CA2278408C - Procede et dispositif pour mesurer la vitesse d'ecoulement d'une veine fluide - Google Patents
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Abstract
Procédé et dispositif pour mesurer la vitesse d'écoulement d'une veine fluide par la mesure de la différence des temps de vol respectifs d'impulsions acoustiques émises au moyen d'un générateur respectivement entre deux points espacés le long de la veine fluide, selon qu'elles se propagent vers l'amont ou vers l'aval relativement au sens de l'écoulement, différence qui est indicative de la vitesse de déplacement de la veine fluide. - La mesure de cette différence de temps de vol comporte l'utilisation d'un ensemble d'acquisition couplé à un ensemble de traitement permettant une détermination du spectre de fréquence de chaque impulsion et une mesure du déphasage affectant une partie au moins du spectre de fréquence de chaque impulsion, résultant de son temps de vol. La mesure de la vitesse d'écoulement de la veine fluide et de son débit qui en découle est très précise. - Applications dans les industries chimiques, en chromatographie, etc.
Description
PROCEDE ET DISPOSITIF POUR MESURER LA VITESSE D'ECOULEMENT
D'UNE VEINE FLUIDE
La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour mesurer la vitesse et le débit d'une veine fluide.
La détermination précise de la vitesse de circulation de fluides dans des conduits ainsi que les débits correspondants, est importante dans de très nombreux domaines, notamment dans les installations chimiques, en chromatographie, etc.
Un procédé connu pour déterminer la vitesse et le débit d'un courant fluide circulant dans un conduit est décrit par exemple dans les brevets WO 93/14382 ou US
4,308,754. Il consiste essentiellement à mesurer la différence entre les temps de parcours respectifs d'impulsions acoustiques entre des transducteurs émetteurs et récepteurs disposés le long d'un conduit d'acheminement de fluide, à distance connue les uns des autres, selon que les ondes se propagent vers l'amont ou vers l'aval relativement au sens du courant.
Le schéma de principe de la Fig.1 montre deux transducteurs émetteurs-récepteurs de type piézo-électrique par exemple, disposés de part et d'autre d'un conduit où un fluide circule avec une vitesse v, dans deux plans transversaux de celui-ci distants l'un de l'autre.
Ils émettent simultanément l'un en direction de l'autre (en biais ) des impulsions ultra-sonores de fréquence fo (fréquence d'accord des transducteurs) et de durée to très inférieure au temps de vol des ondes entre les deux transducteurs. On mesure les temps tAB et tBA
d'arrivée du signal et on en déduit les temps de transit acoustique (ou temps de vol) tvl (dans le sens de l'écoulement) et tv2 (dans le sens contraire de l'écoulement) en leur soustrayant les différents temps de retard parasites obtenus par étalonnage.
Les durées de propagation tvl et tvZ s'écrivent respectivement que :
L L
tv1 _ C+Vcosa et tvz _ C-Vcoscc On en déduit facilement que :
L. Ot V=
D'UNE VEINE FLUIDE
La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour mesurer la vitesse et le débit d'une veine fluide.
La détermination précise de la vitesse de circulation de fluides dans des conduits ainsi que les débits correspondants, est importante dans de très nombreux domaines, notamment dans les installations chimiques, en chromatographie, etc.
Un procédé connu pour déterminer la vitesse et le débit d'un courant fluide circulant dans un conduit est décrit par exemple dans les brevets WO 93/14382 ou US
4,308,754. Il consiste essentiellement à mesurer la différence entre les temps de parcours respectifs d'impulsions acoustiques entre des transducteurs émetteurs et récepteurs disposés le long d'un conduit d'acheminement de fluide, à distance connue les uns des autres, selon que les ondes se propagent vers l'amont ou vers l'aval relativement au sens du courant.
Le schéma de principe de la Fig.1 montre deux transducteurs émetteurs-récepteurs de type piézo-électrique par exemple, disposés de part et d'autre d'un conduit où un fluide circule avec une vitesse v, dans deux plans transversaux de celui-ci distants l'un de l'autre.
Ils émettent simultanément l'un en direction de l'autre (en biais ) des impulsions ultra-sonores de fréquence fo (fréquence d'accord des transducteurs) et de durée to très inférieure au temps de vol des ondes entre les deux transducteurs. On mesure les temps tAB et tBA
d'arrivée du signal et on en déduit les temps de transit acoustique (ou temps de vol) tvl (dans le sens de l'écoulement) et tv2 (dans le sens contraire de l'écoulement) en leur soustrayant les différents temps de retard parasites obtenus par étalonnage.
Les durées de propagation tvl et tvZ s'écrivent respectivement que :
L L
tv1 _ C+Vcosa et tvz _ C-Vcoscc On en déduit facilement que :
L. Ot V=
2.tv,.tv2.cosa où Ot=tv2-tvt Le débit s'exprime alors par Qv = v.S, si S représente la section transversale de la veine.
Dans un exemple pratique où les transducteurs sont distants de quelques 10 cm et la célérité des ondes dans le fluide est de 1500 m/s, le temps de vol est de quelques 60 s. On constate sur un tel exemple pratique que si la précision recherchée est de l'ordre de 10-3 dans la mesure de la vitesse du courant, on doit être capable de mesurer des écarts de temps de l'ordre de quelques ns. Cest très difficile à réaliser si l'on procède par mesure directe des temps de propagation avec détection des instants où l'énergie reçue dépasse un certain seuil, car la précision est généralement insuffisante et suppose que l'on fasse de lo nombreuses moyennes.
Le procédé selon l'invention permet notamment de remédier à cet inconvénient et d'obtenir à un coût comparativement beaucoup plus faible qu'avec la solution précédente, une très grande précision dans la mesure de la vitesse de déplacement d'une veine fluide et par voie de conséquence, du débit de cette veine.
