IEC 61161:1992/AMD1:1998
(Amendment)Amendment 1 - Ultrasonics power measurement in liquids in the frequency range 0,5 MHz to 25 MHz
Amendment 1 - Ultrasonics power measurement in liquids in the frequency range 0,5 MHz to 25 MHz
Amendement 1 - Mesurage de puissance ultrasonore dans les liquides dans la gamme de fréquences de 0,5 MHz à 25 MHz
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
NORME CEI
INTERNATIONALE IEC
INTERNATIONAL
STANDARD
AMENDEMENT 1
AMENDMENT 1
1998-01
Amendement 1
Mesurage de puissance ultrasonore
dans les liquides dans la gamme de fréquences
de 0,5 MHz à 25 MHz
Amendment 1
Ultrasonic power measurement in liquids
in the frequency range 0,5 MHz to 25 MHz
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Telefax: +41 22 919 0300 e-mail: inmail@iec.ch IEC web site http: //www.iec.ch
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Commission Electrotechnique Internationale
H
PRICE CODE
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For price, see current catalogue
– 2 – 61161 amend. 1 © CEI:1998
AVANT-PROPOS
Le présent amendement a été établi par le comité d'études 87 de la CEI: Ultrasons.
Le texte du présent amendement est basé sur les documents suivants:
FDIS Rapport de vote
87/113/FDIS 87/116/RVD
Le rapport de vote indiqué dans le tableau ci-dessus donne toute information sur le vote ayant
abouti à l'approbation du présent amendement.
__________
Page 2
SOMMAIRE
Ajouter le titre du nouveau paragraphe 7.1 suivant:
7.1 Incertitude de mesurage
Page 6
INTRODUCTION
Ajouter le texte suivant:
La présente norme énumère les sources d'erreurs et décrit une procédure pas à pas
systématique nécessaire pour évaluer les incertitudes de mesurage globales.
Page 8
Domaine d'application
Ajouter, à la fin du premier alinéa, le troisième tiret suivant:
– fournit des informations concernant l'évaluation des incertitudes de mesurage globales.
Page 22
7 Incertitude de mesurage
Remplacer le texte existant de cet article par le nouveau texte suivant:
7.1 Evaluation des incertitudes de mesurage
En raison de la grande diversité des montages de mesurage utilisés, une analyse d'incertitude
valable pour tous les montages possibles n'est pas possible immédiatement. C'est pourquoi
une estimation de l'incertitude de mesurage globale ou une évaluation de précision doivent être
déterminées de manière individuelle pour chaque montage utilisé. Il est recommandé que cette
évaluation comprenne les éléments suivants.
61161 Amend. 1 © IEC:1998 – 3 –
FOREWORD
This amendment has been prepared by IEC technical committee 87: Ultrasonics.
The text of this amendment is based on the following documents:
FDIS Report on voting
87/113/FDIS 87/116/RVD
Full information on the voting for the approval of this amendment can be found in the report on
voting indicated in the above table.
___________
Page 3
CONTENTS
Add the title of the new subclause 7.1 as follows:
7.1 Assessment of measurement uncertainties
Page 7
INTRODUCTION
Add the following text:
This standard enumerates the sources of errors and describes a systematic step-by-step
procedure needed to assess overall measurement uncertainties.
Page 9
Scope
Add at the end of the first paragraph, the following third dash:
– provides information on assessment of overall measurement uncertainties.
Page 23
7 Measurement uncertainty
Replace the existing text of this clause by the following new text:
7.1 Assessment of measurement uncertainties
Due to the great variety of measurement arrangements used, an uncertainty analysis valid for
all possible arrangements is not immediately possible. Therefore, an estimation of the overall
measurement uncertainty or accuracy assessment shall be determined individually for each
set-up used. This assessment should include the following elements.
– 4 – 61161 amend. 1 © CEI:1998
7.1.1 Système d'équilibrage à suspension de cible
Il est de règle, avant tout mesurage, que le système d'équilibrage soit vérifié ou étalonné en
utilisant des petits poids de masse connue. Il est important que cela soit fait avec l'ensemble
du système préparé pour des mesurages de forces de radiation, c'est-à-dire avec la cible
suspendue dans l'eau. Ainsi, toute influence possible du fil de suspension pénétrant la surface
de l'eau est automatiquement prise en compte.
