WO2000039538A1 - Dispositif et procede de mesure ultrasonore de debit de fluide comportant un convertisseur analogique numerique sigma-delta passe bande - Google Patents

Dispositif et procede de mesure ultrasonore de debit de fluide comportant un convertisseur analogique numerique sigma-delta passe bande Download PDF

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WO2000039538A1
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analog
signal
digital
fluid flow
converter
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PCT/FR1999/003266
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Inventor
Lionel Beneteau
Philippe Benabes
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Schlumberger Industries, S.A.
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
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    • G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters

Definitions

  • Device and method for ultrasonic fluid flow measurement comprising a Sigma-Delta bandpass analog digital converter
  • the present invention relates to a device and a method for ultrasonic measurement of fluid flow rate comprising an analog digital converter Sigma-Delta bandpass.
  • An ultrasonic fluid meter includes two ultrasonic transducers which define a measurement path between them. Each transducer is used alternately in transmission mode and in reception mode.
  • the principle of acoustic measurement of a fluid flow consists in determining the speed of the flowing fluid, by calculating the propagation times of the acoustic signal between the two transducers in the upstream and downstream directions of the flow of the fluid.
  • the time of flight of the ultrasonic wave is calculated by means of a time measurement and / or a phase measurement.
  • Fluid meters using the principle of ultrasonic flow measurement are completely autonomous, they do not depend on the electricity distribution network. These meters which integrate an increasingly sophisticated electronics, allowing the improvement of their metrological performances, offering consumers various information on consumption and allowing the remote reading of consumption and / or electronic toll collection of invoices, are powered by a battery of which longevity is limited in time and whose autonomy strongly depends on the architecture of the electronic circuits used.
  • the architecture of a complete chain for acquiring and processing the measurements of an ultrasonic fluid meter according to the prior art is shown in FIG. 1.
  • Such an ultrasonic fluid meter comprises two transducers 1 and 2 arranged in a cavity 3 in which a fluid flows.
  • the two transducers are connected to a switching unit 4 so that when the first transducer 1 operates in transmission mode, the second transducer 2 operates in reception mode and vice versa.
  • the transducer 2 receives said ultrasonic wave after a time characteristic of the speed of the flow and transforms the ultrasonic wave into a signal analog.
  • the switching unit 4 is connected to a programmable gain amplifier 6 which provides full scale filtering and amplification of the analog signal intended for the analog to digital converter 8.
  • the programmable gain amplifier 6 is connected to an 8 bit analog digital converter sampling frequency 320 kHz.
  • the analog to digital converter 8 provides a digital signal necessary for determining the propagation times of the acoustic signal UW between the two transducers 1 and 2.
  • the analog to digital converter 8 is connected to a RAM memory 10 of 2x256 bytes which stores the signals, waiting for their processing by the microcontroller 12.
  • the microcontroller 12, which implements the processing of the stored signals and calculates the results relating to the bit rate, is connected to a set of different units 13 allowing for example the display, communication with the outside world, management of energy saving modes, storage of operating data.
  • the microcontroller 12 is also connected to a sequencer 14.
  • the sequencer 14 controls the firing sequences of the ultrasonic waves by the transducers 1 and 2 via a transmission buffer 16 comprising a digital analog converter and an amplifier, as well as the sampling carried out by the analog-to-digital converter 8 and the memorization of the signals by the memory 10.
  • a battery (not shown) conventionally supplies the energy necessary for the operation of the devices through a set of connections (not shown) different components.
  • the combination of the programmable gain amplifier and the analog-to-digital converter corresponds to a complex architecture, which consumes 30 to 40% of the needs of all the electronics of the meter.
  • an analog-digital conversion device introduces quantization noise during digitization which degrades the accuracy of the measurements.
  • Such a so-called conventional analog-to-digital converter converts a signal with the same resolution, the frequency of which can vary from continuous to half the sampling frequency.
  • Sigma-Delta conversion is a principle of coding information on a small number of bits, sampled at high frequency in order to further increase the resolution.
  • This conversion principle is based on an operating principle similar to that of the Delta conversion, which consists in coding the difference between the amplitude of a sample and the amplitude of the previous sample.
  • the Sigma-Delta converter will output a binary train (alternating "0" and "1") consisting of a periodic regime whose fundamental period is proportional at the input voltage.
  • the converter reacts like a voltage-frequency converter which is synchronized with a sampling clock.