Le procédé permet de déterminer la vitesse d'écoulement d'une veine fluide par comparaison des temps de vol respectifs d'impulsions acoustiques émises et reçues respectivement entre des points espacés le long de la veine fluide, selon qu'elles se propagent vers l'amont ou vers l'aval relativement au sens de l'écoulement. Il est caractérisé
en ce que l'on mesure la moyenne des temps de vol ainsi que l'écart entre les temps de vol par une détermination du spectre de fréquence associé chaque impulsion reçue et une mesure précise des déphasages relatifs affectant les spectres de fréquence des impulsions acoustiques reçues, résultant de leur temps de vol.
Suivant un mode avantageux de mise en oeuvre (convenant pour les fluides relativement peu absorbants) on émet en chaque point une première impulsion acoustique, on détecte successivement en ce même point, une deuxième impulsion acoustique émise depuis un autre point et un écho à cet autre point, de la première impulsion acoustique, on calcule les spectres de fréquence des différentes impulsions détectées et l'on détermine la moyenne des temps de vol des impulsions acoustique détectées ainsi que les écarts entre leurs temps de vol respectifs.
Dans un exemple pratique où les transducteurs sont distants de quelques 10 cm et la célérité des ondes dans le fluide est de 1500 m/s, le temps de vol est de quelques 60 s. On constate sur un tel exemple pratique que si la précision recherchée est de l'ordre de 10-3 dans la mesure de la vitesse du courant, on doit être capable de mesurer des écarts de temps de l'ordre de quelques ns. Cest très difficile à réaliser si l'on procède par mesure directe des temps de propagation avec détection des instants où l'énergie reçue dépasse un certain seuil, car la précision est généralement insuffisante et suppose que l'on fasse de lo nombreuses moyennes.
Le procédé selon l'invention permet notamment de remédier à cet inconvénient et d'obtenir à un coût comparativement beaucoup plus faible qu'avec la solution précédente, une très grande précision dans la mesure de la vitesse de déplacement d'une veine fluide et par voie de conséquence, du débit de cette veine.
Le procédé permet de déterminer la vitesse d'écoulement d'une veine fluide par comparaison des temps de vol respectifs d'impulsions acoustiques émises et reçues respectivement entre des points espacés le long de la veine fluide, selon qu'elles se propagent vers l'amont ou vers l'aval relativement au sens de l'écoulement. Il est caractérisé
en ce que l'on mesure la moyenne des temps de vol ainsi que l'écart entre les temps de vol par une détermination du spectre de fréquence associé chaque impulsion reçue et une mesure précise des déphasages relatifs affectant les spectres de fréquence des impulsions acoustiques reçues, résultant de leur temps de vol.
Suivant un mode avantageux de mise en oeuvre (convenant pour les fluides relativement peu absorbants) on émet en chaque point une première impulsion acoustique, on détecte successivement en ce même point, une deuxième impulsion acoustique émise depuis un autre point et un écho à cet autre point, de la première impulsion acoustique, on calcule les spectres de fréquence des différentes impulsions détectées et l'on détermine la moyenne des temps de vol des impulsions acoustique détectées ainsi que les écarts entre leurs temps de vol respectifs.
3 De préférence, suivant un autre mode de mise en oeuvre, on détermine la moyenne des temps de vol à partir de spectres de référence constitués par étalonnage à partir des spectres d'impulsions acoustiques reçues.
De préférence, suivant un autre mode de mise en oeuvre, on détermine l'écart entre leurs temps de vol respectifs des impulsions acoustiques reçues à
partir de leurs spectres de fréquence et d'un écart de temps obtenu par étalonnage.
Suivant un mode préféré de mise en oyuvre, le procédé comporte la transmission d'impulsions acoustiques simultanément depuis un premier point le long d'une veine fluide en direction d'un deuxième point en aval du premier point et réciproquement depuis le deuxième point en direction du premier point et l'on détecte les impulsions r-eçues aux deux points dans des fenêtres de réception fixes décalées d'un même intervalle de temps par rapport aux instants communs d'émission de ces impulsions, le déphasage mesuré pour chaque spectre de fréquence dépendant de la position de l'impulsion correspondante reçue à
l'intérieur de la fenêtre de réception correspondante.
Pour lever toute ambiguïté sur la valeur des déphasages, on détermine de préférence la pente de la droite représentative de la variation de la phase en fonction du temps de vol sur une portion détei-minée du spectre de fréquence des impulsions_ Un dispositif permettant une mise en oeuvre de la méthode comporte par exemple au moins deux transducteurs émetteurs-récepteurs disposés à des emplacements distincts le long d'une veine fluide, un générateur de signaux impulsionnels connecté aux transducteurs, un ensemble d'acquisition des signaux adapté à échantillonner et numériser les signaux reçus par les transducteurs durant une fenêtre d'acquisition fixe et un ensemble de traitement pour déterminer les retards de phase affectant une portion au moins du spectre de fréquence de chacune des impulsions reçues, consécutifs au temps de vol variable des impulsions acoustiques émises.
L'ensemble de traitement comporte par exemple un processeur de signal programmé
pour déterminer le specti-e de fi-équence FFT de chaque signal à par-tir d'une série d'échantillons acquis à l'intérieur de la dite fenêtre.
De préférence, suivant un autre mode de mise en oeuvre, on détermine l'écart entre leurs temps de vol respectifs des impulsions acoustiques reçues à
partir de leurs spectres de fréquence et d'un écart de temps obtenu par étalonnage.
