Vélocimètre Doppler ultrasonore: Questions

Comment installer les transducteurs?

Il est essentiel d'assurer un bon couplage de l'énergie acoustique entre le transducteur et le liquide. Quand il faut traverser une paroi, un gel de couplage doit être utilisé. Il faut absolument éviter la présence de gas ou d'air le long du chemin ultrasonore car leur très faible impédance acoustique empêche toute propagation de l'onde.

Dans la mesure du possible il est toujours préférable d'immerger le transducteur dans le liquide. Tous les transducteurs produits par Signal Processing SA peuvent être immergés.

Quand la longueur du câble n'est pas suffisante, il est tout à fait possible de prolonger le câble par une rallonge. Il est alors impératif d'utiliser un câble coaxial d'impédance 50 ohm, comme les câbles RG58 ou RG174. Au dela de 10 mètres, l'attenuation du signal et la dégradation du rapport signal/bruit se font sentir de manière significatives.

Est-il possible d'utiliser la vélocimétrie Doppler ultrasonore dans des gaz?

Malheureusement il n'est pas possible d'utiliser la vélocimétrie Doppler ultrasonore dans les gas. Les gaz ont une trop failble impédance acoustique et ils atténuent fortement les ondes ultrasonores aux hautes fréquences.

De plus comme la technique exige la présence de particules, il est très rares d'avoir des particules en quantité suffisante et de dimensions importantes en suspension dans les gaz.

Est-il possible de mesurer des profils de vitesse dans des boues?

La vélocimétrie Doppler ultrasonore est une des rares méthodes d'investigation qui permettent la mesure de profil de vitesse dans des boues. Il faut néanmoins noter que la grande viscosité de tels liquides fait qu'ils peuvent contenir une grande quantité de gas ce qui nuit à la mesure de ces écoulements.

Des résultats probants ont été obtenus pour des boues contenant jusqu'? 30% de sable.

Est-il possible d'appliquer la vélocimétrie Doppler ultrasonore aux écoulement sanguins?

La vélocimétrie Doppler ultrasonore est parfaitement adaptée à l'étude des écoulements sanguins. Elle a originalement été développée pour l'étude de l'hémodynamique des flux sanguins. Signal Processing SA a par ailleurs obtenu une certification ISO ce qui lui permet de collaborer avec les milieux de la recherche médicale..

Comment la résolution spatiale est-elle défine?

En vélocimétrie Doppler ultrasonore il faut considérer deux types de résolutions spatiales.

La première prend en compte le volume de mesure. Le volume de mesure peut se définir comme étant le volume dans lequel les particules qui y sont présentes contribuent à la formation du signal d'écho ? un instant donné. Les dimensions latérales de ce volume sont directement liées ? la forme du champ ultrasonore généré par le transducteur. Sa profondeur ou son épaisseur est donnée par la durée du signal émis. On peut qualifier cette résolution de résolution physique car l'instrument utilisé n'a pas d'effet sur cette résolution.

La deuxiéme résolution est ce que l'on pourrait appeler la résolution d'affichage ou de mesure. Elle est définie comme la distance entre les portes de mesure. Cette distance est déterminée par le parcour de l'onde ultrasonore durant le temps séparant deux instants d'échantillonnage successifs du signal d'écho. Cette résolution est donc liée ? l'instrument. Suivant la valeur de cette dernière 3 situations se présentent:

La distance entre les portes est inférieure ? l'épaisseur du volume de mesure. Dans un tel cas les volumes de mesure se chevauchent les uns les autres. Ce chevauchement a pour effet de filtrer en quelques sortes le profil de vitesse.
La distance entre les portes est égale ? l'épaisseur du volume de mesure. Les volumes de mesure sont alors contigüs.
La distance entre les portes est supérieure ? l'épaisseur du volume de mesure. Dans ce cas il existe des zônes pour lesquelles aucune information n'est accessible. Le profil de vitesse comporte alors des trous. Bien que ces trous n'apparaissent pas de manière évidente sur le profil ils sont bien présents!

