FR3065070B1 - Structure de gestion des ondes parasites d’un debitmetre a ultrason - Google Patents

Abstract

L'invention a pour objet un appareil de mesure à ultrasons du débit d'un fluide dans un canal de mesure (6) comportant à ses extrémités des passages d'alimentation du fluide (8), ce canal de mesure (6) formant un guide d'onde réalisé dans un corps solide (2), comprenant à chaque extrémité un transducteur (20) pouvant émettre ou recevoir des ultrasons circulant dans l'axe du canal (6), caractérisé en ce que chaque transducteur (20) comporte une enveloppe (42) transmettant les ultrasons, comprenant un guide d'onde (40) tourné vers le canal de mesure (6), et en dehors de ce guide d'onde (40) des formes orientant les ultrasons dans des directions différentes de celle du canal (6).

Description

APPAREIL DE MESURE A ULTRASONS DU DEBIT D'UN FLUIDE DANS UN CANAL DE MESURE, REALISANT UNE ATTENUATION DES SIGNAUX PARASITES

La présente invention concerne un appareil de mesure à ultrasons du débit d'un fluide.

Le débit d'un fluide dans une canalisation peut-être mesuré au moyen d'un débitmètre à ultrasons, selon la méthode de mesure de la différence des temps de transit. Ce moyen est aujourd'hui répandu grâce aux progrès de l'électronique qui permettent de mesurer des intervalles temporels avec une grande résolution.

Un type de débitmètre à ultrasons connu, présenté notamment par le document US-A1-20140345390, comporte un cylindre de passage du fluide comprenant à chaque extrémité une entrée ou une sortie du fluide arrivant dans une direction perpendiculaire à ce cylindre.

Chaque extrémité du cylindre de passage du fluide présente une face de fermeture perpendiculaire à ce cylindre, recevant à l'extérieur d'un côté un émetteur à ultrasons, et de l'autre côté un récepteur recevant les ondes émises par l'émetteur.

Le cylindre comporte de plus un tube ajusté à l'intérieur, présentant un perçage axial formant un canal recevant le débit du fluide ainsi que l'onde ultrasonore envoyée par l'émetteur. Le tube réalisé dans un matériau absorbant les ultrasons, comme un polymère, réalise une atténuation de la propagation des ondes sonores se dispersant sur les côtés du canal, afin d'éviter des propagations parasites du signal donnant sur le récepteur un bruit s'ajoutant au signal pertinent transmis uniquement par le fluide, qui est attendu par le récepteur. A la vitesse de propagation du signal sonore dans le fluide, s'ajoute la vitesse du fluide donnant une petite variation de l'intervalle de temps entre l'émission par l'émetteur et la réception par le récepteur, qui est mesurée. En connaissant par ailleurs les caractéristiques du fluide et la géométrie du passage de ce fluide, on en déduit une vitesse du fluide ainsi que le débit volumique.

Toutefois ce type de débitmètre peut poser des problèmes car le tube atténuant la propagation des ondes sonores laisse quand même passer des ondes parasites qui délivrent un bruit de mesure sur le récepteur.

En particulier une méthode complémentaire de mesure utilisant ce type de débitmètre, consiste à mesurer les temps de propagation d'une onde ultrasonore entre un émetteur et un récepteur, nommés transducteurs, dans un écoulement du fluide, lorsque cette onde est émise à co-courant dans le sens du flux, et à contre-courant dans le sens inverse.

Pour cela, on excite le transducteur amont qui émet une onde à co-courant, qui est réceptionnée par le transducteur aval. Puis, on excite le transducteur aval qui émet une onde à contre-courant, qui est réceptionnée par le transducteur amont. Ainsi chaque transducteur passe alternativement d'un état d'émission à un état de réception.

La différence entre les deux temps de transit de l'onde permet, puisque la distance entre les deux transducteurs est connue, de déterminer la vitesse d'écoulement du fluide en fonction des caractéristiques physiques de celui-ci, principalement la pression et la température. La géométrie de la conduite permet ensuite de calculer le débit volumique de l'écoulement.

En particulier avec ce type de méthode de mesure, le bruit de mesure venant des ondes parasites transmises par le corps solide du canal de mesure, peuvent être gênantes en perturbant l'exactitude de la mesure du temps de transit de l'onde dans le fluide.

