FR3050828A1 - Procede de determination d'une vitesse d'ecoulement d'un fluide s'ecoulant dans un troncon de conduite et dispositif associe - Google Patents

Abstract

Un procédé de détermination d'une vitesse d'écoulement (V) d'un fluide s'écoulant dans un tronçon de conduite (2) selon une direction d'écoulement (D), au moins une paire de transducteurs de mesure électroacoustiques étant montée sur le tronçon de conduite (2) et comportant un émetteur (10) agencé de manière à ce qu'une onde acoustique émise par ledit émetteur (10) se propage dans le fluide le long d'un trajet acoustique de mesure (Lm) formant un angle oblique (Am) avec la direction d'écoulement (D), et un récepteur (20) placé sur le trajet acoustique de mesure (Lm). Le procédé comprend une corrélation (135) des signaux de tension électrique de réception (Vr) avec un signal de référence (Vref) pour déterminer l'instant de réception (tr), et un calcul (145) de la vitesse d'écoulement (V) à partir du temps de transit (At) de l'onde acoustique entre l'instant d'émission (te) et l'instant de réception (tr), de la distance (dm) parcourue par l'onde acoustique le long du trajet acoustique de mesure (Lm), de la célérité (c) de propagation des ondes dans le fluide, et de l'angle oblique (Am).

Description

Arrière-plan de l'invention L'invention concerne la métrologie de débits instationnaires de liquides en conduite pleine, et plus particulièrement un débitmètre ultrasonore à temps de transit.

Pour mesurer une vitesse d'écoulement d'un fluide dans une conduite, il est connu d'utiliser un dispositif comprenant au moins une paire de transducteurs de mesure électroacoustiques montée sur le tronçon de conduite et des moyens de mesure utilisés pour déterminer la vitesse d'écoulement du fluide. La paire de transducteurs de mesure électroacoustiques est constituée d'un émetteur agencé de manière à ce qu'une onde acoustique émise par ledit émetteur se propage dans le fluide le long d'un trajet acoustique de mesure formant un angle oblique avec la direction d'écoulement, et d'un récepteur placé sur le trajet acoustique de mesure. Ce dispositif connu peut par exemple être utilisé pour réaliser un débitmètre à ultrasons.

Dans ce dispositif connu, deux étapes de détermination d'un temps de transit doivent successivement être réalisées pour pouvoir calculer une vitesse d'écoulement du fluide. La différence entre un instant de réception et un instant d'émission constitue un temps de transit dépendant d'une distance entre émetteur et récepteur, de l'inclinaison de la ligne de mesure par rapport à l'axe longitudinal de la conduite, de la célérité de propagation des ondes dans le fluide et d'une vitesse d'écoulement du fluide en conduite.

La première étape consiste à déterminer un premier temps de transit, dit « temps de transit aller », d'une onde acoustique se propageant depuis le premier des deux transducteurs de mesure de la paire jusqu'au deuxième transducteur de cette paire, ces premier et deuxième transducteurs jouant dans cette étape respectivement les rôles d'émetteur et de récepteur de l'onde acoustique.

La deuxième étape intervient séquentiellement après ladite première étape et consiste à déterminer un deuxième temps de transit, dit « temps de transit retour », d'une onde acoustique se propageant depuis ce deuxième transducteur jusqu'au premier transducteur, les rôles d’émetteur et de récepteur de ces deux transducteurs étant pour ce faire inversés par rapport à la première étape.

Ce dispositif connu est bien adapté pour déterminer des vitesses d'écoulement stationnaires ou quasi-stationnaires. En revanche, le temps de traitement nécessaire pour la double mesure rend inaccessible une réactualisation de la vitesse d'écoulement du fluide à haute fréquence, de sorte que ce dispositif connu ne peut pas être utilisé pour déceler des variations rapides de la vitesse d'écoulement en régime non permanent.

Ainsi, aucune technique de mesure directe de débit ne permet donc de répondre actuellement aux besoins de mesure instationnaire dans tout type de liquide, que celui-ci soit électriquement conducteur ou non.

Seules sont connues des méthodes indirectes avec une qualité métrologique qui demeure insuffisante.

Pour pallier cet inconvénient, il est connu du document FR 2 974 633 un débitmètre ultrasonore à temps de transit comprenant au moins une ligne de mesure de temps de transit constituées chacune d'un transducteur émetteur émettant périodiquement une onde ultrasonore dans le fluide et un transducteur récepteur recevant de façon périodique l'onde ultrasonore. Dans le procédé de détermination d'une vitesse d'écoulement d'un fluide s'écoulant dans un tronçon de conduite mis en oeuvre dans ce débitmètre, la mesure du temps mis par les ondes ultrasonores pour transiter de l'émetteur vers le récepteur associé est classiquement effectuée en utilisant une méthode de seuil sur le signal de pilotage de l'émetteur, d'une part, et sur le signal récepteur, d'autre part. Cette méthode permet de n'utiliser si besoin qu'un seul et unique temps de transit pour déterminer la vitesse d'écoulement du fluide s'écoulant dans le tronçon de conduite. L'inconvénient majeur d'un méthode de seuil telle que celle utilisée dans le procédé décrit dans le document FR 2 974 633 est sa sensibilité aux variations d'amplitude des signaux récepteurs associés induits par des variations, mêmes petites, des signaux d'excitation des émetteurs, par des variations, mêmes petites, de l'état du fluide, entraînant des variations d'impédance du fluide, et donc des variations des coefficients de transmission en amplitude du transducteur émetteur vers le fluide et du fluide vers le transducteur récepteur, et par du bruit de mesure, en particulier si celui-ci affecte le niveau moyen du signal.

Cette sensibilité conduit à des limitations en terme de qualité de mesure de l'instrument, et à des difficultés réelles à extrapoler des résultats d'étalonnage avec un fluide donné, comme par exemple de l'eau, à une utilisation avec un autre fluide, comme par exemple un fluide cryogénique.

