WO2011055030A1 - Method and apparatus for characterizing a flow - Google Patents

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WO2011055030A1
WO2011055030A1 PCT/FR2010/000713 FR2010000713W WO2011055030A1 WO 2011055030 A1 WO2011055030 A1 WO 2011055030A1 FR 2010000713 W FR2010000713 W FR 2010000713W WO 2011055030 A1 WO2011055030 A1 WO 2011055030A1
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acoustic
phase
flow
pulse
conjugator
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PCT/FR2010/000713
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Inventor
Philippe Jacques Pernod
Vladimir Preobrazhensky
Yuri Pyl'nov
Nikolay Smagin
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Centre National De La Recherche Scientifique
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    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66Measuring 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
    • G01F1/667Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
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    • G01F1/662Constructional details

Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for the characterization of a flow, and more particularly to a flow of a fluid medium, homogeneous or heterogeneous, whose acoustic properties are imperfectly unknown.
  • the characterization of such a flow essentially comprises the determination of its speed, and preferably also of the speed of ultrasound in the fluid medium ("acoustic celerity"), a property which is related in particular to its composition.
  • Ultrasonic velocimetry is a family of techniques for determining the speed of a flow. Virtually all ultrasonic velocimeters use either the Doppler method or the "transit time difference measurement” method.
  • the Doppler method can only be used in the presence of diffusers in the medium (such as red blood cells in the blood).
  • the method of "measurement by transit time difference” has largely been imposed in other cases since it allows a simple calculation of the speed from the measurement, as shown for example in the document FR 2.781.048.
  • phase conjugation or “acoustic phase conjugation” to distinguish it from its optical equivalent
  • Phase conjugation is the transformation of a wave field by which the wave propagation direction becomes inverse while retaining the initial spatial distribution of phases and amplitudes. Such a transformation is possible because the equations of the field acoustic in a non-dissipative and stationary medium are invariant by time inversion.
  • An acoustic wave propagates from a transducer to a "phase conjugator" through a stationary medium.
  • This wave undergoes a phase shift depending on the path followed, as well as a deformation of its wavefront if the medium is not homogeneous.
  • the wave undergoes a "reversal over time” and propagates backward, traveling exactly the same path as the one going, but in the opposite direction. In doing so, it undergoes a phase shift (and a possible deformation of its wavefront) opposite to that suffered in the "go” path.
  • the phase conjugate wave reaches the transducer again, the phase shift and deformation of the wavefront accumulated at the "go", especially when the medium is complex and inhomogeneous, have been compensated for during the "return".
  • the present invention aims to allow the characterization of flows of this type, which can not be easily studied using techniques known from the prior art. Such a situation is frequently encountered in industry.
  • characterization is meant here primarily the measurement of the velocity of the flow, and optionally the simultaneous determination of the acoustic velocity. This magnitude may be of interest in itself, or in that it provides information on the composition of the medium, its temperature, its physical state, etc.
  • this problem is solved by a method for characterizing a flow of a fluid medium of unknown acoustic celerity, comprising:
  • Such a method exploits the fact that a phase-conjugate acoustic wave propagating through a flowing medium undergoes a phase shift which depends on the flow velocity and the acoustic celerity of the medium according to a law different from that which applies. to an unconjugated wave in phase.
  • the use of two acoustic phase measurements thus makes it possible to separate the two unknowns from the problem: flow velocity and acoustic celerity.
  • the method also makes it possible to determine the acoustic speed of the medium.
  • the flowing medium may be a fluid mixture, homogeneous or heterogeneous, comprising a component whose concentration is unknown.
  • the acoustic celerity depends directly on this concentration, and the method may also include the determination, from the two so-called phase shift measurements, the acoustic celerity of the medium.
  • the second phase shift measurement may be performed on a pulse having passed through said flow a first time following a first path, and a second time following a second inverse path after specular reflection.
  • the method comprises the transmission of an ultrasonic pulse through said flow and to a phase acoustic conjugator, said first measurement being performed on a component of said conjugate impulse in phase by the conjugator and said second measurement being performed on a component of said pulse reflected by a surface of said conjugator.
  • the implementation of the method requires only a transducer and a phase conjugator: it is hardly more complex (except as regards the data processing) than a measurement of velocimetry by known acoustic phase conjugation. of the prior art.
  • the acoustic phase conjugation can be performed according to the magneto-acoustic method, but any other technique can also be used.
  • any other technique can also be used.
  • said or each acoustic pulse is an ultrasonic pulse (frequency at least equal to 20 kHz, preferably at least 1 MHz).
  • Another object of the invention is an apparatus for characterizing a flow of a fluid mixture, homogeneous or heterogeneous, comprising a component whose concentration is unknown, comprising:
  • an acoustic phase conjugator acoustically coupled to said transducer via a space allowing the flow of said fluid mixture being formed between these two elements; means for measuring the phase of two pulses detected by said transducer with a time shift;
  • calculating means for calculating at least the speed of said flow from the phases thus measured.
  • FIG. 1 a diagram of an apparatus for simultaneously measuring the flow velocity and the acoustic velocity of a medium according to one embodiment of the invention
  • FIG. 2 another diagram of the same apparatus, highlighting the structure of the acoustic phase conjugator
  • Figure 3 an experimental facility for simultaneous measurement of flow velocity and relative concentration of a suspension
  • the apparatus of Figure 1 comprises:
  • this medium may be liquid or gaseous, homogeneous or heterogeneous (emulsion of a liquid in a liquid, suspension of a solid in a liquid, aerosol of a liquid or solid in a gas, liquid containing gas bubbles, etc. );
  • this duct may contain the same fluid medium M as the main duct 1, but at rest; it may also contain a different medium, with known acoustic properties (and preferably close to that of M to achieve a good acoustic coupling), in which case the wall of the duct 1 may not be interrupted;
  • an acoustic transducer 3 disposed at a first end of the secondary measurement duct; and a phase acoustic conjugator 4 disposed at a second end of the secondary measurement duct, facing the acoustic transducer 3.
  • L represents the distance between an emitter / receiver surface 30 of the transducer and a front surface 40 of the acoustic phase conjugator;
  • d D / sina is the length of the ultrasound path from the transducer to the conjugator inside the main conduit, and therefore the flow to be characterized.
  • the conjugator 4 need not be placed directly opposite the transducer 3: the two elements can be connected to each other by an acoustic path comprising one or more reflections.
  • FIG. 2 shows, schematically, the structure of the conjugator 4, as well as the set of electronic equipment coupled to said conjugator and to the transducer 3.
  • the conjugator 4 is of the magneto-acoustic type. It is an active material 41 of nickel ferrite (NiO-Fe 2 O 3 ), of cylindrical shape with a diameter of 28 mm and a length of 150 mm. This element is subjected to a static magnetic field oriented along the axis and an optimal value of the operating point for the
  • This static field is delivered by a first coil 42 surrounding the conjugator, powered by a direct current generator 51.
  • a power amplifier is used to increase the pumping intensity and reach the supercritical mode of amplification.
