FR3118178A1 - Moyen de mesure de fluide - Google Patents

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Abstract

Un moyen de mesure de fluide (10) pour la détermination d'au moins une propriété caractéristique d'un fluide (F) comprend un tube de mesure (12) présentant un canal de fluide (18) qui est apte à être traversé par le fluide (F) et qui présente un tronçon de mesure (20) dans lequel au moins une zone d'une paroi (22) du tube de mesure est réalisée sous forme de guide d'ondes pour des ondes acoustiques de surface (OW) qui forme une interface avec le fluide (F). Il est prévu au moins deux transducteurs piézoélectriques (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) qui sont agencés en contact direct avec une surface extérieure du guide d'ondes, dont l'un sert d'émetteur (24a) pour l’excitation d’ondes acoustiques dans le guide d'ondes et au moins un sert de récepteur (24b, 24c, 24d, 24e) pour la réception d’ondes acoustiques. Des ondes acoustiques excitées par l'émetteur peuvent se propager au moins par tronçons sous forme d’onde de volume (V) à travers le fluide (F), et les transducteurs piézoélectriques (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) sont réalisés de manière élastiquement flexible tout en conservant leur fonction en ce que les transducteurs piézoélectriques (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) présentent une pluralité d'éléments piézo en forme de bande qui, pris séparément, sont rigides, qui sont agencés de manière parallèle les uns par rapport aux autres et entre lesquels est agencée une couche respective en un matériau élastique. Figure 1

Description

Moyen de mesure de fluide
L’invention se rapporte à un moyen de mesure de fluide pour la détermination d’au moins une propriété caractéristique d’un fluide.
L’invention se rapporte en particulier à un moyen de mesure de fluide pour la détermination d’une ou de plusieurs propriétés caractéristiques d’un liquide qui le traverse. Les propriétés du fluide sont par exemple la concentration, la viscosité, la vitesse du son, la vitesse d’écoulement, le débit, la température et/ou l’homogénéité de celui-ci.
Le document DE 10 2019 110 514 A1 divulgue un moyen de mesure de fluide qui sert à mesurer certaines propriétés du fluide s’écoulant dans un canal de fluide au moyen d’ondes acoustiques. À cet effet, des ondes acoustiques de surface (anglais : surface acoustic waves, SAW) sont excitées dans un guide d’ondes qui est formé par une partie de la paroi du canal de fluide, le type et la fréquence des ondes acoustiques de surface étant choisis de manière à réaliser un découplage partiel dans le fluide qui est en contact direct avec le guide d’ondes. Une partie des ondes acoustiques de surface dans le guide d’ondes est ainsi couplée dans le fluide sous forme d’ondes sonores de volume longitudinales et le traverse.
Sur leur chemin à travers le fluide, les ondes sonores sont réfléchies au moins une fois sur une paroi opposée du canal de fluide, de sorte qu’elles rencontrent de nouveau le guide d’ondes, où une partie de ces ondes de volume est de nouveau couplée dans le guide d’ondes sous forme d’ondes acoustiques de surface et continue à le traverser. Un signal caractéristique dont l’évolution d’intensité dans le temps (y compris le retard dans le temps par rapport au signal émis par l’émetteur) permet de tirer des conclusions sur des propriétés caractéristiques du fluide est ainsi produit au niveau d’un récepteur qui est agencé à distance d’un émetteur sur le guide d’ondes.
Des transducteurs piézo qui sont habituellement fixés sur des surfaces de contact planes sur le tube de mesure sont ici utilisés comme émetteurs et récepteurs. Les transducteurs piézo peuvent cependant se briser sous certaines charges telles qu’une pression élevée ou une forte sollicitation thermique, en particulier lorsqu’il s’agit de transducteurs à grande surface qui offrent une précision de mesure particulièrement élevée.
Le but de l’invention consiste donc à fournir un moyen de mesure de fluide dans lequel les difficultés mentionnées sont évitées.
Selon l’invention, ceci est atteint par un moyen de mesure de fluide pour la détermination d'au moins une propriété caractéristique d'un fluide, comprenant un tube de mesure présentant un canal de fluide qui est apte à être traversé par le fluide et qui présente un tronçon de mesure dans lequel au moins une zone d'une paroi du tube de mesure est réalisée sous forme de guide d'ondes pour des ondes acoustiques de surface qui forme une interface avec le fluide, et au moins deux transducteurs piézoélectriques qui sont agencés en contact direct avec une surface extérieure du guide d'ondes. L'un des transducteurs piézoélectriques sert d'émetteur pour l’excitation d’ondes acoustiques dans le guide d'ondes et au moins un sert de récepteur pour la réception d’ondes acoustiques. Des ondes acoustiques excitées par l'émetteur peuvent se propager au moins par tronçons sous forme d’onde de volume à travers le fluide, et les transducteurs piézoélectriques sont réalisés de manière élastiquement flexible tout en conservant leur fonction, en ce que les transducteurs piézoélectriques présentent une pluralité d'éléments piézo en forme de bande qui, pris séparément, sont rigides, qui sont agencés de manière parallèle les uns par rapport aux autres et entre lesquels est agencée une couche respective en un matériau élastique.