Suivant un mode préféré de mise en oyuvre, le procédé comporte la transmission d'impulsions acoustiques simultanément depuis un premier point le long d'une veine fluide en direction d'un deuxième point en aval du premier point et réciproquement depuis le deuxième point en direction du premier point et l'on détecte les impulsions r-eçues aux deux points dans des fenêtres de réception fixes décalées d'un même intervalle de temps par rapport aux instants communs d'émission de ces impulsions, le déphasage mesuré pour chaque spectre de fréquence dépendant de la position de l'impulsion correspondante reçue à
l'intérieur de la fenêtre de réception correspondante.
Pour lever toute ambiguïté sur la valeur des déphasages, on détermine de préférence la pente de la droite représentative de la variation de la phase en fonction du temps de vol sur une portion détei-minée du spectre de fréquence des impulsions_ Un dispositif permettant une mise en oeuvre de la méthode comporte par exemple au moins deux transducteurs émetteurs-récepteurs disposés à des emplacements distincts le long d'une veine fluide, un générateur de signaux impulsionnels connecté aux transducteurs, un ensemble d'acquisition des signaux adapté à échantillonner et numériser les signaux reçus par les transducteurs durant une fenêtre d'acquisition fixe et un ensemble de traitement pour déterminer les retards de phase affectant une portion au moins du spectre de fréquence de chacune des impulsions reçues, consécutifs au temps de vol variable des impulsions acoustiques émises.
L'ensemble de traitement comporte par exemple un processeur de signal programmé
pour déterminer le specti-e de fi-équence FFT de chaque signal à par-tir d'une série d'échantillons acquis à l'intérieur de la dite fenêtre.
4 Le procédé selon l'invention conduit à une très grande précision dans la mesure du temps de vol des ondes au travers du fluide enmouvement. Elle permet de traduire avec un effet d'amplification très important des intervalles de temps très courts difficilement mesurables avec précision dans des conditions économiques acceptables en variations de phase importantes. Des simulations ont montré que l'on peut obtenir des précisions meilleures que 1%o sur la mesure de la vitesse.
D'autres caractéristiques et avantages du procédé et du dispositif selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un exemple non limitatif de réalisation, en se référant aux dessins annexés où :
1o - la Fig. 1 est un schéma de pour illustrer le principe de mesure ;
- la Fig.2 montre un exemple de variation de l'amplitude A d'une impulsion acoustique reçue en fonction du temps ;
- la Fig.3 montre un exemple de variation du module complexe G(k) du spectre de fréquence d'une impulsion reçue en fonction de l'indice k d'échantillonnage ;
- la Fig.4a, 4b montrent respectivement la variation du module G(k) du spectre de fréquence au voisinage d'un maximum spectral IM et la variation correspondante de la phase ;
- les Fig.5a, 5b montrent respectivement la variation du module G(k) du spectre de fréquence au voisinage d'un maximum spectral IM et la différence de phase relative obtenue après rétablissement de la continuité de la variation ;
- la Fig.6 montre la variation monotone de la phase relative sur 9 échantillons autour de l'indice d'échantillonnage correspondant à un maximum spectral ;
- la Fig.7 illustre le principe de calcul d'un coefficient de calage ;
- la Fig.8 illustre le principe de la méthode de mesure associant la mesure des arrivées directes des impulsions après propagation et des arrivées en retour de leurs échos ; et - la Fig.9 montre un mode d'agencement du dispositif de mise en oeuvre du procédé avec deux transducteurs émetteurs-récepteurs d'impulsions acoustiques espacés le long d'une veine fluide.
Description du procédé
D'autres caractéristiques et avantages du procédé et du dispositif selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un exemple non limitatif de réalisation, en se référant aux dessins annexés où :
1o - la Fig. 1 est un schéma de pour illustrer le principe de mesure ;
- la Fig.2 montre un exemple de variation de l'amplitude A d'une impulsion acoustique reçue en fonction du temps ;
- la Fig.3 montre un exemple de variation du module complexe G(k) du spectre de fréquence d'une impulsion reçue en fonction de l'indice k d'échantillonnage ;
- la Fig.4a, 4b montrent respectivement la variation du module G(k) du spectre de fréquence au voisinage d'un maximum spectral IM et la variation correspondante de la phase ;
- les Fig.5a, 5b montrent respectivement la variation du module G(k) du spectre de fréquence au voisinage d'un maximum spectral IM et la différence de phase relative obtenue après rétablissement de la continuité de la variation ;
- la Fig.6 montre la variation monotone de la phase relative sur 9 échantillons autour de l'indice d'échantillonnage correspondant à un maximum spectral ;
- la Fig.7 illustre le principe de calcul d'un coefficient de calage ;
- la Fig.8 illustre le principe de la méthode de mesure associant la mesure des arrivées directes des impulsions après propagation et des arrivées en retour de leurs échos ; et - la Fig.9 montre un mode d'agencement du dispositif de mise en oeuvre du procédé avec deux transducteurs émetteurs-récepteurs d'impulsions acoustiques espacés le long d'une veine fluide.
Description du procédé
5 Le procédé peut être mis en oeuvre par exemple en disposant en deux points A, B
(Fig. 1) deux transducteurs émetteurs-récepteurs d'ondes ultrasonores Pl, P2 respectivement dans deux sections transversales distinctes d'un conduit où circule une veine fluide avec une vitesse V, disposées de façon que chacune puisse recevoir les ondes émises depuis l'autre transducteur. Ils émettent simultanément l'un en direction de l'autre (en biais par 1o exemple) des impulsions ultrasonores de fréquence fo (fréquence d'accord des transducteurs) et de durée to très inférieure au temps de transit acoustique (ou temps de vol) tv des ondes entre les deux transducteurs. On mesure les temps tAB et tBA
d'arrivée du signal (Fig.2) et on en déduit les temps de vol tvi (dans le sens de l'écoulement) et tvZ (dans le sens contraire de l'écoulement) en leur soustrayant les différents temps de retard parasites obtenus par étalonnage.
