Brevet FR2562242A1 — publié le 19851004

PROCEDE ET DISPOSITIF D'IDENTIFICATION DE DISCONTINUITES DANS UN ECOULEMENT PhR UNE TECHNIQUE ULTRASONIQUE La présente invention concerne un procédé et un dispositif permettant d'obtenir une information de discontinuités et de débit en masse. Dans de nombreux processus faisant intervenir des écoulements de fluides, comme par exemple dans la récupéra- tion d'huiles secondaires ou dans l'utilisation de pompes sanguines dans certains traitements médicaux, il est important d'assurer le déroulement continu ou aussi continu que possible du processus. Cependant, il est simultanément tout aussi important d'arrêter le processus si l'écoulement con tient des discontinuités qui seraient susceptibles dtaffee- ter défavorablement le processus, le matériel associé ou, dans les cas médicaux, le patient. Il y a cependant deux problèmes principaux qui se posent pour décider si on doit arrêter ou non le fonction nement d'un tel système. Premièrement, l'écoulement peut contenir de nombreux types différents de discontinuités, et il est possible qu'un seul type soit nuisible. Il est donc nécessaire de pouvoir identifier avec précision les diverses discontinuités, et en particulier de détecter effectivement la présence d'un ou de plusieurs types particuliers. Secondement, dans certains cas, la discontinuité particulieA e peut ne pas être nuisible sauf si elle existe dans l'écrou lement avec une concentration supérieure à une certaine limite. Il est donc souhaitable de pouvoir mesurer également se débit en massue. (rl a déeouvert qu'il était possible d'identifier des discontinuités % de dQ-ernÉner le débit en masse en utilisant un système électronique simple, basé sur l'effet Doppler, pour obtenir à partir des discontinuités un signal décalé en fréquence, et en comparant ensuite le spectre du signal, ou une approximation de celui-ci, avec des spectres connus, ce qui procure une information concernant les dis continuités. On peut utiliser cette information en relation avec l'information de vitesse pour obtenir une mesure de débit en masse. Dans le mode de réalisation préféré, le système utilise un transducteur ultrasonique qui est placé de façon à diriger une série d'impulsions à large bande dans un écoulement, sous un angle oblique. Le transducteur détecte toutes les impulsions éventue1les réfléchies-par des discontinuités. On convertit en un spectre de fréquence l'impulsion détectée, décalée en fréquence, ou on la combine avec un signal de référence pour produire une approximation du spectre, et on compare ensuite le spectre ou son approximation avec les spectres de discontinuités connues pour identifier la discontinuité détectée.Un comptage des discontinuités ou l'amplitude du spectre donne l'information de concentration qui, lorsqu'on la combine à l'information de vitesse qui est également obtenue à partir de l'impulsion de retour, donne une mesure de débit en masse. Un aspect de ltinvention porte sur un dispositif d'identification de discontinuités dans un écoulement, caractérisé en ce qu'il comprend : un transducteur, ce trans- ducteur étant monté de façon à diriger de 11 énergie ultrasonique dans un écoulement sous un angle différent de 900; des moyens destinés à détecter l'énergie ultrasonique réfléchie par des discontinuités dans l'écoulement ; des moyens destinés à convertir l'énergie détectée en un spectre de fréquence ; et des moyens destinés à comparer le spectre de fréquence de l'énergie détectée avec les spectres de discontinuités connues. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre du mode de réalisation préféré, donné à titre d'exemple non limitatif. Li suite de la description se réfère aux dessins annexés sur lesquels Ia figure 1 est une coupe de la structure de transducteur et de conduit du mode de réalisation préféré la figure 2 est un schéma synoptique des éléments de circuit de l'invention La figure 3 est un tracé d'un spectre de fréquence relatif à une discontinuité ; et La figure 4 est un tracé d'un spectre de fréquence relatif à une autre discontinuité. On va maintenant considérer la figure 1, sur laquelle un système Doppler est représenté en 10. Le système 10 comprend un transducteur ultrasonique 12 qui est monté dans un tuyau en exeroissance 14 raccordé à un conduit d'écoulement principal 16. Lexeroissance 14 fait un angle dBenvi- ron 450 par rapport au conduit principal 16, mais on peut utiliser d'autres angles. Le transducteur est de façon génie rale du même type que celui de la demande de brevet US 187 615, déposée par Abts le 15 septembre 1980. Le sel changement consiste en ce que le cristal est le cristal à bande large de la demande de brevet US 360 773, déposée par Abts le 22 mars 1982. Le circuit électronique de génération et de détection d'impulsions 20 pour le mode de réalisation préféré est représenté sur la figure 2. la sortie d'un générateur de signal 22 est connectée au transducteur 