Brevet FR2721712A1 — publié le 19951229

CIRCUIT DE CALCUL DU GLISSEMENT DE LA FREQUENCE D'UN PIC D'ABSORPTION La présente invention est relative à un circuit électronique pour la détection d'un pic de la courbe d'absorption qui intervient lorsque certaines ondes, telles que des ondes ultrasonores, traversent un milieu gazeux chargé de particules en suspension, par exemple, mais non limitativement, de particules de charbon dans un broyeur à boulets. On a observé en effet qu'une onde sonore présente, à une fréquence donnée, dite de résonance, un pic d'absorption fonction de la densité des particules en suspension. Cette relation biunivoque entre la fréquence de résonance et la densité de particules permet de ramener la mesure de la densité de particules à un mesure de la fréquence de pic. L'exemple évoqué ci-après se rapporte à la détection de la densité de particules de charbon dans un broyeur, au moyen d'ondes ultra-sonores. I1 faut comprendre que l'invention n'est pas limitée à ce type de particules et à ce type d'ondes, mais qu'elle s'applique toutes les fois qu'une onde vient en résonance avec le milieu qu'elle traverse et qu'il existe alors une relation biunivoque entre la valeur de la densité du milieu et la fréquence à laquelle l'onde présente un pic d'absorption. L'invention a pour objet un circuit pour la détermination de la densité de particules dans un milieu gazeux par calcul du glissement de la fréquence du pic d'absorption d'une onde traversant ledit milieu, caractérisé en ce qu'il comprend: - un émetteur d'ondes disposé à une première extrémité dudit milieu et alimenté pour balayer une plage donnée de fréquences, - un premier récepteur d'ondes disposé à proximité de l'émetteur d'ondes et fournissant un signal de réception, - un second récepteur d'ondes disposé à une seconde extrémité dudit milieu de manière à recevoir l'onde émise par l'émetteur après sa traversée dudit milieu, et émettant un signal de réception, - un premier comparateur émettant un signal de différence représentatif de la différence des signaux de réception des premier et second récepteurs, - un générateur de courbes recevant le signal du premier comparateur et élaborant la courbe représentative de l'amplitude dudit signal de différence en fonction de la fréquence, - un calculateur à fenêtre déterminant la fréquence N0n du pic de résonance, - un second comparateur élaborant un signal représentant le glissement de fréquence DF entre la fréquence Non du pic de résonance d'absorption et une fréquence de référence N00 élaborée par une mesure faite en l'absence de particules et mémorisée. Avantageusement, le premier comparateur est un comparateur numérique recevant les signaux des premier et second récepteurs d'onde après numérisation par des convertisseurs analogique-numérique. De préférence, l'émetteur d'ondes est alimenté par un oscillateur excité par un circuit de rampe de glissement de fréquence. Dans un mode préféré de réalisation, le signal représentant le glissement de fréquence AF est adressé à un générateur de fonction qui effectue son amplification et sa linéarisation. L'invention sera bien comprise par la description d'un mode préféré de réalisation, en référence au dessin ciannexé dans lequel: - la figure 1 est un diagramme des courbes d'absorption d'une onde dans un milieu chargé de particules en suspension, pour diverses valeurs de la densité des particules, - la figure 2 est un schéma du circuit électronique de l'invention. Pour bien comprendre l'invention, il faut rappeler, en se référant à la figure 1, que l'absorption A d'un signal sonore traversant un milieux gazeux tel que l'air est, en théorie, directement proportionnelle au carré de la fréquence N de l'onde, ce qui s'écrit: A = K N2 relation dans laquelle K est une constante. Le diagramme de la Fig. 1 montre la valeur théorique de K en fonction de la fréquence (courbe en tiretés) qui est une droite parallèle à l'axe des abscisses. En pratique ce coefficient K, appelé aussi absorption corrigée, n'est pas constant avec la fréquence, mais présente un pic centré sur une fréquence particulière No, dite fréquence de résonance. Si le milieu gazeux, l'air par exemple, est chargé de particules en suspension, la valeur de No dépend de la densité des particules dans le gaz. En effet, une onde sonore se propageant dans un gaz doit être considérée comme une propagation d'ondes de pression à l'intérieur du milieu. Les molécules de gaz sont donc agitées à une vitese directement en relation avec la fréquence et peuvent céder une partie de leur énergie aux particules en suspension. On constate un couplage élastique entre les molécules d'air et les particules, qui présente une fréquence de résonance No dont la valeur dépend de la densité de particules. La figure 1 montre les variations de l'absorption pour trois valeurs de la densité des particules en suspension. La courbe Co est la courbe d'absorption pour une densité do = O de particules (air exemppt de particules). La fréquence de résonance est égale à Noo. Les courbes C1 et C2 sont les courbes d'absorption pour deux valeurs dl et d2 de densité de particules de nature et de granulométrie identiques. Les fréquences de résonance sont respectivement N01 et No2. On désignera dans la suite par Non le pic de résonance correspondant à une densité dn de particules. Le circuit de la figure 2 comprend une partie A mesure, réalisée de manière analogique, une partie B de traitement du