  • a digital filter known as a decimator filter placed at the output of the Sigma-Delta converter converts the signal coded on a small number of bits at high frequency into a signal of lower flow rate but coded on a greater number of bits.
  • the principle of Sigma-Delta conversion can be extended to the conversion of signals centered around a particular frequency.
  • the converter used is then a Sigma-Delta bandpass converter.
  • the converter filter which was previously an integrator is replaced by a resonator.
  • the digital filter at the output of the Sigma-Delta converter is no longer a decimator but a bandpass filter followed by a demodulator. It is known in the field of telecommunications and in particular of digital radio to use analog to digital converters
  • An object of the present invention aims to remedy the drawbacks of the acquisition and processing chain of the measurements of the ultrasonic fluid meters of the prior art and in particular to reduce the complexity and the consumption of the digitization device.
  • Another object of the present invention is, in particular, to reduce the quantization noise during the digitization of the analog signal and to increase the performance of the converter.
  • the invention relates to an ultrasonic device for measuring a fluid flow rate comprising:
  • transducer transmitter being intended to emit an ultrasonic wave in the fluid
  • receiving transducer being intended to transform said ultrasonic wave into an analog signal
  • said analog signal processing means comprise a Sigma-Delta bandpass converter comprising:
  • a digital analog converter forming a feedback loop, connecting the output of the analog digital converter to the input of said filter.
  • the transducers used in the device according to the invention are piezoelectric type transducers having a band-pass transfer function limited in frequency, for example 40 kHz ⁇ 1.5 kHz. Since the useful information is found only in this frequency band, it is advantageous to amplify and convert only the signals located in this frequency band.
  • the device for ultrasonic measurement of a fluid flow rate is characterized in that the bandpass loop filter of the Sigma-Delta bandpass converter is constituted by the receiver transducer.
  • the transducer alternately plays the role of receiver but also of band pass filter in the loop of the Sigma-Delta band pass converter, which makes it possible to optimize the analog-to-digital conversion in the interesting frequency band.
  • the present invention also relates to an ultrasonic fluid flow measurement method comprising a Sigma-Delta bandpass analog digital converter.
  • the method of ultrasonic measurement of a fluid flow rate between two transducers according to which the fluid flow rate is determined by means of a measurement of propagation time and / or a measurement of acoustic phase shifts of the acoustic signals propagating in the fluid flowing between two transducers in the upstream and downstream directions of the fluid flow comprises: - an emission step consisting in emitting an acoustic signal. UW in the fluid whose flow is to be determined, an acoustic-analog conversion step consisting in transforming said acoustic signal UW into an analog signal S2,
  • the analog-digital conversion step of order N comprises: an estimation step consisting in determining an estimate of the quantization error q N _, committed during the step of order Nl digitization, for the order of digitization step N. a subtraction step consisting in subtracting the estimate of the quantization error q N. , from the analog signal S2,
  • a digitization step consisting in digitizing the analog signal S2 subtracted from the estimate of the quantization error q N .
  • the acoustic-analog conversion step consisting in transforming said acoustic signal UW into an analog signal S2 comprises: a step of converting the acoustic signal UW into an analog signal SI, and - a step of truncating the analog signal SI into a analog signal S2.
  • the step of determining the acoustic phase shifts and the propagation times consisting in determining the acoustic phase shifts and the propagation times from the digitized signal S3 comprises: - a step of filtering the digital signal S3 into a filtered digital signal S4, and a step of calculating the acoustic phase shifts and the propagation times from the filtered digital signal S4.
  • the estimation step consisting in determining an estimate of the quantization error is implemented by the receiver transducer.
  • FIG. 2.a is a temporal representation of the signal S 1
  • FIG. 2.b is a spectral representation of the signal S 1
  • FIG. 2.c is a temporal representation of the signal S2
  • FIG. 2.d is a spectral representation of the signal S2
  • FIG. 2.e is a temporal representation of the signal S3,
  • FIG. 4 represents the timing diagrams of the switch control signals when the transducer 1 is transmitting and the transducer 2 is receiving, for the device according to figure 3
  • figure 5 represents the timing diagrams of the switch control signals when the transducer 1 is receiver and the transducer 2 is transmitter, for the device according to figure 3
  • - figure 6 represents the different stages of the process according to the invention
  • FIG. 7 represents an alternative embodiment of the device of FIG. 3.
  • FIG. 2 represents the diagram of the acquisition chain of an ultrasonic fluid meter and more particularly the analog to digital conversion chain according to the invention.
