WO2016181063A1 - Procédé de détection de fluides mesurant l'onde ultrasonore réfléchie sur une surface externe du boîtier - Google Patents

Procédé de détection de fluides mesurant l'onde ultrasonore réfléchie sur une surface externe du boîtier Download PDF

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Pierre FREYERMUTH
Christian Gauthier
Alexandre HUCHON
François SCHMIDT
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Definitions

  • the present invention relates to a method for detecting the presence of fluids by ultrasound, as well as a device implementing such a method.
  • fluids which can be liquid or gaseous, possibly with the presence of several mixed or laminated fluids.
  • the presence or the level of liquids, or the proportions of several types of liquids can be detected in a mixture which is homogeneous or laminated.
  • the fluid can be loaded with solid waste which disturb the operation of the detection devices.
  • water treatment in urban areas includes a sewage system that recovers sewage from homes and sends them to a treatment plant, which also receives rainwater in some cases.
  • the regulation imposes a monitoring of the quantities of water discharged into the nature in the event of overflow, in particular the number of overflows and their durations, with penalties that can be attached to them. It is therefore necessary a reliable measuring means to perform this detection of water discharge.
  • One type of known detection means uses a sensor with a technology of the capacitive type, which measures the variation of the permittivity of the medium with which it is in contact. forming the dielectric. Indeed the permittivity of the water being very different from that of the air, one can easily detect the presence of the liquid.
  • Low-cost, low-power detection means are provided which can make it energy-independent for measurement and data transmission with a built-in battery or battery.
  • Another type of known detection means uses mechanical sensors, including in particular a float rising on the surface of the liquid with a measurement of the height of this float, or a closed tube containing a water column whose underside is immersed in the liquid, with a measure of the pressure in this tube.
  • This type of sensor is economical and has low energy consumption, however it is also sensitive to the presence of waste that easily disrupt its operation.
  • hydraulic problems can arise. For example, in the case of a liquid level close to the detection threshold of the float, slight variations in the surface caused by eddies or waves can lead to multiple detections.
  • resistive sensors comprising two spaced-apart conductive electrodes arranged in the volume receiving the overflow water. Since the water has a much lower resistivity than air, the measurement of the current flowing between the electrodes indicates the presence of the liquid.
  • Another type of known detection means uses ultrasonic sensors which measure the travel time, also called the flight time, put by an ultrasonic wave emitted by this sensor to reach the surface of the liquid and return to him. By sending series of short ultrasonic pulses that propagate at the speed of sound in the air, we obtain the distance traveled which is proportional to the measured flight time.
  • the measurement of the liquid level is disturbed by the presence of foam or eddy on the surface.
  • the sanitation networks often have a surface scum, this scum has the effect of absorbing the signal emitted by the sensor, preventing detection of the level.
  • the present invention is intended to avoid these disadvantages of the prior art.
  • An advantage of this method of detecting the presence of fluids is that the ultrasonic wave is transmitted with different amplitudes with respect to its emission, in the front face of the housing and in the materials of the external environment of this front face, because of the different acoustic impedances of these materials, by measuring the amplitude of the received waves reflected on the external surface of the front face which constitutes a controlled and stable wall in time forming a reference, it can be deduced by taking the ratio of the amplitude received on that emitted, the part of the wave which has been transmitted in the external environment and thus the nature of the materials of this medium.
  • the method provides reliable information on the presence of water, regardless of the fouling of the detection box.
  • the method for detecting the presence of fluids according to the invention may further comprise one or more of the following characteristics, which may be combined with one another.
  • the detection method may advantageously automatically adjust the measurement of the amplitude of the waves received in return as a function of the temperature measured at the front face. This thus makes it possible to compensate for the variation of this amplitude due to the modification of the acoustic impedance of the constituent material of the front face as a function of the temperature. This results in a constant quality detection over a wide temperature range.
  • the detection method may advantageously measure the time taken for the return on the reflected wave cells in the external medium, to deduce distances of different surfaces separating fluids from this medium. This gives the same system additional indications on fluid levels.
  • the method calculates the thickness of a fouling layer deposited on the front face, by measuring the time taken for the return on the reflected wave cells on the surface of this layer. It is easy to remotely monitor the clogging of the device to provide maintenance.
  • the method can measure the amplitude of the waves received in return from the reflection on surfaces of the external medium, and compare it to that of the waves emitted.
  • the method measures the number or duration of water flows in a spillway of a stormwater flow conduit.
  • a reliable measure is obtained over time to follow the evolution of spills in relation to the requirements of the regulations.
  • the subject of the invention is also a device for detecting the presence of fluids in an external medium, comprising means a detection method comprising any one of the preceding features.
  • the device comprises a sealed housing containing the cells.
  • the device can then be disposed without damage at a submergible location.
  • the cells are applied to the inner surface of the front face transmitting the ultrasonic waves.
  • the device may comprise two independent cells performing one emission and the other receiving ultrasonic waves.
  • the front face is formed in a plastic material of the "PVC" polyvinyl chloride type.
  • This economical material which can be molded easily, has an acoustic impedance very different from the air which facilitates the measurement of the amplitude of the wave reflected on the outer surface of the front face.
  • the device comprises, in a same housing containing the cells, means for measuring the amplitude of the reflected waves, and means for transmitting the results of the measurement to the outside.
