FR2551214A1 - Procede et dispositif de mesure de la vitesse locale au sein d'un milieu fluide porteur d'inclusions en suspension - Google Patents

Abstract

MESURE DE LA VITESSE LOCALE D'UN MILIEU FLUIDE. LE DISPOSITIF POUR LA MISE EN OEUVRE DU PROCEDE EST CARACTERISE EN CE QU'IL COMPREND: -UN EMETTEUR ULTRASONORE 10; -UN ENSEMBLE 15 GENERATEUR D'ONDES RELIE A L'EMETTEUR; -UN ENSEMBLE 16 DE DETECTION ET DE MESURE RELIE A L'EMETTEUR ET A L'ENSEMBLE GENERATEUR; ET -UN ENSEMBLE CALCULATEUR 17 RELIE A L'ENSEMBLE DE DETECTION ET DE MESURE. APPLICATIONS AUX LIQUIDES PORTEURS D'INCLUSIONS EN SUSPENSION.

Description

La presente invention concerne un moyen de mesure de la vitesse d'un milieu fluide, pour lequel il est difficile de faire des mesures de vitesses par les techniques habituelles, soit en raison de son opacité, de sa densité ou de sa concentration en composants de charge soit, encore, en raison de son fort gradient d'indice de réfraction.

L'invention vise le domaine technique de l'etude, du contrôle ou de la détermination de la vitesse, au moins locale, d'une veine fluide et, plus particulièrement, d'une veine fluide pouvant être animée d'un déplacement à faible, voire très faible vitesse.

L'invention doit être comprise comme intéressant le domaine de la mesure d'une vitesse propre d'une veine fluide en mouvement ou, encore, celui de la mesure de fluctuation de l'interface entre deux milieux non miscibles contribuant à la formation de ladite veine.

Pour mesurer la vitesse locale d'un milieu fluide, dif férentes propositions ont déjà été formulées.

Ces différentes propositions sont basées sur la mesure de la fréquence "Doppler" en utilisant, soit une émission continue, soit une émission pulsée d'une onde ultrasonore.

On peut citer à cet égard
- "The in situ measurement of sediment transport by means of
ultra-sound scattering" R. H. J. JANSEN (Delft Hydraulics
Laboratory 1978),
- "Determination des débits par analyse spectrale des signaux
Doppler ultra sonores" J C. VERA (Thèse - NANCY) 1977,
- "Analyse de l'écoulement sanguin par methode ultra-sonore"
P. PERONNEAU (These - PARIS-Sud) 1977,
- "Measurement of fluid turbulence based on pulsed ultrasound
techniques" J. L. GARBINI, F. K. FORSTER, J. E JORGENSEN
(J. Fluid Mech, Mai 1982).

La mesure par émission continue consiste à utiliser deux transducteurs convenablement orientés, de manière que l'inter- section de leurs lobes (d'émission et de réception) détermine le volume de mesure.

Dans le cas où le domaine de mesure est proche de parois ou d'obstacles, le transducteur récepteur risque de recevoir des ondes qui, par suite de réflexions multiples, ne proviennent pas du domaine de mesure. Un tel inconvénient limite nettement I'intérêt pratique d'une telle méthode.

La mesure par émission pulsée consiste à émettre périodiquement une impulsion ou train d'ondes ultra sonore et à prendre en compte le signal écho de chaque impulsion réfléchi par une inclusion.

Cette méthode permet de sélectionner les inclusions en ne prenant en compte que les échos se produisant avec un retard donné. Ceci permet de définir précisément le domaine de mesure. Malheureusement, si pour réduire ce domaine, on émet des impulsions trop courtes, il se produit un élargissement du spectre des échos, ce qui entraine une imprécision. Cet inconvénient est d'autant plus important que la vitesse à mesurer est faible.

Par ailleurs, on conçoit que l'information recueillie est fournie à la cadence des émissions, ce qui impose certaines restrictions pour l'obtention de la fréquence Doppler obtenue par échantillonnages successifs.

En outre, dans l'une ou l'autre méthode, la mesure de la fréquence Doppler fait intervenir un lXx imposé qui est la demilongueur d'onde ultrasonore dans le milieu fluide considéré et porte donc sur la mesure du At correspondant. La fréquence Doppler est, en effet, l'inverse du temps mis par une inclusion pour parcourir une demi longueur d'onde.

