Brevet FR2820208A1 — publié le 20020802

La présente invention concerne un appareil et un procédé acoustiques ou ultrasonores de mesure de la densité et/ou de la masse volumique de fluides, méthode qui se veut précise et pratique pour des mesures en milieu industriel. Les appareils et procédés antérieurs de mesure de la densité ou de la masse volumique de fluides, principalement utilisant la force de Coriolis ou la radiométrie, ne permettent pas d'effectuer des mesures précises et pratiques directement dans le milieu de mesure. La présente invention propose un appareil et un procédé précis et offrant une installation simple sur le site de mesure. La mesure de la densité et/ou de la masse volumique d'un fluide repose sur l'analyse de l'écho acoustique ou ultrasonore causé par un objet diffusant plongé dans ce fluide. L'écho d'un objet diffusant varie en fonction de la masse volumique du fluide dans lequel il est plongé. Le procédé consiste au minimum à émettre une onde acoustique ou ultrasonore en direction de l'objet diffusant, et à recueillir son écho c'est-à-dire sa pression acoustique ou ultrasonore afin de l'analyser. L'appareil comprend au minimum : A. un objet diffusant parfaitement défini au niveau de sa géométrie et de ses caractéristiques acoustiques, objet plongé dans le fluide dont on souhaite mesurer la densité et/ou la masse volumique ; B. des moyens d'émission d'ondes acoustiques ou ultrasonores ; C. des moyens de réception d'ondes acoustiques ou ultrasonores ; D. des moyens d'analyse des ondes acoustiques ou ultrasonores reçues. Ces moyens peuvent être tout ou partie intégrés les uns aux autres. Le procédé utilisé dans cette invention comporte au minimum les étapes suivantes : 1. calcul de la pression diffusée par chaque objet diffusant (A). Ce calcul peut être fait au préalable et les résultats peuvent être stockés dans l'appareil. On se rapportera à la référence [La diffusion acoustique par des cibles élastiques de forme géométrique simple. théories et expériences, N. GESPA, CEDOCAR, 1986] par exemple pour connaître les méthodes de calcul. On note que la pression diffusée dépend de la géométrie et des caractéristiques acoustiques de chaque objet diffusant utilisé, ainsi que de la position des moyens de réception par rapport à chacun des objets diffusants. Surtout, la pression diffusée par chaque objet diffusant dépend du rapport des masses volumiques de l'objet et du fluide dont on souhaite mesurer la densité et/ou la masse volumique ; 2. application d'ondes acoustiques ou ultrasonores couvrant tout ou partie de la plage des fréquences correspondant aux moyens d'émission d'ondes acoustiques ou ultrasonores employés (B), ondes envoyées en direction du ou des objets diffusants ; 3. réception du ou des échos issu (s) de ces objets diffusants par les moyens de réception d'ondes acoustiques ou ultrasonores (C) ; 4. calcul de la densité et/ou de la masse volumique du fluide, à l'aide des moyens adaptés (D), grâce à l'analyse sous quelque forme que ce soit (temporelle, fréquentielle, spatiale ou autres) du ou des échos acquis à l'étape 3 et grâce aux résultats de calcul de l'étape 1. Exemple de réalisation Une des réalisations possible est décrite ci-après et l'appareillage est représenté par la figure 1 donnée en annexe. Appareillage On place dans le fluide (9) dont on souhaite mesurer la densité et/ou la masse volumique un transducteur (3), un bloc (4) rendu mobile grâce à un mécanisme de déplacement (8) et un fil (5), le tout étant maintenu ensemble grâce à un cadre (7). Le transducteur est relié au reste du système placé en dehors du fluide (9) par un câble électrique étanche. Cet autre partie du système comprend un générateur d'impulsions électriques (1) pour alimenter le transducteur (3), un commutateur analogique (2) permettant de séparer les signaux émis et reçus, un système d'amplification des échos (10) reçus par le transducteur, un système de numérisation des échos (11) pour permettre d'effectuer des traitements numériques sur les échos et enfin une unité de traitement des données et de contrôle de l'appareil (12) permettant d'obtenir la mesure souhaitée et de commander le fonctionnement des modules (1), (2), (8), (10) et (11). Le transducteur (3) est un transducteur piézo-électrique. Ces trois caractéristiques essentielles pour cet appareillage sont sa fréquence centrale de résonance notée fc, sa bande passante B exprimée ,, sa bande passante B exprimée en pourcentage par rapport à fc et le diamètre D du faisceau