Les débitmètres à ultrasons existants, sauf ceux décrits dans le document FR 2 974 633, restent limités en fréquence maximale de mesure, d'une part, à cause des procédures d'excitation des transducteurs utilisés, et, d'autre part, à cause des traitements des signaux issus des divers transducteurs.

Ils sont classiquement bien adaptés à des conditions de mesure de débits stationnaires ou quasi stationnaires mais pas à des conditions de mesure de débits instationnaires. Seule la solution proposée dans le document FR 2 974 633 permet d'envisager des mesures dans des conditions instationnaires non limitées aux très basses fréquences, mais cette solution présente les inconvénients déjà mentionnés ci-dessus.

Objet et résumé de l’invention L'invention vise à pallier les inconvénients mentionnés ci-dessus et à étendre l'utilisation de débitmètres à ultrasons à temps de transit afin d'obtenir des mesures de débit à cadence de mesure beaucoup plus élevée, tout en limitant les effets néfastes sur la mesure des phénomènes basses fréquences, comme les vibrations et les fluctuations de pressions par exemple. A cet effet, il est proposé un procédé de détermination d'une vitesse d'écoulement d'un fluide s'écoulant dans un tronçon de conduite selon une direction d'écoulement, au moins une paire de transducteurs de mesure électroacoustiques étant montée sur le tronçon de conduite et étant constituée d’un émetteur agencé de manière à ce qu'une onde acoustique émise par ledit émetteur se propage dans le fluide le long d'un trajet acoustique de mesure formant un angle non nul et non orthogonal avec la direction d'écoulement et d'un récepteur placé sur le trajet acoustique de mesure.

Selon une caractéristique générale de l'invention, le procédé comprend au moins un cycle de mesure au cours duquel : - on émet une onde acoustique en excitant l'émetteur de la paire de transducteurs de mesure avec une impulsion électrique d'excitation ; - on sélectionne un instant d'émission de l'onde acoustique, - on collecte un signal de tension électrique de réception que le récepteur de la paire de transducteurs de mesure émet en réponse à l'onde acoustique qu'il reçoit sur une fenêtre temporelle, - on calcule une fonction d'inter-corrélation du signal de tension électrique de réception avec un signal de réception de référence sur la fenêtre temporelle, - on sélectionne comme instant de réception l'instant correspondant au maximum de la fonction de corrélation sur la fenêtre temporelle, - on calcule la vitesse d’écoulement du fluide associée à partir du temps de transit de l’onde acoustique écoulé entre l'instant d'émission et l'instant de réception, de la distance parcourue par l'onde acoustique le long du trajet acoustique de mesure, de la célérité de propagation des ondes dans le fluide, et dudit angle formé par le trajet acoustique de mesure avec la direction d'écoulement.

Ce traitement des signaux issus des transducteurs récepteurs par inter-corrélation avec un signal de réception de référence permet de traiter des fluctuations de débits fluctuants autour d'une valeur moyenne et les variations rapides de débits, par exemple lors du démarrage ou de l'arrêt d'un flux.

De plus, la détermination de l'instant de réception par l'intercorrélation du signal de réception avec un signal de réception de référence permet d'insensibiliser le procédé de détermination de la vitesse d'écoulement aux variations d'amplitudes des signaux récepteurs.

Le procédé permet en effet de limiter l'impact du bruit de mesure sur les déterminations des temps de transit, ce qui permet d'obtenir une meilleure résolution du système et en conséquence une meilleure qualité de mesure. Cette caractéristique du procédé permet ainsi de réaliser des mesures de temps de transit dans des conditions difficiles liées à l'existence de perturbations diverses telles des fluctuations de pression en conduite, des vibrations des circuits et des perturbations d'origine électromagnétique, et/ou liées au non respect des longueurs droites préconisées à l'amont et/ou à l'aval du débitmètre (présence de coudes en entrée et/ou en sortie par exemple).

Le procédé est basé sur le fait que la réponse d'un transducteur récepteur s'effectue, pour un réglage donné de la durée d'excitation en tension électrique du transducteur émetteur, à une fréquence caractéristique du transducteur.

Enfin l'invention permet également d'envisager de faciliter l'extrapolation de résultats d'étalonnage en eau vers des conditions d'utilisation avec d'autres fluides, tels que des fluides cryogéniques par exemple.

Il est connu un débitmètre ultrasonore mettant en œuvre un procédé d'inter-corrélation utilisant un calcul de corrélation entre le signal « émetteur » et le signal « récepteur ».

Cependant, un tel procédé connu nécessite à chaque cycle une mise en mémoire du signal émetteur pour réaliser une corrélation avec le signal récepteur. Un tel procédé connu présente l'inconvénient d'être limité qualitativement du fait de la durée réduite du créneau de chaque excitation et donc de la fenêtre de calcul. Il est également limité par la probable existence de plusieurs pics dans les résultats d'inter-corrélation et de la difficulté associée à choisir le maximum adéquat.

Il est également connu des procédés d'inter-corrélation utilisés dans les débitmètres ultrasonores utilisant une corrélation croisée, ou « cross-correlation ultrasonic flowmeter » en anglais, c'est-à-dire une corrélation sur les temps de transit de deux lignes de mesures diamétrales décalées axialement qui présente un intérêt limité en termes de qualité métrologique et de résolution temporelle.

Par ailleurs, l'impulsion du signal émis par le transducteur émetteur peut être de type créneau, et la durée du créneau peut être adaptée à la fréquence de réponse des transducteurs récepteurs. Ces caractéristiques relatives à la forme de l'impulsion permettent d'améliorer la qualité du signal de réception et ainsi de faciliter la détermination de la vitesse d'écoulement du fluide.

