Brevet FR2615958A1 — publié le 19881202

DESCRIPTION Procédés et dispositifs pour augmenter la portée d'un capteur de distance constitué par n transducteur électro-acoustique placé dans un gaz. La présente invention a pour objet des procédés et des dispositifs pour augmenter la portée des capteurs de distance constitues par des transducteurs électro-acoustiques placés dans un gaz. Le secteur technique de l'invention est celui de la construction des appareils de mesure et de régulation. On utilise dans de nombreuses applications industrielles des capteurs de distance ou de niveau constitués par un transducteur électro-acoustique, par exemple un transducteur piézo-électrique, qui émet périodiquement des impulsions acoustiques vers un obstacle et qui capte l'écho réfléchi par cet obstacle, de sorte que le temps qui s'est écoulé entre l'émission de chaque impulsion et l'apparition dé 11 écho est proportionnel à la distance qui sépare le capteur de l'obstacle. Dans de nombreux cas, l'obstacle est une interface horizontale entre deux milieux par exemple la surface d'un liquide ou l'interface entre la surface d'un milieu pulvérulent et l'air ou un autre gaz et le capteur qui est placé au-dessus de cette interface mesure le niveau de celle-ci. Dans la majorité des applications industrielles, le capteur est placé dans l'air ou dans un autre gaz, ce qui entraîne des impédances acoustiques très différentes entre la face émissive du transducteur et le gaz. Or on sait qu'une onde acoustique subit des réflexions lorsqu'elle rencontre l'interface entre deux milieux ayant des impédances acoustiques différentes et que le coefficient de réflexion est d'autant plus élevé-que la différence entre les impédances acoustiques des deux milieux est grande.Ces réflexions entrassent une diminution de l'amplitude de l'écho. Comme de plus l'atténuation de l'onde acoustique est proportionnelle au carré de la distance, il en résulte que la portée pratique des capteurs de distance composés de transducteurs électro-acoustiques est limitée à des distances de tordre de quelques dizaines de mètres. L'objectif de la présente invention est de procurer des procédés et des dispositifs qui permettent de doubler la portée d'un capteur de distance constitué par un transducteur électro-acoustique grâce à une multiplication par trois ou quatre de l'amplitude de l'écho due à une diminution de la réflexion des ondes sur la face émissive grâce à une adaptation d'impédance entre la face émissive et le milieu gazeux. Cet objectif est atteint par un procédé suivant lequel on place en avant de la face émissive d'un transducteur utilisé comme capteur de distance au moins une grille ou plaque perforée qui comporte des trous uniformément répartis sur toute sa surface, qui a une impédance acoustique Z2 voisine de la moyenne géométrique entre l'impédance acoustique ZO de la face émissive et l'impédance acoustique Z1 du gaz ambiant et qui a pour effet d'augmenter l'amplitude du signal d'écho et donc également la portée du capteur. Selon un premier mode de réalisation, on place une grille au contact de la face- émissive du transducteur, du côté externe. En variante, on peut placer une ou plusieurs grilles à des distances de la face émissive du transducteur multiples de la demi-longueur d'onde. L'épaisseur de chaque grille ou plaque perforée est inférieure au quart de la longueur d'onde dans ladite atmosphère gazeuse et, de préférence, voisine au huitième de la longueur d'onde. L'invention a pour résultat des capteurs de distance du type transducteur électro-acoustique ou piézo-électrique qui sont plus performants que les capteurs connus à ce jour. A puissance égale, l'amplitude du signal d'écho émis par un transducteur selon l'invention est multiplié par trois ou quatre par la présence d'une grille selon l'invention, ce qui permet de mesurer des distances deux fois plus grandes. L'augmentation très sensible d'amplitude du signal d'écho permet également d'obtenir des capteurs ayant une meilleure sensibilité qui peuvent être utilisés par exemple dans des atmosphères poussiéreuses ou à travers des fumées. Les grilles utilisées pour la mise en oeuvre de l'invention peuvent être construites dans des matériaux qui résistent aux agressions chimiques, à l'abrasion, aux chocs thermiques etc... par exemple en acier inoxydable ou en polytétrafluoréthylène ("TEFLON") ou en toute autre matière plastique, de sorte que les capteurs selon l'invention peuvent être utilisés dans des milieux exposés aux poussières, à des gaz corrosifs ou à des différences de température brutales. La grille équipant un capteur selon l'invention peut être moulée ou coulée d'une seule pièce avec la face émissive, laquelle peut être d'une seule pièce avec le bottier, de sorte que l'on obtient ainsi une unité monobloc qui ne comporte aucun élément rapporté et qui peut être fabriqué en série. Dans le cas où un transducteur selon l'invention doit être placé contre la face externe de la paroi ou du toit d'un réservoir pour éviter tout contact avec l'atmosphère gazeuse agressive contenue dans le réservoir, on peut placer une grille selon l'invention contre la face interne de la paroi, en regard de la face émissive du transducteur. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent sans aucun caractère limitatif des exemples de réalisation de dispositifs selon l'invention. La figure 1 est-une coupe verticale schématique d'un capteur de niveau selon l'invention placé dans un réservoir de liquide. La figure 2 est une coupe à plus grande échelle du capteur de la figure 1. La figure 3 est une vue en plan d'une grille selon l'invéntion. La figure 4 est une coupe axiale d'un mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention. La figure 5 est une coupe à travers un capteur placé à l'extérieur de la paroi d'un réservoir. La figure 6 est une coupe axiale partielle du bottier d'un transducteur selon l'invention comportant une grille incorporée au fond et coulée d'une seule pièce avec celui-ci. La figure 1 représente schématiquement un réservoir ou récipient 1 ayant des parois verticales 2 et contenant un liquide 3 ou un mélange pulvérulent. Ce réservoir est équipé d'un capteur de niveau 4 qui est constitué par un transducteur électro-acoustique placé dans un bottier fixé à l'une des parois du réservoir. En variante, le capteur peut être placé sur le toit du réservoir., à l'extérieur de celui-ci. Le transducteur 4 est par exemple un transducteur piézo-électrique qui est relié par un câble 7 à un coffret ou une armoire & contenant les circuits et composants électroniques nécessaires à l'alimentation du transducteur et au traitement des signaux recus par celui-ci. Le transducteur 4 comporte une face émissive 5 qui est placée au contact de l'air ou du gaz contenu dans le réservoir au-dessus du liquide Ou du matériau en vrac 3. Le transducteur 4 est excité périodiquement par les circuits électroniques et la face émissive 5 émet verticalement vers le bas des impulsions acoustiques périodiques par exemple des ondes ultrasonores ayant une fréquence constante bien déterminée. Les ondes acoustiques rencontrent la surface 3a du liquide, sont réfléchies en grande partie par celle-ci et les ondes réfléchies reviennent frapper là face émissive, de sorte que le transducteur émet alors un signal d'écho. La durée qui sépare l'émission de chaque impulsion de la réception de l'écho correspondant est proportionnelle à la distance d qui sépare la face émissive 5 de la surface 3a et la mesure de cette durée permet de connaître le niveau du liquide. La figure 1 représente seulement un exemple particulier d'utilisation d'un transducteur électro-acoustique comme capteur de niveau. Ces transducteurs sont utilisés comme capteurs de niveau ou de distance dans de nombreuses applications par exemple comme jauge de niveau d'un liquide ou d'un produit solide pulvérulent ou en vrac (minerais, ciment, chaux, boues, sable, céréales, matières alimentaires, pétrole etc...). Ils sont également utilisés comme capteurs de distance par exemple comme alarme anti-collision sur des chariots mobiles ou des ponts roulants, pour indiquer la présence d'une tôle, d'un tube dans un espace donné, pour mesurer la position d'un mobile par exemple d'un robot locomoteur par rapport à des obstacles fixes etc... Ces capteurs sont bien connus de l'homme de l'art et il est inutile de les décrire plus en détail. On rappellera qu'ils présentent de nombreux avantages. Ils sont robustes et fiables car ils sont entièrement statiques. Ils ne comportent aucune pièce en contact avec le liquide ou le produit en vrac. Ils peuvent être placés hors du récipient, sur le toit de celui-ci, de sorte que seule la face émissive soit en contact avec l'atmosphère interne si celle-ci est corrosive ou agressive. Ils convertissent analogiquement une distance ou un niveau en une durée qui peut être facilement convertie en signaux binaires par comptage d'impulsions. Ils peuvent être munis d'un boîtier antidéflagrant. Malgré tous leurs avantages, l'utilisation de ces capteurs comporte une limitation due à leur portée relativement faible, de tordre de quelques dizaines de mètres pour des capteurs habituels ayant une puissance électrique de tordre du kilowatt. En effet, l'atténuation de l'onde acoustique est proportionnelle au carré de la distance aller-retour parcourue soit à