CA1115825A - Anemometre ultrasonore - Google Patents

Anemometre ultrasonore

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CA1115825A
CA1115825A CA315,911A CA315911A CA1115825A CA 1115825 A CA1115825 A CA 1115825A CA 315911 A CA315911 A CA 315911A CA 1115825 A CA1115825 A CA 1115825A
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transmitter
anemometer according
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anemometer
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Jacques A.G. Nicoli
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Abstract

: L'invention est relative à un anémomètre ultrasonore caractérisé en ce qu'il comporte une structure de support fixe, trois couples émetteurs-récepteurs de distance déterminée et formant entre eux des angles connus, et un générateur d'ondes ultrasonores pour l'excitation des émetteurs de ces couples. Chaque récepteur est relié à un circuit comprenant un adaptateur d'impédance, un phasemètre et des moyens d'affichage. Les phasemètres relatifs aux divers récepteurs sont reliés à un calculateur.

Description

5~fZJ~
~'invention concerne un anemometre ultrasonore.
~es moyens proposés jusqu'à présent pour effectuer cette mesure reviennent a des mesures de phase ou de temps de propagation d'ondes elastiques, aucune solution statique n'ayant été proposée pour compenser les variations de caracté-ristiques physiques du milieu de propagation dans le cas d'une mesure en milieu non confiné.
D'autres appareils utilisent l'effet Doppler en milieu confiné, leurs extensions aux mesures de vitesse de vent semblant impossibles, de même que la prise en compte des condi-tions de propagation locale.
La présente invention a pour but de résoudre ces problèmes à l'aide d'un systeme simple et statique et a pour objet non limitatif la mesure de la vitesse et de la direction du vent en milieu non confiné.
Elle concerne un anémomètre ultrasonore comprenant trois couplesémetteur-rëcepteur, l'émetteur et le récepteur de chaque couple étant sépares d'une distance déterminée selon un de trois axes formant entre eux des angles connus, un générateur d'onde ultrasonore étant electriquement couplé auxdits emetteurs et excitant lesdits emetteurs pour produiredes ondes acoustiques, une structure de support constituée par trois anneaux delimitant une sphère, chacun des couples emetteur~
recepteur étant fixé en position diamétralement opposée sur chacun des anneaux de fason ~ ce que les emetteur et récepteur des trois paires soient diamétralement opposés sur la sphère, un phasemetre étant couplé ~ chaque récepteur, un calculateur recevant les signaux desdits phasemetres pour déterminer la vitesse du vent.
L'invention est représentée, a titre d'exemple non limitatif, sur les dessins ci-joints, dans lesquels:

.

- la figure 1 illus~re de manière schématique un premier mode de réallsation de la structure mécanique de l'anémomètre 9 - la figure 2 est un diagramme définissant la vitesse et la direction du vent en fonction de llangle d'azimut et de 19 angle de site 9 la figure 3 illustre un mode de réalisation sphérique de la structure mécanique de l'anémomètre ;
~ la ~igure 4 est une vue en coupe partielle représentant le mode d~assemblage d~un émet~eur ou d'un récepteur sur la structure de support 9 -- la figure 5 est une vue de gauche de la figure 4 9 - la figuxe 6 est un schéma synoptique de la *ete .~ à ultrasons 9 lS - la figure 7 représente le bloc-diagramme de llélectronique d9acquisition divisé en quatre modules identiquesO
L'invention a~ en consé~uence7 pour but la mesure simultanée du déphasage en~re émission et réception d~une onde élastique harmonique dans quatre directions distinctes de l'espaceO Dans le système décrit à titre non limitatif~ trois directions forment un trièdre trirectangle~ la quatrième étant ; la trissectrice du trièdreO La mesure du déphasage total et le traitement de ces quantités permettent ensuite de définir la vitesse et la direction du vent 9 par exemple sous forme du module e* des deux angles de slte ~ et d~azimut ~ .
On retrouve9 sur la figure 17 la disposition de prinsipe dans un cas non limitatlfO On utilise en effet comme direction de propagation des ondes élastiques 9 les trois axes d'un trièdre trirestangleO Le déphasage entre émission et ; 30 réception pour une distance entre émetteur et récepteur est ~ donnée par o (1) ~ + Vx ~ ~

~ (2) ~ 2 2 ~ ~ Vy ~
~ 2n~
~3~ ~ E3 R3 ~ + V

.
. .

3 3L~

n~ 1 ~4~ ~ ~ ~ + ~ V

expressions dans lesquelles ~
T est la période t~mporelle ~e l'onde elastiqueD
~ est la distance qui sépare émetteurs et récep-teurs (ces distances ~ pouvant éventuellement ne pas etre égales 9 elles sont cependant prises égales dans le p~ésent exemple non limitatif).
~ est la vitesse de propagation de l'onde élas-tique dans le milieu à vitesse de vent nulle.
V g Vy et Vz étant les composantes du vecteur qui représente la vitesse sur les ~rois axes du trièdre OX~
~y9 OZo V~ étant la composante du vecteur qui représente la vitesse suivant l~axe 05.
Dans ces ronditions 9 on a 0 ~ (5) Vs = (V~ ~ ~y + Vz) V'~

On a donc un sys~me linéaire de quatre équations à quatre inconnues Vx9 Vy~ Vz~o _ (~) ~ + VX = K~ 91 . ~ ~ Vy ~ ~ 2 ~ ~ V~ = K~ ~3 L~r ~ V = K~
systeme dans lequel o t7) K ~ 2n Q
: 30 (a) ~

, (9) ~ 2 ~ ~ 2 ~ V~

'3 = ~ - ~ :
3 3 ~ V~

'4 = ~
:

.

