FR2787880A1 - Dispositif et procede de mesure ultrasonore de debit de fluide comportant un convertisseur analogique numerique sigma-delta passe bande - Google Patents
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Abstract
L'abrégé est relatif à un dispositif de mesure ultrasonore d'un débit de fluide comportant un premier et un second transducteur (1, 2) placés dans le fluide dont le débit est à déterminer.Le dispositif comprend des moyens de traitement (21) du signal analogique issu du transducteur récepteur, destinés à le transformer en un signal numérisé utilisé pour la détermination du débit de fluide. Lesdits moyens de traitement (21) du signal analogique comportent un convertisseur Sigma-Delta passe bande comprenant un filtre de boucle passe bande (22) dont l'entrée est reliée à la sortie dudit transducteur récepteur, un convertisseur analogique numérique (24) dont l'entrée est reliée à la sortie dudit filtre de boucle (22), la sortie dudit convertisseur analogique numérique (24) formant la sortie numérique dudit convertisseur analogique numérique (21), et un convertisseur numérique analogique (26), formant une boucle de rétroaction, reliant la sortie du convertisseur analogique (24) à l'entrée dudit filtre de boucle (22). Selon le mode de réalisation préféré, le filtre de boucle passe bande (22) du convertisseur Sigma-Delta passe bande est constitué par le transducteur récepteur.
Description
- 1 - La présente invention est relative à un dispositif et à un procédé
de mesure ultrasonore de débit de fluide comportant un convertisseur analogique numérique Sigma-Delta passe bande. Un compteur de fluide à ultrasons comprend deux transducteurs ultrasonores qui définissent entre eux un trajet de mesure. Chaque transducteur est utilisé alternativement
en mode émission et en mode réception.
Le principe de la mesure acoustique d'un débit de fluide consiste à déterminer la vitesse du fluide en écoulement, en calculant les temps de propagation du signal acoustique entre les deux transducteurs dans les sens amont et aval de l'écoulement du fluide. Le calcul du temps de vol de l'onde ultrasonore s'effectue grâce à une mesure de temps
et/ou une mesure de phase.
Le débit ainsi que le volume de fluide qui s'est écoulé au bout d'un temps donné se
détermine alors aisément à partir de la mesure de la vitesse du fluide.
Un tel dispositif ultrasonore est bien connu de. Jhomme de l'art et a été par exemple décrit dans la demande de brevet FR 96 06258. Il en est de même du procédé de mesure
acoustique décrit par exemple dans la demande de brevet FR 95 11221.
Les compteurs de fluide utilisant le principe de la débitmétrie ultrasonore sont totalement autonomes, ils ne dépendent pas du réseau de distribution d'électricité. Ces compteurs qui intègrent une électronique de plus en plus perfectionnée, permettant l'amélioration de leurs performances métrologiques, offrant aux consommateurs diverses informations sur la consommation et permettant le télérelevé de la consommation et/ou le télépéage des factures, sont alimentés par une pile dont la longévité est limitée dans le temps et dont l'autonomie dépend fortement de
l'architecture des circuits électroniques utilisés.
L'architecture d'une chaîne complète d'acquisition et de traitement des mesures d'un compteur de fluide à ultrasons selon l'art antérieur est représentée sur la figure 1. Un tel compteur de fluide à ultrasons comprend deux transducteurs 1 et 2 disposés dans une cavité 3 dans laquelle s'écoule un fluide. Les deux transducteurs sont reliés à une unité -2 - de commutation 4 de telle sorte que lorsque le premier transducteur 1 fonctionne en mode émission, le deuxième transducteur 2 fonctionne en mode réception et inversement. Dans le cas o le premier transducteur 1 émet une onde ultrasonore UW qui se propage dans l'écoulement de fluide, le transducteur 2 reçoit ladite onde ultrasonore après un temps caractéristique de la vitesse de l'écoulement et transforme l'onde ultrasonore en un signal analogique. L'unité de commutation 4 est reliée à un amplificateur à gain programmable 6 qui assure un filtrage et une amplification pleine
échelle du signal analogique destiné au convertisseur analogique numérique 8.
L'amplificateur à gain programmable 6 est relié à un convertisseur analogique numérique 8 bits de fréquence d'échantillonnage 320 kHz. Le convertisseur analogique numérique 8 fournit un signal numérique nécessaire pour la détermination des temps de propagation du signal acoustique ULTW entre les deux transducteurs 1 et 2. Le convertisseur analogique numérique 8 est relié à une mémoire RAM 10 de 2x256 octets qui stocke les signaux, en attendant leur traitement par le micro- contrôleur 12. Le micro-contrôleur 12, qui met en oeuvre le traitement des signaux mémorisés et calcule les résultats relatifs au débit, est relié à un ensemble d'unités 13 différentes permettant par exemple l'affichage, la communication avec l'extérieur, la gestion des modes
d'économie d'énergie, la mémorisation des données de fonctionnement. Le micro-
contrôleur 12 est également relié à un séquenceur 14. Le séquenceur 14 commande les séquences de tir des ondes ultrasonores par les transducteurs 1 et 2 par l'intermédiaire d'un tampon de transmission 16 comprenant un convertisseur numérique analogique et un amplificateur, ainsi que l'échantillonnage effectué par le convertisseur analogique numérique 8 et la mémorisation des signaux par la mémoire 10. Une pile (non représentée) fournit de manière classique par le biais d'un ensemble de connexions (non
représentées) l'énergie nécessaire au fonctionnement des différents composants.