Étant donné que dans le moyen de mesure de fluide selon l’invention, les transducteurs piézoélectriques sont réalisés élastiquement flexibles, il n’y a pas de risque de rupture, même sous des charges élevées, même dans le cas d’une certaine déformation du tube de mesure. La réalisation de transducteurs piézo à grande surface pour des systèmes à précision de mesure particulièrement élevée ne pose pas de problème non plus. De plus, les transducteurs piézoélectriques peuvent s’adapter de manière idéale à une courbure, par exemple celle d’un tube de mesure cylindrique circulaire, en raison de leur souplesse, de sorte que dans la réalisation selon l’invention, un usinage du tube de mesure par enlèvement de copaux, telle que réalisé dans l’état de la technique, n’est pas nécessaire pour obtenir une surface de contact plane pour les transducteurs. La fabrication en est simplifiée, ce qui a en revanche un effet avantageux sur les coûts de fabrication.
Les transducteurs piézoélectriques sont de préférence collés sur la paroi du tube de mesure, grâce à quoi il est possible de fabriquer le moyen de mesure de fluide de manière particulièrement simple et peu coûteuse.
Le matériau élastique peut être un élastomère ou une masse de coulage.
Dans un état non plié, les éléments piézo rigides en forme de bande et les couches en matériau élastique agencées entre eux forment sensiblement un parallélépipède. La longueur du parallélépipède est en particulier au maximum dix fois supérieure à sa largeur, et la hauteur correspond environ à un dixième de la largeur. En alternative, il est également possible d’utiliser des transducteurs à surface de base carrée.
Une réalisation particulièrement simple et résistante à la rupture est obtenue lorsque les transducteurs piézoélectriques présentent une carte de circuits imprimés ou une feuille de carte de circuits imprimés élastique sur laquelle les éléments piézo en forme de bande sont fixés et sont électriquement contactés. Lors du montage des transducteurs piézoélectriques, les parallélépipèdes composés des éléments piézo en forme de bande avec des couches en matériau élastique agencées entre eux sont alors de préférence tout d’abord collés sur la paroi du tube de mesure, et la carte de circuits imprimés flexible est ensuite agencée de l’autre côté du parallélépipède.
Une réalisation dans laquelle les transducteurs piézoélectriques présentent chacun deux électrodes qui sont montées sur la carte de circuits imprimés ou la feuille de carte de circuits imprimés élastique et sont en particulier agencées de telle sorte que l’onde acoustique est couplée dans le tube de mesure ou est reçue de celui-ci par le côté le plus long du transducteur piézoélectrique s’est avérée particulièrement favorable sur le plan de la fabrication.
La paroi du tube de mesure présente de préférence une épaisseur de paroi sensiblement constante dans l’ensemble du tronçon de mesure, ce qui simplifie la fabrication. L’épaisseur de paroi peut même être inférieure à celle des moyens de mesure de fluide connus puisqu’il est possible d’omettre un usinage par enlèvement de copeaux pour la réalisation de surfaces de contact planes pour les transducteurs piézoélectriques. Ceci est particulièrement important pour les tubes de mesure présentant une paroi de tube de mesure de faible épaisseur constante, étant donné qu’un enlèvement de matériau par fraisage n’est pas ou à peine possible ici.
Dans une réalisation particulièrement préférée, le côté intérieur du tube de mesure est réalisé cylindrique, et il est prévu au moins trois transducteurs piézoélectriques dont l’un sert d’émetteur pour l’excitation d’ondes acoustiques dans le guide d’ondes et au moins deux servent de récepteurs pour la réception d’ondes acoustiques. Les transducteurs piézoélectriques reposent de manière plane sur la paroi du tube de mesure, et, par rapport à leur ligne médiane, sont chacun agencés selon un angle aigu par rapport au sens d’extension longitudinale du tube de mesure et sont en outre agencés décalés les uns par rapport aux autres dans le sens circonférentiel et dans le sens d’extension longitudinale du tube de mesure.
Grâce à cet agencement des transducteurs, il est possible d’obtenir un trajet de mesure particulièrement long tant dans un tube de mesure à section transversale ronde que dans un tube de mesure à section transversale rectangulaire, de sorte qu’une part particulièrement élevée du fluide est prise en compte lors de mesurage.
Une évolution des ondes de volume dans le fluide particulièrement favorable pour le mesurage peut être obtenue lorsque les transducteurs piézoélectriques individuels, par rapport à leur ligne médiane respective, sont agencés selon différents angles aigus par rapport au sens d’extension longitudinale du tube de mesure.
Selon un mode de réalisation préféré, un premier récepteur est agencé sur la paroi du tube de mesure de manière à recevoir le signal d’une onde acoustique qui est directement transmise par l’intermédiaire de la paroi du tube de mesure servant de guide d’ondes, et un deuxième récepteur est agencé sur la paroi du tube de mesure de manière à recevoir le signal d’une onde acoustique qui s’est propagée par tronçons sous forme d’onde de volume à travers le fluide sans avoir été réfléchie sur la paroi du tube de mesure. Le premier récepteur sert de référence, tandis que le deuxième récepteur mesure un premier groupe d’ondes ou un premier ordre d’ondes.