Selon un premier aspect du procédé de détermination d'une vitesse d'écoulement, on sélectionne en tant qu'instant d'émission de l'onde acoustique un instant auquel un front de l'impulsion électrique d'excitation dépasse pour la première fois un seuil d'émission.

Dans une variante, on peut également utiliser une technique de corrélation entre chaque signal d'excitation et un signal d'excitation de référence pour sélectionner l'instant d'émission de l'onde acoustique.

Selon un deuxième aspect du procédé de détermination d'une vitesse d'écoulement, le maximum de la fonction d'inter-corrélation correspond à l'instant où le signal de tension électrique de réception correspond au mieux au signal de réception de référence.

Selon un troisième aspect du procédé de détermination d'une vitesse d'écoulement, on réalise répétitivement le cycle de mesure.

Le calcul de la vitesse d'écoulement pouvant être réalisé en un temps très bref, il est possible de répéter plusieurs cycles de mesure dans des intervalles de temps très courts. Ainsi, la valeur de la vitesse d'écoulement calculée peut être réactualisée en un temps bref.

En pratique, le temps de réactualisation de la vitesse d'écoulement n'a pas à être plus long que le temps nécessaire pour qu'une première réponse du récepteur, qui est émise lors d'un premier cycle de mesure, se soit suffisamment atténuée pour pouvoir correctement différencier la réponse suivante du récepteur, qui est émise lors du cycle de mesure suivant, de cette première réponse.

En effet, il a été observé qu'une réponse du récepteur est, au moins en première analyse, du type pseudo-périodique amorti lorsque l'onde acoustique qu'il perçoit a été émise en excitant l'émetteur avec une impulsion électrique. D'autre part, ce temps d'atténuation suffisant est plus grand que le temps requis pour déterminer un temps de transit, temps de détermination qui peut être à peine plus long que le temps que met une onde acoustique pour se propager depuis l'émetteur jusqu'au récepteur de la paire de transducteurs de mesure.

Grâce à cet aspect avantageux, il est ainsi possible de déceler des variations rapides de la vitesse d'écoulement du fluide et/ou du débit de ce dernier en régime non permanent.

Ce procédé, et le dispositif associé, peuvent ainsi être utilisés dans de nombreuses applications qui ne sont pas accessibles aux dispositifs connus nécessitant une détection de variations rapides de la vitesse d'écoulement d'un fluide s'écoulant dans un tronçon de conduite.

On réalise de préférence périodiquement le cycle de mesure, ce qui permet de réactualiser continuellement à fréquence élevée la valeur de la vitesse d'écoulement.

Selon un quatrième aspect du procédé de détermination d'une vitesse d'écoulement, plusieurs paires de transducteurs de mesure électroacoustiques sont utilisées et montées sur le tronçon de conduite et définissent des trajets acoustiques de mesure respectifs formant des angles respectifs non nuis avec la direction d'écoulement, au moins l'un desdits angles étant non orthogonal.

Il est ainsi possible d'avoir plusieurs temps de transit associés chacun à un trajet acoustique de mesure formé entre les transducteurs de mesure d'une même paire. Les temps de transit peuvent être déterminés indépendamment les uns des autres et simultanément au cours d'un même cycle de mesure, tout en conservant un temps de réalisation du cycle très bref.

Ainsi au cours d'un même cycle de mesure, on peut calculer au moins le temps de transit associé à une première paire de transducteurs de mesure et le temps de transit associé à une deuxième paire de transducteurs de mesure distincte de la première. La détermination simultanée d'au moins ces deux temps de transit permet de s'affranchir de la célérité acoustique pour calculer la vitesse d'écoulement associée à la première paire de transducteurs de mesure.

En effet, on peut, pour ce faire, exprimer la célérité acoustique sous la forme d'une fonction du temps de transit associé à la deuxième paire de transducteurs de mesure, de la distance parcourue par une onde acoustique le long du trajet acoustique de mesure associé à cette deuxième paire, de l'angle oblique associé à cette deuxième paire, et de la vitesse d'écoulement associée à cette deuxième paire.

Afin que la vitesse d'écoulement associée à la deuxième paire de transducteurs de mesure ne constitue pas une deuxième inconnue dans le calcul de la vitesse d'écoulement associée à la première paire de transducteurs de mesure, on considère que ces deux vitesses sont identiques. Dès lors, la vitesse d'écoulement associée à la première paire de transducteurs de mesure peut se calculer à partir du temps de transit associé à cette première paire, de la distance parcourue par une onde acoustique le long du trajet acoustique de mesure associé à cette première paire, de l'angle oblique associé à cette première paire, et de cette fonction.

Les distances que les ondes acoustiques ont à parcourir le long de leurs trajets acoustiques de mesure respectifs et les angles obliques respectifs peuvent être définis à l'avance, de préférence par une procédure d'étalonnage. Les angles obliques et les distances respectivement associés aux différentes paires de transducteurs diffèrent entre eux de manière à augmenter la précision de la mesure.

Cet aspect du procédé permet ainsi de déterminer la vitesse d'écoulement du fluide à partir d'au moins deux temps de transit qui sont obtenus non pas séquentiellement mais simultanément au cours d'un même cycle de mesure qui peut ainsi conserver un temps de réalisation bref.

Avantageusement, dans le quatrième aspect du procédé de détermination d'une vitesse d'écoulement, l'une des paires de transducteurs peut être montée de manière à définir un trajet acoustique de mesure orthogonal à la direction de l'écoulement.

La paire orthogonale à la direction de l'écoulement permet aisni de constituer théoriquement au moins une ligne de mesure de la célérité des ondes dans le fluide.