La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure, en particulier de diminuer le bruit de mesure des débitmètres à ultrasons. L'invention propose à cet effet un appareil de mesure à ultrasons du débit d'un fluide dans un canal de mesure comportant à ses extrémités des passages d'alimentation du fluide, ce canal de mesure formant un guide d'onde réalisé dans un corps solide, comprenant à chaque extrémité un transducteur pouvant émettre ou recevoir des ultrasons circulant dans l'axe du canal, cet appareil étant remarquable en ce que chaque transducteur comporte une enveloppe transmettant les ultrasons, comprenant un guide d'onde tourné vers le canal de mesure, et en dehors de ce guide d'onde des formes orientant les ultrasons dans des directions différentes de celle du canal.

Un avantage de cet appareil de mesure à ultrasons est que de manière simple et économique, la forme conique en arrière du guide d'onde tourné vers le canal, réalise une émission d'ondes ultrasonores parasites dans le corps solide avec un angle par rapport à l'axe du canal de mesure dirigé vers le transducteur situé en face, ce qui permet de dévier ces ondes du trajet le plus court vers le récepteur. On atténue ou retarde ainsi l'arrivée de bruits de mesure sur le transducteur de réception, qui proviennent de la propagation d'ondes dans le solide du corps autour du canal de mesure. L'appareil de mesure à ultrasons selon l'invention peut comporter de plus une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles.

Avantageusement, les formes envoyant les ultrasons dans une direction différente comportent une forme de révolution centrée sur l'axe du canal, qui est en appui sur le corps solide.

Avantageusement, chaque enveloppe de transducteur comporte un contour qui est ajusté dans un creux formé à l'arrière du canal de mesure.

Dans ce cas, avantageusement chaque guide d'onde comporte une face transversale avant qui est disposée juste en arrière d'un passage d'alimentation du fluide.

En particulier, chaque enveloppe de transducteur peut comporter en partant de l'arrière une partie cylindrique droite, la forme de révolution qui resserre le diamètre, puis le guide d'onde formant une partie cylindrique droite remplissant l'extrémité du canal de mesure.

Avantageusement, la forme de révolution constitue un cône présentant un angle d'ouverture compris entre 60 et 120°. Cet angle évite une émission d'ondes parasites dans le corps dirigées directement suivant l'axe vers le transducteur récepteur, et les renvois vers l'arrière.

Avantageusement, l'appareil de mesure comporte un système de serrage axial arrière de l'enveloppe de transducteur. Ce serrage axial permet de plaquer la forme conique de l'enveloppe sur une forme correspondante du corps, afin de transmettre les ondes ultrasonores par ces surfaces.

Dans ce cas, le système de serrage axial peut comporter un écrou engagé sur un filetage du corps de l'appareil, disposé suivant l'axe du canal de mesure.

Avantageusement, le corps de l'appareil comporte entre les deux passages d'alimentation du fluide au moins une brisure transversale qui sépare ce corps en deux parties axiales distinctes. L'au moins une brisure forme une coupure qui limite la transmission des ondes ultrasonores parasites dans le solide du corps.

Dans ce cas, avantageusement l'au moins une brisure comporte une lame d'air, ou une lame de matériaux d'impédance acoustique différente de celle du corps, qui est interposée entre les deux parties axiales du corps.

Avantageusement, le corps de l'appareil comporte deux perçages formant les passages d'alimentation du fluide, débouchant aux extrémités du canal de mesure, qui forment avec ce canal un angle compris entre 120 et 150°. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, donnée uniquement à titre d'exemple, en référence aux figures annexées suivantes : la figure 1 est une coupe axiale d'un appareil de mesure à ultrasons selon l'invention ; et la figure 2 est une vue de détail de cet appareil de mesure montrant un transducteur.

Les figures 1 et 2 présentent un appareil de mesure à ultrasons comportant un corps 2 comprenant un canal de mesure rectiligne 6 disposé suivant un axe longitudinal, relié à des perçages d'alimentation 8, comprenant d'un côté un perçage d'entrée et un transducteur amont 20, et de l'autre côté un perçage de sortie et un transducteur aval.

Par convention le côté avant de chaque transducteur 20 est défini suivant son axe, comme le côté tourné vers le canal 6, émettant ou recevant les ultrasons.

Les perçages d'alimentation 8 disposés dans un même plan passant par l'axe du canal 6, sont chacun incliné avec un angle de 135° par rapport à ce canal. Cet angle important, avantageusement compris entre 120° et 150°, favorise l'écoulement du fluide en limitant la perte de charge venant d'un angle trop prononcé entre les perçages d'alimentation 8 et l'axe du canal 6.