L'association de l'amplificateur à gain programmable et du convertisseur analogique numérique correspond à une architecture complexe, qui consomme 30 à 40 % des besoins de l'ensemble de l'électronique du compteur. De plus un tel dispositif de conversion analogique numérique introduit un bruit de quantification lors de la numérisation qui dégrade la précision des mesures. Un tel convertisseur analogique -3 - numérique dit classique convertit avec la même résolution un signal dont la fréquence
peut varier du continu à la demi-fréquence d'échantillonnage.
Il est connu par l'homme de l'art que la transformation par un convertisseur analogique numérique d'un signal analogique en un signal numérique est une source majeure d'erreur communément appelé bruit de quantification. Une technique connue de l'homme de l'art (voir par exemple Delta-Sigma Data Converters-Theory, Design, and Simulation, par Steven R. Norsworthy et al., IEEE Press, New York 1997) pour réduire ce bruit de quantification est l'utilisation de la conversion Sigma- Delta. Une réduction
du bruit est obtenue grâce à la conversion Sigma-Delta car le convertisseur Sigma-
Delta du fait de son architecture permet de prendre en compte les erreurs de conversion
faites lors des conversions précédentes afin de corriger les conversions suivantes.
Par ailleurs, un autre aspect de la conversion Sigma-Delta concerne le principe
particulier de codage de l'information qui en résulte. En effet, la conversion Sigma-
Delta est un principe de codage de l'informa.tion sur un faible nombre de bits, échantillonné à fréquence élevée afin d'augmenter ultérieurement la résolution. Ce principe de conversion est basé sur un principe de fonctionnement analogue à celui de la conversion Delta, qui consiste à coder la différence entre l'amplitude d'un échantillon et l'amplitude de l'échantillon précédent. Par exemple, dans le cas d'un codage sur 1 bit, le convertisseur Sigma-Delta va généré en sortie un train binaire (alternance de "0" et de "1") constitué d'un régime périodique dont la période fondamentale est proportionnelle à la tension d'entrée. Le convertisseur réagit comme un convertisseur tension- fréquence que l'on synchronise sur une horloge d'échantillonnage. Un filtre numérique dit filtre décimateur disposé en sortie du convertisseur Sigma-Delta convertit le signal codé sur un faible nombre de bits à fréquence élevée en un signal de débit plus faible mais codé
sur un plus grand nombre de bits.
Le principe de la conversion Sigma-Delta peut être étendu à la conversion de signaux centrés autour d'une fréquence particulière. Le convertisseur employé est alors un convertisseur Sigma-Delta passe bande. Le filtre du convertisseur qui était précédemment un intégrateur est remplacé par un résonateur. Le filtre numérique en sortie du convertisseur Sigma-Delta n'est plus un décimateur mais un filtre passe- bande -4- suivi d'un démodulateur. Il est connu dans le domaine des télécommunications et en particulier de la radio numérique d'utiliser des convertisseurs analogique numérique Sigma-Delta passe bande afin d'éliminer le bruit de quantification (voir par exemple "A Fourth-Order Bandpass Sigma-Delta Modulator" Stephen A. Jantzi et al., IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 28, No. 3, March 1993, p. 282 à 291). Un objet de la présente invention vise à remédier aux inconvénients de la chaîne d'acquisition et de traitement des mesures des compteurs de fluide à ultrasons de l'art antérieur et notamment de diminuer la complexité et la consommation du dispositif de
numérisation.
Un autre objet de la présente invention est, en particulier, de réduire le bruit de quantification lors de la numérisation du signal analogique et d'augmenter les
performances du convertisseur.
Ces objets sont atteints selon l'invention en remplaçant la chaîne de numérisation de l'art
antérieur par un convertisseur Sigma-Delta.
De façon plus précise l'invention concerne un dispositif de mesure ultrasonore d'un débit de fluide comportant: - un premier et un second transducteurs placés dans le fluide dont le débit est à déterminer, l'un des transducteurs, encore appelé transducteur émetteur, fonctionnant en mode émetteur lorsque l'autre transducteur, appelé transducteur récepteur, fonctionne en mode récepteur, le transducteur émetteur étant destiné à émettre une onde ultrasonore dans le fluide, le transducteur récepteur étant destiné à transformer ladite onde ultrasonore en un signal analogique, - des moyens de traitement dudit signal analogique, reliés au transducteur récepteur et destinés à transformer ledit signal analogique en un signal numérisé utilisé pour la détermination du débit de fluide, caractérisé en ce que lesdits moyens de traitement du signal analogique comportent un convertisseur Sigma-Delta passe bande comprenant: - un filtre passe bande dont l'entrée est reliée à la sortie dudit transducteur récepteur, -5- - un convertisseur analogique numérique dont l'entrée est reliée à la sortie dudit filtre de boucle, la sortie dudit convertisseur analogique numérique formant la sortie numérique dudit convertisseur Sigma-Delta, et - un convertisseur numérique analogique, formant une boucle de rétroaction, reliant la sortie du convertisseur analogique numérique à l'entrée dudit filtre. Les transducteurs utilisés dans le dispositif selon l'invention, sont des transducteurs de type piézo-électrique possédant une fonction de transfert passe-bande limitée en fréquence, par exemple 40 kHz + 1,5 kHz. L'information utile se trouvant uniquement dans cette bande de fréquence, il est avantageux de n'amplifier et de ne convertir que les
signaux se trouvant dans cette bande de fréquence.