  • the device comprises measurement and adjustment means for adjusting the amplitude of the waves received in return as a function of the temperature measured at the front face. This makes it possible to compensate the variation of the amplitude resulting from the modification of the acoustic impedance of the constituent material of the front face as a function of the temperature.
  • the invention furthermore relates to a stormwater spillway receiving overflow water from a rainwater flow conduit, having a surge water detection device comprising any of the above features.
  • FIGS. 1 and 2 are respectively front and sectional views along the sectional plane 11-11 of a housing of a detection device according to the invention comprising a single cell carrying out the emission and reception of ultrasonic waves;
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a spillway of a rainwater network, having a detection device according to the invention
  • FIG. 4 is a diagram of a detection device according to the invention, comprising two cells carrying out one transmission and the other receiving ultrasound waves;
  • FIGS. 5 and 6 are diagrams for a case without fouling, the amplitude of the waves emitted and received respectively in the air and in the liquid;
  • FIGS 7 and 8 are diagrams for a case with fouling, the amplitude of the waves emitted and received respectively in the air and in the liquid.
  • FIGS 1 and 2 show an ultrasonic sensor 2 comprising a sealed housing comprising the front side indicated by the arrow "AV", a front face 8 transmitting ultrasonic waves, having an outer surface 12 intended to come into contact with a fluid.
  • the rear face of the housing 2 has two lateral lugs 4 each having a bore 6, allowing it to be fastened flat on a support.
  • the housing comprises inside a piezoelectric cell 10 bonded to the inner surface of the front face 8, which emits ultrasonic waves 14 through this front face to the fluid, and which receives the waves reflected back.
  • An electronic card 16 connected to the piezoelectric cell 10, generates the electrical activation signal of this cell which emits the ultrasonic wave, and receives back the electric signal produced by this cell with the return of the reflections of this wave.
  • the electronic card 16 also comprises means for processing the signal received to perform a processing, and means of communication to the outside which can use a connecting cable 18, or means without physical connection such as radiofrequency waves.
  • a temperature sensor 17 is connected to the electronic card 16 to measure the temperature of the material of the front face 8, said electronic card 16 comprising adjustment means allowing to adjust the amplitude (A) of the reflected waves as a function of the temperature measured at the front face 8.
  • the housing has inside a temperature sensor 20 connected to the electronic card 16, which measures the ambient temperature.
  • the housing is made of a solid material resistant to external elements, sealing.
  • the front face of the housing 8 is made of a material transmitting ultrasonic waves, such as a plastic material, a complex polymer material or a metallic material.
  • a material having a thickness which may be of the order of a few millimeters is used, having an acoustic impedance close to that of the liquid to be measured in the case of a liquid detection, and remote from that air or gas present, to facilitate the detection of this liquid.
  • the housing can be made in particular by molding a plastic material such as a "PVC” polyvinyl chloride, a silicone, an acrylonitrile butadiene styrene “ABS” or a polyetheretherketone “PEEK”, which allows in a single molding to achieve economically the different forms of this case.
  • a plastic material such as a "PVC” polyvinyl chloride, a silicone, an acrylonitrile butadiene styrene “ABS” or a polyetheretherketone “PEEK”
  • the principle used by the ultrasonic sensor 2 comprises the emission of an ultrasonic wave 40 by the cell 10, which is partly transmitted externally to the medium containing the fluids, and partly reflected 42 on the outer surface of the housing 12.
  • the amplitude of the wave 14 transmitted in this medium is very small, and the amplitude of the reflected wave 42 is then close to that
  • the amplitude of the transmitted wave 14 is large, and the amplitude of the reflected wave 42 is then very small compared to the transmitted wave 40.
  • the outer surface of the housing 12 is a reference surface that does not change over time, regardless of the fluids on the outside, and the fouling deposited on this surface.
  • the front face 8 made of PVC which has the advantage of giving a ratio of the acoustic impedances of the water with respect to this material which is 2.1, whereas the ratio of the air with respect to this material is 7600. The great difference between these ratios makes it possible to obtain amplitudes of reflected waves very far apart.
  • Figure 3 shows a storm weir on a rainwater flow conduit 22 receiving water upstream 24 to discharge downstream 26 to a purification plant.
  • the flow conduit 22 is sufficient to evacuate this flow with a level not reaching the top of a partition wall 28.
  • An ultrasonic overflow sensor 2 is fixed in the parallel channel 30 on the partition wall 28, a little below the top of this partition, so as to face the opposite wall of this channel. In the event of a sufficiently strong thunderstorm, the overflow of water outside the flow duct 22 filling the parallel channel 30 is detected by the overflow sensor 2.
  • FIG. 4 shows, as a variant, a sensor comprising a front face 8 having the outer surface 12 facing the external medium 44, which in this example comprises a gas, and an inner surface formed by two inclined facets arranged symmetrically with respect to a perpendicular to this surface. external.
  • a transmitting cell 10a sending the transmitted wave 40 on the outer surface 12, and on the second facet a receiving cell 10b receiving the reflected wave 42 on this outer surface.
  • the two transmitting cells 10a and receiving 10b are connected to the electronic card 16.
  • the operating principle of this sensor comprising two separate cells remains the same.