On conçoit que le x imposé ne peut pas etre modifié, à moins de changer la fréquence d'émission et, par suite, le transducteur émetteur. Pour des vitesses faibles à mesurer, le ss x est souvent trop grand. Une telle méthode devient donc, pratiquement, inutilisable pour des vitesses faibles voisines de zéro.

On a proposé aussi une méthode consistant à émettre un faisceau lumineux par "Laser" et à reprendre pour analyse le faisceau réfléchi. I1 s'agit, en fait, d'un principe analogue à la mesure par émission ultrasonore, seule la nature des ondes étant changée.

Une telle méthode possède donc les inconvénients déjà cités mais, en plus, aussi un inconvénient tenant justement à la rayure des ondes émises. On conçoit, en effet, que cette méthode ne peut etre retenue lorsque le milieu liquide à mesurer est non transparent, comme, par exemple, un liquide fortement chargé, une coulée de étal liquide, une veine de pâte à papier, etc ...

La présente invention vise à résoudre le problème général a;si p3se et à éliminer les inconvénients des méthodes actuellement co-sn es) afin de rendre possible une mesure de vitesse précise au sein d'une veine fluide même non transparente et susceptible d'être animée d'une vitesse de déplacement faible, même très faible, voire voisine de zéro.

Un autre avantage de l'objet de l'invention est de fournir, en plus, par la même opération de mesure, la vitesse de déplacement et le sens de ce déplacement.

Un avantage supplémentaire de l'objet de l'invention réside dans le fait qu'il devient possible de mesurer localement la vitesse d'une veine fluide en adoptant un mode de mesure suiveur de linclusion responsable du signal écho pris en compte. On peut ainsi mesurer la vitesse Lagrangienne de l'inclusion. Cet avantage permet ainsi de disposer d'informations précises concernant les variations éventuelles de vitesse intéressant tout ou partie d'une veine et d'apprécier ainsi les conditions de déplacement en fonction de paramètres divers, tels que pression, température, débit, obstacle, cheminement, variations de section, etc ...

Un autre avantage de l'objet de l'invention tient au fait que les moyens de l'invention permettent d'obtenir des résultats de mesure utiles, même pour des vitesses faibles, pour un coût intéressant comparativement à celui impliqué par les techniques connues.

Pour atteindre les buts ci-dessus, le procédé selon l'invention consiste à
- émettre dans le milieu, à une fréquence de repé-
tition déterminée, une impulsion ultrasonore pat
un transducteur dont le faisceau est dirigé selon
la composante désirée de la vitesse à mesurer,
- recueillir sur le même transducteur (ou sur un
transducteur distinct) les échos de chaque im
pulsion sur les inclusions,
- mesurer à chaque impulsions l'écart de phase
exprimé en fraction de période d'émission, entre
le signal émis et le signal écho survenant au
bout d'un temps déterminé,
- faire la différence entre deux mesures corres
pondant à deux impulsions successives,
- et multiplier cette différence par le produit
de la demi célérité des ultrasons dans le milieu
considéré par la fréquence de répétition pour
obtenir la vitesse de déplacement à l'unité de
temps.

Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemple non limitatif, une forme de réalisation de l'objet de l'invention.

La fig. 1 est un diagramme montrant, schématiquement, certaines phases du procédé.

La fig. 2 est un schéma illustrant la mise en oeuvre du procédé.

La fig. 3 est un schéma illustrant une caractéristique du procédé.

La fig. 4 est une diagramme analogue à celui de la fig. 1 mais illustrant une autre disposition du procédé.

La fig. 5 est un schéma montrant la composition fonctionnelle d'un dispositif de mise en oeuvre du procédé de l'invention.

Le procédé selon l'invention est destiné à déterminer la vitesse locale d'une veine fluide liquide ou gazeuse, incorporant des inclusions qui peuvent être de toute nature. Ainsi, il peut s'agir de particules solides en tout matériau mais aussi de bulles gazeuses ayant une durée de vie suffisante pour représenter des éléments réflecteurs. La mise en oeuvre du procédé consiste à utiliser un émetteur ultra sonore appliquant une énergie pulsée à un transducteur émetteur chargé d'émettre dans le milieu fluide une impulsion ultrasonore à une fréquence déterminée réglable, dirigée selon la composante désirée de la vitesse à mesurer. Dans ce sens, tout matériel proposé à cette fin dans le commerce peut être utilisé ou adapté par l'homme de l'art. Par exemple, on peut utiliser un matériel travaillant à des fréquences de quelques E-ZHZ.