  • the rest of the measurement acquisition and processing chain is identical to that shown in Figure 1 and is no longer shown in Figure 2.
  • a battery (not shown) conventionally provides through a set of connections (not shown) the energy necessary for the operation of the various components.
  • the ultrasonic wave UW from which the time and phase measurements are made is a narrow band signal whose frequency is centered on the so-called transducer emission frequency, for example 40 kHz.
  • This ultrasonic wave UW will give rise, by direct piezoelectric effect, to an analog signal SI at the terminals of the receiver transducer.
  • the analog signal SI the variations of which as a function of time are shown in FIG. 2.a is a signal centered on this resonant frequency of the transmitting transducer, as shown in FIG. 2.b.
  • the analog signal S 1 from the receiver transducer 2 is amplified by the amplifier 20 connected to the output of the receiver transducer 2 via the switching unit 4.
  • the analog signal SI undergoes a time truncation, which allows d '' eliminate parasitic echoes from successive reflections of the ultrasonic wave in the cavity.
  • the temporal and spectral shape of the analog signal S2 having undergone truncation is shown in FIG. 2.c and 2.d respectively.
  • Amplifier 20 is connected to a Sigma-Delta bandpass converter 21.
  • the Sigma-Delta converter comprises a bandpass loop filter 22 whose input is connected to the output of amplifier 20, an analog to digital converter 24 whose the input is connected to the output of said bandpass loop filter, and a digital analog converter 26 disposed in the feedback loop connecting the output of analog digital converter 24 to the input of said loop filter 22.
  • the analog to digital converter 24 is a 1 bit analog to digital converter, for example a comparator, and the analog to digital converter 26 is a 1 bit analog to digital converter.
  • the analog signal S2 has been transformed into a digital signal S3 whose temporal shape represented in FIG. 2.e corresponds to a binary train.
  • the signal S3 of FIG. 2.e is a signal coded on 1 bit at a high sampling frequency of, for example, 320 kHz. It can be seen in FIG. 2.f that the noise spectrum is distinct from the spectrum of the useful signal, which will make it possible to effectively eliminate the parasitic noise by filtering.
  • the output of the Sigma-Delta bandpass analog converter 21 is connected to a bandpass filter 28.
  • the role of this filter is the rejection of noise outside the useful band for better synchronous detection at the output of the converter 21 but also the coding of the signal on a greater number of bits at a frequency lower than the sampling frequency. .
  • the resulting signal is shown in Figure 2.g and its spectral shape in Figure 2.h.
  • the bandpass filter 28 is connected to the RAM memory 10.
  • the Sigma-Delta analog band-to-digital converter provides a very high signal-to-noise ratio in a frequency band configurable by the architecture of the converter used. On the other hand, the conversion noise is very important outside this frequency band.
  • an analog digital converter Sigma-Delta band pass allows to optimize the analog digital conversion in the interesting emission band of the transducer.
  • the signal is converted to a single bit, which considerably simplifies the digital processing which follows the Sigma-Delta band pass analog to digital converter.
  • This simplification of the analog part of the analog to digital converter in particular by the fact that the analog digital converter Sigma-Delta band pass no longer requires the use of a programmable gain amplifier, makes it possible to reduce considerably, up to 40 %, the total consumption of the electronics of the ultrasonic fluid meter.
  • significantly improved metrological performance results from the use of the Sigma-Delta bandpass analog digital converter in the acquisition and processing chain of the ultrasonic fluid meter measurements.
  • FIG. 3 represents the diagram of the acquisition chain of the device for ultrasonic measurement of a fluid flow rate according to the preferred embodiment of the invention.
  • the preferred embodiment of the invention consists in replacing the band pass filter 22 of the device in accordance with FIG. 2, by the receiver transducer itself.
  • the transducer is used as a receiving transducer, but also as a filter in the feedback loop of the Sigma-Delta converter.
  • the feedback takes place physically via a mechanical quantity at the level of the receiving transducer.
  • the transducers 1, 2 advantageously consist of a piezoelectric plate comprising two opposite surfaces, said surfaces being metallized to be connected to the connection terminals of the transducer.
  • One of the two terminals of each of the transducers 1 and 2 is permanently connected to ground 35.
  • the other terminal of the transducer 1 or 2 is connected to switches 31, 32, 33, or to switches 41, 42, 43 respectively.
  • the switches 31, 32, 33 and 41, 42, 43 are produced by two separate multiplexers.
