FR2739686A1

FR2739686A1 - Systeme de mesure de quantite de fluide

Info

Publication number: FR2739686A1
Application number: FR9612217A
Authority: FR
Inventors: Harry Atkinson
Original assignee: Smiths Group PLC
Current assignee: Smiths Group PLC
Priority date: 1995-10-04
Filing date: 1996-10-03
Publication date: 1997-04-11
Anticipated expiration: 2016-10-03
Also published as: DE19637978A1; GB9520235D0; JP3814347B2; DE19637978B4; FR2739686B1; JPH09126862A; US5670710A

Abstract

La présente invention concerne un système de mesure de quantité de fluide. Ce système de mesure ultrasonique de combustible comporte plusieurs transducteurs ultrasoniques (31, 32, 33) montés sur le bas (4) d'un réservoir (1), les transducteurs n'ayant pas de contrainte au moyen d'un tube ou d'une tige creuse de sorte qu'ils peuvent propager chacun de l'énergie divergeante vers le haut vers la surface du combustible. Chaque transducteur reçoit une réflection de sa propre énergie propagée d'une zone (D, E, F) de la surface du fluide directement au-dessus de lui et reçoit également de l'énergie des autres transducteurs réfléchis par des zones (G, H, I) de la surface du combustible entre les transducteurs directement au-dessus de lui. En utilisant trois transducteurs, les hauteurs de six zones différentes de la surface du combustible peuvent être mesurées.

Description

SYSTEME DE MESURE DE QUANTITE DE FLUIDE

Cette invention concerne un système de mesure de quantité de fluide pour mesurer la hauteur d'une interface entre deux fluides ayant des

propriétés acoustiques différentes.

Cette invention concerne plus particulièrement des systèmes ultrasoniques ou d'autres systèmes acoustiques pour mesurer la hauteur de fluides. Des appareils ultrasoniques peuvent être utilisés pour mesurer la hauteur d'un liquide ou d'un autre fluide dans un conteneur. Un transducteur positionné vers l'extrémité inférieure du conteneur génère des impulsions d'énergie acoustique dirigées vers le haut en direction de la surface du liquide. Lorsque l'énergie rencontre l'interface entre le liquide et l'air ou d'autres gaz au-dessus du liquide, une partie de l'énergie est réfléchie en arrière vers le transducteur. Une électronique associée mesure le temps entre la transmission d'une pulsion et la réception de l'impulsion réfléchie, et à partir de ceci, mesure la hauteur du liquide au-dessus du transducteur. Si le conteneur de liquide est fixe, comme par exemple une citerne enterrée de stockage de combustible, un seul transducteur est suffisant pour déterminer la hauteur et ainsi, la quantité de liquide à mesurer. Si le conteneur n'est pas stationnaire, comme dans un véhicule, I'angle de la surface du liquide par rapport au conteneur change lors de modifications d'attitude ou d'accélération. Pour cette raison, il est généralement nécessaire d'avoir plusieurs sondes de mesure de liquide dans chaque conteneur de sorte que la hauteur du liquide en différents points et ainsi, I'angle de la surface du combustible peuvent être calculés. Plus le nombre de sondes utilisées est grand, plus l'angle de la surface du combustible peut être calculé avec précision, parce que la surface du combustible n'est généralement pas complètement plane à cause de vagues ou d'autres mouvements. Les sondes

ultrasoniques ont généralement un tube ou une tige creuse s'étendant au-

dessus du transducteur qui est rempli avec le liquide jusqu'à la même hauteur que le liquide à l'extérieur du transducteur. Le but du tube est d'atténuer les vagues sur la surface du liquide et de confiner l'énergie dans le tube de sorte

que les sondes adjacentes n'interfèrent pas les unes avec les autres.

L'utilisation de tubes augmente toutefois le poids et rend plus difficile le montage des sondes. Des exemples de systèmes de mesure ultrasonique

sont décrits dans GB-2270160, GB 2265005 et GB 2265219.

Un objet de la présente invention est de fournir un système amélioré

de mesure de quantité.