Selon le mode de réalisation préféré de la présente invention, le dispositif de mesure ultrasonore d'un débit de fluide est caractérisé en ce que le filtre de boucle passe bande
du convertisseur Sigma-Delta passe bande est constitué par le transducteur récepteur.
Ainsi le transducteur joue alternativement le rôle--e récepteur mais aussi de filtre passe bande dans la boucle du convertisseur Sigma-Delta passe bande, ce qui permet d'optimiser la conversion analogique numérique dans la bande de fréquence intéressante. La présente invention a aussi pour objet un procédé de mesure ultrasonore de débit de
fluide comportant un convertisseur analogique numérique Sigma-Delta passe bande.
Selon l'invention, le procédé de mesure ultrasonore d'un débit de fluide entre deux transducteurs selon lequel le débit de fluide est déterminé grâce à une mesure de temps de propagation et/ou une mesure de déphasages acoustiques des signaux acoustiques se propageant dans le fluide en écoulement entre deux transducteurs dans les sens amont et aval de l'écoulement du fluide, comprend: - une étape d'émission consistant à émettre un signal acoustique UW dans le fluide dont le débit est à déterminer, - une étape de conversion acoustique-analogique consistant à transformer ledit signal acoustique UW en un signal analogique S2, -6- une étape de conversion analogique-numérique d'ordre N consistant à transformer ledit signal analogique S2 en un signal numérique S3, - une étape de détermination des déphasages acoustiques et des temps de propagation consistant à déterminer les déphasages acoustiques et les temps de propagation à partir du signal numérisé S3, caractérisé en ce que l'étape de conversion analogique-numérique d'ordre N comporte: - une étape d'estimation consistant à détenniner une estimée de l'erreur de quantification qN1 commise lors de l'étape de numérisation d'ordre N-1, pour l'étape de numérisation d'ordre N. - une étape de soustraction consistant à soustraire l'estimée de l'erreur de quantification qN, au signal analogique S2, - une étape de numérisation consistant à numériser le signal analogique S2 soustrait de l'estimée de l'erreur de quantification qN-", Avantageusement, l'étape de conversion acoustique-analogique consistant à transformer ledit signal acoustique UW en un signal analogique S2 comporte: - une étape de conversion du signal acoustique UW en un signal analogique Si, et
- une étape de troncature du signal analogique S 1 en un signal analogique S2.
De façon avantageuse, l'étape de détermination des déphasages acoustiques et des temps de propagation consistant à déterminer les déphasages acoustiques et les temps de propagation à partir du signal numérisé S3 comporte: - une étape de filtrage du signal numérique S3 en un signal numérique filtré S4, et - une étape de calcul des déphasages acoustiques et des temps de propagation à partir
du signal numérique filtré S4.
Avantageusement, l'étape d'estimation consistant à déterminer une estimée de l'erreur de
quantification est mis en oeuvre par le transducteur récepteur.
-7-
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description
suivante détaillée, non limitative, de divers modes de réalisation en relation avec les figures jointes selon lesquelles - la figure 1 représente le schéma de la chaîne complète d'acquisition et de traitement des mesures d'un compteur de fluide à ultrasons selon l'art antérieur, la figure 2 représente le schéma de la chaîne d'acquisition d'un compteur de fluide à ultrasons selon l'invention, - la figure 2.a est une représentation temporelle du signal SI, - la figure 2.b est une représentation spectrale du signal Si, - la figure 2.c est une représentation temporelle du signal S2, - la figure 2. d est une représentation spectrale du signal S2, - la figure 2.e est une représentation temporelle du signal S3, - la figure 2.f est une représentation spectrale du signal S3, - la figure 2.g est une représentation temporelleudu signal S4, - la figure 2.h est une représentation spectrale du signal S4, - la figure 3 représente le schéma de la chaîne d'acquisition du dispositif de mesure ultrasonore d'un débit de fluide selon le mode préféré de réalisation de l'invention, - la figure 4 représente les chronogrammes des signaux de commande des interrupteurs lorsque le transducteur 1 est émetteur et le transducteur 2 est récepteur, pour le dispositif selon la figure 3, - la figure 5 représente les chronogrammes des signaux de commande des interrupteurs lorsque le transducteur 1 est récepteur et le transducteur 2 est émetteur, pour le dispositif selon la figure 3, - la figure 6 représente les différentes étapes du procédé selon l'invention, et
- la figure 7 représente une variante de réalisation du dispositif de la figure 3.
La figure 2 représente le schéma de la chaîne d'acquisition d'un compteur de fluide à ultrasons et plus particulièrement la chaîne de conversion analogique numérique selon l'invention. Le reste de la chaîne d'acquisition et de traitement des mesures est identique à celle représentée à la figure 1 et n'est plus représentée sur la figure 2. A nouveau, une -8- pile (non représentée) fournit de manière classique par le biais d'un ensemble de connexions (non représentées) l'énergie nécessaire au fonctionnement des différents composants. L'onde ultrasonore UW à partir de laquelle les mesures de temps et de phases sont effectuées, est un signal à bande étroite dont la fréquence est centrée sur la fréquence dite d'émission du transducteur, par exemple 40kHz. Cette onde ultrasonore UW va donner lieu, par effet piézo- électrique direct, à un signal analogique Si aux bornes du transducteur récepteur. Le signal analogique SI, dont les variations en fonction du temps sont représentées sur la figure 2.a est un signal centré sur cette fréquence de résonance du transducteur émetteur, comme le montre la figure 2.b. Le signal analogique SI1 issu du transducteur récepteur 2 est amplifié par l'amplificateur 20 relié à la sortie du transducteur récepteur 2 par l'intermédiaire de l'unité de commutation 4. Le signal analogique Si subit une troncature temporelle, ce qui permet d'éliminer les échos
parasites provenant des réflexions successives de l'onde ultrasonore dans la cavité.
