de calibration. La constante de calibra- tion est dépendante de la fréquence, mais du fait qu'une seule fréquence est utilisée, par exemple 15 MHz dans la forme de réalisation préférée, elle peut être facilement mesurée ou calculée pour le dispositif. L'amplitude de pression P est alors convertie en une amplitude de diffusion ou une force de diffusion F par l'équation suivante: F = Pd/Po o d est la distance entre le transducteur et la macropar4i- cule et Po est l'amplitude de pression de l'onde incidente sur la macroparticule, qui est fonction du transducteur uti- lisé. Comme approximation, d peut être mesurée à partir du point milieu du conduit directement au-dessous du transduc- teur d'émission. L'amplitude de diffusion F est liée à l'an- gle incident de la manière suivante: F = a + B cos O o a et B sont des constantes liées à la densité et à l'é- lasticité de la macroparticule, et 0 est l'angle de diffu- sion mesuré à partir de la direction de progression de l'impulsion initiale, comme représenté sur la figure 1. Du fait qu'il existe deux mesures de F et que 81 et 82 sont connus pour les transducteurs de réception 14, 16, a et B peuvent être calculés, et ces valeurs seront diffé- rentes pour des macroparticules différentes. Par exemple, pour le nickel, a est égal à 0,330 et B est égal à -0,420, tandis que pour l'aluminium, a est égal à 0,324 et B est égal à -0,266. Comme distinction supplémentaire, la plupart des métaux ont un a positif et un B négatif, tandis que la plupart des liquides ont un a négatif et un B positif ou négatif. Le caoutchouc siliconé, d'un autre côté, a ses deux valeurs négatives. Les macroparticules sont ainsi iden- tifiées en comparant ces valeurs obtenues à partir des am- plitudes de crête mesurées avec les valeurs mesurées ou calculées pour des macroparticules connues. La procédure est répétée un certain nombre de fois pour identifier toutes les différentes particules de l'écou- lement et pour obtenir des lectures répétitives pour diffé- rentes macroparticules de même type. Ceci élimine la possi- bilité d'une mauvaise identification basée sur une lecture unique erronée. Les résultats a et B sont convertis en des points sur un graphique, tel que celui de la figure 3, qui donne une representation visuelle des valeurs très diffé- rentes obtenues pour plusieurs macroparticules. La taille de la macroparticule est directement liée à la valeur de l'amplitude de diffusion F, de sorte que, lorsque la macro- particule est identifiée, sa taille est également déterminée en se référant à l'amplitude de diffusion calculée. Cepen- dant, pour certaines utilisations (par exemple lorsque seu- les deux macroparticules connues, ou de taille connue, peu- vent être présentes), l'amplitude de diffusion seule peut servir à identifier la macroparticule. (Généralement, cepen- dant, un certain nombre de macroparticules différentes peu- vent avoir la même amplitude F pour un angle donné). En ou- tre, s'il n'existe qu'un seul type de macroparticule incon- nu dans un écoulement, il n'est pas nécessaire que a et B soient calculés pour chaque amplitude de diffusion F. A la place, la moyenne d'un certain nombre d'amplitudes de diffu- sion peut être utilisée pour calculer des valeurs a et B uniques. Dans une autre forme de réalisation de la présente invention, comme représenté sur la figure 2, un transduc- teur 50 engendre une impulsion non convergente comportant un lobe principal 52. Les transducteurs de réception 54, 56 sont situés dans les régions des lobes mineurs latéraux et, dans la présente forme de réalisation, sont disposés à l'opposé l'un de l'autre. Comme le montre la figure 2, les angles 01 et e2 pour chacun d'eux sont sensiblement diffé- rents. Le fonctionnement de cette forme de réalisation est le même que celui qui a été décrit plus haut. Il est également possible d'utiliser dans le dis- positif des transducteurs de réception supplémentaires, mais les valeurs de a et B seront déterminées dans un tel système par la méthode des moindres carrés moyens. Il est également possible d'utiliser le transducteur d'émission comme transducteur de réception. REVENDI CATIONS i. Procédé d'identification de macroparticules dans un écoulement, caractérisé en ce qu'il consiste à: émettre dans l'écoulement une impulsion d'ultra- sons, détecter l'énergie diffusée (F) sous un angle pré- déterminé (e) lorsqu'une impulsion heurte une macroparticule de l'écoulement, et utiliser la quantité d'énergie de diffusion détec- tée et l'angle de sa détection pour identifier la macropar- ticule. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la détection comprend la détection d'au moins deux parties différentes de l'énergie diffusée sous deux angles prédéterminés différents. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caracté- risé en ce que l'utilisation de la quantité d'énergie diffu- sée détectée comprend la conversion de toutes les parties détectées en des amplitudes de diffusion. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que les amplitudes de diffusion sont combinées avec les angles prédéterminés cor- respondants pour calculer des valeurs liées à la densité et à l'élasticité de la macroparticule. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les valeurs calculées sont comparées aux valeurs de n!acroparticules connues pour les mêmes angles prédéter- mines. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que la quantité d'é- nergie diffusée détectée sous l'angle prédéterminé est com- parée a la quantité d'énergie diffusée détectée sous le même angle predeterminé pour des macroparticules connues, afin d*'identifier la macroparticule et de déterminer sa taille. 7. Dispositif d'identification de macroparticules, caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens (12) pour émettre une impulsion d'ul- trasons dans un écoulement, des moyens (14, 16) pour recevoir l'énergie diffu- sée lorsque l'impulsion heurte une macroparticule de l'écou- lement, les moyens de réception (14, 16) étant disposés autre part que face aux moyens d'émission (12), et des moyens pour comparer l'énergie diffusée détec- tée par les moyens de réception (14, 16) avec des informa- tions connues concernant des macroparticules connues, de manière à identifier la macroparticule contenue dans l'écou- lement. 8. Dispositif selon la revendication 7, caracté- risé en ce que les moyens de réception comprennent deux transducteurs (14, 16) disposés de manière à recevoir sous des angles différents l'énergie diffusée par la macroparti- cule de l'écoulement. 9. Dispositif selon la revendication 8, caracté- risé en ce que les deux transducteurs (14, 16) sont disposés de part et d'autre de l'écoulement.