Ce but est atteint par un système de mesure de quantité de fluide du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que le système comporte un premier transducteur acoustique qui propage de l'énergie acoustique divergente en direction de l'interface et reçoit de l'énergie acoustique du premier transducteur, réfléchie par une première zone de l'interface, un deuxième transducteur acoustique espacé du premier transducteur acoustique, le deuxième transducteur acoustique propageant de l'énergie acoustique divergente en direction de l'interface et recevant de l'énergie acoustique du deuxième transducteur, réfléchie par une deuxième zone de l'interface espacée de la première zone, en ce que le premier transducteur reçoit de I'énergie acoustique du deuxième transducteur, réfléchie par une troisième zone de l'interface espacée des première et deuxième zones, et en ce que le système calcule la hauteur des première, deuxième et troisième zones à partir de l'énergie acoustique reçue par les premier et deuxième transducteurs. Le deuxième transducteur peut recevoir de l'énergie du premier transducteur après réflexion par la troisième zone, le système calculant la -3 hauteur de la troisième zone à partir de l'énergie reçue par le premier

transducteur ainsi qu'à partir de l'énergie reçue par le deuxième transducteur.

De préférence, le système comporte également un troisième transducteur éloigné d'une ligne reliant les premier et deuxième transducteurs, le troisième transducteur propageant de l'énergie acoustique divergente en direction de l'interface et recevant de l'énergie du troisième transducteur, réfléchie par une quatrième zone de l'interface, le système calculant la hauteur de la quatrième zone à partir de l'énergie du troisième

transducteur reçue par le troisième transducteur.

Le premier transducteur peut recevoir de l'énergie du troisième transducteur, réfléchie par une cinquième zone de l'interface, le système calculant la hauteur de la cinquième zone à partir de l'énergie du troisième

transducteur reçue par le premier transducteur.

Le deuxième transducteur peut recevoir de l'énergie du troisième transducteur réfléchie par une sixième zone de l'interface, le système calculant la hauteur de la sixième zone à partir de l'énergie du troisième

transducteur reçue par le deuxième transducteur.

Le système peut comporter quatre transducteurs disposés de façon

asymétrique les uns par rapport aux autres.

Les transducteurs sont de préférence disposés de façon à propager un

front d'ondes essentiellement hémisphérique.

Le système peut comporter un assemblage de réflecteurs monté au-

dessus de l'un des transducteurs de façon à réfléchir de l'énergie acoustique

en retour vers ledit transducteur à partir d'une hauteur fixée.

L'assemblage de réflecteur comporte de préférence au moins trois pattes essentiellement en forme de quart de cercle, reliées les unes aux autres, le transducteur étant placé au centre de courbure des pattes de façon que l'énergie acoustique soit réfléchie en même temps depuis chaque point le

long des pattes.

Plusieurs systèmes de mesure ultrasonique de combustible en accord avec la présente invention seront décrit maintenant, au moyen d'exemples, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective représentant schématiquement un système utilisant deux transducteurs; - la figure 2 est une vue en perspective représentant un réservoir avec trois transducteurs; - la figure 3 est une vue en plan illustrant un réservoir avec quatre transducteurs; et - la figure 4 est une vue en perspective d'un assemblage de réflecteurs utilisé

avec les transducteurs.

En référence à la figure 1, il est illustré un système de mesure de combustible selon la présente invention dans sa forme la plus simple. Le système comporte un réservoir de combustible 1 contenant un combustible 2, l'espace au-dessus de la surface du combustible 3 étant rempli d'air. Deux transducteurs 5 et 6 sont montés à l'intérieur du réservoir, sur son plancher 4, en des positions éloignées les unes des autres. Les transducteurs 5 et 6 sont des transducteurs ultrasoniques qui propagent de l'énergie ultrasonique acoustique avec un front d'onde hémisphérique, ou un autre motif divergent, de sorte que l'énergie touche une surface relativement grande de la surface de combustible au-dessus des transducteurs. Les transducteurs 5 et 6 sont des dispositifs piézoélectriques et peuvent avoir un élément piézo-électrique de forme hémisphérique entre deux électrodes de sorte qu'ils produisent un front d'ondes hémisphérique lorsqu'ils sont alimentés. Les transducteurs 5 et 6 ne sont pas confinés dans un tube ou une tige creuse, de façon que l'énergie propagée ne subisse pas de contrainte, c'est-à-dire qu'elle est libre de diverger jusqu'à ce qu'elle rencontre l'interface entre le combustible 2 et l'air. Comme le combustible et l'air ont des propriétés acoustiques différentes, une partie de l'énergie ultrasonique sera réfléchie à l'interface. Chaque transducteur recevra de l'énergie réfléchie par la surface, provenant aussi bien de lui-même que de l'autre transducteur. L'espace entre les deux transducteurs 5 et 6 est choisi de façon à être aussi grand que possible tout en garantissant que chaque transducteur peut recevoir de l'énergie de l'autre transducteur, réfléchie par la surface du combustible sur une gamme

maximale de hauteurs de combustible.