  • FIGS. 5 to 8 show on the horizontal axis the displacement D of the ultrasonic wave coming from the cell 10, which first passes through the front face of the casing 8 forming a solid, then leaves this casing towards the outside medium 44 perpendicular to the outer surface 12.
  • the amplitude of the waves is indicated by the height of the drawn wave reported on the vertical axis A.
  • the method of detecting the presence of fluids is as follows. The cell 10 emits a wave 40 having an amplitude of 100%.
  • the external medium 44 is composed of the ambient air having a very strong acoustic impedance, the amplitude of the wave transmitted in this medium 14 is very small. On the other hand, the amplitude of the reflected wave 42 returning to the cell 10 is important.
  • the method then performs a measurement of the ratio of the amplitude of the reflected wave 42 to that of the transmitted wave 40, to obtain the percentage represented by this reflected wave. It can be deduced for a very high percentage that the external medium 44 is the ambient air. This percentage is then automatically adapted by the adjustment means of the electronic card 16 as a function of the temperature measured by the sensor 17.
  • the outer medium 44 is composed of water coming directly into contact with the outer surface 12 which is clean.
  • the amplitude of the wave transmitted in the water 14 is strong, equal to about two-thirds of that of the transmitted wave 40.
  • the amplitude of the reflected wave 42 is then equal to substantially one-third of that of the emitted wave 40.
  • the method then performing the measurement of the ratio of the reflected wave 42 on the transmitted wave 40, obtains a ratio of about 33%. It is deduced that the external medium 44 is water.
  • the transmitted wave 14 in the external medium 44 can then be reflected on a surface opposite to the outer surface 12, being at a variable distance, especially in the case of the parallel channel 30, and return to the cell 10.
  • the method knowing the thickness of the front face of the housing 8 and the speed of propagation of the wave in this front face takes into account only the reflected wave 42 on the outer surface 12 which returns to the cell 10 with a predetermined time that does not change. It does not take into account a possible reflection on a surface of the external environment 44 returning later.
  • the outer surface 12 constitutes a reference forming for the transmitted wave 40 an invariable geometry, independent of the external environment that can be composite comprising several liquids or gases, and have adjustable shapes with for example a variable water level.
  • the temperature probe 20 disposed in the housing makes it possible to correct the speed of propagation of the wave in the materials as a function of their temperature, in order to improve the accuracy of the distance measurements.
  • the outer surface 12 first receives a fouling layer 52 having a surface 50 which is in contact with the external medium 44 consisting of air.
  • the fouling layer 52 may in particular comprise dead leaves or vegetable waste carried by the rainwater, being deposited progressively on the outer surface of the housing 12, which can maintain an internal humidity a certain time after stopping the water. flow of water into the external environment 44.
  • a second wave is then reflected on the surface of the fouling layer 50, which has a strong amplitude because of the small amplitude of the wave 14 transmitted in the air of the external medium 44. It is deduced from FIG. measuring these amplitudes with respect to that of the emitted wave 40, the presence of a wet fouling layer 52, then the absence of water in the external medium 44.
  • the outer surface 12 has a fouling layer 52 having a surface 50 in contact with the external medium 44 consisting of water.
  • a first reflected wave 42 is then returned to the cell 10 on the outer surface of the housing 12 which has a relatively small amplitude, substantially equal to one third of the transmitted wave 40.
  • a very reliable detection method is obtained, independent of fouling of the sensor, which facilitates its installation and maintenance, as well as the level of quality of the information given.
  • it can be used for a rainwater weir, avoiding measurement errors and the costs they may incur.
  • the housing which is advantageously sealed has no fragile element in contact with the outside environment, nor any mechanical element in motion, which makes it a robust assembly.

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Abstract

Procédé de détection de fluides par ultrasons, utilisant des cellules (10) émettant et recevant des ondes ultrasonores au travers d'une face avant (8) présentant une surface externe (12) en contact avec le fluide à détecter dans le milieu extérieur (44), ce procédé émettant des ondes ultrasonores (40), puis mesure l'amplitude (A) des ondes reçues en retour (42) venant de la réflexion sur la surface externe de la face avant (12), et la compare à celle des ondes émises.

Description

PROCEDE DE DETECTION DE FLUIDES MESURANT L'ONDE
ULTRASONORE REFLECHIE SUR UNE SURFACE EXTERNE DU BOITIER
La présente invention concerne un procédé de détection de présence de fluides par ultrasons, ainsi qu'un dispositif mettant en œuvre un tel procédé.
De nombreuses applications nécessitent des détections ou des mesures de présence de fluides, qui peuvent être liquides ou gazeux, avec éventuellement la présence de plusieurs fluides mélangés ou stratifiés. On peut en particulier détecter la présence ou le niveau de liquides, ou des proportions de plusieurs types de liquides dans un mélange qui est homogène ou stratifié.
Cependant dans certaines applications le fluide peut être chargé de déchets solides qui perturbent le fonctionnement des dispositifs de détection.
En particulier le traitement des eaux en milieu urbain comporte un réseau d'assainissement récupérant les eaux usées des habitations pour les envoyer vers une station d'épuration, qui reçoit aussi dans certains cas les eaux de pluie.
Pour éviter dans le cas d'orages entraînant un débit d'eau important, un engorgement du réseau d'assainissement et une surcharge de la station d'épuration qui peut l'endommager, on utilise généralement dans des canalisations d'écoulement des eaux de pluie des déversoirs comprenant un passage disposé à un niveau défini, permettant au-dessus de ce niveau de rejeter directement l'eau dans la nature.