Cette procédure doit être répétée plusieurs fois avec chaque poids pour obtenir une indication
de la diffusion aléatoire des résultats. Une estimation d'incertitude pour le facteur d'étalonnage
d'équilibrage peut être déduite des résultats de l'étalonnage et de l'incertitude de masse des
poids utilisés.
Il est recommandé d'archiver les résultats de ces vérifications pour permettre un jugement de
la stabilité à long terme du facteur d'étalonnage d'équilibrage.
7.1.2 Linéarité du système d'équilibrage
La linéarité du système d'équilibrage doit être vérifiée au moins tous les deux mois comme suit.
Les mesurages décrits en 7.1.1 doivent être effectués avec au moins trois poids de masse
différente dans la gamme de sortie d'équilibrage concernée. La lecture d'équilibrage en
fonction de la masse d'entrée peut être représentée sur un graphique en conformité avec la
figure 5. Idéalement, il convient que les points qui en résultent dans ce graphique soient sur
une ligne droite commençant à l'origine des coordonnées. Si des déviations interviennent sur
cette ligne, une contribution d'incertitude complémentaire doit en être déduite.
Etant donné que les poids de moins de 10 mg sont difficiles à manipuler, la vérification de
linéarité d'équilibrage peut également être effectuée au moyen d'un transducteur ultrasonore
à propriétés connues, activé par différents niveaux d'amplitude de tension et donc produisant
des forces de radiation de magnitudes différentes. Dans ce cas, la grandeur d'entrée en
abscisse de la figure 5 est la puissance de sortie ultrasonore du transducteur.
7.1.3 Extrapolation au moment de commutation du transducteur ultrasonore
Dans le cas d'un équilibrage électronique, pour obtenir la valeur de force de radiation, le
signal de sortie d'équilibrage est en général enregistré en fonction du temps et extrapolé en
revenant au moment de commutation du transducteur ultrasonore. Cette extrapolation
entraîne une incertitude, qui dépend essentiellement de la quantité de diffusion dans le signal
de sortie d'équilibrage (rapport signal à bruit). L'incertitude du résultat d'extrapolation peut être
estimé au moyen de procédures mathématiques normalisées en utilisant l'algorithme de
régression.
7.1.4 Imperfections de la cible
A proprement parler, une connaissance du moment porté par toutes les ondes indésirables
émanant de la cible dans toutes les directions serait nécessaire pour évaluer l'influence des
imperfections de cible sur la précision des mesurages d'équilibrage de la force de radiation.
Comme cette connaissance n'est pas disponible, en pratique, une approche simplifiée en onde
plane décrite ci-dessous est considérée comme suffisante. Avec l'hypothèse de l'onde plane, la
force acoustique de radiation est égale à la densité d'énergie acoustique totale. L'onde
transmise par une cible absorbante (voir figure 1) vers l'avant conduit à une réduction de la
force de radiation, la réduction étant déterminée par la densité d'énergie transmise, c'est-à-
dire par la densité d'énergie existant derrière la cible. La magnitude de cet effet peut être
déterminée en utilisant la cible comme un obstacle et en effectuant un mesurage de force de
radiation au moyen d'une cible complémentaire, positionnée immédiatement derrière
l'originale. Il convient de noter que la réflexion de l'onde transmise à la surface de l'eau dans le
montage représenté à la figure 1 doublera la baisse de la force de radiation mesurée.
61161 Amend. 1 © IEC:1998 – 5 –
7.1.1 Balance system including target suspension
As a rule, prior to the measurement, the balance system shall be checked or calibrated using
small weights of known mass. It is important that this be done with the whole system prepared
for radiation force measurements, i.e., with the target suspended in water. Thus, any potential
influence of the suspension wire penetrating the water surface is automatically taken into
account.
This procedure shall be repeated several times with each weight in order to obtain an indication
of the random scatter of results. An uncertainty estimate for the balance calibration factor can
be derived from the results of this calibration and from the mass uncertainty of the weights
used.
The results of these checks should be filed in order to enable a judgment of the long-term
stability of the balance calibration factor.
7.1.2 Linearity of the balance system
The linearity of the balance system shall be checked at least every two months as follows.
The measurements described in 7.1.1 shall be done with at least three weights of different
masses within the balance output range of interest. The balance readout as a function of input
mass can be represented in a graph in accordance with figure 5. The resulting points in this
graph should ideally be on a straight line starting at the origin of the coordinates. If deviations
from this line occur, an additional uncertainty contribution shall be derived from these.
