La présente invention concerne les appareils permettant
de mesurer la vitesse d'écoulement d'un liquide ou d'un gaz
et les appareils permettant de mesurer une faible variation
de position d'un objet proche
Les débitmétres,lochs ou anémométres à ultreasons utilisent
pour mesurer la vitesse de déplacement d'un élément ,l'effet
1)ler ; ou alors ils comparent les vitesses de deux ondes
émissent dans deux directions différentes formant un angle o(
Par conséquent l'invention a pour objet un dispositif
permettant de mesurer la vitesse de déplacement d'un solide
d'un liquide ou d'un gaz
Pour cela il mesure la déviation que sutitun faisceau ultrasonore convergent, émz perpendiculairement à la direction de déplace
-ment de l'élément
Cette déviation est proportionnelle à la vitesse de déplacement.The present invention relates to devices for
measure the flow velocity of a liquid or gas
and devices for measuring a small variation
position of a close object
Ultreasons flowmeters, lochs or anemometers use
to measure the speed of movement of an element, the effect
1) 1st; or they compare the speeds of two waves
emit in two different directions forming an angle o (
Consequently, the subject of the invention is a device
for measuring the speed of movement of a solid
a liquid or a gas
For this it measures the deviation that follows a converging ultrasonic beam, emit perpendicular to the direction of movement
-ment of the element
This deviation is proportional to the speed of movement.
Pour mesurer cette déviation il utilise un transducteur
récepteur dont une des faces est munie d'une électrode résis
-tante,l'autre face étant munie d'une électrode conductrice
De la variation d'intensité aux bornes des deux électrodes
on déduit la variation de la résistance, qui est inversement proportionnelle à la déviation du faisceau ultrasonore
donc à la vitesse de déplacement de l'élément
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la déscription qui va suivre , donnée unique
-ment à titre d'éxemple non limitatif en référence au dessin
dans lequel
- la figure 1 est un schéma général de l'appareil
- la figure 2 est un schéma du circuit équivalent
à la partie réceptrice de l'appareil
-la figure 3 est un schéma d'un récepteur piezoélec-
trique permettant de mesurer la variation des coordonnées
du point de contact entre, un faisceau ultrasonore convergent,
et ce sSme récepteur piézoelectrique
ma schéma de la figure 1 indique le fonctionnement de
l'appareil , L'oscillateur 10 entretient une oscillation
électrique de fréquence 2 égale à la fréquence de résonance du transducteur piézoélectrique convergent 12
L'oscillateur 10 est alimenté par un générateur électrique 11 (continu ou alternatif ).Le faisceau ultrasonore convergent
21 émis se propage dans l'élément dont on veut connaitre la vitesse, tout en subissant une déviation dans le sens de la
floche 22 ,du fait du mouvement de l'élément
Ce faisceau 21 est émis perpendiculairement à la direction de
déplacement de l'élément .Ce faisceau entre en contact avec le transducteur récepteur piézoélectrique 19 en un point 23 le point 23 étant le point ae convergence du faisceau ultra
-sonore .Le récepteur 19 est constitué de trois parties accolées : premiérement d'une lame en matériau piézoélectrique dont la fréquence de résonance est la même que celle du
transducteur 12 Deuxiémement d'une électrode eonductrice plane 15 .Troisiémement d'une électrode en matériau résistant
13 .L'onde ultrasonore provoque mne oscillation mécanique
de fréquence F de la lame piézoélectrique 14 ,qui est trans -formée en une oscillation électrique de fréquence F égale
a celle de l'onde ultrasonore .Puls cette oscillation électri -que est transmise aux deux électrodes 13 et 15 ,puis par
l'intermédiaire des conducteurs 26 ,27 et 28 ,à un amplifica-
-teur 16, qui est suivi d'un circuit redresseur 17
Un milliampéremétre alternatif 18 mesure ensuite l'intensité
de ce courant ; de sa variation on déduit la variation de la résistance , qui est inversement proportionnelle à la variation
de la vitesse de déplacement de l'élément
Les solides ,les liquides ,ou les gaz dont on mesure la vitesse
de déplacement doivent remplir certains critéres d'homogénéité,
de continuité et de constance de certaines de leurs propriétées physiques
La déviation D du faisceau est : D V L ,oW V est la vitesse
de déplacement de l'élément que l'on mesure; C est la célérité
du son dans cet élément,etL est la distance parcourue par
les ultrasons .Pour obtenir une déviation D facilement mesurable, il faut que les ultrasons parcourent la distance L
la plus grande possible Pour cela il est utile d'avoir un grand nombre de réflexions des ultrasons entre deux surfaces en matériau ayant une grande impédance acoustique ,avant de
mesurer la déviation subie par le faisceau
La figure 2 représente le circuit équivalent à la partie