L'allure temporelle et spectrale du signal analogique S2 ayant subit la troncature est représenté sur la figure 2.c et 2.d respectivement. L'amplificateur 20 est relié à un convertisseur Sigma-Delta passe bande 21. Le convertisseur Sigma-Delta comprend un filtre de boucle passe bande 22 dont l'entrée est reliée à la sortie de l'amplificateur 20, un convertisseur analogique numérique 24 dont l'entrée est reliée à la sortie dudit filtre de boucle passe bande, et un convertisseur numérique analogique 26 disposé dans la boucle de rétroaction reliant la sortie du convertisseur analogique numérique 24 à l'entrée dudit filtre de boucle 22. De façon avantageuse, le convertisseur analogique numérique 24 est un convertisseur analogique numérique 1 bit, par exemple un comparateur, et le
convertisseur numérique analogique 26 est un convertisseur numérique analogique 1 bit.
En sortie du convertisseur Sigma-Delta passe bande, le signal S2 analogique a été transformé en un signal numérique S3 dont l'allure temporel représentée sur la figure 2.e correspond à un train binaire. Le signal S3 de la figure 2.e est un signal codé sur 1 bit à une fréquence d'échantillonnage élevée de, par exemple, 320 kHz. On peut constater sur la figure 2.f que le spectre de bruit est distinct du spectre du signal utile, ce qui va permettre d'éliminer efficacement le bruit parasite par filtrage. La sortie du convertisseur
analogique numérique Sigma-Delta passe bande 21 est reliée à un filtre passe bande 28.
-9- Le rôle de ce filtre est la réjection du bruit en dehors de la bande utile pour une meilleure détection synchrone en sortie du convertisseur 21 mais aussi le codage du signal sur un plus grand nombre de bit à une fréquence moins élevé que la fréquence d'échantillonnage. Le signal résultant est représenté sur la figure 2.g et son allure spectrale sur la figure 2.h. Le filtre passe bande 28 est relié à la mémoire RAM 10. Le convertisseur analogique numérique Sigma-Delta passe bande assure un rapport signal sur bruit très grand dans une bande de fréquence configurable par l'architecture du convertisseur utilisé. Par contre le bruit de conversion est très important en dehors de cette bande fréquentielle. Ainsi, un convertisseur analogique numérique Sigma-Delta passe bande permet d'optimiser la conversion analogique numérique dans la bande
intéressante d'émission du transducteur.
Par ailleurs le signal est converti sur un seul bit, ce qui simplifie considérablement le traitement numérique qui suit le convertisseur analogique numérique Sigma-Delta passe bande. Cette simplification de la partie analogique duconvertisseur analogique numérique, notamment par le fait que le convertisseur analogique numérique Sigma-Delta passe bande ne nécessite plus l'utilisation d'un amplificateur de gain programmable, permet de réduire de façon considérable, jusqu'à 40%, la consommation totale de l'électronique du
compteur de fluide à ultrasons.
De plus, des performances métrologiques nettement améliorées résultent de l'utilisation du convertisseur analogique numérique Sigma-Delta passe bande dans la chaîne
d'acquisition et de traitement des mesures du compteur de fluide à ultrasons.
La figure 3 représente le schéma de la chaîne d'acquisition du dispositif de mesure ultrasonore d'un débit de fluide selon le mode préféré de réalisation de l'invention. Le mode préféré de réalisation de l'invention consiste à remplacer le filtre passe bande 22 du dispositif conformément à la figure 2, par le transducteur récepteur lui-même. Ainsi le transducteur est utilisé comme transducteur récepteur, mais aussi comme filtre dans la boucle de rétroaction du convertisseur Sigma- Delta. La rétroaction s'effectue physiquement par l'intermédiaire d'une grandeur mécanique au niveau du transducteur récepteur. -10- Les transducteurs 1, 2 se composent, de façon avantageuse, d'une lame piézo- électrique comportant deux surfaces opposées, lesdites surfaces étant métallisées pour être reliées aux bornes de connexion du transducteur. L'une des deux bornes de chacun des transducteur 1 et 2 est reliée en permanence à la masse 35. L'autre borne du transducteur 1 ou 2 est reliée à des interrupteurs 31, 32, 33, ou à des interrupteurs 41, 42, 43 respectivement. De façon avantageuse, les interrupteurs 31, 32, 33 et 41, 42, 43 sont réalisés par deux multiplexeurs distincts. Les transducteurs 1 ou 2 peuvent être reliés à
la masse 35 par l'intermédiaire de l'interrupteur 32 ou 42 respectivement.
Le transducteur 1 est relié à un amplificateur 20 par l'intermédiaire de l'interrupteur 33.
La sortie dudit amplificateur 20 est relié à un convertisseur analogique numérique 24.
