FR3144290A1 - Capteur de tomographie acousto-électrique d’imagerie de corrosion/érosion de structure et/ou d’imagerie d’écoulement multiphasique - Google Patents

Abstract

C apteur de tomographie acousto-élec trique d’imagerie de corrosion/érosion de structure et/ou d’imagerie d’écoulement multiphasique Le capteur est un capteur d’imagerie de corrosion/érosion de structure et/ou d’imagerie d’écoulement multiphasique. Il comprend deux éléments d’excitation et de mesure (54, 56) distincts, colocalisés au sein dudit capteur, dédiés respectivement à la mesure tomographique par impédance électrique et à la mesure tomographique acoustique, et propres à être excités simultanément via deux composantes distinctes d’un signal bi-composantes. L’élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique par impédance électrique est propre à être excité par une composante d’excitation électrique dudit signal bi-composantes, et l’élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique acoustique est propre à être excité au moins par une composante d’excitation acoustique dudit signal bi-composantes. Figure pour l'abrégé : Figure 2

Description

Capteur de tomographie acousto-électrique d’imagerie de corrosion/érosion de structure et/ou d’imagerie d’écoulement multiphasique

La présente invention concerne un capteur de tomographie acousto-électrique d’imagerie de corrosion/érosion de structure et/ou d’imagerie d’écoulement multiphasique.

La présente invention concerne également une bride intelligente pour la mesure tomographique d’un écoulement diphasique d’un conduit d’installation nucléaire.

La présente invention concerne également un procédé de mesure tomographique acousto-électrique d’un corps comportant une partie cylindrique contenant un fluide.

La présente invention concerne également un programme d’ordinateur comportant des instructions logicielles qui lorsqu’elles sont exécutées par un ordinateur, mettent en œuvre, au moins en partie, un tel procédé de mesure tomographique acousto-électrique d’un corps comportant une partie cylindrique contenant un fluide.

La présente invention concerne également un système pour la mise en œuvre d’un tel procédé.

La présente invention concerne d’une part le domaine de la débimétrie, de la mesure d’écoulements multiphasiques et d’autre part le domaine du contrôle de santé de structure ou SHM (de l’anglaisStructural Health Monitoring) visant à détecter et à caractériser, de manière planifiée, en temps réel, ou encore de manière périodique (e.g. une fois par jour notamment), des dommages (i.e. anomalies) de structures/infrastructures via un ensemble de capteurs intégrés à chaque structure/infrastructure, lesdits capteurs étant amenés à « vivre » avec ladite structure/infrastructure, si bien qu’on parle de « contrôle santé intégré » permettant de faire un suivi de l’état de santé de la structure tout au long de la vie de la structure, ainsi que celui du contrôle non destructif (CND) par mesure sur demande. De telles anomalies de structure correspondent à des modifications des propriétés physiques et/ou géométriques de la structure considérée propre à en affecter les performances et/ou la fiabilité.

Plus précisément, la présente invention porte sur l’imagerie de structure, notamment les structures métalliques de faible épaisseur telles que des plaques ou des tubes, afin d’imager notamment la corrosion/érosion ou pertes d’épaisseurs dans les tuyauteries, et/ou l’imagerie de fluide multiphasique afin d’imager notamment en temps réel le taux de vide dans un écoulement mêlant eau et air.

Actuellement deux techniques distinctes sont utilisées pour l’imagerie de structure ou de fluide multiphasiques, à savoir d’une part la tomographie par impédance électrique (TIE) par ondes électromagnétiques, dont un exemple est décrit par L. Borcea dans l’article intitulé : «Electrical impedance tomography» OP Publishing, Inverse Problems, vol. 18, n° %16, p. R99, 2002 et d’autre part la tomographie acoustique par ondes mécaniques telle que :

- la tomographie acoustique par ondes de volume dont un exemple est décrit par M. Rahimana et al. dans l’article intitulé : «An investigation on chemical bubble column using ultrasonic tomography for imaging of gas profiles» Sensors and Actuators B: Chemical, vol. 202, pp. 46-52, 2014, ou encore

- la tomographie acoustique par ondes élastiques guidées dont un exemple est décrit par T. Druet et al. dans l’article intitulé : «Autocalibration method for guided wave tomography with undersampled data» Wave Motion, pp. 265-283, 2019, les ondes utilisées étant des ondes guidées par la paroi de la structure étudiée notamment pour une imagerie de corrosion de la structure.

La tomographie par impédance électrique (TIE) est une technique non invasive, non destructive, qui permet de visualiser, en temps réel et en continu, l’intérieur d’un objet (i.e. structure) en mesurant les propriétés électriques, notamment le potentiel et le courant électrique, de cet objet à sa surface. Cette approche, robuste, est particulièrement adaptée à la réalisation de mesures non intrusives dans des environnements industriels, par exemple sous hautes pressions et/ou hautes températures. Autrement dit, la mesure de tomographie électrique utilise la loi d’Ohm pour reconstruire la carte de conductivité électrique à partir des informations en potentiels et courants électriques sur la périphérie. Les potentiels électriques sont imposés sur les électrodes placées autour et en contact du domaine d’étude.

La tomographie par impédance électrique (TIE) consiste plus précisément à injecter des courants ou potentiels électriques au moyen d’un ensemble d’électrodes non-intrusives disposées à la surface de l’objet surveillé et ensuite à mesurer les potentiels ou courants électriques à la surface de cet objet (i.e. structure).

Les électrodes sont propres à être uniquement en contact avec la surface extérieure de l’objet. Toutefois, dans le cas où la surface de l’objet est en métal, les électrodes sont propres à traverser la paroi et être en contact avec le fluide.

La carte de l’impédance à l’intérieur de l’objet est reconstruite en résolvant le problème inverse associé.

Il est connu de mettre en œuvre un multiplexage selon lequel un signal d’excitation est imposé à un groupe d’électrodes. Les différents groupes d’électrodes sont sélectionnées en temps réel au moyen de multiplexeurs ou d’interrupteurs électroniques ou, en fréquence dans l’espace de Fourier. L’ensemble des séries d’excitation (tension ou courant) et de mesures (courant ou tension respectivement) permettent l’obtention d’une matrice de données contenant les valeurs des mesures pour chaque électrode selon chaque motif d’excitation. Ces matrices sont utilisées pour reconstruire une image de tomographie par impédance électrique (TIE).

Une image de tomographie par impédance électrique (TIE) comprend ainsi les données de mesure de tous les groupes d’électrodes excitées propre à être utilisées pour déterminer la distribution de potentiel et résoudre le problème inverse consistant à reconstruire la distribution des propriétés des matériaux au sein de l’objet, telles que la conductivité électrique, la permittivité, etc.

La tomographie acoustique par ondes mécaniques correspondant à des ondes de volume (par exemple des ondes longitudinales de pression dans de l’eau) ou à des ondes élastiques guidées (par exemple des ondes de Lamb dans des plaques), repose quant à elle sur le même principe, quel que soit le problème technique à résoudre portant sur l’imagerie d’écoulement multiphasique ou de corrosion/érosion, à savoir l’utilisation d’un réseau de capteurs, par exemple des transducteurs piézoélectriques, un tel réseau étant propre à émettre et recevoir des ondes mécaniques dans un milieu pour le sonder. La tomographie par ondes mécaniques comprend par ailleurs l’acquisition des ondes pour l’ensemble des couples de capteurs de la distribution (i.e. du réseau de capteurs utilisé) et leur transformation sous la forme de signaux numérisés. Les signaux numérisés sont alors les données d’entrée d’un procédé propre à résoudre un problème inverse permettant d’imager le milieu. Ainsi, la tomographie par ondes mécaniques permet de quantifier par exemple les positions et étendu des bulles d’un écoulement ou la perte d’épaisseur d’une structure due à de la corrosion ou de l’érosion.

Il est à noter que la caractéristique principale différenciant les ondes élastiques guidées utilisées pour mesurer la corrosion/érosion ou pertes d’épaisseur de structure des ondes de volume utilisées pour mesurer un écoulement multiphasique, est que les ondes élastiques guidées sont dispersives tandis que les ondes de volume ne le sont pas. On utilise cette propriété de dispersion pour remonter quantitativement à l’épaisseur dans le cas de l’imagerie de corrosion, grace à ce que l’on appelle des courbes de dispersion qui relient les propriétés des ondes telles que leurs vitesses de phase ou de groupe ou bien encore la longueur d’onde ou le nombre d’onde en fonction de la fréquence et de l’épaisseur de la structure.

En tomographie acoustique, afin de résoudre le problème inverse de reconstruction d’une image à partir de signaux, il existe différentes techniques de tomographie acoustique plus ou moins adaptées selon ce que l’on cherche à imager, à savoir :

- la tomographie par diffraction selon une approche ondulatoire, adaptée à une application à :

- l’imagerie d’écoulement notamment pour détecter une taille de bulle petite devant la longueur d’onde utilisée, car associée à un phénomène de diffraction prépondérant,

- l’imagerie de corrosion pour détecter les petits défauts de structure,

- la tomographie en temps de vol ou en atténuation selon une approche par rayon, adaptée à une application à :

- l’imagerie d’écoulement notamment pour détecter une taille de bulle grande devant la longueur d’onde utilisée, car associée à un phénomène de réflexion sur les bulles prépondérant et une atténuation sur les trajets direct en transmission,

- l’imagerie de corrosion pour détecter des grands défauts de structure,

- la tomographie d’amplitude pour tous les trajets envisageables pour un couple de capteurs émetteur et récepteur donné, notamment les trajets émetteur vers le point de cartographie, puis vers le récepteur, selon un principe sensiblement proche du principe de la méthode TFM (de l’anglaisTotal Focusing Method), adaptée à une application à l’imagerie d’écoulement notamment pour détecter une taille de bulle grande devant la longueur d’onde utilisée, car associée à un phénomène de réflexion sur les bulles prépondérant. Les contours des bulles sont reconstruits pour ce type de tomographie acoustique par tomographie d’amplitude.

Il est en outre à noter que des techniques existantes permettent de coupler plusieurs des types de tomographie accoustique précités afin de tirer parti des avantages des différentes méthodes de tomographie acoustiques.

La tomographie d’impédance électrique par ondes électromagnétiques, et la tomographie acoustique par ondes mécaniques de volume ou élastiques guidées, présentent respectivement des avantages et des inconvénients pour imager un mileu multiphasique ou pour imager la corrosion/érosion ou perte d’épaisseur dans les tuyauteries.

En effet, pour imager un milieu multiphasique, par exemple un écoulement air/eau, les deux techniques précitées de tomographie utilisées indépendamment ne sont pas complétement satisfaisantes, car d’une part la tomographie par impédance électrique fournit :

- une mauvaise visualisation du taux de vide quand il y a peu d’air, notamment une proportion inférieure à 10% ;

- une bonne résolution au bord (i.e. à proximité des capteurs) mais une image dégradée au centre ;

- des mesures très rapides à basse fréquence, rapides mais peu précises à haute fréquence ;

et d’autre part la tomographie acoustique, par ondes de volume, fournit quant à elle, de manière complémentaire :

- une mauvaise visualisation du taux de vide quand il y a beaucoup d’air notamment une proportion supérieure à 10%, car l’onde ne passe pas (ou peu) en transmission ;

- une bonne résolution au centre mais une image dégradée au bord (i.e. à proximité des capteurs) ;

- des mesures lentes à basse fréquence, et très précises et relativement rapides à haute fréquences.