De cette manière on limite automatiquement le débit d'eau dirigé vers la station d'épuration.
La réglementation impose une surveillance des quantités d'eau rejetées dans la nature en cas de surverse, en particulier le nombre de surverses et leurs durées, avec des pénalités qui peuvent y être attachées. Il faut donc un moyen de mesure fiable pour réaliser cette détection de rejet d'eau.
Un type de moyen de détection connu, présenté notamment par les documents FR-A1 -2949571 et FR-A1 -2982362, utilise un capteur avec une technologie du type capacitive, qui mesure la variation de la permittivité du milieu avec lequel il est en contact formant le diélectrique. En effet la permittivité de l'eau étant très différente de celle de l'air, on peut facilement détecter la présence du liquide. On obtient un moyen de détection présentant un coût réduit et consommant peu d'énergie, ce qui peut le rendre autonome en énergie pour la mesure et la transmission des données, avec une batterie ou une pile intégrée.
Toutefois l'expérience sur le terrain montre que cette technologie pose des problèmes en cas d'encrassement du capteur, en particulier pour les eaux de pluie pouvant comporter des déchets, notamment des boues ou des feuilles mortes.
On constate avec une absence d'eau de surverse, qu'un déchet imprégné d'eau restant collé sur le capteur, comme une feuille de papier ou un déchet végétal, entraîne la détection de présence d'eau. On peut alors obtenir une détection de présence d'eau continue entre deux orages, ce qui fausse la quantité de surverses mesurée, ainsi que la durée de ces surverses. Les résultats peuvent alors être fortement modifiés.
Un autre type de moyen de détection connu utilise des capteurs mécaniques, comprenant notamment un flotteur remontant sur la surface du liquide avec une mesure de la hauteur de ce flotteur, ou un tube fermé contenant une colonne d'eau dont le dessous est plongé dans le liquide, avec une mesure de la pression dans ce tube.
Ce type de capteur est économique et présente une faible consommation d'énergie, cependant il est aussi sensible à la présence de déchets qui perturbent facilement son fonctionnement. De plus des problèmes hydrauliques peuvent se poser. Par exemple dans le cas d'un niveau de liquide proche du seuil de détection du flotteur, des variations légères de la surface provoquées par des remous ou des vagues peuvent entraîner de multiples détections.
Un autre type de moyen de détection connu utilise des capteurs résistifs comportant deux électrodes conductrices espacées, disposées dans le volume recevant l'eau de surverse. L'eau présentant une résistivité nettement plus faible que l'air, la mesure du courant circulant entre les électrodes indique la présence du liquide.
Toutefois ces capteurs présentant aussi un coût réduit et une faible consommation d'énergie, sont fortement sensibles à l'encrassement par le dépôt de déchets, qui conservant une humidité maintiennent une conductivité plus forte en l'absence d'eau de surverse.
Un autre type de moyen de détection connu utilise des capteurs à ultrasons qui mesurent le temps de déplacement, appelé aussi temps de vol, mis par une onde ultrasonore émise par ce capteur pour atteindre la surface du liquide et revenir jusqu'à lui. En envoyant des séries de courtes impulsions ultrasonores qui se propagent à la vitesse du son dans l'air, on obtient la distance parcourue qui est proportionnelle au temps de vol mesuré.
Ces capteurs restant en dehors du liquide sont peu sensibles à l'encrassement par des déchets. Par contre n'étant pas immergés, ils présentent des contraintes d'installation qui rendent difficiles leur utilisation dans un certain nombre d'ouvrages. De plus ils consomment beaucoup d'énergie, ce qui impose aussi des contraintes de surveillance et de remplacement des moyens d'alimentation.
Par ailleurs la mesure du niveau du liquide est perturbée par la présence de mousse ou de remous à la surface. Les réseaux d'assainissement comportant fréquemment une écume de surface, cette écume a pour effet d'absorber le signal émis par le capteur, empêchant une détection du niveau.
D'une manière générale les différentes défaillances causées par l'encrassement des capteurs ont une conséquence directe sur le respect de la législation, ainsi que sur le dimensionnement et le coût des installations de traitement de l'eau.
La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure.
Elle propose à cet effet un procédé de détection de fluides par ultrasons, utilisant des cellules émettant et recevant des ondes ultrasonores au travers d'une face avant présentant une surface externe en contact avec le fluide à détecter dans le milieu extérieur, remarquable en ce qu'il émet des ondes ultrasonores, puis mesure l'amplitude des ondes reçues en retour venant de la réflexion sur la surface externe de la face avant, et la compare à celle des ondes émises.
Un avantage de ce procédé de détection de présence de fluides est que l'onde ultrasonore se transmettant avec différentes amplitudes par rapport à son émission, dans la face avant du boîtier et dans les matières du milieu extérieur de cette face avant, à cause des différentes impédances acoustiques de ces matériaux, en mesurant l'amplitude des ondes reçues réfléchies sur la surface externe de la face avant qui constitue une paroi maîtrisée et stable dans le temps formant une référence, on peut en déduire en prenant le rapport de l'amplitude reçue sur celle émise, la part de l'onde qui a été transmise dans le milieu extérieur et donc la nature des matières de ce milieu. On peut alors connaître la présence de différentes matières, par exemple la présence d'eau, ou d'une couche d'encrassement humide sur le boîtier, ou l'empilement de plusieurs fluides. Le procédé donne en particulier une information fiable sur la présence d'eau, quel que soit l'encrassement du boîtier de détection.