Avantageusement, ce convertisseur analogique numérique est un convertisseur analogique numérique lbit, par exemple un comparateur. Un convertisseur numérique analogique 26 est disposé dans la boucle de rétroaction associée au transducteur 1, l'entrée dudit convertisseur numérique analogique 26 étant relié à la sortie du convertisseur analogique numérique 24 par l'intermédiaire de l'interrupteur 61. La sortie dudit convertisseur numérique analogique 26 étant relié au transducteur 1 par l'intermédiaire de l'interrupteur 31. De façon avantageuse, le convertisseur numérique analogique 26 est un convertisseur numérique analogique i bit. Le transducteur 1 est ainsi disposé dans la boucle de rétroaction lorsque l'interrupteur 61 est fermé et lorsque les interrupteurs 31 et 33 sont fermés successivement, comme nous allons le voir par la suite.
Le transducteur 2 est relié à l'amplificateur 20 par l'intermédiaire de l'interrupteur 43.
Un convertisseur numérique analogique 46 est disposé dans la boucle de rétroaction associée au transducteur 2, l'entrée dudit convertisseur numérique analogique 46 étant relié à la sortie du convertisseur analogique numérique 24 par l'intermédiaire de l'interrupteur 51. La sortie dudit convertisseur numérique analogique 46 étant relié au transducteur 2 par l'intermédiaire de l'interrupteur 41. De façon avantageuse, le
convertisseur numérique analogique 46 est un convertisseur numérique analogique 1 bit.
- il -
Le transducteur 2 est ainsi disposé dans la boucle de rétroaction lorsque l'interrupteur 51
et lorsque les interrupteurs 41 et 43 sont fermés successivement.
Selon une variante de réalisation représentée à la figure 7, au moins un filtre passe bande supplémentaire 110 purement électrique est connecté en série de manière classique entre l'amplificateur 20 et le convertisseur analogique numérique 24. Le rôle
de ce filtre supplémentaire est d'améliorer les performances du convertisseur Sigma-
Delta. Le reste de la chame d'acquisition du dispositif de mesure ultrasonore d'un débit de
fluide est identique à celle représentée sur la figure 3 et n'est donc pas représenté.
Sur la figure 3, la sortie du convertisseur analogique numérique 24 est reliée à l'entrée d'un filtre 28. La sortie du filtre 28 est reliée à une mémoire RAM 10. La mémoire RAM 10 est reliée à un micro-contrôleur 12. Le micro-contrôleur 12 est reliée par l'intermédiaire de l'interrupteur 62 ou 52 au conertisseur numérique analogique 26 ou
46 respectivement.
Une pile (non représentée) fournit de manière classique par le biais d'un ensemble de connexions (non représentées) l'énergie nécessaire au fonctionnement des différents
composants.
Le fonctionnement du dispositif de la figure 3 va être décrit maintenant, tout d'abord en se référant à la figure 4 pour l'émission d'une onde ultrasonore du transducteur I vers 2, et ensuite en se référant à la figure 5 pour l'émission d'une onde ultrasonore du
transducteur 2 vers 1.
Sur les figures 4 et 5, l'état des interrupteurs 51, 52; 61, 62; 31, 32, 33; 41, 42, 43 est représenté en fonction du temps, l'état "1" ou "0" correspondant à un interrupteur fermé ou ouvert respectivement. L'ouverture et la fermeture de l'ensemble des interrupteurs sont commandées de manière classique par le microcontrôleur. Le microcontrôleur est relié aux interrupteurs par l'intermédiaire d'un câblage approprié (non représenté). Le signal Se correspond au signal généré par le micro-contrôleur 12 pour exciter le -12- transducteur émetteur. Le signal d'excitation Se est un signal carré formé par exemple de 8 périodes à une fréquence de 40 kHz et dont l'amplitude en sortie du convertisseur numérique analogique 26 ou 46 est de, par exemple, 200 mV pic à pic. L'acquisition du signal ultrasonore ayant traversé la cavité dure environ 800p.s et débute environ 400 As après le début de l'excitation du transducteur émetteur par le signal Se, cette durée correspondant au temps de vol entre le transducteur émetteur et le transducteur récepteur. Les signaux carrés commandant l'ouverture et la fermeture des interrupteurs concernés lors de la phase d'acquisition ont une fréquence de, par exemple, 320 kHz. Il faut noter que l'échelle des chronogrammes sur les figures 4 et 5 pour les interrupteurs 41, 42, 43 ou 31, 32, 33 pendant la phase d'acquisition n'est pas la même que pour les
autres interrupteurs et pour le signal Se.
Lors de la phase d'émission d'une onde ultrasonore UW1-2 du transducteur 1 vers le transducteur 2, le micro-contrôleur 12 commande une séquence d'émission d'une onde ultrasonore en générant un signal carré Se. Les -nterrupteurs 62 et 31 sont fermés, le signal carré issu du microcontrôleur est transformé en un signal analogique qui va exciter le transducteur 1 à sa fréquence de résonnance. La tension appliquée aux bornes du transducteur i crée une force par effet piézo-électrique inverse, à l'origine d'une onde ultrasonore UW1-2 qui se propage dans l'écoulement fluide vers le transducteur 2. Bien que cela ne soit pas nécessaire, l'interrupteur 51 peut déjà être fermé pendant la phase d'émission. Par contre, l'ensemble des autres interrupteurs 52; 61; 32, 33; 41, 42, 43
sont ouverts.