  • the interaction of the electromagnetic wave with the ultrasonic wave via the modulation of the elastic parameters of the active material results in the creation of the conjugate wave in phase, which returns to the transducer 3 by compensating for the phase shifts incurred during the first course (principle of the time reversal), except the phase shifts related to the flow (as explained above, the flow causes the rupture of the conservation law by time reversal).
  • the signal of the conjugate wave arrives on the transducer 3 with a time offset sufficient to be decoupled from the reflected signal.
  • the phases of the two reflected and conjugated signals are measured by analyzing the spectra of the pulses received, by means of an oscilloscope or a computer 53 to which the transducer 3 is connected.
  • ⁇ r is not obtained directly from the measurement of the phase of the reflected pulse, because the measured phase includes contributions related to the propagation in the secondary measurement duct, outside the flow to be characterized. ⁇ ⁇ is therefore deduced from the total phase shift by subtraction of a buffer phase shift. The latter is constant if the secondary duct is isolated from the channel where the flow takes place by a thin membrane acoustically transparent, and if this secondary conduit is filled with a medium in which the celerity of the waves is known and constant.
  • the phase difference acquired by the conjugate wave is:
  • the measuring apparatus of Figures 1 and 2 is particularly advantageous because the same components (transducer 3, conjugator 4) are used to perform both measurements. But it would be possible to use a transducer and a reflector dedicated solely to the phase measurement of the reflected wave. It would also be possible to replace this reflector with a second transducer for measuring the phase of an ultrasonic pulse after a simple passage through the flow without reflection or phase conjugation.
  • a particular case consists in characterizing the flow of a medium consisting of a homogeneous or heterogeneous mixture, comprising a component whose concentration is unknown.
  • a two-component mixture is considered.
  • These components may in their turn be mixtures whose composition or, in any case, the acoustic celerity is known; the only unknown (apart from the flow rate) is the ratio between their concentrations.
  • c 0 and Ci be the acoustic (known) celerities of a first and a second component of the mixture, and c the acoustic (unknown) celerity of the mixture.
  • equations [7] and [8] are simplified as follows:
  • the experimental device used for the demonstration is shown in FIG. 3.
  • the measuring apparatus of FIGS. 1 and 2 has been adapted to a duct 1 in which a pump 61 creates a flow of water, whereas an injector 62 introduces low amounts of oil.
  • the main conduit 1 opens into a tank 60 filled with water, in which the pump 61 draws, so as to close the hydraulic circuit.
  • the repetition frequency of the emission and measurement sequences was chosen at 10 Hz.
  • Figure 4 shows the dependence of the phase of the reflected wave (unconjugated phase) as a function of the oil concentration in the water.
  • the linear dependence predicted by equation [9] is found and approximated by the following empirical formula:
  • Figure 5 shows the dependence of the conjugate wave phase (upper curve) and the reflected wave phase (lower curve) as a function of time, for a variable concentration of the suspension.
  • t 2 corresponds to the beginning of the arrival of the oil mixed with water under the pressure of the oil column (slow injection);
  • t 3 corresponds to the stop of arrival of the oil due to the equalization of oil levels (in the injector 62) and water (in the outer tank 60) - the phase remains approximately constant until 44.
  • the time interval ts-t 6 corresponds to the progressive decrease of the concentration of the oil by mixing with the water of the tank; at once the rest of the oil was manually injected brutally into the pipe; the time interval t6-t 7 corresponds to the withdrawal of the oil from the pipe and its gradual distribution in the entire volume of water.
  • the results of the experiments confirm that, in the experimental considerations used, the phase of the conjugated ultrasonic wave in phase undergoes considerable modifications when the flow velocity changes, whereas the phase of the reflected wave changes very little (below noise level).
  • the phase of the reflected wave has a strong sensitivity to the boosts of the relative concentration of the liquid whereas the sensitivity of the conjugate wave does not exceed the noise level. Therefore, the realized flowmeter allows in addition to the speed measuring function, to measure the variable concentration of a component of the mixture with a high precision (the measurable concentration variations are of a few tenths of a percent).
  • the acoustic pulses used for the measurement are ultrasound, that is waves of frequency higher than 20 kHz. This is not a fundamental limitation, and sound impulses - even infrasound - can be used, at least in principle. From a technological point of view, however, the use of ultrasound is generally preferred; in particular, it is difficult to make magneto-acoustic type converters operating at frequencies below 1 MHz.

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Abstract

The invention relates to a method for characterizing a flow of a fluid medium (M) of unknown acoustic velocity, comprising: a first phase-shift measurement of an acoustic pulse having passed through said flow along a first path, optionally comprising multiple reflections, and then along a reverse path after acoustic phase conjugation; a second phase-shift measurement of an ultrasound pulse having passed through said flow at least once, without acoustic phase conjugation; and determination of at least one velocity of said flow, from at least of two of said phase-shift measurements. The invention also relates to an apparatus for implementing such a method.

Description

PROCEDE ET APPAREIL DE CARACTERISATION D'UN ECOULEMENT METHOD AND APPARATUS FOR CHARACTERIZING A FLOW
L'invention porte sur un procédé et un appareil pour la caractérisation d'un écoulement, et plus particulièrement d'un écoulement d'un milieu fluide, homogène ou hétérogène, dont les propriétés acoustiques sont imparfaitement inconnues. La caractérisation d'un tel écoulement comporte essentiellement la détermination de sa vitesse, et de préférence aussi de la célérité des ultrasons dans le milieu fluide (« célérité acoustique »), propriété qui est liée notamment à sa composition. The invention relates to a method and an apparatus for the characterization of a flow, and more particularly to a flow of a fluid medium, homogeneous or heterogeneous, whose acoustic properties are imperfectly unknown. The characterization of such a flow essentially comprises the determination of its speed, and preferably also of the speed of ultrasound in the fluid medium ("acoustic celerity"), a property which is related in particular to its composition.
La vélocimétrie ultrasonore est une famille de techniques permettant la détermination de la vitesse d'un écoulement. La quasi-totalité des vélocimètres ultrasonores utilisent soit la méthode Doppler, soit la méthode de « mesure par différence de temps de transit ». La méthode Doppler n'est utilisable qu'en présence de diffuseurs dans le milieu (comme par exemple les globules rouges dans le sang). La méthode de « mesure par différence de temps de transit » s'est largement imposée dans les autres cas puisqu'elle permet un calcul simple de la vitesse à partir de la mesure, comme montré par exemple dans le document FR 2.781 .048.  Ultrasonic velocimetry is a family of techniques for determining the speed of a flow. Virtually all ultrasonic velocimeters use either the Doppler method or the "transit time difference measurement" method. The Doppler method can only be used in the presence of diffusers in the medium (such as red blood cells in the blood). The method of "measurement by transit time difference" has largely been imposed in other cases since it allows a simple calculation of the speed from the measurement, as shown for example in the document FR 2.781.048.
