Brevet FR2945632A1 — publié le 20101119

Domaine de l'invention La présente invention concerne un capteur de mesure d'une grandeur de l'écoulement d'un milieu, telle que par exemple la vitesse d'écoulement ou le débit massique, comprenant : - un premier convertisseur d'ondes et un second convertisseur d'ondes émettant et recevant des ondes sonores, et - une installation calculant la grandeur de l'écoulement en fonction d'un premier temps de propagation d'onde entre le premier convertisseur d'ondes et le second convertisseur d'ondes et d'un second temps de propagation d'onde entre le second convertisseur d'ondes et le premier convertisseur d'ondes. L'invention concerne également un procédé de mesure de l'écoulement d'un milieu à l'aide d'un premier convertisseur d'ondes et d'un second convertisseur d'ondes tourné vers le premier convertisseur d'ondes, ces convertisseurs émettant et recevant respectivement des ondes sonores, la grandeur de l'écoulement étant calculée en fonction d'un premier temps de propagation d'onde entre le premier convertisseur d'ondes et le second convertisseur d'ondes et d'un second temps de propagation d'onde entre le second convertisseur d'onde et le premier convertisseur d'ondes. Etat de la technique On utilise les capteurs d'écoulement d'ultrasons par exemple pour mesurer le débit volumique ou le débit massique ou encore la vitesse de l'écoulement d'un milieu gazeux ou liquide dans une conduite. Un type connu de capteurs d'écoulement d'ultrasons comprend deux transducteurs d'ultrasons décalés dans la direction de l'écoulement et générant chacun des signaux d'ultrasons à destination de l'autre transducteur d'ultrasons. Les signaux d'ultrasons sont reçus par chaque autre transducteur d'ultrasons et sont exploités à l'aide de moyens électroniques. La différence de temps de parcours entre le signal mesuré dans la direction de l'écoulement et celui mesuré dans la direction opposée, constitue ainsi une mesure de la vitesse de l'écoule-ment du fluide. La figure 1 représente un montage caractéristique d'un capteur d'écoulement d'ultrasons 6 comportant de deux transducteurs 2 d'ultrasons 4, 5 installés dans une conduite 3 et se faisant face à une distance L. La conduite 3 est traversée par un fluide 1 circulant à une vitesse v dans la direction de la flèche 2. Le trajet de mesure L est incliné d'un angle a par rapport à la direction de l'écoulement 2. Les trans- ducteurs 4, 5 sont décalés l'un par rapport à l'autre dans la direction de l'écoulement. Pendant une mesure, les transducteurs d'ultrasons 4, 5 échangent des signaux d'ultrasons, qui, suivant la direction de l'écoulement sont soit ralentis soit accélérés. Les temps de parcours des signaux sonores, constituent ainsi une mesure de la vitesse recherchée de l'écoulement. La figure 2 est une représentation schématique très simplifiée du montage comportant un circuit d'émission et de réception 7. Les deux transducteurs d'ultrasons 4, 5 sont excités par un oscillateur qui leur fournit un signal 8 d'une fréquence de cadence prédéfinie (par exemple un signal rectangulaire). Les signaux ultrasonores 10 ainsi générés (seules les courbes enveloppes des signaux sont représentées ici) parcourent le trajet de mesure L et sont détectés par chaque autre transducteur d'ultrasons 4, 5. Le circuit d'émission et de réception 7 détermine à partir des signaux de capteur S1, S2, les temps de par- cours ti, t2 des signaux sonores 10. Une unité de calcul 15 montée en aval calcule finalement à partir des paires de valeurs ti, t2 la grandeur de l'écoulement recherchée comme par exemple la vitesse d'écoulement du milieu. Les circuits 7 et 15 forment en combinaison une unité d'exploitation 16. En général, sur leur trajet à travers le milieu, les ondes sonores 10 sont fortement atténuées et déformées. Cela est notamment vrai pour le signal t2 correspondant au sens de passage opposé à la di-rection de l'écoulement. Il est dans ces conditions relativement difficile de déterminer précisément l'instant de réception sur l'un des capteurs 4, 5 de sorte que les valeurs de mesure isolées des temps de propagation d'onde ti et notamment t2 peuvent varier fortement. Cela se traduit finalement par une détermination imprécise de la grandeur de l'écoule-ment que l'on calcule à partir des temps de propagation d'onde tl, t2.35 3 But de l'invention Dans ces conditions, la présente invention a pour but de développer un capteur et un procédé de mesure de l'écoulement d'un milieu permettant de déterminer une grandeur de l'écoulement du mi- lieu d'une façon plus précise et plus fiable. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne un capteur de mesure d'une grandeur de l'écoulement du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que l'installation comporte des moyens pour limiter la variation de la grandeur de l'écoulement. L'invention concerne également un procédé de mesure d'une grandeur de l'écoulement d'un milieu du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu' - on limite la variation d'au moins l'un des temps de propagation d'onde ou d'une grandeur calculée à partir de celui-ci, et - on calcule la grandeur de l'écoulement en fonction du temps de propagation limité ou de la grandeur limitée. Selon l'invention, l'installation calcule une grandeur re- cherchée de l'écoulement à partir des signaux de capteur fournis par les convertisseurs d'ondes, l'installation comporte des moyens pour limiter la variation de la grandeur de l'écoulement. Ces moyens sont de préférence conçus pour tenir compte des temps de propagation mesurés à plusieurs instants pour les signaux sonores (par exemple plusieurs va- leurs de tl et/ou t2) pour en déduire une grandeur telle que par exemple un temps de propagation d'onde, modifié (par exemple ti' ou t2') ou une grandeur qui en dépend (par exemple une vitesse sonore c calculée à partir des temps de propagation), et qui varie moins fortement que les valeurs de temps de propagation mesurées initialement. De cette ma- nière, on peut déterminer d'une façon beaucoup plus précise la grandeur de l'écoulement calculée à partir des temps de propagation. L'expression "grandeur de l'écoulement", désigne notamment un débit volumique ou un débit massique ou encore la vitesse de l'écoulement d'un milieu gazeux ou liquide. L'invention peut toutefois s'appliquer également pour calculer d'autres grandeurs de l'écoulement. 4 Selon un premier mode de réalisation de l'invention, l'installation comprend des moyens limitant la variation ou l'oscillation d'au moins l'un des temps de propagation d'onde ti, t2. Comme habituelle-ment seul le temps de propagation d'onde t2 du signal sonore allant en sens opposé à la direction de l'écoulement est critique, il suffit de ne prévoir de tels moyens que pour ce temps de propagation d'onde ou pour la grandeur qui est calculée à partir de celui-ci. Ces moyens per-mettent ainsi d'éliminer les "valeurs étrangères" dans le temps de propagation ti, t2. On peut ainsi calculer de façon plus précise la grandeur de l'écoulement. Les moyens mentionnés ci-dessus pour limiter la variation ou l'oscillation d'au moins l'un des temps de propagation d'onde, peuvent comporter par exemple un filtre passe-bas permettant de filtrer plusieurs temps de propagation d'onde déterminés actuellement tels que par exemple plusieurs temps de propagation t2. Ce filtrage atténue les valeurs étrangères. En variante, les moyens mentionnés peuvent également comporter une unité d'interpolation qui assure l'interpolation de plusieurs valeurs de mesure d'un temps de propagation d'onde. Des nouvelles valeurs de mesure qui sont trop éloignées de la fonction d'ap- proximation résultant de l'interpolation, peuvent être positionnées sur la fonction d'approximation ou à proximité de celle-ci. Cela limite les variations des valeurs de temps de propagation (tl ou t2). Les valeurs limitées sont ensuite utilisées de nouveau pour calculer la grandeur recherchée de l'écoulement. Selon un second mode de réalisation de l'invention, on ne limite pas la variation des temps de propagation d'onde eux-mêmes, mais la variation d'une grandeur calculée à partir d'au moins un temps de propagation d'onde comme par exemple la vitesse du son c, la somme des temps de propagation tl + t2 ou la température du fluide. Pour cela, on peut également prévoir un filtre ou une unité d'interpolation limitant par exemple la variation de cette grandeur. Ces modes de réalisation peuvent également se combiner. A la place du filtre passe-bas ou de l'interpolation, on peut également limiter la variation de la grandeur respective (par exem- ple t ou c) à une valeur maximale fixe prédéfinie. Si par exemple la diffé- rence entre une première et une seconde valeur de la vitesse du son c est supérieure à la valeur maximale prédéfinie, on peut limiter la seconde valeur à la première valeur plus ou moins la valeur maximale. Ainsi, la grandeur considérée ne varie pas plus fortement que la valeur 5 maximale prédéfinie. Des "valeurs étrangères" sont ainsi atténuées. Si en revanche, deux valeurs mesurées à deux instants différents, par