Brevet FR2826455A1 — publié le 20021227

DESCRIPTION La présente invention concerne le domaine de la surveillance des réseaux hydrauliques, en particulier la mesure des vitesses de liquides dans des conduites et des canaux, notamment des réseaux d'assainissement transportant les rejets d'eaux, naturelles, pluviales ou industrielles, et a pour objet un procédé de mesure des vitesses de liquides dans des conduites et des canaux. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Dans le cadre de la gestion des réseaux, en particulier des réseaux d'assainissement, il est souhaitable de connaître de manière très précise et pratiquement en temps réel les conditions d'écoulement dans les conduites et canaux et, notamment, les fluctuations des vitesses d'écoulement des fluides. En effet, il est important de connaître de manière précise ces caractéristiques d'écoulement, afin de pouvoir anticiper tous risques de surcharge du réseau et d'éviter ainsi un dysfonctionnement de celui-ci. Un tel dysfonctionnement survient notamment lorsque la charge de fluide à traiter augmente brusquement, transite alors trop rapidement dans les cellules de traitement et occasionne un afflux important de polluants pouvant entraîner une surcharge du milieu digesteur formé de microorganismes bactériens et un arrêt prolongé du procédé d'épuration. Actuellement, il n'existe pas de dispositif, facile à installer sans calibration préalable, permettant une mesure fiable, en continu et locale de flux liquides comportant des particules en suspension, et ainsi d'influer en aval sur l'écoulement et le traitement desdits flux liquides. La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients en proposant un procédé et un dispositif de mesure des vitesses de liquides dans des conduites et des canaux permettant de gérer en temps réel des flux de liquides et de réaliser leur distribution de manière optimale. A cet effet, le procédé de mesure des vitesses de liquides dans des conduites et des canaux, conforme à l'invention, est caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à réaliser, transversalement à un écoulement et suivant un angle incliné par rapport à la verticale de l'écoulement dans une conduite ou un canal, à une fréquence variable mais prédéterminée, des suites d'émissions et de réceptions d'ultrasons, au moyen d'un émetteurrécepteur d'ultrasons, à une fréquence fopendant un temps t l, à enregistrer successivement un signal de fréquence fo : fd rétro diffusé par les parois de la conduite ou du canal, pendant une période t2, et le signal de fréquence rétro diffusé par les traceurs et/ou les particules en suspension dans l'écoulement pendant une période t3, puis à analyser les modulations en fréquence et en amplitude de ce signal, afin d'en extraire une ou des valeurs durant un ou des intervalles de temps d'écho alloués à une ou à des tranches considérées. Ce procédé permet la mesure des vitesses, quasi-instantanément et sans étalonnage préalable, en un point ou en plusieurs points situés sur le trajet du faisceau d'ultrasons. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé qui est caractérisé en ce qu'il est essentiellement constitué par au moins un émetteur-récepteur d'ultrasons, par un dispositif électronique d'alimentation et de commande dudit émetteur-récepteur d'ultrasons, et par un dispositif électronique de traitement des signaux et d'extraction de l'information recherchée. L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ciaprès, qui se rapporte à un mode de réalisation préféré, donné à titre d'exemple non limitatif, et expliqué avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels : la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention ; la figure 2 est une vue schématique explicitant la phase de mesure ; la figure 3 représente un échantillonnage dans le temps d'un signal de mesure en mode monocanal ; la figure 4 représente un échantillonnage spatial d'un signal de mesure instantané pour une trame d'émission en mode multicanaux ; la figure 5 est un schéma par blocs d'un dispositif électronique d'alimentation et