Et en ce qui concerne l’imagerie de corrosion/érosion, d’une part la tomographie par impédance électrique fournit :

- une bonne résolution au bord (i.e. à proximité des capteurs) mais une image dégradée au centre ;

- la possibilité d’imager de grandes zones de l’ordre de plusieurs mètres ;

- une imagerie non quantitative ;

et d’autre part la tomographie acoustique, par ondes élastiques guidées, fournit quant à elle, de manière complémentaire :

- une bonne résolution au centre et une image dégradée au bord (i.e. à proximité des capteurs) ;

- la possibilité d’imager des zones moyennes, de l’ordre du mètre, jusqu’à quelques mètres au maximum ;

- une imagerie quantitative.

Autrement dit, actuellement les grands taux de vide (e.g. supérieurs à 10%) sont imagés par la tomographie d’impédance électrique qui fonctionne très bien quand il y a beaucoup de gaz. En revanche, la tomographie d’impédance électrique commence à donner de mauvais résultats pour un taux de vide sous les 1% (e.g. taux de vide 10^-2ce qui correspond par exemple à l’imagerie d’une seule bulle de deux à trois centimètres de diamètre pour un tube de type DN300). Les faibles taux de vide (e.g. jusqu’à 10^-5ce qui correspond par exemple à l’imagerie d’une seule bulle de 1mm de diamètre pour un tube DN300) sont imagés par la tomographie acoustique qui fonctionne très bien uniquement s’il y a peu de bulles et qu’elles sont petites.

En termes de zone de sensibilité, il est connu que la tomographie d’impédance électrique image plutôt bien en bord de domaine et que la tomographie acoustique plutôt bien au centre du domaine.

Enfin en termes de vitesse de scannage, la tomographie par impédance électrique permet des acquisitions rapides de grandes inclusions qui en tomographie acoustique peuvent au contraire nécessiter un scannage avec des fréquences basses et donc un temps d’acquisition significatif.

Ainsi, actuellement, dans le domaine de l’imagerie de la corrosion/érosion ou pertes d’épaisseurs de structure(s) et/ou de l’imagerie de fluide multiphasique afin d’imager notamment en temps réel le taux de vide dans un écoulement mêlant eau et air, il n’existe pas de solution permettant de coupler de manière efficace la tomographie acoustique et la tomographie par impédance électrique, ce qui implique de rendre leurs images associées respectives parfaitement superposables dans le cadre d’écoulements.

Le but de cette invention est donc de proposer une solution permettant, au moins partiellement, de parvenir à un tel couplage, inexistant actuellement, de la tomographie acoustique avec la tomographie par impédance électrique pour fournir une tomographie appelée par la suite tomographie acousto-électrique (ou inversement électro-acoustique) applicable à l’imagerie de la corrosion/érosion ou pertes d’épaisseurs de structure(s) et/ou de l’imagerie de fluide multiphasique.

A cet effet, l’invention a pour objet un capteur de tomographie acousto-électrique d’imagerie de corrosion/érosion de structure et/ou d’imagerie d’écoulement multiphasique, comprenant deux éléments d’excitation et de mesure distincts, colocalisés au sein dudit capteur, dédiés respectivement à la mesure tomographique par impédance électrique et à la mesure tomographique acoustique, et propres à être excités simultanément via deux composantes distinctes d’un signal bi-composantes, l’élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique par impédance électrique étant propre à être excité par une composante d’excitation électrique dudit signal bi-composantes, et l’élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique acoustique étant propre à être excité au moins par une composante d’excitation acoustique dudit signal bi-composantes.

Un tel capteur permet ainsi d’effectuer des mesures simultanées en temps et en espace de tomographie acousto-électrique. Plus précisément, un tel capteur permet d’effectuer simultanément des excitations et mesures acoustiques et électriques.

La tomographie acoustique et la tomographie par impédance électrique étant complémentaires comme on l’a vu précédemment, leur déploiement simultané, via un tel capteur, comble mutuellement les défauts de leur utilisation distincte.

Suivant d’autres aspects avantageux de l’invention, le capteur de tomographie acousto-électrique d’imagerie de corrosion/érosion de structure et/ou d’imagerie d’écoulement multiphasique selon la présente invention comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :

- ledit capteur est propre à fonctionner selon trois modes de fonctionnement distincts comprenant un mode émission, un mode réception et un mode émission et réception ;

- ledit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique par impédance électrique est une électrode résistive, et dans lequel ledit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique acoustique correspond à un transducteur piézoélectrique ;

- ledit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique par impédance électrique et ledit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique acoustique sont superposés et forment un empilement en étant séparés l’un de l’autre au sein dudit empilement par une couche isolante électrique, par rapport à la structure et/ou à l’écoulement à imager par mesure tomographique, au sein dudit empilement, ledit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique par impédance électrique étant l’élément d’excitation et de mesure proximal, et l’élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique acoustique étant l’élément d’excitation et de mesure distal.

- ledit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique par impédance électrique et ledit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique acoustique sont adjacents et séparés au sein dudit capteur ;

- ledit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique par impédance électrique et ledit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique acoustique sont agencés de manière concentrique, ledit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique par impédance électrique entourant ledit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique acoustique ;

- le capteur comprend en outre un étage numérique et un étage analogique de traitement de signal,

l’étage numérique comprenant :

- une partie émission propre à recevoir ou générer numériquement ledit signal bi-composantes et à le transformer via un convertisseur numérique analogique en signal analogique d’excitation bi-composantes desdits deux éléments d’excitation et de mesure ;

- une partie réception propre à numériser un signal de retour analogique desdits deux éléments d’excitation et de mesure via un convertisseur analogique numérique dont la fréquence d’échantillonnage est au moins deux fois plus élevée que celle du signal de retour analogique desdits deux éléments d’excitation et de mesure, et à le discriminer dans l’espace de Fourier ;

l’étage analogique comprenant :

- une partie émission au moins propre à adapter l’impédance et/ou l’amplitude dudit signal analogique d’excitation bi-composantes fourni par la partie émission de l’étage numérique, respectivement au moyen d’un amplificateur de courant et/ou d’un amplificateur de tension ;

- une partie réception propre à former un signal de retour analogique desdits deux éléments d’excitation et de mesure et comprenant au moins :

- un outil de mesure de courant du signal électrique délivré par ledit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique par impédance électrique ;

- un outil de pré-amplification configuré pour adapter l’impédance et amplifier l’amplitude du signal délivré par ledit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique acoustique.

- la partie émission de l’étage analogique comprend en outre un filtre passe-bas et un filtre passe-haut configurés pour séparer, au sein dudit signal analogique d’excitation bi-composantes fourni par la partie émission de l’étage numérique, la composante d’excitation électrique de la composante d’excitation acoustique ;

- la partie réception de l’étage analogique comprend en outre un outil d’amplification à gain variable dont l’entrée est connectée à la sortie de l’outil de pré-amplification ;

- la partie réception de l’étage analogique comprend en outre un mixeur du signal délivré par l’outil de mesure de courant et du signal délivré par l’outil de pré-amplification ou respectivement par l’outil d’amplification à gain variable.

L’invention a également pour objet une bride intelligente pour la mesure tomographique d’un écoulement diphasique d’un conduit d’installation nucléaire, la bride intelligente comprenant au moins un couple de capteurs tels que définis ci-dessus, lesdits capteurs étant placés au contact dudit écoulement, l’écoulement étant diphasique eau/air.

L’invention a également pour objet un procédé de mesure tomographique acousto-électrique d’un corps comportant une partie cylindrique contenant un fluide ledit procédé comprenant les étapes suivantes :

- disposition d’un réseau de capteurs de tomographie acousto-électrique comprenant au moins un couple de capteurs tels que définis ci-dessus, ledit au moins un couple comprenant un capteur en mode émission et un capteur en mode réception ;

- excitation simultanée de chacun des deux éléments d’excitation et de mesure de chaque capteur en mode émission par un signal bi-composantes :

• ledit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique par impédance électrique étant excité par le potentiel , où A_ereprésente l’amplitude de signal d’excitation dudit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique par impédance électrique et f_esa fréquence d’excitation,

- ledit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique acoustique étant excité par le signal :

où A_preprésente l’amplitude de signal d’excitation dudit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique acoustique, f_psa fréquence centrale d’excitation et le nombre de cycles de sinusoïde dudit signal ;

- acquisition périodique des données électriques dudit corps obtenues à l’aide des deux éléments d’excitation et de mesure de chaque capteur en mode réception d’un couple d’indicendu réseau de capteurs,

- traitement desdites données électriques comprenant :

- pour chaque élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique par impédance électrique le calcul des points de données M_ndéfinis par :

où R est la valeur de la résistance utilisée pour la mesure de avec = R I_naux bornes de la résistance, P est le nombre de points d’une séquence discrète de mesure du courant I_n, p est le temps discret, k est un coefficient associé à la fréquence f_eet β_p= (2πp/P) ;

- pour chaque élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique acoustique le calcul des points de données M_ndéfinis par : où l est un coefficient associé à la fréquence f_p;

- constitution de deux matrices de données D_eet D_pà partir desdits points de données et pour tout, n, k et l.

Suivant un autre aspect avantageux de l’invention, le procédé comprend en outre une étape de génération d’images par reconstruction itérative de moindre carré appliquée aux deux matrices de données D_eet D_pou à une combinaison de ces deux matrices.

La présente invention concerne également un programme d’ordinateur comportant des instructions logicielles qui lorsqu’elles sont exécutées par un ordinateur, mettent en œuvre, au moins en partie, un tel procédé de mesure tomographique acousto-électrique d’un corps comportant une partie cylindrique contenant un fluide.

L’invention a également pour objet un système pour la mise en œuvre du procédé tel que défini ci-dessus, le système comprenant :

- un réseau de capteurs de tomographie acousto-électrique comprenant au moins un couple de capteurs tels que définis ci-dessus, ledit couple comprenant un capteur émetteur et un capteur récepteur, un même capteur étant propre à être émetteur pour au moins un couple puis récepteur pour au moins un autre couple ;

- au moins un dispositif de génération et d’acquisition de signal de tomographie acousto-électrique comprenant :

- un module de génération de signal configuré pour générer, pour chaque capteur émetteur de chaque couple de capteurs dudit réseau, un signal bi-composantes, ledit signal bi-composantes comprenant à la fois une composante d’excitation acoustique et une composante d’excitation électrique mixées ensemble au sein dudit signal bi-composantes,

- un module d’acquisition de signal configuré pour :

- acquérir un signal représentatif du signal reçu par chaque capteur récepteur de chaque couple, et

- à partir dudit signal représentatif, pour générer deux composantes reçues distinctes respectivement dédiées à la tomographie acoustique et la tomographie par impédance électrique,

- un dispositif d’imagerie tomographique ;

le dispositif de génération et d’acquisition de signal étant propre à :

- exciter chaque capteur émetteur de chaque couple de capteurs dudit réseau en utilisant ledit signal bi-composantes ;

- fournir en entrée dudit dispositif d’imagerie tomographique deux ensembles de données distincts respectivement obtenus à partir des deux composantes reçues distinctes respectivement dédiées à la tomographie acoustique et la tomographie par impédance électrique.