Les durées de propagation s'écrivent respectivement :
L L
tv, = C+Vcosa et tv2 = C-Vcosa Ot. L
On en déduit facilement que : V=
- 2.tv,.tv,.cosa où Ot = tv2 - tv, .
Les mesures de tvi et tv2 doivent êtres très précises. En particulier la valeur de At =
(tvl - tv2) doit être connue avec une précision supérieure à celle désirée pour le dispositif.
Dans les temps mesurés sont inclus les temps de réponse des éléments piézo-électriques à
l'émission et à la réception pour traduire les signaux électriques en ondes et réciproquement. Ces temps de réponse ne sont pas connus à priori et peuvent êtres différents d'un appareil à l'autre à cause des dispersions de fabrication. Par contre, on peut les considérer comme sensiblement constants au cours du temps. La méthode comporte la mesure précise d'intervalles de temps par le biais de la mesure de déphasages existant entre
(Fig. 1) deux transducteurs émetteurs-récepteurs d'ondes ultrasonores Pl, P2 respectivement dans deux sections transversales distinctes d'un conduit où circule une veine fluide avec une vitesse V, disposées de façon que chacune puisse recevoir les ondes émises depuis l'autre transducteur. Ils émettent simultanément l'un en direction de l'autre (en biais par 1o exemple) des impulsions ultrasonores de fréquence fo (fréquence d'accord des transducteurs) et de durée to très inférieure au temps de transit acoustique (ou temps de vol) tv des ondes entre les deux transducteurs. On mesure les temps tAB et tBA
d'arrivée du signal (Fig.2) et on en déduit les temps de vol tvi (dans le sens de l'écoulement) et tvZ (dans le sens contraire de l'écoulement) en leur soustrayant les différents temps de retard parasites obtenus par étalonnage.
Les durées de propagation s'écrivent respectivement :
L L
tv, = C+Vcosa et tv2 = C-Vcosa Ot. L
On en déduit facilement que : V=
- 2.tv,.tv,.cosa où Ot = tv2 - tv, .
Les mesures de tvi et tv2 doivent êtres très précises. En particulier la valeur de At =
(tvl - tv2) doit être connue avec une précision supérieure à celle désirée pour le dispositif.
Dans les temps mesurés sont inclus les temps de réponse des éléments piézo-électriques à
l'émission et à la réception pour traduire les signaux électriques en ondes et réciproquement. Ces temps de réponse ne sont pas connus à priori et peuvent êtres différents d'un appareil à l'autre à cause des dispersions de fabrication. Par contre, on peut les considérer comme sensiblement constants au cours du temps. La méthode comporte la mesure précise d'intervalles de temps par le biais de la mesure de déphasages existant entre
6 les signaux résultant de leur propagation dont on rappelle ci-dessous le principe connu en soi.
On considère deux signaux Si, S2 émis simultanément depuis deux transducteurs tels que A, B durant une fenêtre d'émission plus courte bien sûr que leurs temps de vol. Ils sont reçus respectivement aux transducteurs opposés dans une même fenêtre d'acquisition ouvrant à un même instant to et échantillonnés avec la fréquence d'échantillonnage Fe. On acquiert N échantillons (N est égal par exemple à 2048) de chacun de ces trois signaux. Par FFT, on détermine leur spectres de fréquence complexes G1(k), G2(k), k étant un indice d'échantillonnage variant de 0 à N -1 (N = nombre de points de la FFT).
Si Gl(f) et G2(f) sont les transformées de Fourier des deux signaux, les transformées discrètes correspondantes s'obtiennent en remplaçant f par la suite d'entiers k avec la correspondance fk = N, Fe étant la fréquence d'échantillonnage, ( N=
pas en fréquence ou Of ). Ces fonctions complexes de k peuvent être représentés soit par G(k) = p(k)(cos 0(k) + jsin0(k)), soit par G(k) = p(k)e'B(k) (p = module, 0=
phase).
Par application du théorème du retard, on peut écrire que la transformée de Fourier de S2 est : G2 ( f)= aGl ( f)e-znif (''-'') (a représentant l'affaiblissement de l'onde entre les deux récepteurs).
Dans le cas d'une transformée discrète, si on remplace f par la suite k telle que kFe fk = N , on obtient : kF, Z"i Gz (k) = aG, (k)e N <<' 1 ~ (2) Si l'on représente maintenant G2(k) et GI(k) par p2 (k)e'B'(k) et pl (k)eje,(k) ~
l'équation (2) s'écrit:
P2(k)e'B,ck> = ap~(k)eice,ck>-2~ N cr,-t,n (3) équation qui s'écrit encore en prenant le logarithme népérien
On considère deux signaux Si, S2 émis simultanément depuis deux transducteurs tels que A, B durant une fenêtre d'émission plus courte bien sûr que leurs temps de vol. Ils sont reçus respectivement aux transducteurs opposés dans une même fenêtre d'acquisition ouvrant à un même instant to et échantillonnés avec la fréquence d'échantillonnage Fe. On acquiert N échantillons (N est égal par exemple à 2048) de chacun de ces trois signaux. Par FFT, on détermine leur spectres de fréquence complexes G1(k), G2(k), k étant un indice d'échantillonnage variant de 0 à N -1 (N = nombre de points de la FFT).
Si Gl(f) et G2(f) sont les transformées de Fourier des deux signaux, les transformées discrètes correspondantes s'obtiennent en remplaçant f par la suite d'entiers k avec la correspondance fk = N, Fe étant la fréquence d'échantillonnage, ( N=
pas en fréquence ou Of ). Ces fonctions complexes de k peuvent être représentés soit par G(k) = p(k)(cos 0(k) + jsin0(k)), soit par G(k) = p(k)e'B(k) (p = module, 0=
phase).