Toutefois, cette méthode nécessite des transducteurs et des électroniques à large bande, ce qui n'est pas favorable du point de vue du rapport signal sur bruit. Une solution possible, permettant d'améliorer le rapport signal sur bruit, consiste à travailler en bande étroite et à mesurer les vitesses d'écoulements par mesure des déphasages subis par une impulsion ultrasonore qui se propage dans un milieu en mouvement. Une telle méthode est décrite par le document FR 2.370.961 .  However, this method requires transducers and broadband electronics, which is not favorable from the point of view of the signal-to-noise ratio. One possible solution for improving the signal-to-noise ratio is to work in a narrow band and to measure the flow velocities by measuring the phase shifts experienced by an ultrasonic pulse propagating in a moving medium. Such a method is described in document FR 2,370,961.
Des techniques plus récentes de vélocimétrie ultrasonore à bande étroite exploitent un effet connu sous le nom de « conjugaison de phase » (ou « conjugaison de phase acoustique », pour le distinguer de son équivalent optique).  More recent narrowband ultrasonic velocimetry techniques exploit an effect known as "phase conjugation" (or "acoustic phase conjugation" to distinguish it from its optical equivalent).
La conjugaison de phase est la transformation d'un champ d'ondes par laquelle la direction de propagation des ondes devient inverse tout en conservant la distribution spatiale initiale des phases et des amplitudes. Une telle transformation est possible, car les équations du champ acoustique dans un milieu non dissipatif et stationnaire sont invariantes par inversion temporelle. Phase conjugation is the transformation of a wave field by which the wave propagation direction becomes inverse while retaining the initial spatial distribution of phases and amplitudes. Such a transformation is possible because the equations of the field acoustic in a non-dissipative and stationary medium are invariant by time inversion.
On considère une onde acoustique qui se propage d'un transducteur vers un « conjugateur de phase » à travers un milieu stationnaire. Cette onde subit un déphasage dépendant du trajet suivi, ainsi qu'une déformation de son front d'onde si le milieu n'est pas homogène. Après être pénétrée dans le conjugateur de phase, l'onde subit un « renversement par rapport au temps » et se propage à rebours, en parcourant exactement le même trajet qu'à l'aller, mais dans la direction opposée. Ce faisant, elle subit un déphasage (et une déformation éventuelle de son front d'onde) opposé à celui subi dans le trajet « aller ». Lorsque l'onde conjuguée en phase atteint à nouveau le transducteur, le déphasage et la déformation du front d'onde accumulés à l'« aller », en particulier lorsque le milieu est complexe et inhomogène, ont été compensés lors du « retour ».  An acoustic wave propagates from a transducer to a "phase conjugator" through a stationary medium. This wave undergoes a phase shift depending on the path followed, as well as a deformation of its wavefront if the medium is not homogeneous. After entering the phase conjugator, the wave undergoes a "reversal over time" and propagates backward, traveling exactly the same path as the one going, but in the opposite direction. In doing so, it undergoes a phase shift (and a possible deformation of its wavefront) opposite to that suffered in the "go" path. When the phase conjugate wave reaches the transducer again, the phase shift and deformation of the wavefront accumulated at the "go", especially when the medium is complex and inhomogeneous, have been compensated for during the "return".
Lorsque le milieu de propagation n'est plus stationnaire, car il est le siège d'un écoulement, l'invariance des équations de propagation relativement à l'inversion temporelle est brisée. L'onde acoustique qui traverse un tel milieu subit donc un déphasage qui dépend de la vitesse d'écoulement du milieu, et qui n'est pas compensé par la conjugaison de phase. La mesure de la phase de l'onde incidente sur le transducteur après conjugaison de phase contient donc l'information relative à ladite vitesse d'écoulement.  When the propagation medium is no longer stationary because it is the seat of a flow, the invariance of the propagation equations relative to the time inversion is broken. The acoustic wave that passes through such a medium therefore undergoes a phase shift which depends on the flow velocity of the medium, and which is not compensated by the phase conjugation. The measurement of the phase of the incident wave on the transducer after phase conjugation thus contains the information relating to said flow velocity.
Par rapport aux techniques de vélocimétrie ultrasonore classique, cette méthode basée sur la conjugaison de phase acoustique présente l'avantage d'être insensible à toutes les sources de déphasage stationnaires. L'application de la conjugaison de phase acoustique à la vélocimétrie ultrasonore, dans les conditions où la célérité des ondes acoustiques dans le milieu est connue est décrite notamment par les documents suivants :  Compared to conventional ultrasonic velocimetry techniques, this method based on acoustic phase conjugation has the advantage of being insensitive to all stationary phase shift sources. The application of acoustic phase conjugation to ultrasonic velocimetry, under the conditions where the speed of acoustic waves in the medium is known, is described in particular by the following documents:
- Nikolay Smagin, « Caractérisation des écoulements liquides par méthode de conjugaison de phase paramétrique des ondes ultrasonores », Thèse de doctorat, Ecole Centrale de Lille - Institut de Radiotechnique, d'électronique et d'automatique de Moscou, 20 novembre 2008 ; - Nikolay Smagin, "Characterization of liquid flows by parametric phase conjugation method of ultrasonic waves", PhD Thesis, Ecole Centrale de Lille - Institut de Radiotechnic, Electronics and Automation Moscow, November 20, 2008;
Yu. V. Pyl'nov et al. « Détection of Moving Objects and Flows in Liquids by Ultrasonic Phase Conjugation », Acoustical Physics, Vol. 51 , N°1 , pages 105 - 109 (2005) ;  Yu V. Pyl'nov et al. "Detection of Moving Objects and Flows in Liquids by Ultrasonic Phase Conjugation", Acoustical Physics, Vol. 51, No. 1, pages 105 - 109 (2005);
V. Preobrazhensky et al. « Nonlinear Acoustic Imaging of Isoechogenic Objects and Flows Using Ultrasound Wave Phase Conjugation », Acta Acoustica united with Acoustica, Vol. 95 (2009) ;  V. Preobrazhensky et al. "Nonlinear Acoustic Imaging of Isoechogenic Objects and Flows Using Ultrasound Wave Phase Conjugation," Acta Acoustica united with Acoustica, Vol. 95 (2009);
V. Preobrazhensky et al. « New applications of magneto- acoustic phase conjugation », 19e Congrès Français de Mécanique, Marseille 24 - 28 août 2009. V. Preobrazhensky et al. "New applications of magneto- acoustic phase conjugation", 19 th French Mechanics Congress, Marseille 24 - 28 August 2009.
La théorie de la conjugaison de phase acoustique et les techniques permettant sa mise en œuvre sont décrites par :  The theory of acoustic phase conjugation and the techniques for its implementation are described by:
A. P. Brysev, L M. Krutyanskioe, and V. L. Preobrazhenskioe, « Wave phase conjugation of ultrasonic beams », Usp. Fiz. Nauk 168, 877 (1998) [Phys. Usp. 41 , 793 (1998)] ; et  A. P. Brysev, L. M. Krutyanskioe, and V. L. Preobrazhenskioe, "Wave phase conjugation of ultrasonic beams", Usp. Fiz. Nauk 168, 877 (1998) [Phys. Usp. 41, 793 (1998)]; and
Qi Zhang, « Théorie et simulation de la conjugaison de phase magnéto-acoustique » Thèse de doctorat, Université des Sciences et Technologies de Lille, 19 juin 2008 ; voir en particulier les chapitres 1 et 2.  Qi Zhang, "Theory and Simulation of Magneto-Acoustic Phase Conjugation" PhD Thesis, Lille University of Science and Technology, June 19, 2008; see especially chapters 1 and 2.
