Brevet FR2711244A1 — publié le 19950421

L'invention concerne un procédé et un appareil ultrasonores destinés à la mesure d'un débit de fluide, ainsi qu'un procédé et un appareil de mesure de la vitesse de particules dans un fluide. On connaît déjà diverses techniques de mesure de débit par des ultrasons. On connait ainsi deux techniques qui utilisent les réflexions des ultrasons par des parti- cules dispersantes placées dans le fluide, une technique par effet Doppler et une technique à corrélation mutuelle temporelle. Cependant, ces techniques nécessitent des circuits électroniques complexes pour la numérisation des signaux et la mesure de fréquence ou la corrélation respec- tivement, si bien qu'une technique plus simple serait avantageuse. La présente invention concerne un procédé de mesure de la vitesse de particules dans un fluide, le procédé comprenant l'irradiation du fluide par un courant pulsé d'ultrasons, la détection des impulsions d'ultrasons diffusées par une particule, à partir d'impulsions émises successivement, la mesure des temps d'arrivée des impul- sions détectées successivement et la détermination de la vitesse de la particule en conséquence. Il est souhaitable de détecter les impulsions diffusées par une particule pour au moins trois et de préférence au moins quatre impulsions émises successi- vement. Les différences entre les temps d'arrivée des impulsions successivement détectées doivent toutes être les mêmes pour le son diffusé par une seule particule se déplaçant à vitesse constante si bien que la possibilité de défaut d'attribution à la particule d'une impulsion diffu- sée par une particule différente est réduite au minimum. La nature de la particule n'a pas d'importance dans la mesure o elle diffuse suffisamment les ultrasons pour qu'ils puissent être détectés, et il peut s'agir d'une particule solide, d'une gouttelette liquide ou d'une bulle de gaz, qui se distingue du fluide environnant mais qui est suffi- samment petite pour être entraînée avec le courant. On peut supposer, dans le cas des petites particules, que la vitesse de la particule est représentative de la vitesse d'écoulement du fluide. On a constaté que l'eau du robinet circulant dans un montage expérimental contenait suffi- samment de particules dispersantes qui, dans ce cas, sont de petites bulles. L'invention concerne aussi un appareil de mesure de la vitesse de particules dans un fluide, l'appareil compre- nant un dispositif d'irradiation du fluide par un courant pulsé d'ultrasons, un dispositif de détection des impul- sions des ultrasons diffusées par une particule, pour des impulsions émises successivement, et un dispositif de détermination des temps d'arrivée des impulsions succes- sives détectées et de détermination en conséquence de la vitesse de la particule. L'expression "temps d'arrivée" désigne l'intervalle de temps compris entre l'émission d'une impulsion et la détection d'une impulsion diffusée. Lorsqu'une particule s'écarte du dispositif émetteur, le temps d'arrivée est plus long ou, si elle se rapproche du dispositif émetteur, le temps d'arrivée est plus court. Les différences de temps d'arrivée entre les impulsions successives détectées à partir d'une particule sont simplement liées à la vitesse de cette particule. De préférence, le dispositif de détection comprend plusieurs fenêtres destinées à délimiter des intervalles de temps après l'émission des impulsions, dans lesquels les impulsions diffusées peuvent être détectées. Le dispositif de détection comporte aussi un dispositif de détermination de la différence entre les temps d'arrivée des impulsions successivement détectées. Manifestement, il ne peut pas être certain en général qu'une particule quelconque est présente et diffuse une impulsion à détecter, si bien que l'émission d'une impulsion peut devoir être répétée jusqu'à la détection d'une impulsion diffusée. Lorsqu'une impulsion est détectée dans le premier intervalle de temps, les impulsions diffusées par la même particule sont ensuite observées pendant des intervalles appropriés de temps, après l'émission d'impulsions successives. Un mode de réalisation préféré comprend un premier