Contributions au traitement des signaux ultrasonores pour des mesures instantanées en écoulements transitoires

Contribution of ultrasound signal processing for the instantaneous transitory flow measurements

• Auteur / Autrice : Irina Murgan
• Direction : Cornel-Eugen Ioana, Stéphane Barre, Gabriel Vasile
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Signal image parole telecoms
• Date : Soutenance le 23/11/2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Grenoble Images parole signal automatique (2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Henda Djeridi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cornel-Eugen Ioana, Alexandru Serbănescu, Ljubis̆a Stanković
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Romeo Susan-Resiga, Marie Chabert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement diphasique

Écoulement instationnaire (dynamique des fluides)

Ultrasons

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Traitement des signaux

Écoulements transitoires

Ultrasonore

Signal processing

Transitory flows

Ultrasound

Résumé

L’objectif de cette thèse est proposer des méthodes de traitement des signaux ultrasonores pour améliorer le calcul des vitesses d’écoulements transitoires à l’intérieur des conduites en mode non intrusive et en conditions complexes de mesure. Par conditions complexes nous entendons des fortes et, respectivement, des basses vitesses d’écoulement ainsi que des mesures en contexte d’un écoulement transitoire ou turbulent. Classiquement, la vitesse de l’écoulement d’un fluide peut être estimée, de manière non intrusive, avec des ultrasons par le biais des débitmètres à temps de transit. Les débitmètres à temps de transit conventionnels sont basés sur l’émission alternée des pulses acoustiques mono-fréquentielles (donc, à bande étroite) et le calcul de la différence absolue entre les temps de vol dans le sens de l’écoulement (direct) et le sens opposé (inverse). La vitesse du fluide (et le débit), ou plutôt la précision de ces grandeurs, reposent principalement sur l’estimation de cette différence. La partie sensible de cette technique est le choix du seuil (en admettant que le signal reçu n’est pas affecté par d’autres phénomènes comme des échos parasites, atténuation excessive ou des effets Doppler) déterminé principalement de façon empirique: au-dessus de 50% ou 80% de la valeur maximale attendue du signal. Des techniques pour automatiser et réduire l’erreur de mesure sont tout à fait envisageables et qui assurent une précision acceptable dans des conditions de mesure presque idéales. Néanmoins, hormis les cas des figures ayant des conditions de mesure idéalisées, il existe plusieurs scénarii où les techniques actuelles sont déficitaires: le désalignement des capteurs, une vitesse d’écoulement trop forte qui conduit à l’effet «flow blow», les écoulements bi-phasiques et/ou la présence de l’effet Doppler. Ces constats, présentés dans le deuxième chapitre du manuscrit, nous ont conduit à envisager, dans le cadre de cette thèse, des axes de recherche qui ont pour objectif commun de fournir les outils de traitement du signal capables de lever les verrous opérationnels. Ainsi, les principes de traitement du signal envisagés pour répondre à cet objectif sont: le principe des signaux à large bande qui confère au système de traitement du signal une résolution plus fine et une meilleure robustesse aux perturbations; le concept de compressive sensing afin de reconstruire les échantillons perdus suite aux interférences au point de réception; le principe de formation de voie et le principe des multi-cordes qui permet d’évaluer le profil de vitesse dans une section de la conduite.

The purpose of this thesis is to propose ultrasonic signal processing methods in order to improve the transitory flow velocity non-intrusive detection through pipes, in complex measurement conditions. By complex measurement conditions, we refer to high or very low flow rates and also to transitory or turbulent flows. Usually, the flow velocity can be non-intrusive estimated, using ultrasonic flow meters based on transit time estimation. Conventional transit time flowmeters are based on the alternating emission of single-frequency acoustic pulses (ie, narrow-band acoustic pulses) and the calculation of the absolute difference between flight times in the direction of flow (direct) and in the opposite direction (reverse). The fluid velocity (and the flow rate), or rather the precision of estimation of these quantities, rest mainly on the estimation of this difference. The sensitive part of this technique is the choice of the threshold (assuming that the received signal is not affected by other phenomena such as echoes, excessive attenuation or Doppler effects) determined mainly empirically: above 50% or 80% of the maximum expected value of the signal. Techniques for reducing measurement errors are quite conceivable and provide acceptable accuracy under almost ideal measurement conditions. However, apart from the case with idealized measurement conditions, there are several scenarios where current techniques are deficient: sensor misalignment, excessive flow velocity which leads to the “flow blow” effect, two-phase flow and / or the presence of the Doppler effect. These facts, presented in the second chapter of the manuscript, led us to consider, within the framework of this thesis, research axes whose common objective are to provide the signal processing tools capable of lifting the operational locks. Thus, the signal processing principles considered to meet this objective are: the principle of wide-band signals which gives the signal processing system a finer resolution and better robustness to disturbances; the concept of compressing sensing in order to reconstruct the missing samples due to interference at the reception point; the principle of beamforming and the principle of multi-paths which makes it possible to evaluate the velocity profile in a pipe section.