Un autre objet de l'invention propose un dispositif de détermination d'une vitesse d'écoulement d'un fluide comprenant un tronçon de conduite dans lequel le fluide s'écoule selon une direction d'écoulement et au moins une paire de transducteurs de mesure électroacoustiques montée sur le tronçon de conduite, la paire de transducteurs comportant un émetteur agencé de manière à ce qu'une onde acoustique émise par ledit émetteur se propage dans le fluide le long d'un trajet acoustique de mesure formant un angle non nul et non orthogonal avec la direction d'écoulement et un récepteur placé sur le trajet acoustique de mesure.

Selon une caractéristique générale de cet objet, le dispositif comprend en outre des moyens de mesure de la vitesse d'écoulement du fluide comportant : - un circuit d'excitation couplé à l'émetteur de la paire de transducteurs de mesure, et configuré pour exciter ledit émetteur avec une impulsion électrique d'excitation pour émettre une onde acoustique, - un moyen de sélection d'un instant d'émission de l'onde acoustique par ledit émetteur ; - un moyen de détermination d'un instant de réception comportant un module de corrélation du signai de tension électrique de réception avec un signal de réception de référence pour chaque pas de temps d'une fenêtre temporelle de collecte du signal de tension de réception pour déterminer une fonction d'inter-corrélation et un module de détection du maximum de la fonction d'intercorrélation sur la fenêtre temporelle, et - des moyens de calcul reliés aux premier et deuxième détecteurs de seuil et configurés pour calculer la vitesse d'écoulement du fluide associée à partir du temps de transit de l'onde acoustique écoulé entre l'instant d'émission et l'instant de réception, de la distance parcourue par l'onde acoustique le long du trajet acoustique de mesure, de la célérité de propagation dans le fluide, et dudit angle formé par le trajet acoustique de mesure avec la direction d'écoulement.

Selon un premier aspect du dispositif de détermination d'une vitesse d'écoulement d'un fluide, le moyen de sélection comprend un détecteur de seuil couplé au circuit d'excitation et configuré pour détecter en tant qu'instant d'émission d'une onde acoustique par ledit émetteur un instant auquel un front de l'impulsion électrique d'excitation dépasse un seuil d'émission.

Dans une variante, le moyen de sélection peut également comprendre un module d'inter-corrélation apte à appliquer une technique de corrélation entre chaque signal d'excitation et un signal d'excitation de référence pour sélectionner l'instant d'émission de l'onde acoustique.

Selon un deuxième aspect du dispositif de détermination d'une vitesse d'écoulement d'un fluide, l'émetteur et le récepteur de la paire de transducteurs de mesure sont placés en regard l'un de l'autre.

Dans une variante, l'émetteur et le récepteur d'une même paire de transducteurs peuvent être placés d'un même côté du tronçon de conduite, de sorte que l'onde acoustique émise par l'émetteur se réfléchisse sur une paroi de la conduite avant d'atteindre le récepteur. Le trajet acoustique de l'onde comprend ainsi une distance double par rapport à une configuration où le récepteur et l'émetteur sont en regard.

Selon un troisième aspect du dispositif de détermination d'une vitesse d'écoulement d'un fluide, le dispositif comprend plusieurs paires de transducteurs de mesure électroacoustiques définissant des trajets acoustiques de mesure respectifs, les moyens de mesure étant configurés pour déterminer le temps de transit associé à chaque paire de transducteurs de mesure.

Selon un quatrième aspect du dispositif de détermination d'une vitesse d'écoulement d'un fluide, le fluide s'écoule dans le tronçon de conduite en étant dans un état parmi les états monophasique liquide, monophasique gazeux, et diphasique gaz/liquide.

Brève description des dessins. L'invention sera mieux comprise à la lecture faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente une vue en coupe transversale d'un dispositif de détermination d'une vitesse d'écoulement d'un fluide selon un premier exemple illustratif de la présente invention; - la figure 2 illustre des moyens de mesure du dispositif de détermination conformes à la présente invention ; - la figure 3 présente un logigramme d'un procédé de détermination d'une vitesse d'écoulement d'un fluide dans une portion de conduite selon un mode de mise en oeuvre de l'invention ; - la figure 4 représente sur un même graphique une répétition d'impulsions électriques d'excitation d'un émetteur et de signaux représentatifs de tensions électriques de réponse émises par un récepteur d'un dispositif conforme à la présente invention ; - la figure 5 est un graphique montrant plus en détail la crête d'une impulsion électrique d'excitation de la figure 4, et mettant en évidence le dépassement d'un seuil d'émission par cette impulsion ; - la figure 6 représente graphiquement plus en détail le signal de réception de référence Vref et un signal de réception représentatif Vr' ; - la figure 7 représente une vue en coupe en perspective d'un dispositif de détermination selon un deuxième exemple illustratif de la présente invention.

Description détaillée de modes de réalisation

Sur la figure 1 est représentée une vue en coupe transversale d'un dispositif 1 de détermination d'une vitesse d'écoulement d'un fluide selon un premier exemple illustratif et non limitatif de la présente invention.

Le dispositif 1 comprend un tronçon de conduite 2 dans lequel un fluide s'écoule selon une direction d'écoulement D.

Le dispositif 1 comprend en outre une paire de transducteurs de mesure électroacoustiques comprenant un émetteur 10 et un récepteur 20 qui sont dissociés et tous deux montés sur le tronçon de conduite 2.

Dans l'exemple illustré sur la figure 1, l'émetteur 10 et le récepteur 20 sont tous deux logés dans des ouvertures ménagées dans le tronçon de conduite 2 de manière à affleurer sensiblement la face interne 3 de ce dernier. L'émetteur 10 est agencé de manière à ce qu'une onde acoustique émise par l'émetteur 10 se propage dans le fluide le long d'un trajet acoustique oblique de mesure Lm, de longueur dm, formant un angle Am avec la direction d'écoulement D du fluide.

Par direction oblique formant un angle Am, il est entendu tout angle non nul distinct d'un angle droit.

