FR2472755A1

FR2472755A1 - Appareil de mesure de la vitesse d'un courant de fluide par ultrasons

Info

Publication number: FR2472755A1
Application number: FR8022323A
Authority: FR
Inventors: Norman Eric Pedersen; James Edward Bradshaw; James Edward Matson; Lawrence Conrad Lynnworth
Original assignee: Panametrics LLC
Current assignee: Panametrics LLC
Priority date: 1979-10-19
Filing date: 1980-10-17
Publication date: 1981-07-03
Also published as: JPS5693013A; IT8068608A0; GB2061510A; US4308754A; CA1157935A; DE3039272A1

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LES APPAREILS DE MESURE DE LA VITESSE D'UN COURANT DE FLUIDE. ELLE SE RAPPORTE A UN APPAREIL A ULTRASONS QUI DETERMINE LA DIFFERENCE DE TEMPS DE PARCOURS D'IMPULSIONS ULTRASONORES D'INTERROGATION TRANSMISES VERS L'AMONT ET VERS L'AVAL PAR UNE PAIRE DE TRANSDUCTEURS 4A, 4B. UNE HORLOGE 60 A FREQUENCE ELEVEE, FONCTIONNANT PENDANT UN OU PLUSIEURS CYCLES D'INTERROGATION, PERMET UNE DETERMINATION NUMERIQUE PRECISE. LA FREQUENCE DES IMPULSIONS D'INTERROGATION EST FIXEE PAR UN OSCILLATEUR 20 DONT LA FREQUENCE EST REGLEE D'APRES LES SIGNAUX D'UN CIRCUIT 41 DE DETECTION. APPLICATION A LA MESURE DES DEBITS DE FLUIDE DANS LES CANALISATIONS.

Description

La présente invention concerne de façon générale des appareils de mesure

de vitesse et les débitmètres à ultrasons et plus précisément un circuit de détermination précise des différences des temps de parcours d'une onde ultrasonore se propageant vers l'amont et vers l'aval dans

un fluide circulant dans un conduit.

Un premier procédé de détermination de la vitesse

d'un courant de fluide dans un conduit à l'aide de trans-

ducteurs ultrasonores comporte la mise en place de deux transducteurs séparés dans la direction de circulation du courant, et la détermination de la différence entre les temps de propagation des ondes ultrasonores entre les transducteurs, vers- l'amont et vers l'aval. La vitesse du courant de fluide s'ajoute évidemment à la vitesse du

son vers l'aval et s'en soustrait vers l'amont. Une tech-

nique efficace pour cette mesure est celle de l'écho. Selon ce procédé, une onde ultrasonore est déclenchée au niveau de l'un des transducteurs et se transmet vers l'autre, par exemple vers l'amont. Le second transducteur, lorsqu'il reçoit cette onde émise, crée un signal électrique qui

est utilisé pour le déclenchement à nouveau de la propa-

gation d'une onde ultrasonore par le premier transducteur.

L'opération se répète et la fréquence de répétition des signaux du premier transducteur correspond alors au temps de parcours des ondes ultrasonores allant du premier au

second transducteur. Lorsque la même technique est uti-

lisée avec des ondes ultrasonores seipropageant dans l'au-

tre sens, on obtient deux fréquences, la différence entre les fréquences étant une mesure de la différence entre les vitesses de propagation vers l'amont et vers l'aval de l'onde ultrasonore, c'est-à-dire une mesure de la vitesse

du courant de fluide. Les brevets des Etats-Unis d'Améri-

que no 2 746 291, 3 237 453, 3 869 915 et 3 812 098 dé-

crivent des exemples de tels procédés connus.

Un problème posé par ce procédé est celui de la

mesure précise d'une faible différence de fréquences.

D'autres problèmes sont posés par les effets de réverbé-

ration dans le conduit ou par le fluide ou dans les

transducteurs ultrasonores eux-mêmes, si bien que l'ob-

tention d'une mesure précise de la différence des fré-

quences est encore plus difficile. En outre, la présence de matières en quantités importantes, par exemple de ti- ges de protection, entre les transducteurs et le fluide,

introduit des imprécisions sur la correction de la dif-

férence de fréquences correspondant à la vitesse du fluide.

L'invention concerne de façon générale un pro-

cedé permettant la détermination précise de la différence des vitesses de propagation des ondes ultrasonores vers

l'amont et vers l'aval, permettant une détermination pré-

cise de la vitesse du courant dans un conduit. Dans un

tel procédé, comme dans le procédé d'écho, deux trans-

ducteurs sont séparés dans la direction de circulation le long d'un conduit. Une onde ultrasonore est déclenchée dans le transducteur amont. Sa réception par l'autre

transducteur est utilisée comme mesure du temps de par-

cours ou de la période entre les deux transducteurs, dans la direction de propagation initiale. Selon l'invention,

ce temps de parcours est déterminé avec précision à l'ai-

de d'une horloge à fréquence relativement élevée qui me-

sure un certain nombre de ces périodes. Le temps de par-

cours des ondes émises dans l'autre sens (vers l'amont) est mesuré de façon analogue. La différence entre les temps deparcours constitue une mesure très précise de la vitesse du courant, permettant la compensation de la

présence d'une matière entre le transducteur et le flui-

de qui s'écoule, ainsi que la compensation des réverbé-

rations et des réflexions dans l'appareil lui-même.