Chaque perçage d'alimentation 8 reçoit un raccord métallique 12 vissé par un filetage 14 sur le corps 2, maintenant une canalisation d'arrivée 26 ou de départ 28 disposée dans l'axe de ce perçage.

En variante les perçages d'alimentation 8 pourraient être disposés dans des plans différents, suivant les orientations souhaitées pour les canalisations d'arrivée 26 ou de départ 28 raccordées sur l'appareil de mesure.

Chaque extrémité du canal 6 reçoit un transducteur piézo-électrique 20 formant un cylindre disposé suivant l'axe de ce canal, insérée par l'arrière dans un creux cylindrique d'une enveloppe 42 maintenue par un écrou arrière de serrage 22. Le transducteur 20 comporte des fils électriques d'alimentation 24 sortant par l'arrière, suivant son axe.

Chaque extrémité du canal 6 se prolonge par un creux débouchant vers l'extérieur du corps 2, comportant en partant de l'extérieur un alésage de grand diamètre, puis une surface conique centrée sur l'axe qui se resserre, présentant un angle d'ouverture de 90°, et enfin le perçage du canal présentant un diamètre constant D.

Chaque enveloppe de transducteur 42 présente en partant de l'arrière une forme cylindrique 30 ajustée dans l'alésage de grand diamètre du creux d'extrémité du canal 6, puis une restriction conique 32 ajustée sur la surface conique de ce creux, qui est en appui sur cette surface par le serrage de l'écrou arrière 22. L'alésage du creux d'extrémité du canal 6 comporte une gorge intérieure 36 recevant un joint d'étanchéité qui est serré sur la forme cylindrique 30 de l'enveloppe 42, pour assurer une étanchéité statique. L'enveloppe de transducteur 42 présente enfin un téton cylindrique s'ajustant dans le perçage du canal 6, formant un guide d'onde 40 qui se termine par une face transversale avant 34 disposée juste avant le perçage d'alimentation 8. L'enveloppe de transducteur 42 est réalisée dans un matériau dont le comportement de transmission des ultrasons et le comportement en pression et température sont connus.

Le guide d'onde 40 constitue une partie remplissant l'extrémité du canal de mesure 6, située en avant de la restriction conique 32, qui va jusqu'à l'embranchement entre ce canal et le perçage d'alimentation 8. Ainsi, il n'existe pas de zone de récession du fluide dans le canal de mesure 6, qui réduirait la fiabilité de la mesure.

Les transducteurs 20 possèdent une céramique piézoélectrique qui est l'élément convertissant les tensions électriques en vibrations, ou l'inverse, présentant un diamètre supérieur au diamètre D du canal de mesure. Ainsi la direction de propagation de l'onde utile pour la mesure émise par un transducteur 20, passant par le guide d'onde 40 puis sortant par la face transversale avant 34 de ce guide d'onde, est parallèle à l'axe du canal de mesure 6, pour se propager le long de ce canal vers le transducteur disposé en face.

De plus la restriction conique 32 de la partie avant de chaque enveloppe de transducteur 42, présente un angle d'ouverture de 90° qui permet de réfléchir vers l'arrière les ondes ultrasonores parasites émises par le transducteur sur les côtés avant le guide d'onde 40. D'une manière générale l'angle d'ouverture de la restriction conique 32 peut être compris entre 60 et 120°.

De cette manière on réduit la propagation des ondes ultrasonores vers l'avant dans le solide du corps 2 de l'appareil, qui atteindraient le transducteur disposé en face, pour éviter de lui envoyer des ondes parasites qui s'ajouteraient à celles transitant dans le fluide du canal de mesure 6.

Le corps 2 de l'appareil de mesure comporte à chaque extrémité du canal 6 un bossage circulaire centré sur l'axe de ce canal, prolongeant ce corps vers l'arrière, présentant un filetage extérieur 38.

Un écrou de serrage 22 engagé sur le filetage 38, serre axialement la face arrière de l'enveloppe de transducteur 42 pour plaquer sa restriction conique avant 32 sur la surface conique correspondante du creux d'extrémité du canal 6. L'écrou de serrage 22 comporte un perçage central laissant sortir vers l'arrière les fils 24 d'alimentation du transducteur 20.

Le canal de mesure 6 présente une longueur L définie comme étant la distance entre les deux faces transversales avant 34 des guides d'onde 40, et un diamètre constant D, comprenant un rapport L/D qui est avantageusement compris entre 3 et 300.