exemple deux temps de propagation d'onde ti, t2, sont proches, la dernière valeur peut également être intégrée dans le calcul ultérieur sans être filtrée. Selon l'invention, le traitement du signal mentionné ci-dessus peut également être coupé si la qualité des deux temps de propagation d'onde mesurés le permet, c'est-à-dire en particulier si l'amplitude du signal sonore t2 circulant dans la direction opposée à la direction de l'écoulement dépasse une valeur prédéfinie. Pour obtenir aussi fréquemment que possible des valeurs actuelles de l'écoulement du milieu, on peut mesurer le temps de propagation d'onde de grande qualité, plus fréquemment que l'autre temps de propagation d'onde. En revanche, pour augmenter la robustesse de la direction de mesure qui est la plus fragile, on peut également mesu- rer plus fréquemment le temps de propagation d'onde de moindre quali- té et cela selon les exigences de l'environnement de la mesure. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés sur les des- sins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique du transducteur d'ultrasons d'un capteur d'ultrasons dans un tuyau dans lequel passe de l'air, - la figure 2 est une vue schématique d'un capteur d'ultrasons équipé de son installation d'exploitation, - la figure 3 est une vue schématique d'une unité de calcul selon un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 4 est une vue schématique d'une unité de calcul selon un second mode de réalisation de l'invention.35 6 Description de modes de réalisation de l'invention Pour la description des figures 1 et 2, on se reportera au préambule ci-dessus. La figure 3 montre une représentation schématique d'une unité de calcul 15 selon un premier mode de réalisation de l'invention. L'unité de calcul 15 comprend une unité d'interpolation 11 et un circuit ou un programme 12 (désigné ci-après par l'expression "unité 12"). L'unité d'interpolation 11 comprend elle-même plusieurs éléments de temporisation 11 a, b qui enregistrent de façon intermédiaire une série de valeurs de temps de propagation t2, successives. L'unité 12 comprend un filtre comme par exemple un filtre FIR qui génère une nouvelle valeur interpolée à partir de toutes les valeurs de temps de propagation 12 disponibles. Cette nouvelle valeur, est ensuite finalement utilisée pour calculer la grandeur de l'écoulement telle que par exemple la vi- ls tesse de l'écoulement. Selon la figure 3, seule l'entrée de l'unité de calcul 15 qui reçoit les temps de propagation t2, est équipée d'une unité d'interpolation 11 car les signaux sonores correspondant sont amortis et déformés beaucoup plus fortement que les signaux sonores dans la direction de 20 l'écoulement. L'autre branche qui reçoit les temps de propagation ti, ne comporte pas d'unité d'interpolation 11. L'unité de calcul 15 pourrait également être programmée pour limiter la variation du temps de propagation t2 à une valeur maxi-male prédéfinie de manière fixe. Si par exemple, la différence entre une 25 première et une seconde valeur du temps de propagation est plus grande que la valeur maximale prédéfinie, on pourra limiter le second temps de parcours à la première valeur plus ou moins la valeur maxi-male. Ainsi, le temps de propagation ne varie pas plus fortement que la valeur maximale prédéfinie. 30 Selon une variante de réalisation, l'unité d'interpolation 11 pourrait également être remplacée par un filtre passe-bas. On réduit ainsi également la variance du signal de temps de propagation. La va-leur tl et la valeur filtrée t2 sont finalement utilisées pour calculer la vitesse de l'écoulement. La figure 4 est une représentation schématique d'une unité de calcul 15 selon un second mode de réalisation de l'invention. Dans ce cas, on ne limite pas les temps de propagation d'onde t2, mais la variation d'une grandeur calculée à partir des temps de propagation d'onde ti, t2, comme par exemple la vitesse du son c ou un temps de propagation total. Pour cela, il est prévu une unité 13. La vitesse c du son est donnée par approximation selon la formule suivante : t c = L , + t2 act 2 ti t2 10 dans cette formule L est la longueur du chemin entre les deux transducteurs 4, 5. La vitesse actuelle du son tact ainsi déterminée est en-suite filtrée à l'aide d'un filtre passe-bas 14 pour réduire les différentes valeurs extrêmes. A partir de la valeur interpolée act et du temps de 15 propagation ti, on peut finalement calculer la vitesse de l'écoulement v du milieu en appliquant l'équation (2) : L - caet (1) v= (2) s 20 La