de commande de l'émetteur-récepteur d'ultrasons ; la figure 6 est un schéma par blocs du démodulateur du dispositif électronique d'alimentation et de commande de l'émetteurrécepteur d'ultrasons, et les figures 7 et 8 sont respectivement une courbe de densité spectrale de puissance seule ou courbe"gaussienne fréquentielle"et une courbe de densité spectrale de puissance recalculée en tenant compte des marges d'erreur. La figure 1 des dessins annexés représente un dispositif de mesure des vitesses de liquides dans des conduites et des canaux 1. Conformément à l'invention, ce dispositif met en oeuvre un procédé de mesure des vitesses de liquides dans des conduites et des canaux 1, qui consiste essentiellement à réaliser, transversalement à un écoulement et suivant un angle incliné par rapport à la verticale de l'écoulement, à une fréquence variable mais prédéterminée, une suite d'émissions et de réceptions d'ultrasons, au moyen d'un émetteur-récepteur d'ultrasons 2, à une fréquence fopendant un temps ta, à enregistrer successivement un signal rétro diffusé par les parois de la conduite ou du canal 1, pendant une période t2, et le signal de fréquence fo : l : fd rétro diffusé par les traceurs et/ou les particules en suspension dans l'écoulement pendant une période t3 (figure 2), puis à analyser les modulations en fréquence et en amplitude de ce signal, afin d'en extraire une ou des valeurs durant un ou des intervalles de temps d'écho alloués à une ou à des tranches considérées (figures 3 et 4). Le dispositif de mesure des vitesses de liquides dans des conduites et des canaux 1 mettant en oeuvre ce procédé est essentiellement constitué par au moins un émetteur-récepteur d'ultrasons 2, par un dispositif électronique 3 d'alimentation et de commande dudit émetteur-récepteur d'ultrasons 2, et par un dispositif électronique 4 de traitement des signaux et d'extraction de l'information recherchée. Le dispositif électronique 4 permet à l'utilisateur de choisir les différents paramètres d'émission, à savoir la fréquence d'émission et la largeur d'impulsion émise, et de réception, tels que la localisation et le dimensionnement de la fenêtre, en mode monocanal, ou le nombre des tranches (t3/Tmax) et le dimensionnement des fenêtres (Ta-Th) en mode multicanaux (figure 4). L'émetteur-récepteur d'ultrasons 2 est activé comme émetteur à une fréquence fo pendant un temps tl qui est répété à une fréquence choisie. Dès la fin de chaque émission l'émetteur-récepteur d'ultrasons 2 bascule en mode réception jusqu'à la prochaine émission. Les ondes rétro diffusées pendant la période t2 ont la même fréquence que l'onde émise. Pendant la période t3 le signal réceptionné est modulé en amplitude et en fréquence. Ce signal résulte de la rétro diffusion du signal par les particules présentes sur le trajet de l'onde émise. La modulation en amplitude est une fonction de la taille des particules, alors que la modulation en fréquence résulte de l'effet Doppler fo, qui est une fonction de la vitesse de la particule insonée. L'analyse du signal reçu par l'émetteur-récepteur d'ultrasons 2 pendant la période t3 consiste à le diviser en un nombre prédéterminé de tronçons ou de segments de mesure, avantageusement compris entre 8 et 128. Le choix du nombre de tronçons ou de segments de mesure est fixé par l'utilisateur en fonction de la précision recherchée et de la profondeur de pénétration dans le milieu. Chaque segment ou tronçon de mesure ainsi déterminé correspond à un volume de mesure dans l'écoulement, en première approximation cylindrique, dont la localisation est calculée en tenant compte de la vitesse du son dans le liquide et du temps écoulé entre l'émission et la réception du segment de signal. La figure 2 des dessins annexés représente une phase de réception située entre deux phases d'émission d'ultrasons de l'émetteurrécepteur d'ultrasons 2. Pendant cette phase de réception, l'émetteurrécepteur d'ultrasons 2 détecte le signal de fréquence rétro diffusé par les particules en mouvement, à savoir respectivement fo + fd ou fo-fd, suivant le sens du vecteur de