Tant les techniques classiques de détermination de la vitesse d'un écoulement par mesure du déphasage acoustique que celles exploitant la conjugaison de phase acoustique présupposent que la célérité acoustique (c'est à dire la célérité de propagation des ultrasons) du milieu soit connue précisément. Or, tel n'est pas le cas, notamment lorsque la composition du milieu est inconnue, ou imparfaitement connue. Une mesure séparée de la célérité acoustique n'est pas toujours possible, parce qu'elle serait perturbée par l'écoulement, dont la vitesse n'est justement pas connue.  Both the conventional techniques for determining the velocity of a flow by measurement of the acoustic phase shift and those using the acoustic phase conjugation presuppose that the acoustic celerity (ie the velocity of propagation of ultrasound) of the medium is known precisely. However, this is not the case, especially when the composition of the medium is unknown, or imperfectly known. A separate measure of acoustic celerity is not always possible, because it would be disturbed by the flow, whose velocity is not precisely known.
La présente invention vise à permettre la caractérisation d'écoulements de ce type, qui ne peuvent pas être étudiés facilement à l'aide des techniques connues de l'art antérieur. Une telle situation est rencontrée fréquemment dans l'industrie. Par « caractérisation » on entend ici principalement la mesure de la vélocité de l'écoulement, et optionnellement la détermination simultanée de la célérité acoustique. Cette grandeur peut présenter un intérêt par elle-même, ou en ce qu'elle fournit une information sur la composition du milieu, sa température, son état physique, etc. The present invention aims to allow the characterization of flows of this type, which can not be easily studied using techniques known from the prior art. Such a situation is frequently encountered in industry. By "characterization" is meant here primarily the measurement of the velocity of the flow, and optionally the simultaneous determination of the acoustic velocity. This magnitude may be of interest in itself, or in that it provides information on the composition of the medium, its temperature, its physical state, etc.
Conformément à l'invention, ce problème est résolu par un procédé de caractérisation d'un écoulement d'un milieu fluide de célérité acoustique inconnue, comportant :  According to the invention, this problem is solved by a method for characterizing a flow of a fluid medium of unknown acoustic celerity, comprising:
une première mesure de déphasage d'une impulsion acoustique ayant traversé ledit écoulement suivant un premier trajet, comportant éventuellement des réflexions multiples, puis suivant un trajet inverse après conjugaison de phase acoustique ;  a first phase-shifting measurement of an acoustic pulse having passed through said flow along a first path, possibly comprising multiple reflections, then following an inverse path after acoustic phase conjugation;
une deuxième mesure de déphasage d'une impulsion acoustique ayant traversé au moins une fois ledit écoulement, sans conjugaison de phase acoustique ; et  a second phase shift measurement of an acoustic pulse having passed through said flow at least once, without acoustic phase conjugation; and
la détermination, à partir des deux dites mesures de déphasage, au moins de la vitesse dudit écoulement.  determining, from said two phase shift measurements, at least the speed of said flow.
Un tel procédé exploite le fait qu'une onde acoustique conjuguée en phase se propageant à travers un milieu en écoulement subit un déphasage qui dépend de la vitesse d'écoulement et de la célérité acoustique du milieu selon une loi différente de celle qui s'applique à une onde non conjuguée en phase. L'utilisation de deux mesures de phase acoustique permet donc de séparer les deux inconnues du problème : la vitesse d'écoulement et la célérité acoustique.  Such a method exploits the fact that a phase-conjugate acoustic wave propagating through a flowing medium undergoes a phase shift which depends on the flow velocity and the acoustic celerity of the medium according to a law different from that which applies. to an unconjugated wave in phase. The use of two acoustic phase measurements thus makes it possible to separate the two unknowns from the problem: flow velocity and acoustic celerity.
Parfois, seule la vitesse d'écoulement présente un intérêt. Sometimes only the flow velocity is of interest.
Cependant, le procédé permet également de déterminer la célérité acoustique du milieu. However, the method also makes it possible to determine the acoustic speed of the medium.
Dans un mode de réalisation particulièrement intéressant de l'invention, le milieu en écoulement peut être un mélange fluide, homogène ou hétérogène, comportant un composant dont la concentration est inconnue. Dans ce cas, la célérité acoustique dépend directement de cette concentration, et le procédé peut comporter également la détermination, à partir des deux dites mesures de déphasage, de la célérité acoustique du milieu. In a particularly advantageous embodiment of the invention, the flowing medium may be a fluid mixture, homogeneous or heterogeneous, comprising a component whose concentration is unknown. In this case, the acoustic celerity depends directly on this concentration, and the method may also include the determination, from the two so-called phase shift measurements, the acoustic celerity of the medium.
La deuxième mesure de déphasage peut être effectuée sur une impulsion ayant traversé ledit écoulement une première fois suivant un premier trajet, et une deuxième fois suivant un deuxième trajet inverse après réflexion spéculaire. Dans ce cas, il est très avantageux que le procédé comporte la transmission d'une impulsion ultrasonore à travers ledit écoulement et vers un conjugateur acoustique de phase, ladite première mesure étant effectuée sur une composante de ladite impulsion conjuguée en phase par le conjugateur et ladite deuxième mesure étant effectuée sur une composante de ladite impulsion réfléchie par une surface dudit conjugateur. Ainsi, la mise en œuvre du procédé ne requiert qu'un transducteur et un conjugateur de phase : elle n'est guère plus complexe (sauf en ce qui concerne le traitement des données) qu'une mesure de vélocimétrie par conjugaison de phase acoustique connue de l'art antérieur.  The second phase shift measurement may be performed on a pulse having passed through said flow a first time following a first path, and a second time following a second inverse path after specular reflection. In this case, it is very advantageous that the method comprises the transmission of an ultrasonic pulse through said flow and to a phase acoustic conjugator, said first measurement being performed on a component of said conjugate impulse in phase by the conjugator and said second measurement being performed on a component of said pulse reflected by a surface of said conjugator. Thus, the implementation of the method requires only a transducer and a phase conjugator: it is hardly more complex (except as regards the data processing) than a measurement of velocimetry by known acoustic phase conjugation. of the prior art.
Avantageusement, la conjugaison de phase acoustique peut être réalisée selon la méthode magnéto-acoustique, mais toute autre technique peut également être utilisée. A titre d'exemple, on peut citer le retournement temporel mis en oeuvre par des moyens purement électroniques.  Advantageously, the acoustic phase conjugation can be performed according to the magneto-acoustic method, but any other technique can also be used. By way of example, mention may be made of time reversal implemented by purely electronic means.
Avantageusement, ladite ou chaque impulsion acoustique est une impulsion ultrasonore (fréquence au moins égale à 20 kHz, de préférence au moins égale à 1 MHz).  Advantageously, said or each acoustic pulse is an ultrasonic pulse (frequency at least equal to 20 kHz, preferably at least 1 MHz).
