Brevet FR2781565A1 — publié le 20000128

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour mesurer la vitesse et le débit d'une veine fluide. La détermination précise de la vitesse de circulation de fluides dans des conduits ainsi que les débits correspondants, est importante dans de très nombreux domaines, notamment dans les installations chimiques. en chromatographie, etc. Un procédé connu pour déterminer la vitesse et le débit d'un courant fluide circulant dans un conduit est décrit par exemple dans les brevets WO 93/14382 ou US 4,308,754. Il consiste essentiellement à mesurer la différence entre les temps de parcours respectifs d'impulsions acoustiques entre des transducteurs émetteurs et récepteurs disposés le long d'un conduit d'acheminement de fluide, à distance connue les uns des autres, selon que les ondes se propagent vers l'amont ou vers l'aval relativement au sens du courant. Le schéma de principe de la Fig.1 montre deux transducteurs émetteurs- récepteurs de type piézo-électrique par exemple, disposés de part et d'autre d'un conduit o un fluide circule avec une vitesse v, dans deux plans transversaux de celui-ci distants l'un de l'autre. Ils émettent simultanément l'un en direction de l'autre (en biais) des impulsions ultra-sonores de fréquence f0 (fréquence d'accord des transducteurs) et de durée to très inférieure au temps de vol des ondes entre les deux transducteurs. On mesure les temps tAB et tBA d'arrivée du signal et on en déduit les temps de transit acoustique (ou temps de vol) tv1 (dans le sens de l'écoulement) et tv2 (dans le sens contraire de l'écoulement) en leur soustrayant les différents temps de retard parasites obtenus par étalonnage. Les durées de propagation tvl et tv2 s'écrivent re.spectivcment que L L tv = L et tiv. = L I C+Vcosa - C-Vcosa On en déduit facilement que L.At V = 2. tv..t,. COS (X o At = n' - tvl Le débit s'exprime alors par Qv = v.S, si S représente la section transversale de la veine. Dans un exemple pratique o les transducteurs sont distants de quelques 10 cm et la célérité des ondes dans le fluide est de 1500 m/s, le temps de vol est de quelques 60 gs. On constate sur un tel exemple pratique que si la précision recherchée est de l'ordre de 10'3 dans la mesure de la vitesse du courant, on doit être o0 capable de mesurer des écarts de temps de l'ordre de quelques ns. Cest très difficile à réaliser si l'on procède par mesure directe des temps de propagation avec détection des instants o l'énergie reçue dépasse un certain seuil. car la précision est généralement insuffisante et suppose que l'on fasse de nombreuses moyennes. Le procédé selon l'invention permet notamment de remédier à cet inconvénient et d'obtenir à un coût comparativement beaucoup plus faible qu'avec la solution précédente, une très grande précision dans la mesure de la vitesse de déplacement d'une veine fluide et par voie de conséquence, du débit de cette veine. Le procédé permet de déterminer la vitesse d'écoulement d'une veine fluide par comparaison des temps de vol respectifs d'impulsions acoustiques émises et reçues respectivement entre des points espacés le long de la veine fluide, selon qu'elles se propagent vers l'amont ou vers l'aval relativement au sens de l'écoulement. Il est caractérisé en ce que l'on mesure la moyenne des temps de vol ainsi que l'écart entre les temps de vol par une détermination du spectre cide fréquence associé chaque impulsion reçue et une mesure précise des déphasages relatifs affectant les spectres de fréquence des impulsions acoustiques reçues, résultant de leur temps de vol. Suivant un mode avantageux de mise en oeuvre (convenant pour les fluides relativement peu absorbants) on émet en chaque point une première impulsion acoustique, on détecte successivement en ce mame point, une deuxième impulsion acoustique émise depuis un autre point et un écho à cet autre point, de la première impulsion acoustique. on calcule les spectres de fréquence