  • the transducers 1 or 2 can be connected to ground 35 via the switch 32 or 42 respectively.
  • the transducer 1 is connected to an amplifier 20 via the switch 33.
  • the output of said amplifier 20 is connected to an analog to digital converter 24.
  • this analog to digital converter is a lbit analog to digital converter, for example a comparator .
  • a digital analog converter 26 is arranged in the feedback loop associated with the transducer 1, the input of said analog digital converter 26 being connected to the output of analog digital converter 24 by means of switch 61.
  • the output of said digital converter analog 26 being connected to transducer 1 via switch 31.
  • analog digital converter 26 is a 1 bit digital analog converter.
  • the transducer 2 is connected to the amplifier 20 via the switch 43.
  • a digital analog converter 46 is disposed in the feedback loop associated with the transducer 2, the input of said analog digital converter 46 being connected to the output of analog digital converter 24 by means of switch 51.
  • the output of said digital converter analog 46 being connected to transducer 2 by means of switch 41.
  • analog digital converter 46 is a 1 bit digital analog converter. The transducer 2 is thus disposed in the feedback loop when the switch 51 and when the switches 41 and 43 are closed successively.
  • At least one additional purely electric bandpass filter 110 is connected in series in a conventional manner between the amplifier 20 and the analog to digital converter 24.
  • the role of this additional filter is to improve the performance of the Sigma-Delta converter.
  • the output of the analog-to-digital converter 24 is connected to the input of a filter 28.
  • the output of the filter 28 is connected to a RAM memory 10.
  • the RAM memory 10 is connected to a microcontroller 12.
  • the microcontroller 12 is connected via the switch 62 or 52 to the digital analog converter 26 or
  • a battery (not shown) conventionally provides through a set of connections (not shown) the energy necessary for the operation of the various components.
  • FIG. 3 The operation of the device of FIG. 3 will now be described, firstly with reference to FIG. 4 for the emission of an ultrasonic wave from the transducer 1 to 2, and then with reference to FIG. 5 for the emission of an ultrasonic wave from the 2 to 1 transducer.
  • the state of the switches 51, 52; 61, 62; 31, 32, 33; 41, 42, 43 is represented as a function of time, the state "1" or "0" corresponding to a closed or open switch respectively.
  • the opening and closing of all the switches are conventionally controlled by the microcontroller.
  • the microcontroller is connected to the switches via appropriate wiring (not shown).
  • the signal Se corresponds to the signal generated by the microcontroller 12 to excite the transmitter transducer.
  • the excitation signal Se is a square signal formed for example of 8 periods at a frequency of 40 kHz and whose amplitude at the output of the digital analog converter 26 or 46 is, for example, 200 raV peak to peak.
  • the acquisition of the ultrasonic signal having passed through the cavity lasts approximately 800 ⁇ s and begins approximately 400 ⁇ s after the start of the excitation of the transmitter transducer by the signal Se, this duration corresponding to the time of flight between the transmitter transducer and the receiver transducer.
  • the square signals controlling the opening and closing of the switches concerned during the acquisition phase have a frequency of, for example, 320 kHz. It should be noted that the scale of the timing diagrams in Figures 4 and 5 for switches 41, 42, 43 or 31, 32, 33 during the acquisition phase is not the same as for the other switches and for the signal Se.
  • the microcontroller 12 controls a sequence of emission of an ultrasonic wave by generating a square signal Se.
  • the switches 62 and 31 are closed, the square signal from the microcontroller is transformed into an analog signal which will excite the transducer 1 at its resonant frequency.
  • the voltage applied to the terminals of the transducer 1 creates a force by reverse piezoelectric effect, at the origin of an ultrasonic wave UW1-2 which propagates in the fluid flow towards the transducer 2.
  • the switch 51 can already be closed during the transmission phase.
  • all of the other switches 52; 61; 32, 33; 41, 42, 43 are open.
  • the switches 52; 61; 32, 33 remain open and the switch 51 is closed.
  • the position of the switches 62, 31 is indifferent, they can for example be kept closed.
  • the switches 41, 42, 43 are successively closed and open at a frequency of, for example, 320 kHz so that when a switch is closed for a period equivalent to 1/3 of a period, the other two are open.
  • Each period with a duration of 3.125 ⁇ s comprises three successive phases, a writing phase when the switch 41 is closed, a stabilization phase when the switch 42 is closed, and a reading phase when the switch 43 is closed.