quatre fois le carré de la distance à mesurer, de sorte que l'amplitude du signal d'écho décroît très rapidement avec la distance. De plus, dans la plupart des applications pratiques, l'atmosphère qui sépare le capteur de l'obstacle ou de l'interface dont on désire mesurer la distance ou le niveau est de l'air ou une atmosphère gazeuse. Il en résulte que la face émissive du transducteur est placée au contact d'un gaz ayant une impédance acoustique (p.c) très inférieure à celle du matériau qui compose la face émissive et qui est généralement de l'acier inoxydable ou une résine polymérisable. Cette différence d'impédance acoustique entraîne une forte réflexion sur la face émissive des ondes acoustiques émises et des ondes réfléchies par l'obstacle d'où une forte atténuation de l'amplitude du signal d'écho émis par le transducteur. Un dispositif selon l'invention comporte une ou plusieurs grilles ou plaques perforées 6 qui sont placées en avant de la face émissive du transducteur, et qui sont connues et placées à une distance telle qu'elles procurent une adaptation d'impédance qui entrasse une forte augmentation de l'amplitude du signal d'écho de l'ordre de trois à quatre fois, d'où résulte sensiblement un doublement de la portée pratique du capteur. La figure 2 est une coupe à plus grande échelle d'un mode de réalisation d'un capteur 4 selon la figure 1. Une plaque perforée 6 représentée sur la figure 3 est placée au contact de la face émissive 5 entre deux brides 7a et 7b, la bride 7a étant fixée au corps du transducteur, de telle sorte que sa face externe soit dans le plan de la face émissive 5. La grille 6 remplit une fonction d'adaptation d'impédance entre la face émissive et le gaz. La face émissive du transducteur a une surface SO et son impédance. acoustique Z = POxçO po étant la masse volumique du po matériau, par exemple de l'acier inoxydable, et co étant la vitesse de propagation des ondes acoustiques dans ce matériau par exemple co + 5.000 m/s pour l'acier inoxydable. De même, l'impédance acoustique -Z1 du milieu gazeux est égale à P1iC1,pl étant la masse volumique du gaz et cl la vitesse Si de propagation des ondes acoustiques dans le gaz qui est de l'ordre de 340 m/s- pour l'air, de 212 m/s pour du butane et S1 = KSo, K étant une constante qui dépend de la directivité et de la distance et qui est supérieure à 1. La grille 6 placée au contact de la face émissive 5 a une impédance acoustique qui est la plus voisine possible de Z2 telle ZO - Z2 que Z2 = Z1' c'est-à-dire que Une grille ayant une telle impédance acoustique réduit au maximum la réflexion par la face émissive des ondes acoustiques émises et reçues par la face émissive. Le terme grille utilisé ci-après désigne soit une grille composée de barres entrecroisées, soit une plaque perforée, soit même une plaque moulée incorporée à la face émissive du transducteur et formant une seule pièce avec celui-ci. Dans tous les cas la grille 6 est composée d'un matériau solide peu épais et de trous ou canaux ou fentes 9 qui traversent la grille de part en part et qui sont donc remplis de l'atmosphère gazeuse ambiante. Avantageusement, tous les trous sont identiques mais ils peuvent être différents. La grille a une surface totale au moins égale à celle de la face émissive 6, mais elle peut déborder au delà de celle-ci. Avantageusement, les trous sont uniformément répartis sur toute la surface de la grille qui est en regard de la face émissive. Avantageusement, le rapport entre la surface totale des trous S' et la surface So de la face émissive doit être tel que l'impédance acoustique de la grille Z2 soit égale ou voisine de la racine carrée du produit des impédances acoustiques respectives de la face émissive ZO et du gaz ambiant Z2 soit On désigne par s la surface de chaque trou 9, par n le nombre de trous inscrits dans le périmètre de la face émissive de surface S et on suppose que tous les trous sont identiques. L'impédance acoustique de chaque trou qui est rempli de pl.cl gaz est z = . L'impédance acoustique Z' de l'ensemble des trous qui sont montés en parallèle est Z = pi ci n. s L'impédance acoustique totale Z2 de la grille est l'impédance équivalente à l'impédance Z' montée en parallèle avec une impédance Z" qui est celle du matériau solide placé entre les 1 1 1 trous = + . Z2 Z' Z" Soit Sm la surface du matériau ayant une masse volumique #m et une vitesse de propagation cm.Z" = #m.cm. Sm L'impédance acoustique pm.cm du matériau est très supérieure à celle du gaz. Par exemple l'impédance acoustique de l'acier inoxydable est de l'ordre de 106, tandis que celle de l'air est de l'ordre de 430. Il en résulte que le terme 1,, est très petit