Le récepteur 20 est placé sur le trajet acoustique de mesure Lm, en regard de l'émetteur 10.

Avec une telle configuration, la vitesse de propagation vm d'une onde acoustique le long du trajet acoustique de mesure Lm peut s'exprimer comme étant la somme de la célérité acoustique c de l'onde acoustique dans le fluide et de la composante de la vitesse d'écoulement V du fluide dans la direction de propagation de l'onde acoustique :

Or la vitesse de propagation vm de l'onde acoustique peut s'exprimer comme étant une distance d, correspondant ici à la longueur du trajet acoustique de mesure Lm, parcourue par l'onde acoustique entre l'émetteur 10 et le récepteur 20 pendant son temps de transit Δί. Il en résulte que l'on obtient à partir de l'équation 1 :

En fixant la célérité des ondes c à une valeur donnée, on peut dès lors calculer la vitesse d'écoulement V du fluide associée au trajet acoustique de mesure Lm formé entre l'émetteur 10 et le récepteur 20 de la paire de transducteurs de mesure :

Dans le cas où le fluide traversant la conduite est connu, il est facile pour un homme du métier de connaître la célérité d'une onde dans le fluide statique avec un certain degré de précision. Ainsi, selon le degré de précision souhaité pour la mesure de la vitesse d'écoulement, l'utilisation d'une seule paire de transducteurs de mesure peut suffire.

Dans l'exemple illustré à la figure 1, l'onde acoustique se propage le long du trajet acoustique de mesure Lm dans le sens d'écoulement du fluide. Dès lors, l'angle oblique Am forme un angle aigu avec la direction d'écoulement D, par exemple 45°. Il en résulte que le signe du cosinus de l'angle oblique Am est positif.

On pourrait toutefois prévoir, sans sortir du cadre de la présente invention, un agencement de l'émetteur 10 qui serait tel que l'onde acoustique se propage le long du trajet acoustique de mesure Lm dans le sens opposé à (à contre-courant de) celui d'écoulement du fluide. Dès lors, l'angle oblique Am formerait un angle obtus avec la direction d'écoulement D, par exemple 135°. Le signe du cosinus de l'angle oblique Am serait ainsi négatif.

En outre, dans l'exemple illustré à la figure 1, l'émetteur 10 et le récepteur 20 de la paire de transducteurs de mesure sont placés en regard l'un de l'autre. Il en résulte que la distance d parcourue par l'onde acoustique entre les deux transducteurs correspond dans ce cas à la distance dm séparant ces deux transducteurs.

Ainsi, en appliquant l'équation 3 à l'exemple illustré à la figure 1, on obtient :

Par ailleurs, comme illustré à la figure 2, le dispositif 1 comprend en outre des moyens de mesure 100 de la vitesse d'écoulement V. Les moyens de mesure 100 comprennent un circuit d'excitation 12 de l'émetteur 10, un détecteur de seuil 14 d'émission, un circuit de traitement 22 du signal de réception, un moyen d'inter-corrélation 24 et des moyens de calcul 50.

Le circuit d'excitation 12 est couplé à l'émetteur 10 de la paire de transducteurs de mesure. Il est configuré pour exciter l'émetteur 10 avec une impulsion électrique d'excitation Ve.

Le détecteur de seuil 14 est couplé au circuit d'excitation 12 et est configuré pour détecter un instant d'émission te de l'onde acoustique par ledit émetteur 10.

Le circuit de traitement 22 est couplé au récepteur 20 de la paire de transducteurs de mesure et est configuré pour traiter un signal de tension électrique de réception Vr que ledit récepteur 20 émet en réponse à l'onde acoustique qu'il perçoit, de manière à délivrer un signal Vr' représentatif de la tension électrique de réception Vr.

Le moyen d'inter-corrélation 24 est couplé au circuit de traitement 22 pour recevoir le signal Vr' représentatif de la tension électrique de réception Vr. Il est configuré pour détecter un instant de réception tr de l'onde acoustique par ledit récepteur 20. Pour cela, le moyen d'inter-corrélation 24 comprend un module de corrélation 26 des signaux de tension électrique de réception Vr avec un signal de réception de référence Vref pour déterminer une fonction de corrélation, et un module de détection du maximum de corrélation 28.

Il est à noter que l'utilisation d'un circuit de traitement 22 est purement facultative, de sorte que l'on pourrait prévoir, sans sortir du cadre de la présente invention, de relier directement le récepteur 20 au moyen d'inter-corrélation 24. Dans ce cas, l'instant de réception tr est déterminé en corrélant directement le signal de tension électrique de réception Vr émise par le récepteur 20 avec le signal de réception de référence Vref.

En outre, dans l'exemple illustré, le circuit de traitement 22 est configuré pour effectuer une préparation adaptée sur la tension électrique de réception Vr (par exemple : un filtrage), de sorte que l'on pourrait prévoir, sans sortir du cadre de la présente invention, que le circuit de traitement 22 soit configuré pour effectuer en plus, ou à la place du filtrage, une opération d'amplification de la tension électrique de réception Vr.

Les moyens de calcul 50 sont raccordés au détecteur de seuil 14 et au moyen d'inter-corrélation 24 pour recevoir les valeurs des instants d'émission te et de réception tr. Les moyens de calcul 50 sont configurés pour calculer la vitesse d'écoulement V associée à la paire de transducteurs de mesure.

Le dispositif 1 est configuré pour réaliser répétitivement un cycle de mesure qui va être à présent détaillé à l'appui de la figure 3 qui présente un logigramme d'un procédé de détermination d'une vitesse d'écoulement d'un fluide dans une portion de conduite selon un mode de mise en œuvre de l'invention.

Comme illustré à la figure 4, dans une première étape 110, le circuit d'excitation 12 envoie une impulsion électrique d'excitation Ve de manière à ce que l'émetteur 10 de la paire de transducteurs de mesure émette une onde acoustique.