Dans un perfectionnement, il est prévu au moins un récepteur supplémentaire qui est agencé sur la paroi du tube de mesure de manière à recevoir le signal d’une onde acoustique qui s’est propagée par tronçons sous forme d’onde de volume à travers le fluide et a été réfléchie au moins une fois sur la paroi du tube de mesure. Ce récepteur ou ces (plusieurs) récepteurs saisissent donc un deuxième groupe d’ondes ou un ordre d’ondes plus élevé, chaque récepteur recevant en particulier les ondes d’exactement un groupe d’ondes grâce à un agencement approprié sur le tube de mesure.
Dans une réalisation préférée de l’invention, il est prévu au moins cinq transducteurs piézoélectriques. Trois groupes d’ondes ou trois ordres d’ondes (ou plus) sont ainsi mesurés.
Un trajet de signal des ondes de volume qui s’est avéré particulièrement favorable dans des tests est obtenu en ce que les transducteurs piézoélectriques sont agencés le long du tube de mesure de telle sorte que deux zones de réflexion de l’onde de volume successives dans le sens axial du tube de mesure sont agencées décalées l’une par rapport à l’autre de moins de 180°, de préférence d’environ 125° à 130° dans le sens circonférentiel.
Dans un mode de réalisation préféré, les transducteurs piézoélectriques sont agencés le long du tube de mesure cylindrique circulaire dans le tronçon de mesure de telle sorte que l’onde de volume s’étend sensiblement le long d’une ligne hélicoïdale dans le fluide. À cet effet, les transducteurs sont également agencés sur une sorte de ligne hélicoïdale autour de la paroi du tube de mesure. Avec une telle forme d’onde hélicoïdale, un nombre particulièrement élevé de parts de fluide est pris en compte lors du mesurage.
Une zone centrale du canal de fluide est avantageusement évitée par l’onde de volume. Le diamètre de la zone centrale correspondant en particulier à la moitié du diamètre du canal de fluide. Le mesurage au centre peut mener à d’importantes erreurs de mesurage, en particulier à la transition d’écoulements turbulents/instables à des écoulements laminaires/stables ou vice versa, ou dans le cas d’un profil d’écoulement asymétrique. Étant donné que des profils d’écoulement instables surviennent souvent directement après des branchements ou similaires, il est nécessaire de choisir un long trajet d’admission pour un mesurage aussi précis que possible dans les moyens de mesure connus, de sorte que l’écoulement dans la zone du mesurage est de nouveau principalement sous forme de profil d’écoulement stabilisé. Un mesurage à l’extérieur du centre permet ainsi une précision de mesure élevée pour un faible trajet d’admission. Il est ainsi possible d’agencer le système selon l’invention par exemple directement en aval de pièces de tuyau en T ou de tubes coudés, courbes ou cintrés.
Selon un autre mode de réalisation préféré, le tube de mesure est sensiblement rectangulaire en section transversale dans le tronçon de mesure et présente des côtés plats sur lesquels les transducteurs piézoélectriques sont agencés. On entend par cela tant la section transversale intérieure, c’est-à-dire la section transversale du canal de fluide, que la section transversale extérieure du tube de mesure, les « coins » à proprement parler pouvant être arrondis. Une section transversale sensiblement carrée, ici aussi avec des coins arrondis, est bien sûr également possible, si cela est souhaité.
Une précision de mesure particulièrement élevée peut être obtenue lorsque les transducteurs piézoélectriques s’étendent sur au moins 90% de la largeur du canal de fluide. Grâce à la réalisation élastiquement flexible des transducteurs piézoélectriques, des longueurs des transducteurs allant jusqu’à 80 mm ou plus sont possibles.
Un moyen de mesure de fluide utilisable de manière particulièrement variable est obtenu lorsqu’au moins deux des transducteurs piézoélectriques peuvent être mis en œuvre tant en tant qu’émetteur qu’en tant que récepteur. Une telle réalisation permet une mesure dans le sens d’écoulement et dans le sens inverse de celui-ci.