réceptrice .Le trilame piézorésistif peut être considéré comme l'association d'un trilame piézoélectrique 50 d'impédance
interne Ri connue, sans face résistante, et d'une résistance
variable 51 .Le trilame piézoélectrique 50 se comporte comme
un générateur alternatif de tension Vsin wt, et de courant
Isîn wt L'électrode résistante du trilame se comporte
comme une résistance 51 variable Rv ,qui est inversement
proportionnelle à la déviation du faisceau ultrasonore
Le courant est ensuite amplifié par l'amplificateur 16 ;puis
il est redressé par le circuit redresseur 17 Puis il est
mesuré par le milliampéremétre 18
Nous obtenons d'après la loi de KirchoXfappliquée a ce circuit
Veff =( -Rv + Ri )Ieff car le courant et la tension sont en
phase .Une variation de la résistance ( Rv + Ri) provoque
une variation inversement proportionnelle d'intensité B Ieff.To measure this deviation he uses a transducer
receiver of which one of the faces is provided with a resistive electrode
-aunt, the other side being provided with a conductive electrode
Variation of intensity across the two electrodes
the variation in resistance is deduced, which is inversely proportional to the deflection of the ultrasonic beam
so at the speed of movement of the element
Other characteristics and advantages of the invention will emerge from the following description, single data
-ment by way of nonlimiting example with reference to the drawing
in which
- Figure 1 is a general diagram of the device
- Figure 2 is a diagram of the equivalent circuit
to the receiving part of the device
FIG. 3 is a diagram of a piezoelectric receiver
measurement to measure the variation of the coordinates
from the point of contact between, a converging ultrasonic beam,
and this piezoelectric receiver sSme
my diagram of figure 1 indicates the operation of
the device, Oscillator 10 maintains an oscillation
electric of frequency 2 equal to the resonant frequency of the converging piezoelectric transducer 12
Oscillator 10 is powered by an electric generator 11 (continuous or alternating). The converging ultrasonic beam
21 emitted propagates in the element whose speed is to be known, while undergoing a deviation in the direction of the
floche 22, due to the movement of the element
This beam 21 is emitted perpendicular to the direction of
displacement of the element. This beam comes into contact with the piezoelectric receiver transducer 19 at a point 23, point 23 being the point of convergence of the ultra beam
The receiver 19 consists of three adjoining parts: firstly a blade made of piezoelectric material whose resonant frequency is the same as that of the
transducer 12 Secondly of a planar conducting electrode 15 .Three of an electrode of resistant material
13. The ultrasonic wave causes a mechanical oscillation
of frequency F of the piezoelectric plate 14, which is transformed into an electric oscillation of frequency F equal
to that of the ultrasonic wave. Pulse this electrical oscillation is transmitted to the two electrodes 13 and 15, then by
through conductors 26, 27 and 28, to an amplification
-tor 16, which is followed by a rectifier circuit 17
An alternative milliamp meter 18 then measures the intensity
of this current; from its variation we deduce the variation of the resistance, which is inversely proportional to the variation
the speed of movement of the element
Solids, liquids, or gases whose speed is measured
of displacement must fulfill certain criteria of homogeneity,
of continuity and constancy of some of their physical properties
The beam deflection D is: DVL, oW V is the speed
displacement of the element being measured; It's haste
sound in this element, and L is the distance traveled by
To obtain an easily measurable deviation D, the ultrasound must travel the distance L
as large as possible For this it is useful to have a large number of ultrasonic reflections between two surfaces of material having a high acoustic impedance, before
measure the deflection undergone by the beam
Figure 2 shows the circuit equivalent to the part
The piezoresistive trilame can be considered as the association of a piezoelectric trilame 50 of impedance
internal Ri known, without resistant face, and of resistance
variable 51. The piezoelectric triple blade 50 behaves as
an alternating generator of voltage Vsin wt, and of current
Isîn wt The resistant electrode of the trilame behaves
as a variable resistor 51 Rv, which is inversely
proportional to the deflection of the ultrasonic beam
The current is then amplified by the amplifier 16; then
it is rectified by the rectifier circuit 17 Then it is
measured by milliamp meter 18
We obtain according to KirchoX's law applied to this circuit
Veff = (-Rv + Ri) Ieff because the current and the voltage are in
phase. A change in resistance (Rv + Ri) causes
an inversely proportional variation in intensity B Ieff.
