Brevet FR2703786A1 — publié le 19941014

PROCEDE ET DISPOSITIF A ULTRASONS DE DETECTION ET D'IDENTI- FICATION DE CONTAMINANT TEL QUE LE GIVRE A LA SURFACE D'UNE STRUCTURE La présente invention concerne la détection de la présence et l'identification d'un contaminant, appartenant à une famille de contaminants connus, sur la surface d'une structure et utilise la différence d'impédance acoustique entre l'air et les contaminants tels que le givre. Elle trouve une application particulièrement importante en aéronautique o, pendant les périodes froides, il est important de savoir, avant décollage d'un avion, si les surfaces des structures portantes sont propres et de déterminer, en cas de pollution, quelle est la nature du contaminant (givre, mélange de phases solides et liquides, liquide, etc). On connaît déjà des dispositifs à ultrasons de détection de givre et éventuellement de mesure de l'épais- seur de la couche de givre Ils ne permettent pas d'identi- fier un contaminant d'autre nature éventuellement présent. Or il est important de discriminer, notamment avant décolla- ge d'un avion, la présence sur les ailes de givre qui réduit fortement et durablement la portance, de neige fondante, d'un liquide de dégivrage ou d'anti-givrage ou d'un mélange d'eau et de liquide de dégivrage ou d'anti-givrage suscepti- ble de s'évacuer dès accélération. L'invention vise à permettre non seulement une détection de la présence de contaminant, mais aussi une discrimination entre les contaminants possibles Elle utilise pour cela l'effet, sur la réflexion des ondes ultrasonores, des ruptures d'impédance acoustique à l'inter- face avec l'air dans le cas d'une surface propre, avec le contaminant dans le cas contraire. On sait que l'impédance acoustique W d'un matériau est égale au produit de sa masse volumique par la vitesse du son dans le matériau Elle a pour valeur: 1,4 x 106 kg/m 2 S pour l'eau, 1,7 x 106 kg/m 2 S environ pour la plupart des liquides de dégivrage et d'anti-givrage, 4 x 106 kg/m 2 S environ pour la glace et le givre. Les coefficients de réflexion R et de transmission D à l'interface entre deux milieux dépendent des impédances W des milieux séparés par l'interface A incidence nulle R = (W 2-Wl)/(W 2 +Wl) D = 2 W 2/(W 2 +W,), les indices 1 et 2 correspondant aux milieux amont et aval dans le sens de la propagation des ondes. Les coefficients R et D varient également en fonction de l'angle d'incidence sur l'interface, entre l'incidence normale et l'incidence correspondant à la réflexion totale. L'invention propose notamment un procédé de détection et de discrimination suivant lequel on dirige une salve d'ultrasons vers l'interface à travers un bloc de matériau, constituant ligne à retard et ayant une impédance acoustique intermédiaire entre celle des liquides et celle de la glace, sous une incidence oblique, et on compare l'amplitude et la phase de l'écho (ondes réfléchies) à celles des ondes incidentes ou à celles d'un écho de référence, obtenu avec une surface propre. L'angle d'incidence est avantageusement choisi de façon à conserver une puissance d'écho élevée même en présence de glace sur la surface L'écho commence par diminuer à partir de l'incidence normale puis augmente jusqu'à atteindre 100 % pour les ondes longitudinales au-delà de la réflexion totale Dans la pratique, on choisira un angle d'incidence compris entre celui pour lequel on retrouve, dans le cas de la glace, un coefficient de réflexion égal à celui obtenu sous incidence normale et un angle peu supérieur à l'angle de réflexion totale des ondes longitudinales Dans le cas d'un matériau ayant une impé- dence acoustique d'environ 2,85, un angle compris entre 350 et 450 donnera généralement des résultats satisfaisants. Pour détecter et discriminer le givre, on constitue avantageusement le matériau constitutif du bloc pour présen- ter une impédance à peu près égale à la moyenne des impédan- ces des liquides et de la glace On peut notamment utiliser alors le polysulfone ou PSU pour lequel W= 2,85 x 106 kg/m 2 s et un angle d'incidence P proche de l'angle de réflexion totale pour le dioptre PSU/glace. Sous incidence normale, on aurait, en utilisant le PSU: R = -0,25 avec un contaminant constitué par un liquide dégivrant; R = -0,34 avec de l'eau; R = + 0,17 avec de la glace (la valeur positive correspondant à une inversion de phase); R = 0,99 avec de l'air, c'est-à- dire dans le cas d'une surface propre. Une solution commode consiste à mémoriser l'écho obtenu avec une surface de structure "propre" et notamment de mesurer