D’autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation préférés sur la base des dessins annexés. Ceux-ci montrent :
une vue en perspective partiellement transparente d’un premier mode de réalisation d’un moyen de mesure de fluide selon l’invention ;
une vue latérale schématique partiellement transparente du moyen de mesure de fluide de la , représentant l’évolution d’une onde acoustique de surface ;
les figures 3A à 3D différentes vues en section transversale du moyen de mesure de fluide de la , plus précisément le long de la ligne B-B pour la figure 3A, de la ligne C-C pour la figure 3B, de la ligne D-D pour la figure 3C, et de la ligne E-E pour la figure 3D ;
les figures 4A et 4B une vue latérale partiellement transparente et une vue de dessus sur une face frontale du moyen de mesure de fluide de la qui illustrent l’évolution d’une onde de surface acoustique servant de référence ;
les figures 5A à 5C une vue latérale partiellement transparente, une vue de dessus sur une face frontale et une vue de dessus sur une face inférieure du moyen de mesure de fluide de la qui illustrent l’évolution d’un premier groupe d’ondes d’une onde de volume ;
les figures 6A à 6C une vue latérale partiellement transparente, une vue de dessus sur une face frontale et une vue de dessus sur une face inférieure du moyen de mesure de fluide de la qui illustrent l’évolution d’un premier et d’un deuxième groupe d’ondes de l’onde de volume ;
les figures 7A à 7C une vue latérale partiellement transparente, une vue de dessus sur une face frontale et une vue de dessus sur une face inférieure du moyen de mesure de fluide de la qui illustrent l’évolution d’un premier, d’un deuxième et d’un troisième groupe d’ondes de l’onde de volume ;
une vue en perspective partiellement transparente d’une variante du moyen de mesure de fluide de la ;
une vue en perspective d’un transducteur piézoélectrique pour un deuxième mode de réalisation d’un moyen de mesure de fluide selon l’invention ;
une vue en perspective d’un deuxième mode de réalisation d’un moyen de mesure de fluide selon l’invention pendant le montage des transducteurs piézoélectriques ;
une vue en perspective du moyen de mesure de fluide de la après la réalisation du montage des transducteurs piézoélectriques ;
une vue en perspective d’un troisième mode de réalisation d’un moyen de mesure de fluide selon l’invention pendant le montage des transducteurs piézoélectriques ; et
une vue en perspective partiellement transparente du moyen de mesure de fluide de la .
Les figures 1 à 7 montrent un moyen de mesure de fluide 10 selon l’invention. Celui-ci présente un tube de mesure 12 comprenant une entrée de fluide 14, une sortie de fluide 16 et un canal de fluide 18 qui s’étend entre elles et qui peut être traversé par un fluide F. Un tronçon médian du tube de mesure 12 sert de tronçon de mesure 20 dans lequel une zone d’une paroi 22 du tube de mesure est réalisée sous forme de guide d’ondes pour des ondes acoustiques de surface OW qui forme une interface par rapport au fluide F.
Le tube de mesure 12 présente par exemple dans le tronçon de mesure 20 une section transversale cylindrique, en particulier cylindrique circulaire et est également réalisé cylindrique du côté intérieur, ce qui ne doit pas être compris comme limitation.
Du côté extérieur du tube de mesure 12, au total cinq transducteurs piézoélectriques 24a, 24b, 24c, 24d, 24e sont agencés en contact direct avec une surface extérieure de la paroi 22 du tube de mesure (et donc du guide d’ondes) et espacés les uns des autres. Les transducteurs piézoélectriques 24a à 24e sont collés sur la paroi 22 du tube de mesure.
Pour s’adapter de manière plane à la courbure du tube de mesure 12 sans qu’un aplatissement du tube de mesure 12 par un procédé de fraisage ne soit nécessaire, les transducteurs piézoélectriques 24a à 24e sont réalisés de manière élastiquement flexible tout en conservant leur fonction, en ce qu’ils présentent une pluralité d'éléments piézo 26 en forme de bande qui, pris séparément, sont rigides, qui sont agencés de manière parallèle les uns par rapport aux autres et entre lesquels est agencée une couche 28 respective en un matériau élastique (voir en particulier le détail agrandi à la ).
Les éléments piézo 26 en forme de bande sont par exemple environ quatre à cinq fois plus larges (mesurés dans le sens longitudinal de la longueur l indiquée sur la ) que les couches 28 en matériau élastique, qui est un élastomère ou une masse de coulage.
Dans un état non plié des transducteurs piézoélectriques 24a à 24e, les éléments piézo 26 rigides en forme de bande et les couches 28 en matériau élastique agencées entre eux forment sensiblement un parallélépipède 30, dont la longueur l est ici environ trois fois supérieure à sa largeur b, tandis que la hauteur h du parallélépipède 30 correspond à environ un dixième de la largeur b (voir également la ).
Chaque transducteur piézoélectrique 24a à 24e présente en outre une carte de circuits imprimés 32 ou une feuille de carte de circuits imprimés élastique, dont l'illustration a été omise sur les figures 1 et 2 pour des raisons de clarté. À cet égard, il est fait référence à l'illustration de la qui montre un transducteur piézoélectrique 24a utilisé dans une autre mode de réalisation du moyen de mesure de fluide 10 selon l'invention. Une carte de circuits imprimés 32 ou une feuille de carte de circuits imprimés élastique correspondante est également prévue dans le cas des transducteurs 24a à 24e des figures 1 et 2.
Les éléments piézo 26 en forme de bande sont fixés à la carte de circuits imprimés 32 ou à la feuille de carte de circuits imprimés et sont électriquement contactés, deux électrodes 34a, 34b qui sont fixées à la carte de circuits imprimés 32 ou à la feuille de carte de circuits imprimés élastique étant respectivement prévues à cet effet.
