FR2577322A1

FR2577322A1 - Dispositif pour mesurer sans contact la vitesse d'un milieu en mouvement

Info

Publication number: FR2577322A1
Application number: FR8601761A
Authority: FR
Inventors: Hans Braun; Georg Schneider
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1985-02-11
Filing date: 1986-02-10
Publication date: 1986-08-14
Also published as: US4708021A; JPS61233320A; SE8600566L; IT1188354B; FR2577322B1; SE454300B; NL8600339A; DE3504622A1; SE8600566D0; NL191639C; IT8619347A0; CH668839A5; IT8619347A1; DE3504622C2; JPH0415888B2; NL191639B

Abstract

Deux transducteurs W1, W2 dont les zones de détection sont décalées l'une par rapport à l'autre dans le sens Z du mouvement du fluide fournissent des signaux électriques S1(t), S2(t) reflétant les défauts d'homogénéité du fluide en mouvement. La mesure résulte de l'analyse de la fonction de corrélation mutuelle temporelle des deux signaux, c'est-à-dire la fonction donnant, pour chaque décalage temporel, l'intégrale des valeurs des produits des deux signaux S1(t), S2(t) ainsi décalés. Les zones de détection L1, L2 des deux transducteurs W1, W2 se recouvrent partiellement. La valeur de mesure est déduite de la pente de la fonction précitée pour la valeur zéro du décalage temporel. Utilisation pour améliorer la précision, notamment aux basses vitesses. (CF DESSIN DANS BOPI)

Description

L'invention concerne un dispositif pour mesu-

rer, sans contact, la vitesse d'un milieu en mouvement,

comportant deux transducteurs dont les zones de détec-

tion sont décalées l'une par rapport à l'autre dans le sens du mouvement du milieu et qui fournissent des

signaux électriques dans lesquels les défauts d'homogé-

néité du fluide en mouvement interviennent, en fonction

de leur position spatiale, selon des fonctions de pondé-

ration spatiales différentes, et comportant un dispositif

pour obtenir la valeur de mesure en combinant par corré-

lation les deux signaux.

Dans des dispositifs de mesure connusde ce type, on obtient la valeur du décalage temporel qui correspond au maximum de la fonction de corrélation temporelle des signaux de sortie des deux transducteurs et qui est égal au temps mis par les défauts d'homogénéité du milieu

pour passer du premier au second transducteur. La dis-

tance entre les transducteurs étant connue, on peut

déduire de ce temps de passage la vitesse à mesurer.

Dans de nombreux cas d'utilisation, ce procédé de mesure est entâché d'incertitudes, car le résultat de la mesure dépend du profil de l'écoulement etcarle maximum de la fonction de corrélation est souvent peu marqué, de sorte que l'endroit du maximum n'est pas déterminable avec précision. D'autres procédés de mesure sans contact ne permettent pas de reconnaître le sens de l'écoulement et ne donnent pas d'indication

utilisable à vitesse nulle ou très faible.

Le but de l'invention est de proposer un dispositif de mesure du type mentionné au début, qui, à toutes les vitesses, fournisse un résultat de mesure précis indépendant du profil de l'écoulement et dont la plage de mesure englobe également la vitesse nulle, les

très petites vitesses et l'inversion du sens du mouvement.

Selon l'invention, le dispositif est caractérisé en ce que les zones de détection des deux transducteurs

se recouvrent partiellement de façon telle que le gra-

dient de la fonction de corrélation mutuelle spatiale des fonctions de pondération spatiale soit différent du vecteur nul pour le décalage spatial nul; et en ce que la valeur de mesure est déduite de la pente de la fonction de corrélation mutuelle temporelle des deux signaux pour la valeur zéro du décalage temporel,ou bien à partir du premier moment du spectre de densité

de la puissance mutuelle des deux signaux.

L'invention repose sur là découverte du fait que, dans des conditions déterminées, non seulement la position du maximum de la fonction de corrélation temporelle, mais également la pente pour la valeur zéro du décalage temporel fournissent une mesure pour la vitesse du fluide en mouvement. Comme on obtient cette

valeur de mesure pour la valeur zéro du décalage tempo-

rel, elle provient de défauts d'homogénéité qui se trouvent au même endroit. On élimine de ce fait des

motifs essentiels d'imprécision de la mesure de vitesse.

De plus, la mesure de vitesse par corrélation, sans contact, est possible même dans les cas o la mesure de vitesse reposant sur la détermination du maximum de la fonction de corrélation mutuelle échoue. En particulier il est possible de dispenser des parcours de mise en régime et de prévoir par exemple un emplacement de mesure immédiatement derrière un coude. La plage de mesure n'est pas limitée en principe et inclut en particulier des mouvements très lents, un arrêt et

une inversion du sens du mouvement.