12 par un circuit de porte d'émission 24. Le transducteur 12 est connecté par un amplificateur 26 à un démodulateur 28, qui est également connecté au générateur de signal 22 par l'intermédiaire d'un circuit de porte de distance 32. La sortie du démodulateur 28 est connectée à un filtre passe-bande 30 et ensuite à un circuit échantillonneur-bloqueur 34. Le circuit de porte de distance peut également être placé entre le filtre et le circuit échantillonneur-bloqueur 34 ou entre l'amplificateur et le démodulateur. En fonctionnement, le générateur de signal 22 émet périodiquement un signal de déclenchement vers le transducteur 12, de la manière déterminée par les caractéristiques temporelles du circuit de porte d'émission 24. Le transducteur 12 produit alors une impulsion ultrasonique focalisée, qui est dirigée dans l'écoulement, comme le montre la figure 1. La fréquence de base de l'impulsion ultrasonique est déterminée par un certain nombre de facteurs, comprenant le type de cristal, et la fréquence est comprise entre 1 NHz et 150 MHz. Cependant, l'impulsion globale est de préférence soumise à un élargissement de bande et elle a des composantes de fréquence qui s'étendent sur une gamme de fréquence étendue. Lorsqu'une discontinuité quelconque présente dans l'écoulement reçoit l'impulsion, elle réfléchit une partie au moins de l'impulsion vers le transducteur 12, qui la détecte. Les caractéristiques temporelles du générateur de signal 22 et du circuit de porte d'émission 24 sont telles que le transducteur ne recevra aucun autre signal de déclenchement à partir du générateur de signal 22 pendant la durée au cours de laquelle un signal refléchi pourrait être détecté. Comme il est habituel pour un système du type Doppler, l'impulsion réfléchie présente un décalage de fréquence, qui dépend en partie de la vitesse de la discontinuité. Ce décalage est cependant également lié au type de discontinuité, du fait que différents types de discontinuités (par exemple différents types de particules- solides), affectent des composantes de fréquence différentes de l'impulsion incidente. Cette impulsion détectée décalée en fréquence, est ensuite transmise à l'amplificateur 26 puis au démodulateur 28, qui multiplie l'impulsion détectée par un signal de référence. Le signal de référence, qui provient du circuit de porte de distance, est obtenu à partir du signal de déclenchement. On accomplit ceci en transmettant sélective ment l'impulsion de déclenchement sflus la dépendance d'une impulsion de distance retardée, de durée-beaucoup plus cour te. Le retard rii--meme est simplement choisi de façon à sé- lectionner une plage de distance appropriée dans laquelle l'impulsion détectée est reconnue et traitée par le système. Ce retard est approximativement égal à la durée nécessaire pour que l'impulsion ultrasonique accomplisse le trajet aller et retour correspondant à la plupart des discontinuités détectées, afin que l'impulsion détectée et l'impulsion de référence arrivent simultanément au démodulateur 28. Ce retard détermine donc effectivement la distance à laquelle le système détecte des discontinuités. Le signal de sortie combiné du démodulateur 28 est ensuite émis vers le filtre passe-bande 30, dont le signal de sortie est le signal de sortie réel du système 10. Le circuit échantillomlexw-bloqueur 34 permet simplement de combiner un certain nombre d'impulsions réfléchies pour produire un seul signal de sortie de ce type. lie signal de sortie du filtre 30 est une approxi mation du spectre de fréquence qu'on obtiendrait à partir de l'impulsion réfléchie par la discontinuité. Ceci est dA dans une large mesure à l'étroitesse de l'impulsion du circuit de porte de distance. Cependant, à cause de l'effet Doppler, ce signal de sortie est quelque peu comprimé et décalé e fréquence vers le bas, ce qui fait qu'il est habituellement dans la gamme de 1 à 10 kHz. (Les spectres de fréquence réels des impulsions qui retournent ne seraient pas comprimés et seraient dans la gamme de fréquence de l'impulsion émise, c'est-à-dire 1 lez à 150 MHz) Les figures 3 et 4 montrent deux de ces signaux de sortie.Sur ces figures, les deux tracés montrent qu'on peut nettement distinguer les signaux de sortie du système pour deux discontinuités différentes. On peut ainsi identifier la discontinuité particulière en comparant ce spectre de sortie réel et ceux de discontinuités connues Selon une variante, on peut obtenir le spectre de fréquence en effectuant une transformation de Poudrier rapide directement sur l'impulsion détectée, comme il est indiqué dans la demande de brevet US 151 384, déposée par Abts le 21 mai 1980. Cependant, dans ce cas, les circuits électroniques utilisés sont beaucoup plus complexes, et il est nécessaire d'effectuer tort d'abord une conversion analogiquenumérique rapide qu'évitent le procédé et le dispositif du mode de réalisation préféré. On peut déterminer de deux manières