des différentes impulsions détectées et l'on détermine la moyenne des temps de vol des impulsions acoustique détectées ainsi que les écarts entre leurs temps de vol respectifs. Suivant un autre mode de mise en oeuvre, on détermine la moyenne des temps de vol à partir de spectres de référence constitués par étalonnage à partir des spectres ic o d'impulsions acoustiques reçues. Suivant un autre mode de mise en oeuvre, on détermine l'écart entre leurs temps de vol respectifs des impulsions acoustiques reçues à partir de leurs spectres de fréquence et d'un écart de temps obtenu par étalonnage. Suivant un mode préféré de mise en oeuvre. le procédé comporte la 1J transmission d'impulsions acoustiques simultanément depuis uin premier point le long d'une veine fluide en direction d'un deuxième point en aval du premier point et réciproquement depuis le deuxième point en direction du premier point et l'on détecte les impulsions recues aux deux points dans des fcnêtres de réception fixes décalées d'un même intervalle de temps par rapport aux instants communs O d'émission de ces impulsions, le déphasage mesuré pour chaque spectre de fréquence dépendant de la position de l'impulsion correspondante reçue à l'intérieur de la fenêtre de réception correspondante. Pour lever toute ambiguïté sur la valeur des déphasages. on détermine de préférence la pente de la droite représentative de la variation dCie la phase en fonction du temps de vol sur une portion déterminée du spectre de flr'quence des impulsions. Un dispositif permncttant une mise en oeuvre de la méthode comporte par exemple au moins deux transducteurs émetteurs-récepteurs disposés à des emplacements distincts le long d'une veine fluide, un genérateur de signaux impulsionnels connecté aux transducteurs. un ensemble d'acquisition des signaux adapté à échantillonner et numériser les signaux reçus par les transducteurs durant une fenêtre d'acquisition fixe et un ensemble de traiteilmenti pour déterminer les î retards de phase affectant une portion au moins cdu spectre de fréquence de chacune des impulsions reçues. consécutifs au temps de vol variable des impulsions acoustiques émises. L'ensemble de traitement comporte par exemple un processeur de signal programmé pour déterminer le spectre de fréquence FFT de chaque signal à partir d'une série d'échantillons acquis à I'intérieur de la dite fenêtre. Le procédé selon l'invention conduit à une très grande précision dans la mesure du temps de vol des ondes au travers du fluide en mouvement. Elle permet de traduire avec un effet d'amplification très important des intervalles de temps très courts difficilement mesurables avec précision dans des conditions économiques acceptables en variations de phase importantes. Des simulations ont montré que l'on peut obtenir des précisions meilleures que I %o sur la mesure de la vitesse. D'autres caractéristiquLes et avantages du procédé et du dispositif selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un exemple non limitatif de réalisation. en se référant aux dessins annexés o: - la Fig.1 est un schéma de pour illustrer le principe de mesure - la Fig.2 montre un exemple de variation de l'amplitude A d'une impulsion acoustique reçue en fonction du temps; - la Fig.3 montre un exemple de variation du module complexe G(k) du spectre de fréquence d'une impulsion recçue en fonction de l'indice k d'échantillonnage - la Figç. 4a, 4b montrent respectivement la variation du module G(k) du spectre de fréquence au voisinace d'un maximum spectral 1, et la variation correspondante de la phase - les Fig.5a, 5b montrent respectivement la variation du module G(k) du spectre de fréquence au voisinage d'unI maximum spectral 1, et la différence de phase relative obtenue après rtablissemnient de la continuité de la variation - la Fig.6 montre la variation monotone de la phase relative sur 9 échantillons autour de l'indice d'échantillonnage correspondant à un maximum spectral - la