Les deux transducteurs 5 et 6 sont connectés à une unité électronique qui fournit une sortie représentative de la quantité de combustible à un affichage 11 ou à d'autres moyens d'utilisation. L'unité électronique 10 comporte une première unité 15 de transmission/réception connectée au transducteur 5 et une deuxième unité 16 de transmission/réception connectée à l'autre transducteur 6. Les deux unités de transmission/réception 15 et 16 fournissent de l'énergie électrique au transducteur 5 et 6, de la manière conventionnelle, pour les commander de façon à produire des paquets d'énergie acoustique à des fréquences ultrasoniques et pour recevoir des signaux électriques des transducteurs provenant de la réception d'énergie ultrasonique. Les sorties des unités 15 et 16 de transmission/réception sont fournies à une unité de calcul 17. Un premier circuit 18 dans l'unité de calcul 17 reçoit la sortie de l'unité 15 de transmission/réception et calcule la hauteur Ha de combustible dans une zone A directement au-dessus du transducteur , à partir du temps entre la transmission du paquet d'énergie du transducteur et sa réception par ce transducteur après réflexion sur la surface du combustible. De manière similaire, un second circuit 19 calcule la hauteur Hb de la zone B du combustible au-dessus de l'autre transducteur 6. Un troisième circuit 20 reçoit les sorties des deux unités 15 et 16 de transmission/réception. Le troisième circuit 20 utilise le temps entre la transmission d'une impulsion du transducteur 5 et sa réception par l'autre transducteur 6 après réflexion par une zone C de la surface du combustible entre les deux zones A et B, pour déterminer la hauteur Hc de la zone C, en connaissant la distance entre les deux transducteurs. La zone C est espacée de façon égale entre les deux zones A et B lorsque la surface du combustible est parallèle au plancher 4 du réservoir 1, mais se déplace plus près d'une des zones A ou B lorsque la surface est inclinée. Le troisième circuit 20 peut également, selon une option, mesurer la hauteur Hc à partir du temps entre la transmission d'une impulsion du transducteur 6 et sa réception par le transducteur 5 après réflexion sur la même zone C. Cette mesure de la hauteur Hc peut être utilisée pour confirmer le premier calcul de Hc ou pour produire une valeur moyenne de la hauteur. Selon une alternative, elle pourrait également être utilisée à la place du premier calcul, par exemple si l'un des transducteurs avait un défaut partiel (tel que par exemple qu'il soit capable de transmettre, mais pas de recevoir). L'unité électronique 10 comporte également un circuit supplémentaire 21 qui reçoit les informations des hauteurs Ha, Hb et Hc des circuits 18 à 20 et calcule le volume de combustible présent en connaissant la géométrie du réservoir. Au lieu d'utiliser des circuits pour réaliser ces différents calculs, un processeur ou un logiciel peut être utilisé pour réaliser plusieurs de ces calculs. Des arrangements pour calculer le volume de liquide à partir de hauteur en différents endroits dans des réservoirs irréguliers sont bien connus. Il est à noter que ce système peut comporter des entrées à partir d'autres capteurs, tels que des densimètres, ou similaires, comme cela est bien connu, pour

permettre de calculer la masse de combustible.

Le système décrit ci-dessus permet des mesures de hauteur en trois points différents en utilisant seulement deux transducteurs. Les trois points sont toutefois localisés sur une ligne commune de sorte que l'information n'identifie pas de manière unique l'attitude de la surface du combustible, bien que cette information puisse donner une mesure suffisamment précise de la quantité de fluide lorsque le réservoir est étroit et allongé le long de la ligne rejoignant les deux transducteurs. Lorsqu'il est nécessaire de connaître de façon unique l'attitude de l'interface fluide/air, il est nécessaire d'utiliser au

moins trois transducteurs comme cela est illustré par la figure 2.