dispositif à fenêtre destiné à délimiter un premier inter- valle de temps après l'émission d'une première impulsion. Il comporte aussi un second dispositif à fenêtre qui est destiné, lorsqu'une impulsion est détectée pendant le premier intervalle de temps, à délimiter un second inter- valle de temps (après l'émission d'une seconde impulsion) centré sur le temps d'arrivée de l'impulsion détectée dans le premier intervalle de temps. Lorsqu'une impulsion est détectée dans le second intervalle de temps, la différence entre les temps d'arrivée des deux impulsions est déter- minée. L'appareil comporte aussi un troisième dispositif à fenêtre destiné à délimiter un troisième intervalle de temps (après émission d'une troisième impulsion) centré sur un temps décalé après le temps d'arrivée de la seconde impulsion égal au décalage de la seconde impulsion par rapport au temps d'arrivée de la première impulsion. Lorsqu'une impulsion est détectée dans le troisième inter- valle de temps, la différence entre les temps d'arrivée de la seconde et de la troisième impulsion est déterminée. D'autres fenêtres peuvent être utilisées de manière ana- logue pour la détection des impulsions suivantes à des moments auxquels on peut prévoir la réception de ces impulsions. Le début et la durée du premier intervalle de temps détermine la région du fluide à partir de laquelle les signaux diffusés sont reçus, et en conséquence la région dans laquelle la vitesse est mesurée. La durée du second intervalle de temps impose une limite supérieure aux vitesses des particules dont la vitesse peut être mesurée. La durée du troisième intervalle de temps et des inter- valles de temps suivants peut être bien plus courte, car ces intervalles de temps ont pour rôle d'empêcher la réception des signaux diffusés par d'autres particules présentes dans le fluide qui pourraient donner des valeurs parasites de la vitesse. Le premier et le second intervalle de temps peuvent par exemple être compris entre 4 et 20 ps, alors que le troisième intervalle de temps et les inter- valles de temps suivants peuvent être compris entre 0,1 et 5 ps. Les intervalles de temps, après le troisième, peuvent être rendus de plus en plus courts, car le temps prévu d'arrivée est connu avec une plus grande précision. Dans un mode de réalisation, le premier et le second intervalle de temps sont tous deux égaux à 10 ps, et le troisième inter- valle de temps et les suivants sont égaux à 2 ps. Il est avantageux qu'un seul transducteur ultra- sonore soit utilisé à la fois pour l'émission et la récep- tion des impulsions ultrasonores. Lorsqu'une série d'impul- sions successives est détectée à partir d'une particule, la vitesse de rapprochement ou d'éloignement de la particule par rapport au transducteur peut être déterminée. Cepen- dant, tout déplacement de la particule transversalement à la direction du faisceau ultrasonore n'affecte pas les temps d'arrivée, et une dispersion ou divergence quelconque du faisceau peut donc donner des imprécisions sur la vitesse calculée. Il est donc souhaitable de réduire au minimum la dispersion du faisceau. Un transducteur préféré destiné à être utilisé dans l'eau est un transducteur non focalisé travaillant à 4 MHz et ayant un diamètre de 15 mm. La longueur d'onde dans l'eau est de 0,36 mm (pour une vitesse de 1,43 mm/ps), et la dispersion du faisceau est de 1,7 par rapport à l'axe. Comme l'imprécision maximale est proportionnelle au cosinus de l'angle de divergence, la divergence est avantageusement inférieure à 5 et de préférence à 2 de part et d'autre de l'axe du faisceau. La fréquence de fonctionnement est avantageusement comprise entre 1 et 16 MHz, de manière qu'elle donne une longueur d'onde inférieure à quatre fois la dimension prévue des particules. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe schématique partielle d'un appareil selon l'invention; la figure 2 représente graphiquement, en fonction du temps, une séquence de signaux détectés et le fonction- nement des fenêtres de signaux de l'appareil de la figure 1; et la figure 3 représente graphiquement des mesures expérimentales de débits obtenues avec l'appareil de la figure 1, et des mesures de comparaison réalisées avec deux autres techniques. On se réfère à la figure 1 qui représente un appa- reil 10 de mesure du débit d'eau circulant dans le sens de la flèche le long d'un tube 12 ayant un trou de 50 mm de diamètre. L'appareil 10 comporte un transducteur ultra- sonore non focalisé 14 de 15 mm de diamètre travaillant à 4 MHz et monté dans un tube 16 de dérivation afin que l'axe du transistor 14 forme un angle de 40 avec la direction du courant. Un câble électrique 18 raccorde le transducteur 14 à une unité 20 de traitement de signaux qui est connectée à un ordinateur 22. Lors du fonctionnement, le transducteur 14 est commandé afin qu'il émette de très courtes impul- sions ultrasonores, par exemple à des intervalles de 4 ms, et, entre ces émissions, des impulsions ultrasonores renvoyées peuvent être détectées. Lorsqu'une particule qui réfléchit les ultrasons se déplace avec l'eau à une vitesse v, sa direction de dépla- cement faisant un angle e avec l'axe du faisceau ultra- sonore (8 = 40 dans cet exemple), dans l'intervalle T compris entre une impulsion émise et la suivante, la particule s'est éloignée du transducteur. Les temps d'arri- vée des impulsions correspondantes réfléchies sont t1 et t2 (ces temps étant mesurés par rapport aux impulsions émises correspondantes). Si la vitesse des ultrasons est appelée c et la distance de déplacement de la particule entre la réflexion d'une impulsion et la réflexion de la suivante est L, on a la relation L = c[(t2 - t1)/2] et L = vcose[T + (t2 t1)/2] si bien que vcose = c/{1l + [2T/(t2 - tl)]} Habituellement, la vitesse v est très inférieure à la vitesse c si bien que (t2-t1) est très inférieur à T. Dans ce cas, cette équation peut se simplifier sous la forme vcos8 = c[(t2 - tl)/2T] On peut donc noter que la mesure des temps d'arrivée des impulsions successives réfléchies par une particule unique permet la détermination de la vitesse de la parti- cule et que la vitesse du fluide, suivant une ligne paral- lèle à l'axe du transducteur, est proportionnelle au rapport de la différence de temps entre les signaux reçus et le temps de répétition des impulsions. Si la valeur de la vitesse d'écoulement est faible, les temps d'arrivée des impulsions deviennent très semblables si bien que la mesure de (t2-t1) est difficile. Cependant, si le temps T de répétition des impulsions est alors augmenté, la différence entre les temps d'arrivée des impulsions réfléchies est accrue et la sensibilité de la technique peut être conser- vée aux faibles vitesses. La détection de la vitesse le long de l'axe du faisceau est indiquée par le signe arithmétique de la différence de temps. La direction absolue et la vitesse absolue du courant de fluide peuvent donc être déduites lorsque deux faisceaux d'interrogation sont dirigés suivant des angles différents. En outre, la position de l'élément diffusant peut être déterminée d'après le temps d'arrivée, si bien que le profil de vitesse peut être mesuré le long de l'axe du faisceau. L'unité 20 de traitement comporte une unité d'inter- face qui déclenche un générateur de signaux ultrasonores, afin que la durée et la fréquence des impulsions ultrasonores émises soient réglées. L'unité 20 comporte aussi un amplificateur des signaux reçus et un circuit discriminateur de signaux tels que seuls les signaux reçus au-delà d'un niveau préréglés soient traités, si bien que les signaux réfléchis peuvent être distingués du bruit. Elle comporte aussi une minuterie de signalisation fonc- tionnant avec une horloge à 50 MHz et donnant une résolu- tion de mesure de temps de 20 ns. D'autres synchronisations sont assurées par division binaire de cette fréquence d'horloge fondamentale. Les impulsions détectées ne sont traitées que lorsqu'une fenêtre convenable est ouverte. La position et la largeur des fenêtres sont réglées avec une résolution de 80 ns et la fréquence de répétition est réglée avec une résolution de 440 ns. Le fonctionnement de l'appareil 10 est commandé par l'ordinateur 22 qui permet le réglage du gain des signaux et du niveau de seuil, qui commande la procédure de pour- suite décrite dans la suite, qui calcule la vitesse et