Le procédé de détection de présence de fluides selon l'invention peut comporter de plus une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles.
Le procédé de détection peut avantageusement ajuster automatiquement la mesure de l'amplitude des ondes reçues en retour en fonction de la température mesurée au niveau de la face avant. Ceci permet ainsi de compenser la variation de cette amplitude due à la modification de l'impédance acoustique du matériau constitutif de la face avant en fonction de la température. On obtient alors une détection de qualité constante pour une large plage de température.
Le procédé de détection peut avantageusement mesurer le temps mis pour le retour sur les cellules d'ondes réfléchies dans le milieu extérieur, pour en déduire des distances de différentes surfaces séparant des fluides de ce milieu. On obtient ainsi avec le même système des indications supplémentaires sur des niveaux de fluide.
Avantageusement le procédé calcule l'épaisseur d'une couche d'encrassement déposée sur la face avant, en mesurant le temps mis pour le retour sur les cellules d'ondes réfléchies sur la surface de cette couche. On peut réaliser facilement à distance un suivi de l'encrassement du dispositif pour prévoir une maintenance.
De plus le procédé peut mesurer l'amplitude des ondes reçues en retour venant de la réflexion sur des surfaces du milieu extérieur, et la comparer à celle des ondes émises.
Selon un mode de réalisation, le procédé mesure le nombre ou la durée d'écoulements d'eaux dans un déversoir d'un conduit d'écoulement d'eaux pluviales. On obtient une mesure fiable dans le temps permettant de suivre l'évolution des déversements par rapport aux exigences de la réglementation.
L'invention a aussi pour objet un dispositif de détection de présence de fluides dans un milieu extérieur, comportant des moyens mettant en œuvre un procédé de détection comprenant l'une quelconque des caractéristiques précédentes.
Avantageusement, le dispositif comporte un boîtier étanche contenant les cellules. Le dispositif peut alors être disposé sans dommage à un emplacement immergeable.
Avantageusement, les cellules sont appliquées sur la surface intérieure de la face avant transmettant les ondes ultrasonores.
En particulier le dispositif peut comporter deux cellules indépendantes réalisant l'une l'émission et l'autre la réception des ondes ultrasonores.
Avantageusement, la face avant est formée dans une matière plastique du type polychlorure de vinyle « PVC ». Ce matériau économique, qui peut être moulé facilement, comporte une impédance acoustique très différente de l'air qui facilite la mesure de l'amplitude de l'onde réfléchie sur la surface extérieure de la face avant.
Avantageusement le dispositif comporte dans un même boîtier contenant les cellules, des moyens de mesure de l'amplitude des ondes réfléchies, et des moyens de transmission des résultats de la mesure vers l'extérieur. On obtient ainsi un ensemble compact et économique, contenant de manière intégrée les différentes fonctions pouvant lui assurer un fonctionnement autonome.
Avantageusement, le dispositif comprend des moyens de mesure et d'ajustement permettant d'ajuster l'amplitude des ondes reçues en retour en fonction de la température mesurée au niveau de la face avant. Ceci permet de compenser la variation de l'amplitude résultant de la modification de l'impédance acoustique du matériau constitutif de la face avant en fonction de la température.
L'invention a de plus pour objet un déversoir d'eaux pluviales recevant les eaux de surverse venant d'un conduit d'écoulement des eaux de pluie, comportant un dispositif de détection des eaux de surverse comprenant l'une quelconque des caractéristiques précédentes.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- les figures 1 et 2 sont des vues respectivement de face et en coupe suivant le plan de coupe ll-ll, d'un boîtier d'un dispositif de détection selon l'invention comprenant une cellule unique réalisant l'émission et la réception des ondes ultrasonores ;
- la figure 3 est une vue en coupe transversale d'un déversoir d'un réseau pluviale, présentant un dispositif de détection selon l'invention ;
- la figure 4 est un schéma d'un dispositif de détection selon l'invention, comprenant deux cellules réalisant l'une l'émission et l'autre la réception des ondes ultrasonores ;
- les figures 5 et 6 sont des diagrammes présentant pour un boîtier sans encrassement, l'amplitude des ondes émises et reçues respectivement dans l'air et dans le liquide ; et
- les figures 7 et 8 sont des diagrammes présentant pour un boîtier avec encrassement, l'amplitude des ondes émises et reçues respectivement dans l'air et dans le liquide.
Les figures 1 et 2 présentent un capteur à ultrasons 2 comportant un boîtier étanche comprenant du côté avant indiqué par la flèche « AV », une face avant 8 transmettant des ondes ultrasonores, présentant une surface externe 12 destinée à venir en contact avec un fluide. La face arrière du boîtier 2 comporte deux oreilles latérales 4 présentant chacune un perçage 6, permettant sa fixation à plat sur un support.