Les trois transducteurs 31 à 33 représentés par la figure 2 sont

positionnés aux sommets d'un triangle sur le plancher du réservoir 1, c'est-à-

dire que chaque transducteur est éloigné d'une ligne rejoignant les deux autres transducteurs. Les transducteurs 31 à 33 génèrent de l'énergie acoustique divergente vers le haut vers l'interface combustible air au-dessus d'eux. Chaque transducteur 31 à 33 reçoit de l'énergie réfléchie respectivement par une zone D, E ou F de la surface du combustible directement au-dessus de chaque transducteur; les temps de réception de ces signaux réfléchis étant utilisés pour calculer les hauteurs de combustible Hd, He et Hf de la manière usuelle. Par la nature divergente de l'énergie transmise par chaque transducteur 31 à 33 et parce que cette énergie n'est pas confinée par des tiges creuses, chaque transducteur reçoit également de l'énergie des deux autres transducteurs par réflexion sur la surface du combustible. Plus particulièrement, le transducteur 31 reçoit de l'énergie du transducteur 32 après réflexion sur la zone G (entre les zones D et E) et l'énergie du transducteur 33 après réflexion sur la zone H (entre les zones D et F). Le transducteur 32 reçoit de l'énergie du transducteur 31 après réflexion sur la zone G et l'énergie du transducteur 33 après réflexion sur la zone I (entre les zones E et F). Le transducteur 33 reçoit de l'énergie des

transducteurs 31 et 32 après réflexion sur les zones H et I respectivement.

Les hauteurs Hg, Hh et Hi sont calculées à partir des sorties de ces trois transducteurs 31 à 33 produites par l'énergie réfléchie par l'un des autres transducteurs. Ainsi, un total de six hauteurs différentes peut être calculé,

permettant de déterminer de façon unique la position de l'interface fluide/air.

Si quatre transducteurs 41 à 44 sont utilisés, comme cela est représenté par la figure 3, il est possible de mesurer dix hauteurs différentes Hj à Hs de zones J à S de la surface du combustible. Lorsque plus de trois transducteurs sont utilisés, il est préférable qu'ils soient positionnes de façon asymétrique les uns par rapport aux autres, de façon à réduire le risque que des impulsions reçues par un transducteur provenant des autres

transducteurs arrivent au même moment.

Avec un système conventionnel, chaque sonde mesure uniquement

une seule hauteur de sorte que quatre sondes mesurent quatre hauteurs.

I0 L'augmentation du nombre de sondes augmente le nombre de mesures de hauteur possibles comme illustré ci-dessous: Nombre de sondes Nombre de mesures de hauteur

1 1

2 3

3 6

4 10

15

6 21

7 28

8 36

9 45

55

Grâce au nombre élevé de mesures de hauteur possibles avec le présent système, le nombre de transducteurs dans chaque réservoir peut être réduit, avec comme conséquence, une réduction de poids, de problèmes

d'installation et de câblage.

Il est connu dans les sondes ultrasoniques ayant une tige creuse, d'utiliser des réflecteurs montés dans la tige creuse en des positions connues espacées les unes des autres le long de la longueur de la tige creuse. Ceci permet une plus grande précision dans la mesure de la hauteur, spécialement lorsqu'il y a une stratification du fluide, c'està-dire, des couches de densité différentes provoquées par des différences de température. Un exemple d'une sonde ayant des réflecteurs est décrit dans GB 2265219. Dans l'arrangement selon la présente invention, il est également possible de compenser les effets de cette stratification en utilisant des réflecteurs fixes. Un assemblage de réflecteurs à structure ouverte ou de

tour de stratification 50 du type représenté par la figure 4 peut être utilisé.

Cette tour 50 a trois pattes 51 en forme de quarts de cercles s'étendant radialement à partir d'un point central et orientées à 120 les unes par rapport aux autres. Les pattes 51 supportent un mât 52 qui se projette verticalement vers le haut à partir du point central entre les trois pattes et supporte trois potences horizontales 53 à 55 à des intervalles espacés le long du mât. Un transducteur 56 est placé directement en dessous du mât 52, au centre de courbure des pattes 51. Les pattes 51 et les potences 53 à 55 agissent comme réflecteurs. Les pattes 51 produisent une réflexion de grande amplitude parce qu'elles réfléchissent un front d'ondes hémisphérique à partir du transducteur 52 en tous points le long des pattes, simultanément; les autres réflecteurs produisent des réflexions d'amplitude plus faible. Un nombre différent de réflecteurs peut être utilisé, si désiré. Il n'est pas nécessaire que chaque transducteur ait une tour de stratification associée, car les effets de la stratification sur un transducteur peuvent être utilisés pour

compenser les sorties de tous les transducteurs.

Il est possible que les transducteurs soient positionnés à l'extérieur du réservoir et propagent une énergie acoustique à travers une fenêtre transparente du plancher, parce qu'aucune tige n'est utilisée. Ceci facilite

l'installation, la maintenance et le remplacement des transducteurs.