  • the 1-bit analog-to-digital converter 24 outputs a high voltage level corresponding to a logic "1” if its input is subjected to an input voltage greater than a threshold voltage in absolute value.
  • the analog-digital converter 24 supplies at output a low voltage level corresponding to a logic "0" if its input is subjected to an input voltage lower than the threshold voltage in absolute value.
  • Comparator 46 is an inverter digital-to-analog converter which outputs a positive reference voltage + Nref if its input is at "0", and a negative reference voltage -Vref if its input is at "1".
  • the output of the analog digital converter 24 is randomly in a "1" or "0" state. Take for example the case where the output is in a state "1”, the voltage applied by the comparator to the receiver transducer 2 during the writing phase by the closing of the switch 41 will be + Vref.
  • the switch 42 is closed during the stabilization phase, the two terminals of the receiver transducer 2 are then connected to ground 35.
  • the transducer constituted by a piezoelectric plate being a resonator, the fact of subjecting it at a voltage + Vref during the writing phase and then at a zero voltage during the stabilization phase, will cause the receiver transducer to be forced into oscillation.
  • the position of the piezoelectric blade during its oscillation will then be determined during the reading phase by means of the closing of the switch 43.
  • the acquisition phase begins shortly before the arrival of the signal ultrasonic UW1-2 at the level of the receiving transducer 2, so that a stationary oscillation regime is established at the level of the receiving transducer 2. This stationary oscillation regime will give rise to a binary train, alternating states "0" and "1" in the loop of the Sigma-Delta converter.
  • This binary train makes it possible to maintain the stationary regime of oscillation of the transducer by means of looping via the digital analog converter 46.
  • the integration of the receiving transducer in the loop of the Sigma-Delta converter creates a servo-control, the train binary keeping the piezoelectric blade stationary on average around its equilibrium position.
  • the measurement of the ultrasonic wave UW1-2 will be carried out by detection of the fluctuations of this regime established during the arrival of the ultrasonic wave UW1-2 at the level of the receiver transducer 2.
  • the oscillation will be the sum of the displacement that is forced during the writing phase and the disturbance due to the ultrasonic signal reaching the receiving transducer.
  • the binary train will thus be modified to cancel the effects of this disturbance in order to enslave the piezoelectric plate thanks to the electrical feedback so that it remains stationary on average around its equilibrium position.
  • the receiving transducer is a resonator, it plays the role of a memory in the sense that the longer the acquisition phase, the more the oscillation will be modified by the sum of the disturbances and the more the converter will be able to detect a small signal.
  • the voltage across the transducer is based on the principle of superposition, the sum of the contribution from the ultrasonic wave and the contribution from the electrical feedback.
  • the operation of the device is completely similar with regard to the emission of an ultrasonic wave UW2-1 from the transmitter transducer 2 to the receiver transducer 1. Reference may be made to FIG. 5 for the operation of all of the switches in the case of the acquisition of an ultrasonic wave UW2-1.
  • the device according to the invention has a direct digital output, which completely replaces the conventional acquisition chain, while considerably simplifying it.
  • the device according to the invention makes it possible to eliminate the quantization noise from the bandwidth of the signal.
  • High precision can be obtained with a device according to the invention, without a complex implementation because a simple comparator can make it possible to achieve, after filtering at the output of the Sigma-Delta converter, a resolution greater than 16 bits in the passband. of the signal.
  • the device according to the invention no longer requires the use of a programmable gain amplifier to obtain a full-scale signal for the analog-to-digital converter, which has the consequence of reducing the complexity and the energy consumption of the conversion.
  • FIG. 6 represents the various stages of the ultrasonic measurement method of a fluid flow rate according to the invention.
  • the fluid flow rate is advantageously determined by combining both a propagation time measurement and / or a measurement of the acoustic phase shifts of the signals. acoustic propagating in the fluid flowing between the two transducers in the upstream and downstream directions of the fluid flow.
  • the first step 90 of the ultrasonic measurement process of the fluid flow consists in emitting an acoustic signal UW in the fluid whose flow is to be determined, for example in the upstream direction.
  • the acoustic signal UW is transformed into an analog signal SI during the acoustic-analog conversion step 92, via a receiver transducer.
  • the shape of the signal SI is shown in Figure 2. a.
  • the signal SI is temporally truncated during a truncation step 94. This truncation is carried out practically by controlling the start and stop signal acquisition via switches.
