Brevet FR2800876A1 — publié le 20010511

La présente invention concerne un perfectionnement aux anémomètres à ultrasons et en particulier un perfectionnement au procédé de traitement des signaux et à la conception de l'anémomètre découlant de la mise en oeuvre du procédé. L'anémomètre est en fait un dispositif de mesure de flux d'air destiné à capter la vitesse et la direction du vent en atmosphère quelconque, terrestre ou maritime. II est connu de mesurer la vitesse et la direction du vent au moyen d'un dispositif qui utilise des ultrasons, c'est-à-dire un appareil sans pièce mobile. Un appareil de ce type, décrit par exemple dans le document EP-0 801 311, met en oeuvre le principe connu des débitmètres à ondes électroacoustiques, utilisés notamment dans les dispositifs de mesure de flux gazeux pour les tuyauteries industrielles. Dans ces dispositifs de mesure, on trouve deux transducteurs qui communiquent pour mesurer les variations de temps de transit engendrées par le débit gazeux. Pour une mesure omnidirectionnelle, sur un plan, comme dans le document précité, on dispose de deux jeux de transducteurs disposés selon des axes orthogonaux. Ce type de dispositif présente des inconvénients liés d'une à sa conception pour son utilisation en milieu climatique, exposé aux intemperies, et d'autre part, au procédé de traitement des signaux qui doivent être transmis avec un minimum de déformations afin d'identifier précisément les temps de trajet, ce qui conduit à utiliser des transducteurs à bande passante large, relativement coûteux, rendant l'électronique de mise en oeuvre complexe. L'invention propose un procédé de filtrage et de traitement des phases des signaux porteurs des informations de temps de propagation d'ondes électroacoustiques soumises à l'influence du flux de l'air, chaque phase étant qualifiée sur un espace de temps limité à une période de signal. moyens pour la mise en oeuvre de ce procédé permettent d'établir la vitesse vent relatif en force mesurée de 0,5 à 100 noeuds et d'établir la direction vent, automatiquement, sans séquence d'in itialisation. Toujours selon l'invention, le procédé de mesure du temps transit consiste à établir chacune des phases des signaux de réception par comptage, à partir d'un délai sur le signal d'émission, étalonné pour centrer la saisie de phase sur un espace d'une période de signal, le délai étant contrôlé par l'action d'une thermistance, placée dans le corps du dispositif, afin de maintenir le centrage sur la plage de température d'exploitation, lesquelles mesures de temps de transit sont exemptes d'ambiguïté sur toute la dynamique du vent, sans initialisation. Toujours selon l'invention, le procédé consiste à filtrer chacune mesures individuellement, dans un asservissement de phases dont discriminateur délivre le plus petit écart signé de modulo un tour, afin résorber le bruit des mesures qui découle des turbulences dans le fluide, quatre phases asservies étant restaurées dans le même tour pour en effectuer l'exploitation. L'invention concerne également le dispositif pour la mise en ceuvre du procédé, lequel dispositif comprend des transducteurs électroacoustiques, montés dessus de l'espace aménagé pour la mesure de la circulation du flux d'air. Toujours selon l'invention, le dispositif comporte un réflecteur constitué d'une surface poreuse favorisant l'évacuation des dépôts humides, notamment pour une utilisation en atmosphère maritime courante. L'invention sera encore détaillée à l'aide de la description suivante et des dessins annexés donnés à titre indicatif, et dans lesquels - la figure 1 représente, de façon schématique, le positionnement des transducteurs et le principe général d'analyse des signaux captés ; - la figure 2 représente, schématiquement, un dispositif appelé anémomètre, selon l'invention ; - la figure 3 représente le schéma synoptique de l'électronique permettant la mise en ceuvre du procédé selon l'invention ; - la figure 4 est un chronogramme montrant les différents signaux émis et reçus selon la séquence de multiplexage établie par les signaux X et Y engendrés par le microprocesseur ; - la figure 5 représente le chronogramme de mesure de la phase des signaux de réception. mesures omni directionnelles, sur un plan, pour déterminer la direction la vitesse du vent par exemple, sont réalisées comme représenté figure 1, moyen d'un jeu de transducteurs E disposés par couples avec une orientation Nord-Sud (En, Es) et Est-Ouest (Ee, Ew). La distance d qui sépare deux transducteurs d'un même jeu, Ee-Ew sur la figure, est de l'ordre de quelques centimètres. la figure 1, une onde émise par l'élément Ee est reçue par Ew au bout délai Tew = dl(CO + Vv.sin(a)) CO = vitesse de l'onde dans l'air