Pendant la phase d'acquisition de l'onde ultrasonore, les interrupteurs 52; 61; 32, 33 restent ouverts et l'interrupteur 51 est fermé. La position des interrupteurs 62, 31 est indifférente, ils peuvent par exemple être maintenus fermés. Les interrupteurs 41, 42, 43 sont successivement fermés et ouverts à une fréquence de, par exemple, 320 kHz de telle façon que lorsqu'un interrupteur est fermé pendant une durée équivalente à 1/3 de période, les deux autres sont ouverts. Chaque période d'une durée de 3,125 p.s comprend trois phases successives, une phase d'écriture lorsque l'interrupteur 41 est fermé, une phase de stabilisation lorsque l'interrupteur 42 est fermé, et une phase de lecture lorsque
l'interrupteur 43 est fermé.
- 13 -
Le convertisseur analogique numérique 1 bit 24 fournit en sortie un niveau de tension haut correspondant à un "1" logique si son entrée est soumise à une tension d'entrée supérieure à une tension seuil en valeur absolue. Le convertisseur analogique numérique 24 fournit en sortie un niveau de tension bas correspondant à un "0" logique si son entrée est soumise à une tension d'entrée inférieure à la tension seuil en valeur absolue. Lecomparateur 46 est un convertisseur numérique analogique inverseur qui fournit en sortie une tension de référence positive +Vref si son entrée est à "0", et une tension de référence négative -Vref si son entrée est à "1". Au début de la phase d'acquisition, la sortie du convertisseur analogique numérique 24 est aléatoirement dans un état "1" ou "0". Prenons par exemple le cas o la sortie est dans un état "1", la tension appliquée par le comparateur au transducteur récepteur 2 lors de la phase d'écriture par la fermeture de l'interrupteur 41 va être +Vref. Par ailleurs, lorsque l'interrupteur 42 est femlé lors de la phase de stabilisation, les deux bornes du transducteur récepteur 2 sont alors reliées à la masse 35. Le transducteur constitué par une lame piézo-électrique étant un résonateur, le fait de le soumettre à une tension +Vref lors d.ega phase d'écriture puis à une tension nulle lors de la phase de stabilisation, va entraîner la mise en oscillation forcée du transducteur récepteur. La position de la lame piézo-électrique pendant son oscillation, va ensuite être déterminée lors de la phase de lecture par l'intermédiaire de la fermeture de l'interrupteur 43. La phase d'acquisition débute peu de temps avant l'arrivée du signal ultrasonore UW1-2 au niveau du transducteur récepteur 2, de telle sorte qu'il s'établit un régime stationnaire d'oscillation au niveau du transducteur récepteur 2. Ce régime stationnaire d'oscillation va donner lieu à un train binaire, alternance des états "0" et "1" dans la boucle du convertisseur Sigma- Delta. Ce train binaire permet d'entretenir le régime stationnaire d'oscillation du transducteur par l'intermédiaire du bouclage via le convertisseur numérique analogique 46. Ainsi, l'intégration du transducteur récepteur dans la boucle du convertisseur Sigma-Delta crée un asservissement, le train binaire maintenant la lame piézo-électrique immobile en moyenne autour de sa positon d'équilibre. La mesure de l'onde ultrasonore UW1-2 va être effectuée par détection des fluctuations de ce régime établit lors de l'arrivée de l'onde ultrasonore UWI-2 au niveau du transducteur récepteur 2. En effet, l'oscillation va être la somme du déplacement que l'on force lors de la phase d'écriture et de la perturbation dû au signal ultrasonore -14- atteignant le transducteur récepteur. Le train binaire va ainsi être modifié pour annuler les effets de cette perturbation afin d'asservir la lame piézo-électrique grâce à la rétroaction électrique de telle sorte qu'elle reste immobile en moyenne autour de sa position d'équilibre. Etant donné que le transducteur récepteur est un résonateur, il joue le rôle d'une mémoire dans le sens o plus la phase d'acquisition est longue, plus l'oscillation va être modifié par la somme des perturbations et plus le convertisseur va être capable de détecter un petit signal. Ainsi, la tension au bornes du transducteur est d'après le principe de superposition, la somme de la contribution provenant de l'onde
ultrasonore et de la contribution provenant de la rétroaction électrique.
Le fonctionnement du dispositif est totalement analogue en ce qui concerne l'émission d'une onde ultrasonore UW2-1 du transducteur émetteur 2 vers le transducteur récepteur 1. On pourra se référer à la figure 5 pour le fonctionnement de l'ensemble des
interrupteurs dans le cas de l'acquisition d'une onde ultrasonore UW2- 1.
Ainsi le dispositif selon l'invention dispose d'une sortie numérique directe, qui remplace intégralement la chaîne d'acquisition conventionnelle, tout en la simplifiant considérablement. Le dispositif selon l'invention permet d'éliminer le bruit de quantification de la bande passante du signal. Une grande précision peut être obtenue avec un dispositif selon l'invention, sans une mise en oeuvre complexe car un simple
comparateur peut permettre d'atteindre, après filtrage en sortie du convertisseur Sigma-
Delta, une résolution supérieure à 16 bits dans la bande passante du signal. Le dispositif selon l'invention ne nécessite plus l'utilisation d'un amplificateur de gain programmable pour obtenir un signal pleine échelle pour le convertisseur analogique numérique, ce qui a pour conséquence une réduction de la complexité et de la consommation en énergie du
système de conversion.
