Conception et évaluation d'algorithmes pour la mesure des vitesses des liquides dans les conduites et les canaux à l'aide d'ondes ultrasonores pulsées

Conception and evaluation of algorithms for the measurement of the velocity of liquids in channels and pipes using pulsed ultrasonic waves

• Auteur / Autrice : Farès Abda
• Direction : Karim Bekkour, José Ragot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique, électrotechnique, automatique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Strasbourg

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique des fluides

Résumé

Ce travail s’inscrit dans le cadre de la mesure de la vitesse d’écoulement d’un liquide chargé en particules par l’utilisation d’ondes ultrasonores pulsées. La vitesse des particules, considérée comme représentative de la vitesse de l’écoulement, est estimée à partir de l’onde ultrasonore rétrodiffusée par les particules en mouvement, en réponse à une onde d’excitation initialement émise dans le milieu de façon périodique. Le signal rétrodiffusé durant un cycle d’émission/réception est décomposé par fenêtrage temporel en un ensemble de sous-signaux où chacun correspond à une profondeur donnée. L’objectif de ce travail consiste en l’élaboration d’algorithmes pour l’accès à l’information de profil de vitesse. Les différentes méthodes employées peuvent être classifiées en trois catégories principales, à savoir les méthodes cohérentes, incohérentes et les méthodes hybrides. La première catégorie présente l’avantage de fournir une information à haute résolution spatiale et temporelle. Une amélioration de l’estimation du délai temporel par une méthode d’intercorrélation régularisée permettant de tenir compte de la douceur temporelle et spatiale du champ de vitesse est proposée et validée sur un écoulement de bentonite. Les méthodes incohérentes et hybrides s’imposent dans des écoulements de grandes dimensions ainsi que des vitesses élevées. On montre qu’il est possible, soit de réduire la variance d’estimation, soit d’augmenter la vitesse maximale mesurable sans affecter cette variance. Un algorithme basé sur la localisation du délai inter-pulse est finalement proposé dans le but de lever l'ambiguïté tout en minimisant la variance pour les grandes vitesses.

This work is concerned with measuring the velocity of liquids loaded with particles using pulsed ultrasonic waves. The velocity of the particles, considered as representative of the liquid velocity, is estimated from the ultrasonic signal backscattered by the moving particles. This backscattered signal is considered as a response to the excitation initially transmitted periodically through the medium. The backscattered signal during a transmission/reception cycle is range-gated to obtain a set of time-windowed signals each associated with a corresponding depth. The objective of this work consists in elaborating algorithms in order to obtain the velocity profile information. The different used methods can be divided into three main categories, coherent methods, incoherent methods and hybrid methods. The first category presents the advantage of providing velocity information with high spatial and temporal resolution. An improvement in estimating the time delay by a regularized cross-correlation method is proposed and validated on a bentonite flow. This method is based on taking into account the time and space smoothness of the velocity field. The incoherent and hybrid methods are necessary when the flows under consideration have large dimensions and flow velocities. It is shown that it is possible, either to reduce the estimate variance, or to improve the maximal unambiguous velocity without affecting the variance. An algorithm based on the localization of the inter-pulse delay is finally proposed in order to remove the phase ambiguity while minimizing the estimate variance at high velocities.