Fig. 7 illustre le principe de calcul d'un coefficient de calage - la Fig. 8 illustre le principe de la méthode de mesure associant la mesure des arrivées directes des impulsions après propagation et des arrivées en retour de leurs échos; et - la Fig.9 montre un mode d'agencement du dispositif de mise en oeuvre du procédé avec deux transducteurs émetteurs-récepteurs d'impulsions acoustiques espacés le long d'une veine fluide. Description du procédé Le procédé peut être mis en oeuvre par exemple en disposant en deux points A, B (Fig. l) deux transducteurs émetteurs-récepteurs d'ondes ultrasonores Pi. Pl respectivement dans cieux sections transversales distinctes cl'un conduit o circule une veine fluide avec une vitesse V, disposées de façon que chacune puisse recevoir les ondes émises depuis l'autre transducteur. Ils émettent simultanément l'un en direction de l'autre (en biais par exemple) des impulsions ultrasonores de fréquence f0 (fréquence d'accord des transducteurs) et de durée t" très inférieurc au temps de transit acoustique (ou temps de vol) tv des ondes entre les deux transducteurs. On mesure les temps tAB et tFA d'alrrivée du signal (Fig.2) et on en déduit les temps de vol tv1 (dans le sens de l'écoulcmncnt) et tv2 (dans le sens contraire de l'écoulement) en leur soustrayant les différents temps de retard parasites obtenus par étalonnage. Les durées de propagation s'écrivent respectivement L L fa:-elt n.a - ti =C+Vcosc t -, C-Vcosoa At.L D5 On en déduit facilement que: V 2.;_ 2.tv'l.tv..cos cz o At = tv, -tvI v. Les mesures de tvi et tv2 doivent êtres très précises. En particulier la valeur de At = (tvl - tv2) doit être connue avec une précision supérieure à celle désirée pour le dispositif. Dans les temps mesurés sont inclus les temps de réponse des éléments piézo-électriques à l'émission et à la réception pour traduire les signaux électriques en ondes et réciproquement. Ces temps de réponse ne sont pas connus à priori et peuvent êtres différents d'un appareil à l'autre à cause des dispersions de fabrication. Par contre, on peut les considérer comme sensiblement constants au cours du temps. La méthode comporte la mesure précise d'intervalles de temps par le biais de la mesure de déphasages existant entre les signaux résultant de leur propagation dont on rappelle ci-dessous le principe connu en soi. On considère deux signaux Si. S2 émis simultanément depuis deux transducteurs tels que A, B durant une fenêtre d'émission plus courte bien sûr que leurs temps de vol. Ils sont reçus respectivement aux transclucteurs opposés dans une même fenêtre d'acquisition ouvrant à un même instant t( ct échantillonnés avec la fréquence d'échantillonnage F,. On acquiert N échantillons (N est égal par exemple à 2048) de chacun de ces trois signaux. Par FFT. on détermnine leur spectres de fréquence complexes G1(k), G(k), k étant un indice d'écihantillonnage variant de 0 à N -1 (N = nombre de points de la FFT). Si Gl(f) et Gf(t) sont les transformées de Fourier des deux signaux, les transformées discrètes correspondantes s'obtiennent en remplacçant tf par la suite kE d'entiers k avec la correspondance = --e, Fe étant la fréquence d'échantillonnage, (- -= pas en fréquence ou Af) Ces fonctions complexes de k peuvent être représentés soit par G(k)=p(k)(cosO(k)+ jsinO(k)). soit par G(k) = p(k)e ' (k (p = module, 0 = phase). Par application du théorème du retard. on peut écrire que la transformée de Fourier de S2 est: GI (f) = aG, (f)e-2rit t2-', (a représentant I 'affaiblissement de l'onde entre les deux récepteurs). Dans le cas d'une transformée discrète. si on remplace f par la suite k telle que Nf, on obtient /\,. -,Ti-- ()-{I G, (k) = aG,(k)e.v - (2) Si l'on représente maintenant G2(k) et Gl(k) par p2(k)e' 'et pl (k)e'( l'équation (2) s'écrit: ÀF jIl (tk;-2"-|-(/* -q)1 p P2(k)eJ"2(kî = ap (k)e - (3) équation qui s'écrit encore en prenant le logarithme népérien In(p2(k)) + jO (k) = ln(ap, (k)) + j 0(k) -2r (t, - t,)) N- ce qui donne dircctemcnt N At= (t_ -r) = - (:(k)- 0, (k)) (4) La fonction dite de différence théorique entre les phases tek) = O_(k) - O0(k) est une droite passant par l'origine pour k = O puisque At = (1t2 - ti) est indépendant de i k à condition de rester autour d'une portion assez étroite (de +150 kHz par exemple) du spectre centré autour de la fréquence d'émission. La valeur absolue de la phase ne dépasse pas 7c radians et le module diminue assez rapidement de part et d'autre du maximum avec une augmentation corrélative du bruit de phase. Il faut donc lever l'ambiguité sur la valeur de la phase. 0 Méthode pour lever l'ambiguïté sur la différence des phases Sur le spectre G, par exemple (Fig.3), on détermine le maximum du module, ce qui donne un indice k(lm). On prend (par exemple) + 4 points autour de Im sur les 2 spectres G, et G2 et on restaure la monotonicité de la variation de phase sur ces 9 points. Cette opération consiste à remplacer tous les sauts de phase de valeur absolue supérieur à 7z par leur complément à 2 7z (Fig.5b). Ensuite, on soustrait point par point les valeurs de phases obtenues pour A et B. On obtient ainsi la différence de phase relative (car seulement connue à 2nni près) soit Ora(k) = O/(k) - O,(k) dont la courbe de variation est seulement proche d'une droite contrairement a la courbe de différence de phase théorique (Fig.6). Par définition. la phase estimée est une droite: ej,(k) = cr x k. Pour déterminer la pente a de cette droite, on peut utiliser plusieurs méthodes: calculer une droite de régression passant aux moindres carrés par les points sélectionnés, faire la moyenne des pentes mesLIur-ées entre deux points consécutifs, etc. L'écart entre la différence phase estimée Oe,,(k) et celle relative Ori(k) devrait donc être de 2nar (n entier désignant un coefficient de calage) commne illustré par la Fig.7). Pour calculer r. il suiffit d'avoir la phase en un point. celui par exemple qui correspond au maximum du module du spectre. soit lm. D5 Les résultats des mesures montrent que la précision de la différence de phase relative soit OrA(lnt) est mcilleure que celle de la dillérence de phase estimée soit Oejlm) = aux Im. On choisit donc la différence de phase absolue (ou reconstituée) On(Ira) = Or(hn) + 2nrT (5) oE, (Oe(,,) - 6rr, ( l11) 'd,, avec n = E ( Q' '" + 0.5 (6) (E désignant la partie entière) On peut noter que pour que cette reconstitution se fasse sans erreur, if faut et il suffit que lOejlm) - Ora(Im)-2ncl réfléchie sur la surface de l'élément opposé. Les intervalles de temps mesurés entre les signaux primaires et d'écho ne dépendent alors plus des retards à l'émission (communs aux deux) et on peut procéder comme suit. Il) On délimite deux fenêtres de mesure W 1, W2 commençant aux instants Tfl et Tf: par rapport à l'instant d'émission de chaque train d'ondes,. de facon à limiter le nombre de points de la FFT et avoir un bon coefficient de calage n (satisfaisant au critère de l'équation (7)). iz On mesure les temps, T.\B, et TBAc qui sont, on le rappelle, les décalages de temps entre les signaux de même forme issus des récepteurs A et B, en enregistrant les signaux directs dans la fenêtre Wl soit SA et SR et les signaux d'écho dans la fenêtre W2, soit SeA et SCH (pour la même émission), et on calcule palr FFT les quatre spectres complexes FFT soit G,\(k). GB(k), GeA(k) et GeB(k). 