Une condition nécessaire pour l'application

de ce principe de mesure est d'employer des transdUc-

teurs qui produisent une paire de signaux dans laquelle

existe un gradient, qui ne s'annule pas, dans la dépen-

dance statistique des deux signaux non décalés dans le temps. Cette condition est remplie si les zones de

détection des deux transducteurs se recouvrent partiel-

lement de façon telle que le gradient de la fonction de

corrélation mutuelle spatiale des fonctions de pondéra-

tion spatiale soit différent du vecteur nul pour la valeur nulle du décalage spatial. Dans cette définition,

il s'agit d'une propriété géométrique invariable, déter-

minée par la conception des transducteurs et caractéris-

tique de chaque paire de transducteurs.

La pente de la fonction de corrélation mutuelle

temporelle de deux signaux, pour la valeur nulle du déca-

lage temporel, est équivalente, mathématiquement, au premier moment du spectre de densité de la puissance

mutuelle des deux signaux. Il n'y a donc pas de diffé-

rence, que l'on calcule l'une ou l'autre valeur.

Des conceptions et extensions avantageuses de

l'invention s'énoncent comme suit.

Les deux transducteurs ont des axes qui se croisent et sont décalés l'un par rapport à l'autre

avec un recouvrement réciproque dans le sens du mouve-

ment du milieu.

Chaque transducteur est constitué de plu-

sieurs éléments transducteurs disposés le long de la direction du mouvement; et, pour créer des zones de détection qui se recouvrent, des éléments transducteurs des deux transducteurs sont imbriqués Ies uns avec les autres.

Les zones de détection des deux transduc-

teurs qui se recouvrent sont réalisées en regroupant de façon différente les signaux de sortie de plusieurs éléments transducteurs disposés le long de la direction

du mouvement.

D'autres particularités et avantages de l'in-

vention ressortiront encore de la description ci-après

concernant des exemples de réalisation représentés aux dessins annexés, dans lesquels:

La figure 1 est une représentation schémati-

que d'un dispositif de mesure de type connu pour mesurer par corrélation et sans contact la vitesse d'écoulement dans une conduite tubulaire.

La figure 2 représente des courbes de fonc-

tions spatiales caractéristiques de l'agencement du

dispositif de mesure de la figure 1.

La figure 3 représente des courbes de fonc-

tions temporelles caractéristiques pour le fonctionne-

ment du dispositif de mesure de la figure 1.

La figure 4 représente un mode de réalisation qui, par rapport au dispositif de mesure de la figure 1,

est modifié conformément à l'invention.

La figure 5 représente les courbes, correspon-

dant à la figure 2, de certaines fonctions spatiales du

dispositif de mesure de la figure 4.

La figure 6 représente les courbes, correspon-

dant à la figure 3, de certaines fonctions temporelles

du dispositif de mesure de la figure 4.

La figure 7 représente plusieurs fonctions de

corrélation mutuelle temporelles obtenues pour différen-

tes vitesses, avec le même dispositif de mesure conforme

à l'invention.

La figure 8 représente un dispositif de mesure

optique conforme à l'invention.

La figure 9 est la vue latérale du dispositif

de mesure optique de la figure 8.

La figure 10 représente un dispositif de

mesure capacitif conforme à l'invention.

La figure 11 représente un dispositif de mesure optique conforme à l'invention, comportant une

batterie de photodiodes.

La figure 12 représente un circuit de traite-

ment de signaux analogiques pour obtenir la valeur de

mesure avec un dispositif de mesure conforme à l'inven-

tion.

La figure 13 représente un circuit de traite-

ment de signaux numériques pour obtenir la valeur de mesure avec un dispositif de mesure conforme à l'inven- tion. La figure 1 représente, à titre d'exemple

d'application pour la mesure de la vitesse par corréla-

tion et sans contact, un dispositif pour la mesure de la vitesse d'écoulement d'un milieu qui se déplace avec la vitesse v dans une conduite tubulaire 1, dans la direction de l'axe z de la conduite tubulaire. Sur la conduite tubulaire 1 sont disposés, à un entraxe D

exactement connu, deux transducteurs W1 et W2 qui four-

nissent des signaux électriques S1 (t) et S2 (t), qui sont influencés par des défauts d'homogénéité du milieu en mouvement. Selon le type et la qualité du milieu en

mouvement, les défauts d'homogénéité utilisables peu-

vent être de type très différent, mais, en fin de compte,

leur action repose toujours sur le fait qu'ils influen-

cent ou qu'ils produisent un champ acoustique ou un champs électromagnétique. Pour les procédés exploitant

les champs électromagnétiques, on peut utiliser l'ensem-

ble du spectre du champ électrostatique, en passant par la plage de haute fréquence et de micro-ondes et la plage optique, jusqu'au rayonnement y. Dans le cas des champs acoustiques, la plage de fréquence utilisable va de quelques kilohertz dans les gaz jusqu'à 10 MHz ou

plus dans le cas des milieux porteurs liquides.