Par application du théorème du retard, on peut écrire que la transformée de Fourier de S2 est : G2 ( f)= aGl ( f)e-znif (''-'') (a représentant l'affaiblissement de l'onde entre les deux récepteurs).
Dans le cas d'une transformée discrète, si on remplace f par la suite k telle que kFe fk = N , on obtient : kF, Z"i Gz (k) = aG, (k)e N <<' 1 ~ (2) Si l'on représente maintenant G2(k) et GI(k) par p2 (k)e'B'(k) et pl (k)eje,(k) ~
l'équation (2) s'écrit:
P2(k)e'B,ck> = ap~(k)eice,ck>-2~ N cr,-t,n (3) équation qui s'écrit encore en prenant le logarithme népérien
7 ln(p2 (k)) + j92 (k) = ln(ap, (k)) + j0(k) - 27r N(tZ - t1) ce qui donne directement :
Ot = (t2 - tl) = - 2 Fe (e2 (k) - e1 (k)) (4) La fonction dite de différence théorique entre les phases 9d(k) = 02(k) -01(k) est une droite passant par l'origine pour k = 0 puisque Ot =(t2 - tl) est indépendant de k à condition de rester autour d'une portion assez étroite (de 150 kHz par exemple) du spectre centré
autour de la fréquence d'émission. La valeur absolue de la phase ne dépasse pas n radians et le module diminue assez rapidement de part et d'autre du maximum avec une augmentation corrélative du bruit de phase. Il faut donc lever l'ambiguité sur la valeur de la phase.
Méthode pour lever l'ambiguïté sur la différence des phases Sur le spectre G1 par exemple (Fig.3), on détermine le maximum du module, ce qui donne un indice k(Im). On prend (par exemple) 4 points autour de Im sur les 2 spectres Gl et G2 et on restaure la monotonicité de la variation de phase sur ces 9 points. Cette opération consiste à remplacer tous les sauts de phase de valeur absolue supérieur àn par leur complément à 2 7t (Fig.5b). Ensuite, on soustrait point par point les valeurs de phases obtenues pour A et B.
On obtient ainsi la différence de phase relative (car seulement connue à 2n7c près) soit 9ra(k) = 01(k) - 02(k) dont la courbe de variation est seulement proche d'une droite contrairement à la courbe de différence de phase théorique (Fig.6).
Par définition, la phase estimée est une droite : 8ea(k) = a' x k. Pour déterminer la pente 6 de cette droite, on peut utiliser plusieurs méthodes : calculer une droite de régression passant aux moindres carrés par les points sélectionnés, faire la moyenne des pentes mesurées entre deux points consécutifs, etc.
L'écart entre la différence phase estimée 9ea(k) et celle relative 8ra(k) devrait donc être de 2n7t (n entier désignant un coefficient de calage) comme illustré par la Fig.7). Pour
Ot = (t2 - tl) = - 2 Fe (e2 (k) - e1 (k)) (4) La fonction dite de différence théorique entre les phases 9d(k) = 02(k) -01(k) est une droite passant par l'origine pour k = 0 puisque Ot =(t2 - tl) est indépendant de k à condition de rester autour d'une portion assez étroite (de 150 kHz par exemple) du spectre centré
autour de la fréquence d'émission. La valeur absolue de la phase ne dépasse pas n radians et le module diminue assez rapidement de part et d'autre du maximum avec une augmentation corrélative du bruit de phase. Il faut donc lever l'ambiguité sur la valeur de la phase.
Méthode pour lever l'ambiguïté sur la différence des phases Sur le spectre G1 par exemple (Fig.3), on détermine le maximum du module, ce qui donne un indice k(Im). On prend (par exemple) 4 points autour de Im sur les 2 spectres Gl et G2 et on restaure la monotonicité de la variation de phase sur ces 9 points. Cette opération consiste à remplacer tous les sauts de phase de valeur absolue supérieur àn par leur complément à 2 7t (Fig.5b). Ensuite, on soustrait point par point les valeurs de phases obtenues pour A et B.
On obtient ainsi la différence de phase relative (car seulement connue à 2n7c près) soit 9ra(k) = 01(k) - 02(k) dont la courbe de variation est seulement proche d'une droite contrairement à la courbe de différence de phase théorique (Fig.6).
Par définition, la phase estimée est une droite : 8ea(k) = a' x k. Pour déterminer la pente 6 de cette droite, on peut utiliser plusieurs méthodes : calculer une droite de régression passant aux moindres carrés par les points sélectionnés, faire la moyenne des pentes mesurées entre deux points consécutifs, etc.
L'écart entre la différence phase estimée 9ea(k) et celle relative 8ra(k) devrait donc être de 2n7t (n entier désignant un coefficient de calage) comme illustré par la Fig.7). Pour
8 calculer ti, il suffit d'avoir la phase en un point, celui par exemple qui correspond au maximum du module du spectre, soit Im.
Les résultats des mesures montrent que la précision de la différence de phase relative soit 9ra(Im) est meilleure que celle de la différence de phase estimée soit 8ea(Im) = 6 x Im. On choisit donc la différence de phase absolue (ou reconstituée) :
6a(1m) = 6ra(Im) + 2n7z (5) avec n = E.~6eo(I,,,) -6rro(I,n) + 0.5) 1 2~ (6) (E* désignant la partie entière) On peut noter que pour que cette reconstitution se fasse sans erreur, if faut et il suffit que jBea(Im) - 9ra(Im)-2nni < 7t (7) Le temps T est donc obtenu par la formule : z= 6o(Im) (8) 27r ImFe Méthode de l'écho Cette méthode consiste essentiellement à exploiter le signal correspondant à
l'écho du signal émis par chaque transducteur qui lui revient après réflexion sur le transducteur cible opposé (Fig.8). On a vérifié expérimentalement que pour des fluides peu absorbants, comme l'eau ou les gaz liquéfiés tels que le GPL, les transducteurs piézoélectriques commutés en réception recevaient non seulement le signal en provenance de l'élément opposé mais aussi l'écho de leur propre émission réfléchie sur la surface de l'élément opposé.