Les deux électrodes 34a, 34b sont agencées de telle sorte qu'une onde acoustique émise ou reçue par le transducteur 24a à 24e respectif est découplée ou couplée dans le tube de mesure 12 par le côté le plus long S du transducteur piézoélectrique 24a à 24e.
Comme le montrent notamment les figures 1 et 7B, les transducteurs piézoélectriques 24a à 24e reposent chacun de manière plane sur un tronçon courbe de la paroi 22 du tube de mesure et sont agencés, par rapport à leur ligne médiane M, selon un angle aigu Θa, Θb, Θc, Θd, Θepar rapport au sens d'extension longitudinale LMdu tube de mesure 12. La ligne médiane M s’étend perpendiculairement au côté le plus long l du parallélépipède 30 et donc de manière parallèle au sens de propagation des ondes de surface OW.
Il convient de noter que chaque transducteur piézoélectrique 24a à 24e renferme un angle aigu différent Θa, Θb, Θc, Θd, Θeavec le sens d'extension longitudinale LMdu tube de mesure 12 ( ).
Grâce à leur assemblage à partir d’éléments piézo 26 rigides en forme de bande avec des couches flexibles 28 agencées entre eux, les transducteurs piézoélectriques 24a à 24e peuvent également être tordus en eux-mêmes dans une certaine mesure, ce qui permet une adaptation idéale à la courbure de la paroi 22 du tube de mesure dans le cas d’un agencement oblique par rapport au sens d'extension longitudinale LMdu tube de mesure 12.
Les transducteurs piézoélectriques 24a à 24e sont en outre agencés de manière décalée les uns par rapport aux autres dans le sens circonférentiel U et dans le sens d'extension longitudinale LMdu tube de mesure 12.
Dans le cas où la mesure de propriétés caractéristiques du fluide F est effectuée dans le canal de fluide 18 dans le sens d'écoulement, le transducteur 24a sert d'émetteur pour l’excitation d’ondes acoustiques dans le guide d'ondes, tandis que les autres transducteurs 24b, 24c, 24d, 24e servent de récepteurs pour la réception d’ondes acoustiques.
Pour alors mesurer des propriétés spécifiques du fluide F à l’intérieur du canal de fluide 18, l’émetteur 24a excite des ondes acoustiques de surface OW dans la zone de la paroi 22 du tube de mesure, directement au-dessous de l’émetteur 24a. Ces ondes de surface OW s’étendent le long de la paroi 22 du tube de mesure qui sert de guide d’ondes en raison de l’orientation des transducteurs 24a et 24b l’un par rapport à l’autre et par rapport au tube de mesure 12, principalement en direction du premier récepteur 24b et y sont détectées. Le premier récepteur 24b reçoit donc un signal de référence qui est directement transmis par la paroi 22 du tube de mesure (voir à cet effet notamment la figure 4A).
En raison de l’interface directe du fluide F par rapport à la paroi 22 du tube de mesure, une partie de l’énergie des ondes acoustiques de surface OW est découplée (à partir de l’émetteur 24a) au niveau de la surface intérieure du tube de mesure 12, à l’interface vers le fluide F, et s’étend de là sous forme d’onde de volume V selon un angle de propagation α spécifique (par rapport à une normale de surface de la paroi 22 du tube de mesure) à travers le fluide.
Lorsque le fluide F ne se déplace pas dans le tube de mesure 12, l’angle d’incidence α de l’onde de volume V dans le fluide F résulte du rapport entre la vitesse du son cfdans le fluide F et la vitesse du son cwde l’onde de surface OW dans la paroi 22 du tube de mesure de manière à obtenir
α = arcsin (cf/ cw).
L’angle α résulte donc de « l’appariement des matériaux », la vitesse du son cwdans la paroi du tube de mesure devant être supérieure à la vitesse du son cfdans le fluide F, pour obtenir une valeur différente de zéro avec laquelle l’onde de surface OW couple dans le fluide F et parcourt dans celui-ci une distance dans l’espace sous forme d’onde de volume V. Les ondes de surface comprennent entre autre les ondes de Lamb, les ondes de Rayleigh ou les ondes de Leaky-Rayleigh qui sont utilisées ici.
L'onde de volume V frappe alors la paroi 22 du tube de mesure dans la zone du transducteur 24c servant de deuxième récepteur, une partie de son énergie étant couplée dans le tube de mesure 12 sous forme d'onde acoustique de surface et étant détectée par le deuxième récepteur 24c. Par conséquent, le deuxième récepteur 24c est agencé sur la paroi 22 du tube de mesure de manière à détecter le signal de ce premier groupe d'ondes ou du premier ordre d'ondes de l'onde de volume V qui s'est propagée directement de l'émetteur 24a à travers le fluide F sans avoir été réfléchie sur la paroi 22 du tube de mesure (voir notamment les figures 5 A-C).