Selon l'exemple illustré à la figure 5, le premier front Pe de l'impulsion électrique d'excitation Ve est un front montant. Ainsi, le deuxième front de cette impulsion électrique est un front descendant.

La valeur maximale de l'impulsion électrique d'excitation Ve est choisie de manière à être compatible avec l'émetteur 10.

En outre, la largeur à mi-hauteur de l'impulsion électrique d'excitation Ve, ainsi que la fréquence de répétition de cette dernière, sont adaptées de manière à tenir compte de la distance dm séparant l'émetteur 10 du récepteur 20, de la célérité acoustique c du fluide, et/ou autre.

Pendant l'émission de l'onde acoustique par l'émetteur 10 en réponse à son excitation par une impulsion électrique d'excitation Ve, on utilise le détecteur de seuil 14 pour déterminer dans une deuxième étape 115 l'instant d'émission te.

Four ce faire, le premier détecteur de seuil 14 reçoit l'impulsion électrique d'excitation Ve, ainsi qu'une valeur d'un seuil d'émission Se qui est fixée à l'avance. A la figure 5, on a représenté plus en détail la crête d'une impulsion électrique d'excitation Ve, ainsi qu'un seuil d'émission Se.

Selon cet exemple, le premier détecteur de seuil 14 détecte en tant qu'instant d'émission te de l'onde acoustique par l'émetteur 10 l'instant auquel l'impulsion électrique d'excitation Ve au cours de son premier front Pe devient supérieure à la valeur du seuil d'émission Se.

Afin que l'instant sélectionné comme étant l'instant d'émission te soit suffisamment précis, le signal de l'impulsion électrique d'excitation Ve reçu par le détecteur de seuil 14 est préalablement échantillonné à une fréquence d'échantillonnage élevée. Et une interpolation ad-hoc est également utilisée pour améliorer la résolution.

Suite à son émission par l'émetteur 10, l'onde acoustique se propage dans le fluide le long du trajet acoustique de mesure Lm avant d'être perçue par le récepteur 20.

Le récepteur 20 émet alors un signal de tension électrique de réception Vr en réponse à l'onde acoustique qu'il perçoit qui est collecté, dans une troisième étape 120, pendant toute la durée d'ouverture d'une fenêtre temporelle. La fenêtre temporelle est ouverte pendant un temps de l'ordre de 125 ps par exemple à partir d'un instant postérieur à l'instant d'émission te de l'onde acoustique. L'ouverture de la fenêtre temporelle est déclenchée après un temps inférieur au résultat de la distance dm séparant l'émetteur 10 du récepteur 20 par la célérité acoustique du fluide.

Dans l'exemple de réalisation illustré, le signal de tension Vr subit dans une quatrième étape 125 une préparation adaptée, par exemple un filtrage, dans le circuit de traitement 22, qui délivre alors un signal représentatif Vr' de la tension électrique de réception Vr.

On utilise le moyen d'inter-corrélation 24 pour sélectionner un instant en tant qu'instant de réception tr de l'onde acoustique par le récepteur 20.

Pour ce faire, le module de corrélation 26 du moyen d'intercorrélation 24 reçoit le signal représentatif Vr' de la tension électrique de réception Vr et, dans une cinquième étape 130, calcule une fonction d'inter-corrélation du signal de tension électrique de réception Vr avec un signal de tension de réception de référence Vref, préalablement enregistré, pour chaque pas de temps de la fenêtre temporelle.

Sur la figure 6 sont représentés plus en détail le signal représentatif Vr' sur la représentation graphique de droite et un signal représentatif de référence Vref. Plus particulièrement, la représentation graphique de gauche présente un extrait de l'une des réponses choisie comme signal de référence qui peut correspondre au premier signal émis par le transducteur émetteur 10 ou bien à un signal enregistré au cours d'une autre série de mesures, et la représentation graphique de droite présente un extrait de l'une des réponses à analyser.

Chacun des deux extraits présentés comprend un même nombre N de valeurs discrètes.

La fonction d'inter-corrélation discrète I(i0) est construite en faisant varier la variable i0 de 1 à un nombre N, N étant un nombre entier. La recherche du maximum de corrélation est donc réalisée en utilisant N valeurs discrètes de I.

Connaissant l'instant qui correspond à ce maximum de la fonction I(i0), il est possible d'accéder au temps de transit (après prise en compte de l'instant choisi pour caractériser l'excitation selon la figure 5). Cette opération est répétée pour chaque répétition du signal d'excitation.

Une fois la fonction d'inter-corrélation élaborée, le module de détection du maximum de corrélation 28 réalise ensuite dans une sixième étape 135 une recherche du maximum de corrélation au pas de temps près, puis une recherche du maximum de corrélation sous le pas de temps en comparant l'amplitude détectée à celle de ses deux voisins (au minimum), c'est-à-dire au pas de temps ultérieur et au pas de temps antérieur et en pratiquant une interpolation ad-hoc.

Afin que l'instant sélectionné comme étant l'instant de réception tr soit suffisamment précis, le signal représentatif Vr' de la tension électrique de réception Vr est préalablement échantillonné à une fréquence d'échantillonnage élevée.

Une fois les instants d'émission te et de réception tr déterminés, ces derniers sont fournis aux moyens de calcul 50 qui peuvent alors calculer dans une septième étape 140 le temps de transit At de l'onde acoustique comme étant l'intervalle de temps qui s'est écoulé entre l'instant d'émission te et l'instant de réception tr :

Les moyens de calcul 50 peuvent alors déterminer dans une huitième étape 145 la vitesse d'écoulement V à partir du temps de transit At ainsi calculé, de la distance d parcourue par l'onde acoustique le long du trajet acoustique de mesure Lm, de la célérité acoustique du fluide c, et de l'angle oblique Am, en utilisant l'équation suivante obtenue à partir de l'équation 3 :

Selon l'exemple illustré sur la figure 1, la distance parcourue d par l'onde acoustique pendant le temps de transit correspond à la distance dm séparant l'émetteur 10 du récepteur 20, d'où :

Avantageusement mais non nécessairement, les valeurs de la célérité c, de la distance dm, et de l'angle oblique Am sont des paramètres qui peuvent être fixés à l'avance.