Les intervalles de temps mesurés entre les signaux primaires et d'écho ne dépendent alors plus des retards à l'émission (communs aux deux) et on peut procéder comme suit.
On délimite deux fenêtres de mesure Wl, W2 commençant aux instants Tfl et Tf2 par rapport à l'instant d'émission de chaque train d'ondes, de façon à limiter le nombre de points de la FFT et avoir un bon coefficient de calage n (satisfaisant au critère de l'équation (7))=
Les résultats des mesures montrent que la précision de la différence de phase relative soit 9ra(Im) est meilleure que celle de la différence de phase estimée soit 8ea(Im) = 6 x Im. On choisit donc la différence de phase absolue (ou reconstituée) :
6a(1m) = 6ra(Im) + 2n7z (5) avec n = E.~6eo(I,,,) -6rro(I,n) + 0.5) 1 2~ (6) (E* désignant la partie entière) On peut noter que pour que cette reconstitution se fasse sans erreur, if faut et il suffit que jBea(Im) - 9ra(Im)-2nni < 7t (7) Le temps T est donc obtenu par la formule : z= 6o(Im) (8) 27r ImFe Méthode de l'écho Cette méthode consiste essentiellement à exploiter le signal correspondant à
l'écho du signal émis par chaque transducteur qui lui revient après réflexion sur le transducteur cible opposé (Fig.8). On a vérifié expérimentalement que pour des fluides peu absorbants, comme l'eau ou les gaz liquéfiés tels que le GPL, les transducteurs piézoélectriques commutés en réception recevaient non seulement le signal en provenance de l'élément opposé mais aussi l'écho de leur propre émission réfléchie sur la surface de l'élément opposé.
Les intervalles de temps mesurés entre les signaux primaires et d'écho ne dépendent alors plus des retards à l'émission (communs aux deux) et on peut procéder comme suit.
On délimite deux fenêtres de mesure Wl, W2 commençant aux instants Tfl et Tf2 par rapport à l'instant d'émission de chaque train d'ondes, de façon à limiter le nombre de points de la FFT et avoir un bon coefficient de calage n (satisfaisant au critère de l'équation (7))=
9 On mesure les temps TABe et TBAe qui sont, on le rappelle, les décalages de temps entre les signaux de même forme issus des récepteurs A et B, en enregistrant les signaux directs dans la fenêtre W1 soit SA et SB et les signaux d'écho dans la fenêtre W2, soit SeA et SeB (pour la même émission), et on calcule par FFT les quatre spectres complexes FFT soit GA(k), GB(k) , GeA(k) et GeB(k).
Détermination du temps de vol moyen t,.., On applique deux fois la procédure définie ci-dessus - entre GeA(k) et GB(k) ce qui donne un temps TAB = TABe i.e. écart (W 1-W2) _ entre GeB(k) et GA(k) ce qui donne un temps tiBA = TBAe i.e. écart (W2-Wl) Et finalement TABe = tiBA+ (Tf2 - Tfl) et TBAe = TAB + (Tf2 - Tfl) Si l'on désigne par rE_A et rE_B, respectivement les retards de traduction des signaux électriques d'excitation des transducteurs A et B à l'émission en ondes acoustiques eet par rR_A et rR_B les retards correspondants à la réception par les transducteurs A, B, on peut exprimer tes temps mesurés tAB et tBA respectivement par :
TABe = tv1 + rR B- rR A
TBAe = tV2 + rR A- rR B
On voit qu'en effectuant la demi somme, les retards parasites s'annulent et que le temps de vol moyen tvm s'exprime par :
TAee + TeAe _ tv1 + tv = tvm (8) Détermination de At Les valeurs TBA et iAB peuvent permettre de déterminer Ot, à une erreur constante près TBAe - TABe = tv2 + rR_A - rR_B -( tvl + rR_B - rR_A) = Ot + 2 rR_A - 2 rR_B
d'ou Ot = TBAe - TABe - ti o= tiAB- tiBA - tio tio peut être obtenue par étalonnage puisque l'on sait par l'équation (1) que Ot = 0 si la vitesse du fluide est nulle.
(tio =TAB - TBA pour V= 0) Suivant un autre mode de mise en oeuvre, on peut aussi mesurer directement l'écart 5 de temps entre les signaux SA et SB par le biais précédemment décrit d'une mesure de déphasage entre GB(k) et GA(k) ce qui nous donne le temps ti= tBA - tAB :
tBA tAB = tV2 - tVl + rB_B + rR_A - rE_A - rR_B, soit At = ti - (rg_B -1- rR_A - rg_A - rR_B) = ti- ZPO
la valeur tpo étant obtenue par étalonnage comme ci dessus : ipo = i à V 0
Détermination du temps de vol moyen t,.., On applique deux fois la procédure définie ci-dessus - entre GeA(k) et GB(k) ce qui donne un temps TAB = TABe i.e. écart (W 1-W2) _ entre GeB(k) et GA(k) ce qui donne un temps tiBA = TBAe i.e. écart (W2-Wl) Et finalement TABe = tiBA+ (Tf2 - Tfl) et TBAe = TAB + (Tf2 - Tfl) Si l'on désigne par rE_A et rE_B, respectivement les retards de traduction des signaux électriques d'excitation des transducteurs A et B à l'émission en ondes acoustiques eet par rR_A et rR_B les retards correspondants à la réception par les transducteurs A, B, on peut exprimer tes temps mesurés tAB et tBA respectivement par :
TABe = tv1 + rR B- rR A
TBAe = tV2 + rR A- rR B
On voit qu'en effectuant la demi somme, les retards parasites s'annulent et que le temps de vol moyen tvm s'exprime par :
TAee + TeAe _ tv1 + tv = tvm (8) Détermination de At Les valeurs TBA et iAB peuvent permettre de déterminer Ot, à une erreur constante près TBAe - TABe = tv2 + rR_A - rR_B -( tvl + rR_B - rR_A) = Ot + 2 rR_A - 2 rR_B
d'ou Ot = TBAe - TABe - ti o= tiAB- tiBA - tio tio peut être obtenue par étalonnage puisque l'on sait par l'équation (1) que Ot = 0 si la vitesse du fluide est nulle.