Une partie de l'énergie de l'onde de volume V est également réfléchie sur la paroi 22 du tube de mesure et touche ensuite de nouveau la paroi 22 du tube de mesure dans la zone du transducteur 24d. Une partie de l'énergie de l'onde de volume V se couple de nouveau dans le tube de mesure 12 sous forme d'onde acoustique de surface et est détectée par le troisième récepteur 24d, qui reçoit ainsi un signal du deuxième groupe d'ondes ou du deuxième ordre d'ondes de l'onde de volume V qui a été réfléchie une fois sur la paroi 22 du tube de mesure. De cette manière, l'onde de volume V se propage à travers le fluide F (voir figures 6A-C).
La partie restante de l'onde de volume V est de nouveau réfléchie et frappe finalement la paroi 22 du tube de mesure dans la zone du transducteur 24e qui sert de quatrième récepteur, où une partie de l'énergie est de nouveau couplée dans le tube de mesure 12 sous forme d'onde acoustique de surface. Ceci est enregistré par le quatrième récepteur 24e comme troisième groupe d'ondes ou troisième ordre d'ondes de l'onde de volume V qui s'est propagée à travers le fluide F et a donc été réfléchie deux fois sur la paroi 22 du tube de mesure, comme le montrent notamment les figures 7A-C.
À partir du délai de propagation entre une impulsion d'onde émise par l'émetteur 24a et les signaux arrivant aux récepteurs 24b à 24e, ainsi que de leur intensité et de leur évolution dans le temps, il est possible de tirer des conclusions sur les propriétés du fluide F telles que sa concentration, sa viscosité, sa vitesse de son, sa vitesse d'écoulement, son débit, sa température et son homogénéité.
Comme le montre notamment la figure 7B, les transducteurs piézoélectriques 24a, 24c, 24d et 24e sont agencés le long du tube de mesure 12 de sorte que deux zones de réflexion de l'onde volumique V successives dans le sens axial ou dans le sens d'extension longitudinale LM du tube de mesure 12 sont décalées l'une par rapport à l'autre d'environ 125° à 130° dans le sens circonférentiel U.
Il est bien sûr possible de prévoir davantage de transducteurs piézoélectriques pour pouvoir mesurer encore plus de groupes d’ondes ou d'ordres d'ondes. Il convient toutefois de noter que le signal s'affaiblit progressivement avec chaque récepteur supplémentaire.
Dans la réalisation des figures 1 à 7C, les transducteurs piézoélectriques 24a à 24e sont agencés le long du tube de mesure 12 cylindrique circulaire de telle sorte que l'onde de volume V s’étend dans le fluide F sensiblement le long d'une ligne hélicoïdale.
Comme il ressort des figures 3A-D qui montrent différentes sections transversales à travers le tube de mesure 12 dans la zone du premier groupe d'ondes de l'onde de volume V, on obtient pour les ondes de volume V générées dans le fluide F et esquissées dans les figures 3A-C un contournement d’une zone centrale 36 du canal de fluide 18, de sorte qu’aucune mesure du fluide F n’a lieu dans cette zone centrale 36 du canal de fluide 18. Le diamètre de la zone centrale 36 exclue par le mesurage correspond environ à la moitié du diamètre D total du canal de fluide 18. Les zones agencées autour de la zone centrale 36 sont cependant entièrement saisies. Des mesures et des simulations ont montrées que les meilleurs résultats de mesure sont ainsi obtenus.
La figure 3D qui montre la forme d’onde en hélice de l’onde de volume V dans le fluide F et le contournement de la zone centrale 36, est obtenue par une superposition des figures 3A-C.
Dans les figures 3A-C, il est également visible que la paroi 22 du tube de mesure présente une épaisseur de paroi constante d dans tout le tronçon de mesure 20.
Au moins les transducteurs 24a et 24e peuvent être mis en œuvre à la fois comme émetteurs et récepteurs, de sorte qu'en plus de la mesure dans le sens d'écoulement comme décrit précédemment, une mesure dans le sens inverse de l'écoulement est également possible. Si la mesure est effectuée dans le sens inverse de l'écoulement, le transducteur 24e est l'émetteur, le transducteur 24d est le premier récepteur, le transducteur 24c est le deuxième récepteur, le transducteur 24a est le troisième récepteur, et le transducteur 24b continue à être le récepteur pour l'onde de surface OW qui sert de référence.
La montre un moyen de mesure de fluide 10 légèrement modifié qui se distingue de celui des figures 1 à 7 uniquement en ce qu’une première paire de brides 38 pour la fixation d’un boîtier de capteur non représenté sur la et comprenant une électronique d’évaluation, et une deuxième paire de brides 40 pour l’intégration du moyen de mesure de fluide 10 dans un réseau de tuyaux sont prévues sur le tube de mesure 12 de manière adjacente au tronçon de mesure 20.
Les figures 10 et 11 montrent un deuxième mode de réalisation du moyen de mesure de fluide 10 selon l’invention, des composants identiques portant des numéros de référence identiques, et seules les différences par rapport au mode de réalisation décrit jusqu’à présent étant abordées dans ce qui suit.