la quantité de discontinuités dans l'écoulement. S'il y a relativement peu de discontinuités, on peut compter le nombre dtimpul- sions réfléchies par ces discontinuités pendant une durée unitaire donnée. Si au contraire il y a trop de discontinuités pour les compter individuellement, on détermine la concentration moyenne à partir de l'amplitude du signal de sortie du système, c'est-à-dire que plus la concentration est élevée, plus l'amplitude du spectre est grande. Avec cette information, on peut alors mesurer le débit en masse. Le décalage de fréquence du signal qui retourne est lié à la vitesse d'écoulement de la manière déterminée par l'équation suivante : fdc v = 2f- cos dans laquelle f est la fréquence de lf impulsion émise, fd est la fréquence de l'impulsion réfléchie, c est la vitesse du son dans le fluide et t est l'anIe sous lequel l'impulsion est émise dans l'écoulement. Cette mesure de vitesse, combinée avec l'information de quantité de discontinuités mentionnée ci-dessus, donne une valeur de débit en masse. Il est également possible d'utiliser un système Doppler continu au lieu d'un système fonctionnant en impulsions, comme dans le mode de réalisation préféré, en employant un transducteur de réception séparé. Il va de soi que de nombreuses autres modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art, sans sortir du cadre de l'invention. REVhb4DICATIONS 1. Procédé d'identification de discontinuités dans un écoulement, caractérisé en ce que : on émet de l'énergie ultrasonique dans un écoulement, sous un angle différent de 900 , on détecte la partie de l'énergie ultrasonique qui est réfléchie par une discontinuité dans l'écoulement, on convertit l'énergie détectée en un spectre de fréquence, et on compare le spectre de fréquence de l'énergie détectée avec -les spectres de discontinuités connues. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la conversion de l'énergie détectée comprend l'utilisation de l'énergie détectée pour produire un signal de sortie comprimé et de fréquence inférieure, qui constitue une approximation du spectre de fréquence de l'énergie détectée. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'émission et la détection sont accomplies par un seul transducteur (12). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on détermine en outre la quantité de discontinuitésen comptant le nombre de réflexions d'énergie sur de telles discontinuités. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on détermine en outre la quantité de discontinuités en mesurant l'amplitude du spectre de fréquence de l'énergie détectée. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce qu'on détermine en outre le débit en masse en calculant la vitesse des discontinuités détectées, à partir de l'énergie détectée, et en combinant la vitesse avec la quantité de discontinuités dans l'écoulement. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'énergie ultrasonique est sous la forme d'une série d'impulsions de haute fréquen ce. S. procédé selon l'une quelconque des revendica -tions 1 à 6, caract risé en ce que l'énergie ultrasonique est sous la forme d'une onde entretenue. 9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la conversion comprend l'accomplissement d'une conversion analogique-numérique rapide sur l'énergie detectée et l'accomplissement d'une transformation de Fourier rapide sur le signal numérique résultant. 10. Dispositif d'identification de discontinuités dans un écoulement, caractérisé en ce qu'il comprend : un transducteur (12), ce transducteur étant monté de façon à diriger de l'énergie ultrasonique dans un écoulement sous un angle différent de 900 ; des moyens (12) destinés à détecter l'énergie ultrasonique réfléchie par des discontinuités dans l'écoulement ; des moyens (26, 28, 30, 32, 34) destinés à convertir l'énergie détectée en un spectre de fréquence ; et des moyens destinés à comparer le spectre de fréquence de l'énergie détectée avec les spectres de discontinuités connues. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens de détection sont constitués par le transducteur (12). 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que les moyens de conversion consistent en un circuit de détection Doppler (26, 28, 30, 32, 34j. 13 Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que ledit circuit (26, 28, 30, 32, 34) produit un signal de sortie comprimé et de fréquence inférieure qui constitue une approximation du spectre de fréquence de l'énergie détectée. 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1d à 13, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens destinez à dé ernuner s quantité de discontinui tés dans l'écoulement. 15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens destinés à déterminer la vitesse de l'écoulement et des moyens destinés à utiliser la vitesse déterminée de l'écoulement et la quantité de discontinuités pour déterminer le débit en masse.