valeur s représente une constante dépendant de la géométrie du capteur. Dans l'hypothèse où la vitesse du son c ne varie que très lentement, il n'est pas nécessaire de recalculer à chaque fois cette va-leur. Au contraire, celle-ci peut être considérée comme constante sur 25 une certaine période. Pour déterminer la vitesse de l'écoulement v, il suffit alors de mesurer le temps de propagation tl. On peut ainsi atteindre un coefficient de répétition relativement élevé de la mesure pour une précision élevée. Comme on doit consacrer au calcul et au filtrage de la vi- 30 tesse sonore en temps relativement important, on peut prévoir une commutation sur une mesure traditionnelle. Dans ce cas, la vitesse de l'écoulement se calculera simplement à partir d'une paire de valeurs de mesure ti, t2. 8 Selon une application caractéristique de l'invention, les transducteurs d'ultrasons 4, 5 sont installés par exemple sur un tuyau 3 du collecteur d'admission d'un moteur à combustion interne. Une unité de commande (non représentée) détermine les temps de propaga- tion ti, t2 et calcule à partir de ces temps, la vitesse de l'écoulement v. Cela permet de calculer le débit massique de l'air aspiré. L'unité de commande peut ainsi évaluer la quantité d'oxygène qui se trouve dans la chambre de combustion et commander les différents injecteurs de manière correspondante pour injecter la quantité optimale de carburant dans la chambre de combustion.15 REVENDICATIONS1 °) Capteur pour mesurer une grandeur de l'écoulement (v) d'un milieu comprenant : - un premier convertisseur d'ondes (4) et un second convertisseur d'ondes (5) émettant et recevant des ondes sonores, et - une installation (16) calculant la grandeur de l'écoulement (v) en fonction d'un premier temps de propagation d'onde (tl) entre le premier convertisseur d'ondes (4) et le second convertisseur d'ondes (5) et d'un second temps de propagation d'onde (t2) entre le second convertisseur d'ondes (5) et le premier convertisseur d'ondes (4), caractérisé en ce que l'installation (16) comporte des moyens (11, 14) pour limiter la variation de la grandeur de l'écoulement (v). 2°) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (11, 14) limitent la variation de l'un des temps de propagation d'onde (t1, t2) ou d'une grandeur calculée à partir de celui-ci. 3°) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (11, 14) comprennent une unité d'interpolation (11) ou un filtre (14). 4°) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la grandeur de l'écoulement est un débit massique ou une vitesse d'écoulement (v). 5°) Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la grandeur de limitation de variation est un temps de propagation cumulé des deux temps de propagation d'onde (t1, t2), la température du fluide T ou une vitesse du son (c) des ondes dans le milieu (1).35 10 6°) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (11, 14) assurent exclusivement la limitation du temps de propagation d'onde (t2) du signal sonore qui circule en sens contraire du sens d'écoulement (2) du milieu (1) ou la limitation d'une grandeur (c) calculée à partir de ce temps de propagation d'onde (t2). 7°) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (11, 14) peuvent être coupés. 8°) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'installation (16) mesure l'un des deux temps de propagation d'onde (tl, t2) avec un taux de répétitions plus important que celui pour l'autre temps de propagation d'onde. 9°) Capteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le taux de répétitions de la mesure du temps de propagation d'onde (ti) de qualité la plus élevée, est le plus grand. 10°) Procédé de mesure d'une grandeur de l'écoulement (v) d'un milieu à l'aide d'un premier convertisseur d'ondes (4) et d'un second convertis- Beur d'ondes (5) tourné vers le premier convertisseur d'ondes (4), ces convertisseurs émettant et recevant respectivement des ondes sonores, la grandeur de l'écoulement (v) étant calculée en fonction d'un premier temps de propagation d'onde (tl) entre le premier convertisseur d'ondes (4) et le second convertisseur d'ondes (5) et d'un second temps de pro- pagation d'onde (t2) entre le second convertisseur d'onde (5) et le premier convertisseur d'ondes (4), caractérisé en ce qu' - on limite la variation d'au moins l'un des temps de propagation d'onde (t1, t2) ou d'une grandeur calculée à partir de celui-ci, et 511 - on calcule la grandeur de l'écoulement (v) en fonction du temps de propagation limité (tl, t2) ou de la grandeur limitée (c). lo