Le corps 2 de l'appareil de mesure comporte entre les deux perçages d'alimentation 8 une brisure transversale 4 qui sépare ce corps en deux parties axiales distinctes, en maintenant une étanchéité au niveau du canal de mesure 6 pour assurer le passage du fluide. La brisure transversale 4 peut comporter en particulier une lame d'air, ou une lame de matériaux d'impédance acoustique différente de celle du corps 2, atténuant les ultrasons.

De cette manière la brisure transversale 4 constitue une séparation atténuant fortement la propagation des ultrasons parasites par voie solide le long du corps 2 au-delà de cette séparation, qui partiraient du transducteur émetteur pour atteindre le transducteur récepteur en générant un bruit de mesure. L'appareil de mesure suivant l'invention convient particulièrement pour des mesures de débits de carburant destinés à l'injection sur un moteur thermique, comportant des gammes de pression comprises entre 0 et 3000 bars, et des gammes de température comprises entre -30 et 140°C.

Pour ce type d'application comprenant des temps d'injection très courts, il faut une haute fréquence d'échantillonnage pour obtenir une mesure précise.

On peut en particulier exciter le transducteur amont émettant une onde à cocourant, qui est réceptionnée par le transducteur aval. Puis, on excite le transducteur aval émettant une onde à contre-courant, qui est réceptionnée par le transducteur amont. Ces réceptions présentent un minimum de signaux parasites grâce aux différentes dispositions de l'invention.

La différence entre les deux temps de transit de l'onde permet en connaissant les caractéristiques physiques de l'appareil de mesure et du fluide, ainsi que les conditions de pression et de température, de calculer de manière précise le débit volumique de l'écoulement, avec un minimum de signaux parasites.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS

   1. Appareil de mesure à ultrasons du débit d'un fluide dans un canal de mesure (6) comportant à ses extrémités des passages d'alimentation du fluide (8), ce canal de mesure (6) formant un guide d'onde réalisé dans un corps solide (2), comprenant à chaque extrémité un transducteur (20) pouvant émettre ou recevoir des ultrasons circulant dans l'axe du canal (6), caractérisé en ce que chaque transducteur (20) comporte une enveloppe (42) transmettant les ultrasons, comprenant un guide d'onde (40) tourné vers le canal de mesure (6), et en dehors de ce guide d'onde (40) des formes orientant les ultrasons dans des directions différentes de celle du canal (6).
2. 2. Appareil de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les formes envoyant les ultrasons dans une direction différente comportent une forme de révolution (32) centrée sur l'axe du canal, qui est en appui sur le corps solide (2).
3. 3. Appareil de mesure selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque enveloppe de transducteur (42) comporte un contour qui est ajusté dans un creux formé à l'arrière du canal de mesure (6).
4. 4. Appareil de mesure selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque guide d'onde (40) comporte une face transversale avant (34) qui est disposée juste en arrière d'un passage d'alimentation du fluide (8).
5. 5. Appareil de mesure selon les revendications 2, et 3 ou 4, caractérisé en ce que chaque enveloppe de transducteur (42) comporte en partant de l'arrière une partie cylindrique droite, la forme de révolution (32) qui resserre le diamètre, puis le guide d'onde (40) formant une partie cylindrique droite remplissant l'extrémité du canal de mesure (6).
6. 6. Appareil de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la forme de révolution (32) constitue un cône présentant un angle d'ouverture compris entre 60 et 120°.
7. 7. Appareil de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un système de serrage axial arrière (22) de l'enveloppe de transducteur (42).
8. 8. Appareil de mesure selon la revendication 7, caractérisé en ce que le système de serrage axial (22) comporte un écrou engagé sur un filetage (38) du corps de l'appareil (2), disposé suivant l'axe du canal de mesure (6).
9. 9. Appareil de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps de l'appareil (2) comporte entre les deux passages d'alimentation du fluide (8) au moins une brisure transversale (4) qui sépare ce corps en deux parties axiales distinctes.
10. 10. Appareil de mesure selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'au moins une brisure (4) comporte une lame d'air, ou une lame de matériaux d'impédance acoustique différente de celle du corps, qui est interposée entre les deux parties axiales du corps (2).
11. 11. Appareil de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps de l'appareil (2) comporte deux perçages formant les passages d'alimentation du fluide (8), débouchant aux extrémités du canal de mesure (6), qui forment avec ce canal un angle compris entre 120 et 150°.