vitesse v. Pour une meilleure compréhension, dans la suite de la description, il sera pris en considération un cas idéal de signal sinusoïdal résultant du passage d'une particule unique dans le volume de mesure. Après multiplication analogique dans un module multiplieur 12 (figure 6) avec la fréquence porteuse et filtrage, ce signal est échantillonné à une fréquence respectant la fréquence de Shannon, au moyen d'un échantillonneur-bloqueur 14 (figure 6), en des fenêtres d'écho El à EN (figure 3). Dans le cas d'un traitement en mode monocanal, comme représenté à la figure 3 des dessins annexés, le signal en échelon rétro diffusé, ou signal Doppler, reçu par l'émetteur-récepteur d'ultrasons 2, est traité par un filtre de reconstruction de la sinusoïde, dont la réponse temporelle a préalablement été adaptée au spectre du signal analysé, afin d'obtenir à la sortie un signal de sortie continu. Lors d'un traitement en mode multicanaux (figure 4), le signal Doppler fo + fd est rétrodiffusé en continu par le milieu en écoulement tout au long de la corde analysée, qui correspond à l'axe d'émission de l'émetteur 2 dans la conduite ou le canal concerné. L'échantillonneurbloqueur 14 (figure 6) isole un signal Doppler, comme précédemment, pour chaque tranche d'écoulement localisée dans chacune des fenêtres temporelles isolées pendant la période t3 (figure 2). Dans l'exemple de la figure 4, la période t3 est segmentée en dix tranches correspondant à dix paliers Kl à K10 dans la trame ou encore à dix localisations du volume de mesure. La valeur de l'amplitude de chaque palier varie avec chaque trame considérée. Le signal analogique résultant est naturellement multiplex pour être transféré par une interface de ligne à un convertisseur analogique/digital déporté, qui le numérise. L'information de la vitesse correspondant à chaque volume de mesure est obtenue par un traitement correspondant du signal numérisé. L'émetteur-récepteur d'ultrasons 2 est sous forme d'une sonde piézo-électrique placée transversalement à l'écoulement et inclinée d'un angle ss par rapport à l'écoulement (figure 2). Cet émetteur-récepteur d'ultrasons 2 peut être fixée sur la paroi de la conduite ou canal 1 avec interposition d'un gel, sur le fond d'un canal ou sur une canne mobile qui peut être plongée dans l'écoulement. Le dispositif électronique 3 d'alimentation et de commande de l'émetteur-récepteur d'ultrasons 2 est constitué, comme le montre la figure 5 des dessins annexés, par un tableau de commande 5, par un module d'alimentation 6, par un oscillateur 7, par un séquenceur 8, par un dispositif de pilotage de sonde 9 et par une carte de démodulation 10 de l'écho Doppler, l'ensemble de ces éléments étant monté dans un coffret non représenté. Le module d'alimentation 6 délivre les tensions continues nécessaires pour le fonctionnement des différents constituants du dispositif électronique 3 d'alimentation et de commande de l'émetteur-récepteur d'ultrasons 2. Le tableau de commande 5, disposé en façade du coffret est destiné à permettre de choisir les paramètres de fonctionnement du dispositif à l'émission, à savoir le mode de fonctionnement monocanal ou multicanaux, la largeur de la fenêtre d'émission, la fréquence de répétition des trames, la profondeur et la taille de la fenêtre d'analyse en mode monocanal et la largeur Ta d'échantillonnage et la durée Th de blocage de l'échantillonneur-bloqueur 14 en mode multicanaux (figure 4). L'oscillateur 7 (figure 5) a pour fonction de délivrer au dispositif de pilotage de sonde 9 un signal sinusoïdal de fréquence fo de 8Mhz. Cette fréquence pourra être divisée en fonction des caractéristiques souhaitées par l'utilisateur en fo/2, fo/4, fo/8 ou fo/16. Cet oscillateur 7, qui est sous forme d'une carte électronique, synchronise aussi l'émissionréception Doppler du dispositif 9 (figure 5) et le séquencement par le séquenceur 8 (figure 5) des trames démodulées par la carte de démodulation 10 (figure 5). Le séquenceur 8 (figure 5) commande le basculement de l'émetteur-récepteur d'ultrasons 2 du mode émission vers le mode réception