0 Détermination du temps de vol moyen tvm On applique deux fois la procédure définie ci-dessus - entre GeA(k) et GB(k) cc qui donne un temps TAB = TA^ i.e. écart (W1-W2) entre GeB(k) et GA(k) ce qui donne un temps TBA = TBA^ ie. écart (W2-W 1) Et finalement TA., = rBA + (Tf2 - Tfl) et TBAc = TAB + (Tf, - Tf1) Si l'on désigne par rE A et rE B, respectivement les retards de traduction des signaux électriques d'excitation des transducteurs A et B à l'émission en ondes acoustiques eet par rR_ A et rj vitesse du fluide est nulle. (TO = 'AB - TBA pour V= O) Io Suivant un autre mode de mise en oeuvre, on peut aussi mesurer directement l'écart de temps entre les signaux SA et SB par le biais précédemment décrit d'une mesure de déphasage entre G0(k) et GA(k) ce qui nous donne le temps T = tBA- tAB tBA- tAB = tV2 - tV 1 + I'EB + rR_A - rEA - rRH.Soit At = r - (rEB + rR_A - rEA - rR_B) = T - TpO la valeur %po étant obtenue par étalonnage comme ci dessus: Tpr) = T à V = 0 On peut aussi combiner les deux modes précédents et faire la moyenne des At obtenus de ces deux façons afin d'augmenter la précision de la mesure. Méthode du signal de référence reconstitué Il est possible quc la mesure de la vitesse de fluides tres absorbants (émulsions, boues. etc.) ne permette pas d'obtenir d'échos. Dans ce cas. on ne dispose au moment de la mesure que des deux spectres GOA(k) et GO3(k) correspondant aux signaux SA et SB mesurés dans la fenêtre W I, obtenus par FFT. On peut donc facilement obtenir le At comme indiqué ci-dessus, Pour déterminer dans ce cas le temps de vol moyen tG, il faut disposer de deux signaux de référence de même forme que les signaux reçus mais de retard acoustique nul et donc traduisant les ondes acoustiques telles quelles sont émises. Dans la pratique, ce type de signal n'est pas directement accessible. En phase d'étalonnage, on peut détermnine le temps de vol moven tv,, par la méthode de l'écho précédemment décrite en remplissant le système de mesure par un fluide approprié. Il est possible aussi d'utiliser une boucle d'essai possédant une autre mesure de vitesse de la précision requise. Ces exemples ne sont bien sûr pas limitatifs. On prend le k/: spectre GA(k) et on le multiplie par e -v " On procède de meme pour le spectre GB(k), on obtient ainsi les spectres GOA(k) GOB(k) ou spectres de référence Pour la mesure proprement dite on applique la procédurLe dCLIU 4. I entre GÀ(k) et GoA(k) d'une part et entre GB(k) et GOB(k). ce qui conduit aux valeurs de T.A et Te. On en déduit tm= /2 (TA + TB) + Tf1 Comme on ne s'intéresse qu'aux phases des spectres sur un petit nombre de points autour du maximum du module, les spectres de référence peuvent être limités au valeurs de phases sur ces points. 4.4 Calcul de la vitesse Les temps de vol tv 1 et tv2 s'obtiennent en calculant tv = tvrn + /2 At et tv, = tvm - /2 At et l'on peut appliquer la relation (1) L. At V.=tvv.cos 2l.tU.tv.oc ou plus simplement avec une erreur négligeable L. At V= 2.t^,,-.COSa L La célérité C des ondes peut être obtenue en calculanit: C = Le dispositif de mise ien oeuvre comporte (Fig.9) uin générateur de signaux impulsionnels G alimentant les deux transducteurs P 1. P2. et un ensemble d'acquisition A des signaux captés par ces mêmes transducteurs après leur propagation au sein de la veine fluide, qui est couplé à un ensemble de traitement T programmé pour effectuer en temps réel les calculs d'intervalles de temps et de déphasages selon la méthode décrite. Des moyens de commutation (non représentés) permettent de connecter successivement chaque transducteur au générateur de signaux G pour l'émission d'impulsions et à l'ensemble d'acquisition A, dès la fin de l'émission. L'ensemble de traitement T comporte de préférence un processecur de signal spécialisé tel qu'un DSP d'un type connu. > Le procédé proposé garde toutes ses performances si l'on change la nature du fluide et donc la fréquence d'émission: la fréquence d'échantillonnage Fe sera adaptée en conséquence. On a décrit un mode de mise en oeuvre du procédé o Ics décalages de phase significatifs de la vitesse d'écoulement d'une veine fluide sont mesurés sur des impulsions émises simultanément depuis deux points, I'un situé en aval de l'autre relativement au sens d'écoulement, en direction de l'autre point. On ne sortirait pas du cadre de l'invention toutetois en adoptant tout autre dispositif d'émission-réception d'ondes avec des transductcurs disposés différemment par rapport à la veine fluide, éventuellement distincts pour I'émission