Dans la mesure du possible il est souhaitable de faire coïncider les deux valeurs de résolution. Hélas, au fur et à mesure que la fréquence d'échantillonnage augmente, la largeur de bande de l'électronique doit augmenter. Arrive hélas un certain point oû le rapport signal/bruit devient trop faible et ne peut de ce fait garantir une mesure de qualité. Le chevauchement des volumes de mesure devient alors inévitable.

Quelle gamme de vitesses peut être mesurée?

La vitesse est directement liée à la fréquence Doppler. De ce fait la valeur maximale de la vitesse est fonction de la fréquence d'émission et de la fréquence de répétion des émissions. En jouant avec ces deux paramètres il est possible de couvrir une large gamme de vitesses, allant de plusieurs mètres par seconde à quelques dixième de millimètres par seconde. Cette aptitude à couvrir une large gamme de vitesses est une propriété fort intéressante de la vélocimétrie Doppler ultrasonore.

La vélocimétrie Doppler ultrasonore permet la mesure de vitesse positive et négative. Par convention la vitesse est positive quand une particule se rapproche du transducteur et négative dans le cas contraire (cette convention est totalement arbitaire). Afin de pouvoir alouer une étendue plus importante à l'un des signes, il est possible de déplacer l'origine des vitesses. Ce déplacement a pour effet d'accroître l'étendue d'un signe au détriment de l'autre.

Quelle composante du vecteur vitesse est mesurée?

De part son principe de fonctionnement, la composante de vitesse est toujours celle en direction de l'axe du champ ultrasonore. La vélocimétrie Doppler ultrasonore mesure donc toujours la projection du vecteur vitesse sur l'axe du champ ultrasonore. Lorsque la direction du vecteur vitesse est connue, comme cela peut être le cas dans l'étude des écoulements dans des conduites rectilignes, il est possible de mesurer en temps réel l'évolution du module du vecteur vitesse, donc la vitesse "réelle".

L'angle Doppler, est défini comme étant l'angle entre l'axe du champ ultrasonore et la direction du vecteur vitesse.

Comment choisir la fréquence d'émission?

La fréquence d'émission est directement liée à la résolution. De manière générale, on a toujours intérêt à choisir la fréquence d'émission la plus élevée possible. Deux facteurs imposent une valeur limite à cette fréquence.

L'étendue de la vitesse à mesurer.
L'équation Doppler montre que la vitesse maximum pouvant être mesurée est inversémement proportionnelle à la fréquence d'émission.
L'atténuation des ondes ultrasonores dans le liquide ou la paroi devant être traversée.
L' atténuation des ondes ultrasonores croit avec la fréquence et dépend de la nature du milieu. Les liquides visqueux atténuent par exemple plus les ultrasons.

Comment le débit est-il calculé?

Le fait de disposer d'un profil de vitesse accroît la précision de la mesure du débit car cela permet de tenir compte d'une dissymétrie dans la répartition des vitesses. Le débit est calculé en intégrant le profil entre deux bornes, qui représentent les parois. Ce calcul suppose une section circulaire.

On remerquera qu'une erreur sur la détermination du diamètre n'engendre qu'une faible erreur sur le débit car la vitesse près des parois est toujours faibles.

Quel est le taux maximum d'acquisition des profils?

La rapidité de la mesure d'un profil dépend de deux facteurs:

La fréquence de répétition Fprf
Le nombre d'émissions ultrasonores utilisées N

La connaissance de ces deux paramètres permet le calcul de la fréquence d'acquisition des profils par la relation suivante:

Période d'acquisition = (N + Nstb) / Fprf

Nstb correspond à un nombre d'émissions nécessaires à des calculs internes. A ce temps il faut encore ajouter une durée variable de 2 à 3 ms, qui correspond au temps de transfert des données.

Est-il possible de synchroniser la mesure du profil avec un événement extérieur?

Tous nos vélocimétres disposent d'un fonction de synchronisation. Cette fonction "Trigger" analyse en permanence l'état logique d'une entrée externe, compatible TTL.