ultrasonore qu'il produit au point d'impact sur le fil. Le choix d'un diamètre de la surface active du transducteur (3), d'une focalisation de cette surface et d'un rendement permettent d'optimiser le fonctionnement de l'appareil. B doit être supérieure à 85 %. Le domaine acoustique choisi est celui des ultrasons. Le choix de fc et de D relève d'un compromis entre miniaturisation et diversité des densités et/ou des masses volumiques mesurables avec un transducteur donné. Le transducteur (3) est utilisé en émission et en réception des ondes ultrasonores. L'objet diffusant est un fil (5) constitué d'un matériau solide et homogène et de densité supérieure à celle du fluide (9). Ce fil (5) est fixé perpendiculairement à la direction de propagation (6) de l'onde ultrasonore émise par le transducteur (3) grâce au cadre de maintien (7). Le fil est caractérisé géométriquement par son rayon a et par sa longueur 1. Il est aussi caractérisé par ces célérités acoustiques longitudinale CL et transversale CT et par sa masse volumique. Le choix du fil (5) repose étroitement sur celui du transducteur (3). Les règles qui suivent ne sont que des recommandations : ka = k-a compris entre 0,4 et 1,0 pour les fréquences appartenant à B. k est le nombre d'onde ultrasonore dans le fluide (9) ; - I > 40-a ; le diamètre du faisceau D > 8-a auniveaudufil. Devant le fil (5) par rapport au transducteur (3), on place un bloc (4). Ce bloc est un cylindre approximativement circulaire, les extrémités planes orientées perpendiculairement par rapport au faisceau ultrasonore (6). Le bloc (4) est caractérisé par une impédance acoustique élevée, un diamètre d > max (20. C-f, 10- D) m et une épaisseur e > 20 CL fc 1 m. La distance séparant le fil (5) et le bloc (4) est d'au moins 30000. f-l m. Le bloc (4) est rendu mobile grâce à un système (8) permettant c son déplacement parallèlement à la surface active du transducteur (3). Le système de déplacement (8) est fixé sur le cadre (7). (8) doit permettre de placer le bloc (4) dans au moins deux positions distinctes : la première position correspondant à la coïncidence entre l'axe du bloc (4) et celui du faisceau ultrasonore (6) ; la deuxième position correspond à une position où aucune partie du bloc ne perturbe le parcours de toutes les ondes ultrasonores produites. Le transducteur (3) est alimenté par un générateur d'impulsions électriques (1) adaptés aux caractéristiques du transducteur (3). Cela signifie entre autre que les impulsions électriques sont négatives, suffisamment énergétiques (carrées de 20 Vcc d'une durée de 0, 5. CI) et de bandes c passantes supérieures à celle du transducteur (3). Les impulsions sont déclenchées par l'unité de traitement et de contrôle (12). La fonction de commutation analogique (2) est commandée par l'unité de traitement et de contrôle (12). Le commutateur (2) possède deux états. Soit (2) permet de diriger les signaux d'émission du générateur d'impulsions (I) vers le transducteur (3). Soit (2) permet de diriger les signaux de réception du transducteur (3) vers le module d'amplification des échos (10). L'algorithme de commande est simple : le commutateur est placé sur l'état'émission'avant que l'unité de traitement et de contrôle (12) ne provoque la génération d'une impulsion électrique grâce au générateur (1). Un délai de retard plus tard, délai suffisant pour que le transducteur (3) ait eu le temps de produire l'onde ultrasonore, le commutateur (2) passe dans l'état'réception'. L'amplificateur des échos (10) permet de normaliser l'amplitude des signaux avant numérisation. (10) est un amplificateur d'instrumentation. Son gain est variable et est commandé par l'unité de traitement et de contrôle (12) en fonction de l'amplitude de l'écho du bloc (4). La bande passante de l'amplificateur est bien supérieure à celle du transducteur (3). La numérisation des échos (11) est réalisée par un module de conversion analogique- numérique dédié ou par un oscilloscope numérique. La bande passante du module est bien supérieure à celle du transducteur (3). La fréquence d'échantillonnage est égale à 20 fc. Sa résolution verticale détermine pour une bonne part la précision de l'appareillage complet. Une résolution de 14 bits est donc un minimum. Le déclenchement de la numérisation est effectué par l'unité de traitement et de contrôle (12). L'unité de traitement et de contrôle (12) est un ordinateur. Il effectue les calculs nécessaires sur les échos numérisés pour déterminer la densité et/ou la masse volumique du