Dans le cas d'une configuration d'appareil de

mesure de vitesse par ultrasons utilisant des transduc-

teurs réciproques, la vitesse V du courant, le long du trajet P d'interrogation, peut être calculée à partir

des temps de vol t et t mesurés entre les deux trans-

ducteur2 ducteurs c2At 2p2 t2 - t1 (tl1+t2 - 2tw) (1) L désignant la projection axiale du trajet dans le fluide

qui s'écoule et t étant la somme de tous les retards in-

w troduits pour d'autres causes que le fluide (par exemple par des fenêtres placées devant des transducteurs, les

retards introduits par les câbles et les circuits élec-

troniques). L'équation (1) indiquée pour la valeur de V est une approximation qui s'applique dans la mesure o V2 "c2. Dans les courants de gaz et dans certains courants de fluide biphasé dans lesquels c a une faible valeur

(c étant de l'ordre de 100 m/s dans l'eau ayant une con-

centration volumique de bulles d'air de quelques pour-

cents par exemple, comme déterminé par H. Karplus et comme

indiqué dans l'ouvrage de R.W.B. Stephens (ed.), "UNDER-

WATER ACOUSTICS", p. 8, Wiley-Interscience (1970)), il n'est pas rare que le nombre de Mach V/c soit proche de l'unité. Lorsque la vitesse V n'est pas suffisamment faible par rapport à la vitesse c, l'expression nécessaire doitêtre plus exacte afin qu'elle relie convenablement et

avec précision la vitesse V aux différents temps t.

Dans une dérivation, le temps de propagation vers l'aval est donné par l'équation: L+(T +Tb)(c+V) 1 c + T + T = c+V (2) tl c ±--V a = c+V et le temps de propagation vers l'amont est donné par l'équation: L L+(T +Tb)(cV) t2 c - V + Ta + T = c-V (3) ab c-V dans lesquelles Ta = L'/c, c'est-àdire le retard dans

le liquide qui ne s'écoule pas ou dans le liquide dans le-

quel l'onde d'interrogation est perpendiculaire au cou-

rant, et Tb = Lm/cm représente le retard dans les parties

non fluides du trajet (par exemple une fenêtre métallique).

On peut montrerque:

1 1 2V

tt g-2 -V).2 (4 tl t2 L{/1+ c(Ta+Tb)/2 - _ (Ta+Tb)2} La b La b-'/ et on obtient alors la vitesse du courant sous la forme V = (1/tl-1/t2)(L) {/li+ L'/L + (Lm/L)(c/cm)7 - /(L'/L)(V/c) + (Lm/L)(V/cm)_} (5) En outre, la variation de la vitesse c avec la température peut être introduite sous la forme c = c + dc AT( c=c dT (6) dc c = c + m AT m om cT (7) et les variations dimensionnelles peuvent être introduites de manière analogue puisque

L = L (1 + SAT) (8)

o a étant le coefficient de dilatation thermique. Les valeurs de la variation dc/dT figurent dans la littérature, par exemple dans l'ouvrage de Mason "PIEZOELECTRIC CRYSTALS AND THEIR APPLICATIONS TO ULTRASONICS", p. 338, Van Nostrand, Princeton, NJ (1950); et dans Handbook of Chemistry. Les valeurs de dc m/dT sont données ou citées dans l'ouvrage de Mason et Thurston (ed.), Physical Acoustics, vol 14, p.

407-525, Academic Press, NY (1979).

La vitesse V du courant peut être transformée en vitesse moyennée sur la section V, par utilisation de trajets ou de cellules de formation de moyenne sur la section dans lesquels la vitesse V est presqu'égale à la vitesse moyenne V, par pondération en quadrature suivant

des cordes, par formation d'une simple moyenne arithmé-

tique des trajets inclinés par rapport à un diamètre afin que les paramètres L donnent la pondération nécessaire, ou par utilisation d'un facteur théorique de mesure K V/V (par exemple, dans le cas des tuyauteries lisses, K = 0,750 pour un courant laminaire, et de l'ordre de 0,85 pour un courant dans la région de transition et est

tel que K = 1/(1,119 - 0,011 log Re) pour Re > 4000.

Les transducteurs ne sont pas toujours réversi-

bles ou réciproques. Ainsi, en l'absence de courant (V=O), on a: t1 7 t2, ou t - t2 = At pour un débit nul. Cette différence de temps At paraît être due à de petites différences des terminaisons des

impédances électriques, de dimensionsou d'autres différen-

ces entre les transducteurs et éventuellement à d'autres paramètres. Si le débit pouvait être annulé, on pourrait

mesurer At par échange des câbles d'émetteur et de récep-

teur. L'opération peut être effectuée manuellement ou de préférence électriquement afin que la vitesse V ne change pas pendant l'échange des câbles. Cette opération peut être appelée "commutation de la configuration des câbles"

et il faut la distinguer de la permutation connue amont-

aval. La moyenne de V et -V peut déterminer le décalage

par échange alterné des sens amont et aval.

Dans un mode de réalisation avantageux, la com-

paraison est effectuée entre les temps de parcours entre les détecteurs et la période d'un cycle du signal de sortie d'un oscillateur commandé en tension, le signal résultant représentant la différence étant utilisé pour le réglage de l'oscillateur jusqu'à ce que, après des

émissions répétées d'ultrasons, la fréquence de l'oscil-

lateur soit-telle que sa période est égale au double-du

temps de parcours des ondes ultrasonores.