devant le terme Z, et qu'il peut être négligé et on peut donc considérer que l'impédance acoustique Z2 de la grille est sensiblement égale à l'impédance Z' de l'ensemble des trous. Pour que la condition soit remplie, il faut donc que Z'2 = (Pl-Cl)2 = Z0.Z1 = pO50.cO Place Soit S' = ns = surface totale des trous. L'équation ci-dessus montre qu'une grille optima doit remplir la condition ci-après S' pl.cl = Zl () = K. = , So = poco Zo ctest-à-din que le rapport entre la surface des trous S' et la surface So de la face émissive doit être égal à la racine carrée du rapport entre, d'une part, le produit de la masse volumique pl par la vitesse du son ci dans l'air et, d'autre part, le produit de la masse volumique po par la vitesse du son co dans le matériau qui constitue la face émissive, le tout multiplié par un coefficient K qui dépend de la directivité du transducteur et de la distance à laquelle il opère. Le coefficient K est supérieur à 1 et voisin de 1 et, en pratique, on peut donc choisir une valeur égale à 1 pour déterminer la surface totale des trous de la grille. La nature du matériau de la grille n'intervient pas dans cette équation. La grille 6 peut être par exemple en acier inoxydable ou en résine polymérisable ou en tout autre matériau ayant une bonne résistance aux agressions chimiques, de sorte qu'elle peut être placée dans une atmosphère agressive sans aucun risque d'être détériorée. On donne ci-après quelques exemples numériques correspondant aux cas les plus fréquents dans la pratique. Dans le cas où la face émissive du transducteur est en résine polymérisable, dont l'impédance acoustique p.c est de l'ordre de 106 le rapport - entre la surface totale S' des trous de la grille et la surface émissive So doit être voisin de de l'ordre de 2%. soit Dans le cas ou la face émissive du transducteur est constituée par une céramique piézo-électrique ayant une impédance acoustique p.c de l'ordre de 5,8.106, le rapport S' doit être de l'ordre de 1%. Dans le cas où la face émissive du transducteur est de l'acier dont l'impédance acoustique p.c =20.106, le rapport S' doit être de l'ordre deO,5%. Ces exemples numériques montrent que la surface totale des trous d'une grille selon l'invention est faible par rapport à la surface de la face émissive et comprise entre 0,5 et 2%, selon la nature de la face émissive-placée dans l'air. Des essais ont montré que l'épaisseur de la grille doit est inférieure à A/4, A étant la longueur d'onde dans le milieu ambiant des ondes acoustiques généralement ultrasonores émises par le transducteur. De préférence, l'épaisseur de la grille ou plaque 6 est voisine de A/8. La figure 4 représente un capteur de distance constitué par un transducteur électro-acoustique 4 associé à un tube creux 10 qui s'étend au delà de la face émissive 5 et qui fait fonction de cavité résonnante. Le tube 10 a une longueur L qui est un multiple de la longueur d'onde X dans le gaz ambiant des ondes émises par le transducteur : L = K A/2. Dans cet exemple, une grille ou plaque perforée 6 est placée à l'extrémité du tube 10 à une distance de la face émissive 5 égale à K X/2. En variante, on peut monter dans le tube 10 plusieurs grilles telles que la grille 6' représentée en pointillés, qui sont placées chacune à une distance de la face émissive 5, qui est un multiple de la demi-longueur d'onde. On sait qu'un tube résonnant 10, associé à un transducteur électro-acoustique, crée un système d'ondes stationnaires à l'intérieur du tube et les grilles 6, 6' sont placées aux ventres de ce système d'ondes stationnaires. La figure 4 représente un tube résonnant ayant une forme cylindrique. En variante, le tube 10 peut avoir la forme d'un pavillon évasé vers l'extérieur servant de-cône d'adaptation. La figure 5 représente un autre mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Dans cet exemple, un capteur 4 est fixé à l'extérieur de la paroi 2 d'un réservoir. La paroi 2 peut être une paroi latérale ou le toit d'un réservoir. Son épaisseur est un multiple de 2. Ce montage est utilisé dans le cas où le réservoir contient une atmosphère agressive et où l'on veut éviter de placer le capteur au contact de cette atmosphère. La paroi 2 étant métallique a une impédance acoustique très élevée par rapport à l'impédance acoustique de l'atmosphère gazeuse. Dans ce cas, on place une grille 6 au contact de la face interne de la paroi 2, en regard de la face émissive du transducteur afin d'obtenir une adaptation d'impédance à l'interface entre la paroi métallique et l'atmosphère gazeuse. La figure 6 est une coupe axiale d'un mode de réalisation d'un bottier 11 de transducteur selon l'invention. Dans cet exemple, le