inerte Vv = module de la vitesse du vent a = direction du vent par rapport à la direction du Nord N. Afin de réduire les instabilités inhérentes notamment au coefficient CO, dépendant de la température, on a recours à la mesure inverse. Une onde émise Ew est reçue par Ee au bout d'un délai Twe = dl(CO - Vv.sin(a)) est établi : Dt = Tew - Twe St = Tew + Twe avec approximations du deuxième ordre CO = dlSt Vew = composante du vent sur l'axe EW = Dt.COISt Identiquement, les éléments transducteurs En et Es déterminent Vns ce qui permet d'extraire Vv = ((Vew)2 + (Vns)2)',/z a = Arctg (VewNns) Chaque cellule de transducteur émet tour à tour une impulsion de fréquence captée par la cellule diamétralement opposée. mesure du temps de trajet s'effectue en détectant la position du front avant l'impulsion reçue, et, pour acquérir la précision nécessaire, en mesurant le déphasage du signal de fréquence porteur de l'impulsion. La mesure du front , selon le principe, à déterminer le nombre de cycles de déphasage du signal de fréquence c'est- à-dire à lever l'ambiguïté qui résulte de la mesure d'un temps par la phase d'une sinusoïde. Pour s'affranchir de l'ambiguïté, comme indiqué précédemment, il a déjà été proposé de transmettre sur plusieurs fréquences. D'autres systèmes agissent sur la valeur de la fréquence pour obtenir une compensation automatique des variations du coefficient de vitesse. Les éléments transducteurs doivent en conséquence posséder une bande passante relativement large. II en résulte que leur sensibilité est réduite et l'électronique de mise en oeuvre est complexe. Le procédé objet de la présente invention s'affranchit des contraintes bande passante en utilisant une fréquence unique pour effectuer les mesures des temps de trajets. Les transducteurs électroacoustiques E peuvent être cellules piézo-électriques à bande passante étroite de sensibilité élevée, robustes, utilisées largement dans les dispositifs de télémétrie, disponibles peu coûteuses. L'étalement d'une impulsion de fréquence transmise d'un capteur l'autre, rend la mesure de front avant inutilisable en présence de vent. Aussi, mesure du temps de parcours s'effectue uniquement par mesure déphasages. Selon l'invention, la fréquence porteuse et la distance séparant les transducteurs sont déterminées pour lever l'ambiguïté de phase sur toute la dynamique de mesure du vent et dans une plage de température adaptée aux utilisations en atmosphère maritime. Le dispositif de mise en ceuvre représenté par le schéma de la figure 2, contient, dans sa partie supérieure, les quatre transducteurs piézo-électriques E, disposés dans leur plan selon deux axes perpendiculaires sur un cercle quelques centimètres de diamètre ajusté comme il est précisé ci-dessus. réflecteur d'ondes est constitué par le socle 1 du montage qui contient la partie électronique 2 décrite dans ce qui suit. L'ensemble est maintenu par cinq colonnettes 3, conductrices et gainées : quatre colonnettes latérales et une centrale qui assurent les liaisons électriques entre transducteurs E et la partie électronique. Le socle réflecteur est habillé d'une surface poreuse 4 apte à réfléchir correctement le signal ultrasonore. Cet ensemble de dispositions a pour objet de réduire l'influence des dépôts d'humidité dans l'espace 5 où s'effectue la mesure du flux, et d'en favoriser l'évacuation. Le schéma synoptique l'électronique de mise en oeuvre du procédé est représenté sur la figure Les quatre transducteurs E sont reliés au multiplexeur 12 composé de deux aiguillages à quatre voies. Un premier aiguillage sert à connecter le signal impulsion de fréquence A vers chacun des transducteurs, le second à connecter le conducteur de réception B sur le transducteur adéquat, sous la commande des signaux X et Y comme il est représenté par le chronogramme de figure 4. Les impédances de commande d'excitation du signal A et de charge signal B sont égalisées pour réduire les déphasages relatifs qu'entraînent dispersions de caractéristiques des valeurs centrales de résonance des transducteurs. Le signal de fréquence est engendré à partir de l'oscillateur haute fréquence 14 par le compteur diviseur 13 pendant la durée du créneau cyclique SEL, d'une fraction de milliseconde, engendré par le processeur 15. Le compteur est replacé à zéro à chaque front montant de SEL, puis laissé libre, en comptage binaire, à la fin du créneau, ce qui supprime l'éventuelle interférence sur le signal de réception et procure un moyen de mesure de phase par le même compteur. Le signal de réception B, représenté dans le chronogramme de la figure 5, est amplifié et mis en forme logique sans déphasage pour commander la bascule 16. Comme il est représente figure 5, le créneau PRE issu