l'intervalle de temps qui s'écoule entre l'émis- sion de la salve et le début de l'écho, ainsi que l'ampli- tude et le signe du premier pic d'écho dans le cas d'une surface propre, puis à comparer (éventuellement après correction tenant compte de la température) les grandeurs correspondantes obtenues lors d'essais successifs de détection. Dans un mode avantageux de mise en oeuvre de l'invention, le procédé permet également de déterminer l'épaisseur de la couche de contaminant, par mesure de l'intervalle de temps qui sépare l'écho sur ledit interface de l'écho sur la surface de contact du contaminant avec l'air. L'invention propose également un dispositif de détection et d'identification de la nature d'un contaminant, pouvant être du givre, recouvrant la surface d'une structu- re, comprenant: une sonde ayant un bloc de retard présentant une interface destinée à affleurer la surface de la structure et deux faces ayant la même inclinaison par rapport à l'inter- face et ayant des transducteurs d'émission et de réception orientés perpendiculairement chacun à une des faces, ledit bloc ayant une impédance acoustique comprise entre 2,7 et 3 x 106 kg/m 2 S; et des moyens d'excitation et d'analyse permet- tant d'envoyer une impulsion électrique d'excitation au transducteur d'émission et de comparer l'amplitude et la phase de l'écho d'interface avec un écho de référence correspondant à l'absence de contaminant, ou avec le signal ultrasonore provenant du transducteur d'émission dans le cas d'un seul capteur. La présence d'un écho d'interface affaibli, sans inversion de phase, présentant un retard correspondant au temps d'aller-retour jusqu'à l'interface, indique alors la présence d'une pellicule de liquide sur la surface Un écho avec inversion de phase indique du givre Une atténuation très forte de l'écho indique la présence d'un contaminant ayant une impédance acoustique proche de celle du bloc de retard, c'est-à-dire de neige fondante, d'un mélange d'eau et de cristaux de glace, etc. Le dispositif peut également être prévu pour mesurer l'épaisseur de givre Pour cela les moyens d'exci- tation et d'analyse sont prévus pour mesurer également l'intervalle de temps entre l'écho sur l'interface et l'écho sur la face externe de la couche de givre. Le dispositif peut comporter des moyens d'auto-test vérifiant la présence d'un écho à chaque excitation du transducteur ou de chaque transducteur d'émission. L'invention concerne encore d'autres dispositions avantageusement utilisables en liaison avec les précédentes, mais pouvant l'être indépendamment Toutes ces dispositions apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exem- ple non-limitatif La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lequels: la figure 1 est un schéma synoptique de principe d'un dispositif selon un mode particulier de réalisation de l'invention; la figure 2 est un chronogramme montrant, en tirets, l'allure d'un signal d'écho obtenu avec une surface propre et, en traits pleins, un signal d'écho obtenu sur une surface portant une pellicule de liquide d'anti-givrage; les figures 3, 4 et 5, similaires à la figure 2, correspondent respectivement à la présence d'un mélange d'eau et de liquide dégivreur, à la présence de neige fondante ou "lslush", et à la présence de givre; la figure 6 montre un mode possible d'affichage. Le dispositif dont la constitution de principe est montrée en figure 1 peut être regardé comme comprenant une sonde 10 et une unité d'excitation et d'analyse 12 Dans la réalité, l'unité d'excitation et d'analyse sera souvent associée à plusieurs capteurs 10 et effectuera des opéra- tions de détection successives sur les différentes sondes, de façon cyclique. La sonde 10 est prévue pour être monté dans une structure de façon que son interface avec le milieu ambiant soit de niveau avec la surface externe de la structure 14. Elle comporte un bloc 16 destiné à constituer ligne à retard, en un matériau dont l'impédance acoustique est intermédiaire entre celle du givre et celle des liquides, donc proche de celle d'un mélange de phases liquide et solide On peut notamment utiliser le polysulfone ou PSU dont l'impédance acoustique est d'environ 2,85 x 106 kg/m 2 s. Le bloc 16 présente généralement une interface 18 plane, par exemple de forme circulaire avec un diamètre de un à quelques centimètres Toutefois l'interface peut avoir une forme bombée, notamment pour s'adapter à la structure équipée du dispositif Il a deux faces obliques symétriques par rapport à un plan médian du bloc 18, destinées respecti- vement