fluide (9). Il contrôle également l'ensemble de l'appareillage. Il est connecté aux différents modules via des interfaces spécifiques (PCI, RS 232 ou IEEE 488.2). Préliminaires théoriques Elle consiste en la mesure par rétrodiffusion (diffusion en direction du transducteur (3)) de la fonction de forme du fil (5) plongé dans le fluide (9). On utilise la théorie de la diffusion résonante [La diffusion acoustique par des cibles élastiques de forme géométrique simple : théories et expériences, N. GESPA, CEDOCAR, 1986] pour exprimer la pression ultrasonore rétrodiffusée par le fil : P, (k) c f. (ka), où f (ka) est la fonction de forme du fil (5) plongé dans le fluide (9). La fonction de forme dépend de manière non linéaire à la masse volumique du fluide (9) dans lequel est plongé le fil (5). On calcule cette fonction de forme comme suit : avec : Jm, J, N, Nein : polynômes de Bessel cylindriques d'ordre m, de première et deuxième espèce, m in et leurs dérivées premières respectives ; p : masse volumique du fil (5) ; kL, kT : nombres d'onde longitudinal et transversal dans le fil (5) ; Po : masse volumique du fluide. Une solution consiste à établir numériquement une abaque en utilisant l'équation (El), pour chaque valeur de ka, du module de la fonction de forme If (ka) l en fonction de la masse volumique du fluide po. Ces abaques peuvent être établies au préalable et intégrées à l'appareil au niveau de l'unité de traitement et de contrôle (12). On peut montrer que le module de la fonction de forme If. (ka) ! peut être obtenu expérimentalement par : fil p bloc (t) où TF pus (tu représente le spectre de l'écho du fil (5) plongé dans le fluide (9), et Tuf (t) 1 représente le spectre de l'écho du bloc (4) plongé dans le fluide (9). La détermination de la masse volumique po du fluide (9) est réalisée en comparant le résultat expérimental obtenu avec l'équation (E2) aux abaques préalablement établies à l'aide de l'équation (El). La densité du fluide (9) est déduite de la masse volumique précédente. Procédé Un des procédés possibles suit l'algorithme suivant : 1-Positionnement du bloc (4) dans l'axe du faisceau ultrasonore (6). Cela met en oeuvre (8) sous contrôle de (12) ; 2-Émission d'une onde ultrasonore en direction du bloc (4). Cela met en oeuvre (1), (2) et (3) sous contrôle de (12) ; 3-Réception de l'écho issu du bloc (4). Cela met en oeuvre (2), (3), (10), (I I) et (12) sous contrôle de (12). On obtient ainsi P (t) et les valeurs de ka dans le fluide (9) par mesure de la célérité acoustique dans le fluide (9). Cette mesure de célérité peut être effectuée par la méthode du temps de vol ; 4-Positionnement du bloc (4) hors de l'axe du faisceau ultrasonore (6). Cela met en oeuvre (8) sous contrôle de (12) ; 5-Émission d'une onde ultrasonore en direction du fil (5). Cela met en oeuvre (1), (2) et (3) sous contrôle de (12) ; 6-Réception de l'écho issu du fil (5). Cela met en oeuvre (2), (3), (10), (11) et (12) sous contrôle de (12). On obtient ainsi P' (t) ; 7-L'unité de traitement et de contrôle (12) effectue les calculs nécessaires comme présenté au paragraphe précédemment pour fournir à l'utilisateur la masse volumique et/ou la densité du fluide (9). L'invention présentée peut être destinée à la détermination de la concentration d'un fluide miscible dans un autre connaissant la masse volumique de chacun d'eux. La masse volumique du mélange résultant vaut : C étant la concentration volumique du fluide de masse volumique p, miscible dans l'autre fluide de masse volumique P2. La concentration se déduit de la mesure de Po par : REVENDICATIONS 1. appareil de mesure de la densité et/ou de la masse volumique d'un fluide caractérisé par l'utilisation au minimum : a. d'un objet diffusant des ondes acoustiques ou ultrasonores parfaitement défini au niveau de sa géométrie et de ses caractéristiques acoustiques ; b. des moyens de production et de réception d'ondes acoustiques ou ultrasonores ; c. des moyens d'analyse des ondes acoustiques ou ultrasonores reçues ; 2. procédé de mise en oeuvre de l'appareil de mesure de la densité et 1 ou de la masse volumique d'un fluide selon la revendication 1 caractérisé au minimum par : a. une étape d'émission d'ondes acoustiques ou ultrasonores en direction d'un objet diffusant ; b. une étape de réception d'ondes acoustiques ou ultrasonores diffusées par ledit objet diffusant ; c. une étape d'analyse temporelle, fréquentielle et/ou spatiale des ondes acoustiques ou ultrasonores reçues par diffusion par ledit objet diffusant.