Il est à noter que l'invention ne se limite pas à mesurer la hauteur d'une interface combustible/air, mais pourrait également être utilisée pour mesurer la hauteur de n'importe quelle interface entre deux fluides ayant des o10 propriétés acoustiques différentes, par exemple de l'huile et de l'eau. Le transducteur pourrait être monté au-dessus de l'interface et propager de l'énergie vers le bas. L'énergie acoustique pourrait être à des fréquences en

dehors de la gamme des ultrasons.

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Claims

REVENDICATIONS

1. Système de mesure de quantité de fluide pour mesurer la hauteur d'une interface entre deux fluides ayant des propriétés acoustiques différentes, caractérisé en ce que le système comporte un premier transducteur acoustique (5, 31, 41) qui propage de l'énergie acoustique divergente en direction de l'interface (3) et reçoit de l'énergie acoustique du premier transducteur (5, 31, 41), réfléchie par une première zone (A, D, J) de l'interface, un deuxième transducteur acoustique (6, 32, 42), espacé du premier transducteur acoustique, le deuxième transducteur acoustique (6, 32, 42) propageant de l'énergie acoustique divergente en direction de l'interface (3) et recevant de l'énergie acoustique du deuxième transducteur (6, 32, 42) réfléchie par une deuxième zone (B, E, K) de l'interface (3), espacé de la première zone (A, D, J), en ce que le premier transducteur (5, 31, 41) reçoit de l'énergie acoustique du deuxième transducteur (6, 32, 42), réfléchie par une troisième zone (C, G, N) de l'interface (3) espacée des première et deuxième zones (A, D, J et B, E, K), et en ce que le système calcule la hauteur des première, deuxième et troisième zones à partir de l'énergie acoustique reçue par les premier et deuxième transducteurs (5, 31, 41 et 6,

32, 42).

2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième transducteur (6, 32, 42) reçoit de l'énergie du premier transducteur (5, 31, 41) après réflexion par la troisième zone (C, G, N), et en ce que le système calcule la hauteur de la troisième zone (C, G, N) à partir de l'énergie reçue par le premier transducteur (5, 31, 41) ainsi qu'à partir de l'énergie reçue par

le deuxième transducteur (6, 32, 42).

3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le système comporte un troisième transducteur (33, 43) éloigné d'une ligne reliant les premier et deuxième transducteurs (31, 41 et 32, 42), le troisième transducteur (33, 43) propageant de l'énergie acoustique divergente en direction de l'interface et recevant de l'énergie du troisième transducteur (33, 43), réfléchie par une quatrième zone (F, L) de l'interface, et en ce que le système calcule la hauteur de la quatrième zone (F, L) à partir de l'énergie du

troisième transducteur (33, 43) reçue par le troisième transducteur.

4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier transducteur (31, 41) reçoit de l'énergie du troisième transducteur (33, 43), réfléchie par une cinquième zone (H, R) de l'interface, et en ce que le système calcule la hauteur de la cinquième zone (H, R) à partir de l'énergie

du troisième transducteur (33, 43) reçue par le premier transducteur (31, 41).

5. Système selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le deuxième transducteur (32, 42) reçoit de l'énergie du troisième transducteur (33, 43), réfléchie par une sixième zone (I, O) de l'interface, et en ce que le système calcule la hauteur de la sixième zone (I, O) à partir de l'énergie du troisième

transducteur (33, 43) reçue par le deuxième transducteur (32, 42).

6. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes,

caractérisé en ce que le système comporte quatre transducteurs (41 à 44)

disposés de façon asymétrique les uns par rapport aux autres.

7. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes,

caractérisé en ce que les transducteurs (5 et 6, 31 à 33, 41 à 44) propagent

un front d'ondes essentiellement hémisphérique.

8. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes,

caractérisé en ce que le système comporte un assemblage de réflecteurs (50) monté au-dessus de l'un des transducteurs (56) de façon à réfléchir de I'énergie acoustique en retour vers le transducteur à partir d'une hauteur fixée.

9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'assemblage de réflecteur (50) comporte au moins trois pattes (51) essentiellement en forme de quart de cercle, reliées les unes aux autres, et en ce que le transducteur (56) est placé au centre de courbure des pattes (51) de façon que l'énergie acoustique est réfléchie en même temps depuis chaque point le long des pattes.