Habituellement, chaque transducteur est cons-

titué d'un émetteur, qui produit le champ qui doit être influencé par les défauts d'homogénéité du milieu, et d'un récepteur qui réagit au champ influencé par les défauts d'homogénéité et qui émet un signal électrique

reproduisant les modifications temporelles du champ.

C'est ainsi qu'à la figure 1 le transducteur W1 est constitué d'un émetteur T1 et d'un récepteur R 1 et le transducteur W2est constitué d'un émetteur T2 et d'un récepteur R2. La conception des émetteurs et des récepteurs,

selonletype de champ ulisé, est connue de l'homme de l'art.

C'est ainsi que, lorsqu'on utilise un champ électrique situé sur la plage optique, chaque émetteur peut être une source lumineuse et chaque récepteur, un détecteur photoélectrique. Lorsqu'on utilise un champ acoustique situé sur la plage des ultrasons, chaque émetteur est un émetteur d'ultrasons et chaque récepteur est un détecteur d'ultrasons. Des détecteurs capacitifs forment en même temps l'émetteur et le récepteur pour des champs

électrostatiques, etc...

Si les défauts d'homogénéité sont actifs et

produisent eux-mêmes un champ utilisable, on peut suppri-

mer les émetteurs, de sorte que chaque transducteur n'est constitué que d'un récepteur. C'est en particulier le cas

si les défauts d'homogénéité sont formés par des particu-

les radioactives dont le rayonnement est capté par les récepteurs des transducteurs et converti en un signal électrique.

Chaque défaut d'homogénéité du milieu en mouve-

ment intervient, selon une fonction de pondération spa-

tiale prédéterminée, dans le signal de sortie d'un transducteur, si ce défaut se trouve dans la zone de détection du transducteur. Dans le cas de l'application de la figure 1, la zone de détection du transducteur W1 est un volume de mesure qui, dans la direction de l'axe z, a la longueur L1 et, perpendiculairement à l'axe z, a la section de la conduite tubulaire 1 ou d'une partie de cette section, partie dans laquelle le transducteur effectue la détection. De la même façon, la zone de détection du transducteur W2 est un volume de mesure de longueur L2 et de section correspondante. Comme il s'agit en général de détecter la vitesse moyennée sur la section du tube, on va, autant que possible, concevoir les transducteurs pour réaliser une pondération régulière

de la section tubulaire.

La courbe A de la figure 2 montre, en repré-

sentation idéale, en fonction de la coordonnée z, la

fonction de pondération spatiale g1 (z) du transduc-

teur W1, c'est-à-dire l'effet d'un défaut d'homogénéité ponctuel sur le signal de sortie du transducteur W1 en fonction de sa position spatiale le long de l'axe z. Si le défaut d'homogénéité ponctuel se trouve en dehors

de la zone de détection du transducteur W1, il n'inter-

vient pas sur le signal de sortie S1 (t), et la fonction de pondération spatiale g1 (z) a la valeur 0. Si le défaut d'homogénéité ponctuel se trouve dans la zone de détection du transducteur W1, il intervient par contre, pour une valeur prédéterminée, différente de 0, dans le signal de sortie S1 (t), de sorte que la fonction de pondération spatiale g1l(z) prend, pour toute la zone de

détection, une valeur différente de zéro.

De façon correspondante, la courbe B de la figure 2 représente la fonction de pondération spatiale g2(z) du transducteur W2. Si les deux transducteurs-W1 et W2 sont de conception identique, la fonction de pondération spatiale g2(z) a la même forme de courbe que la fonction de pondération spatiale g1(z), mais elle s'en distingue par sa position différente sur l'axe des abscisses z. En correspondance avec la disposition des

transducteurs selon la figure 1, les fonctions de pondé-

ration spatiale g1(z) et g2(z) sont décalées l'une par rapport à l'autre d'une valeur D et il y a entre elles un intervalle libre de valeur E. La courbe C de la figure 2 représente la fonction de corrélation mutuelle spatiale 012(u) des fonctions de pondération spatiale g1(z) et g2(z). La fonction de corrélation mutuelle spatiale a la forme mathématique +X( + 12(u): ( g2z) g1(z+u) dz (1 Elle signifie que l'on multiplie les valeurs de la fonction de pondération g2(z) par les valeurs, décalées d'un décalage spatial u, de la fonction de pondération spatiale g1(z) et que l'on prend la valeur

moyenne des produits le long du domaine Z analysé.