La variation de vitesse est inversement proportionnelle à la
variation de la résistance Rv, qui est déduit de la variation
d'intensité qui est connue en lisant le milliampéremétre
Rv maximum devra être inférieure à Ri , mais du m8me ordre
de grandeur
Le schéma de la figure 3 indique le fonctionnement
d'un appareil découlant du m8me principe que le débitmètre
à ultrasons présenté précédemment
Un faisceau ultrasonore est émis par un transducteur placé
su un mobile,perpendiculairement par rapport au récepteur,
Le point de convergence 67 de ce faisceau étant dans le plan
défini par le récepteur piézoélectrique qui posséde une
électrode résistante 60 .S deux cotés perpendiculaires
de l'électrode résistante 60 sont disposées deux électrodes
conductrices 65 et 66 reliées à un inverseur 63 s puis à
un amplificateur 16 ,suivi d'un circuit redresseur 17, puis
d'un milliampéremétre alternatif 18
L'électrode conductrice du récepteur piézoélectrique est reliée par la borne 64 à l'amplificateur 16
Si l'inverseur est sur la position 61 on déduit la coordonnée
verticale du point 67;; qui est proportionnelle à la résistance
séparant le point 67 de l'électrode 65 ,on la déduit
de l'intensité mesurée par le milliampnremétre 8
Si l'inverseur est sur la position 2, on déduit la coordon -née horizontale du point 97, par un procédé analogue
Le dispositif objet de l'invention peut être utilisé pour mesurer : le débit dans une canalisation de diamètre important, la vitesse d'un navire par rapport à l'élément marin , la vitesse du vent , ou pour positionner des objets en robotique
L'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites ; on pourra mesurer la variation d'intensité aux bornes du trilame piézorésistif ,ou la variation de tension
aux bornes de l'électrode résistante par un autre moyen qu'avec un amplificateur et un milliampéremétre ou un
voltmètre ; et l'homme de l'art pourra y apporter diverses modifications sans pour autant sortir de son cadre 9 The speed variation is inversely proportional to the
variation of the resistance Rv, which is deduced from the variation
of intensity which is known by reading the milliammeter
Maximum Rv should be less than Ri, but of the same order
greatness
The diagram in Figure 3 indicates the operation
of a device based on the same principle as the flowmeter
ultrasound previously presented
An ultrasonic beam is emitted by a transducer placed
on a mobile, perpendicular to the receiver,
The point of convergence 67 of this beam being in the plane
defined by the piezoelectric receiver which has a
resistant electrode 60 .S two sides perpendicular
resistive electrode 60 are arranged two electrodes
conductors 65 and 66 connected to an inverter 63 s then to
an amplifier 16, followed by a rectifier circuit 17, then
an alternative milliamp meter 18
The conductive electrode of the piezoelectric receiver is connected by terminal 64 to the amplifier 16
If the inverter is on position 61 we deduce the coordinate
vertical from point 67 ;; which is proportional to the resistance
separating point 67 from electrode 65, we deduce it
of the intensity measured by the milliampnmeter 8
If the inverter is in position 2, we deduce the horizontal coordinate from point 97, by a similar process
The device which is the subject of the invention can be used to measure: the flow rate in a large diameter pipe, the speed of a ship relative to the marine element, the wind speed, or to position objects in robotics
The invention is not limited to the embodiments described; we can measure the intensity variation across the piezoresistive trilame, or the voltage variation
to the terminals of the resistive electrode by another means than with an amplifier and a milliammeter or a
voltmeter; and those skilled in the art can make various modifications to it without departing from its scope 9