Dans cet arrangement, c'est le signal de sortie de l'oscillateur commandé en tension qui peut déclencher

les impulsions répétées d'ultrasons provenant du trans-

ducteur. En fait, la période de l'oscillateur n'a pas à être égale au double du temps de parcours entre les

transducteursmais peut au contraire être rendue propor-

tionnelle à cette valeur afin que l'oscillateur fonc-

tionne soit à une fréquence élevée afin que la période

soit une fraction rationnelle précise du temps de par-

cours entre les transducteurs, soit à une fréquence infé-

rieure afin que la période soit un multiple exact de ce temps de parcours. Cependant, selon cette technique, ce n'est pas la fréquence qui est mesurée mais au contraire le temps écoulé pendant un certain nombre de cycles de l'oscillateur. L'opération est réalisée par création d'un train d'impulsions de synchronisation à une fré- quence relativement élevée de répétition, au moins 10 - fois supérieure à la fréquence d'interrogation, et par

mesure du nombre cumulé total de ces impulsions de syn-

chronisation pendant un nombre N de périodes du signal de sortie de l'oscillateur. Cette technique réduit très notablement l'erreur sur la détermination de la vitesse

du courant.

Si le temps de réponse a peu d'importance, le

nombre N de périodes peut être choisi à toute valeur en-

tière fixée et élevée commode, par exemple 1024, convenant à la mesure d'un courant de nombreux liquides ayant des vitesses du son comprises entre 300 et 3000 m/s ou de nombreux gaz ayant des vitesses du son comprises entre et 1000 m/s par exemple. Lorsque la réponse doit être plus rapide, le nombre N choisi est plus petit, par

exemple égal à 32, 64 ou 100. Contrairement à la techni-

que antérieure selon laquelle le nombre N est réglé afin qu'il assure la compensation des variations de vitesse du son, l'invention assure la compensation de la vitesse du son par synchronisme et utilise au contraire N pour la sélection ou l'optimisation du temps de réponse et de la résolution. Lorsque le circuit fonctionne précisément de la

même manière pour des ondes qui se propagent en sens oppo-

sés dans un conduit, pour un même nombre N de périodes du

signal de sortie de l'oscillateur, un second nombre d'im-

pulsions qui est une mesure directe de N temps de parcours

dans cette direction du courant, est alors formé. La dif-

férence entre les nombres est alors une indication précise de la vitesse du courant dans le conduit. Comme indiqué précédemment, puisque la fréquence de création des ondes ultrasonores par les transducteurs, selon cette technique, peut être supérieure ou inférieure à la durée réelle du

parcours, les périodes utilisées peuvent être suffisam-

ment longues pour que les réverbérations se trouvent dans

les tranches temporelles qui ne permettent aucune confu-

sion sur la détermination des temps de parcours.

D'autres caractéristiques et avantages de l'in-

vention ressortiront mieux de la description qui va sui-

vre faite en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une élévation avec des parties arrachées, représentant la configuration d'un appareil de mesure de vitesse de courant de fluide selon l'invention - les figures 2a et 2b sont des diagrammes des temps représentant des formes d'onde observées lors du fonctionnement de l'appareil de la figure 1;

- la figure 2c est un agrandissement d'une par-

tie de la figure 2b; - la figure 3 est un diagramme synoptique d'un circuit destiné à être utilisé avec l'appareil de la figure 1; - les figures 4, 5a et 5b sont des diagrammes

des temps permettant la description du fonctionnement du

circuit de la figure 3; et - les figures 6a, 6b et 6c sont des diagrammes

des temps représentant d'autres formes d'onde de synchro-

nisation utilisées lors du fonctionnement de l'appareil

de la figure 1.

La figure 1 représente un exemple de cellule ouverte dans laquelle des transducteurs 4a et 4b sont couplés à des tiges protectrices 3a et 3b montées dans des raccords taraudés 2a et 2b qui sont soudés à une canalisation 10. Les transducteurs sont reliés par des câbles à un circuit électronique 14 de l'appareil. La tuyauterie 10 a un diamètre interne D, une section A = TrD2/4 et elle délimite un trajet de propagation ayant une projection axiale L entre les extrémités mouillées a et 5b des tiges protectrices, et un trajet P de fluide formé suivant des segments de droiteinclinés par rapport à un diamètre. Le fluide au repos transmet le son avec une vitesse c et il s'écoule à une vitesse V lors de la mesure le long du trajet P. La tuyauterie 10 est aussi traversée par de minces guide d'ondes en forme de bâtonnets, reliés à des capteurs 6a et 6b de torsion. Le capteur 6b est entouré par une gaine hermétique 7. Les traversées

de la paroi de la tuyauterie sont fermées de manière étan-

che par des garnitures 8 de type classique et qu'on ne dé-

crit pas en détail. Le rôle de ces capteurs éventuels de torsion est la détermination de la masse volumique et/ou

de la température du fluide.