qui affiche les résultats. Le programme d'ordinateur demande d'abord les paramètres suivants d'entrée (des exemples de valeur sont indiqués aussi): 1) temps de répétition des impulsions: 4 ms 2) première largeur de fenêtre: 10 ps 3) seconde largeur de fenêtre: 2 ps 4) début de fenêtre: 70 ps ) nombre de mesures: 100 6) gain: 155 La première fenêtre est une fenêtre de recherche et elle est suffisamment large pour qu'elle prélève les signaux d'un élément diffusant mobile pour deux impulsions successives. La seconde fenêtre est une fenêtre étroite de poursuite et elle est déplacée afin qu'elle entoure la position prévue pour l'arrivée du signal suivant. Si cette opération est satisfaisante, la fenêtre étroite est placée au temps d'arrivée prévu suivant et ainsi de suite. Pour un nombre suffisant de succès consécutifs, on peut déduire que la séquence des signaux provient très probablement d'une même particule diffusante se déplaçant avec le fluide, et une mesure de vitesse est exécutée. On se réfère à la figure 2 qui représente graphique- ment la réception des impulsions diffusées par une parti- cule, à la suite de l'émission de cinq impulsions ultra- sonores successives. Les périodes d'ouverture des fenêtres sont aussi indiquées. Dans tous les cas, la synchronisation commence lorsque l'impulsion est émise. Pour la première impulsion, la première fenêtre A est réglée afin qu'elle s'ouvre 70 ps après l'émission, correspondant aux réflexions reçues du voisinage du milieu du tube 12. Comme indiqué, une impulsion diffusée est détectée pendant l'intervalle de temps d'ouverture de la fenêtre A et son temps d'arrivée est noté. Pour la seconde impulsion, la première fenêtre A est réglée afin qu'elle soit centrée sur le temps d'arrivée de la première impulsion reçue. Comme indiqué sur la figure, si une impulsion diffusée est détectée dans l'intervalle réglé par la fenêtre A, son temps d'arrivée est noté et la première différence de temps At1 est déterminée. Pour la troisième impulsion, la seconde fenêtre B est centrée au temps prévu d'arrivée, c'est-à-dire au temps At1 après le temps d'arrivée de la seconde impulsion reçue. Si une impulsion est détectée comme indiqué, son temps d'arrivée est noté, et la seconde différence de temps At2 est déterminée. Pour la quatrième impulsion, la seconde fenêtre B est centrée au temps prévu d'arrivée, c'est-à- dire au temps At2 suivant le temps d'arrivée de la troi- sième impulsion revue. Si une impulsion est détectée comme représenté, son temps d'arrivée est noté et la troisième différence de temps At3 est déterminée. Pour la cinquième impulsion, la fenêtre B est utilisée de la même manière afin qu'elle permette la détermination d'une quatrième différence de temps At4. Cette opération peut être poursui- vie jusqu'à ce qu'aucune impulsion ne soit reçue ou, plus habituellement, elle est interrompue lorsqu'un nombre convenable de différences de temps (quatre par exemple) a été obtenu. La meilleure estimation de la différence de temps (t2-t1) est obtenue d'après la moyenne des valeurs de Atl, At2, At3, At4 déterminée comme indiqué précédemment pour une particule spécifiée. Ceci permet une mesure de vitesse à l'aide de l'équation décrite précédemment. En outre, l'écart-type de ces valeurs de différence de temps donne une indication sur la précision de la mesure. Le procédé est alors répété pour la détermination et la poursuite d'autres particules, et pour la détermination de leur vitesse, jusqu'à ce que le nombre voulu de mesures ait été obtenu. Les mesures résultantes de vitesse peuvent être utilisées pour la création d'une distribution de vitesse, l'écart-type des mesures de vitesse dans chaque bande de distribution de vitesse étant aussi déterminé. La position initiale et la largeur de la fenêtre A de recherche déterminent la région dans le tube 12 dans laquelle les mesures de vitesse sont effectuées. Cette région peut contenir toute une dispersion de vitesse. Les résultats des mesures de vitesse et leur distribution indiquent ce phénomène et le maximum de la distribution doit apparaître à la vitesse prédominante dans la région. Le profil de vitesse dans le tube 12 peut être