Pour chaque valeur du décalage spatial u, on obtient une valeur particulière de la fonction de corrélation spatiale. Le décalage spatial u = 0 correspond à la position de départ, représentée sur les courbes A et B, des fonctions de pondération spatiale, c'est-à-dire de la position spatiale du transducteur W1 et W2 de la figure 1; et des valeurs croissantes de u correspondent à une diminution du décalage réciproque des valeurs, qui se trouvent corrélées l'une avec l'autre, des deux

fonctions de pondération spatiale. Pour u = 0, la fonc-

tion de corrélation à la valeur zéro, puisqu'il y a toujours au moins l'une des deux valeurs, à multiplier l'une par l'autre, de chaque paire de valeurs qui est nulle. Pour u = E, commence le recouvrement réciproque des domaines non nuls des deux fonctions de pondération, et la fonction de corrélation s'accroit. Pour u = D,

les deux fonctions de pondération g1(z) et g2(z) coinci-

dent et la fonction de corrélation spatiale croisée

atteint son maximum.

Aussi bien les fonctions de pondération spa-

tiales gl(z), g2(z) que leur fonction de corrélation mutuelle 12(u) sont des caractéristiques invariables des transducteurs W1 et W2, imposées par la géométrie

des transducteurs et convenant donc pour les caractériser.

Cette caractérisation des transducteurs par les fonctions de pondération spatiale et par la fonction de corrélation mutuelle spatiale n'est pas limitée au cas o la zone de détection de chaque transducteur est un volume de mesure. Elle est également valable dans le cas o les défauts d'homogénéité utilisés pour mesu- rer la vitesse se trouvent à la surface du milieu en

mouvement et o les transducteurs explorent respective-

ment une zone de surface déterminée du milieu. C'est par exemple le cas lorsque l'on mesure la vitesse de papier en bande, de textile en bande ou de tôles dans

les laminoirs. La zone de détection de chaque transduc-

teur est alors une zone de surface, non un volume. Les considérations exposées précédemment sur les fonctions de pondération spatiale et leur fonction de corrélation

spatiale sont valables également dans ce cas sans limi-

tation. Les courbes A et B de la figure 3 représentent l'allure, en fonction du temps, des signaux de sortie S1(t) et S2(t) des transducteurs W1, W2. Les variations de ces signaux proviennent des défauts d'homogénéité du

milieu en mouvement qui passent dans les zones de détec-

tion des transducteurs. Sous la condition que ces défauts d'homogénéité subsistent au moins partiellement sur le trajet allant du premier au second transducteur, les variations, causées par eux, des signaux sortant

des deux transducteurs présentent certaines ressemblan-

ces qui sont décalées l'une par rapport à l'autre d'un intervalle de temps qui est égal au temps que met le défaut d'homogénéité pour passer du premier au second transducteur. C'est ce phénomène que l'on utilise pour

la mesure de la vitesse, en combinant de manière corré-

lative les deux signaux.

La courbe C de la figure 3 représente la fonc-

tion de corrélation mutuelle temporelle R12(T) des deux signaux S1(t) et S2(t). La fonction de corrélation

25773.22

mutuelle temporelle a la forme mathématique R12(T) = lim 1 S2(t) Sl(t+T) dt T 12 T+ mT 2 1(2) Elle signifie que l'on multiplie les valeurs

instantanées du signal S2(t) par les valeurs instanta-

nées, décalées de la valeur du décalage temporel T, du signal S1(t) et que l'on forme la valeur moyenne des

produits le long du domaine de la durée d'observation'T.

Pour chaque valeur de T, on obtient une valeur particu-

lière de la fonction de corrélation mutuelle temporelle.

Dans le cas d'application considéré, la fonction de corrélation mutuelle présente un maximum pour une valeur

du décalage temporel Tm qui est égale au temps que met-

tent les défauts d'homogénéité du milieu pour passer du transducteur W1 au transducteur W2, c'est-à-dire que l'on a: D Tm = (3) Tm v La distance D étant connue, la valeur Tm du décalage temporel permet de calculer directement la vitesse v des défauts d'homogénéité, qui, en règle

générale, est égale à la vitesse du milieu.

Pour obtenir la fonction de corrélation mutuelle, on amène les signaux S1(t) et S2(t) à un corrélateur 4 après le prétraitement nécessaire dans un circuit de traitement du signal 2. Un circuit d'évaluation 5, relié au corrélateur 4, recherche si

la fonction de corrélation mutuelle présente un maxi-

mum et en déduit la valeur du décalage temporel Tm correspondant au temps de passage ou la vitesse v qui

en résulte. Ces circuits et leur mode de fonctionne-

ment sont connus. De préférence, un micro-ordinateur il

correctement programmé assure les fonctions du corréla-

teur 4 et du circuit d'évaluation 5. Dans ce cas, le

circuit de traitement du signal 2 comporte un transduc-

teur analogique/numérique qui convertit les signaux de sortie analogique S1(t) et S2(t) en signaux numériques

convenant pour le traitement dans un micro-ordinateur.