Le boîtier comporte à l'intérieur une cellule piézo-électrique 10 collée sur la surface intérieure de la face avant 8, qui émet des ondes ultrasonores 14 au travers de cette face avant vers le fluide, et qui reçoit les ondes réfléchies en retour. En particulier on peut utiliser pour la cellule 10 un quartz, une céramique synthétique « PZT », ou un polymère de synthèse comme le polyvinylidine difluoride « PVDF ».
Une carte électronique 16 reliée à la cellule piézo-électrique 10, génère le signal électrique d'activation de cette cellule qui émet l'onde ultrasonore, et reçoit en retour le signal électrique produit par cette cellule avec le retour des réflexions de cette onde. La carte électronique 16 comporte aussi des moyens de traitement du signal reçu pour effectuer un traitement, et des moyens de communication vers l'extérieur qui peuvent utiliser un câble de liaison 18, ou des moyens sans liaison matérielle comme des ondes radiofréquence. De plus, un capteur de température 17 est connecté à la carte électronique 16 pour mesurer la température du matériau de la face avant 8, ladite carte électronique 16 comprenant des moyens d'ajustement permettant d'ajuster l'amplitude (A) des ondes réfléchies en fonction de la température mesurée au niveau de la face avant 8.
Le boîtier comporte à l'intérieur une sonde de température 20 reliée à la carte électronique 16, qui permet de mesurer la température ambiante.
Le boîtier est réalisé dans un matériau solide et résistant aux éléments extérieurs, assurant l'étanchéité. La face avant du boîtier 8 est réalisée dans un matériau transmettant les ondes ultrasonores, comme une matière plastique, un matériau polymère complexe ou un matériau métallique.
De préférence on utilise pour la face avant 8 un matériau présentant une épaisseur qui peut être de l'ordre de quelques millimètres, comportant une impédance acoustique proche de celle du liquide à mesurer dans le cas d'une détection de liquide, et éloignée de celle de l'air ou du gaz présent, pour faciliter la détection de ce liquide.
Le boîtier peut être réalisé notamment par un moulage d'une matière plastique comme un polychlorure de vinyle « PVC », un silicone, un acrylonitrile butadiène styrène « ABS » ou un polyétheréthercétone « PEEK », ce qui permet en un seul moulage de réaliser de manière économique les différentes formes de ce boîtier.
Le principe utilisé par le capteur à ultrasons 2 comporte l'émission d'une onde ultrasonore 40 par la cellule 10, qui est en partie transmise à l'extérieur vers le milieu contenant les fluides, et en partie réfléchie 42 sur la surface externe du boîtier 12.
Si l'impédance acoustique du milieu extérieur est forte, en particulier en présence d'air, l'amplitude de l'onde 14 transmise dans ce milieu est très réduite, et l'amplitude de l'onde réfléchie 42 est alors proche de celle de l'onde émise 40. A l'inverse si l'impédance acoustique du milieu acoustique est faible, en particulier en présence d'eau, alors l'amplitude de l'onde transmise 14 est importante, et l'amplitude de l'onde réfléchie 42 est alors très réduite par rapport à l'onde émise 40.
On peut aussi déceler la présence d'une variété de fluides, comprenant différents liquides ou gaz, à partir des mesures donnant une indication sur l'impédance acoustique des différentes matières rencontrées.
On notera que la surface externe du boîtier 12 constitue une surface de référence qui ne change pas dans le temps, quels que soient les fluides se trouvant à l'extérieur, et l'encrassement déposé sur cette surface. En particulier on peut réaliser la face avant 8 en PVC qui a pour avantage de donner un rapport des impédances acoustiques de l'eau par rapport à ce matériau qui est de 2,1 , alors que le rapport de l'air par rapport à ce matériau est de 7600. La grande différence entre ces rapports permet d'obtenir des amplitudes d'ondes réfléchies très éloignées.
La figure 3 présente un déversoir d'orage sur un conduit d'écoulement d'eau de pluie 22 recevant l'eau en amont 24 pour l'évacuer dans le sens aval 26 vers une station d'épuration. Tant que le débit d'eau n'est pas trop important, avec des pluies normales, le conduit d'écoulement 22 suffit à évacuer ce débit avec un niveau n'atteignant pas le sommet d'une cloison de séparation 28.
Quand le débit d'eau devient important, en cas d'orage prononcé, le niveau atteint le sommet de la cloison de séparation 28, l'eau en surplus se déversant dans un canal parallèle 30 qui l'évacué dans la nature.
Un capteur de surverse à ultrasons 2 est fixé dans le canal parallèle 30 sur la cloison de séparation 28, un peu en dessous du sommet de cette cloison, de manière à se trouver en face de la paroi opposée de ce canal. En cas d'orage suffisamment fort, le débordement de l'eau en dehors du conduit d'écoulement 22 remplissant le canal parallèle 30 est détecté par le capteur de surverse 2.
La figure 4 présente en variante un capteur comportant une face avant 8 présentant la surface externe 12 tournée vers le milieu extérieur 44 comprenant dans cet exemple un gaz, et une surface intérieure formée par deux facettes inclinées disposées symétriquement par rapport à une perpendiculaire à cette surface externe.
On dispose sur une première facette une cellule d'émission 10a envoyant l'onde émise 40 sur la surface externe 12, et sur la deuxième facette une cellule de réception 10b recevant l'onde réfléchie 42 sur cette surface extérieure. Les deux cellules d'émission 10a et de réception 1 0b sont reliées à la carte électronique 16. Le principe de fonctionnement de ce capteur comprenant deux cellules séparées reste identique.