Les figures 2a et 2b représentent plusieurs dia-

grammes des temps. La figure 2a correspond à des formes

d'onde ultrasonores d'interrogation transmises vers l'a-

mont alors que la figure 2b correspond à une interroga-

tion vers l'aval. Les diagrammes des temps représentent la fréquence de répétition d'interrogation correspondant à l'émission des ondes ultrasonores par les transducteurs

4a et 4b, par les courbes 121 et 126, ainsi que des im-

pulsions 122 et 127 de synchronisation utilisées pour la mesure de la période de ces signaux d'interrogation sur plusieurs cycles. Comme l'indique la figure 2a, l'onde rectangulaire 121 de fréquence acoustique faî représente la fréquence de répétition pour l'interrogation vers l'amont dont la période t1 doit être mesurée. L'appareil destiné à donner une précision élevée, met en oeuvre une fréquence d'horloge fc qui se trouve dans la plage ultrasonore, c'est-à-dire f c"fal Le nombre d'impulsions

d'horloge comptées pendant le temps t1 est égal à t f c1.

La fréquence fc peut être accrue ou le comptage peut être prolongé, c'està-dire sur un temps supérieur à t1, par exemple pendant un temps Nt,, N étant un nombre entier supérieur à 1 et habituellement bien supérieur à 1, afin que l'erreur fractionnaire due à l'incertitude du facteur - 1 soit réduite. Dans le cas de la figure 2a, N est égal à 2 à titre illustratif si bien que l'intervalle de

comptage T1 est égal à 2t Dans un même circuit multipli-

cateur de comptage, le nombre N est utilisé pour l'inter-

rogation vers l'aval comme indiqué par la courbe 126 et le temps t1 - t2 peut être déterminé par comptage des

intervalles T1 et T2 à la fréquence fc.

On sait dans la technique des mesures de vitesse et de débit qu'une vitesse V d'un courant ne peut pas être

mesurée avec précision en général par simple mesure de cet-

te différence At = t1 - t2 puisque la vitesse V est propor-

tionnelle au produit c At. Selon l'invention, la vitesse c peut être déterminée à partir du trajet P et des temps de vol dans le fluide. Dans de nombreux gaz et dans certains liquides, la vitesse c peut aussi être déterminée d'après la température du fluide. Comme indiqué par l'équation (5), la vitesse c peut aussi être éliminée par calcul de la vitesse V à partir d'inversesdu temps, convenablement

corrigés lorsque les paramètres LM et L' sont relative-

ment petits par rapport au paramètre L.

Lorsque le nombre choisi N est important, l'in-

certitude due au facteur - 1 sur les nombres mesurés est rendue insignifiante. Le temps nécessaire aux mesures est

à nouveau N(t1 + t2) ou un multiple de ce temps si plu-

sieurs paires d'interrogations vers l'amont et l'aval sont utilisées pour la formation d'une moyenne. Lorsqu'un certain temps est alloué à la détermination de la vitesse V, par exemple si des considérations de circulation du courant l'imposent et pour un temps de réponse raccourci de façon correspondante, il existe plusieurs techniques de réduction de l'incertitude présentée par le facteur - 1

associé à une période unique d'horloge de fréquence fc.

On peut par exemple utiliser une horloge de fréquence fc plus élevée, on peut utiliser deux horloges ayant des fréquences légèrement différentes fCI et fc2' jouant le rôle d'un vernier, ou on peut utiliser une seule horloge,

mais complétée par un circuit analogique d'interpolation.

Le circuit analogique d'interpolation fonction-

ne de la manière suivante. Lorsqu'un intervalle de temps t1 doit être mesuré entre des évènements de début et de fin à des temps t et tq, en général, le temps tp suit l'une des impulsions d'horloge d'une fraction de période tcp, et le temps tq précède une impulsion ultérieure d'horloge d'un temps t Le nombre entier d'impulsions qc d'horloge est ainsi le plus proche nombre entier d'impul-

sions inférieur à fc (t1) = fc(tq - tp). Le temps "man-

quant" qui doit être ajouté au nombre entier d'impulsions d'horloge multiplié par la période peut être obtenu à l'aide d'une source de courant qui charge un condensateur entre le temps tp et la première impulsion d'horloge comptée, et qui peut recommencer à charger entre la dernière impulsion d'horloge comptéeet le temps tq' Si

la vitesse de charge est réglée à 1 V par période d'hor-

loge, c'est-à-dire à fc (V/s),la tension Vc du condensateur

peut être considérée comme une mesure du temps "manquant".

La tension V peut être lue avec un voltmètre numérique et ajoutée au temps obtenu d'après le nombre d'impulsions d'horloge complètes, si bien que la mesure du temps t1 est meilleure que celle que pourrait donner l'horloge

seule.

En plus de cette détermination des périodes t1

et t2 par mesure avec une horloge à fréquence élevée pen-

dant plusieurs cycles, on peut obtenir une meilleure pré-

cision par sélection de fréquences optimales de répéti-

tion d'impulsions d'interrogation.

Dans certains cas dans lesquels le trajet d'in-

terrogation est long (supérieur à 1 m environ), l'utilisa-

tion d'une fréquence d'interrogation supérieure à l'inverse des temps de vol t et t2 peut être avantageuse. Dans un appareil mettant en oeuvre le procédé classique d'écho, cette caractéristique est obtenue lorsque le temps tr de la réponse cherchée est inférieur à la somme des temps de vol. Cependant, dans la majorité des cas, les temps de

vol sont bien inférieurs au temps nécessaire de réponse.

En conséquence, les fréquences habituelles utilisées pour

le procédé d'écho sont habituellement suffisamment élevées.