à recevoir un transducteur d'émission 20 et un trans- ducteur de réception 22 Les faces et les transducteurs sont orientées de façon que l'angle d'incidence j soit proche de l'angle critique dans le cas d'une interface avec la glace. Pratiquement l'angle d'incidence P sera généralement compris entre 40 et 550. Les transducteurs 20 et 22 seront généralement constitués par des transducteurs piézo-électriques fortement amortis, destinés à fournir, lorsqu'ils sont excités par une impulsion unique, une salve ultrasonore constituée par un train d'ondes alternatives amorties On peut notamment uti- liser des transducteurs ayant une fréquence de résonance d'environ 2 M Hz La section droite des transducteurs est choisie notamment en fonction de l'épaisseur maximale de givre que l'on veut être capable de mesurer Dans la pratique, avec un angle P d'environ 450 et des transducteurs ayant un diamètre d'élément actif de 6 à 7 mm (et une surface émissive d'environ 10 mm de diamètre) on peut mesurer une épaisseur de givre allant jusqu'à 3 mm environ. On verra que la discrimination et la mesure d'épaisseur sont améliorées en effectuant une correction de température qui exige de connaître la température du bloc 16 Dans ce dernier peut en conséquence être encastrée une sonde de température 24, dont le rôle apparaîtra plus loin. L'unité d'excitation et d'analyse 12 est prévue pour appliquer une impulsion d'amplitude et de durée déterminées au transducteur d'émission 20 et pour analyser l'écho ultrasonore reçu par le transducteur 22. L'unité d'excitation comporte une voie d'émission reliée au transducteur 20 Dans le mode de réalisation illustré, cette voie comporte un générateur 26 d'impulsions brèves ( 200 nanosecondes par exemple) commandant la ferme- ture d'un commutateur électronique 28 relié à une source haute tension 30 Le générateur peut être muni d'une horloge 32 fixant la durée des impulsions et comporter un diviseur de fréquence permettant de distribuer, à partir d'une sortie 34, un signal d'horloge, par exemple à une fréquence de 20 M Hz, destiné à l'échantillonnage de l'écho. Le transducteur 20 peut être d'un type couramment disponible dans le commerce, de faible encombrement (par exemple environ 7 mm de diamètre et 13 mm de longueur) Il est amorti fortement, de façon que les pics d'amplitude ultraso- nore fournis décroissent rapidement dans le temps Pour la détection du givre, une fréquence de résonance des trans- ducteurs d'environ 1 à 3 M Hz donne généralement des résul- tats satisfaisants. L'unité comporte également une voie de réception ayant un amplificateur 36, un convertisseur analogique- numérique (CAN) 38 ayant une cadence d'échantillonnage nettement plus élevée que la fréquence de résonance des transducteurs (par exemple dix fois cette fréquence) et une mémoire 40 organisée en file d'attente et reliée à un bus de données 42 Le fonctionnement du CAN 38 et de la mémoire 40 est cadencé par le signal d'horloge provenant de la sortie 34. Le mode de réalisation représenté sur la figure 1 est prévu pour permettre une correction d'échelle et une correction en fonction de la température Il comporte dans ce but un pré-amplificateur 44 à gain commandé, interposé entre le transducteur 22 et l'amplificateur 36 à gain fixe. Un commutateur 46 permet d'orienter à volonté, vers la voie de réception, soit le signal de sortie de l'amplificateur 44, soit le signal de sortie d'un amplificateur à gain fixe 48 relié au capteur de température 24. Le fonctionnement de l'unité 12 est commandé par une unité de calcul 50, comportant un microprocesseur et des mémoires, qui effectue également l'analyse des signaux. Cette unité de calcul permet de lancer chaque mesure en envoyant un signal de départ au générateur 26 Elle permet également d'orienter le commutateur 46 de façon à mesurer la température de fonctionnement En fonction de la différence entre la température de calibrage et la température d'essai, il tient compte de la variation de vitesse du son en utilisant une table de correction stockée en mémoire. La mise en oeuvre du dispositif qui a été décrit pour détecter la formation éventuelle de givre est précédée d'une étape de calibration, qui peut être effectuée une fois pour toutes ou répétée à intervalles réguliers dans des conditions o la surface est propre. Au cours du calibrage, on émet une impulsion et on analyse le signal d'écho, sur une durée couvrant au moins les deux premières alternances du signal reçu (dans le cas d'une simple détection) ou jusqu'à la première alternance du signal