Since weights of less than 10 mg are difficult to handle, the balance linearity check can also be
done by means of an ultrasonic transducer with known properties, activated by various levels
of voltage amplitude and thus producing radiation forces of various magnitudes. In this case
the input quantity at the abscissa of figure 5 is the ultrasonic output power of the transducer.
7.1.3 Extrapolation to the moment of switching the ultrasonic transducer
In the case of an electronic balance, in order to obtain the radiation force value, the balance
output signal is usually recorded as a function of time and extrapolated back to the moment of
switching the ultrasonic transducer. This extrapolation involves an uncertainty, depending
mainly on the amount of scatter in the balance output signal (signal-to-noise ratio). The
uncertainty of the extrapolation result can be estimated by means of standard mathematical
procedures in utilizing the regression algorithm.
7.1.4 Target imperfections
Strictly speaking, a knowledge of the momentum carried by all undesirable waves emanating
from the target in all directions would be required to assess the influence of the target
imperfections on the accuracy of the radiation force balance measurements. Since this
knowledge is unavailable, in practice, a simplified plane-wave approach described below is
considered to be sufficient. With the plane-wave assumption, the acoustic radiation pressure
is equal to the total acoustic energy density. The wave transmitted by an absorbing target (see
figure 1) in the forward direction leads to a reduction in the radiation force, the reduction
being determined by the transmitted energy density, i.e., by the energy density existing behind
the target. The magnitude of this effect can be determined by using the target as an obstacle
and carrying out a radiation force measurement by means of an additional target, positioned
immediately behind the original one. It should be noted that the reflection of the transmitted
wave at the water surface in the arrangement shown in figure 1 will double the decrease in the
measured radiation force.
– 6 – 61161 amend. 1 © CEI:1998
L'onde réfléchie ou diffusée en retour par une cible absorbante conduit à une augmentation de
la force de radiation qui est déterminée par la densité d'énergie réfléchie. Pour une cible
absorbante plane, cet effet peut être évalué en comparant le signal impulsion-écho avec celui
du réflecteur parfait. Cependant, pour une cible avec une structure de surface, ce mesurage
ne détermine que le composant cohérent dans l'espace et n'indique pas l'énergie réfléchie
totale. Dans ce cas, l'énergie réfléchie devrait être évaluée à l’aide d’un hydrophone (de type
acoustiquement transparent, c'est-à-dire un hydrophone à membrane) et en intégrant le carré
de la force mesurée sur le champ réfléchi (voir CEI 61101). L'autre alternative consisterait à
utiliser d'autres informations concernant les propriétés de l'absorbeur pour donner une limite
supérieure à la réflexion (par exemple la réflexivité d'une version plane équivalente). En plus
de l'augmentation de la force de radiation mesurée, la réflexion émanant de la cible peut
également avoir un effet en retour sur le transducteur ultrasonore pour modifier ses
caractéristiques de sortie [10]. Cet effet d'interférences peut être minimisé en inclinant
légèrement la cible ou en utilisant une meilleure cible. Si une interférence apparaît, cela
donnera lieu à des oscillations dans la force de radiation qui peuvent être observées en
faisant varier la fréquence ou la distance cible/transducteur ultrasonore [10]. L'incertitude
due à tout effet d'interférence résiduelle peut être évaluée à partir des amplitudes d'oscillation.
Dans le cas de cibles réfléchissantes, la discussion précédente concernant l'onde transmise et
son influence est également valable. Cependant, il n'est pas exclu que les ondes réfléchies
viennent à la fois de la cible et de tout absorbeur latéral (voir figure 3) et c'est pourquoi il faut
les considérer avec plus de soin.
En général, l'évaluation de précision la plus sûre sera obtenue en comparant les mesurages
faits avec différents types de cibles. Les propriétés acoustiques des cibles varient de manière
importante avec la fréquence et ainsi il faut faire toute évaluation d'incertitude séparément
pour chaque fréquence concernée. Il est particulièrement difficile d'obtenir une bonne
conception de cible pour des fréquences inférieures à 2 MHz.
7.1.5 Géométrie de la cible réfléchissante
Comme discuté à l'article A.2, l'angle de cône d'une cible réfléchissante conique a une
influence sur le résultat de mesurage. De manière plus spécifique, si le demi-angle du cône
d'un réflecteur de type convexe de 45° nominal se situe à 45° ± 1°, l'incertitude de puissance
qui en résulte est de ±3,5 %. Si le demi-angle du cône d'un réflecteur de type concave de
63° nominal (ce qui signifie que θ = 27°, suivant la notation donnée à l'article A.2) se situe à
63° ± 1°, l'incertitude de puissance qui en résulte est de ±1,8 %.
