Brevet FR2752939A1 — publié le 19980306

PROCEDE DE DETERMINATION DE LA COMPOSITION D'UN LIQUIDE A LA SURFACE D'UNE STRUCTURE La présente invention concerne la détermination, par voie ultrasonore, de la composition d'une couche de liquide recouvrant une structure d'avion et dont les composants appartiennent à une famille connue, en utilisant la différence d'impédance acoustique entre ces composants et entre ces composants et un matériau de référence. L'invention trouve une application particulièrement importante en aéronautique où, pendant les périodes froides, il est important de vérifier, avant décollage d'un avion, l'absence de risque de givrage. A l'heure actuelle, les règlements n'autorisent le décollage d'un avion qu'avec des ailes "propres". Or, les procédés actuellement connus de mesure de givre ne permettent pas de détecter la présence d'une couche très mince, de moins d'un dixième de millimètre environ. En conséquence, la procédure courante est la suivante en conditions givrantes : le décollage est autorisé, après épandage de liquide anti-givre sur les ailes, dans un laps de temps qui dépend des paramètres extérieurs. Si ce laps de temps est dépassé, il faut de nouveau pulvériser du liquide anti-givre sur les ailes. L'invention vise à apporter au problème une solution simple en utilisant une détection qui n'est pas celle de la présence de givre. Elle consiste à vérifier, après épandage de liquide anti-givre et immédiatement avant décollage, que les ailes sont couvertes de liquide et à évaluer la composition du liquide et, plus précisément, quelle est la proportion relative d'eau et de liquide d'anti-givrage dans la couche liquide. Il existe des abaques indiquant, pour chaque température, quelle est la teneur minimale en liquide de dégivrage qui garantit l'absence de risque de formation de glace et donc la certitude de décoller "ailes propres". On connaît déjà (EP-A-0619 488) un procédé permettant d'identifier la nature d'un contaminant sur la surface d'une structure et en particulier de déterminer s'il s'agit d'eau, d'un liquide d'anti-givrage, d'un mélange des deux, de neige fondante ou de glace. La présente invention vise à adapter ce procédé à la mesure de la composition de la couche sur la surface d'une aile, lorsque cette couche est liquide. Dans ce but, l'invention propose un procédé de mesure de la composition d'une couche liquide sur la surface d'une structure d'avion, notamment d'une aile, suivant lequel on dirige une impulsion ultrasonore provenant d'un transducteur vers la surface à travers un bloc de matériau, constituant ligne à retard, ayant une impédance acoustique intermédiaire entre celle des liquides et celle de la glace, on compare l'amplitude de l'écho obtenu sur ladite surface, sous incidence oblique, à celle de l'impulsion incidente et on déduit, du rapport des amplitudes, la teneur relative de la couche de liquide en liquide d'antigivrage et en eau. Les impédances acoustiques sont de - 1,4 x 106 kg/m2.s pour l'eau, - 1,7 x 106 kg/m2.s environ pour la plupart des liquides de dégivrage et d'anti-givrage. En conséquence, un matériau ayant une impédance acoustique comprise entre 2,7 et 3 x 106 kg/m2.s donnera de bons résultats. En particulier, le polysulfone, dont l'impédance est d'environ 2,85 x 106 a une impédance bien adaptée aux liquides d'anti-givrage qu'à l'eau. Dans ce cas le coefficient de réflexion est maximum, par exemple de l'ordre de 0,25, pour de l'eau pure et minimum pour du liquide d'antigivrage pur, par exemple de l'ordre de 0,08 pour de l'ethylène-glycol. Toutefois cette mesure exige pratiquement une épaisseur minimale de 0,1 mm pour qu'elle soit précise. La mesure exige de disposer d'une référence. Cette référence peut être obtenue par prélèvement sur le signal électrique d'excitation du transducteur émetteur ; une solution plus précise consiste à prélever une fraction de l'énergie acoustique à l'aide d'un réflecteur, ce qui permet de s'affranchir des variations de caractéristiques de l'émetteur dues au vieillissement, à la température ou à d'autres facteurs. Il reste évidemment possible de mesurer l'épaisseur de la couche de liquide et même de déceler s'il existe, au-dessus, une pellicule de glace qui sera arrachée au décollage du fait qu'elle n'adhère pas, par suite de la présence de liquide. La mesure d'épaisseur s'effectue par mesure de l'intervalle de temps qui sépare l'écho sur l'interface entre la structure et le liquide de l'écho, la surface de contact du liquide avec l'air ; toutefois cette mesure exige pratiquement une épaisseur supérieur à 0,1 mm. Pour améliorer la précision de la mesure d'épaisseur, l'écho est avantageusement soumis, avant comparaison, à une transformation dans le domaine fréquentiel, à une division de spectre, à un filtrage, et à un retour dans le domaine temporel. Pour cela l'écho peut être échantillonné et mémorisé, avant transformation, sur un intervalle de temps commençant immédiatement avant le premier pic d'écho et se terminant après disposition complète des échos à la surface du bloc et à l'interface entre la couche de liquide et l'air. 