Ces paramètres sont avantageusement déterminés à l'avance au moyen d'une procédure d'étalonnage.

La valeur de ces paramètres est alors fournie aux moyens de calcul 50.

Une fois que la vitesse d'écoulement V du fluide associée à la paire de transducteurs de mesure a été obtenue, le cycle de mesure est terminé.

Un nouveau cycle de mesure débute ensuite en réponse à l'émission par le circuit d'excitation 12 d'une nouvelle impulsion électrique d'excitation Ve.

Dans l'exemple illustré, on a montré un circuit d'excitation 12 dissocié du détecteur de seuil 14, de sorte que l'on pourrait prévoir, sans sortir du cadre de la présente invention, qu'ils soient tous deux intégrés au sein d'un même circuit.

Il en est de même en ce qui concerne le circuit de traitement 22 et le moyen d'inter-corrélation 24.

Dans une variante, l'émetteur et le récepteur d'une même paire de transducteurs peuvent être placés d'un même côté du tronçon de conduite, de sorte que l'onde acoustique émise par l'émetteur se réfléchisse sur une paroi de la conduite avant d'atteindre le récepteur. Le trajet acoustique de l'onde comprend ainsi une distance double par rapport à une configuration où le récepteur et l'émetteur sont en regard.

Sur la figure 7 a été représentée une vue en coupe en perspective d'un dispositif de détermination 1 selon un deuxième exemple illustratif et non limitatif de la présente invention.

Selon cet exemple, le dispositif 1 comporte deux paires de transducteurs électroacoustiques de mesure 10, 10', 20 et 20' du type de celle décrite à la figure 1, avec une première paire de transducteurs 10 et 20 disposée comme la paire de transducteurs du premier mode de réalisation illustré sur la figure 1, et une seconde paire de transducteurs 10' et 20' disposée dans la portion de conduite de manière à avoir un second trajet acoustique Lm2 de l'onde émise par l'émetteur 10' vers le récepteur 20' de la seconde paire de transducteurs qui soit orthogonal à la direction de l'écoulement du fluide dans le tronçon de conduite 2.

On pourrait toutefois prévoir, sans sortir du cadre de la présente invention, un tout autre nombre de paires de transducteurs électroacoustiques de mesure supérieur ou égal à trois, pourvu seulement que le dispositif comporte au moins une paire de transducteurs de mesure.

Selon l'exemple illustré, l'émetteur 10 et 10' et le récepteur 20 et 20' de chacune des paires de transducteurs de mesure sont logés dans des ouvertures ménagées dans le tronçon de conduite 2 de manière à affleurer sensiblement la face interne 3 de ce dernier.

Le procédé de détermination de la vitesse d'écoulement du fluide diffère de celui présenté sur la figure 3 pour un dispositif comportant une seule paire de transducteurs électroacoustiques de mesure en ce que les étapes 110 à 140 sont réalisés en parallèle aussi bien pour les mesures issues de la première paire de transducteurs que pour les mesures issues de la seconde paire de transducteurs. L'étape 140 permet ainsi d'obtenir deux temps de transit dont l'un, celui déterminé à partir de la seconde paire de transducteurs, correspond à la célérité c de l'onde acoustique dans le fluide, c'est-à-dire la vitesse de l'onde acoustique lorsque l'écoulement du fluide est stationnaire.

Dans l'étape 145, le calcul de la vitesse d'écoulement V est réalisé en tenant compte de la valeur mesurée pour la célérité c de l'onde acoustique dans le fluide et non d'une valeur de consigne.

Selon l'exemple illustré, les trajets acoustiques Lml et Lm2 définis par les deux paires de transducteurs de mesure sont prévus dans un même plan de coupe P du tronçon de conduite 2, qui est situé dans une direction oblique de ce dernier.

Il est alors avantageusement possible de calculer, au cours d'un même cycle de mesure, les vitesses d'écoulement VI, V2, V3 du fluide respectivement associées à chacune des trois paires de transducteurs de mesure.

On peut alors ensuite, par exemple, déterminer au cours dudit cycle de mesure le champ de vitesses d'écoulement dans le plan de coupe P associé aux vitesses VI, V2, puis éventuellement son gradient ou autre ; et/ou la vitesse d'écoulement moyenne résultant d'au moins deux des trois vitesses d'écoulement VI, V2, V3.

Claims (13)