Ces caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :

- la est un schéma illustrant un système de tomographie acousto-électrique d’imagerie de corrosion/érosion de structure et/ou d’imagerie d’écoulement multiphasique selon la présente invention;

- les figures 2 à 5 sont des schémas illustrant différentes variantes du dispositif électronique de génération et d’acquisition de signal propre à exciter un capteur de tomographie acousto-électrique selon la présente invention ;

- la illustre trois exemples d’agencement des deux électrodes d’un capteur de tomographie acousto-électrique selon la présente invention ;

- la illustre en temporel et en fréquentiel le signal acousto-électrique propre à être généré selon la présente invention.

Dans la suite de la description, l’expression « sensiblement égal à » s’entend comme une relation d’égalité à plus ou moins 10%, c’est-à-dire avec une variation d’au plus 10%, de préférence encore comme une relation d’égalité à plus ou moins 5%, c’est-à-dire avec une variation d’au plus 5%.

La est une représentation d’un système 10 de tomographie acousto-électrique d’imagerie de corrosion/érosion de structure et/ou d’imagerie d’écoulement multiphasique selon la présente invention.

Plus précisément, un tel système 10 comprend tout d’abord un réseau 12 de capteurs de tomographie acousto-électrique comprenant au moins un couple de capteurs, ledit couple comprenant un capteur émetteur et un capteur récepteur. A noter que pour deux couples de capteurs différents (i.e. différent par au moins un des capteurs dudit couple) un même capteur est propre à être émetteur pour au moins un couple puis récepteur pour au moins un autre couple (distinct du ou des couples pour lequel il est émetteur).

Sur la , le réseau comprend notamment N+1 couples 14, à savoir les couples 14₀à 14_Ntel que représentés et chaque couple comprend un capteur émetteur C_Eet un capteur récepteur C_R. Plus précisément, chaque capteur (émetteur C_Eou récepteur C_R) de tomographie acousto-électrique dudit réseau 12 comprend deux éléments d’excitation et de mesure distincts, colocalisées au sein dudit capteur, dédiées respectivement à la mesure tomographique par impédance électrique et à la mesure tomographique acoustique, et propres à être excitées simultanément via deux composantes distinctes d’un signal bi-composantes, l’élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique par impédance électrique étant propre à être excité par la composante d’excitation électrique dudit signal bi-composantes, et l’élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique acoustique étant propre à être excité au moins par la composante d’excitation acoustique dudit signal bi-composantes.

La structure et les particularités des capteurs de tomographie acousto-électrique seront détaillées ci-après en relation avec les figures 2 à 6.

Le système selon la présente invention comprend en outre au moins un dispositif électronique 16 de génération et d’acquisition de signal de tomographie acousto-électrique.

Plus précisément, ledit dispositif électronique 16 de génération et d’acquisition de signal de tomographie acousto-électrique comprend tout d’abord un module G de génération de signal configuré pour générer, pour chaque capteur émetteur C_Ede chaque couple 14₀à 14_Nde capteurs dudit réseau 12, un signal bi-composantes, ledit signal bi-composantes comprenant à la fois une composante d’excitation acoustique et une composante d’excitation électrique mixées ensemble au sein dudit signal bi-composantes, un tel signal étant décrit en détail et illustré par la suite par la .

De plus, ledit dispositif électronique 16 de génération et d’acquisition de signal de tomographie acousto-électrique comprend un module A d’acquisition de signal configuré pour acquérir un signal représentatif du signal reçu par chaque capteur récepteur de chaque couple, et à partir dudit signal représentatif, pour générer deux composantes reçues distinctes respectivement dédiées à la tomographie acoustique et la tomographie par impédance électrique.

Ainsi, le dispositif électronique 16 de génération et d’acquisition de signal selon la présente invention est propre à :

- exciter chaque capteur émetteur C_Ede chaque couple 14₀à 14_Nde capteurs dudit réseau 12 en utilisant ledit signal bi-composantes,

- fournir en entrée d’un dispositif 18 d’imagerie tomographique deux ensembles de données distincts respectivement obtenus à partir des deux composantes reçues distinctes respectivement dédiées à la tomographie acoustique et la tomographie par impédance électrique.

Autrement dit, le dispositif électronique 16 de génération et d’acquisition de signal selon la présente invention est propre à acquérir les signaux pour les couples 14₀à 14_Nde capteurs émetteur/récepteur pour toute la distribution de capteurs, signaux par la suite numérisés comme données d’entrée d’un algorithme d’inversion permettant de calculer une image de la structure inspectée par tomographie acousto-électrique.

Un tel dispositif électronique de génération et d’acquisition de signal de tomographie acousto-électrique permet d’effectuer simultanément des excitations et/ou acquisition de mesures acoustiques et électriques qui permettent d’obtenir simultanément deux composantes reçues distinctes respectivement dédiées à la tomographie acoustique et la tomographie par impédance électrique et combinées au sein d’un même signal généré et/ou acquis.

Autrement dit, le dispositif électronique de génération et d’acquisition de signal de tomographie acousto-électrique selon la présente invention est commun à la tomographie acoustique et la tomographie par impédance électrique, ce qui permet d’éviter la duplication d’un système numérique, à savoir un système dédié à la tomographie acoustique et un dédié à la tomographie par impédance électrique, pour générer via un canal de sortie unique un signal couplant deux excitations dédiées respectivement à la tomographie acoustique et à la tomographie par impédance électrique, et pour acquérir et traiter un unique signal de mesure représentatif du signal reçu par chaque capteur récepteur de chaque couple d’un réseau de capteurs de tomographie acousto-électrique, ce signal de mesure couplant également, du fait de l’excitation bi-composantes, deux composantes de mesures dédiées respectivement à la tomographie acoustique et à la tomographie par impédance électrique.

De plus, le dispositif électronique de génération et d’acquisition de signal de tomographie acousto-électrique selon la présente invention permet, en termes de traitement de signal, de coupler avantageusement les composantes associées respectivement à la tomographie acoustique et à la tomographie par impédance électrique, ce qui permet une excitation et une mesure simultanées en temps des signaux associés à chacune de ces techniques de tomographie, et contribue en conséquence à obtenir des images associées respectivement à ces deux techniques parfaitement superposables dans le cadre d’écoulements.

Autrement dit, le dispositif électronique de génération et d’acquisition de signal de tomographie acousto-électrique selon la présente invention fournit une solution technique pour mettre en place ces excitations et mesures simultanées.

La tomographie acoustique et la tomographie par impédance électrique étant complémentaires comme on l’a vu précédemment, leur déploiement simultané comble mutuellement les défauts de leur utilisation distincte.

En complément, le système 10 de tomographie acousto-électrique comprend en outre ledit dispositif 18 d’imagerie tomographique.

Selon une première variante de réalisation, non représentée, ledit dispositif de tomographie 18 est propre à générer indépendamment :

- une image de tomographie acoustique à partir de la composante reçue dédiée à la tomographie acoustique ;

- une image de tomographie par impédance électrique à partir de la composante reçue dédiée à la tomographie par impédance électrique ;

et à recombiner ladite image de tomographie acoustique avec ladite image de tomographie par impédance électrique pour former une image de tomographie acousto-électrique, afin de profiter des avantages de la tomographie par impédance électrique et des avantages de la tomographie acoustique.

Selon une deuxième variante de réalisation, non représentée, ledit dispositif de tomographie 18 est propre à générer directement une image de tomographie acousto-électrique en traitant ensemble la composante reçue dédiée à la tomographie acoustique et la composante reçue dédiée à la tomographie par impédance électrique, via un outil d’inversion itératif prédéterminé, ou via un outil d’intelligence artificielle prédéterminé.

En effet, comme indiqué précédemment, au sein du module d’acquisition A du dispositif de génération et d’acquisition 16, la matrice de signaux mesurés est filtrée numériquement pour séparer les données de tomographie d’impédance électrique des données de tomographie acoustique, et fournir ces données au dispositif de tomographie 18. Les images sont ensuite soit, selon ladite première variante précitée, calculées par le dispositif de tomographie 18 indépendamment puis enfin recombinées intelligemment selon l’application visée et selon les complémentarités, soit, selon ladite deuxième variante précitée, calculées ensembles via des algorithmes d’inversion itératifs ou d’intelligence artificielle prédéterminés.

Selon une variante facultative, il est également envisageable de reconstruire des images à partir des données brutes associées respectivement à la tomographie acoustique et à la tomographie par impédance électrique par reconstruction d’image utilisant l’apprentissage profond.

De plus, la reconstruction des images à partir des données acousto-électriques implique des images parfaitement superposables dans le cadre d’écoulements. Cette superposition dans le temps et dans l’espace est obtenue en combinant les éléments 12, 16 et 18 pour avoir des conditions aux frontières identiques et reconstruire des images superposables de tomographie par impédance électrique d’une part et de tomographie acoustique d’autre part, propres à être superposées parfaitement par ledit dispositif de tomographie 18 selon l’un des deux variantes précédentes.

Un tel système 10 fournit un couplage efficace des deux méthodes de tomographie par impédance électrique et de tomographie acoustique car il procure une simultanéité de la mesure en temps, via le dispositif électronique 16 de génération et d’acquisition de signal, et en espace, via les capteurs de tomographie acousto-électrique. Une telle simultanéité en temps et espace permet d’obtenir un couplage exploitable des deux imageries associées respectivement à la tomographie par impédance électrique et la tomographie acoustique, la tomographie acoustique pouvant être une tomographie par diffraction, une tomographie en temps de vol, une tomographie en atténuation sur trajet direct, une tomographie d’amplitude par réflexion sur les bords des bulles, une combinaison de ces différents types de tomographies acoustiques.

Par la suite, chacun des éléments 12, 14, 16 et 18 constitutifs de ce système 10 vont être décrits selon des modes de réalisation propres à chaque élément, pouvant être utilisés de manière indépendante ou combinés avantageusement au sein dudit système 10.

Par la suite des compléments facultatifs, non représentés, du dispositif électronique 16 de génération et d’acquisition de signal sont décrits premièrement car propres à générer en premier lieu une excitation de capteur émetteur C_Eadaptée au couplage efficace de la tomographie acoustique et de la tomographie par impédance électrique dans les domaines spécifiques d’une part de la débimétrie, de la mesure d’écoulements multiphasiques et d’autre part du contrôle de santé de structure ou SHM (de l’anglaisStructural Health Monitoring) visant à détecter et à caractériser, de manière planifiée ou de manière périodique, des dommages (i.e. anomalies) de structures/infrastructures, ainsi que celui du contrôle non destructif (CND) par mesure sur demande.

Selon un premier complément facultatif concernant le dispositif électronique 16 de génération et d’acquisition de signal, ladite composante d’excitation électrique est une composante dont la tension est inférieure à un premier seuil de tension prédéterminé, et ladite composante d’excitation acoustique est une composante dont la tension est supérieure à un deuxième seuil de tension prédéterminé, ledit deuxième seuil de tension étant supérieur ou égal audit premier seuil de tension.

Selon une variante de ce complément, ledit premier seuil de tension, associé à la composante d’excitation électrique, est sensiblement égal à un volt tandis que ledit deuxième seuil de tension, associé à la composante d’excitation acoustique est sensiblement égal à cent volts.

En complément facultatif, ladite composante d’excitation électrique correspond à une composante monochromatique, et dans ladite composante d’excitation acoustique est une composante large bande (i.e. ressemblant sensiblement à un paquet d’ondes), correspondant par exemple à un signal large bande comprenantncycles de sinusoïde fenêtrés par une fenêtre de Hann tel que décrit par la suite, ou encore par d’autres types de fenêtres tel qu’une fenêtre de Blackman-Harris, une fenêtre rectangulaire, une fenêtre triangulaire, etc., ou à un signal en créneau ou en rafale (de l’anglaisburst).