La figure 4 montre, en représentation schéma-

tique correspondant à la figure 1,. un dispositif de mesure de vitesse par corrélation qui concrétise le principe qui est à la base-de l'invention. Pour les composants et les dimensions correspondant à ceux du dispositif de la figure 1, on emploie les mêmes repères

que sur la figure 1. La différence essentielle par rap-

port au dispositif de la figure I consiste en ce que les zones de détection des deux transducteurs W1 et W2

se recouvrent partiellement. Ceci nécessite une concep-

tion appropriée des transducteurs, ce qui, sur la représentation schématique de la figure 1, est indiqué par le fait que les émetteurs T1, T2 et les récepteurs

R1, R2 des deux transducteurs se recouvrent partielle-

ment l'un l'autre.

Le recouvrement partiel des zones de détec-

tion des transducteurs W1, W2 a pour conséquence que les fonctions de pondération spatiale gl(z) et 92(z), représentées sur les courbes A et B de la figure 5, se recouvrent aussi, partiellement, d'une valeur F. Par conséquent, la fonction de corrélation mutuelle spatiale p12(u), représentée sur la courbe C de la figure 5, a, pour la valeur u = 0 du décalage spatial, une valeur différente de zéro et un gradient différent du vecteur nul. La fonction de corrélation mutuelle spatiale ne prend là valeur zéro que pour une valeur négative u = -F du décalage spatial et elle atteint son maximum pour la valeur positive u = D du décalage

spatial.

Les courbes A et B de la figure 6 représentent à nouveau l'allure, en fonction du temps, des signaux Sl(t) et S2(t) émis par les transducteurs W1 et W2 de la

figure 4. Ces signaux ont en principe les mêmes caracté-

ristiques que les signaux S1(t), S2(t), représentés sur

la figure 3, du dispositif de mesure de la figure 1.

Par contre, la fonction de corrélation mutuelle temporelle R12( (T) représentée sur la courbe C de la figure 6, des-signaux S1(t) et S2(t) se distingue de celle de la courbe C de la figure 3 par le fait que, pour la valeur T = 0 du décalage temporel, elle a une valeur différente de zéro et une pente différente de zéro qui est représentée par l'angle a formé par l'horizontale et la tangente à la fonction de corrélation mutuelle

temporelle au point d'intersection avec l'axe de coor-

données tracé au point T = 0.

Le maximum de la fonction de corrélation mutuelle temporelle se situe à nouveau à la valeur Tm = D/v du décalage temporel et pourrait, comme dans le cas du dispositif de la figure 1, être utilisé pour

mesurer la vitesse du milieu en mouvement. Mais la par-

ticularité du dispositif de mesure de la figure 4 réside en ce que l'on ne déduit pas la valeur de mesure de la vitesse à partir de la-valeur Tm du décalage temporel correspondant au maximum de la fonction de corrélation mutuelle temporelle mais à partir de la pente de la fonction de corrélation mutuelle temporelle à la valeur

T = O du décalage temporel.

- Cette façon de faire repose sur la découverte qu'il existe une relation univoque, mathématiquement définie entre la pente de la fonction de corrélation mutuelle temporelle à la valeur T = O du décalage temporel et la vitesse du milieu. La figure 7 montre

les fonctions de corrélation mutuelle temporelle obte-

nues avec le même dispositif de mesure pour différentes vitesses V1, V2, V3 du milieu. Comme on peut le voir, toutes les fonctions de corrélation mutuelle coupent l'axe des ordonnées passant par T = 0 au même point, mais avec des pentes différentes. Plus forte est la pente, plus élevée est la vitesse. Pour se le représenter, on peut dire que lorsque la vitesse varie, la fonction de corrélation mutuelle se dilate et se contracte comme

un soufflet d'accordéon.

La relation mathématique entre la vitesse v

et la pente de la fonction de corrélation mutuelle tempo-

relle est donnée par l'équation suivante:

12(0) R12(0)

=v d % u R12(O) - '192 <4) du 121 u=0 Avec: 12-2(0): valeur de la fonction de corrélation mutuelle spatiale pour le décalage spatial u = 0; d u1gradient de la fonction de corrélation du12u=: mutuelle spatiale pour le décalage spatial u = 0; (25-) gradient de la fonction de corrélation

mutuelle temporelle pour le décalage tempo-

rel T = 0; 3 R12(0): fonction de corrélation mutuelle temporelle pour le décalage temporel T = 0;

1' 92 valeurs moyennes des signaux S1(t) et S2(t).

Le premier facteur du côté droit de l'équation (4) est un terme géométrique qu'il faut déterminer une fois pour toutes, et qui résulte, comme on l'a expliqué à l'aide

des figures 4 et 5, de la structure et de la disposi-

tion des transducteurs. Le second facteur exprime la pente de la fonction de corrélation mutuelle temporelle, la division par R12(0)-g1j2 donnant la valeur réduite de la variable. Si l'expression R12(0)-i192 est nulle, on peut obtenir la valeur réduite sur la base de la valeur de l'autopuissance de l'un des deux signaux S1(t), S2(t)

ou sur la base de la racine carrée du produit des auto-

puissances des deux signaux.