  • the analog signal S2 resulting from this time truncation is shown in Figure 2.c.
  • the analog signal S2 is then transformed into a digital signal S3 during an analog-to-digital conversion step 95 via processing means 21.
  • This analog-to-digital conversion step 95 uses the conversion principle
  • the digital signal S3 represented in FIG. 2.e is coded on 1 bit with a sampling frequency of 320 kHz.
  • the Sigma-Delta converter makes it possible to determine an estimate of the conversion error q.
  • this estimate of the conversion error q will be subtracted from the analog signal S2 to be digitized, during a subtraction step 99, so that the Sigma-Delta converter refines its estimate of the error of digitization q as successive conversions.
  • the Sigma-Delta converter subtracts an estimate of the quantization error q N.
  • the analog signal subtracted from the estimate of the quantization error S2-q N _, is then digitized during the digitization step 96.
  • the analog signal S2 subtracts from the estimate of the quantization error q N _, will give rise to a determination of an estimate of the quantization error q N committed during the digitization step 96 of order N. This estimate will be used to improve the digitization next of order N + l.
  • the digital signal S3 at the output of the Sigma-Delta converter is a signal coded on 1 bit at high frequency.
  • the step of converting the acoustic signal UW into an analog signal SI, and the step of determining an estimate of the quantization error q committed by the analog to digital converter are implemented successively by means of the transducer used both as a receiver and then as a bandpass filter in the Sigma-Delta converter.
  • the signal S3 is converted into a lower bit rate signal but coded on a greater number of bits by means of a digital filter.
  • the signal S4 resulting from this filtering step 100 is represented in the figure
  • the acoustic phase shifts and the propagation times are determined from the digitized signal S4 during the determination step 102.
  • the flow rate can be determined from propagation time measurements and / or measurements of the acoustic phase shifts of the acoustic signals propagating in the fluid flowing between the two transducers in the upstream and downstream directions of the flow of the fluid.

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

Dispositif et procédé de mesure ultrasonore de débit de fluide comportant un convertisseur analogique numérique Sigma-Delta passe bande
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 l'homme 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 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 où 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 UW 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 œuvre 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 microcontrôleur 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 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'information 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 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, 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 de 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,
- 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 déterminer une estimée de l'erreur de quantification qN_, commise lors de l'étape de numérisation d'ordre N-l, 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 SI 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 œuvre par le transducteur récepteur. 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 S 1 , la figure 2.b est une représentation spectrale du signal S 1 , 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 temporelle du 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 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 S 1 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. 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 du convertisseur 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. 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 1 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. 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 chaîne 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 convertisseur 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 1 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 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 raV pic à pic. L'acquisition du signal ultrasonore ayant traversé la cavité dure environ 800μs et débute environ 400 μs 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 interrupteurs 62 et 31 sont fermés, le signal carré issu du micro-contrôleur est transformé en un signal analogique qui va exciter le transducteur 1 à sa fréquence de résonnance. La tension appliquée aux bornes du transducteur 1 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 μs 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. 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.
Le comparateur 46 est un convertisseur numérique analogique inverseur qui fournit en sortie une tension de référence positive +Nref 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 où 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 fermé 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 de la 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 UW1-2 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 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 où 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 œuvre 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 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 déterminer, par exemple dans le sens amont. Le signal acoustique UW est transformé en un signal analogique SI 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 temporel lement 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-numérique 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-l au signal analogique S2. Le signal analogique soustrait de l'estimée de l'erreur de quantification S2-qN_, 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_, 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 d'ordre N+l. 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 SI, et l'étape de détermination d'une estimée de l'erreur de quantification q commise par le convertisseur analogique numérique sont mises en œuvre 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 acoustiques 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.

Claims

REVENDICATIONS
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) 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, 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.
4. Dispositif de mesure ultrasonore d'un débit de fluide selon l'une des revendications 1 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 œuvre 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 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 signai 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 qN., commise lors de l'étape de numérisation d'ordre N-l (96), pour l'étape de numérisation d'ordre N.
- une étape de soustraction (99) consistant à soustraire l'estimée de l'erreur de quantification qN., 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 SI en un signal analogique S2.
11. Procédé de mesure ultrasonore d'un débit de fluide selon la revendication 9 ou 10, 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 9 à 11, 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 œuvre successivement par l'intermédiaire du transducteur utilisé à la fois comme récepteur puis comme filtre passe bande dans le convertisseur Sigma-Delta.
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