Le déclenchement de la mesure peut avoir lieu lorsqu'un état haut (5 volt) ou un état bas est détecté sur l'entrée externe. Noter qu'un état bas est équivalent ? un court-circuit, ce qui permet de décelencher une mesure sur la fermeture d'un relai par exemple.

De plus, une fois l'événement Trigger détecté, une attente définie par l'utilisateur peut être ajoutée avant la prise des mesures. Le délai entre la détection du signal trigger et l'acquisition des profils est de l'ordre de quelques microsecondes.

A quelle distance du transducteur le premier point de mesure peut-il être prisé

Du fait que le même transducteur soit utilisé pour émettre et recevoir les échos, il faut attendre un certain temps avant de pouvoir utiliser le transducteur en mode réception. Ce temps doit être suffisamment long pour permettre à toute l'énergie reçue lors de l'émission de se dissiper. Durant ce temps, nommé "Ringing", la réception est impossible car elle engendrerait une saturation totale du récepteur. L'ampleur de cette durée dépend de la fréquence et de la dimension de la céramique présente dans le transducteur. Elle varie de quelques microsecondes à quelques dixaines de microsecondes.

Sous quel format les données sont-elles accessibles?

Toutes les mesures réalisées peuvent être disponibles sous forme binaire ou ASCII. Seul le format binaire conserve l'intégralité des informations et paramètres ayant servi lors de la mesure. Le format ASCII offre également la possiblilté de ne mémoriser que les valeurs statistiques, à savoir les valeurs moyennes, maximum et minimum ainsi que l'écart type.

Combien de tranducteurs peuvent reliés?

Jusqu'à 10 transducteurs peuvent être reliés au DOP3010. L'acquisition des profils s'effectue de manière séquentielle. Après avoir acquis un nombre déterminé de profils sur un transducteur, le vélocimètre commute sur la prochaine voie d'acquisition ou transdcuteur et poursuit l'enregistrement de profils.

Toutes les voies d'acquisitions sont indépendantes. Ainsi, chaque voie possède ses propres paramètres de fonctionnement, comme la fréquence d'émission, la PRF. Chaque voie peut donc recevoir des transducteurs de différentes fréquences.

Comment fonctionne la vélocimétrie Doppler ultrasonore?

La vélocimétrie Doppler ultrasonore utilise une émission ultrasonore pulsée, de brève durée. L'onde émise est réfléchie par les particules en mouvement dans le liquide et forme un signal d'écho qui est capté par le même tranducteur que celui utilisé pour émettre l'impulsion d'émission. Le signal d'écho peut être considéré comme une sorte de signature de la position des particules à un instant donné. La répétition régulière d'impulsions ultraonores fournit une série d'échos ou de signatures qui sont utilisées pour mesurer le déplacement des particules au cours du temps. Il existe en effet une corrélation importante entre les échos successifs. C'est cette corrélation qui est mise à profit.

Le temps de vol de l'impulsion permet de déterminer avec précision la profondeur de l'analyse. Le seul paramètre devant être connu est la vitesse de l'onde dans le milieu, mis à part les paramètres acoustiques. De part son principe de fonctionnement la vélocimétrie Doppler ultrasonre ne nécessite pas de calibration.

Plus d'information ....

Comment la vitesse est-elle calculée?

La corrélation qui existe entre les échos successifs permet de mesurer la vitesse par une mesure du déplacement des particules entre deux émissions successives. Plutôt que de mesurer directement la corrélation, Signal Processing SA a développé un algorithme et une méthodologie qui permettent d'accéder directement à la fréquence Doppler moyenne généréres par les particules se trouvant ? l'intérieur du volume de mesure. Cette procédure est basée sur de propriétés statistiques, physiques et mathématiques du signal d'écho.

La fréquence Doppler est reliée à la vitesse par l'équation Doppler:

oû (Fe) est la fréquence d'émission, (Fd) la fréquence Doppler et (C) la vitesse du son dans le liquide.