7.1.6 Absorbeurs latéraux dans le cas de mesurages de la cible réfléchissante
Les imperfections des absorbeurs latéraux dans le montage de la figure 3 donnent lieu à des
ondes réfléchies qui retournent vers la cible et conduisent à une augmentation de la valeur de
la force de radiation mesurée. Ici encore, la densité d'énergie réfléchie est pertinente dans
des conditions incohérentes et, une fois de plus, il n'est pas exclu que des effets d'interférence
interviennent (voir 7.1.4).
7.1.7 Mauvais alignement de la cible
Le présent paragraphe s'applique si le transducteur ultrasonore et le dispositif de mesurage
de force sont colinéaires mais que l'alignement angulaire de la cible est incorrect.
Tandis que la force de radiation sur une cible parfaitement absorbante selon la formule
donnée à l'article A.2 n'est pas sensible à une inclinaison de cible, dans le cas d'une cible
réfléchissante, le mesurage dépend de l'orientation correcte de la cible. Par exemple, une
incertitude d'angle de ±1° pour un réflecteur plan à 45° conduit à une incertitude de
mesurage de puissance de ±3,5 %. L'influence d'un mauvais alignement dans le cas d'une
cible réfléchissante conique ne peut pas être donnée par une formule universelle, mais sera,
61161 Amend. 1 © IEC:1998 – 7 –
The wave reflected or scattered back by an absorbing target leads to a radiation force
increase that is determined by the reflected energy density. For a plane absorbing target, this
effect can be assessed by comparing the pulse-echo signal with that from a perfect reflector.
For a target with surface structure, however, this measurement determines only the spatially
coherent component, and does not indicate the total reflected energy. In this case, the
reflected energy would have to be assessed by scanning a hydrophone and integrating the
square of the measured pressure over the reflected field (see IEC 61101). Alternatively, other
information about the properties of the absorber could be used to give an upper limit to the
reflection (e.g. the reflectivity of an equivalent, plane version). In addition to increasing the
measured radiation force, the reflection from the target can also act back on the ultrasonic
transducer to change its output characteristics [10]. This interference effect can be minimised
by slightly tilting the target or by using a better target. If the interference occurs, it will give rise
to oscillations in the radiation force, which can be observed by varying the frequency or the
target/ultrasonic transducer distance [10]. The uncertainty due to any residual interference
effects can be assessed from the oscillation amplitudes.
For the case of reflecting targets, the previous discussion of the transmitted wave and its
influence is also valid. The reflected waves, however, may come both from the target and from
any lateral absorbers (see figure 3) and so shall be considered more carefully.
Overall, the most reliable assessment of accuracy will be obtained by comparing
measurements made with different target types. The acoustical properties of targets vary
significantly with frequency and so any uncertainty assessment shall be made separately for
each frequency of interest. It is particularly difficult to obtain a good target design for
frequencies below 2 MHz.
7.1.5 Reflecting target geometry
As discussed in A.2 the cone angle of a conical reflecting target has an influence on the
measurement result. More specifically, if the cone half-angle of a convex-type reflector of
nominally 45° lies within 45° ± 1°, the resulting power uncertainty is ±3,5 %. If the cone half-
angle of a concave-type reflector of nominally 63° (which means θ = 27°, following the notation
given in A.2) lies within 63° ± 1°, the resulting power uncertainty is ±1,8 %.
7.1.6 Lateral absorbers in the case of reflecting target measurements
Imperfections of the lateral absorbers in the arrangement of figure 3 give rise to reflected
waves which return to the target and lead to an increase in the value of the measured
radiation force. Here again, the reflected energy density is relevant under incoherent
conditions and again, interference effects may occur (see 7.1.4).
7.1.7 Target misalignment
This subclause applies if the ultrasonic transducer and the force-measuring device are
collinear to each other but the angular alignment of the target is incorrect.