Dans certains cas, ces fréquences peuvent être cependant trop élevées pour que la précision soit optimale. Lorsque

la réduction de 40 dB au-dessous du signal reçu des réver-

bérations le long du trajet dans le fluide ou des réfle-

xions sur le transducteur prend un temps supérieur àat1, on peut montrer que l'utilisation d'une fréquence de ré- pétition d'impulsion égale à 1/t1 donne une incertitude sur le moment de l'arrivée d'une impulsion d'environ l % de la période de l'impulsion d'interrogation. Ainsi, si

on utilise des impulsions de l MHz, l'incertitude tempo-

relle peut être de plusieurs nanosecondes. Bien que dif-

férents dispositifs acoustiques destinés à réduire au mi-

nimum les réverbérations le long du trajet dans le fluide ou les réflexions par les transducteurs puissent être

utilisés, ils ne donnent pas parfaitement satisfaction.

La solution qui peut être utilisée selon l'invention com-

prend la division de l'inverse du temps de parcours par un nombre entier suffisamment important M de manière que la fréquence résultante de répétition d'impulsions donne une période supérieure au temps qu'il faut pour que les réverbérations ou réflexions diminuent à une fraction convenablement faible du signal reçu, par exemple de , 50 ou 60 dB. On peut supposer que M se trouve entre

2 et 100.

La figure 3 est un diagramme synoptique d'un

exemple d'un circuit qui convient pour la partie électro-

nique de l'appareil de la figure 1. Sur la figure 3, un oscillateur 20 commandé en tension transmet un signal de sortie à un circuit 22 de division et le signal ainsi divisé est transmis simultanément à un commutateur 24 de configuration et à un multivibrateur monostable 26 ainsi

qu'à une première entrée d'un détecteur 28 de déphasage.

Le signal de sortie du multivibrateur 26 parvient, par l'intermédiaire d'un multiplexeur 30, à l'un ou l'autre de deux amplificateurs 34 et 36. Le signal de sortie de l'amplificateur 34 parvient au transducteur amont 4a et celui de l'amplificateur 36 parvient au transducteur aval 4b. Le signal de sortie du multivibrateur 26 parvient aussi à un circuit 38 à retard dont le signal de sortie parvient

à un amplificateur 40 de réglage automatique de gain in-

corporé à un récepteur 41, et à un détecteur 44 de passage à zéro. Les signaux qui parviennent à l'amplificateur 40 proviennent soit de l'amplificateur 46, couplé à la sortie du transducteur 4a, soit de l'amplificateur 48, couplé à la sortie du transducteur 4b. Le signal du détecteur de passage à zéro parvient à une entrée du détecteur 28 de

déphasage. Le signal de sortie du multivibrateur 26 cons-

titue un signal de remise à zéro du détecteur 28 de dépha-

sage.

Le signal du détecteur 28 de déphasage est trans-

mis par un intégrateur différentiel 50 à un multiplexeur 52 puis à l'entrée de commande de l'oscillateur 20. Le multiplexeur 52 a une fonction de commutation et couple l'un de deux condensateurs 56, 58 à l'entrée de commande

de l'oscillateur 20.

Une horloge 60 à fréquence relativement élevée

(10 MHz) est reliée par l'intermédiaire d'un circuit lo-

gique 62 soit à un compteur amont 66 à 24 bits, soit à un compteur aval 68 à 24 bits. Les signaux des compteurs 66 et 68 parviennent à un ordinateur non représenté par

l'intermédiaire d'un circuit tampon 70.

Le fonctionnement du circuit de la figure 3 apparait clairement en référence aux diagrammes des temps des figures 4, 5a et 5b. Lors duX fonctionnement,

l'oscillateur 20 transmet un signal de sortie 131 repré-

senté sur la figure 4 dans lequel le flanc descendant de la forme d'onde, après passage dans le circuit diviseur

22 (qu'on peut considérer, dans cette description ini-

tiale, comme possédant un facteur diviseur égal à 1) déclenche le multivibrateur monostable 26 qui crée l'impulsion d'émission 132. Le même flanc de la forme d'onde forme un signal 133 destiné à des bascules qui sont remises à zéro, à l'intérieur du détecteur 28 de

déphasage. L'impulsion d'émission est transmise au mul-

tiplexeur 30 qui, suivant le signal de commande qu'il reçoit du commutateur 24 de configuration, transmet le signal du multivibrateur 26 à l'amplificateur 34 afin qu'il déclenche une impulsion ultrasonore du transducteur 4a ou, dans l'autre mode, qu'il transmette la même impulsion par l'amplificateur 36 au transducteur 4b et

qu'il déclenche une impulsion ultrasonore en sens opposé.

Le commutateur 24 change l'état de la totalité du circuit afin que, dans un mode, -il détermine la période t1 des interrogations amont et, dans l'autre mode, la période

t2 d'interrogations aval. Le facteur par lequel le cir-

cuit 22 divise le signal de sortie de l'oscillateur 20 dé-

termine le nombre N de cycles pendant lequel le temps de parcours est mesuré. Ainsi, le commutateur 24 commute alternativement entre l'amont et l'aval et compte chaque

groupe de N cycles de l'oscillateur 20.