La figure 6 représente les différentes étapes du procédé de mesure ultrasonore d'un débit
de fluide selon l'invention.
Le débit de fluide est avantageusement déterminé en combinant à la fois une mesure de temps de propagation et/ou une mesure des déphasages acoustiques des signaux - 15- acoustiques se propageant dans le fluide en écoulement entre les deux transducteurs
dans les sens amont et aval de l'écoulement du fluide.
La première étape 90 du procédé de mesure ultrasonore du débit de fluide consiste à émettre un signal acoustique UW dans le fluide dont le débit est à détenniner, par exemple dans le sens amont. Le signal acoustique UW est transformé en un signal analogique S I lors de l'étape de conversion acoustique-analogique 92, par l'intermédiaire d'un transducteur récepteur. L'allure du signal Si est représenté sur la figure 2.a. Pour éviter l'acquisition de l'onde acoustique ayant subit de multiples aller et retour entre les transducteurs, le signal Si est tronqué temporellement lors d'une étape de troncature 94. Cette troncature est réalisée pratiquement en contrôlant le début et l'arrêt de l'acquisition du signal par l'intermédiaire de commutateurs. Le signal analogique S2 résultant de cette troncature temporelle est représenté à la figure 2.c. Le signal analogique S2 est ensuite transformé en un signal numérique S3 lors d'une étape
de conversion analogique-numérique 95 par l'intermédiaire de moyen de traitement 21.
Cette étape de conversion analogique-numériqutr 95 utilise le principe de conversion Sigma-Delta énoncé précédemment. Le signal numérisé S3 représenté sur la figure 2.e est codé sur 1 bit avec une fréquence d'échantillonnage de 320 kHz. Lors d'une première conversion du signal analogique S2 en un signal numérique S3, au cours d'une étape d'estimation 98, le convertisseur Sigma-Delta permet de déterminer une estimée de l'erreur de conversion q. Lors de la conversion suivante, cette estimée de l'erreur de conversion q sera soustraite au signal analogique S2 à numériser, lors d'une étape de soustraction 99, de telle sorte que le convertisseur Sigma-Delta affine son estimée de l'erreur de numérisation q au fur et à mesure des conversions successives. Ainsi d'une façon générale, lors de l'étape de conversion analogique numérique d'ordre N, le
convertisseur Sigma-Delta soustrait une estimée de l'erreur de quantification qN-
déterminée lors de la conversion précédente d'ordre N-1 au signal analogique S2. Le signal analogique soustrait de l'estimée de l'erreur de quantification S2-qN1 est ensuite numérisé lors de l'étape de numérisation 96. Lors d'une étape d'estimation 98, le signal analogique S2 soustrait de l'estimée de l'erreur de quantification qN-l va donner lieu à une détermination d'une estimée de l'erreur de quantification qN commise lors de l'étape de numérisation 96 d'ordre N. Cette estimée servira à améliorer la numérisation suivante -16- d'ordre N+I. Le signal numérique S3 en sortie du convertisseur Sigma-Delta est un signal codé sur 1 bit à fréquence élevée. Avantageusement, l'étape de conversion du signal acoustique UW en un signal analogique S l, et l'étape de détermination d'une estimée de l'erreur de quantification q commise par le convertisseur analogique numérique sont mises en oeuvre successivement par l'intermédiaire du transducteur utilisé à la fois comme récepteur puis comme filtre passe bande dans le convertisseur Sigma-Delta. Lors d'une étape de filtrage 100, le signal S3 est converti en un signal de débit plus faible mais codé sur un plus grand nombre de bits par l'intermédiaire d'un filtre numérique. Le signal S4 résultant de cette étape de filtrage 100 est représenté à la figure 2.g. Les déphasages acoustiques et les temps de propagation sont déterminés à partir du
signal numérisé S4 au cours de l'étape de détermination 102.
Bien évidemment l'ensemble des étapes précédentes est effectué une nouvelle fois dans le sens aval. Ainsi, le débit peut être déterminé à partir des mesures de temps de propagation et/ou des mesure des déphasages aLustiques des signaux acoustiques se propageant dans le fluide en écoulement entre les deux transducteurs dans les sens
amont et aval de l'écoulement du fluide.
- 17 -
Claims (8)
1. Dispositif de mesure ultrasonore d'un débit de fluide comportant: - un premier et un second transducteur (1, 2) placés dans le fluide dont le débit est à déterminer, l'un des transducteurs (1, 2), encore appelé transducteur émetteur, fonctionnant en mode émetteur lorsque l'autre transducteur (1, 2), encore appelé transducteur récepteur, fonctionne en mode récepteur, le transducteur émetteur étant destiné à émettre une onde ultrasonore dans le fluide, le transducteur récepteur étant destiné à transformer ladite onde ultrasonore en un signal analogique, - des moyens de traitement (21) dudit signal analogique, reliés au transducteur récepteur et destinés à transformer ledit signal analogique en un signal numérisé utilisé pour la détermination du débit de fluide, caractérisé en ce que lesdits moyens de traitement (21) du signal analogique comportent un convertisseur Sigma-Delta passe bande comprenant: - un filtre de boucle passe bande (22) dontl'entrée est reliée à la sortie dudit transducteur récepteur, - un convertisseur analogique numérique (24) dont l'entrée est reliée à la sortie dudit filtre de boucle (22), la sortie dudit convertisseur analogique numérique (24) formant la sortie numérique dudit convertisseur analogique numérique (21), et - un convertisseur numérique analogique (26, 46), formant une boucle de rétroaction,
reliant la sortie du convertisseur analogique (24) à l'entrée dudit filtre de boucle (22).