étudié par l'utilisation d'une plus étroite fenêtre A de recherche, par exemple de 5 ps, et par ajustement du temps de début de la première fenêtre A (de recherche) afin que les vitesses soient mesurées à des positions différentes transversa- lement au tube 12. L'appareil 10 peut être réalisé afin qu'il détecte soit le premier signal qui est reçu (au-delà du niveau de seuil), soit le plus grand signal reçu, pendant qu'une fenêtre est ouverte. Si une impulsion de signal diffusée par une particule différente est revue, elle peut donner lieu à une mesure imprécise de vitesse. Cependant, ce phénomène risque de donner des différences de temps non reproductibles si bien que les impulsions réfléchies ultérieurement sont rejetées par l'étroite fenêtre B de poursuite. Les différences de temps non reproductibles dues à d'autres causes (par exemple à l'utilisation d'un seuil de bruit trop faible) peuvent être rejetées lorsque l'écart-type des mesures de différence de temps est trop grand. Il faut noter que l'appareil 10 peut être modifié de diverses manières. Par exemple, la fenêtre utilisée pour la première impulsion peut être une fenêtre différente de celle qui est utilisée pour la seconde impulsion et peut avoir une durée différente. La durée de la fenêtre utilisée pour la première impulsion détermine la résolution spatiale dans un profil de vitesse, alors que la durée de la fenêtre utilisée pour la seconde impulsion détermine la vitesse maximale que peut mesurer l'appareil. L'appareil 10 a fonctionné de manière satisfaisante avec une fenêtre A dont la durée était comprise entre 4 et 15 ps. La durée de la fenêtre B de poursuite détermine la probabilité de la réponse à des impulsions parasites et affecte donc la fiabilité des mesures. L'appareil 10 a été utilisé de manière satisfaisante avec une fenêtre B dont la durée était comprise entre 0,1 et 5 ps. La fréquence de répétition des impulsions peut aussi varier. Lorsqu'elle est trop faible, l'élément diffusant qui est suivi sort du faisceau ultrasonore avant l'arrivée de l'impulsion suivante, mais s'il est trop rapide, la différence entre les temps d'arrivée des réflexions succes- sives du même élément diffusant devient très petite et, étant donné la limite de résolution temporelle des mesures, la précision du résultat diminue. Cependant, une grande fréquence de répétition des impulsions présente l'avantage de donner des mesures plus rapides. Avec l'appareil 10, on a utilisé de manière satisfaisante dix valeurs de temps de répétition d'impulsions entre 1 ms et 8 ms. Dans l'appareil 10, la plus grande partie du traite- ment des signaux et de la commande de fonctionnement est exécutée par un logiciel dans l'ordinateur 22. Il faut noter que, dans une variante, les opérations peuvent être réalisées par du matériel spécialisé construit à cet effet. Les mesures peuvent alors être plus rapides. On se réfère maintenant à la figure 3 qui représente des mesures de la vitesse v d'un courant d'eau dans le tube 12, lorsque l'alimentation de la pompe qui provoque la circulation a varié. Trois mesures différentes sont indi- quées. Elles ont été obtenues: a) par mesure de la vitesse de remplissage d'un bécher étalonné, donnant une vitesse moyenne dans le tube comme indiqué par la courbe Vav, b) par mesure de la vitesse d'écoulement au centre du tube 12 par anémométrie Doppler laser, indiquée par LDA, et c) par utilisation de l'appareil 10 décrit précédem- ment, comme indiqué par FPT. (Les valeurs données pour l'alimentation de la pompe concernent uniquement le cadran d'un transformateur réglable). Les débits étaient tels que, pour tous les réglages, le courant était turbulent, si bien qu'on a pu prévoir que le profil de vitesse était plus plat au milieu du tube 12 qu'avec un écoulement laminaire. Comme prévu, les valeurs de vitesse moyenne sont inférieures aux mesures de vitesse pour les mesures LDA et FPT à la fois, sauf aux vitesses élevées auxquelles les mesures LDA sont inférieures aux valeurs moyennes. Les mesures LDA ont été obtenues pour une plage particulière de vitesses et la précision a pu diminuer à ces vitesses très élevées. Les mesures FPT sont très proches des valeurs