et réciproquement. Il commande également la démodulation du signal par la carte de démodulation 10, afin d'assurer les fonctions d'échantillonnagebloquage post-démodulation du signal Doppler au moyen de l'échantillonneur-bloqueur 14 (figure 6). Le dispositif de pilotage 9 de la sonde piézo-électrique formant l'émetteur-récepteur d'ultrasons 2 comporte un module d'émission HF, un module de réception HF et un module de compensation permettant le basculement entre le mode émission et le mode réception, avec désactivation mutuelle des circuits émission et réception. La carte de démodulation 10 de l'écho Doppler, représentée à la figure 6 des dessins annexés, comporte, d'une part, un ensemble démodulateur 11, formé par un module multiplieur 12 piloté par l'oscillateur 7, par un filtre passe-bas 13 et par un circuit échantillonneur-bloqueur 14 piloté par le séquenceur de trame 8 et, d'autre part, une interface de ligne 15 pour le signal analogique multiplex et une interface de lignes 16 pour les signaux de commandes. Le filtre passe-bas 13 supprime la partie haute 2 * (fo + fd) du spectre de démodulation et le circuit échantillonneur-bloqueur 14 sépare le spectre purement Doppler du spectre dominant. L'interface de ligne 16 est une interface de type RS432 destinée à la transmission des signaux de commandes émanant notamment de l'horloge de trame du séquenceur 8 et sous forme de pulses d'émission Ta et Th (figure 4), qui sont ensuite utilisés comme déclencheur externe du dispositif électronique 4 d'acquisition de données et de traitement des signaux et d'extraction de l'information recherchée. Selon une variante de réalisation de l'invention, la carte de démodulation 10 (figure 5) peut être complétée par un module de déphasage permettant de disposer du signal et du signal déphasé de toi/2. Le dispositif électronique 4 de traitement des signaux et d'extraction de l'information recherchée est avantageusement du type microordinateur muni d'un processeur pourvu d'un module composé d'un convertisseur de type RS432-commande logique TTL et d'un déclencheur synchrone permettant de piloter le déclencheur externe de la carte de conversion analogique/digitale. Les caractéristiques minimales de cette carte sont : 12 bits, 1 MHz et accès direct à la mémoire obligatoire. L'ensemble conditionnement de lignes et déclencheur synchrone sont conçus pour pouvoir être intégrés avec une carte de conversion analogique/digitale et un automate industriel dans un coffret de type 3U-19"PCI, qui est un standard métrologique industriel. Le dispositif complet ainsi obtenu peut alors être utilisé par connexion à un réseau de type RS488, RS485, Profi-bus Ethernet, etc..., à la convenance de l'utilisateur. Le traitement du signal numérique est expliqué ci-après en regard des figures 7 et 8 annexées. A chaque tranche Kl à K10 de la figure 4 est associé un signal Doppler {x (t)}, considérée comme une variable aléatoire. L'information de vitesse d'écoulement est obtenue par le traitement, canal par canal, du signal numérique délivré par la carte de conversion analogique/digitale, à l'aide d'un logiciel spécifiquement associé à l'appareil. Une transformée de Fourier rapide FFT de chaque {x (t)} est effectuée sur q blocs de données échantillonnées et accumulés (taille totale du bloc = Te). On obtient ainsi l'estimée d'un spectrogramme selon la figure 7, d'apparence grossièrement gaussienne en fréquence pour chaque tranche Kl à K10 (figure 4). Cette forme caractéristique ou"courbe gaussienne fréquentielle"est due, pour les fréquences basses, aux échos des particules sortant du volume d'analyse et, pour les fréquences hautes, à celles y pénétrant. Les raies du"centre"de la"courbe gaussienne fréquentielle" donnent l'idée de la fréquence Doppler moyenne et, ainsi, de la vitesse moyenne de la tranche analysée. On en tire alors la densité spectrale de puissance estimée Gxx (f) ou spectre d'énergie (figure 7), avec Be = 1/Te, sa bande fréquentielle, et T la taille totale de l'enregistrement. Il vient alors T = q * Te. La forme du spectrogramme peut être interprétée par un