La fig. 1 montre que la première phase consiste donc à générer, de façon régulière et continue, un signal en forme 1 par une horloge précise.

On prélève de ce signal une impulsion 2 d'au moins une onde, cette impulsion, illustrée en I, étant appliquée par le transducteur émetteur, non représenté, au milieu fluide.

A partir de l'origine O d'émission de l'impulsion 2, on détermine un retard t pour faire intervenir, en II, une référence fixe temporelle Rt à partir de laquelle on attend la réception d'un écho réfléchi par une inclusion. Cette référence Rt est placée en phase avec le signal d'émission et, par exemple, en coïncidence avec un front descendant du signal 1.

L'écho 3 (III) correspondant au signal émis est reçu et analysé par un détecteur de points caractéristiques. Dans le cas présent, le détecteur est conçu de manière à émettre un signal 4 (IV) chaque fois que l'écho passe par la valeur zéro en suite d'une variation descendante.

Le premier signal 4 émis après la référence temporelle Rt est appliqué à une bascule bistable 5 (V) dont le changement d'état 1 ou 2 est placé simultanément sous la dépendance de la réception d'un signal de basculement ou de maintien généré par le front descendant de chaque onde du signal d'émission.

La période de mesure Tg est ainsi comprise entre la référence Rt et le retour à l'étant d'origine de la bascule et définit le domaine de mesure. Dans cette période, l'intervalle de temps
O , compris entre la référence Rt et le signal de changement d'état de la bascule 5 correspond, exprimé en fraction de période d'émission, à la mesure de différence de phases entre le signal émis 1 et l'écho perçu 3.

On procède, périodiquement, comme dit ci-dessus, en émettant un autre signal 2 après réception de l'écho 3 du signal 2 précédent.

La fig. 2 montre, de façon globale, l'émission d'un premier signal 21 atteignant une inclusion ou particule P située en x1 dans le milieu fluide. Cette particule P est responsable d'un écho 31 qui est pris en compte, apres un retard r,, à partir de la référence Rt. La valeur e1 mesurée correspond à l'écart de phase entre le signal émis 2 et le signal écho 3 et détermine la demi-distance entre l'origine d'émission et le point x1, compte tenu de la demi célérité des ultrasons dans le milieu considéré.

Avec une période de répétition TR supérieure à r" on émet un nouveau signal 22 qui atteint la particule dans la position x2. Le signal écho 32 est reçu et pris en compte comme précédemment pour fournir une valeur #2 correspondant au nouvel écart de phase résultant du déplacement de la particule P de x1 à x2 pendant le temps séparant les émissions 21 et 22.

La différence de phase 02 e, oI correspond donc au déplacement de P de x1 à x2. Ainsi, il devient possible de connaitre la vitesse moyenne locale imposée à P en appliquant l'équation
v = c/2 FR. (#2 - #1) dans laquelle c c est la célérité des ultrasons dans le milieu
considéré,
et FR la fréquence de répétition.

De ce qui précède et de l'examen de la fig. 2, on constate que le procédé de l'invention vise à mesurer la valeur lix proportionnelle à la valeur ae résultant de deux mesures successives définies par la période de répétition TR prédéterminée. Ainsi, il devient possible de faire varier TR à volonté et de régler ou ajuster ce paramètre en fonction de la vitesse à mesurer. Contrairement aux méthodes actuelles, le procédé de l'invention offre la possibilité de mesurer donc des vitesses de déplacement faibles, voire très faibles et voisines de zéro.

En outre, la différence 92 - 01 est directement affectée
2 I d'un signe qui fournit, en conséquence, et sans mesure supplémentaire, le sens de déplacement de la veine fluide par rapport à l'origine d'émission.