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'exemple non-limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - 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 l'allure de l'impulsion d'origine et d'un signal d'écho obtenu avec une surface propre, - les figures 3 et 4, similaires à la figure 2, montrent respectivement, en traits pleins, un signal d'écho obtenu sur une surface portant une pellicule de liquide d'anti-givrage (figure 3); et un mélange d'eau et de liquide d'antigivrage (figure 4). Le dispositif dont la constitution de principe est montrée en figure 1 a une constitution générale similaire à celle décrite dans le document EP 619 488. I1 comprend une sonde 10 et au moins une unité d'excitation et d'analyse 12. La sonde 10 est montée dans une structure, telle qu'une aile, 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 en un matériau dont l'impédance acoustique est proche de celle d'un mélange de phases liquides. On peut notamment utiliser le polysulfone ou PSU dont l'impédance acoustique est d'environ 2,85 x 106 kg/m2.s. Le bloc 16 présente généralement une interface 18 plane et a deux faces obliques symétriques destinées respectivement à recevoir un transducteur d'émission 20 et un transducteur de réception 22. Les transducteurs 20 et 22 seront généralement constitués par des transducteurs piézo-électriques fortement amortis, (souvent avec un coefficient d'environ 60 t) destinés à fournir, lorsqu'ils sont excités par une impulsion unique, une salve ultrasonore constituée par un train d'ondes amorties. On peut notamment utiliser des transducteurs ayant une fréquence de résonance d'environ 2 MHz. La mesure de composition (et éventuellement d'épaisseur) sont améliorées en effectuant une correction de température, comme dans le cas du document déjà mentionné ; pour cela une sonde de température est peut être prévue. 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. La mesure de l'amplitude d'excitation peut se faire à partir de la mesure de l'impulsion électrique d'excitation, sur une sortie 24. I1 est cependant préférable de mesurer l'énergie ultrasonore émise, par exemple à l'aide du transducteur 22 placé de façon à recevant une fraction de l'énergie ultrasonore émise, réfléchie en 27 sur une surface prévue à cet effet dans le bloc 16. L'unité d'excitation comporte une voie d'émission reliée au transducteur 20, ayant un générateur 26 d'impulsions brèves (200 nanosecondes par exemple) commandant la fermeture d'un commutateur électronique 28 relié à une source haute tension 30. Le générateur peut être muni d'une horloge 32 permettant de distribuer, à partir d'une sortie 34, un signal d'horloge, par exemple à une fréquence de 64 MHz, destiné à l'échantillonnage de l'écho. Une fréquence de résonance des transducteurs 20 et 22 d'environ 1 à 3 MHz donne généralement des résultats satisfaisants. L'unité comporte également une voie de réception ayant un amplificateur 36, un convertisseur analogique-numérique (CAN) 38 et une mémoire 40 organisée en file d'attente et reliée à un bus de données 42. Le dispositif peut être prévu pour permettre une correction d'échelle et une correction en fonction de la température. 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. La mise en oeuvre du dispositif est précédée d'une étape de calibration, sur une structure "propre", au cours de laquelle on émet une impulsion et on analyse le signal d'écho, jusqu'à la première alternance du signal d'écho sur la surface libre de la couche de contaminant d'épaisseur maximale à mesurer (en cas de dispositif permettant la mesure. La figure 2 montre la variation temporelle du signal. On relève les instants R1 de début de signal d'écho, après une émission d'amplitude 10 et R2 du premier passage à zéro. L'amplitude Ag du premier pic au moins est mémorisée. On constate qu'elle est relativement élevée, du fait de la différence importante d'impédance acoustique entre le bloc 16 et l'air. Lors de chaque détection proprement dite, le transducteur d'émission 20 est excité par impulsion. Bien que la tranche temporelle la plus importante soit celle allant de R1 à tl (figure 1) en ce qui concerne la mesure de composition, on mémorisera des échantillons prélevés sur une période T beaucoup plus longue lorsqu'on veut effectuer une mesure d'épaisseur avec passage dans le domaine fréquentiel, ce qui permet d'obtenir des résultats beaucoup plus précis. La fréquence d'échantillonnage doit être beaucoup plus élevée que la fréquence de résonnance du transducteur, par exemple de 64 MHz. La courbe en traits pleins de la figure 3 montre, à titre d'exemple, un signal obtenu dans le cas d'une pellicule de liquide d'antigivrage pur de 0,655 mm d'épaisseur à la surface du bloc. Pour permettre une comparaison, le signal obtenu avec une surface "propre" est indiqué en tirets. On constate une atténuation extrêmement importante du premier écho, du fait que le coefficient de réflexion à l'interface est beaucoup plus faible qu'avec