Un autre objet de l'invention est un appareil de caractérisation d'un écoulement d'un mélange fluide, homogène ou hétérogène, comprenant un composant dont la concentration est inconnue, comportant :  Another object of the invention is an apparatus for characterizing a flow of a fluid mixture, homogeneous or heterogeneous, comprising a component whose concentration is unknown, comprising:
un transducteur ultrasonore fonctionnant en émission et en réception ;  an ultrasonic transducer operating in transmission and reception;
un conjugateur de phase acoustique couplé acoustiquement audit transducteur par l'intermédiaire d'un espace permettant l'écoulement dudit mélange fluide étant ménagé entre ces deux éléments ; un moyen de mesure dé la phase de deux impulsions détectées par ledit transducteur avec un décalage temporel ; et an acoustic phase conjugator acoustically coupled to said transducer via a space allowing the flow of said fluid mixture being formed between these two elements; means for measuring the phase of two pulses detected by said transducer with a time shift; and
un moyen de calcul pour calculer au moins la vitesse dudit écoulement à partir des phases ainsi mesurées.  calculating means for calculating at least the speed of said flow from the phases thus measured.
D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement :  Other characteristics, details and advantages of the invention will emerge on reading the description given with reference to the accompanying drawings given by way of example and which represent, respectively:
La figure 1 , un schéma d'un appareil de mesure simultanée de la vitesse d'écoulement et de la célérité acoustique d'un milieu selon un mode de réalisation de l'invention ;  FIG. 1, a diagram of an apparatus for simultaneously measuring the flow velocity and the acoustic velocity of a medium according to one embodiment of the invention;
La figure 2, un autre schéma du même appareil, mettant en évidence la structure du conjugateur acoustique de phase ;  Figure 2, another diagram of the same apparatus, highlighting the structure of the acoustic phase conjugator;
La figure 3, une installation expérimentale permettant la mesure simultanée de la vitesse d'écoulement et de la concentration relative d'une suspension ;  Figure 3, an experimental facility for simultaneous measurement of flow velocity and relative concentration of a suspension;
Les figures 4 et 5, des graphiques illustrant les résultats d'une mesure effectuée à l'aide de l'installation de la figure 3.  Figures 4 and 5, graphs illustrating the results of a measurement made using the installation of Figure 3.
L'appareil de la figure 1 comporte :  The apparatus of Figure 1 comprises:
un conduit principal 1 , de diamètre D, dans lequel s'écoule un milieu fluide M ; ce milieu peut être liquide ou gazeux, homogène ou hétérogène (émulsion d'un liquide dans un liquide, suspension d'un solide dans un liquide, aérosol d'un liquide ou solide dans un gaz, liquide contenant des bulles de gaz...) ;  a main duct 1, of diameter D, in which flows a fluid medium M; this medium may be liquid or gaseous, homogeneous or heterogeneous (emulsion of a liquid in a liquid, suspension of a solid in a liquid, aerosol of a liquid or solid in a gas, liquid containing gas bubbles, etc. );
un conduit secondaire de mesure 2, rectiligne et formant un angle a par rapport au conduit principal ; ce conduit peut contenir le même milieu fluide M que le conduit principal 1 , mais au repos ; il peut également contenir un milieu différent, aux propriétés acoustiques connues (et de préférence proches de celle de M pour réaliser un bon couplage acoustique), auquel cas la paroi du conduit 1 peut ne pas être interrompue ;  a secondary measurement duct 2, rectilinear and forming an angle α with respect to the main duct; this duct may contain the same fluid medium M as the main duct 1, but at rest; it may also contain a different medium, with known acoustic properties (and preferably close to that of M to achieve a good acoustic coupling), in which case the wall of the duct 1 may not be interrupted;
- un transducteur acoustique 3 disposé à une première extrémité du conduit secondaire de mesure ; et un conjugateur acoustique de phase 4 disposé à une deuxième extrémité du conduit secondaire de mesure, faisant face au transducteur acoustique 3. an acoustic transducer 3 disposed at a first end of the secondary measurement duct; and a phase acoustic conjugator 4 disposed at a second end of the secondary measurement duct, facing the acoustic transducer 3.
Sur la figure, L représente la distance entre une surface émettrice/réceptrice 30 du transducteur et une surface avant 40 du conjugateur acoustique de phase ; d=D/sina est la longueur du parcours des ultrasons émis par le transducteur jusqu'au conjugateur à l'intérieur du conduit principal, et donc de l'écoulement à caractériser. Il faut noter que le conjugateur 4 ne doit pas nécessairement être disposé directement en regard du transducteur 3 : les deux éléments peuvent être reliés entre eux par un chemin acoustique comportant une ou plusieurs réflexions.  In the figure, L represents the distance between an emitter / receiver surface 30 of the transducer and a front surface 40 of the acoustic phase conjugator; d = D / sina is the length of the ultrasound path from the transducer to the conjugator inside the main conduit, and therefore the flow to be characterized. It should be noted that the conjugator 4 need not be placed directly opposite the transducer 3: the two elements can be connected to each other by an acoustic path comprising one or more reflections.
La figure 2 montre, de manière schématique, la structure du conjugateur 4, ainsi que l'ensemble 5 d'appareillages électroniques couplés audit conjugateur et au transducteur 3.  FIG. 2 shows, schematically, the structure of the conjugator 4, as well as the set of electronic equipment coupled to said conjugator and to the transducer 3.
Le conjugateur 4 est du type magnéto-acoustique. Il s'agit d'un matériau actif 41 en ferrite de nickel (NiO-Fe2O3), de forme cylindrique avec un diamètre de 28 mm et une longueur de 150 mm. Cet élément est soumis à un champ magnétique statique orienté le long de l'axe et de valeur valeur optimale du point de fonctionnement pour le
Figure imgf000009_0001
The conjugator 4 is of the magneto-acoustic type. It is an active material 41 of nickel ferrite (NiO-Fe 2 O 3 ), of cylindrical shape with a diameter of 28 mm and a length of 150 mm. This element is subjected to a static magnetic field oriented along the axis and an optimal value of the operating point for the
Figure imgf000009_0001
conjugateur utilisé.  conjugator used.
Ce champ statique est délivré par une première bobine 42 entourant le conjugateur, alimentée par un générateur de courant continu 51 .  This static field is delivered by a first coil 42 surrounding the conjugator, powered by a direct current generator 51.