Le fonctionnement du circuit de la figure 3 dans son ensemble est la commande de l'oscillateur de manière qu'il ait une fréquence égale à la moitié de la fréquence de l'appareil, la fréquence de l'appareil étant telle que sa période est égale au temps de vol d'une

impulsion ultrasonore d'un transducteur à l'autre. L'opé-

ration est obtenue essentiellement par détection des

passages à zéro des impulsions reçues 134 dans le détec-

teur 44 et leur transmission à une bascule du détecteur 28 de déphasage, celui-ci déterminant le flanc ascendant qui apparaît le premier, parmi les flancs ascendants des

signaux 133 et 135 de sortie des deux bascules du détec-

teur. Le détecteur 28 de déphasage transmet donc une impulsion 136 de sortie dont la largeur est égale à la différence entre les temps d'arrivée des deux flancs, vers

l'entrée positive ou négative de l'intégrateur différen-

tiel 50. C'est le signal de sortie de cet intégrateur , transmis par le multiplexeur 52, qui constitue le

signal 137 de réglage de fréquence de l'oscillateur 20.

Lorsque la largeur de l'impulsion de sortie 141 du détecteur de déphasage approche de zéro, la fréquence de l'oscillateur approche de la moitié de la fréquence de l'appareil et le circuit est verrouillé, la fréquence du signal de sortie 138 de l'oscillateur suivant la fréquence

de l'appareil. Comme le détecteur de déphasage est tou-

jours remis à zéro en même temps que les flancs descen-

dants des fréquences d'émission et de réception 140, il détecte toujours le déphasage des deux flancs successifs qui sont le point à coefficient d'utilisation égal à 50 %

de la fréquence d'émission et le signal détecté de pas-

sage à zéro de l'impulsion reçue 139. De cette manière,

l'ensemble du circuit ne se verrouille pas sur des har-

moniques des fréquences de réception ou d'émission 140 et chaque interrogation du courant donne une information de correction. Cette caractéristique permet la poursuite très rapide de la fréquence de l'appareil (qui change avec les variations de la vitesse du courant évidemment) et permet la détection du déphasage pour des fréquences

dont le coefficient d'utilisation ne-correspond pas à 50 %.

Le circuit qui fonctionne de cette manière ne

tient pas compte habituellement des signaux dus aux réfle- xions sur les transducteurs car l'emploi d'un coefficient

d'utilisation de 50 % divise par deux la fréquence de ré-

pétition des impulsions, par rapport à un procédé classi-

que d'écho. Cela signifie que le temps compris entre les émissions est exactement égal au double du temps de vol, et le temps de décroissance des réflexions peut être doublé. Le circuit peut sauter un nombre N d'impulsions ultrasonores émises et laisser ainsi suffisamment de temps

pour l'affaiblissement des parcours multiples, avec main-

tien de la fréquence 143 de l'oscillateur exactement à la moitié de la fréquence de l'appareil afin que des effets des triples réflexions et des réflexions multiples 142 des ondes ultrasonores ou des temps inhabituellement longs de réflexion (par exemple dans les tiges de protection) soient compensés. L'opération est réalisée par utilisation

du circuit diviseur 22 pendant un nombre N de cycles rela-

tivement élevé. Ainsi, lorsque le flanc de la fréquence d'émission correspondant à un coefficient d'utilisation

de 50 % et le flanc de la fréquence reçue ont été compa-

rés, une autre impulsion d'émission destinée au transduc-

* teur n'est pas lancée et en conséquence les deux bascules ne sont pas rétablies avant l'écoulement de M cycles. Cette caractéristique est possible parce que le détecteur de déphasage ne traite que les deux flancs successifs suivant l'impulsion de remise à zéro, comme indiqué sur

les figures 5a et 5b.

Lorsque la longueur des trajets parcourus par les ultrasons est plus importante, le temps compris entre les

impulsions détectées augmente et la mémorisation des ten-

sions corrigées d'entrée de l'oscillateur est obligatoire.

L'opération est effectuée par l'intégrateur différentiel 50 qui comprend des commutateurs sous forme de transistors à effet de champ de très forte impédance qui réduisent les fuites des condensateurs. Des condensateurs 56 et 58 sont mis en circuit de façon alternée, suivant que la mesure est effectuée vers l'amont ou vers l'aval comme indiqué

dans la suite du présent mémoire.

Lorsque les conduits ont des diamètres impor-

tants, les effets des réflexions et des échos deviennent suffisamment faibles étant donné les temps importants ou les atténuations dues à l'étalement du faisceau si bien que le fonctionnement en mode avec saut n'est plus

nécessaire. Après réception du signal ultrasonore (pas-

sage à zéro), une nouvelle émission est immédiatement dé-

clenchée. Simultanément, un compteur progresse afin qu'un nombre total N de quantités élémentaires soit utilisé pour l'accumulation de N échantillons de temps de vol, alors que, lors de l'utilisation d'un verrouillage de phase, la progression d'un compteur à chaque réception pendant N intervalles élémentaires donne 2N échantillons du temps

-de vol (en un temps double pour des temps de vol égaux).

Le nombre N est fixé par sélection d'un signal fixe de division du circuit 22. Grâce à la division directe de

la fréquence de l'oscillateur commandé en tension, le-

mode normal et le mode avec saut donnent tous deux le

même nombre de temps de vol pour un diviseur donné.

Comme indiqué précédemment, le signal de sortie du circuit 22 de division est utilisé pour le déclenchement du commutateur 24 qui fait passer le circuit global du mode de comptage vers l'amont en mode de comptage vers

l'aval. Le signal de sortie du commutateur 24 est repré-

senté par une simple flèche pour un mode et par une

flèche associée à un petit cercle pour un autre mode.