(tio =TAB - TBA pour V= 0) Suivant un autre mode de mise en oeuvre, on peut aussi mesurer directement l'écart 5 de temps entre les signaux SA et SB par le biais précédemment décrit d'une mesure de déphasage entre GB(k) et GA(k) ce qui nous donne le temps ti= tBA - tAB :
tBA tAB = tV2 - tVl + rB_B + rR_A - rE_A - rR_B, soit At = ti - (rg_B -1- rR_A - rg_A - rR_B) = ti- ZPO
la valeur tpo étant obtenue par étalonnage comme ci dessus : ipo = i à V 0
10 On peut aussi combiner les deux modes précédents et faire la moyenne des Ot obtenus de ces deux façons afin d'augmenter la précision de la mesure.
Méthode du signal de référence reconstitué
Il est possible que la mesure de la vitesse de fluides très absorbants (émulsions, boues, etc.) ne permette pas d'obtenir d'échos. Dans ce cas, on ne dispose au moment de la mesure que des deux spectres GA(k) et GB(k) correspondant aux signaux SA et SB
mesurés dans la fenêtre W 1, obtenus par FFT.
On peut donc facilement obtenir le At comme indiqué ci-dessus.
Pour déterminer dans ce cas le temps de vol moyen t,,m, il faut disposer de deux signaux de référence de même forme que les signaux reçus mais de retard acoustique nul et donc traduisant les ondes acoustiques telles qu'elles sont émises. Dans la pratique, ce type de signal n'est pas directement accessible. En phase d'étalonnage, on peut détermine le temps de vol moyen t,,m par la méthode de l'écho précédemment décrite en remplissant le système de mesure par un fluide approprié. Il est possible aussi d'utiliser une boucle d'essai possédant une autre mesure de vitesse de la précision requise, Ces exemples ne sont bien 27cj N (fvm-Til) sûr pas limitatifs. On prend le spectre GA(k) et on le multiplie par e On procède
Méthode du signal de référence reconstitué
Il est possible que la mesure de la vitesse de fluides très absorbants (émulsions, boues, etc.) ne permette pas d'obtenir d'échos. Dans ce cas, on ne dispose au moment de la mesure que des deux spectres GA(k) et GB(k) correspondant aux signaux SA et SB
mesurés dans la fenêtre W 1, obtenus par FFT.
On peut donc facilement obtenir le At comme indiqué ci-dessus.
Pour déterminer dans ce cas le temps de vol moyen t,,m, il faut disposer de deux signaux de référence de même forme que les signaux reçus mais de retard acoustique nul et donc traduisant les ondes acoustiques telles qu'elles sont émises. Dans la pratique, ce type de signal n'est pas directement accessible. En phase d'étalonnage, on peut détermine le temps de vol moyen t,,m par la méthode de l'écho précédemment décrite en remplissant le système de mesure par un fluide approprié. Il est possible aussi d'utiliser une boucle d'essai possédant une autre mesure de vitesse de la précision requise, Ces exemples ne sont bien 27cj N (fvm-Til) sûr pas limitatifs. On prend le spectre GA(k) et on le multiplie par e On procède
11 de même pour le spectre GB(k), on obtient ainsi les spectres GOA(k) GOB(k) ou spectres de référence Pour la mesure proprement dite on applique la procédure du 4.1 entre GA(k) et GOA(k) d'une part et entre GB(k) et GoB(k), ce qui conduit aux valeurs de tiA
et tiB. On en déduit tm ='/2 (TA + TB) + Tfl Comme on ne s'intéresse qu'aux phases des spectres sur un petit nombre de points autour du maximum du module, les spectres de référence peuvent être limités au valeurs de phases sur ces points.
4.4 Calcul de la vitesse Les temps de vol tvi et tv2 s'obtiennent en calculant tvl = tvm +'/2 At et tv2 = tvm -1/2 At et l'on peut appliquer la relation (1) :
L.Ot V=
2.tv,.tv2.cosa ou plus simplement avec une erreur négligeable L.Ot V _ 2.tvm2.cosa L
La célérité C des ondes peut être obtenue en calculant : C = tvm Le dispositif de mise en ceuvre comporte (Fig.9) un générateur de signaux impulsionnels G alimentant les deux transducteurs P1, P2, et un ensemble d'acquisition A
des signaux captés par ces mêmes transducteurs après leur propagation au sein de la veine fluide, qui est couplé à un ensemble de traitement T programmé pour effectuer en temps 2o réel les calculs d'intervalles de temps et de déphasages selon la méthode décrite. Des moyens de commutation (non représentés) permettent de connecter successivement chaque transducteur au générateur de signaux G pour l'émission d'impulsions et à
l'ensemble d'acquisition A, dès la fin de l'émission.
et tiB. On en déduit tm ='/2 (TA + TB) + Tfl Comme on ne s'intéresse qu'aux phases des spectres sur un petit nombre de points autour du maximum du module, les spectres de référence peuvent être limités au valeurs de phases sur ces points.