Un générateur 52 (voie A) émet un signal impulsionnel de fréquence f = 10 MHz et de durée τ1 = 20 ps. Ce signal est transformé en une impulsion ultrasonore par le transducteur 3. L'onde ultrasonore traverse le milieu liquide M contenant l'écoulement à caractériser. Une partie de cette impulsion est réfléchie sur la face avant 40 du conjugateur 4 en raison de la rupture d'impédance acoustique entre le milieu M et le matériau actif (ferrite de nickel). Ce signal, dit « réfléchi », retraverse l'écoulement en sens inverse. La partie non réfléchie de l'impulsion ultrasonore incidente pénètre dans le conjugateur. A ce moment, le générateur 52 (voie B) émet un signal dit « de pompage », de fréquence 2f = 20 MHz et de durée τ2 = 70 με. Pour augmenter l'intensité du pompage et atteindre le mode supercritique d'amplification on utilise un amplificateur de puissance. L'interaction de l'onde électromagnétique avec l'onde ultrasonore via la modulation des paramètres élastiques du matériau actif résulte en la création de l'onde conjuguée en phase, qui retourne au transducteur 3 en compensant les déphasages encourus lors du parcours aller (principe du retournement temporel), exceptés les déphasages liés à l'écoulement (comme expliqué plus haut, l'écoulement entraine la rupture de la loi de conservation par retournement temporel). Le signal de l'onde conjuguée arrive sur le transducteur 3 avec un décalage temporel suffisant pour être découplé du signal réfléchi. Les phases des deux signaux réfléchis et conjugués sont mesurées par analyse des spectres des impulsions reçues, au moyen d'un oscilloscope ou un ordinateur 53 auquel le transducteur 3 est relié. A generator 52 (channel A) emits a pulse signal of frequency f = 10 MHz and duration τ1 = 20 μs. This signal is transformed into an ultrasonic pulse by the transducer 3. The ultrasonic wave passes through the liquid medium M containing the flow to be characterized. Part of this pulse is reflected on the front face 40 of the conjugator 4 due to the acoustic impedance break between the medium M and the active material (nickel ferrite). This signal, called "reflected", crosses the flow in the opposite direction. The non-reflected portion of the incident ultrasonic pulse enters the conjugator. At this moment, the generator 52 (channel B) emits a signal called pumping ", of frequency 2f = 20 MHz and duration τ2 = 70 με. To increase the pumping intensity and reach the supercritical mode of amplification, a power amplifier is used. The interaction of the electromagnetic wave with the ultrasonic wave via the modulation of the elastic parameters of the active material results in the creation of the conjugate wave in phase, which returns to the transducer 3 by compensating for the phase shifts incurred during the first course (principle of the time reversal), except the phase shifts related to the flow (as explained above, the flow causes the rupture of the conservation law by time reversal). The signal of the conjugate wave arrives on the transducer 3 with a time offset sufficient to be decoupled from the reflected signal. The phases of the two reflected and conjugated signals are measured by analyzing the spectra of the pulses received, by means of an oscilloscope or a computer 53 to which the transducer 3 is connected.
On sait des lois de l'acoustique que le déphasage acquis par l'onde réfléchie à cause de l'écoulement vaut :
Figure imgf000010_0001
We know from the laws of acoustics that the phase difference acquired by the reflected wave because of the flow is:
Figure imgf000010_0001
ou :  or :
c est la célérité - inconnue - du milieu ;  it is the celerity - unknown - of the medium;
k est le vecteur d'onde du signal ultrasonore dans le milieu M ; il vaut k=co/c, ω étant la fréquence angulaire du signal (107π rad/sec) vz est la projection de la vitesse d'écoulement du milieu M le long de l'axe z, direction de propagation des ultrasons. k is the wave vector of the ultrasonic signal in the medium M; it is worth k = co / c, where ω is the angular frequency of the signal (10 7 π rad / sec) v z is the projection of the flow velocity of the medium M along the z axis, propagation direction of the ultrasound .
Δφr n'est pas obtenu directement de la mesure de la phase de l'impulsion réfléchie, car la phase mesurée inclut des contributions liées à la propagation dans le conduit secondaire de mesure, en dehors de l'écoulement à caractériser. ΔφΓ se déduit donc du déphasage total par soustraction d'un déphasage de buffer. Ce dernier est constant si le conduit secondaire est isolé du canal où a lieu l'écoulement par une membrane fine acoustiquement transparente, et si ce conduit secondaire est rempli d'un milieu dans laquelle la célérité des ondes est connue et constante. Δφ r is not obtained directly from the measurement of the phase of the reflected pulse, because the measured phase includes contributions related to the propagation in the secondary measurement duct, outside the flow to be characterized. Δφ Γ is therefore deduced from the total phase shift by subtraction of a buffer phase shift. The latter is constant if the secondary duct is isolated from the channel where the flow takes place by a thin membrane acoustically transparent, and if this secondary conduit is filled with a medium in which the celerity of the waves is known and constant.
Le déphasage acquis par l'onde conjuguée vaut :  The phase difference acquired by the conjugate wave is:
Figure imgf000011_0001
Figure imgf000011_0001
et ne dépend que des caractéristiques de l'écoulement : d (connu), vz (inconnu), c (inconnu), ainsi que de la fréquence angulaire ω. and depends only on the characteristics of the flow: d (known), v z (unknown), c (unknown), as well as the angular frequency ω.
En faisant le rapport entre les équations [1] et [2] on obtient :
Figure imgf000011_0004
By comparing equations [1] and [2] we obtain:
Figure imgf000011_0004
ce qui, substitué dans [1 ] donne :
Figure imgf000011_0002
which, substituted in [1] gives:
Figure imgf000011_0002
La célérité acoustique dans le milieu M vaut donc
Figure imgf000011_0003
The acoustic celerity in the middle M is therefore worth
Figure imgf000011_0003
En substituant dans [3] on trouve que la vitesse d'écoulement (ou plutôt sa projection le long de l'axe z) vaut : .
Figure imgf000011_0005
Substituting in [3] we find that the flow velocity (or rather its projection along the z axis) is:.
Figure imgf000011_0005
La vitesse d'écoulement v vaut : v=vz/cos . The flow velocity v is: v = v z / cos.
L'appareil de mesure des figures 1 et 2 est particulièrement avantageux car les mêmes composants (transducteur 3, conjugateur 4) sont utilisés pour réaliser les deux mesures. Mais il serait possible d'utiliser un transducteur et un réflecteur dédiés uniquement à la mesure de phase de l'onde réfléchie. Il serait aussi possible de remplacer ce réflecteur par un deuxième transducteur pour mesurer la phase d'une impulsion ultrasonore après un simple passage à travers l'écoulement, sans réflexion ni conjugaison de phase. The measuring apparatus of Figures 1 and 2 is particularly advantageous because the same components (transducer 3, conjugator 4) are used to perform both measurements. But it would be possible to use a transducer and a reflector dedicated solely to the phase measurement of the reflected wave. It would also be possible to replace this reflector with a second transducer for measuring the phase of an ultrasonic pulse after a simple passage through the flow without reflection or phase conjugation.
Un cas particulier est constitué par la caractérisation de l'écoulement d'un milieu constitué par un mélange homogène ou hétérogène, comportant une composante dont la concentration est inconnue. On considère en particulier un mélange à deux composantes. Ces composantes peuvent être à leur tour des mélanges dont la composition ou, en tout cas, la célérité acoustique est connue ; la seule inconnue (mise à part la vitesse d'écoulement) est le rapport entre leurs concentrations.  A particular case consists in characterizing the flow of a medium consisting of a homogeneous or heterogeneous mixture, comprising a component whose concentration is unknown. In particular, a two-component mixture is considered. These components may in their turn be mixtures whose composition or, in any case, the acoustic celerity is known; the only unknown (apart from the flow rate) is the ratio between their concentrations.