Dans le moyen de mesure de fluide 10 selon les figures 10 et 11, le tube de mesure 12 dans le tronçon de mesure 20 est de section transversale sensiblement rectangulaire, les coins étant légèrement arrondis. Ainsi, le tube de mesure 12 présente un total de quatre côtés plats 42 sur lesquels sont fixés les transducteurs piézoélectriques.
Dans cette réalisation, deux transducteurs 24a et 24b sont prévus sur le côté plat 42 agencé en haut dans les figures 10 et 11, et un transducteur 24c est prévu sur le côté plat 42 inférieur non visible dans les figures.
Tous les transducteurs 24a à 24c sont agencés avec leur ligne médiane M de manière parallèle au sens d'extension longitudinale LMdu tube de mesure 12 et s'étendent sur au moins 90% de la largeur du canal de fluide 18, ici même sur toute sa largeur.
Dans ce mode de réalisation, la longueur l des transducteurs 24a à 24c est environ six fois supérieure à leur largeur b (voir la ). Les transducteurs 24a à 24c ont une longueur d'environ 80 mm et, comme ils reposent sur les côtés plats 42 du tube de mesure 12, ils ne sont pas pliés à l'état installé.
Lors du montage des transducteurs 24a à 24c, le parallélépipède 30 composé des éléments piézo 26 rigides en forme de bande et des couches 28 en matériau élastique agencées entre eux est d'abord collé sur la paroi 22 du tube de mesure ( ), puis la carte de circuits imprimés 32 ou la feuille de carte de circuits imprimés avec les électrodes 34a, 34b y est fixée ( ), ce qui s'applique d'ailleurs aussi au mode de réalisation décrit précédemment.
Les figures 12 et 13 montrent finalement un troisième mode de réalisation du moyen de mesure de fluide 10 selon l'invention, qui se distingue du mode de réalisation des figures 10 et 11 uniquement par le nombre et l’agencement des transducteurs piézoélectriques.
Ici, trois transducteurs piézoélectriques 24a à 24c qui sont agencés avec leur ligne médiane M de manière parallèle au sens d'extension longitudinale LMdu tube de mesure 12 sont combinés à deux transducteurs 24d et 24e agencés en oblique par rapport au sens d'extension longitudinale LMdu tube de mesure 12 sur la paroi 22 du tube de mesure, ce qui permet d'obtenir une propagation similaire à une ligne hélicoïdale de l'onde de volume dans le fluide F.
Des agencements de transducteurs piézoélectriques différents de ceux montrés dans les figures sont bien entendu également possibles ; des combinaisons de transducteurs flexibles agencés en oblique avec des agencements connus de l'art de la technique sont en particulier concevables.

Claims (18)

  1. Moyen de mesure de fluide pour la détermination d'au moins une propriété caractéristique d'un fluide (F), comprenant
    un tube de mesure (12) présentant un canal de fluide (18) qui est apte à être traversé par le fluide (F) et qui présente un tronçon de mesure (20) dans lequel au moins une zone d'une paroi (22) du tube de mesure est réalisée sous forme de guide d'ondes pour des ondes acoustiques de surface (OW) qui forme une interface avec le fluide (F), et
    au moins deux transducteurs piézoélectriques (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) qui sont agencés en contact direct avec une surface extérieure du guide d'ondes et dont l'un sert d'émetteur (24a) pour l’excitation d’ondes acoustiques dans le guide d'ondes et au moins un sert de récepteur (24b, 24c, 24d, 24e) pour la réception d’ondes acoustiques,
    des ondes acoustiques excitées par l'émetteur pouvant se propager au moins par tronçons sous forme d’onde de volume (V) à travers le fluide (F), et
    les transducteurs piézoélectriques (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) étant réalisés de manière élastiquement flexible tout en conservant leur fonction en ce que les transducteurs piézoélectriques (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) présentent une pluralité d'éléments piézo (26) en forme de bande qui, pris séparément, sont rigides, qui sont agencés de manière parallèle les uns par rapport aux autres et entre lesquels est agencée une couche (28) respective en un matériau élastique.
  2. Moyen de mesure de fluide selon la revendication 1, caractérisé en ce que les transducteurs piézoélectriques (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) sont collés sur la paroi (22) du tube de mesure.
  3. Moyen de mesure de fluide selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau élastique est un élastomère ou une masse de coulage.
  4. Moyen de mesure de fluide selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments piézo (26) rigides en forme de bande et les couches (28) en matériau élastique agencées entre eux forment sensiblement un parallélépipède (30) à l’état non plié, la longueur (l) du parallélépipède (30) étant en particulier au maximum dix fois supérieure à sa largeur (b), et la hauteur (h) correspondant environ à un dixième de la largeur (b).
  5. Moyen de mesure de fluide selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les transducteurs piézoélectriques (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) présentent une carte de circuits imprimés (32) ou une feuille de carte de circuits imprimés élastique sur laquelle les éléments piézo (26) en forme de bande sont fixés et sont électriquement contactés.