L'équation (4) permet de voir que le gradient de la fonction de corrélation mutuelle spatiale ne doit

pas s'annuler puisqu'il est au nominateur. Cette condi-

tion n'est remplie que si les zones de détection des transducteurs se recouvrent de la façon que l'on a

expliquée à l'aide des figures 4 et 5.

Pour obtenir la pente de la fonction de corré-

lation mutuelle temporelle, dans le cas du dispositif de mesure de la figure 4, on peut là encore envoyer, après prétraitement dans un circuit de traitement du signal 2, les signaux de sortie S1(t) et S2(t) à un corrélateur 4 qui calcule la fonction de corrélation mutuelle temporelle. Mais on associe maintenant au corrélateur 4 un circuit d'évaluation 6 qui détermine

la pente de la fonction de corrélation mutuelle tempo-

relle pour la valeur T = 0 du décalage temporel et qui en déduit la vitesse du milieu. Naturellement, dans ce

cas également, le corrélateur 4 et le circuit d'ana-

lyse 6 peuvent être formés d'un micro-ordinateur pro-

grammé correctement.

Il y a de nombreuses possibilités de conce-

voir les transducteurs de façon que leurs zones de détection se recouvrent. Les figures 8 et 9 montrent, à titre d'exemple, un dispositif optique pour la mesure de la vitesse d'écoulement d'un milieu qui passe dans un tube de plexiglas 10. Le transducteur W1 contient, comme émetteur, une source lumineuse 11 et, comme récepteur, une photodiode 12. Le transducteur W2 contient, comme émetteur, une source lumineuse 13 et, comme récepteur, une photodiode 14. Chaque transducteur est étudié de façon à procurerune pondération très homogène de la section tubulaire en tenant compte de l'effet de lentille qu'a le tube en plexiglas 10. Les axes optiques des deux transducteurs se croisent à angle droit. Comme le montre la figure 9, les sources

lumineuses 11, 13 et les photodiodes 12, 14desdeux trans-

ducteurs sont un peu décalées l'une par rapport à l'autre le long de l'axe z du tube, de façon que les zones de détection des deux transducteurs se recouvrent à peu près à moitié. Pour plus de clarté, on a exagéré

l'étendue des sources lumineuses 11, 13 et des photodio-

des 12, 14 dans la direction de l'axe du tube z sur la figure 9. Dans ce cas le recouvrement des zones de détection est permis par la disposition croisée

des transducteurs.

La figure 8 montre également la conception des deux circuits de traitement du signal auxquels on amène les signaux de sortie S1(t) et S2(t) des transducteurs W1 et W2. Dans chaque circuit de traitement du signal, on amplifie d'abord le signal de sortie du transducteur correspondant dans un préamplificateur 15 puis on le filtre dans un filtre passe-haut 16, ce qui supprime

la valeur moyenne du signal. Après nouvelle amplifica-

tion dans un amplificateur 17, chaque signal est amené à un transducteur analogique/numérique 18 qui convertit le signal analogique, débarrassé de sa valeur moyenne, en un signal numérique convenant pour le traitement dans un micro-ordinateur. Au transducteur analogique/ numérique 18 se raccorde un micro-ordinateur 19 qui assure les fonctions du corrélateur 4 et du circuit

d'évaluation 6 de la figure 4.

Pour réaliser des zones de détection se recou-

vrant partiellement, on peut encore faire en sorte que chaque transducteur soit constitué de plusieurs éléments imbriqués avec les éléments de l'autre transducteur. La

figure 10 montre, comme exemple à ce sujet, un disposi-

tif de mesure à transducteurs capacitifs pour mesurer la vitesse d'un milieu en mouvement dans un tube 20. Le

transducteur W1 est constitué de cinq éléments trans-

ducteurs 21, 22, 23, 24, 25 dont chacun est formé, de la façon habituelle, de deux électrodes diamétralement situées-l'une en face de l'autre sur lapériphérie du tube 20. Les éléments transducteurs 21, 22, 23, 24, 25 sont disposés, le long de l'axe du tube, à des distances

telles qu'il y ait entre eux des intervalles libres.

Le transducteur W2 est constitué de la même façon de cinq éléments transducteurs 31, 32, 33, 34, 35 disposés le long de l'axe du tube à des distances telles qu'il y ait entre eux des intervalles libres. Les éléments 31 et 32 du transducteur W2 sont situés dans les intervalles qui séparent les éléments 23 et 24 et respectivement 24 et 25 du transducteur W1, ce qui donne aux zones de

détection des deux transducteurs W1 et W2 le recouvre-

ment désiré.