Pour mettre en oeuvre efficacement le procédé de l'in vexliions il convient d'être certain de l'identité des termes pris c'i compte pour deux mesures successives. Si le premier terme Rt est )brvu d'ambiguité, en revanche, le second, qui est le premier puisage par zéro après Rt d'une pente descendante, peut correspondre à l'une quelconque des ondes du signal écho 3. Le procédé de l'inven trop, en vue de lever cette ambiguité, consiste à choisir une période de répétition TR, de telle façon que, compte tenu de la vitesse de la particule P, le déplacement de cette particule entre deux émis sions successives soit inférieur à une demi-longueur d'onde des ultrasons emis.Ainsi, comme le montre le diagramme selon la fig. 3, les mesures successive-s de 0 se présenteront en paliers successifs, la valeur maximale de 6 étant pratiquement égale à une période T de l'écho. Cette figure permet de remarquer que la valeur de B connait une brusque variation correspondant en fait à un décalage de phase résultant d'un changement d'un point zéro consécutif au déplacement de l'onde caractéristique initialement prise en compte hors de la période de mesure Tg et à son remplacement par l'onde suivante.

Le procédé de l'invention élimine de telles variations maximales be qui ne sont pas significatives du déplacement de la particule dans le milieu fluide, en prévoyant, par exemple, de cal culer la différence ##2 - ##1 entre deux mesures successives, ce qui revient à calculer l'accélération de P.

Le procédé de l'in 7ention est complété par des moyens de validation de manière à éliminer tout écho parasite recueilli et susceptible d'etre pris en compte pour le calcul de 0.

L'un de ces moyens, illustré par la fig. 4, consiste à définir une fenêtre de mesure W s'ouvrant dans le temps, légèrement en avance de la réception du signal écho 3. Dès réception du signal, on détecte chaque passage par zéro en pente descendante par exemple des ondes successives. On compte un nombre déterminé N de passages par zéro successif, par exemple, quatre, cinq ou six et on déclenche alors, seulement, la prise en compte de la référence temporelle Rt après laquelle on retiendra alors le premier passage par zéro subséquent pour mesurer la différence 8 correspondant à la différence de phase.

Ceci permet d'être certain que le signal 3 reçu est bien un signal écho correspondant à un premier état de réflexion à partir d'une particule P.

Le procédé de l'invention comprend, également, dans le meme sens, des moyens pour éliminer les échos trop brefs et/ou non successifs.

La fig. 5 montre un schéma fonctionnel d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus.

Ce dispositif comprend un émetteur ultrasonore 10 comprenant un amplificateur de puissance 11 alimentant un transducteur 12 émetteur ainsi qu'éventuellement récepteur. Dans ce dernier cas, le transducteur 12 est relié à un récepteur 13.

Le dispositif comprend un ensemble 15 générateur de signaux en forme de trains d'ondes, un ensemble 16 de détection et de mesure, un ensemble calculateur 17, ainsi que deux chaînes de validation 18 et 19
L'ensemble 15 comprend une horloge 20 dont la sortie est reliée à un diviseur réglable 21 capable de fournir, à partir de la fréquence d'origine Fg de l'horloge, une fréquence de répétition réglable FR. Le diviseur 21 est relié à un sélecteur 22 du nombre d'alternances de la fréquence Fg émises pour chaque émission à la fréquence FR. La sortie du sélecteur 22 est raccordée à l'entrée de l'amplificateur 11.

L'ensemble 16 comprend un diviseur réglable 23 raccordé à la sortie de l'horloge en amont du diviseur 21, ainsi qu a ce dernier. Le diviseur 23 est chargé de définir la position dans le temps de la référence temporelle Rt en phase avec l'émission de l'horloge 20. Le diviseur 23 est relié à un bloc logique de commande 24 et à un module 25 d'élaboration du signal de fenetre W. Ce module est raccordé à l'une des entrées d'une porte "ET" 26 dont l'autre entrée est reliée à un détecteur 27 de passage par zéro des alternances du signal écho 3 fourni par le récepteur 13. La sortie de la porte 26 est connectée à l'une des entrées d'une bascule bistable 28 dont l'autre entrée est raccordée à la sortie de l'horloge 20, afin de recevoir la fréquence Fg. La sortie de la bascule 28 est branchée à un intégrateur 29 déclenché par le bloc logique 24.L'intégrateur 29, chargé de mesurer la valeur z découlant de deux changements d'état de la bascule 28, est relié à une mémoire 30 qui alimente par sollicitation du bloc 24 un calculateur 31 fournissant une valeur ae résultant de deux mesures successives et directement utilisable.