l'air, de 0,08 environ : l'amplitude A1 est très inférieure à Ag. Dans la mesure où l'amplitude 10 de l'impulsion ultrasonore émise reste la même, le rapport Al/Ao serait significatif. Mais l'amplitude 10 peut varier dans le temps et également en fonction de la température. I1 est en conséquence préférable de disposer de 10 à chaque mesure. Dans le cas illustré sur la figure 1, il suffit pour cela de prévoir le microprocesseur 50 pour qu'il tienne compte de l'écho sur le réflecteur 27 vers l'amplificateur 36 pendant l'intervalle de temps nécessaire à la mesure d'impulsion initiale. Pour permettre une correction d'échelle et une correction en fonction de la température, le dispositif peut comporter 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 25. Le cas illustré sur la figure 4 est celui d'une pellicule de 0,21 mm d'épaisseur d'un mélange d'eau et de liquide antigel. La courbe en traits pleins montre que le premier écho a une amplitude supérieure à celle de la figure 3, du fait que le coefficient de réflexion est plus élevé. Cela est dû à ce que la différence d'impédance acoustique entre le mélange et le bloc est supérieur à la différence entre le liquide antigel pur et le bloc. L'amplitude de l'écho serait maximum, avec un coefficient de réflexion de l'ordre de 0,25, dans le cas d'eau pure. En principe, la composition du mélange pourrait être déduite, à l'aide d'une table, d'une simple comparaison entre l'amplitude de l'écho et l'amplitude Io. Cependant il est de beaucoup préférable, pour obtenir une précision élevée, de prendre en compte les énergies. Pour cela, on effectue le rapport entre deux surfaces de la courbe, représentatives l'une de l'écho, l'autre de l'impulsion initiale. Pour cela, il suffit d'accumuler les échantillons, c'est-à-dire de faire une intégration pendant deux périodes de temps. La première période peut aller d'une valeur de seuil à une autre valeur de seuil de l'impulsion initiale, par exemple de 1o/4 à Io/2 (la seconde valeur étant utilisée pour éliminer l'influence des cables de liaison sur la forme de l'impulsion mémorisée). La seconde période peut aller de R1 à R2 (figure 3). Une comparaison peut également être faite entre les deux rapports obtenus l'un avec l'aile propre, l'autre avec l'aile présumée contaminée. Le procédé permet également de mesurer l'épaisseur de la couche liquide. Pour cela, les variations du signal sur une aile propre et sur l'aile contaminée sur l'intervalle de temps T sont échantillonnées. Les échantillons sont mémorisés et le signal est soumis à une transformation de Fourier rapide, ou TFR sur un intervalle de temps recouvrant plusieurs échos successifs, puis on effectue une division des spectres sur l'aile contaminée et sur l'aile propre, ce dernier précédemment mémorisé, lors d'une calibration, et on procède à un filtrage destiné à écarter les fréquences hors de la zone utile (par exemple un filtrage passe-bande de 1 à 5 MHz pour des transducteurs ayant une fréquence de résonance de 2 MHz). Puis une TFR 1 est effectuée et permet d'obtenir une variation représentative, telle que celle montrée en tirets sur la figure 4. REVENDICATIONS 1. Procédé de détermination de la composition d'une couche liquide, dont les composants appartiennent à une famille connue, sur la surface d'une structure d'avion, notamment d'une aile, suivant lequel on dirige une impulsion ultrasonore provenant d'un transducteur vers la surface à travers un bloc de matériau, constituant ligne à retard, ayant une impédance acoustique intermédiaire entre celle des liquides et celle de la glace, on compare l'amplitude de l'écho obtenu sur ladite surface, sous incidence oblique, à celle de l'impulsion incidente et on déduit, du rapport des amplitudes, la teneur relative de la couche de liquide en liquide d'antigivrage et en eau. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau est le polysulfone. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par une étape préalable de mémorisation d'une référence par prélèvement sur le signal électrique d'excitation du transducteur émetteur ; ou d'une fraction de l'énergie acoustique émise. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la comparaison d'amplitude est effectuée en intégrant d'une part les échantillons du signal précédant la durée du premier écho, d'autre part les échantillons de l'impulsion incidente pendant au moins une fraction déterminée de cette dernière avant d'effectuer le rapport entre les deux. 5 . Procédé selon lune quelconque des revendications 1 à 4, permettant la mesure d'épaisseur, caractérisé en ce que les échos sont soumis à une transformation dans le domaine fréquentiel, à une division de spectre, à un filtrage, et à un retour dans le domaine temporel. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'écho est échantillonné et mémorisé, avant transformation, sur un intervalle de temps commençant immédiatement avant le premier pic d'écho et se terminant après disparition complète des échos à la surface du bloc et à l'interface entre la couche de liquide et l'air.