LDA et suivent les valeurs des vitesses moyennes avec la vitesse de la pompe; en moyenne, les valeurs FPT diffèrent de moins de 1,7 % des résultats LDA. Il faut noter que l'utilisation du procédé de l'invention nécessite la connaissance de la vitesse du son dans le fluide. Lors de l'obtention des résultats décrits précédemment, la vitesse du son a été mesurée dans l'eau dans le tube 12. Cette technique s'applique à d'autres liquides et même à des mélanges à deux phases, par exemple un mélange d'huile et d'eau. Cependant, dans ce cas, la vitesse du son dans l'huile est habituellement d'environ 1 350 m/s, c'est-à-dire inférieure d'environ 10 % à la vitesse dans l'eau, si bien qu'il est préférable de mesurer la vitesse du son sur place plutôt que d'utiliser une valeur hypothétique. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et revendiquée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence dans ses éléments consti- tutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de la vitesse de particules dans un fluide, du type qui comprend l'irradiation du fluide par un faisceau pulsé d'ultrasons, caractérisé par la détection d'impulsions d'ultrasons diffusées par une particule et provenant d'impulsions émises successivement, par la mesure des temps d'arrivée des impulsions succes- sives détectées, et en conséquence, par la détermination de la vitesse de la particule. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les temps d'arrivée d'au moins trois impulsions détectées successives diffusées par une particule sont mesurés. 3. Appareil (10) de mesure de la vitesse de parti- cules dans un fluide, l'appareil (10) comprenant un dispo- sitif (14) d'irradiation du fluide par un faisceau pulsé d'ultrasons, caractérisé par un dispositif (14, 20) de détection des impulsions des ultrasons diffusées par une particule pour des impulsions successives émises, et un dispositif (22) de détermination des temps d'arrivée (t1, t2) d'impulsions détectées successives et en conséquence, de détermination de la vitesse de la particule. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif de détection comporte plusieurs dispositifs à fenêtre (A, B) destinés à délimiter des intervalles de temps suivant l'émission des impulsions pour la détection des impulsions diffusées. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif de détection comporte un premier dispositif (A) à fenêtre destiné à délimiter un premier intervalle de temps après émission d'une première impul- sion, et un second dispositif à fenêtre (A) qui, lorsqu'une impulsion est détectée pendant le premier intervalle de temps, est destiné à délimiter un second intervalle de temps suivant l'émission d'une seconde impulsion, centré sur le temps d'arrivée de l'impulsion détectée dans le premier intervalle de temps. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif de détection comporte aussi un troi- sième dispositif à fenêtre (B) qui, lorsqu'une impulsion est détectée dans le second intervalle de temps, est destiné à délimiter un troisième intervalle de temps après l'émission d'une troisième impulsion, centré sur un temps suivant le temps d'arrivée de la seconde impulsion égal à celui de la seconde impulsion après le temps d'arrivée de la première impulsion. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que le troisième intervalle de temps (B) est inférieur au second intervalle de temps (A). 8. Appareil selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que le premier et le second intervalle de temps (A) ont chacun une valeur comprise entre 4 et 20 ps. 9. Appareil selon l'une des revendications 6 et 8, caractérisé en ce que le troisième intervalle de temps (B) a une valeur comprise entre 0,1 et 5 ps. 10. Appareil selon l'une quelconque des revendica- tions 3 à 9, caractérisé en ce qu'un seul transducteur ultrasonore (14) est utilisé à la fois pour l'émission du faisceau pulsé d'ultrasons et pour la réception des impul- sions ultrasonores diffusées, le transducteur (14) travail- lant à une fréquence comprise entre 1 et 16 MHz et ayant un diamètre tel que le faisceau diverge de moins de 5 de chaque côté de l'axe longitudinal du faisceau.