Autrement dit, par « large bande », on entend que la largeur de bande de ladite composante d’excitation acoustique correspond à la bande spectrale du paquet d’ondes choisi pour la composante acoustique. Etant donné que le nombre de cycles du paquet émis est en général faible, la bande spectrale est par conséquent large.

En complément facultatif, ladite composante d’excitation électrique est une composante dont la fréquence est inférieure à un premier seuil de fréquence prédéterminé, et dans lequel ladite composante d’excitation acoustique est une composante dont la fréquence est supérieure à un deuxième seuil de fréquence prédéterminé, ledit deuxième seuil de fréquence étant supérieur ou égal audit premier seuil de fréquence.

Selon ce complément facultatif, on qualifie la composante d’excitation électrique dont la fréquence est inférieure au premier seuil de fréquence prédéterminé comme une composante basse fréquence (BF), tandis que ladite composante d’excitation acoustique dont la fréquence est supérieure à un deuxième seuil de fréquence prédéterminé est qualifiée de composante haute fréquence (HF).

En particulier, pour une imagerie d’écoulement multiphasique, ledit premier seuil de fréquence est sensiblement égal à 100 kHz tandis que ledit deuxième seuil de fréquence est par exemple sensiblement égal à 150kHz, voire à 300 kHz. Selon un autre exemple pour cette application d’imagerie d’écoulement multiphasique, ledit premier seuil est égal audit deuxième seuil et sont sensiblement égaux à 100kHz, la composante d’excitation électrique présentant une fréquence strictement inférieure à ce seuil commun, et la composante d’excitation acoustique présentant une fréquence strictement supérieure à ce seuil de fréquence commun.

En revanche, pour une imagerie de corrosion/érosion de structure, ledit deuxième seuil de fréquence est par exemple supérieur à 20kHz, ou encore compris entre 50 kHz et 200 kHz, tandis que ledit premier seuil est par exemple sensiblement égal à 10kHz.

Selon un autre exemple pour cette application d’imagerie de corrosion/érosion de structure, ledit premier seuil est égal audit deuxième seuil et sont sensiblement égaux à 15kHz, la composante d’excitation électrique présentant une fréquence strictement inférieure à ce seuil commun, et la composante d’excitation acoustique présentant une fréquence strictement supérieure à ce seuil de fréquence commun.

Le choix desdits premier et deuxième seuils de tension et/ou desdits premier et deuxième seuils de fréquence précités permet d’obtenir une émission et une réception des ondes à des tensions et des fréquences intelligemment choisies pour permettre la mesure simultanée.

En complément facultatif, ledit module G de génération comprend un mixeur ayant pour entrées ladite composante d’excitation acoustique et ladite composante d’excitation électrique et pour sortie ledit signal bi-composantes, ledit mixeur correspondant, par exemple à un additionneur.

En complément facultatif, ledit module G de génération comprend en outre un ensemble d’interrupteurs électroniques configurés pour multiplexer en division temporelle les composantes d’excitation acoustique et/ou les composantes d’excitation électrique d’une pluralité de signaux bi-composantes, chaque signal bi-composantes de ladite pluralité étant associé à un capteur émetteur distinct.

Un tel multiplexage en division temporelle, utilisant des interrupteurs électroniques, permet de distribuer les signaux temporellement sur le jeu d’éléments d’excitation et de mesure dédiés à la mesure tomographique par impédance électrique du réseau 12 et sur le jeu d’éléments d’excitation et de mesure dédiés à la mesure tomographique acoustique.

En complément facultatif, ledit module G de génération comprend en outre un outil de multiplexage fréquentiel configuré pour multiplexer en division fréquentielle les composantes d’excitation acoustique et/ou les composantes d’excitation électrique d’une pluralité de signaux bi-composantes, chaque signal bi-composantes de ladite pluralité étant associé à un capteur émetteur distinct.

Par exemple, selon ce complément facultatif, un tel multiplexage en division fréquentielle est obtenu en appliquant la technique « ONE-SHOT » (de l’anglaisONe Excitation for Simultaneous High-speed Operation Tomography) décrite par M. Darnajou et al. dans l’article intitulé «High Speed EIT With Multifrequency Excitation Using FPGA and Response Analysis Using FDM» de 2020, ou encore la technique « COLTRANE » (de l’anglais Continuous Overlapping operations with Linear Trigonometric Response ANalysis for EIT) décrite dans le document WO 2022 200558 A1 ou encore dans la thèse de M. Darnajou, intitulée « A Novel approach to High-Speed Electrical Impedance Tomography with Frequency Division Multiplexing » d’octobre 2020. Un tel multiplexage en division fréquentielles permet notamment d’ajouter de la simultanéité dans les deux techniques de tomographie acoustique et par impédance électrique.

Un tel multiplexage optionnel en division fréquentielles, est selon le besoin, propre à être combiné au multiplexage en division temporelle optionnel précité.

En complément facultatif, ledit module d’acquisition A comprend de manière analogique :

- un ensemble prédéterminé de filtres passe-bande, ledit ensemble de filtres passe-bande étant configuré pour discriminer, au sein du signal représentatif du signal reçu par chaque capteur récepteur de chaque couple, la composante reçue dédiée à la tomographie acoustique de la composante reçue dédiée à la tomographie par impédance électrique, ou

- un filtre passe-haut pour récupérer la composante reçue dédiée à la tomographie acoustique, et un filtre passe-bas pour récupérer la composante reçue dédiée à la tomographie par impédance électrique.

Par exemple, deux filtres passe-bande sont utilisés pour filtrer respectivement d’une part la bande basse-fréquence BF associée à la composante reçue dédiée à la tomographie par impédance électrique, et la bande haute-fréquence HF associée à la composante reçue dédiée à la tomographie acoustique.

L’ensemble prédéterminé de filtres passe-bande présente l’intérêt, par rapport à la combinaison précitée d’un filtre passe-haut dédié à la tomographie acoustique et d’un filtre passe-bas dédié à la tomographie par impédance électrique, de filtrer à minima tout le bruit hors bande fréquentielle d’intérêt en réglant les fréquences de coupure au plus proche des fréquences de travail propres à chaque application, par exemple en utilisant un premier filtre passe-bande de bande correspondant à l’intervalle fréquentiel de 90 à 210 kHz pour filtrer une composante acoustique à 150 kHz et en utilisant un deuxième filtre passe-bande de bande correspondant à l’intervalle fréquentiel de 5 à 15 kHz pour filtrer une composante électrique à 10 kHz.

A titre d’alternative à ce complément analogique, ou en complément numérique de ce complément analogique, le module d’acquisition est propre à appliquer un ensemble prédéterminé de transformées de Fourier, ledit ensemble de transformées de Fourier étant configuré pour discriminer, au sein du signal représentatif du signal reçu par chaque capteur récepteur de chaque couple, la composante reçue dédiée à la tomographie acoustique de la composante reçue dédiée à la tomographie par impédance électrique.

Plus précisément, les transformées de Fourier rapides sont définies de telle sorte que la fréquence de leur itération soit un diviseur entier des fréquences des signaux électriques analogiques générés, sous la limite de Nyquist.

Au vu de ce qui précède, le dispositif électronique 16 de génération et d’acquisition de signal selon la présente invention est donc configuré pour fournir une simultanéité en temps du traitement des signaux émis et mesurés.

Afin d’assurer la simultanéité en temps, il est important que l’émission et la mesure soit simultanées et pour ce faire, selon la présente invention, à l’émission pour exciter chaque capteur émetteur C_E,de manière distincte ou non, d’un couple de capteurs 14 à un autre, un seul signal est avantageusement émis. Autrement dit, si l’on considère N+1 couples de capteurs distincts d’un couple à l’autre par un des capteurs émetteur ou récepteur composant chaque couple, le signal bi-composantes est émis avec le capteur émetteur CE₀du premier couple d’indice 0, et on mesure préférentiellement en simultané (ou couple après couple ce qui requiert plus de temps) avec tous les N+1 capteurs récepteurs CR, puis on émet le signal bi-composantes avec le capteur émetteur CE₁du deuxième couple d’indice 1, et on mesure préférentiellement en simultané (ou couple après couple ce qui requiert plus de temps) avec tous les N+1 capteurs récepteurs CR, et ce de manière réitérée, jusqu’au capteur émetteur CE_Ndu dernier couple d’indice N et donc jusqu’à avoir la mesure pour l’ensemble des N+1 couples de capteurs.

Tel que re-détaillé par la suite en relation avec la , le signal acousto-électrique, généré par le dispositif électronique 16 de génération et d’acquisition de signal selon la présente invention, correspond par exemple à la sommation de la composante de signal nécessaire pour réaliser de la tomographie d’impédance électrique et de la composante de signal nécessaire à la réalisation de la tomographie acoustique.

En effet, comme indiqué précédemment, pour la tomographie d’impédance électrique, la composante de signal du signal bi-composantes est un signal, par exemple monochromatique, de basse tension et assez basse fréquence, typiquement de tension inférieure à un volt et de fréquence inférieure à 100 kHz, alors que la pour la tomographie acoustique, la composante de signal du signal bi-composantes est large bande, par exemple un signal type créneau ou en rafale (de l’anglaisburst), ou selon un autre exemple, un signal large bande comprenantncycles de sinusoïde fenêtrés par une fenêtre de Hann, haute tension et haute fréquence, typiquement de tension supérieure à cent volts et de fréquence supérieure à 300 kHz, une telle fréquence correspondant à un longueur d’onde λ inférieure à 5mm dans de l’eau permettant d’imager des petites bulles.

Les composantes de signal du signal bi-composantes d’émission acousto-électrique sont ainsi la somme de deux bandes passantes distinctes pour les excitations électriques et acoustiques.

Un tel type de signal bi-composantes adapté au couplage de la tomographie par impédance électrique et de la tomographie acoustique conditionne par ailleurs, dès son émission, l’acquisition simultanée du signal représentatif du signal reçu par chaque capteur récepteur couplé à un capteur émetteur du réseau 12 ayant émis un tel signal.

Autrement dit, l’acquisition des signaux de mesures pour les couples 14₀à 14_Nde capteurs émetteurs/récepteurs pour toute la distribution de capteurs du réseau 12 est également simultanée pour assurer à nouveau la simultanéité en temps permettant de coupler de manière efficace la tomographie acoustique et la tomographie par impédance électrique.

En effet, le signal bi-composantes, généré spécifiquement par le dispositif électronique de génération et d’acquisition 16, ne pose pas de problème d’interférences entre la mesure électrique et la mesure acoustique pour les raisons suivantes, à savoir que d’une part le fait d’émettre la composante d’excitation électrique avec une faible tension génèrera une onde mécanique dans le milieu de très faible amplitude qui s’atténuera donc très rapidement au cour de la propagation. Cette onde acoustique, associée à la composante d’excitation électrique, ne sera donc pas mesurée au niveau des récepteurs et cela ne polluera donc pas la mesure acoustique. Seul l’onde haute fréquence et haute intensité sera mesurée. En ce qui concerne la mesure électrique, elle n’est pas polluée non plus par l’émission haute énergie et haute fréquence de la composante d’excitation acoustique car un simple filtrage des hautes fréquences permet de récupérer seulement les composantes monochromatiques nécessaires pour faire de la tomographie d’impédance électrique.