Soient c0 et Ci les célérités acoustiques (connues) d'une première et une deuxième composante du mélange, et c la célérité acoustique (inconnue) du mélange. On définit la concentration - inconnue - de la deuxième composante par une quantité n telle que c = c0 + n(c - c0) Qn vérifie aisément que lorsque n=1 , c=ci (le « mélange » ne contient que la deuxième composante) et lorsque n=0, c=c0 (le « mélange » ne contient que la première composante). Let c 0 and Ci be the acoustic (known) celerities of a first and a second component of the mixture, and c the acoustic (unknown) celerity of the mixture. The concentration - unknown - of the second component is defined by a quantity n such that c = c 0 + n (c - c 0 ) Qn easily verifies that when n = 1, c = ci (the "mixture" contains only the second component) and when n = 0, c = c 0 (the "mixture" contains only the first component).
Il est possible de démontrer que, dans ces conditions, la vitesse d'écoulement et la concentration n sont données, respectivement, par  It is possible to demonstrate that, under these conditions, the flow velocity and the concentration n are given, respectively, by
Figure imgf000012_0001
Lorsque la concentration n est faible, on a
Figure imgf000012_0001
When the concentration is low, we have
Figure imgf000013_0003
Figure imgf000013_0003
Si de plus la vitesse d'écoulement est faible relativement à la célérité des ondes ultrasonores, on a également Dans ces conditions
Figure imgf000013_0004
If, moreover, the flow velocity is low relative to the velocity of the ultrasonic waves, it is also necessary to
Figure imgf000013_0004
particulières, on peut démontrer que les équations [7] et [8] se simplifient de la manière suivante : In particular, it can be shown that equations [7] and [8] are simplified as follows:
Figure imgf000013_0001
Figure imgf000013_0001
En effet, dans ces conditions, les équations dé départ ([1 ] et [2]) peuvent s'écrire :  Indeed, under these conditions, the initial equations ([1] and [2]) can be written:
Figure imgf000013_0002
Figure imgf000013_0002
On observe, à partir de ces relations, que :  From these relationships, we observe that:
Figure imgf000013_0005
Figure imgf000013_0005
Du point de vue physique cela signifie que, dans ce cas particulier, la phase des ondes conjuguées en phase est quasiment insensible à la concentration de la composante variable dans le mélange, mais est modifiée essentiellement par la vitesse de l'écoulement, permettant ainsi sa mesure. Par contre, le signal ultrasonore non conjugué en phase traversant le liquide est pratiquement insensible à la vitesse de l'écoulement, et est au contraire sensible à la concentration de la composante variable dans le mélange. Une démonstration expérimentale du procédé de l'invention a été effectuée avec succès dans le cas d'un écoulement d'eau présentant des suspensions de gouttes d'huile technique de concentration variable. Cette démonstration a été effectuée dans le régime « faible concentration - faible vitesse » décrit ci-dessus qui permet l'utilisation des équations simplifiées [7] et [8]. From the physical point of view, this means that in this particular case, the phase of conjugate waves in phase is almost insensitive to the concentration of the variable component in the mixture, but is essentially modified by the speed of the flow, thus allowing its measured. On the other hand, the unconjugated ultrasonic signal passing through the liquid is practically insensitive to the flow velocity, and is instead sensitive to the concentration of the variable component in the mixture. An experimental demonstration of the process of the invention has been successfully performed in the case of a flow of water having suspensions of technical oil drops of varying concentration. This demonstration was carried out in the regime "low concentration - low speed" described above which allows the use of simplified equations [7] and [8].
Le dispositif expérimental utilisé pour la démonstration est présenté sur la figure 3. L'appareil de mesure des figures 1 et 2 a été adapté à un conduit 1 dans lequel une pompe 61 crée un écoulement d'eau, tandis qu'un injecteur 62 introduit des faibles quantités d'huile. Le conduit principal 1 débouche dans une cuve 60 remplie d'eau, dans lequel puise la pompe 61 , de manière à fermer le circuit hydraulique.  The experimental device used for the demonstration is shown in FIG. 3. The measuring apparatus of FIGS. 1 and 2 has been adapted to a duct 1 in which a pump 61 creates a flow of water, whereas an injector 62 introduces low amounts of oil. The main conduit 1 opens into a tank 60 filled with water, in which the pump 61 draws, so as to close the hydraulic circuit.
La fréquence de répétition des séquences d'émissions et mesures a été choisie de 10 Hz.  The repetition frequency of the emission and measurement sequences was chosen at 10 Hz.
La figure 4 présente la dépendance de la phase de l'onde réfléchie (non conjuguée en phase) en fonction de la concentration d'huile dans l'eau. On constate la dépendance linéaire prévue par l'équation [9] et qui est approchée par la formule empirique suivante :
Figure imgf000014_0001
Figure 4 shows the dependence of the phase of the reflected wave (unconjugated phase) as a function of the oil concentration in the water. The linear dependence predicted by equation [9] is found and approximated by the following empirical formula:
Figure imgf000014_0001
La figure 5 montre la dépendance de la phase d'onde conjuguée (courbe supérieure) et de la phase d'onde réfléchie (courbe inférieure) en fonction du temps, pour une concentration variable de la suspension.  Figure 5 shows the dependence of the conjugate wave phase (upper curve) and the reflected wave phase (lower curve) as a function of time, for a variable concentration of the suspension.
Les instants t^ t7 correspondent au début et l'arrêt de l'écoulement du mélange liquide. On observe que Δφ0 passe de 0 à 100° environ, au démarrage, pour revenir à 0° à l'arrêt. Entre ces deux instants extrêmes la vitesse d'écoulement, et donc Δφ0, se maintien constant. The times t ^ t 7 correspond to the start and stop of the flow of the liquid mixture. It is observed that Δφ 0 goes from 0 to 100 ° approximately, at startup, to return to 0 ° at the stop. Between these two extreme moments the flow velocity, and therefore Δφ 0 , is kept constant.
Le moment t2 correspond au début de l'arrivée de l'huile mélangée à l'eau sous la pression de la colonne d'huile (injection lente) ; t3 correspond à l'instant d'arrêt d'arrivée de l'huile en raison de l'égalisation des niveaux d'huile (dans l'injecteur 62) et d'eau (dans la cuve externe 60) - la phase reste approximativement constante jusqu'à Î4. Entre les instants tj et t5l une quantité importante supplémentaire d'huile a été injectée par application rapide d'une pression manuelle dans l'injecteur ; l'intervalle de temps ts-t6 correspond à la diminution progressive de la concentration de l'huile par mélange à l'eau de la cuve ; à l'instant te le reste de l'huile a été injecté manuellement brutalement dans le tuyau ; l'intervalle de temps t6-t7 correspond au retrait de l'huile du tuyau et à sa distribution graduelle dans le volume entier d'eau. The moment t 2 corresponds to the beginning of the arrival of the oil mixed with water under the pressure of the oil column (slow injection); t 3 corresponds to the stop of arrival of the oil due to the equalization of oil levels (in the injector 62) and water (in the outer tank 60) - the phase remains approximately constant until 44. Between the instants tj and t 5l an additional significant amount of oil was injected rapidly applying manual pressure in the injector; the time interval ts-t 6 corresponds to the progressive decrease of the concentration of the oil by mixing with the water of the tank; at once the rest of the oil was manually injected brutally into the pipe; the time interval t6-t 7 corresponds to the withdrawal of the oil from the pipe and its gradual distribution in the entire volume of water.