fond 12 du boTtier sert de face émissive et il comporte, sur sa face externe, une grille 6 incorporée qui est coulée ou moulée d'une seule pièce avec le fond du boTtier. Les parois latérales du bottier peuvent également être coulées ou moulées d'une seule pièce avec le fond, comme le représente la figure 6. La grille est composée de vides 9 qui sont répartis uniformément sur toute la surface externe du fond et qui ont une profondeur inférieure à l'épaisseur du fond 12. Selon un autre mode de réalisation, un transducteur selon l'invention comporte une grille qui est composée de deux ou plusieurs plaques superposées percées de trous de n'importe quelle forme et qui sont déplaçables l'une par rapport à l'autre. En déplaçant l'une des plaques par rapport aux autres, on peut ainsi faire coincader les trous ou les faire chevaucher partiellement, ce qui permet de faire varier l'impédance acoustique de l'ensemble des plaques pour rechercher expérimentalement la position relative qui conduit à la plus forme amplitude du signal d'écho. REVENDICATIONS 1. Procédé pour augmenter laportée d'un capteur de distance constitué par un transducteur électro-acoustique ayant une face émissive qui est placée dans un gaz et qui émet des impulsions acoustiques périodiques lequel capteur émet un signal électrique d'écho lorsqu'il capte l'onde acoustique réfléchie-par un obstacle, caractérisé en ce que l'on place dans le gaz en avant de la face émissive dudit transducteur, au moins une grille qui comporte des trous uniformément répartis sur toute sa surface, qui a une impédance acoustique (Z2)voisine de la racine carrée du produit de l'impédance acoustique (ZO) de la face émissive par l'impédance acoustique (Z1) du gaz ambiant (Z2 = {i-Or-Z1) ce qui a pour effet d'augmenter l'amplitude du signal d'écho et donc également la portée du capteur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on place une grille au contact de la face émissive dudit transducteur, du côté externe. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on place une ou plusieurs grilles à des distances (d) de la face émissive dudit transducteur multiples de la demi-longueur d'onde. 4. Dispositif pour augmenter la portée d'un capteur de distance constitué par un transducteur électro-acoustique (4) ayant une face émissive qui est placée dans une atmosphère gazeuse, dans laquelle elle émet des impulsions acoustiques périodiques lequel transducteur émet un signal électrique d'écho lorsque ladite face émissive capte les ondes acoustiques réfléchies par un obstacle, dont on mesure la distance, caractérisé en ce que ledit dispositif comporte, en outre, au moins une grille ou plaque perforée (6) qui comporte des trous uniformément répartis sur toute sa surface, qui est placée en avant de ladite face émissive, dans ladite atmosphère gazeuse, qui a une impédance acoustique (Z2)voisine de la racine carrée du produit de l'impédance acoustique(ZO)de la face émissive par l'impédance acoustique (Z1) du gaz ambiant et qui a pour effet d'augmenter l'amplitude du signal d'écho et donc la portée du capteur. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'épaisseur de chaque grille ou plaque perforée (6) est inférieure au quart de la longueur d'on de dans ladite atmosphère gazeuse et, de préférence, voisine du huitième de la longueur d'onde. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que le rapport S' entre la surface totale S (S') des trous de ladite grille et la surface (S) de la face émissive est sensiblement égal à la racine carrée du rapport entre l'impédance acoustique (pl.cl) du milieu gazeux et l'impédance acoustique (po.co) du matériau de la face émissive 7. Dispostif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qutil comporte une grille (6) placée au contact de ladite face émissive (S). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite grille (6) est incorporée à la face émissive avec laquelle elle est moulée ou coulée d'une seule pièce. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte une ou plusieurs grilles (6) placées à l'intérieur d'un tube résonant (10) à des distances de la face émissive qui sont des multiples de la demi-lontueur d'onde. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que ledit capteur est placé contre la face externe d'une paroi (2) d'un réservoir et ladite grille (6) est placée au contact de la face interne. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux grilles ou plaques perforées superposées et déplaçables l'une par rapport à l'autre, ce qui permet d'ajuster expérimentalement la position relative desdites grilles ou plaques pour obtenir la plus forte amplitude possible du signal d'écho.