. ~ , ^
'`' - ; ' .

~ 5~

e~pressions dans lesquelles les quantités ~17 ~z~ e'cc. sont des quantïtés mesurées~ Il est à noter que ces dephasages mesurés sont les déphasages totaux entre ondes émises et ondes reçues dans les quatre directions considérées.
La résolution du système 6 permet de calculer Vx, Vyg Vz et on trouve :

(1 ) V~ / ( 3~r3 ~ +
(13) Vy - ~ ~1 r~~ ~1 + (2 ~ ~ 2 ~ ~'3 + ~'4 7 (14) Vz - ~ ~~ -~3 ~'1 ~ ~33 ~'2 + (2~ ~ '3 ~ ~'4 ~7 ce qui permet de définir vitesse et direction du vent comme convenu précédemment pas (voir figure 2) :
, module ~ = V Vx2 ~ Vy2 ~ Vz2 angle d'azimut : ~ ~ Arc tg (~ ) angle de site : ~ Arc t~ / ~ 2 ~ v~2 ~

Les quatre couples de palpeurs émetteurs récepteurs sont de préférence disposés à la périph~rie d'une structure sphérique afin de supprimer les pr~blèmes d'aérodynamisme. Cette structure sphérique est constituée de tubes soudés en matériau à faible coefficient de dilatation et nota~ment en INVAR.
La igure 3 représente le principe du dispositif dans lequel une rotation adéquate autour de l'axe de E2 R2 permet de se limiter à trois grands cercles de la sphère. Dans cette disposition non limitative, les ensembles ElRl 9 ~2R2 9 R3 sont disposés suivant les axes d'un trièdre trirectangle et E4R4 suivant la trissectrice du trièdre. Par eonstruction9 dans cette disposition non limitative, les distances entre palpeurs-émetteurs et récepteurs sont toutes égalesO
A titre d'exemple non limitatif de réalisation technologique, la figure 4 repr~sente le détail de la fixa~ion d'un transducteur sur un tube d~ la structure.
Dans cet exemple, le tube 1 constituant ~hacun "'' , , .

S~
des anneaux de la structure sphérique re~oit J par l'intermédialre d~un dispositif de fixation 29 un bloc amortisseur 3 et ~otamm~nt en RYTON 9 ce bloc amortisseur recevant lui-meme l~ém~*eur PE
ou le réeepteur PR d'un couple.
Le support 2 est réalisé en deux demi~coquilles 219 22 assemblées à l'aide de vis 4~ tandis que le bloc amortis-seur 3 est fixé à l'aide d'une vis 5 au support 2 par l'i~ter-médiaire d'une bague en laiton.
La figure 6 montre le plan synoptique de la tete à ultrasons qui vient d'être décrite. Les txansducteurs possèdent tous des caractéristiques physiques identiques et sont associés par paire (PEl avec PRlg etc.). Les quatre transducteurs P~ son~
a~fectés à la génération dlondes ultrasonores sous l~action de la stimulation d'une onde électrique convenable produi~e au sein du générateur ~, tandis que les quatre récepteurs PR sont entre-tenus en vibration par l'onde acoustique ultrasonore qu'ils : reçoivent chacun du transducteur-émetteur PE placé en regard~
En vibrant, chaque transducteur PR développe une tension électrique ~ui est adaptée en impédance par l~adaptateur A afin d'éviter les phéno~ènes de charge dus aux cables de liaisonO ~haque transducteur PE ou PR connu en lui~meme est réalisé à partir d'une pastille en céramique piézoélectrique collée sur la face interne d'une coupelle métallique formant résonateur et on s'arrange pour que la fréquence de résonance du transducteur ainsi constitué qui dépend :
- de l'épaisseur du diaphragme de la coupelle, - du diamètre intérieur de la coupelle ~étallique et des dimensions du disque de la céramique piézoélectrique, soit la meme pour tous les transducteurs.
La figure 7 m~ntre le bloc diagramme de l'élec-tronique dlacquisition divisé en quatre modules identiques Ml, M2 9 M3 et M4 répondant aux sollicitations des quatre voies ultrasonores de la tête de mesure~ Dans le but d'alléger le dessin7 une seule de ces voies V4 a été figurée et, en raison de l'identité des modules électroniques, un seul sera décrit ~4).
Le récepteur R4 reçoit la ~aible tension alter-native qui se développe aux bornes de sortie de l'adaptateur d'impédance A4~ Cette tension est portée a un niveau convena~le ; et filtrée par les circuits du récepteurO Le signal de sortie du récepteur est alors transmis à l'entrée du phasemètre ~ 4 : ' . .