certain nombre d'indices obtenus par calcul des moments statistiques liés aux phénomènes physiques étudiés, sur la"courbe gaussienne fréquentielle" (figure 7). Ainsi : le moment d'ordre 1 E [fd] de la Densité Spectrale de Puissance (DSP) correspond à la fréquence moyenne Doppler, qui varie linéairement avec la vitesse moyenne d'écoulement de la tranche d'écoulement étudiée ; le moment d'ordre 2 o- ]de la Densité Spectrale de Puissance (DSP) donne une indication sur l'état laminaire ou turbulent de la tranche ; - le moment d'ordre 3 de la Densité Spectrale de Puissance (DSP) donne une idée du biais de mesure aux abords des parois de l'écoulement, dû en partie à la géométrie du faisceau et à son inclinaison par rapport à la verticale ; - l'amplitude maximale de la Densité Spectrale de Puissance (DSP) Gxx (f) et sa forme sont une fonction multiparamétrique du nombre et de la taille des particules du volume d'analyse de la tranche d'écoulement. A ce stade, pour l'analyse de la vitesse Doppler moyenne dans une tranche, le spectrogramme fournit une information dont on ne connaît pas la précision. A cet effet, il est nécessaire de lui appliquer un calcul d'erreur permettant d'obtenir un intervalle de confiance associé à chaque raie spectrale. Du point de vue statistique, pour chaque raie spectrale, le nombre de degrés de liberté est donné par n = 2 * (T/Te) = 2 * q. Le travail étant effectué avec 50 blocs de données, n = 100. Ce nombre peut être considéré comme suffisant pour satisfaire au théorème central limite et pour travailler sur des échantillons dont les erreurs statistiques peuvent être considérées comme gaussiennes. Le programme de traitement des données permet de calculer ces erreurs et donc celle sur la vitesse mesurée. Ces dernières sont données par l'équation suivante : erreur aléatoire standard ==, =--. Af W et les incertitudes : Ceci associe une"enveloppe spectrale" (en pointillés sur la r i figure 7) à un degré de certitude. Ensuite, on recalcule les incertitudes E [fd] à partir de l'interprétation du cas le plus défavorable des marges d'erreur (figure 8), et ceci pour les marges inférieures et supérieures de Îd (Îd, et fd,). sst le"symétrique"de par rapport à E et n'est pas représenté aux dessins annexés pour des raisons de surcharge de la figure 8. Grâce à l'invention, il est possible de réaliser un dispositif de mesure des vitesses de liquides dans des conduites et des canaux, notamment des réseaux d'assainissement transportant les rejets d'eaux, naturelles, pluviales ou industrielles, permettant de mesurer des profils de vitesses et de turbulence dans des sections d'écoulements en charge ou à surface libre de fluide. Ce dispositif peut être utilisé comme instrument de laboratoire ou in-situ pour la mesure en continu de vitesses stables ou fluctuantes de fluides transparents ou non. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure des vitesses de liquides dans des conduites et des canaux caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à réaliser, transversalement à un écoulement et suivant un angle incliné par rapport à la verticale de l'écoulement dans une conduite ou un canal (1), à une fréquence variable mais prédéterminée, des suites d'émissions et de réceptions d'ultrasons, au moyen d'un émetteur-récepteur d'ultrasons (2), à une fréquence fopendant un temps tl, à enregistrer successivement un signal de fréquence rétro diffusé par les parois de la conduite ou du canal (1), pendant une période t2, et le signal de fréquence fo fd rétro diffusé par les traceurs et/ou les particules en suspension dans l'écoulement pendant une période t3, puis à analyser les modulations en fréquence et en amplitude de ce signal, afin d'en extraire une ou des valeurs durant un ou des intervalles de temps d'écho alloués à une ou à des tranches considérées. 2. Procédé, suivant la revendication l, caractérisé en ce que l'analyse du signal rétro diffusé pendant la période t3 consiste à le diviser en un nombre prédéterminé de segments ou tronçons de mesure, chaque segment ou tronçon de mesure correspondant à un volume de mesure dans l'écoulement, en première approximation cylindrique, dont la localisation est calculée en tenant compte de la vitesse du son dans le liquide et du temps écoulé entre l'émission et la réception du segment de signal. 