Dans le circuit, cette convention est mise en oeuvre de manière que la configuration des multiplexeurs 30 et 52 ainsi que celle du circuit logique 62 et le déclenchement

des amplificateurs 46 et 48 soient toutes représentées com-

me commandées par le signal de déclenchement du commuta-

teur 24. Le signal de sortie de ce commutateur 24 parve-

nant au circuit logique 62 assure la transmission du si-

gnal de l'horloge 60 à oscillateur du compteur amont

66 au compteur aval 68. Les nombres de ces compteurs peu-

vent alors être utilisés par un calculateur qui détermine

la vitesse V du courant. Le commutateur 24, par commuta-

tion du multiplexeur 52, assure la commutation du con-

densateur utilisé à la sortie de l'intégrateur différen-

tiel 50 et permet donc à un jeu de condensateurs (chacun des condensateurs 56 et 58 est formé en réalité par deux condensateurs) de contenir la tension de commande pour le

fonctionnement vers l'amont et l'autre jeu de condensa-

teurs 58 est utilisé pour la conservation de la tension

de commande pour le fonctionnement aval.

Toute erreur associée à la commutation des condensateurs et l'utilisation ultérieure nécessaire d'un certain nombre de cycles pour la recharge des condensateurs à la valeur convenable sont supprimées par connexion de l'horloge 60 aux compteurs uniquement pendant un nombre particulier de cycles à la fin d'un nombre de cycles de l'oscillateur. En fait, un nombre quelconque de cycles

-d'émission peut être ignoré par cès compteurs, et lcordi-

nateur n'assure la division que par le nombre de cycles utilisé en réalité pour la commande des compteurs. Ce

procédé permet au circuit de bien déterminer la fréquen-

ce de fonctionnement avant utilisation des compteurs.

Un autre procédé de modification de la fréquen-

ce de répétition, par rapport à celle du procédé classi-

que,est décrit en référence aux figures 6a à 6c, la figu-

re 6a correspondant au procédé classique d'écho comme in-

diqué par la forme d'onde 144. La figure 6b représente un procédé à double pente, mettant en oeuvre un circuit à double pente comme représenté. Par exemple, lorsque, à

un moment donné, une première impulsion 145 d'interroga-

tion est lancée, une source de courant constant I charge un condensateur à raison de V1 par unité de temps, le condensateur non chargé initialement se chargeant jusqu'à

ce que les ondes ultrasonores de l'impulsion d'interroga-

tion parviennent au second transducteur au temps t1. Ce-

pendant, une autre impulsion d'interrogation n'est pas

lancée immédiatement comme dans les appareils connus met-

tant en oeuvre le procédé d'écho, mais la seconde impul-

sion est lancée seulement lorsque le condensateur s'est complètement déchargé, par connexion à une seconde source d'un courant constant I2 de sens opposé, à raison d'une

tension V2 par unité de temps comme indiqué par la réfé-

rence 146. Lorsque V2 = -v1, il faut autant de temps pour la décharge du condensateur que pour sa charge. Lorsque le condensateur a atteint une charge nulle, la seconde

impulsion d'interrogation peut seulement être lancée.

Dans un tel arrangement, la fréquence de répétition a été ainsi réduite d'un facteur 2. Le réglage du rapport V2/V1 des deux pentes permet la réduction de la fréquence de répétition à toute valeur convenable. La réduction peut correspondre par exemple à un rapport de 1/20. Bien qu'on ne décrive aucun procédé particulier mettant en oeuvre un tel circuit à double pente, ces circuits sont bien connus

dans la technique.

On peut utiliser la même technique pour le lance-

ment d'impulsions d'interrogation à une fréquence supérieu-

re à la fréquence classique du procédé d'écho. Lorsque la vitesse de décharge V3 est rendue égale à -2V1, comme représenté par les formes d'onde 147 et 148 sur la figure 6c, et lorsque des impulsions d'interrogation 149 sont lancées chaque fois qu'un impulsion est reçue par le transducteur et en outre lorsque le condensateur C1 a pris une charge nulle, la fréquence de répétition des

impulsions est égale au double de la fréquence de l'appa-

reil.

Il est bien entendu que l'invention n'a été dé-

crite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses

éléments constitutifs sans pour autant sortirde son cadre.

Claims

REVENDICATIONS

1. Appareil à ultrasons, destiné à la détermination

de la vitesse d'un courant de fluide dans un conduit, Ca-

ractérisé en ce qu'il comprend un premier transducteur (4a) monté sur le conduit et destiné à émettre des ondes ultrasonores dans le fluide en fonction de signaux électriques appliqués et à former des signaux électriques de sortie à la suite des ondes ultrasonores reçues en provenance du fluide, un second transducteur (4b) monté sur le conduit à un emplacement décalé par rapport à celui du premier transducteur en direction parallèle au courant de fluide dans le conduit, ce second transducteur (4b) émettant des ondes ultrasonores dans le fluide en fonction de signaux électriques appliqués et créant des signaux électriques de sortie qui dépendent des ondes ultrasonores reçues en provenance du fluide, un circuit générateur de signaux (20) relié aux

premier et second transducteurs et commandé par les si-

gnaux d'entrée de manière qu'il leur transmette. des signaux électriques, un circuit (41) de détection de signaux couplé