La discrimination des signaux acoustiques et électriques est donc réalisée, comme indiqué précédemment, soit via des filtres passe-bandes en électronique analogique, soit par des transformées de Fourier en électronique numérique.

Selon le mode de réalisation de la , un dispositif électronique de génération et d’acquisition 16 est utilisé pour générer et acquérir les N+1 signaux émis vers/reçu du réseau 12.

Selon un autre mode de réalisation, un dispositif électronique de génération et d’acquisition 16 est utilisé par couple de capteur émetteur C_Eet récepteur C_R, voire par capteur. Autrement dit, il y a autant de dispositif(s) électronique(s) de génération et d’acquisition 16 que de couple(s) de capteurs voire de capteur(s) en tant que tel.

En relation avec les figures 2 à 5, un capteur de tomographie acousto-électrique est représenté selon différentes variantes.

Comme on le verra par la suite, et tel qu’indiqué précédemment, pour l’ensemble des variantes illustrées par les figures 2 à 5, le capteur de tomographie acousto-électrique d’imagerie de corrosion/érosion de structure et/ou d’imagerie d’écoulement multiphasique, comprend avantageusement deux d’éléments d’excitation et de mesure distincts, colocalisés au sein dudit capteur, dédiés respectivement à la mesure tomographique par impédance électrique et à la mesure tomographique acoustique, et propres à être excités simultanément via deux composantes distinctes d’un signal bi-composantes, et avantageusement du signal bi-composantes précité généré par le dispositif électronique de génération et d’acquisition 16, l’élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique par impédance électrique étant propre à être excité par une composante d’excitation électrique dudit signal bi-composantes, et l’élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique acoustique étant propre à être excité au moins par une composante d’excitation acoustique dudit signal bi-composantes.

Comme on le verra par la suite, et tel qu’indiqué précédemment, pour l’ensemble des variantes illustrées par les figures 2 à 5, le capteur de tomographie acousto-électrique d’imagerie de corrosion/érosion de structure et/ou d’imagerie d’écoulement multiphasique, comprend avantageusement deux d’éléments d’excitation et de mesure distincts, colocalisés au sein dudit capteur, dédiés respectivement à la mesure tomographique par impédance électrique et à la mesure tomographique acoustique, et propres à être excités simultanément via deux composantes distinctes d’un signal bi-composantes, et avantageusement du signal bi-composantes précité généré par le dispositif électronique de génération et d’acquisition 16, l’élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique par impédance électrique étant propre à être excité par une composante d’excitation électrique dudit signal bi-composantes, et l’élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique acoustique étant propre à être excité au moins par une composante d’excitation acoustique dudit signal bi-composantes.

En complément facultatif, ledit capteur est propre à fonctionner selon trois modes de fonctionnement distincts comprenant, un mode émission (il est alors capteur émetteur C_E), un mode réception (il est alors capteur récepteur C_R), et un dernier mode émission et réception simultané, ce dernier mode permettant de perturber le fonctionnement des capteurs voisins ainsi que de surveiller le système afin de déduire les informations permettant de générer un résultat.

Autrement dit, selon la présente invention, exactement les mêmes capteurs sont utilisés à l’émission, comme à la réception, pour les deux techniques de tomographie, à savoir la tomographie par impédance électrique et la tomographie acoustique. En d’autres termes, à l’émission il n’est pas nécessaire d’utiliser deux capteurs distincts pour chacune de ces techniques de tomographie, et de même à la réception il n’est pas nécessaire d’utiliser deux capteurs distincts pour chacune de ces techniques de tomographie.

Ainsi, afin d’assurer la simultanéité en espace, comme indiqué précédemment, ce sont les mêmes capteurs qui font les acquisitions pour les deux méthodes d’imagerie, à savoir la tomographie par impédance électrique et la tomographie acoustique.

En complément facultatif, ledit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique par impédance électrique est une électrode résistive, et dans lequel ledit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique acoustique correspond à un transducteur piézoélectrique.

En émission, le transducteur piézoélectrique, notamment de type PZT (à base de Plomb, Zirconium et Titane ou Titano-Zirconate de Plomb), transforme un signal de tension en déformation mécanique générant une onde dans la structure, tandis que l’électrode résistive transmet une onde électrique directement dans la structure.

En réception, le transducteur piézoélectrique, notamment de type PZT, transforme une déformation mécanique de la structure en signal de tension qui remonte jusqu’à la carte d’acquisition, tandis que l’électrode résistive mesure un courant électrique présent dans la structure.

La présente invention propose donc que les capteurs à transducteurs piézoélectriques comprennent en complément au moins une électrode résistive dédiée à la tomographie par impédance électrique.

Selon un aspect optionnel, un tel capteur à transducteur piézoélectrique, comprenant en complément au moins une électrode résistive dédiée à la tomographie par impédance électrique, est propre à fonctionner en mode émission pour au moins un couple de capteurs donné, et en mode réception pour au moins un autre couple (distinct du ou des couples pour lequel il est émetteur), et dans ce cas un tel capteur est propre à recourir à un signal dédié pour éviter qu’une tension d’émission élevée (de l’ordre de 100V) ne remonte sur la voie d’acquisition, les tensions de mesures étant faibles (plutôt entre le millivolt et le volt aux bornes du capteur à transducteur piézoélectrique, notamment de type PZT).

Autrement dit, on ne veut pas que la tension d’émission remonte sur les voix d’acquisition pour ne pas détériorer les composants électroniques de mesure qui sont dimensionnés pour recevoir des faibles tensions. On doit donc, quand les capteurs à transducteur piézoélectrique, notamment de type PZT sont physiquement utilisés en tant qu’émetteur et récepteur, ouvrir, via ledit signal dédié, un interrupteur (non représenté) sur la voix d’acquisition (côté réception) correspondant à la voix d’émission, pour éviter justement que la haute tension ne remonte sur la voix d’acquisition. Par exemple, cela peut être géré par un relai (multitude d’interrupteurs commandés par ledit signal dédié), ledit signal dédié étant alors un signal de commande des interrupteurs.

Une solution alternative possible est d’utiliser un capteur pour l’émission et un autre pour la réception, ce qui permet de séparer le circuit d’émission de celui de la réception au prix d’une augmentation du nombre de capteurs et de complexité associée à une intrusion accrue dans la structure.

La représente un premier mode de réalisation du capteur de tomographie acousto-électrique du type précité, spécifiquement pour une application à l’imagerie d’un écoulement diphasique eau/air dans le domaine du nucléaire avec instrumentation intelligente d’une bride.

La représente un ensemble de mesure 20, selon une première variante, composé de plusieurs capteurs à double systèmes d’excitation : acoustique et électrique.

Plus précisément, selon la variante de la , le capteur de tomographie acousto-électrique comprend de manière schématique un étage numérique 22 et un étage analogique 24 de traitement de signal.

L’étage numérique 22 comprend une partie émission 26 propre à recevoir, ou le cas échéant générer numériquement, ledit signal bi-composantes précité et à le transformer via un convertisseur numérique analogique en signal analogique d’excitation bi-composantes desdits deux éléments d’excitation et de mesure du capteur décrits ci-après.

Autrement dit, selon une première variante cette partie numérique d’émission 26 est un cœur digital propre à communiquer avec le reste du système 10 de la notamment avec le dispositif électronique de génération et d’acquisition 16 précité.

Selon une deuxième variante, cette partie numérique d’émission 26 est propre à générer elle-même ledit signal bi-composantes. Autrement dit, selon cette deuxième variante, les capteurs acousto-électriques du réseau 12 embarquent eux-mêmes une électronique comprenant une partie numérique et une partie analogique propres à fournir de manière intrinsèque ladite simultanéité en temps, à savoir pour la tomographie par impédance électrique et pour la tomographie acoustique.

Selon cette deuxième variante à partir de formules mathématiques ou d’une séquence prédéterminée un signal bi-composantes du type précité (en relation avec le dispositif de génération et d’acquisition 16) est alors généré via deux générateurs numériques de composantes numériques distincts 28 et 30. La première composante, générée par le générateur de signal numérique haute fréquence HF 28, est une composante numérique HF, typiquement de fréquence supérieure à environ 100 kHz pour une application à l’imagerie d’écoulement multiphasique, et supérieure à 15 kHz pour l’imagerie de corrosion/érosion, pour le pilotage du transducteur piézoélectrique (appelé par abus de langage « électrode acoustique ») , et la deuxième composante, générée par le générateur de signal numérique basse fréquence BF 30, est une composante numérique BF, typiquement de fréquence inférieure à 100 kHz, dédiée au pilotage des électrodes résistives.

Comme les deux éléments d’excitation et de mesure (décrits par la suite) sont utilisés en même temps, et pour éviter la duplication du système numérique, un pour le transducteur piézoélectrique et l’autre pour l’électrode résistive, les sorties des deux générateurs numériques 28 et 30 sont mutualisées numériquement via un mixeur de signaux délivrant un signal de sortie tel que Vsortie = Vbf + Vhf.

Un tel mixeur, permettant de mutualiser les sorties des deux générateurs numériques 28 et 30, correspond par exemple à un simple additionneur numérique de signaux, tel que représenté sur la .

Lorsque tel que représenté sur la , les sorties des deux générateurs numériques 28 et 30 sont générées et additionnées numériquement, elles alimentent la sortie de l’étage numérique 22 moyennant un convertisseur numérique analogique adapté aux performances souhaitées.

En fonction des spécifications des éléments d’excitation et de mesure utilisées, le signal généré numériquement en sortie de l’étage numérique 22 est propre à être utilisé pour piloter des étages analogiques (i.e. conditionneur de signal) tel qu’illustré par la , ou, tel qu’illustré par la pour piloter les éléments d’excitation et de mesure en direct.

Il est à noter que l’étage numérique 22 comprend également une partie réception 32 propre à numériser (i.e. digitaliser) un signal de retour analogique desdits deux éléments d’excitation et de mesure via un convertisseur analogique numérique 34 à très hautes performances dont la fréquence d’échantillonnage est au moins deux fois plus élevée que celle du signal de retour analogique desdits deux éléments d’excitation et de mesures, et à le discriminer dans l’espace de Fourier via un outil 36 de discrimination utilisant au moins une transformée de Fourier notamment rapide FFT (de l’anglaisFast Fourier Transform). Plus précisément, un tel convertisseur analogique numérique à très hautes performances est propre à être intégré au processeur ou à un composant extérieur. Son but est de présenter une fréquence d’échantillonnage très élevée : au moins deux fois plus importante que la fréquence du signal le plus élevé selon Nyquist, ainsi qu’une bonne précision permettant une parfaite exécution des algorithmes. Le signal digitalisé, composé de plusieurs composantes fréquentielles, sera traité numériquement afin d’alimenter les traitements effectués par le dispositif électronique de génération et d’acquisition de signal 16 et/ou par le dispositif 18 d’imagerie tomographique, par les informations nécessaires.

Selon un exemple, l’étage numérique 22 est propre à être mutualisé pour un ensemble de capteurs. Par exemple, pour seize capteurs, un même étage numérique 22 est utilisé pour fournir à l’émission une matrice de 16 x 16 signaux = 256 signaux bi-composantes (correspondant aux 256 couples de capteurs). Pour la partie émission d’un tel étage numérique 22, un multiplexeur permet de choisir sur quelle(s) voix d’émission le signal est émis. En réception, tous les capteurs sont propres à mesurer simultanément afin de gagner du temps.