st~
qui a charge 0 1) d'élaborex une tension analogique proportlon~
nelle au déphasage limité à 360~ en~re l'onde de référence ~ ref prélevée sur 17émetteur E4 et llonde rec,ue (partie fractionnaire du déph~sage) 9
2) de totaliser en ~ ou en - le nombre de période~
entières dépassant par excès ou par défaut un état d'origine axbitrairement établi. Les résultats des mesures de phase 5 9 inscrivent respectivement sur un voltmètre numérique à trois chiffres per~ettant par conséquent la lecture au degré près et sur un compteur afficheur à deux décades portant à ~ 99 x 360~
19étendue de mesure de la partie entière du déphasage~ La somme algébrique relevée sur les afficheurs affectés à ~hacune des . quatre voies de mesure sont les quantités ~91 (8) à ~94 (11) qui serviront de base aux calculs de vitesse et de directi~n du vent~
Dans le but de réaliser une mesure simultanée sur les quatre voies de ~esure, on dispose d'un bloc de synchronisation à commande ajustable.

Claims (14)

Les réalisations de l'invention au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:
1. Anémomètre ultrasonore comprenant trois couples émetteur-récepteur, l'émetteur et le récepteur de chaque couple étant séparés d'une distance déterminée selon un de trois axes formant entre eux des angles connus, un générateur d'onde ultra-sonore étant électriquement couplé auxdits émetteurs et excitant lesdits émetteurs pour produire des ondes acoustiques, une structure de support constituée par trois anneaux délimitant une sphère, chacun des couples émetteur-récepteur étant fixés en position diamétralement opposée sur chacun des anneaux de façon à ce que les émetteur et récepteur des trois paires soient diamétralement opposés sur la sphère, un phasemètre étant couplé à chaque récepteur, un calculateur recevant les signaux desdits phasemètres pour déterminer la vitesse du vent.
2. Anémomètre selon la revendication 1, où la structure de support est fabriquée avec un matériau ayant un faible coefficient de dilatation.
3. Anémomètre selon la revendication 1 où les émetteurs et récepteurs des couples sont fixés sur la structure de support par l'intermédiaire d'un bloc en matériau amortisseur.
4. Anémomètre selon la revendication 1 comprenant en plus des moyens d'affichage et des moyens incluant un bloc de synchronisation couplant lesdits moyens d'affichage auxdits récepteurs.
5. Anémomètre selon la revendication 1 où chacun des récepteurs est couplé audit calculateur par l'intermédiaire d'un réseau d'adaptation d'impédance et où chacun desdits phase-mètres inclut un organe d'affichage.
6. Anémomètre selon la revendication 1 comprenant en plus des moyens pour éliminer l'influence des variations de température et autres paramètres physiques, lesdits moyens d'élimination comprenant un quatrième couple émetteur-récepteur et des moyens pour supporter l'émetteur et le récepteur du quatrième couple dans une position diamétralement opposée à
chaque autre le long de la sphère définie par lesdits anneaux et située à une distance prédéterminée des autres couples émetteur-récepteur.
7. Anémomètre selon la revendication 1 où les anneaux sont perpendiculaires entre eux.
8. Anémomètre ultrasonore comprenant trois couples émetteurs-récepteurs, l'émetteur et le récepteur de chaque couple étant séparés le long de trois axes mutuellement perpendiculaires, un générateur d'ondes ultrasonores étant électriquement couplé
auxdits émetteurs et excitant lesdits émetteurs pour produire des ondes acoustiques, une structure de support portant lesdits couples émetteur-récepteur de façon à ce que chaque couple émetteur-récepteur forme un tétraèdre rectangle, un phasemètre étant couplé à chacun des récepteurs et un calculateur recevant les signaux desdits phasemètres pour déterminer la vitesse du vent.
9. Anémomètre selon la revendication 8 comprenant un quatrième couple émetteur-récepteur pour compenser l'influence des variations de température et autres paramètres physiques.
10. Anémomètre selon la revendication 9 où un desdits émetteur et récepteur du quatrième couple émetteur-récep-teur est situé à l'intersection des trois plans définissant ledit tétraèdre rectangle.
11. Anémomètre selon la revendication 8 où la structure de support est fabriquée avec un matériau ayant un faible coefficient d'expansion.
12. Anémomètre selon la revendication 8 où les émetteurs et récepteurs des couples sont fixes à la structure de support par l'intermédiaire d'un bloc en matériau amortisseur.
13. Anémomètre selon la revendication 8 incluant en plus des moyens d'affichage et des moyens incluant un bloc de synchronisation couplant lesdits moyens d'affichage auxdits récepteurs,
14. Anémomètre selon la revendication 8 où chacun desdits récepteurs est couple au calculateur par l'intermédiaire d'un réseau d'adaptation d'impédance et où chacun des phasemètres est couplé à un affichage.
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