Les figures 5 à 8 présentent sur l'axe horizontal le déplacement D de l'onde ultrasonore venant de la cellule 10, qui traverse d'abord la face avant du boîtier 8 formant un solide, puis sort de ce boîtier vers le milieu extérieur 44 perpendiculairement à la surface externe 12. L'amplitude des ondes est indiquée par la hauteur de l'onde dessinée rapportée sur l'axe vertical A. Le procédé de détection de présence de fluides est le suivant. La cellule 10 émet une onde 40 comportant une amplitude de 100%.
Sur la figure 5 le milieu extérieur 44 est composé de l'air ambiant présentant une très forte impédance acoustique, l'amplitude de l'onde transmise dans ce milieu 14 est très faible. Par contre l'amplitude de l'onde réfléchie 42 revenant sur la cellule 10 est importante.
Le procédé effectue ensuite une mesure du rapport de l'amplitude de l'onde réfléchie 42 sur celle de l'onde émise 40, pour obtenir le pourcentage représenté par cette onde réfléchie. On en déduit pour un pourcentage très élevé que le milieu extérieur 44 est l'air ambiant. Ce pourcentage est alors adapté automatiquement par les moyens d'ajustement de la carte électronique 16 en fonction de la température mesurée par le capteur 17.
Sur la figure 6 le milieu extérieur 44 est composé d'eau venant directement au contact de la surface externe 12 qui est propre. L'amplitude de l'onde transmise dans l'eau 14 est forte, égale à environ les deux tiers de celle de l'onde émise 40. L'amplitude de l'onde réfléchie 42 est égale alors sensiblement au tiers de celle de l'onde émise 40.
Le procédé effectuant ensuite la mesure du rapport de l'onde réfléchie 42 sur l'onde émise 40, obtient un rapport d'environ 33%. On en déduit que le milieu extérieur 44 est de l'eau.
On notera que l'onde transmise 14 dans le milieu extérieur 44 peut ensuite se réfléchir sur une surface opposée à la surface externe 12, se trouvant à une distance variable, notamment dans le cas du canal parallèle 30, et revenir vers la cellule 10.
Toutefois le procédé connaissant l'épaisseur de la face avant du boîtier 8 et la vitesse de propagation de l'onde dans cette face avant, ne prend en compte que l'onde réfléchie 42 sur la surface externe 12 qui revient sur la cellule 10 avec un temps prédéterminé qui ne change pas. Il ne prend pas en compte une éventuelle réflexion sur une surface du milieu extérieur 44 revenant plus tard.
La surface externe 12 constitue une référence formant pour l'onde émise 40 une géométrie invariable, indépendante du milieu extérieur qui peut être composite en comprenant plusieurs liquides ou gaz, et présenter des formes ajustables avec par exemple un niveau d'eau variable.
On peut de plus à partir du dispositif de détection de présence de fluides réaliser des calculs complémentaires de distance de surfaces dans le milieu extérieur 44, en particulier des calculs d'un niveau d'eau, en utilisant la technologie connue de mesure du temps de réponse de retour du signal se réfléchissant sur ces surfaces.
Pour cela on enregistre le retour des signaux réfléchis sur ces surfaces, venant après l'onde réfléchie 42 sur la surface externe 12 qui est la plus proche, et on calcule les distances en connaissant la vitesse de propagation de l'onde dans les matériaux traversés.
La sonde de température 20 disposée dans le boîtier permet de corriger la vitesse de propagation de l'onde dans les matériaux en fonction de leur température, afin d'améliorer la précision des mesures de distance.
Sur la figure 7 la surface externe 12 reçoit d'abord une couche d'encrassement 52 présentant une surface 50 qui est en contact avec le milieu extérieur 44 constitué par de l'air.
La couche d'encrassement 52 peut en particulier comporter des feuilles mortes ou des déchets végétaux charriés par l'eau pluviale, se déposant progressivement sur la surface externe du boîtier 12, qui peut conserver une humidité intérieure un certain temps après l'arrêt de l'écoulement de l'eau dans le milieu extérieur 44.
On obtient une amplitude de l'onde 54 transmise dans la couche d'encrassement 52 qui est forte à cause de la faible impédance acoustique de l'humidité imprégnant ce milieu, puis une amplitude de l'onde 14 transmise dans l'air du milieu extérieur 44 qui est très faible.
On a alors en retour sur la cellule 10 une première onde réfléchie 42 sur la surface externe du boîtier 12 qui a une amplitude relativement faible, égale sensiblement au tiers de l'onde émise 40, avec une légère atténuation par rapport au même dispositif sans encrassement.
On a ensuite peu après une deuxième onde réfléchie sur la surface de la couche d'encrassement 50, qui a une amplitude forte à cause de la faible amplitude de l'onde 14 transmise dans l'air du milieu extérieur 44. On déduit de la mesure de ces amplitudes par rapport à celle de l'onde émise 40, la présence d'une couche d'encrassement humide 52, puis l'absence d'eau dans le milieu extérieur 44.
De plus en mesurant le temps supplémentaire mis pour le retour de la deuxième onde ultrasonore réfléchie sur la surface de la couche d'encrassement 50, par rapport à la première onde 42, et connaissant la vitesse de propagation de l'onde dans cette couche d'encrassement 52, on peut déterminer l'épaisseur de cette couche ce qui donne des indications intéressantes pour faciliter l'entretien du matériel.