L'équation ci-dessus est valable pour des écoulements bi-directionnel. Nos vélocimètres permettent de faire varier l'étendue de mesure positive ou négative de manière à mieux s'adapter aux conditions de mesure. De plus nous avons développé un nouvel algorithme qui permet de dépasser la limite de Nyquist (aliaising) et ainsi d'étendre considérablement l'échelle de mesure des vitesses sans devoir changer la fréquence de répétitions des émissions ultrasonores (PRF).

Que signifie l'aliasing ou recouvrement?

L'aliasing ou recouvrement est un phénomène qui apparait quand un signal est échantillonné à une fréquence insuffisante. Lorsque la fréquence d'échantillonnage est inférieure au double de la fréquence du signal, les valeurs échnatillonnées sont repliées de l'autre côté de l'axe. La figure ci-dessous illustre ce phénomène.

La solution généralement retenue consiste à filtrer les signaux avant leur échantillonnage afin d'éviter les effets indésirables du recouvrement. Hélas en vélocimétrie Doppler ultrasonore il est impossible de filtrer le signal, car seuls les échantillons sont accessibles, et ceci de par le principe même de fonctionnement. Le recouvrement ne peut donc être évité et éliminé.

Nous avons néanmoins développé un nouvel algorithme qui permet de dépasser la limite de Nyquist (aliaising) et ainsi d'étendre considérablement l'échelle de mesure des vitesses sans devoir changer la fréquence de répétitions des émissions ultrasonores (PRF).

Quelles sont les différences entre la VDU et la vélocimétrie Doppler Laser?

Les principales différences entre la vélocimétrie Doppler ultrasonore (VDU) et la vélocimétrie Doppler Laser (VDL) sont reportées ci-dessous:

La VDL mesure la composante de vitesse perpendiculaire à l'axe du faisceau optique. La VDU mesure la projection du vecteur vitesse sur l'axe du champ ultrasonore.
La VDL mesure la vitesse d'une particule unique. La VDU donne une mesure moyenne d'un ensemble de particules se trouvant à l'intérieur d'un volume de mesure.
La vitesse maximum mesurable est limitée en VDU alors qu'elle ne l'est pas en VDL.
La VDL est limitée aux liquides translucides alors que la VDU peut mesurer tous les liquides.
La VDL ne délivre qu'une mesure ponctuelle alors que la VDU délivre tout un profil de vitesse.

La vélocimétrie ultrasonore est-elle dangeureuse pour la santé?

La vélocimétrie ultrasonore est une technique qui ne présente pas de dangers pour la santé humaine tant que le niveau de puissance émise est faible. C'est le cas de tous nos instruments.

La puissance maximum moyenne émise est de l'ordre de dixaines de milliwatts. Par contre la puissance maximum instantannée, lors de l'émission, peut atteindre plusieurs dixaines de watts. Elle est néanmoins généralement insuffisante pour engendrer des phénomènes de cavitation. Le seul effet constaté peut être une légère augmentation de la température du milieu.

Quel type d'information délivre la vélocimétrie Doppler ultrasonore?

La vélocimétrie Doppler ultrasonore permet bien plus que la simple mesure de profils de vitesse. Le signal d'écho contient également de l'information sur la nature des particules, leurs tailles ainsi que leur concentration. Ces derniers paramètres se combinent pour définir l'intensité avec laquelle les particules réfléchissent l'impulsion.

Une analyse plus détaillée du signal d'écho, par le biais de l'énergie Doppler par exemple, permet de caractériser les particules.

Quelle est la concentration maximum de particules?

La concentration de particules dépend de leur nature et de leur taille, ainsi que de la fréquence des ultrasons utilisés. Par exemple, le sang est un liquide très riches en particules puisque 50% environ de ce liquide est formé de particules (les globules rouges). Le sang est un liquide dans lequel d'excellentes mesures peuvent être réalisées. De manière générale, plus les particules sont petites, plus la concentration peut être élevée.

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