2. Dispositif de mesure ultrasonore d'un débit de fluide selon la revendication 1, caractérisé en ce que le filtre de boucle passe bande (22) du convertisseur Sigma-Delta
passe bande est constitué par le transducteur récepteur.
3. Dispositif de mesure ultrasonore d'un débit de fluide selon l'une des
revendications 1 à 2,
caractérisé en ce que le convertisseur Sigma-Delta passe bande comporte: un convertisseur analogique numérique 1 bit, et
- un convertisseur numérique analogique lbit.
-18- 4. Dispositif de mesure ultrasonore d'un débit de fluide selon l'une des
revendications I à 3,
caractérisé en ce qu'au moins un filtre de boucle passe bande (110) supplémentaire est intercalé entre le transducteur récepteur (1, 2) et le convertisseur analogique numérique (24). 5. Dispositif de mesure ultrasonore d'un débit de fluide selon l'une des
revendications 1 à 4,
caractérisé en ce que les transducteurs (1, 2) se composent d'une lame piézo-électrique comportant deux surfaces opposées, lesdites surfaces étant métallisées pour être reliées aux bornes de connexion du transducteur, l'une des deux bornes du transducteur étant reliée en permanence à la masse, l'autre borne étant reliée respectivement à la sortie du convertisseur numérique analogique (26), à la masse, et à l'entrée du filtre de boucle
passe bande (22) par des interrupteurs (31, 32, 33-et 41, 42, 43).
6. Dispositif de mesure ultrasonore d'un débit de fluide selon la revendication 5, caractérisé en ce que les interrupteurs (31, 32, 33 et 41, 42, 43) sont mis en oeuvre par
l'intermédiaire d'un multiplexeur.
7. Dispositif de mesure ultrasonore d'un débit de fluide selon l'une des
revendications 1 à 5,
caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (10, 12) pour déterminer le débit de fluide à
partir du signal numérisé.
8. Dispositif de mesure ultrasonore d'un débit de fluide selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens pour déterminer le débit de fluide à partir du signal
numérisé comprennent une mémoire (10) et un micro-contrôleur (12).
9. Procédé de mesure ultrasonore d'un débit de fluide entre deux transducteurs selon lequel le débit de fluide est déterminé grâce à une mesure de temps de propagation -19- et/ou une mesure de déphasage des signaux acoustiques se propageant dans le fluide en écoulement entre deux transducteurs dans les sens amont et aval de l'écoulement du fluide, comprenant: - une étape d'émission (90) consistant à émettre un signal acoustique UW dans le fluide dont le débit est à déterminer, - une étape de conversion acoustique-analogique (92, 94) consistant à transformer ledit signal acoustique UW en un signal analogique S2, - une étape de conversion analogique-numérique (95) d'ordre N consistant à transformer ledit signal analogique S2 en un signal numérique S3, - une étape de détermination des déphasages acoustiques et des temps de propagation (100, 102) consistant à déterminer les déphasages acoustiques et les temps de propagation à partir du signal numérisé S3, caractérisé en ce que l'étape de conversion analogique-numérique (95) d'ordre N comporte: - une étape d'estimation (98) consistant à déterminer une estimée de l'erreur de quantification q- commise lors de l'étape de numérisation d'ordre N-1 (96), pour l'étape de numérisation d'ordre N. - une étape de soustraction (99) consistant à soustraire l'estimée de l'erreur de quantification qNt au signal analogique S2, - une étape de numérisation (96) consistant à numériser le signal analogique S2 soustrait de l'estimée de l'erreur de quantification qN-, 10. Procédé de mesure ultrasonore d'un débit de fluide selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'étape de conversion acoustique- analogique consistant à transformer ledit signal acoustique UW en un signal analogique S2 comporte: - une étape de conversion (92) du signal acoustique UW en un signal analogique Si, et
- une étape de troncature (94) du signal analogique S 1 en un signal analogique S2.
Il. Procédé de mesure ultrasonore d'un débit de fluide selon la revendication 9 ou 10, -20 - caractérisé en ce que l'étape de détermination des déphasages acoustiques et des temps de propagation (100, 102) consistant à déterminer les déphasages acoustiques et les temps de propagation à partir du signal numérisé S3 comporte: - une étape de filtrage (100) du signal numérique S3 en un signal numérique filtré S4, et - une étape de calcul des déphasages acoustiques et/ou des temps de propagation
(102) à partir du signal numérique filtré S4.
12. Procédé de mesure ultrasonore d'un débit de fluide selon l'une des revendications
9à11,
caractérisé en ce que l'étape de conversion (92) du signal acoustique UW en un signal analogique SI, et l'étape d'estimation (98) consistant à déterminer une estimée de l'erreur de quantification commise lors de l'étape de numérisation (96) sont mises en ceuvre successivement par l'intermédiaire du transducteur utilisé à la fois comme
récepteur puis comme filtre passe bande dans le convertisseur SigmaDelta.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GC | Lien (pledge) constituted | ||
| DG | Cancellation of a lien (pledge) due to a juridical decision | ||
| TP | Transmission of property | ||
| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20110831 |