Comme indiqué précédemment, la voix correspondant à l’émission acoustique peut être coupée côté réception (i.e. via un interrupteur ouvert commandé par un signal dédié) pour éviter qu’une haute tension (100V par exemple) ne remonte sur la carte d’acquisition qui n’est pas forcément capable de recevoir de si hautes tensions.

Selon un exemple, il y a un étage analogique 24 par capteur.

L’étage analogique 24 comprend quant à lui une partie émission 38.

Selon l’exemple de la , les signaux d’excitations des deux éléments d’excitation et de mesure arrivent par le même canal correspondant à la sortie de l’étage numérique 22.

Au sein de la partie émission 38 de l’étage analogique 24, la composante analogique HF est séparée optionnellement de la composante analogique BF via un filtre passe-haut 40 optionnel avec une fréquence de coupure relativement éloignée des fréquences utilisées pour générer la composante électrique (partie BF) du signal bi-composantes précité. Cette composante analogique HF obtenue en sortie du filtre passe-haut 40 optionnel est utilisée pour exciter le transducteur piézoélectrique, et est propre à présenter une très haute impédance et des tensions d’excitation avec des niveaux relativement élevés (e.g. de l’ordre de plusieurs dizaines de volts), d’où le besoin, dans ce cas, d’un amplificateur de tension 42 avant d’exciter le transducteur piézoélectrique décrit par la suite.

Au sein de la partie émission 38 de l’étage analogique 24, la composante analogique BF est quant à elle séparée de la composante analogique HF via un filtre passe-bas 44 afin d’être utilisée pour exciter l’électrode résistive décrite par la suite. Cette composante analogique BF obtenue en sortie du filtre passe-bas 44 est propre à présenter une très faible impédance, d’où le besoin d’utiliser un amplificateur de courant 46. Certains systèmes ont des impédances proches de zéro (quelques mOhm) et imposent l’utilisation d’un amplificateur de courant supérieur à 100 ampères pour pouvoir générer des signaux d’excitation de quelques centaines de mVolt. Ce type d’amplificateur 46 peut être un simple étage d’amplificateur opérationnel A, B ou AB ou un système de pont H (i.e. amplificateur de classe D). Le courant résultant est mesuré en sortie de l’amplificateur 46 en tension via un shunt 48 (en anglaiscurrent sensor) introduit en série dans le circuit d’excitation.

Autrement dit, la partie émission 38 de l’étage analogique 24 comprend selon le mode de réalisation de la un filtre passe bas 44 et un filtre passe-haut 40 optionnel configurés pour séparer, au sein dudit signal analogique d’excitation bi-composantes fourni par la partie émission 26 de l’étage numérique 22, la composante d’excitation électrique de la composante d’excitation acoustique.

Les deux excitations délivrées respectivement en sortie de l’amplificateur de tension 42 optionnel, et après passage à travers le shunt 48 sont fournies à un dispositif d’émission et de mesure des ondes électriques et acoustiques 50 en tant que tel, par exemple pour l’imagerie d’un tuyau d’écoulement 52, par exemple un tube en métal.

Sur les figures 2 à 5, un couple de capteurs est représenté, chaque capteur comprenant un transducteur piézoélectrique 54 et une électrode résistive 56. A des fins de simplicité, seul un des capteurs du couple est excité, mais il est évident que les deux capteurs sont propres à être excités de manière similaire notamment lorsqu’ils fonctionnent en mode émission ou en mode émission et réception.

Selon une variante non représentée, ledit signal bi-composantes en sortie de l’étage numérique 22 est directement fourni en tant que tel au transducteur piézoélectrique 54, ce qui permet de s’affranchir du filtre passe-haut 40 optionnel et de l’amplificateur de tension 42. Autrement dit, cette variante permet de simplifier l’électronique, puisque le filtre passe-haut 40 optionnel et l’amplificateur de tension 42 ne sont pas nécessaires, et limite en conséquence le coût du système tout en pouvant se coupler à tous les types de réceptions. En effet, comme indiqué précédemment, cela ne pose pas de problème d’envoyer tout le signal bi-composantes (i.e. les deux composantes à la fois) sur le transducteur piézoélectrique 54 PZT du capteur car la composante électrique faible tension et basse fréquence du signal bi-composantes va s’atténuer tout au long de la propagation et ne sera ainsi pas mesurée par le récepteur, ce qui ne perturbera donc pas la mesure.

De plus, il est à noter que pour l’ensemble des variantes illustrées par les figures 2 à 5, la partie émission 38 de l’étage analogique 24 est au moins propre à adapter l’impédance et/ou l’amplitude dudit signal analogique d’excitation bi-composantes fourni par la partie émission 26 de l’étage numérique 22, respectivement au moyen d’un amplificateur de courant 46 et/ou d’un amplificateur de tension 42 optionnel.

En effet, la partie émission 26 de l’étage numérique 22 génère des signaux avec une impédance relativement élevée et avec des tensions de faibles amplitudes. Dans le cas où l’impédance n’est pas adaptée, un amplificateur de courant est donc nécessaire. Dans le cas où l’amplitude n’est pas adaptée, un amplificateur de tension est également nécessaire.

Les signaux d’émission conditionnés par les amplificateurs 42 et 46 alimentent directement et respectivement les éléments d’excitation et de mesure 54 et 56.

L’étage analogique 24 comprend également une partie réception 58 propre à former un signal de retour analogique desdits deux éléments d’excitation et de mesure et comprenant au moins l’outil de mesure de courant 48 utilisé pour mesurer le courant du signal électrique délivré par l’électrode résistive 56 dédiée à la mesure tomographique par impédance électrique, et un outil 60 de pré-amplification configuré pour adapter l’impédance et amplifier l’amplitude du signal délivré par le transducteur piézoélectrique 54 dédié à la mesure tomographique acoustique.

En complément facultatif, tel qu’illustré par le mode de réalisation de la , la partie réception 58 de l’étage analogique 24 comprend en outre un outil 62 d’amplification à gain variable dont l’entrée est connectée à la sortie de l’outil 60 de pré-amplification.

En complément facultatif, la partie réception 58 de l’étage analogique 24 comprend en outre un mixeur du signal délivré par l’outil 48 de mesure de courant et du signal délivré par l’outil 60 de pré-amplification ou respectivement par l’outil 62 d’amplification à gain variable.

Autrement dit, la partie réception 58 de l’étage analogique 24 est telle que pour l’électrode résistive 56, le retour se fait en mesurant le courant via le shunt 48. Le courant de chaque électrode résistive est mesuré. Au sein du shunt 48, le signal généré par une résistance mise en série ou un transformateur de courant est conditionné par un amplificateur afin de l’adapter à la plage de mesure numérique. Autrement dit, le potentiel est généré sur le circuit shunt 48 /électrode (i.e. le courant est mesuré sur le shunt 48).

Le transducteur piézoélectrique 54 en mode réception génère un signal de tension de faible amplitude. L’étage (i.e. l’outil) 60 de pré-amplification est utilisé pour adapter l’impédance et amplifier l’amplitude du signal. Un deuxième étage 62 d’amplification à gain variable (PGA) est optionnellement utilisé pour éviter la saturation du signal reçu.

Ainsi, la présente invention propose également une solution de conception de capteurs comprenant une électronique analogique et numérique permettant de générer des signaux simultanés pour alimenter les éléments d’excitation et de mesure dédiés respectivement à la tomographie par impédance électrique et à la tomographie acoustique, et une électronique analogique et numérique permettant de recevoir des signaux simultanés provenant de ces éléments d’excitation et de mesure dédiés respectivement à la tomographie par impédance électrique et à la tomographie acoustique, et de reconstruire des matrices de données distinctes pour la tomographie électrique et acoustique.

A titre d’alternative illustrée par la , le capteur de tomographie acousto-électrique présente une architecture 64 différente de l’architecture 20 de la , cette architecture 20 de la étant, pour résumer, basée sur la génération numérique des composantes numériques HF et BF, additionnées numériquement et fournie au sein d’une seule voie de sortie de l’étage numérique 22 à l’étage analogique 24, puis filtrées analogiquement pour aller ensuite exciter séparément respectivement le transducteur piézoélectrique et les électrodes résistives.

Selon l’architecture 64 de la , les composantes numériques HF et BF sont toujours générées numériquement, par les générateurs de signaux numériques 28 et 30, mais fournies simultanément (notamment via un déclencheur, non représenté, de l’anglais trigger) sur deux voies de sortie distinctes de l’étage numérique 22 à l’étage analogique 24, propres à directement respectivement alimenter l’amplificateur de tension 42 dédié à la composante HF et l’amplificateur de courant 46 dédié à la composante BF.

L’architecture 64 de la permet au prix de deux voies de sortie distinctes de l’étage numérique 22 à l’étage analogique 24, au lieu d’une voie de sortie selon l’architecture 20 de la , de supprimer l’additionneur numérique et les deux filtres analogiques 40 et 44 utilisés selon la variante 20 de la pour séparer en analogique les deux composantes HF/BF.

L’architecture 64 de la est par exemple mise en œuvre dans le cas où l’excitation du transducteur piézoélectrique 54 se fait à une amplitude fixe, si bien qu’un signal numérique, par exemple un signal carré de fréquence adaptée et prédéterminée, en sortie de l’étage numérique 22 est propre à directement alimenter l’amplificateur de tension 42 dédié à la composante HF permettant de supprimer les deux filtres analogiques 40 et 44 utilisés selon la variante de la pour séparer en analogique les deux composantes HF/BF.

Une autre variante du mode de réalisation de la , illustrée par la , est mise en œuvre dans le cas où des chaines analogiques numériques supplémentaires sont à disposition, si bien que la partie réception de l’étage analogique peut être simplifiée en supprimant l’additionneur « + » de la permettant de mixer les signaux.

La présente encore une autre variante 68 où, bien que les chaines de génération et d’acquisition de signaux fonctionnent de manière simultanées, comme sur la , il n’est pas exclu d’opérer la tomographie acoustique et électrique de manière indépendante avec des éléments d’excitation et de mesure 56 et 54 adjacents voire même sur des domaines de mesures différents.

La présente trois agencements différents des deux éléments d’excitation et de mesure constitutifs du capteur de tomographie acousto-électrique proposé selon la présente invention.

Selon un premier agencement représenté sur une surface 70 de la et tel qu’également illustré par les à 4, ladite électrode résistive 72 dédiée à la mesure tomographique par impédance électrique et ledit transducteur piézoélectrique 76 dédié à la mesure tomographique acoustique sont superposés et forment un empilement en étant séparés l’un de l’autre au sein dudit empilement par une couche 74 isolante électrique. Par rapport à la structure et/ou à l’écoulement à imager par mesure tomographique, représentés par la surface 70, au sein dudit empilement, l’électrode résistive 72 dédiée à la mesure tomographique par impédance électrique étant l’élément d’excitation et de mesure proximal, et ledit transducteur piézoélectrique76 dédié à la mesure tomographique acoustique étant l’élément d’excitation et de mesure distal.

En effet, le signal acoustique émis suite à excitation dudit transducteur piézoélectrique76 est apte à traverser l’électrode résistive 72, mais pas l’inverse du fait de la couche isolante 74 qui ne disperse pas les ondes acoustiques.