On peut aussi de la même manière déterminer un niveau de liquide dans le milieu extérieur 44 par la mesure du temps de retour de l'onde réfléchie sur la surface de ce liquide.
Sur la figure 8 la surface externe 12 comporte une couche d'encrassement 52 présentant une surface 50 en contact avec le milieu extérieur 44 constitué par de l'eau.
On obtient une amplitude de l'onde 54 transmise dans la couche d'encrassement 52 qui est forte, puis une amplitude de l'onde 14 transmise dans le milieu extérieur 44 qui est aussi forte.
On a alors en retour sur la cellule 10 une première onde réfléchie 42 sur la surface externe du boîtier 12 qui présente une amplitude relativement faible, égale sensiblement au tiers de l'onde émise 40.
On a ensuite peu après une deuxième onde réfléchie sur la surface de la couche d'encrassement 50, qui a une amplitude faible à cause de la forte amplitude de l'onde 14 transmise dans l'eau du milieu extérieur 44. On déduit de la mesure de ces amplitudes par rapport à celle de l'onde émise 40, la présence d'une couche d'encrassement humide 52, puis de l'eau dans le milieu extérieur 44.
D'une manière générale on obtient un procédé de détection très fiable, indépendant de l'encrassement du capteur ce qui facilite son implantation et son entretien, ainsi que le niveau de qualité des informations données. On peut en particulier l'utiliser pour un déversoir d'eau de pluie, en évitant des erreurs de mesure et les coûts qu'elles peuvent engendrer.
On peut aussi l'utiliser dans de nombreuses applications pour détecter la présence et l'épaisseur de fluides liquides ou gazeux variés, en détectant et en mesurant des interfaces entre ces différents fluides présentant des impédances acoustiques différentes.
On notera que le boîtier qui est avantageusement étanche, ne comporte aucun élément fragile en contact avec le milieu extérieur, ni aucun élément mécanique en mouvement, ce qui en fait un ensemble robuste. On peut en particulier réaliser un boîtier étanche permettant une homologation pour un fonctionnement en atmosphère explosive.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Procédé de détection de fluides par ultrasons, utilisant des cellules (10, 10a, 10b) émettant et recevant des ondes ultrasonores au travers d'une face avant (8) présentant une surface externe (12) en contact avec le fluide à détecter dans le milieu extérieur (44), caractérisé en ce qu'il émet des ondes ultrasonores (40), puis mesure l'amplitude (A) des ondes reçues en retour (42) venant de la réflexion sur la surface externe de la face avant (12), et la compare à celle des ondes émises.
2- Procédé de détection selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il ajuste automatiquement la mesure de l'amplitude (A) des ondes reçues en retour (42) en fonction de la température mesurée au niveau de la face avant (8).
3 - Procédé de détection selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il mesure le temps mis pour le retour sur les cellules (10, 10b) d'ondes réfléchies dans le milieu extérieur (44), pour en déduire des distances de différentes surfaces de réflexion de ce milieu (50).
4 - Procédé de détection selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il calcule l'épaisseur d'une couche d'encrassement (52) déposé sur la face avant (8), en mesurant le temps mis pour le retour sur les cellules (10, 10b) d'ondes réfléchies sur la surface de cette couche (50).
5 - Procédé de détection selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il mesure l'amplitude (A) des ondes reçues en retour venant de la réflexion sur des surfaces du milieu extérieur (44), et la compare à celle des ondes émises.
6 - Procédé de détection selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il mesure le nombre ou la durée d'écoulements d'eaux dans un déversoir (30) d'un conduit d'écoulement d'eaux pluviales (22).
7 - Dispositif de détection de présence de fluides dans un milieu extérieur (44), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens mettant en œuvre un procédé de détection selon l'une quelconque des revendications précédentes.
8 - Dispositif de détection selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte un boîtier étanche contenant les cellules (10, 10a, 10b). 9 - Dispositif de détection selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que les cellules (10, 10a, 10b) sont appliquées sur la surface intérieure de la face avant (8) transmettant les ondes ultrasonores.
10 - Dispositif de détection selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte deux cellules indépendantes réalisant l'une l'émission (10a) et l'autre la réception (10b) des ondes ultrasonores.
1 1 - Dispositif de détection selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que la face avant (8) est formée dans une matière plastique du type polychlorure de vinyle « PVC ».
12 - Dispositif de détection selon l'une quelconque des revendications 7 à 1 1 , caractérisé en ce qu'il comporte dans un même boîtier contenant les cellules (10, 10a, 10b), des moyens de mesure (16) de l'amplitude (A) des ondes réfléchies (42), et des moyens de transmission des résultats de la mesure vers l'extérieur.
13 - Dispositif de détection selon l'une quelconque des revendications 7 à 1 1 , caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mesure et d'ajustement permettant d'ajuster l'amplitude (A) des ondes reçues en retour (42) en fonction de la température mesurée au niveau de la face avant (8).
14 - Déversoir d'eaux pluviales (30) recevant les eaux de surverse venant d'un conduit d'écoulement des eaux de pluie (22), caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de détection des eaux de surverse selon l'une quelconque des revendications 7 à 13.
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