Les résultats des expériences confirment que, dans les considérations expérimentales utilisées, la phase de l'onde ultrasonore conjuguée en phase subit des modifications considérables quand la vitesse d'écoulement change, tandis que la phase de l'onde réfléchie change très peu (en deçà du niveau de bruit). Au contraire, la phase de l'onde réfléchie a une forte sensibilité aux vanations de la concentration relative du liquide alors que la sensibilité de l'onde conjuguée ne dépasse pas le niveau de bruit. Par conséquent, le débitmètre réalisé permet en plus de la fonction de mesure de vitesse, de mesurer la concentration variable d'un composant du mélange avec une haute précision (les variations de concentration mesurables sont de quelques dixièmes de pourcent).  The results of the experiments confirm that, in the experimental considerations used, the phase of the conjugated ultrasonic wave in phase undergoes considerable modifications when the flow velocity changes, whereas the phase of the reflected wave changes very little (below noise level). On the contrary, the phase of the reflected wave has a strong sensitivity to the boosts of the relative concentration of the liquid whereas the sensitivity of the conjugate wave does not exceed the noise level. Therefore, the realized flowmeter allows in addition to the speed measuring function, to measure the variable concentration of a component of the mixture with a high precision (the measurable concentration variations are of a few tenths of a percent).
On a considéré ici exclusivement le cas où les impulsions acoustiques utilisées pour la mesure sont des ultrasons, c'est à dire des ondes de fréquence supérieure à 20 kHz. Il ne s'agit pas là d'une limitation fondamentale, et des impulsions sonores - voire infrasonores - peuvent être utilisées, au moins en principe. D'un point de vue technologique, cependant, l'utilisation des ultrasons est généralement préférée ; en particulier, il est difficile de réaliser des conjugueurs de type magnéto-acoustique fonctionnant à des fréquences inférieures à 1 MHz.  We have considered here only the case where the acoustic pulses used for the measurement are ultrasound, that is waves of frequency higher than 20 kHz. This is not a fundamental limitation, and sound impulses - even infrasound - can be used, at least in principle. From a technological point of view, however, the use of ultrasound is generally preferred; in particular, it is difficult to make magneto-acoustic type converters operating at frequencies below 1 MHz.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de caractérisation d'un écoulement d'un milieu fluide (M) de célérité acoustique inconnue, comportant :  1. A method of characterizing a flow of a fluid medium (M) of unknown acoustic velocity, comprising:
une première mesure de déphasage d'une impulsion acoustique ayant traversé ledit écoulement suivant un premier trajet, comportant éventuellement des réflexions multiples, puis suivant un trajet inverse après conjugaison de phase acoustique ;  a first phase-shifting measurement of an acoustic pulse having passed through said flow along a first path, possibly comprising multiple reflections, then following an inverse path after acoustic phase conjugation;
une deuxième mesure de déphasage d'une impulsion acoustique ayant traversé au moins une fois ledit écoulement, sans conjugaison de phase acoustique ; et  a second phase shift measurement of an acoustic pulse having passed through said flow at least once, without acoustic phase conjugation; and
la détermination, à partir des deux dites mesures de déphasage, au moins de la vitesse dudit écoulement.  determining, from said two phase shift measurements, at least the speed of said flow.
2. Procédé selon la revendication 1 comportant également la détermination, à partir des deux dites mesures de déphasage, de la célérité acoustique du milieu.  2. The method of claim 1 also comprising determining, from both said phase shift measurements, the acoustic speed of the medium.
3. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel ledit milieu (M) est un mélange fluide, homogène ou hétérogène, comprenant un composant dont la concentration est inconnue, le procédé comportant également la détermination, à partir des deux dites mesures de déphasage, de ladite concentration inconnue.  3. Method according to one of the preceding claims wherein said medium (M) is a fluid mixture, homogeneous or heterogeneous, comprising a component whose concentration is unknown, the method also comprising the determination, from both said phase shift measurements. of said unknown concentration.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel ladite deuxième mesure de déphasage est effectuée sur une impulsion ayant traversé ledit écoulement une première fois suivant un premier trajet, et une deuxième fois suivant un deuxième trajet inverse après réflexion spéculaire.  4. Method according to one of the preceding claims wherein said second phase shift measurement is performed on a pulse having passed through said flow a first time following a first path, and a second time following a second inverse path after specular reflection.
5. Procédé selon la revendication 4 comportant la transmission d'une impulsion acoustique à travers ledit écoulement et vers un conjugateur acoustique de phase (4), ladite première mesure étant effectuée sur une composante de ladite impulsion conjuguée en phase par le conjugateur et ladite deuxième mesure étant effectuée sur une composante de ladite impulsion réfléchie par une surface dudit conjugateur. The method of claim 4 including transmitting an acoustic pulse through said flow and to a phase acoustic conjugator (4), said first measurement being performed on a component of said conjugate impulse in phase by the conjugator and said second measuring being performed on a component of said pulse reflected by a surface of said conjugator.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel ladite conjugaison de phase acoustique est réalisée selon la méthode magnéto-acoustique. 6. Method according to one of the preceding claims wherein said acoustic phase conjugation is performed according to the magneto-acoustic method.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel ladite ou chaque impulsion acoustique est une impulsion ultrasonore.  7. Method according to one of the preceding claims wherein said or each acoustic pulse is an ultrasonic pulse.
8. Appareil de caractérisation d'un écoulement d'un mélange fluide, homogène ou hétérogène, comprenant un composant dont la concentration est inconnue, comportant :  Apparatus for characterizing a flow of a fluid mixture, homogeneous or heterogeneous, comprising a component whose concentration is unknown, comprising:
un transducteur ultrasonore (3) fonctionnant en émission et en réception ;  an ultrasonic transducer (3) operating in transmission and reception;
- un conjugateur de phase acoustique (4) couplé acoustiquement audit transducteur par l'intermédiaire d'un espace permettant l'écoulement dudit mélange fluide étant ménagé entre ces deux éléments ;  - an acoustic phase conjugator (4) acoustically coupled to said transducer via a space allowing the flow of said fluid mixture being formed between these two elements;
un moyen de mesure (53) de là phase de deux impulsions détectées par ledit transducteur avec un décalage temporel ; et  means for measuring (53) the phase of two pulses detected by said transducer with a time offset; and
un moyen de calcul (53) pour calculer au moins de la vitesse dudit écoulement à partir des phases ainsi mesurées.  calculating means (53) for calculating at least the speed of said flow from the phases thus measured.
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