d'écho sur la surface libre de la couche de contami- nant d'épaisseur maximale à mesurer (en cas de dispositif permettant également la mesure) On relève les instants R 1 de début de signal d'écho, R 2 du premier passage à zéro et R 3 du second passage à zéro La température de mesure est égale- ment mémorisée. Un nouveau calibrage peut être effectué immédiate- ment avant chaque série de mesures, alors que la structure est à l'abri, donc en principe non polluée L'obtention des mêmes valeurs R 1, R 2 et R 3 confirme que la sonde est propre. Dans le cas contraire, on adopte les valeurs R 1, R 2 et R 3 mémorisées Dans la mesure o la sonde est propre, l'unité de calcul, programmée à cet effet, règle le gain du pré- amplificateur 44 de façon que l'amplitude du pic le plus élevé du signal reçu par le CAN 38 corresponde à la pleine échelle L'amplitude A du premier pic au moins est également mémorisée. Le calibrage peut comporter une séquence de plusieurs opérations identiques, les valeurs mémorisées constituant alors des moyennes, par exemple sur dix essais successifs. Lors de chaque détection proprement dite, l'unité de calcul 50 commence par mesurer la température, par orientation du commutateur 46, qui permet pour compenser la variation de la vitesse des ondes ultrasonores dans le PSU en fonction de la température, suivant une table mémorisée. Puis le transducteur d'émission 20 est excité par une impulsion Des tranches temporelles importantes sont celles allant de t O à t 1 en ce qui concerne la détection, au-delà de t 2 en ce qui concerne la mesure d'épaisseur (t 2 désignant le temps de vol de l'émission à la réception pour l'épaisseur minimale qu'il est jugé nécessaire de mesurer). La courbe en traits pleins de la figure 2 montre, à titre d'exemple, un signal obtenu dans le cas d'une pellicule de liquide d'anti-givrage de 0, 44 mm d'épaisseur à la surface de la sonde Dans ce cas les passages à zéro interviennent aux instants E 1, E 2 et E 3 L'unité de calcul est également prévue pour mesurer l'amplitude des premiers pics et leurs signes et les comparer à l'amplitude mémorisée des pics obtenus avec la sonde "propre" Dans la mesure o la température n'a pas changée depuis le calibrage, les points R 1 et E 1 coïncident En cas de modification de température, une correction effectuée par l'unité de calcul permet de les faire coïncider. En cas de présence d'un liquide d'anti-givrage (éthylène-glycol par exemple), le premier pic a la même phase que dans le cas de la sonde propre (figure 2), ce qui indique que le contaminant est un liquide, mais l'amplitude A 1 est très inférieure à l'amplitude A,, du fait que la rupture d'impédance est moins marquée que dans le cas d'une sonde propre L'emplacement des pics peut être repéré par détection du passage à zéro de la dérivée de la courbe. L'unité de calcul peut être prévue pour indiquer la présence de liquide lorsque le rapport A 1/A est dans une plage déterminée, sans changement de signe. Le dispositif peut également être prévu pour mesurer l'épaisseur de la pellicule de liquide Pour cela, le retard entre l'apparition du premier pic d'écho à la surface de la pellicule, par rapport au premier pic d'écho à l'interface, est relevé Ce retard At correspond au temps d'aller-retour dans la pellicule, sous une incidence qui est connue Il est possible d'en déduire l'épaisseur de la pellicule, d'environ 0, 4 mm dans le cas illustré sur la figure 2. Le cas illustré sur la figure 3 est celui d'une pellicule d'un mélange d'eau et de fluide anti-givrage Dans ce cas l'atténuation est plus faible que pour du fluide d'anti-givrage seul, le coefficient de réflexion sous incidence normale étant de -0,34 pour l'eau alors qu'il est de -0,25 avec le fluide. Le retard At correspond dans ce cas à la présence d'une pellicule de mélange eau-fluide d'environ 0,37 mm d'épaisseur. Le cas illustré en figure 4 correspond à la présence de neige fondante, dont l'impédance acoustique est très proche de celle du PSU Il y a en conséquence perte de l'écho d'interface Il n'en reste pas moins possible de mesurer l'épaisseur de la pellicule contaminante à partir de l'intervalle de temps At Dans le cas illustré sur la figure 4, elle est d'environ 0,5 mm. Enfin, le cas illustré sur la figure 5 correspond à la présence de glace sur la sonde 10 Dans ce cas la réflexion à l'interface s'accompagne d'un changement de phase et le premier pic, d'amplitude A,, a une polarité opposée à celle du pic Ao du signal d'écho sur le capteur propre. Là encore, il est possible de mesurer l'épaisseur