Selon un deuxième agencement représenté sur une surface 78, et tel qu’également illustré par la , les deux éléments d’excitation et de mesure 80 et 82, respectivement acoustique et électrique, sont disposés de sorte à être indépendants l’un de l’autre.

Autrement dit, selon ce deuxième agencement, ladite électrode résistive 82 dédiée à la mesure tomographique par impédance électrique et ledit transducteur piézoélectrique 80 dédié à la mesure tomographique acoustique sont adjacents et séparés au sein dudit capteur.

Selon un troisième agencement représenté sur une surface 84, ledit transducteur piézoélectrique 86 dédié à la mesure tomographique acoustique et ladite électrode résistive 88 dédiée à la mesure tomographique par impédance électrique sont agencés de manière concentrique, ladite électrode dédiée à la mesure tomographique par impédance électrique 88 entourant ledit transducteur piézoélectrique dédié à la mesure tomographique acoustique 86.

Selon un aspect particulier et optionnel, spécifiquement pour une application à l’imagerie d’un écoulement diphasique eau/air dans le domaine du nucléaire, la présente invention porte également sur une bride intelligente pour la mesure tomographique acousto-électrique d’un tel écoulement diphasique d’un conduit d’installation, la bride comprenant au moins un couple de capteurs acousto-électrique du type précité à savoir comprenant deux éléments d’excitation et de mesure distincts, colocalisés au sein dudit capteur, dédiés respectivement à la mesure tomographique par impédance électrique et à la mesure tomographique acoustique, et propres à être excités simultanément via deux composantes distinctes d’un signal bi-composantes, l’électrode dédiée à la mesure tomographique par impédance électrique étant propre à être excitée par une composante d’excitation électrique dudit signal bi-composantes, et l’électrode dédiée à la mesure tomographique acoustique étant propre à être excitée par une composante d’excitation acoustique dudit signal bi-composantes, lesdits capteurs étant placés au contact dudit écoulement, l’écoulement étant diphasique (eau/air par exemple).

Une telle bride intelligente avec capteurs intégrés au contact de l’écoulement est principalement adaptée pour les structures métalliques car sinon la tomographie d’impédance électrique ne peut fonctionner ces structures étant conductrices.

Une telle bride intelligente avec capteurs intégrés est également adaptée pour l’imagerie de paroi de tube pour suivre des défauts de corrosion/érosion dans le cadre du contrôle de santé de structure ou SHM (de l’anglaisStructural Health Monitoring) car aujourd’hui cette application demande une électronique de puissance pour la partie tomographie d’impédance électrique.

A titre d’alternative à la bride intelligente précitée, selon un agencement particulier, les capteurs du réseau 12 sont propres à être positionnés sous la forme d’au moins un collier autour de la structure.

Par ailleurs, la présente invention porte également sur un procédé, non représenté, de mesure tomographique acousto-électrique d’un corps, tel que par exemple le tube métallique 52 des figures 2 à 5, comportant une partie cylindrique contenant un fluide, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :

- disposition d’un réseau de capteurs de tomographie acousto-électrique comprenant au moins un couple de capteurs de tomographie acousto-électrique selon la présente invention, ledit au moins un couple comprenant un capteur en mode émission et un capteur en mode réception ;

- excitation simultanée de chacun des deux éléments d’excitation et de mesure de chaque capteur en mode émission par un signal bi-composantes :

- ledit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique par impédance électrique étant excité par le potentiel , où A_ereprésente l’amplitude de signal d’excitation dudit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique par impédance électrique et f_esa fréquence d’excitation,

- ledit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique acoustique étant excité par exemple par le signal correspondant à n cycles de sinusoïde fenêtré par une fenêtre de Hann :

où A_preprésente l’amplitude de signal d’excitation dudit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique acoustique, l’indicepreprésentant le terme piézoélectrique, f_psa fréquence centrale d’excitation et le nombre de cycles de sinusoïde dudit signal ;

- acquisition périodique des données électriques dudit corps obtenues à l’aide des deux éléments d’excitation et de mesure de chaque capteur en mode réception d’un couple d’indicendu réseau de capteurs,

- traitement desdites données électriques comprenant :

- pour chaque élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique par impédance électrique le calcul des points de données M_ndéfinis par :

où R est la valeur de la résistance utilisée pour la mesure de avec = R I_naux bornes de la résistance, P est le nombre de points d’une séquence discrète de mesure du courant I_n, p est le temps discret, k est un coefficient associé à la fréquence f_eet β_p= (2πp/P), et optionnellement en cas d’utilisation du multiplexage en division fréquentielle selon la méthode COLTRANE précitée, les points de données Mn(k) sont relatifs aux signaux multi-fréquentiels de fréquence f_kavec k l’ensemble des coefficients de Fourier des signaux d’excitation multi-fréquentiels ;

- pour chaque élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique acoustique le calcul des points de données M_ndéfinis par : oùlest un coefficient associé à la fréquence f_p.

- constitution de deux matrices de données D_eet D_pà partir desdits points de données et pour tout, n, k et l.

La figure 7 illustre en temporel et en fréquentiel le signal acousto-électrique propre à être généré selon la présente invention tel que . Plus précisément sur la , un exemple d’un tel signal bi-composantes est représenté notamment sur la vue 90 où la composante 92 électrique et la composante acoustique 94 sont représentées séparément, tandis que la vue 96 illustre le signal bi-composantes résultant. En particulier, selon l’exemple de la , la composante acoustique 94 correspond notamment à cinq cycles de sinusoïde fenêtrés par une fenêtre de Hann.

Pour des raisons de praticité dans la représentation de la , la différence en amplitude entre la composante 92 électrique et la composante acoustique 94 est assez faible et il en est de même pour la fréquence de travail (90V à 150 kHz pour la composante acoustique 94 et 20V à 10 kHz pour la composante 92 électrique). En pratique, ce serait plus proche de 100V à 150kHz pour la composante acoustique et 1V à 1 kHz pour composante électrique.

Il est à noter que dans le cas où optionnellement un multiplexage en division fréquentielle est utilisé, le signal bi-composantes devient alors

où θn est la position angulaire de l’électrode d’indice n, δ le delta de Kronecker, O l’ensemble des nombres impairs positifs, E l’ensemble des nombres pairs positifs privé de 0, f_m= m * f₀est une fréquence d’oscillation, f₀est une fréquence fondamentale choisie telle que fm soit inférieure à la fréquence de Nyquist du système pour tout m.

Selon un aspect optionnel, une stratégie d’excitation simultanée pour la tomographie acoustique peut être également envisagée si les signaux sont discriminables à l’étape d’acquisition.

La vue 98 illustre le spectre fréquentiel associé au signal bi-composantes de la vue temporelle 96. Un tel spectre 98 comprend avantageusement deux supports fréquentiels distincts à savoir une première composante fréquentielle 100 électrique et une deuxième composante fréquentielle 102 acoustique. Ces deux supports fréquentiels 100 et 102 sont disjoints, ce qui permet avantageusement de séparer l’information électrique de l’information acoustique une fois les mesures réalisées.

Il est à noter que le paquet d’ondes de cinq cycles de sinusoïdes fenêtrés par une fenêtre de Hann de la composante acoustique 94 représentée temporellement sur la vue 90, correspond sur la vue fréquentielle 98, à une composante fréquentielle 102 acoustique dont la bande spectrale est large comparée à celle de la composante fréquentielle 100 électrique 100 monochromatique, d’où le terme « large bande » associé à la composante d’excitation acoustique.

En complément facultatif, le procédé comprend en outre une étape de génération d’image par reconstruction selon la méthode classique inverse itérative de moindre carré appliquée, spécifiquement selon la présente invention, aux deux matrices de données D_eet D_pou à une combinaison de ces deux matrices.

Un tel procédé de mesure tomographique consiste donc essentiellement à mettre en œuvre un multiplexage en fréquence dans lequel les signaux d’excitation sont imposés simultanément à toutes les éléments d’excitation et de mesure. Pour permettre la discrimination des signaux dans l’espace de Fourier, chaque élément d’excitation et de mesure, électrode résistive et transducteur piézoélectrique, est excité par un signal de forme sinusoïdal.

De plus, un tel procédé permet ainsi de traiter des signaux d’excitation et de mesures simultanées en temps et en espace pour réaliser des images couplées de tomographie acoustique et par impédance électrique. Cela permet de profiter des avantages des deux méthodes en complétant mutuellement leurs points faibles. Ainsi, il est possible de couvrir une gamme d’écoulements multiphasiques plus large dans un contexte de débimétrie ou bien élargir le nombre de configurations traitables pour l’imagerie de corrosion/érosion dans les structures métalliques.

L’invention concerne également un programme d’ordinateur comportant des instructions logicielles qui, lorsqu’elles sont exécutées par un ordinateur, mettent en œuvre un tel procédé de mesure tomographique acousto-électrique d’un corps comportant une partie cylindrique contenant un fluide.

L’homme du métier comprendra que l’invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits, ni aux exemples particuliers de la description, les modes de réalisation et les variantes mentionnés ci-dessus étant propres à être combinés entre eux pour générer de nouveaux modes de réalisation de l’invention.

Ainsi, la présente invention propose différents éléments, à savoir un dispositif électronique de génération et d’acquisition de signal 16, et/ou un réseau 12 de capteurs, et/ou un procédé et un programme d’ordinateur qui indépendamment, ou combinés au sein d’un même système, contribuent chacun à effectuer des mesures simultanées en temps et en espace de tomographie acousto-électrique, la tomographie acoustique et la tomographie par impédance électrique étant complémentaires, leur déploiement simultané selon la présente invention comblant mutuellement les défauts de leur utilisation distincte.

Il est à noter que le dispositif électronique de génération et d’acquisition de signal 16, qui permet d’obtenir une simultanéité en temps, est propre à être combiné avec d’autres capteurs que ceux décrits au sein de la présente invention, dans la mesure où ces capteurs permettent d’obtenir une simultanéité en espace pour les deux techniques de tomographie à savoir la tomographie par impédance électrique et la tomographie acoustique.

De manière réciproque, les capteurs acousto-électriques du réseau 12, dont un mode de réalisation est décrit en relation avec les figures 2 à 6 permettent d’obtenir une simultanéité en espace et sont propres à être combinés avec un autre dispositif électronique de génération et d’acquisition de signal que celui décrit au sein de la présente invention, dans la mesure où ce dispositif électronique de génération et d’acquisition de signal permet d’obtenir une simultanéité en temps à savoir pour la tomographie par impédance électrique et pour la tomographie acoustique. Selon une autre variante décrite au sein de la présente demande, les capteurs acousto-électriques du réseau 12 embarquent eux-mêmes une électronique comprenant une partie numérique et une partie analogique propres à fournir de manière intrinsèque ladite simultanéité en temps.

Avantageusement, selon la présente invention, les mêmes capteurs (C_Ecomme C_R) et la même électronique de traitement de signal pour la partie acoustique et pour la partie électrique (émission et réception) sont utilisés. Les capteurs de tomographie acousto-électrique comprennent à la fois des transducteurs piézoélectriques (PZT) et des électrodes résistives, structure de capteur propre à fournir avantageusement une simultanéité en temps et en espace permettant par la suite de combiner les images et ainsi de profiter des avantages des deux méthodes d’imagerie par tomographie par impédance électrique et par tomographie acoustique dont la complémentarité permet par exemple d’avoir une imagerie fidèle de l’écoulement diphasique quel que soit le taux de vide.