1. REVENDICATIONS

   1. Procédé de détermination d'une vitesse d'écoulement (V) d'un fluide s'écoulant dans un tronçon de conduite (2) selon une direction d'écoulement (D), au moins une paire de transducteurs de mesure électroacoustiques étant montée sur le tronçon de conduite (2) et comportant un émetteur (10) agencé de manière à ce qu'une onde acoustique émise par ledit émetteur (10) se propage dans le fluide le long d'un trajet acoustique de mesure (Lm) formant un angle (Am) non nul et non orthogonal avec la direction d'écoulement (D), et un récepteur (20) placé sur le trajet acoustique de mesure (Lm), le procédé comprenant au moins un cycle de mesure au cours duquel : - on émet (110) une onde acoustique en excitant l'émetteur (10) de la paire de transducteurs de mesure avec une impulsion électrique d'excitation (Ve), - on sélectionne (115) un instant d'émission (te) de l'onde acoustique, - on collecte (120) un signal de tension électrique de réception (Vr, VrO que le récepteur (20) de la paire de transducteurs de mesure émet en réponse à l'onde acoustique qu'il reçoit sur une fenêtre temporelle, - on calcule (130) une fonction d'inter-corrélation du signal de tension électrique de réception (Vr, VrO avec un signal de réception de référence (Vref) sur la fenêtre temporelle, - on sélectionne (135) comme instant de réception (tr) l'instant correspondant au maximum de la fonction d'intercorrélation sur la fenêtre temporelle, et - on calcule (145) la vitesse d'écoulement (V) du fluide associée à partir du temps de transit (At) de l'onde acoustique écoulé entre l'instant d'émission (te) et l'instant de réception (tr), de la distance (dm) parcourue par l'onde acoustique le long du trajet acoustique de mesure (Lm), de la célérité (c) de propagation des ondes dans le fluide, et dudit angle (Am) formé par le trajet acoustique de mesure (Lm) avec la direction d'écoulement (D).
2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on sélectionne en tant qu'instant d'émission (te) de l'onde acoustique un instant auquel un front (Pe) de l'impulsion électrique d'excitation (Ve) dépasse pour la première fois un seuil d'émission (Se).
3. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on utilise une technique de corrélation entre chaque signal d'excitation et un signal d'excitation de référence pour sélectionner l'instant d'émission (te) de l'onde acoustique.
4. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le maximum de la fonction d'inter-correlation correspond à l'instant où le signal de tension électrique de réception (Vr, VrO correspond au mieux au signal de réception de référence.
5. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel on réalise répétitivement le cycle de mesure.
6. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel au moins deux paires de transducteurs de mesure électroacoustiques sont utilisées et montées sur le tronçon de conduite (2) et définissent des trajets acoustiques de mesures (Lml, Lm2) formant respectivement des angles non nuis avec la direction d'écoulement (D), au moins l'un desdits angles (Lml) étant non orthogonal, et le procédé comprenant, au cours du cycle de mesure, une détermination d'un temps de transit associé à la première paire de transducteurs de mesure et d'un temps de transit associé à la deuxième paire de transducteurs de mesure.
7. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l'une des paires de transducteurs est montée de manière à définir un trajet acoustique de mesure (Lm2) orthogonal à la direction de l'écoulement.
8. 8. Dispositif (1) de détermination d'une vitesse d'écoulement (V) d'un fluide, comprenant un tronçon de conduite (2) dans lequel le fluide s'écoule selon une direction d'écoulement (D) et au moins une paire de transducteurs de mesure électroacoustiques montée sur le tronçon de conduite (2), la paire de transducteurs comportant un émetteur (10) agencé de manière à ce qu'une onde acoustique émise par ledit émetteur (10) se propage dans le fluide le long d'un trajet acoustique de mesure (Lm) formant un angle (Am) non nul et non orthogonal avec la direction d'écoulement (D) et un récepteur (20) placé sur le trajet acoustique de mesure (Lm), le dispositif (1) comprenant en outre des moyens de mesure (100) de la vitesse d'écoulement (V) du fluide, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure (100) comportent : - un circuit d'excitation (12) couplé à l'émetteur (10) de la paire de transducteurs de mesure, et configuré pour exciter ledit émetteur (10) avec une impulsion électrique d'excitation (Ve) pour émettre une onde acoustique, - un moyen de sélection d'un instant d'émission (te) de l'onde acoustique par ledit émetteur (10) ; - un moyen de détermination (24) d'un instant de réception (tr) comportant un module de corrélation (26) du signal de tension électrique de réception (Vr, VrO avec un signal de réception de référence (Vref) pour chaque pas de temps d'une fenêtre temporelle de collecte du signal de tension de réception (Vr, Vr') pour déterminer une fonction d'intercorrélation et un module de détection (28) du maximum de la fonction d'inter-corrélation sur la fenêtre temporelle, et - des moyens de calcul (50) reliés aux premier et deuxième détecteurs de seuil (14, 24) et configurés pour calculer la vitesse d'écoulement (V) du fluide associée à partir du temps de transit (At) de l'onde acoustique écoulé entre l'instant d'émission (te) et l'instant de réception (tr), de la distance (dm) parcourue par l'onde acoustique le long du trajet acoustique de mesure (Lm), de la célérité (c) de propagation des ondes dans le fluide, et dudit angle (Am) formé par le projet acoustique de mesure (Lm) avec la direction d'écoulement (D).
9. 9. Dispositif (1) selon la revendication 8, dans lequel le moyen de sélection comprend un détecteur de seuil (14) couplé au circuit d'excitation (12) et configuré pour détecter en tant qu'instant d'émission (te) d'une onde acoustique par ledit émetteur (10) un instant auquel un front (Pe) de l'impulsion électrique d'excitation (Ve) dépasse un seuil d'émission (Se).
10. 10. Dispositif (1) selon la revendication 8, dans lequel le moyen de sélection comprend un module d'inter-corrélation apte à appliquer une technique de corrélation entre chaque signal d'excitation et un signal d'excitation de référence pour sélectionner l'instant d'émission (te) de l'onde acoustique.
11. 11. Dispositif (1) selon l'une des revendications 8 à 10, dans lequel l'émetteur (10) et le récepteur (20) de la paire de transducteurs de mesure sont placés en regard l'un de l'autre.
12. 12. Dispositif (1) selon l'une des revendications 8 à 11, comprenant plusieurs paires de transducteurs de mesure électroacoustiques définissant des trajets acoustiques de mesure respectifs (Lml, Lm2), les moyens de mesure (100) étant configurés pour déterminer le temps de transit associé à chaque paire de transducteurs de mesure.
13. 13. Dispositif (1) selon l'une des revendications 8 à 12, dans lequel le fluide s'écoule dans le tronçon de conduite (2) en étant dans un état parmi les états monophasique liquide, monophasique gazeux, et diphasique gaz/liquide.