du processeur 15 autorise le basculement 16 par le premier front montant de B, engendrant en synchronisme le signal mesure C. Le compteur diviseur 13, conçu pour être inhibé sous l'action C fournit au processeur la valeur numérisée de la phase du signal reçu le bus D dans l'espace de temps qui précède la prochaine excitation de Selon le procédé, le retard signal de validation PRE est réglé pour apparaître pendant la partie montante l'impulsion de réception B, et il est étalonné pour se produire, en absence vent, une demi période avant le front montant de l'alternance du signal choisie comme significative. II en résulte que chacune des moyennes des quatre phases mesurées, dans la dynamique de vent déterminée pour le dispositif objet de l'invention, reste dans les limites de déviations de plus ou moins un demi tour, ce qui permet l'interprétation relative des quatre relevés. Comme il a été dit précédemment, la dimension de l'espace acoustique séparant les transducteurs est déterminé pour satisfaire le principe du procédé tout en procurant une précision et une dynamique opérationnelle. A cette fin et pour maximaliser la dynamique disponible, procédé met en oeuvre les moyens de traitement du signal décrits ci-après. le schéma de la figure 3, le processeur reçoit par son entrée TH, signal capteur de température 17, placé dans le corps de l'appareil, dont mesure permet de prédire la valeur de la vitesse de propagation du signal acoustique. La donnée, interprétée par le processeur 15, établit le retard du créneau de validation PRE afin de maintenir au mieux le décalage destiné à maintenir le centrage des mesures. Selon le deuxième moyen, les mesures numérisées D, reçues par le processeur 15, sont filtrées individuellement pour réduire leurs fluctuations entraînées par les turbulences de l'air grandissantes sous l'effet de vents forts. Chaque filtre est constitué d'un asservissement de phase du premier ordre de constante maintenue à moins d'une seconde, construit avec un discriminateur de temps de modulo un tour pour fournir l'écart signé de plus petite valeur absolue. L'agencement du discriminateur supprime les renversements de phases que peuvent provoquer les turbulences en limite de dynamique. II en résulte en contrepartie que chaque phase filtrée est établie modulo un tour. Les quatre phases filtrées sont recentrées pour étre interprétées dans l'espace PRE = 0 à PRE = 1 tour, à un décalage expérimental près. Elles sont soustraites deux à deux pour fournir les deux mesures de dynamique plus ou moins 1 tour, qui génèrent les deux vecteurs vent. Dans le processeur 15, les comparaisons des valeurs de phases filtrées permettent de vérifier la cohérence des relevés afin d'agir sur un signal d'invalidation en cas d'aberration ou de dépassement caractérisé dynamique. Le calculateur, qui a établi le retard du signal PRE, affine détermination de la vitesse de propagation par les mesures et établit module et direction du vent comme il est exposé précédemment. Le signal délivre sur une ligne série normalisée les données complétées par un signal validation. - REVENDICATIONS - 1.- Procédé de mesure du temps de transit d'ondes électroacoustiques dans un dispositif du type anémomètre pour quantifier vitesse et la direction du vent, lequel dispositif comporte quatre transducteurs _ qui émettent tour à tour une impulsion de fréquence fixe, laquelle impulsion emise est reçue par le transducteur diamétralement opposé de façon à établir mesures de temps transit par mesure de déphasage de signal, caractérise en ce que chacune phases des signaux de réception est établie par comptage à partir d'un delai sur le signal d'émission, étalonné pour centrer la saisie de phase sur un espace d'une période de signal, le délai étant contrôlé par l'action d'une thermistance placée dans le corps du dispositif, afin de maintenir le centrage la plage de température d'exploitation, lesquelles mesures de temps de transit sont exemptes d'ambiguïté sur toute la dynamique du vent, sans initialisation. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des mesures est filtrée individuellement dans un asservissement de phases dont le discriminateur délivre le plus petit écart signé de modulo un tour afin de résorber le bruit des mesures, les quatre phases asservies étant restaurées dans le même tour pour en effectuer l'exploitation. 3.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte des transducteurs electroacoustiques (E) montés au-dessus de l'espace aménagé pour la mesure de la circulation du flux d'air, et un réflecteur d'ondes. 4.- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en que le réflecteur est constitué d'une surface poreuse (4) favorisant l'évacuation des dépôts d'humidité.