En termes de vitesse de scannage, la tomographie par impédance électrique permet des acquisitions rapides de grandes inclusions qui en tomographie acoustique peuvent au contraire nécessiter un scannage avec des fréquences basses et donc un temps d’acquisition significatif, problème avantageusement supprimé lorsque les deux méthodes sont couplées selon la présente invention.

De plus, la reconstruction des images à partir des données acousto-électriques implique des images parfaitement superposables dans le cadre d’écoulements. La présente invention propose différents éléments 12, 14, 16 et 18 et également un procédé permettant d’obtenir une superposition dans le temps et dans l’espace pour avoir des conditions aux frontières identiques et reconstruire des images superposables de tomographie par impédance électrique d’une part et de tomographie acoustique d’autre part.

En couplant la tomographie d’impédance électrique et la tomographie acoustique, la présente invention permet ainsi de résoudre deux problèmes techniques associés respectivement à l’imagerie d’écoulements multiphasiques, et à l’imagerie de corrosion/érosion (e.g. pertes d’épaisseurs) dans les structures métalliques de faible épaisseur (e.g. plaques et tubes).

En particulier, le couplage efficace de la tomographie d’impédance électrique et de la tomographie acoustique permet d’atteindre : une grande gamme de taux de vide mesurable, à savoir de 10^-5(0,001%) à 10⁰(100%), une uniformité de la sensibilité de la mesure en étant plus sensible à la fois au bord et au centre du domaine de mesure, une haute cadence d’image, nécessaire pour la mesure d’écoulements.

De plus, grâce à ce couplage, le scannage lent basse fréquence de tomographie acoustique pour les grosses inclusions est remplacé par un scannage de tomographie d’impédance électrique très rapide, ce dernier point étant important également pour la reconstruction des images qui considérera les données venant des deux mesures complémentaires.

Un tel couplage est avantageusement applicable à l’imagerie en tuyaux d’écoulement multiphasique des secteurs « Oil & Gas », nucléaire, agricole, agroalimentaire, de la chimie, etc., à l’imagerie de mélanges/séparations, de procédés chimiques des secteurs pharmaceutiques, chimiques, etc., à l’imagerie pour la détection de corps étrangers des secteurs agricole, agroalimentaire, cosmétique, à l’imagerie dans les milieux métalliques, tel que pour des câbles, des tubes, des fours, des conduits, etc., l’imagerie dans les échangeurs thermiques, l’imagerie dans les pompes, l’imagerie dans les moteurs, injecteurs, piles à combustible, l’imagerie de corrosion érosion dans des tuyauteries ou des plaques des secteurs « Oil & Gas », nucléaire, aéronautique, etc.

La solution technique proposée permet d’utiliser les deux techniques acoustique et électrique tout en gardant le même nombre d’entrées et sorties du système d’acquisition grâce à l’utilisation de signaux superposés. Cette solution innovante permet de bénéficier des avantages de mesures acousto-électriques sans pour autant complexifier significativement la chaine d’acquisition par rapport à des mesures distinctes de tomographie acoustique ou de tomographie électrique.

Claims (15)

1. Capteur de tomographie acousto-électrique d’imagerie de corrosion/érosion de structure et/ou d’imagerie d’écoulement multiphasique, caractérisé en ce qu’il comprend deux éléments d’excitation et de mesure (54, 56) distincts, colocalisés au sein dudit capteur, dédiés respectivement à la mesure tomographique par impédance électrique et à la mesure tomographique acoustique, et propres à être excités simultanément via deux composantes distinctes d’un signal bi-composantes, l’élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique par impédance électrique étant propre à être excité par une composante d’excitation électrique dudit signal bi-composantes, et l’élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique acoustique étant propre à être excité au moins par une composante d’excitation acoustique dudit signal bi-composantes.
2. Capteur de tomographie acousto-électrique selon la revendication 1, dans lequel ledit capteur est propre à fonctionner selon trois modes de fonctionnement distincts comprenant :
   - un mode émission ;
   - un mode réception ;
   - un mode émission et réception.
3. Capteur de tomographie acousto-électrique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique par impédance électrique est une électrode résistive, et dans lequel ledit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique acoustique correspond à un transducteur piézoélectrique.
4. Capteur de tomographie acousto-électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique par impédance électrique et ledit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique acoustique sont superposés et forment un empilement en étant séparés l’un de l’autre au sein dudit empilement par une couche isolante électrique, par rapport à la structure et/ou à l’écoulement à imager par mesure tomographique, au sein dudit empilement, ledit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique par impédance électrique étant l’élément d’excitation et de mesure proximal, et l’élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique acoustique étant l’élément d’excitation et de mesure distal.
5. Capteur de tomographie acousto-électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes 1 à 3, dans lequel ledit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique par impédance électrique et ledit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique acoustique sont adjacents et séparés au sein dudit capteur.
6. Capteur de tomographie acousto-électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes 1 à 3, dans lequel ledit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique par impédance électrique et ledit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique acoustique sont agencés de manière concentrique, ledit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique par impédance électrique entourant ledit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique acoustique.
7. Capteur de tomographie acousto-électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant en outre un étage numérique et un étage analogique de traitement de signal,
   l’étage numérique comprenant :
   - une partie émission propre à recevoir ou générer numériquement ledit signal bi-composantes et à le transformer via un convertisseur numérique analogique en signal analogique d’excitation bi-composantes desdits deux éléments d’excitation et de mesure ;
   - une partie réception propre à numériser un signal de retour analogique desdits deux éléments d’excitation et de mesure via un convertisseur analogique numérique dont la fréquence d’échantillonnage est au moins deux fois plus élevée que celle du signal de retour analogique desdits deux éléments d’excitation et de mesure, et à le discriminer dans l’espace de Fourier ;
   l’étage analogique comprenant :
   - une partie émission au moins propre à adapter l’impédance et/ou l’amplitude dudit signal analogique d’excitation bi-composantes fourni par la partie émission de l’étage numérique, respectivement au moyen d’un amplificateur de courant et/ou d’un amplificateur de tension ;
   - une partie réception propre à former un signal de retour analogique desdits deux éléments d’excitation et de mesure et comprenant au moins :
   - un outil de mesure de courant du signal électrique délivré par ledit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique par impédance électrique ;
   - un outil de pré-amplification configuré pour adapter l’impédance et amplifier l’amplitude du signal délivré par ledit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique acoustique.
8. Capteur de tomographie acousto-électrique selon la revendication 7, dans lequel la partie émission de l’étage analogique comprend en outre un filtre passe-bas et un filtre passe-haut configurés pour séparer, au sein dudit signal analogique d’excitation bi-composantes fourni par la partie émission de l’étage numérique, la composante d’excitation électrique de la composante d’excitation acoustique.
9. Capteur de tomographie acousto-électrique selon la revendication 7 ou 8, dans lequel la partie réception de l’étage analogique comprend en outre un outil d’amplification à gain variable dont l’entrée est connectée à la sortie de l’outil de pré-amplification.
10. Capteur de tomographie acousto-électrique selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel la partie réception de l’étage analogique comprend en outre un mixeur du signal délivré par l’outil de mesure de courant et du signal délivré par l’outil de pré-amplification ou respectivement par l’outil d’amplification à gain variable.
11. Bride intelligente pour la mesure tomographique d’un écoulement diphasique d’un conduit d’installation nucléaire caractérisé en ce qu’elle comprend au moins un couple de capteurs selon l’une quelconque des revendications précédentes, lesdits capteurs étant placés au contact dudit écoulement, l’écoulement étant diphasique eau/air.
12. Procédé de mesure tomographique acousto-électrique d’un corps comportant une partie cylindrique contenant un fluide, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
    - disposition d’un réseau de capteurs de tomographie acousto-électrique comprenant au moins un couple de capteurs selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, ledit au moins un couple comprenant un capteur en mode émission et un capteur en mode réception
    - excitation simultanée de chacun des deux éléments d’excitation et de mesure de chaque capteur en mode émission par un signal bi-composantes :

    • ledit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique par impédance électrique étant excité par le potentiel , où A_ereprésente l’amplitude de signal d’excitation dudit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique par impédance électrique et f_esa fréquence d’excitation,

    - ledit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique acoustique étant excité par le signal :
    
    où A_preprésente l’amplitude de signal d’excitation dudit élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique acoustique, f_psa fréquence centrale d’excitation et le nombre de cycles de sinusoïde dudit signal ;
    - acquisition périodique des données électriques dudit corps obtenues à l’aide des deux éléments d’excitation et de mesure de chaque capteur en mode réception d’un couple d’indicendu réseau de capteurs,
    - traitement desdites données électriques comprenant :
    - pour chaque élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique par impédance électrique le calcul des points de données M_ndéfinis par :
    
    où R est la valeur de la résistance utilisée pour la mesure de avec = R I_naux bornes de la résistance, P est le nombre de points d’une séquence discrète de mesure du courant I_n, p est le temps discret, k est un coefficient associé à la fréquence f_eet β_p= (2πp/P) ;
    - pour chaque élément d’excitation et de mesure dédié à la mesure tomographique acoustique le calcul des points de données M_ndéfinis par : où l est un coefficient associé à la fréquence f_p;
    - constitution de deux matrices de données D_eet D_pà partir desdits points de données et pour tout, n, k et l.
13. Procédé selon la revendication 12 comprenant en outre une étape de génération d’images par reconstruction itérative de moindre carré appliquée aux deux matrices de données D_eet D_pou à une combinaison de ces deux matrices.
14. Programme d’ordinateur comportant des instructions logicielles qui lorsqu’elles sont exécutées par un ordinateur, mettent en œuvre un procédé de mesure tomographique acousto-électrique d’un corps comportant une partie cylindrique contenant un fluide selon la revendication 12 ou 13.
15. Système pour la mise en œuvre du procédé selon la revendication 12 ou 13, le système étant caractérisé en ce qu’il comprend :
    - un réseau de capteurs de tomographie acousto-électrique comprenant au moins un couple de capteurs selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, ledit couple comprenant un capteur émetteur et un capteur récepteur, un même capteur étant propre à être émetteur pour au moins un couple puis récepteur pour au moins un autre couple ;
    - au moins un dispositif de génération et d’acquisition de signal de tomographie acousto-électrique comprenant :
    - un module de génération de signal configuré pour générer, pour chaque capteur émetteur de chaque couple de capteurs dudit réseau, un signal bi-composantes, ledit signal bi-composantes comprenant à la fois une composante d’excitation acoustique et une composante d’excitation électrique mixées ensemble au sein dudit signal bi-composantes,
    - un module d’acquisition de signal configuré pour :
    - acquérir un signal représentatif du signal reçu par chaque capteur récepteur de chaque couple, et
    - à partir dudit signal représentatif, pour générer deux composantes reçues distinctes respectivement dédiées à la tomographie acoustique et la tomographie par impédance électrique,
    - un dispositif d’imagerie tomographique ;
    le dispositif de génération et d’acquisition de signal étant propre à :
    - exciter chaque capteur émetteur de chaque couple de capteurs dudit réseau en utilisant ledit signal bi-composantes,
    - fournir en entrée dudit dispositif d’imagerie tomographique deux ensembles de données distincts respectivement obtenus à partir des deux composantes reçues distinctes respectivement dédiées à la tomographie acoustique et la tomographie par impédance électrique.