La mémoire 30 et le calculateur 31 forment l'ensemble 17.

La première chaîne de validation 18 comprend sur la sortie de la porte 27 un compteur 32 des passages par zéro inclus à la fenêtre W, ainsi qu'un détecteur 33 d'absence de signal. Le compteur 32 et le détecteur 33 sont raccordés à un bloc logique 34 commandant un interrupteur 35 contrôlant la liaison entre l'integra- teur et l'ensemble de calcul 17.

La seconde chaîne de validation 19 comprend, à la suite du calculateur 31, une mémoire 36 commandée par le bloc 24 pour alimenter un calculateur 37 de l'accélération à partir de la mesure de vitesse fournie par l'ensemble 17. Le calculateur 37 commande un interrupteur 38 placé sur la sortie de l'ensemble 17.

L'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit et représenté, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1 - Procédé de mesure de la vitesse locale au sein d'un milieu fluide porteur d'inclusions en suspension, caractérisé en ce qu'on :

- émet dans le milieu, à une fréquence de répéti

tion déterminée, une impulsion ultrasonore par

un transducteur dont le faisceau est dirigé selon

la composante désirée de la vitesse à mesurer,

- recueille sur le meme transducteur (ou sur un

transducteur distinct) les échos de chaque im

pulsion sur les inclusions,

- mesure à chaque impulsion l'écart de phase ex

primé en fraction de période d'émission, entre

le signal émis et le signal écho survenant au

bout d'un temps déterminé,

- fait la différence entre deux mesures corres

pondant à deux impulsions successives,

- multiplie cette différence par le produit de

la demi célérité des ultrasons dans le milieu

considéré par la fréquence de répétition pour

obtenir la vitesse de déplacement à l'unité de

temps.

2 - Procédé de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence de répétition est choisie, selon la vitesse à mesurer, de manière que la différence entre deux écarts de phase successifs corresponde à un déplacement des inclusions inférieur à une demi-longueur d'onde du signal ultra sonore émis.

3 - Procédé de mesure selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on élimine les résultats des mesures de vitesse correspondant, soit à des échos trop brefs, soit à des échos non successifs, soit à une accélération des inclusions supérieure à un seuil fixé et réglable.

4 - Procédé de mesure selon la revendication 1, carac térisé en ce qu'on détermine l'écart de phase en mesurant la durée s'écoulant entre, d'une part, une référence temporelle en phase avec le signal d'émission, définie par un retard déterminé par rapport au début de l'émission et, d'autre part, le passage par zéro de la première alternance du signal écho, reçue après détection de la référence.

5 - Procédé de mesure selon la revendication 1, carac térisé en ce qu'on prend en compte le signe de la différence entre deux écarts successifs pour déterminer le sens de déplacement du milieu.

6 - Procédé de mesure selon les revendication 1 et 3, caractérisé en ce qu'on détermine l'accélération comme un des critères de validation en faisant, à chaque impulsion, la différence entre le résultat de la mesure de vitesse et le résultat précédent.

7 - Procédé de mesure selon les revendications 1 et 4, caractérisé en ce que le retard est réglable et détermine la position du domaine de mesure.

8 -- Procédé de mesure selon la revendication 1, caracté r; é en ce qu'on prend en compte plusieurs résultats successifs ou

o i pour obtenir une vitesse moyenne.

9 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend

- un émetteur ultrasonore (10),

- un ensemble (15) générateur d'ondes relié à

l'émetteur,

- un ensemble (16) de détection et de mesure relié

à l'émetteur et à l'ensemble générateur,

- et un ensemble calculateur (17) relié à l'ensem

ble de détection et de mesure.

10 - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend une chaîne (18) de validation et de reconnaissance des signaux échos branchée sur l'ensemble de détection et de mesure (16) et commandant un interrupteur (35) contrôlant le circuit entre ledit ensemble et celui de calcul (17).

11 - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend une chaîne de validation (19) placée en série à la sortie de l'ensemble calculateur (17) et appréciant l'accélération de la mesure de vitesse délivrée par ce dernier.