signal de mesure, réalisée par des circuits numériques, et une partie de sortie C, analogique. Un émetteur d'ultrasons 35 émet des ondes traversant le dispositif 10 à observer, qui est un milieu gazeux (en général de l'air) chargé de particules en suspension dont on souhaite mesurer la densité. L'émetteur d'ultrasons 35 est alimenté par une chaîne comprenant un oscillateur numérique 40 auquel on associe une variation de fréquence générée à partir d'un signal rampe en dent de scies produit par un circuit de rampe 41. Le signal de sortie de l'oscillateur est converti en signal analogique par un convertisseur numérique-analogique 42, et, après amplification par un amplificateur de puissance 43, est appliqué à l'émetteur d'ultrasons 35. L'onde ultrasonore est observée par deux récepteurs, l'un 51, à proximité de la source d'émission 35, l'autre 36 placé à la sortie du système 10 à observer. Les signaux sont amplifiés, respectivement par les amplificateurs 51 et 45, puis convertis en signaux numériques respectivement par les convertisseurs analogique- numérique 52 et 46; on dispose ainsi d'un signal de référence Sr issu du convertisseur 52, et d'un signal de mesure Sm issu du convertisseur 46. Un comparateur d'amplitudes 47 permet de fournir un signal de mesure qui représente l'écart d'amplitude entre les signaux Sm et Sr. Cet écart est représentatif de l'absorption de l'onde sonore dans le milieu à observer. Un générateur de courbes point par point 55 compile cet écart de mesure de manière à établir une relation entre l'absorption corrigée A/Non en fonction de la fréquence N selon la courbe caractéristique Cn de la figure 1. Un circuit 56 pratique une fenêtre d'observation dans cette courbe de façon à déterminer la fréquence de pic correspondant à la fréquence d'absorption. On réalise le calibrage du système en faisant une mesure d'absorption du milieu exempt de particules en suspension. On obtient la fréquence N00 qui est mise en mémoire dans un circuit 57. Lors d'une mesure effectuée avec présence de particules en suspension, la fréquence de résonance Non calculée par le circuit 56 est adressée à un circuit comparateur de fréquence 58 qui reçoit du circuit 57 la fréquence de résonance de référence Noo. Le comparateur 58 fournit en sortie un signal représentant le glissement de fréquence AF = Non ~ N00, qui est une fonction directe de la densité des particules en suspension. Le signal AF est adressé à un générateur de fonction 59 dont le but est de délivrer un signal exploitable par amplification et linéarisation du signal AF. Après conversion en signal analogique par un convertisseur numérique-analogique 51, le signal est adressé à un afficheur 52 et éventuellement à un actionneur 53 permettant la régularisation automatique de la densité des particules en suspension. La sortie 48 du comparateur 47 peut être directement utilisée comme sortie de mesure, lors de la phase de calibration; le signal issu du comparateur 47 est traité par un générateur de fonction 50 pour obtenir un signal convenable, puis converti en signal analogique par le convertisseur numérique-analogique 51. Un commutateur 60 permet de passer de la mesure de calibration à la mesure normale. Un exemple d'application de l'invention se rapporte à la mesure de la densité de la poudre de charbon dans un broyeur à boulets. L'onde utilisée est une onde ultra-sonore et la plage des fréquences utilisées est comprise entre 40.000 Hz et 1 MHz. REVENDICATIONS 1/ Circuit pour la détermination de la densité de particules dans un milieu gazeux par calcul du glissement de la fréquence du pic d'absorption d'une onde traversant ledit milieu, caractérisé en ce qu'il comprend: - un émetteur d'ondes (35) disposé à une première extrémité dudit milieu et alimenté pour balayer une plage donnée de fréquences, - un premier récepteur d'ondes (50) disposé à proximité de l'émetteur d'ondes et fournissant un signal de réception, dit de référence, - un second récepteur d'ondes (36) disposé à une seconde extrémité dudit milieu de manière à recevoir l'onde émise par l'émetteur après sa traversée dudit milieu, et émettant un signal de réception, - un premier compparateur (46) émettant un signal de différence représentatif de la différence des signaux de réception des premier et second récepteurs, - un générateur de courbes (55) recevant le signal du premier comparateur et élaborant la courbe représentative de l'amplitude dudit signal de différence en fonction de la fréquence, - un calculateur à fenêtre déterminant la fréquence Non du pic de résonance, - un second comparateur (57) élaborant un signal représentant le glissement de fréquence AF entre la fréquence Non du pic de résonance d'absorption et une fréquence de référence N00 élaborée par une mesure faite en l'absence de particules et mémorisée. 2/ Circuit selon la revendication 1, caractérisée en ce que le premier comparateur (46) est un comparateur numérique recevant les signaux des premier (50) et second (36) récepteurs d'onde après numérisation par des convertisseures analogique-numérique (52, 46). 3/ Circuit selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que l'émetteur d'ondes (35) est alimenté par un oscillateur (40) excité par un circuit de rampe (41). 4/ Circuit selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le signal représentant le glissement de fréquence AF est adressé à un générateur de fonction (59) qui effectue son amplification et sa linéarisation.