While the radiation force on a perfectly absorbing target according to the formula given in
clause A.2 is insensitive to a target tilt, in the case of the reflecting target, the measurement
depends on the correct target orientation. For example, an angle uncertainty of ±1° for a
plane reflector at 45° leads to a power measurement uncertainty of ±3,5 %. The influence of a
misalignment in the case of a conical reflecting target cannot be given by a universal formula,
– 8 – 61161 amend. 1 © CEI:1998
en général, bien inférieure à celle d'une cible réfléchissante plane, en particulier lorsque la
cible est centrée sur un faisceau. Pour un faisceau cylindrique symétrique centré par rapport à
une cible réfléchissante conique à 45°, la sensibilité au mauvais alignement angulaire est
encore plus réduite.
7.1.8 Mauvais alignement du transducteur ultrasonore
Le présent paragraphe s'applique si la cible et le dispositif de mesurage de force sont
colinéaires mais que le transducteur ultrasonore a une orientation ou une position incorrectes.
Dans le cas d'une cible parfaitement absorbante d'une taille suffisante, la force de radiation
apparente est proportionnelle au cosinus de l'angle de mauvais alignement. Dans le cas d'une
cible réfléchissante conique convexe à 45°, une incertitude maximum due au mauvais aligne-
ment de ±3 % peut être attendue si le positionnement maximum et les erreurs d'alignement
angulaire de ±3 mm et ±3° sont admises [32], ce qui paraît réaliste pour un alignement à l'oeil.
7.1.9 Température de l'eau
Compte tenu de la dépendance qui existe entre la température et la rapidité du son dans l'eau,
une incertitude de mesurage de température de ±1 °C entraînera une incertitude de mesurage
de puissance de ±0,2 %.
7.1.10 Atténuation ultrasonore et courant acoustique
La valeur de puissance telle qu'elle est dérivée du mesurage d'équilibrage de la force de
radiation fait référence à la position de la cible à une distance axiale donnée par rapport au
transducteur ultrasonore. Cependant, la grandeur concernée est souvent la puissance émise
par rapport à la surface du transducteur ultrasonore. L'incertitude complémentaire déduite
dans ce cas est examinée ci-dessous.
Il y a deux modèles de base expliquant la différence entre les valeurs de puissance notées ci-
dessus. Le premier examine l'influence de l'atténuation ultrasonore seule. Dans ce cas, la
correction est faite en incluant le facteur de correction exponentiel (voir A.3.2). Le second
inclut les effets du courant acoustique le long du chemin de propagation libre devant la cible.
Pour une cible absorbante dans certaines conditions idéales, le théorème de Borgnis [33]
stipule que les effets de l'atténuation et le courant acoustique s'annulent mutuellement et que
par conséquent, aucune correction n'est nécessaire. Le comportement des cibles réelles (à la
fois absorbantes et réfléchissantes) se situerait quelque part entre ces deux modèles de base
[9]. C'est pourquoi il est recommandé d'examiner un éventail d'incertitudes qui va des valeurs
de puissance non corrigées telles qu'elles sont mesurées par l'équilibrage à la valeur avec
pleine correction d'atténuation [17]. La contribution d'incertitude dépend de la distance de la
cible et est particulièrement critique lorsque les mesurages sont effectués dans la gamme de
fréquences supérieures en mégahertz.
Une autre procédure consiste à mesurer la puissance apparente en fonction de la distance de
la cible et à extrapoler le résultat en arrière vers la distance zéro au moyen d'un algorithme de
régression basé sur une loi de distance linéaire ou exponentielle. Les valeurs mesurées ne
s'adapteront pas exactement à la loi de distance utilisée, c'est-à-dire qu'il y aura une diffusion
expérimentale et ainsi des procédures mathématiques normalisées peuvent être utilisées pour
estimer l'incertitude des résultats d'extrapolation.
Dans le cas d'une surface cible non planaire, il est difficile de définir la distance cible
effective. Il est alors judicieux de rappeler que la hauteur moyenne d'un cône ou d'une
pyramide est le tiers de la hauteur maximale lorsqu'elle est mesurée à partir de la base ou de
deux tiers lorsqu'elle est mesurée du sommet. Cette règle peut être appliquée lorsque des
cibles réfléchissantes de forme conique ou des cibles absorbantes avec des pointes de
61161 Amend. 1 © IEC:1998 – 9 –
but it will, in general, be much lower than that of a plane reflecting target, particularly when the
target is centred over the beam. For a cylindrically symmetrical beam centred with respect to a
45° conical reflecting target, the sensitivity to angular misalignment is reduced still further.
7.1.8 Ultrasonic transducer misalignment
This subclause applies if the target and the force-measuring device are collinear to each other
but the ultrasonic transducer has an incorrect orientation or positi
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.
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