et la réception, permettant de comparer ou cumuler des temps de vol d'impulsions se propageant dans le sens du courant et à contre-courant, qu'elles soient émises simultanément ou successivement. REVENDICATIONS 1) Procédé pour déterminer la vitesse d'écoulement d'une veine fluide par comparaison des temps de vol (tvl, tv,) respectifs d'impulsions acoustiques émises et reçues respectivement entre des points espacés le long de la veine fluide, selon i qu'elles se propagent vers l'amont ou vers l'aval relativement au Sens de l'écoulement, caractérisé en ce que l'on mesure la movenne des temps de vol ainsi que l'écart entre les temps de vol par une détermination du spectre de fréquence associé chaque impulsion reçue et une mesure précise des déphasages relatifs affectant les spectres de fréquence des impulsions acoustiques reçues, résultant de leur temps de vol. 2) Procédé selon la revendication I. caractérisé en ce que l'on émet en chaque point une première impulsion acoustique. on détecte successivement en ce même point, une deuxième impulsion acoustique émise depuis un autre point et un écho à cet autre point, de la première impulsion acoustique. on calcule les spectres de fréquence des différentes impulsions détectées et l'on détermine la moyenne des temps de vol des impulsions acoustique détectées ainsi que les écarts entre leurs temps de vol respectifs. 3) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on détermine la moyenne des temps de vol i partir de spectres de référence constitués par étalonnage à partir des spectres d'impulsions acoustiques reçues. 4) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on détermine l'écart entre leurs temps de vol respectifs des impulsions acoustiqtlues reçues à partir de leurs spectres de fréquence et d'un écart de temps obtenu par étalonnage. ) Procédé selon l'une des revendications précédciites. caractérise en ce qu'il comporte la transmission d'impulsions acoustiques simultlanémeneit depuis un premier point le long d'une veine fluide en direction d'un deuxième point en aval du premier point et réciproquement depuis le deuxième point en direction du premier point et l'on détecte les impulsions reçues aux deux points dans des fenêtres de réception fixes (Wl, W2) décalées d'un même intervalle de temps par rapport aux instants i communs d'émission de ces, impulsions, le déphasage miCsuré pour chaque spectre de fréquence dépendant de la position de l'impulsion corresponldante recue à l'intérieur de la fenêtre de réception correspondante. 6) Procédé selon l'une des revendications précédentes. caractérise en ce qu'il comporte une détermination de chaque déphasage modulo 21T permettant de lever toute incertitude sur la vitesse de la veine fluide. 7) Procédé selon la revendication 6, caractérise en ce qu'il comporte une détermination de la pente de la droite représentative de la variation de la phase en fonction du temps de vol sur une portion déterminée du spectre de fréquence des impulsions. 8) Dispositif pour déterminer la vitesse d'écoulmenlelt d'une veine fluide. caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux transductellurs émetteursrécepteurs (PI, P2) disposés à des emplacements distincts le long d'une veine fluide, un générateur (G) de signaux impulsionnels connecté aux transducteurs, un ensemble (A) d'acquisition des signaux adapté à échantillonner et numériser les signaux reçus par les transducteurs durant une fenêtre d'acquisition fixe et un ensemble de traitement (P) pour déterminer les retards de phase affectant une portion au moins du spectre de fréquence de chacune des impulsions recues, consécutif.s au temps de vol variable des impulsions acoustiques émises. 9) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'ensemble de s5 traitement (P) comporte un processeur de signal programirnmé pour déterminer le spectre de fréquence FFT de chaque signal à partir d'une série d'échantillons acquis à l'intérieur de la dite fenêtre.