à chacun des transducteurs et recevant les signaux élec-

triques créés par les transducteurs (4a, 4b) à la suite des ondes ultrasonores reçues, ce circuit de détection de signaux transmettant des signaux d'entrée au générateur

de signaux en fonction des signaux qu'il reçoit, -

un circuit de minutage destiné à mesurer la du-

rée de la période comprise entre les émissions assurées par le circuit générateur de signaux, un dispositif de commande du fonctionnement de

l'appareil dans un premier mode dans lequel des ondes ul-

trasonores émises par le premier transducteur (4a) sont

dirigées vers le second transducteur (4b) et dans un se-

cond mode dans lequel les ondes émises par le second

transducteur (4b) sont dirigées vers le premier transduc-

teur (4a), et un dispositif destiné à déterminer la différence entre la durée mesurée pendant le premier mode et la durée mesurée pendant le second mode, la différence constituant

une mesure de la vitesse du courant de fluide.

2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de minutage comporte une source (60) d'impulsions de minutage ayant une fréquence telle que la

période est inférieure d'un facteur 10 au moins à la pé-

riode comprise entre les émissions par les transducteurs

(4a, 4b).

3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la durée mesurée dans les modes de fonctionnement

est mesurée sur une période de N émissions, N étant supé-

rieur à 1.

4. Appareil selon la Levendication 1, caractérisé en - ce que la durée mesurée dans les modes de fonctionnement

est mesurée sur une période de N émissions, N étant supé-

rieur à 1, et N émissions sont immédiatement précédées

par plusieurs émissions qui ne sont pas directement utili-

sées pour la mesure.

5. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit générateur de signaux émet des ondes

ultrasonores avec une fréquence de répétition qui est in-

versement proportionnelle au temps -nécessaire pour que les ondes ultrasonores se propagent du transducteur émetteur

au transducteur récepteur.

6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que la fréquence de répétition correspond à une période

qui est une fraction dudit temps nécessaire.

7. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que la fréquence de répétition est telle que sa période

est un multiple dudit temps nécessaire.

8. Appareil à ultrasons destiné à déterminer la vitesse d'un courant de fluide dans un conduit, caractérisé en ce qu'il comprend

un premier transducteur (4a) monté sur le con-

duit et destiné à émettre des ondes ultrasonores dans le

21 2472755

fluide en fonction de signaux électriques reçus, et à for-

mer des signaux électriques de sortie en fonction d'ondes ultrasonores reçues en provenance du fluide, un second transducteur (4b) monté sur le conduit à un emplacement décalé par rapport à celui du premier transducteur en direction parallèle au courant de fluide

dans le conduit, le second transducteur émettant des on-

des ultrasonores dans le fluide à la suite de signaux électriques qui lui sont appliqués et formant des signaux

électriques de sortie lorsqu'il reçoit des ondes ultra-

sonores provenant du fluide,

un circuit générateur de signaux couplé au pre-

mier et au second transducteur (4a, (4b) et destiné à

leur appliquer des signaux électriques, le circuit géné-

rateur comprenant un oscillateur (20) à fréquence réglée dont le signal de sortie règle le cycle de répétition des signaux appliqués au premier et au second transducteur (4a, 4b) afin que l'émission des ondes ultrasonores soit déclenchée, un circuit (41) de détection de signaux monté entre chacun des transducteurs et une entrée de commande de l'oscillateur (20), ce circuit de détection recevant les signaux électriques créés par les transducteurs (4a,

4b) sous l'action des ondes ultrasonores reçues et trans-

mettant ces signaux à l'oscillateur (2) afin qu'il règle la fréquence de ce dernier de manière que la période du signal de sortie de l'oscillateur soit proportionnelle au temps nécessaire pour qu'une onde ultrasonore émise par un premier transducteur se propage jusqu'à l'autre transducteur, un circuit de minutage destiné à déterminer la durée d'au moins un cycle de l'oscillateur commandé par

les ondes ultrasonores émises dans le fluide dans la di-

rection du courant et à déterminer la durée d'au moins un cycle de l'oscillateur (20) sous la commande des ondes ultrasonores émises dans le fluide en direction opposée au courant, le circuit de minutage comprenant une sourue (60) d'impulsions de minutage à une fréquence qui est au moins 10 fois supérieure à celle de l'oscillateur

à la fréquence réglée, le circuit de minutage détermi-

nant le nombre a-impulsions du circuit de minutage qui

sont produites pendant ledit cycle au moins de fonction-

nement de l'oscillateur (20), sous forme d'une mesure de la durée du cycle, et

un dispositif destiné à déterminer la différen-

ce entre le temps mesuré pendant un cycle alors que les ondes ultrasonores sont émises dans le sens du courant et le temps nécessaire à un tel cycle lorsque les ondes ultrasonores sont émises en sens opposé au courant, la différence étant représentative de la vitesse du courant

de fluide.

9. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que le circuitde minutage détermine le temps total sur plusieurs cycles des ondes ultrasonores, dans chaque sens.

10. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que le circuit générateur de signaux fonctionne de manière que les signaux soient appliqués au premier et au second transducteur (4a, 4b) pour une fraction seulement

de la fréquence de sortie de l'oscillateur (20).

il Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que la fréquence de l'oscillateur (20) est telle que sa période est égale à la moitié du temps nécessaire

pour qu'une onde ultrasonore se propage d'un transduc-

teur à l'autre.