de givre, d'environ 2,4 mm dans le cas illustré sur la figure , à partir de l'intervalle de temps At Dans ce cas, les il réflexions à l'interface et à la surface de la pellicule de glace se traduise par des pics de polarités opposées. Dans tous les cas exposés ci-dessus, il est avantageux d'effectuer une séquence de mesures successives et d'afficher la moyenne des résultats, ce qui permet de mieux tenir compte des irrégularités temporaires de la surface La mesure reste possible aussi longtemps que l'épaisseur n'est pas telle que l'énergie réfractée à l'interface n'atteint plus le transducteur récepteur 22. Avec des transducteurs d'environ 6 mm ou un demi-pouce de diamètre actif, on arrive en général à mesurer jusqu'à 3 mm environ d'épaisseur. L'affichage peut s'effectuer, comme indiqué sur la figure 6, par déplacement d'une plage colorée sur une échelle et indication numérique d'une épaisseur. REVENDICATIONS 1 Procédé de détection de présence et d'identifi- cation d'un contaminant sur la surface d'une structure, suivant lequel on dirige une salve d'ultrasons vers l'inter- face à travers un bloc de matériau ( 16), constituant ligne à retard, caractérisé en ce qu'on donne au matériau une impédance acoustique intermédiaire entre celle des liquides et celle de la glace et on compare l'amplitude et la phase de l'écho obtenu sur l'interface, sous incidence oblique, à celles de la salve incidente ou à celles d'un écho de référence obtenu avec une surface propre. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, au cours d'une phase préliminaire de calibrage, on mémorise l'écho obtenu avec une surface propre et on mesure l'amplitude et le signe du premier pic d'écho. 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2, caracté- risé en ce qu'on mesure l'intervalle de temps qui sépare l'écho sur ledit interface de l'écho sur la surface de contact du contaminant avec l'air pour en déduire l'épais- seur de la couche de contaminant. 4 Dispositif de détection de la présence et d'identification d'un contaminant sur la surface d'une structure, comprenant une sonde ( 10) ayant un bloc de retard ( 16) présentant une interface destinée à affleurer la surface, munie de moyens transducteurs et comprenant des moyens d'excitation et d'analyse ( 12), caractérisé en ce que la sonde comporte des transducteurs d'émission et de réception ( 20-22) orientés perpendiculairement chacun à une de deux faces du bloc à retard ayant la même inclinaison par rapport à l'interface, le bloc étant en un matériau ayant une impédance acoustique comprise entre 2, 7 et 3 x 106 kg/m 2 s, et en ce que les moyens d'excitation et d'ana- lyse sont prévus pour envoyer une impulsion électrique d'excitation aux transducteurs d'émission et comparer l'amplitude et la phase de l'écho d'interface avec un écho de référence correspondant à l'absence de contaminant ou avec le signal ultrasonore provenant du transducteur d'émission. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le bloc de retard ( 16) est en polysulfone. 6 Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que les faces du bloc sont orientées de façon que l'angle d'incidence sur l'interface soit proche de l'angle de réflexion totale pour les ondes longitudinales pour le dioptre matériau/glace. 7 Dispositif selon la revendication 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que les moyens d'excitation et d'analyse comportent des moyens ( 40) de mémorisation d'un écho de référence obtenu avec une surface propre. 8 Dispositif selon 1 'une quelconque des revendica- tions 4 à 7, caractérisé en ce que le transducteur ou chaque transducteur d'émission ( 20) est de type amorti et en ce que les moyens d'excitation sont prévus pour fournir des impulsions brèves au transducteur d'émission. 9 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 4 à 8, caractérisé en ce que les moyens d'analyse sont prévus pour mesurer l'intervalle de temps qui sépare l'écho dû à la réflexion sur l'interface de l'écho dû à la ré- flexion sur la surface du contaminant et pour en déduire l'épaisseur de contaminant. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 4 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens ( 24) de mesure de la température du bloc de retard ( 16) et des moyens de correction des mesures en fonction de la température. 11 Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 4 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'auto-test vérifiant la présence d'un écho à chaque excitation du transducteur ou de chaque transducteur d'émission.