  6. Moyen de mesure de fluide selon la revendication 5, caractérisé en ce que les transducteurs piézoélectriques (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) présentent chacun deux électrodes (34a, 34b) qui sont montées sur la carte de circuits imprimés (32) ou la feuille de carte de circuits imprimés élastique et sont en particulier agencées de telle sorte que l’onde acoustique est couplée dans le tube de mesure (12) ou et reçue de celui-ci par le côté le plus long (S) du transducteur piézoélectrique (24a, 24b, 24c, 24d, 24e).
  7. Moyen de mesure de fluide selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi (22) du tube de mesure présente une épaisseur de paroi (d) sensiblement constante dans l’ensemble du tronçon de mesure (20).
  8. Moyen de mesure de fluide selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le côté intérieur du tube de mesure (12) est réalisé cylindrique et en ce qu’il est prévu au moins trois transducteurs piézoélectriques (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) dont l’un sert d’émetteur (24a) pour l’excitation d’ondes acoustiques dans le guide d’ondes et au moins deux servent de récepteurs (24b, 24c, 24d, 24e) pour la réception d’ondes acoustiques, les transducteurs piézoélectriques (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) reposant de manière plane sur la paroi (22) du tube de mesure, et les transducteurs piézoélectriques (24a, 24b, 24c, 24d, 24e), par rapport à leur ligne médiane (M), étant chacun agencés selon un angle aigu (Θa, Θb, Θc, Θd, Θe) par rapport au sens d’extension longitudinale (LM) du tube de mesure (12) et étant en outre agencés décalés les uns par rapport aux autres dans le sens circonférentiel (U) et dans le sens d’extension longitudinale (LM) du tube de mesure (12).
  9. Moyen de mesure de fluide selon la revendication 8, caractérisé en ce que les transducteurs piézoélectriques individuels (24a, 24b, 24c, 24d, 24e), par rapport à leur ligne médiane (M) respective, sont agencés selon différents angles aigus (Θa, Θb, Θc, Θd, Θe) par rapport au sens d’extension longitudinale (LM) du tube de mesure (12).
  10. Moyen de mesure de fluide selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce qu’un premier récepteur (24b) est agencé sur la paroi (22) du tube de mesure de manière à recevoir le signal d’une onde acoustique qui est directement transmise par l’intermédiaire de la paroi (22) du tube de mesure servant de guide d’ondes, et en ce qu’un deuxième récepteur (24c) est agencé sur la paroi (22) du tube de mesure de manière à recevoir le signal d’une onde acoustique qui s’est propagée par tronçons sous forme d’onde de volume (V) à travers le fluide (F) sans avoir été réfléchie sur la paroi (22) du tube de mesure.
  11. Moyen de mesure de fluide selon la revendication 10, caractérisé en ce qu’il est prévu au moins un récepteur supplémentaire (24d, 24e) qui est agencé sur la paroi (22) du tube de mesure de manière à recevoir le signal d’une onde acoustique qui s’est propagée par tronçons sous forme d’onde de volume (V) à travers le fluide (F) et a été réfléchie au moins une fois sur la paroi (22) du tube de mesure.
  12. Moyen de mesure de fluide selon l’une des revendications 8 à 11, caractérisé en ce qu’il est prévu au moins cinq transducteurs piézoélectriques (24a, 24b, 24c, 24d, 24e).
  13. Moyen de mesure de fluide selon l’une des revendications 8 à 12, caractérisé en ce que les transducteurs piézoélectriques (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) sont agencés le long du tube de mesure (12) de telle sorte que deux zones de réflexion de l’onde de volume (V) successives dans le sens d’extension longitudinale (LM) du tube de mesure (12) sont agencées décalées l’une par rapport à l’autre de moins de 180°, de préférence d’environ 125° à 130° dans le sens circonférentiel (U).
  14. Moyen de mesure de fluide selon l’une des revendications 8 à 13, caractérisé en ce que les transducteurs piézoélectriques (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) sont agencés le long du tube de mesure (12) cylindrique circulaire dans le tronçon de mesure (20) de telle sorte que l’onde de volume (V) s’étend sensiblement le long d’une ligne hélicoïdale dans le fluide (F).
  15. Moyen de mesure de fluide selon la revendication 14, caractérisé en ce qu’une zone centrale (36) du canal de fluide (18) est évitée par l’onde de volume (V), le diamètre de la zone centrale (36) correspondant en particulier à la moitié du diamètre (D) du canal de fluide (18).
  16. Moyen de mesure de fluide selon l’une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le tube de mesure (12) est sensiblement rectangulaire en section transversale dans le tronçon de mesure (20) et présente des côtés plats (42) sur lesquels les transducteurs piézoélectriques (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) sont agencés.
  17. Moyen de mesure de fluide selon la revendication 16, caractérisé en ce que les transducteurs piézoélectriques (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) s’étendent sur au moins 90% de la largeur du canal de fluide (18).
  18. Moyen de mesure de fluide selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’au moins deux des transducteurs piézoélectriques (24a, 24b, 24c, 24d, 24e) peuvent être mis en œuvre tant en tant qu’émetteur qu’en tant que récepteur.
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