3. Procédé, suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le signal rétro diffusé est divisé en un nombre de segments ou tronçons de mesure compris entre 8 et 128. 4. Procédé, suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, après multiplication analogique avec une fréquence porteuse et filtrage, le signal rétro diffusé est échantillonné à une fréquence respectant la fréquence de Shannon, au moyen d'un échantillonneurbloqueur, en des impulsions d'écho Ei à EN, en vue de l'obtention d'une valeur moyenne du signal durant un intervalle de temps d'écho alloué à une tranche considérée. 5. Procédé, suivant la revendication 4, caractérisé en ce que, dans le cas d'un traitement en mode monocanal, le signal en échelon rétro diffusé, ou signal Doppler, reçu par l'émetteur-récepteur d'ultrasons (2), est traité par un filtre de reconstruction, dont la réponse temporelle a préalablement été adaptée au spectre du signal analysé, afin d'obtenir à la sortie un signal de sortie continu. 6. Procédé, suivant la revendication 4, caractérisé en ce que, lors d'un traitement en mode multicanaux, le signal Doppler fo + fd est rétro diffusé en continu par le milieu en écoulement tout au long de la corde analysée, qui correspond à l'axe d'émission de l'émetteur (2) dans la conduite ou le canal concerné et un échantillonneur-bloqueur isole un signal Doppler pour chaque tranche d'écoulement localisée dans chacune des fenêtres temporelles isolées pendant la période t3. 7. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est essentiellement constitué par au moins un émetteur-récepteur d'ultrasons (2), par un dispositif électronique (3) d'alimentation et de commande dudit émetteur-récepteur d'ultrasons (2), et par un dispositif électronique (4) de traitement des signaux et d'extraction de l'information recherchée. 8. Dispositif, suivant la revendication 7, caractérisé en ce que l'émetteur-récepteur d'ultrasons (2) est sous forme d'une sonde piézo- électrique placée transversalement à l'écoulement et inclinée d'un angle par rapport à l'écoulement. 9. Dispositif, suivant la revendication 8, caractérisé en ce que l'émetteur-récepteur d'ultrasons (2) est fixée sur la paroi de la conduite ou canal (1) avec interposition d'un gel, sur le fond d'un canal ou sur une canne mobile qui peut être plongée dans l'écoulement. 10. Dispositif, suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif électronique (3) d'alimentation et de commande de l'émetteurrécepteur d'ultrasons (2) est constitué par un tableau de commande (5), par un module d'alimentation (6), par un oscillateur (7), par un séquenceur (8), par un dispositif de pilotage de sonde (9) et par une carte de démodulation (10) de l'écho Doppler, l'ensemble de ces éléments étant monté dans un coffret. 11. Dispositif, suivant la revendication 10, caractérisé en ce que le dispositif de pilotage (9) de la sonde piézo-électrique formant l'émetteurrécepteur d'ultrasons (2) comporte un module d'émission HF, un module de réception HF et un module de compensation permettant le basculement entre le mode émission et le mode réception, avec désactivation mutuelle des circuits émission et réception. 12. Dispositif, suivant la revendication 10, caractérisé en ce que la carte de démodulation (10) de l'écho Doppler comporte, d'une part, un ensemble démodulateur (11), formé par un module multiplieur (12) piloté par l'oscillateur (7), par un filtre passe-bas (13) et par un circuit échantillonneur-bloqueur (14) piloté par le séquenceur de trame (8) et, d'autre part, une interface de ligne (15) pour le signal analogique multiplex et une interface de lignes (16) pour les signaux de commandes. 13. Dispositif, suivant la revendication 11, caractérisé en ce que la carte de démodulation (10) est complétée par un module de déphasage permettant de disposer du signal et du signal déphasé de n/2.