* Au lieu d'équiper chacun des deux transduc-

teurs d'éléments transducteurs qui lui sont propres, il est également possible de regrouper de façon différente les signaux de sortie des mêmes éléments transducteurs pour réaliser les zones de détection, se recouvrant,

de deux transducteurs. La figure 11 représente un dis-

positif de mesure comportant un alignement de photo-

diodes 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48 qui sont disposées - selon la direction z du mouvement du milieu en mouvement et qui reçoivent la lumière d'une source lumineuse commune 40. Chaque photodiode constitue, en liaison avec la source lumineuse, un élément transducteur et émet un signal de sortie électrique S41, S42... S48 influencé

par les défauts d'homogénéité du milieu en mouvement.

Les sorties des photodiodes sont reliées aux entrées de deux circuits d'addition 51 et 52 qui combinent, avec des signes différents, les signaux de sortie des photodiodes pour former les deux signaux S1(t) et S2(t) à corréler. Par exemple les signaux S1(t) et S2(t) peuvent être formés de la façon suivante: S1 (t) = +S41+S42-S43-S44+S45+S46 47-S48 S2(t) = -S41+s42+S43-S44-S45+S46 +S47 48 Cette réalisation des zones de détection en recouvrement présente l'avantage que les signaux S1(t) et S2(t) sont débarrassés de valeur moyenne, ce qui supprime la nécessité d'un filtre passe-haut. En outre on supprime ainsi l'effet d'écarts de concentration sur le résultat de la mesure. Bien entendu l'on peut également procéder de même avec, au lieu de photodiodes, des éléments transducteurs acoustiques, capacitifs ou autres. Au lieu d'utiliser deux circuits d'addition

pour combiner simultanément les signaux, on peut égale-

ment les combiner, avec le même circuit d'addition, en

multiplexage temporel.

On peut alors continuer à traiter, de la façon

expliquée précédemment, les signaux S1(t) et S2(t) obte-

nus avec les dispositifs de la figure 10 ou de la figure 11, pour former la fonction de corrélation mutuelle temporelle dont on obtiendra la pente pour la valeur T = O du décalage temporel et dont on déduira

ensuite la valeur de mesure de la vitesse v.

Au lieu d'exécuter ces opérations dans un micro-ordinateur, il est égalemeht possible d'obtenir

le résultat par traitement direct des signaux électri-

ques dans un circuit matériel.

La figure 12 représente un circuit de traite-

ment des signaux analogiques 60 convenant dans ce but et comportant deux entrées 61 et 62 auxquelles on amène les signaux de sortie S1l(t) et respectivement S2(t) de l'un des systèmes de transducteurs précédemment décrits, Dans un circuit de différentiation 63, on différentie en fonction du temps le signal analogique S1(t) amené à l'entrée 61. La sortie du circuit de différentiation

63 est reliée à l'une des entrées d'un circuit multi-

plicateur 64 qui reçoit, à son autre entrée, le signal S2(t). Le signal de sortie du circuit multiplicateur 64 est amené, par l'intermédiaire d'un filtre passe-bas 65, à l'une des entrées d'un circuit diviseur 66. Le signal S2(t) qui arrive à l'entrée 62 est amené aux deux entrées d'un second circuit multiplicateur 67 qui donne donc à la sortie un signal qui correspond au carré du signal S2(t). Ce signal est amené à l'autre entrée du circuit

diviseur 66 par l'intermédiaire d'un second filtre passe-

bas 68.

La multiplication des signaux dans le circuit

multiplicateur 64 correspond à la formation de la fonc-

tion de corrélation mutuelle pour la valeur T = 0 du décalage temporel, étant précisé que, par suite de la différentiation précédente du signal S1(t), le résultat correspond directement à la pente de la fonction de corrélation mutuelle. La division, qui suit, par le carré du signal S2(t) donne la variable réduite sur

la base de la valeur de l'autopuissance de ce signal.

Le signal de sortie du circuit diviseur 66 représente donc la pente de la fonction de corrélation mutuelle réduite pour la valeur T = 0 du décalage temporel et pourrait par exemple servir directement dans un appareil indicateur étalonné correctement 69 pour indiquer la

vitesse à mesurer v.

Comme dans le procédé traditionnel de mesure par corrélation, il n'est pas nécessaire d'employer, pour former et analyser la fonction de corrélation mutuelle, la totalité de l'information contenue dans

les signaux de sortie analogiques du transducteur.

Dans de nombreux cas, il suffit de ce que l'on appelle une corrélation de polarité, dans laquelle les signaux

d'entrée analogiques sont seulement binarisés, c'est-à-

dire quantifiés par un chiffre binaire. Cette binari-

sation peut s'employer aussi bien pour le traitement du signal par un micro-ordinateur que pour le traitement du signal par un circuit matériel. A titre d'exemple, la figure 13 montre un circuit matériel 70 qui travaille selon le même principe que le circuit de traitement du signal analogique 60 de la figure 12, mais qui est

conçu pour le traitement de signaux binarisés.