4.4 Calcul de la vitesse Les temps de vol tvi et tv2 s'obtiennent en calculant tvl = tvm +'/2 At et tv2 = tvm -1/2 At et l'on peut appliquer la relation (1) :
L.Ot V=
2.tv,.tv2.cosa ou plus simplement avec une erreur négligeable L.Ot V _ 2.tvm2.cosa L
La célérité C des ondes peut être obtenue en calculant : C = tvm Le dispositif de mise en ceuvre comporte (Fig.9) un générateur de signaux impulsionnels G alimentant les deux transducteurs P1, P2, et un ensemble d'acquisition A
des signaux captés par ces mêmes transducteurs après leur propagation au sein de la veine fluide, qui est couplé à un ensemble de traitement T programmé pour effectuer en temps 2o réel les calculs d'intervalles de temps et de déphasages selon la méthode décrite. Des moyens de commutation (non représentés) permettent de connecter successivement chaque transducteur au générateur de signaux G pour l'émission d'impulsions et à
l'ensemble d'acquisition A, dès la fin de l'émission.
12 L'ensemble de traitement T comporte de préférence un processeur de signal spécialisé tel qu'un DSP d'un type connu.
Le procédé proposé garde toutes ses performances si l'on change la nature du fluide et donc la fréquence d'émission : la fréquence d'échantillonnage Fe sera adaptée en conséquence.
On a décrit un mode de mise en oeuvre du procédé où les décalages de phase significatifs de la vitesse d'écoulement d'une veine fluide sont mesurés sur des impulsions émises simultanément depuis deux points, l'un situé en aval de l'autre relativement au sens d'écoulement, en direction de l'autre point. On ne sortirait pas du cadre de l'invention toutefois en adoptant tout autre dispositif d'émission-réception d'ondes avec des transducteurs disposés différemment par rapport à la veine fluide, éventuellement distincts pour l'émission et la réception, permettant de comparer ou cumuler des temps de vol d'impulsions se propageant dans le sens du courant et à contre-courant, qu'elles soient énûses simultanément ou successivement.
Le procédé proposé garde toutes ses performances si l'on change la nature du fluide et donc la fréquence d'émission : la fréquence d'échantillonnage Fe sera adaptée en conséquence.
On a décrit un mode de mise en oeuvre du procédé où les décalages de phase significatifs de la vitesse d'écoulement d'une veine fluide sont mesurés sur des impulsions émises simultanément depuis deux points, l'un situé en aval de l'autre relativement au sens d'écoulement, en direction de l'autre point. On ne sortirait pas du cadre de l'invention toutefois en adoptant tout autre dispositif d'émission-réception d'ondes avec des transducteurs disposés différemment par rapport à la veine fluide, éventuellement distincts pour l'émission et la réception, permettant de comparer ou cumuler des temps de vol d'impulsions se propageant dans le sens du courant et à contre-courant, qu'elles soient énûses simultanément ou successivement.
Claims (9)
1. Procédé pour déterminer la vitesse d'écoulement d'une veine fluide par comparaison des temps de vol (tv1, tv2) respectifs d'impulsions acoustiques émises et reçues respectivement entre des points espacés le long de la veine fluide, selon qu'elles se propagent vers l'amont ou vers l'aval relativement au sens de l'écoulement, caractérisé en ce que l'on mesure la moyenne des temps de vol ainsi que l'écart entre les temps de vol par une détermination du spectre de fréquence associé chaque impulsion reçue et une mesure précise des déphasages relatifs affectant les spectres de fréquence des impulsions acoustiques reçues, résultant de leur temps de vol.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on émet en chaque point une première impulsion acoustique, on détecte successivement en ce même point, une deuxième impulsion acoustique émise depuis un autre point et un écho à cet autre point, de la première impulsion acoustique, on calcule les spectres de fréquence des différentes impulsions détectées et l'on détermine la moyenne des temps de vol des impulsions acoustique détectées ainsi que les écarts entre leurs temps de vol respectifs.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on détermine la moyenne des temps de vol à partir de spectres de référence constitués par étalonnage à partir des spectres d'impulsions acoustiques reçues.
4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on détermine l'écart entre leurs temps de vol respectifs des impulsions acoustiques reçues à partir de leurs spectres de fréquence et d'un écart de temps obtenu par étalonnage.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte la transmission d'impulsions acoustiques simultanément depuis un premier point le long d'une veine fluide en direction d'un deuxième point en aval du premier point et réciproquement depuis le deuxième point en direction du premier point et l'on détecte les impulsions reçues aux deux points dans des fenêtres de réception fixes (W1, W2) décalées d'un même intervalle de temps par rapport aux instants communs d'émission de ces impulsions, le déphasage mesuré pour chaque spectre de fréquence dépendant de la position de l'impulsion correspondante reçue à l'intérieur de la fenêtre de réception correspondante.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une détermination de chaque déphasage modulo 2.pi. permettant de lever toute incertitude sur la vitesse de la veine fluide.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte une détermination de la pente de la droite représentative de la variation de la phase en fonction du temps de vol sur une portion déterminée du spectre de fréquence des impulsions.
8. Dispositif pour déterminer la vitesse d'écoulement d'une veine fluide, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux transducteurs émetteurs-récepteurs disposés à des emplacements distincts le long d'une veine fluide, un générateur de signaux impulsionnels connecté aux transducteurs, un ensemble d'acquisition des signaux adapté à échantillonner et numériser les signaux reçus par les transducteurs durant une fenêtre d'acquisition fixe et un ensemble de traitement pour déterminer les retards de phase affectant une portion au moins du spectre de fréquence de chacune des impulsions reçues, consécutifs au temps de vol variable des impulsions acoustiques émises.
9. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'ensemble de traitement (P) comporte un processeur de signal programmé pour déterminer le spectre de fréquence FFT de chaque signal à partir d'une série d'échantillons acquis à l'intérieur de la dite fenêtre.
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