Le circuit 70 reçoit à l'entrée 71 le signal analogique S1(t) et à l'entrée 72 le signal analogique S2(t). Le signal analogique S1(t) est tout d'abord différentié dans un circuit de différentiation 73 dont le signal de sortie est binarisé dans un circuit de

numérisation 74. Le signal de sortie binarisé du cir-

cuit de numérisation 74 est amené à l'une des entrées d'un circuit XOR (OU exclusif)75. Le signal analogique S2(t) amené à l'entrée 72 est binarisé dans un second circuit de numérisation 77 après filtrage dans un filtre passe-haut 76. Le signal de sortie binarisé du circuit de numérisation 77 est amené à la seconde entrée du circuit XOR 75. La combinaison logique des signaux binaires dans le circuit XOR 75 correspond, comme on le sait, à la multiplication corrélative. Il n'est pas nécessaire d'établir une valeur réduite sur la base de la valeur de l'autopuissance, étant donné que la binarisation donne automatiquement la valeur réduite sur la base de la racine du produit des valeurs des autopuissances des deux signaux. Après filtrage dans un filtre passe-bas 78, le signal de sortie du circuit XOR 75 représente donc la pente de la fonction de corrélation mutuelle réduite pour la valeur T = O du décalage temporel et peut être amené à un appareil indicateur convenablement étalonné 79 pour donner une

indication directe de la vitesse à mesurer.

Le premier moment du spectre de densité de la puissance mutuelle des signaux S1(t) et S2(t) est mathématiquement équivalent à la pente de la fonction de corrélation mutuelle réduite pour la valeur T = O du décalage temporel. Il est donc également possible de programmer le microordinateur, ou de concevoir le circuit câblé utilisé à sa place, pour qu'il donne un résultat qui corresponde au premier moment du spectre de densité de la puissance mutuelle des signaux. De cette valeur on peut déduire la vitesse à mesurer v de la même façon que de la pente de la fonction de corrélation mutuelle réduite pour la valeur T = 0 du

décalage temporel.

Il est rappelé que le spectre de densité de puissance mutuelle de deux signaux est la transformée de Fourier de la fonction de corrélation mutuelle de ces signaux. Il est également rappelé que le premier moment M d'une fonction est l'intégrale n +x Mn = x n f (x) d(x) Le premier moment du spectre de densité de puissance mutuelle représente donc, à un facteur près,

le barycentre de fréquence des signaux.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif pour mesurer, sans contact, la vitesse d'un milieu en mouvement, comportant deux transducteurs (W1, W2) dont les zones de détection sont décalées l'une par rapport à l'autre dans le sens du mouvement du milieu et qui fournissent des signaux électriques (S1(t), S2(t)) dans lesquels les

défauts d'homogénéité du fluide en mouvement intervien-

nent en fonction de leur position spatiale, selon des fonctions de pondération spatiale différentes, et comportant un dispositif pour obtenir la valeur de mesure en combinant par corrélation les deux signaux, caractérisé en ce que les zones de détection des deux transducteurs (W1, W2) se recouvrent partiellement de

façon telle que le gradient de la fonction de corréla-

tion mutuelle spatiale (412(u)) des fonctions de pondé-

ration spatiales (g1(z), g2(z)) soit différent du vec-

teur nul pour le décalage spatial nul; et en ce que la valeur de mesure est déduite à partir de la pente de la fonction de corrélation mutuelle temporelle (R12(T)) des deux signaux (S1(t), S2(t)) pour la valeur zéro du décalage temporel, ou bien à partir du premier moment du spectre de densité de la puissance mutuelle des deux

signaux (S1(t), S2(t)).

2. Dispositif selon la revendication 1, carac-

térisé en ce que les deux transducteurs (11, 12; 13, 14) ont des axes qui se croisent et sont décalés l'un par rapport à l'autre avec un recouvrement réciproque dans

le sens du mouvement du milieu.

3. Dispositif selon la revendication 1, carac-

térisé en ce que chaque transducteur (W1, W2) est cons-

titué de plusieurs éléments transducteurs (21 à 25; 31 à 35) disposés le long de la direction du mouvement; et en ce que, pour créer des zones de détection qui se recouvrent, des éléments transducteurs (24, 25; 31, 32) des deux transducteurs sont imbriqués les uns avec les autres.

4. Dispositif selon la revendication 1, carac-

térisé en ce que les zones de détection des deux trans-

ducteurs (W1, W2) qui se recouvrent sont réalisées en regroupant de façon différente les signaux de sortie de plusieurs éléments transducteurs (41 à 48) disposés

le long de la direction du mouvement.