Débitmètre à ultrasons

Le son décrit les ondes mécaniques ou sonores qui se propagent exclusivement dans des milieux élastiques. Par conséquent, les ondes sonores nécessitent des gaz, des liquides ou des solides pour se propager. Les ondes sonores diffèrent significativement des ondes électromagnétiques qui traversent aussi le vide, sans aucun problème. La propagation des ondes sonores peut être transversale ou longitudinale, selon le milieu et le revêtement, ce qui joue un rôle, à son tour, dans différentes procédures de tests. Le son se divise essentiellement en quatre clases différentes. Le classement dépend de la fréquence, dont la gamme la plus répandue est comprise entre 16 Hz y 20 kHz. Dans cette bande de fréquences se trouve le son audible, c’est-à-dire, les ondes sonores qui peuvent être perçues par l’oreille humaine. Les vibrations inférieures à 16 Hz sont appelées infrasons, et les vibrations supérieures à 20 kHz, ultrasons. Les infrasons et les ultrasons ne sont pas audibles par les êtres humains. Il en est de même pour le son hypersonique, qui se propage à des fréquences supérieures à 1 GHz.

Un débitmètre à ultrasons utilise les ondes ultrasoniques pour déterminer sans contact la vitesse de débit d’un liquide. Si un liquide circule à travers un système de tuyauteries, il est possible d’installer un débitmètre en ligne, c’est-à-dire, de séparer le système de tuyauteries et d’intégrer un débitmètre dans le système de tuyauteries pour mesurer la vitesse du débit. Alternativement, la vitesse du débit dans le système de tuyauteries peut aussi être mesurée depuis l’extérieur, en utilisant un débitmètre à ultrasons, pour envoyer des ondes sonores depuis l’extérieur, à travers la tuyauterie et le liquide. Lorsque cette méthode est utilisée, deux capteurs à ultrasons, qui agissent comme émetteur et récepteur, sont fixés, à une distance définie l’un de l’autre, sur un tuyau qui transporte le liquide. L’ultrason est émis dans le milieu dans un angle oblique et accélère ou ralentit en fonction de la vitesse du liquide. De cette façon, la vitesse du liquide dans le système de tuyauteries peut être déterminée au moyen de la méthode de différence de temps de transit. Ainsi, en prenant en compte la zone de la section transversale de la tuyauterie (diamètre du tuyau), le débit peut aussi être déterminé. Un débitmètre à ultrasons comprend donc deux composants essentiels : le système de capteurs à ultrasons qui est monté dans le système de tuyauteries, et l’unité d’évaluation qui convertit les signaux en valeurs de mesure réelles.

Le débitmètre à ultrasons détermine la vitesse du débit dans un milieu, au moyen de la mesure de la différence de temps de transit. Deux capteurs à ultrasons sont installés dans la tuyauterie avec un liquide qui y circule, à une distance calculée au préalable. Ces capteurs agissent comme émetteur et récepteur. Les capteurs se posent à la surface de la tuyauterie à l’aide d’un gel de couplage, et fonctionne sur le principe de propagation du son dans le milieu avec un angle défini. Les ondes sonores accélèrent dans le sens du débit et ralentissent dans le sens contraire du débit. En mesurant ces différences de temps, le débitmètre à ultrasons détermine la vitesse du débit, à condition que la vitesse du son spécifique du milieu soit connue.

Un débitmètre à ultrasons sert à mesurer tout milieu liquide et homogène à faible teneur en solides, comme l’eau, les huiles, les alcools, etc. La température du liquide peut être comprise entre -30° C et + 160 °C, en fonction de la technologie des capteurs sélectionnée. Aussi bien les gaz que les liquides à contenu solide, les milieux visqueux ou pâteux ne peuvent pas être mesurés avec un débitmètre à ultrasons.

À cause du manque d’homogénéité de ces milieux, les ondes ultrasoniques sont dispersées et réfractées par les particules et les composants solides à tel point que la force du signal diminue considérablement et qu’on ne peut pas obtenir de résultats de mesure précis.

Un débitmètre à ultrasons permet d’effectuer des mesures de façon mobile, rapide et flexible. Mobile, puisqu’il peut être utilisé indépendamment de la localisation, grâce à ses dimensions compactes et à sa batterie. Rapide, puisque la mesure peut démarrer juste après la configuration du débitmètre et l’installation des capteurs dans le système de tuyauteries. Flexible, puisque vous pouvez installer les différents capteurs du débitmètre à ultrasons dans des tuyauteries aux différents diamètres et types de matériau et, en même temps, vous pouvez mesurer une vaste gamme de milieux sur une large plage de température. Un autre avantage de cette méthode de mesure est que certaines propriétés du milieu, comme la conductivité –qui est une condition requise obligatoire pour d’autres méthodes de mesure- n’ont pas d’influence.

Un autre avantage vient de la mesure indirecte par ultrason. Il n’y a pas de contact direct entre le milieu et le dispositif de mesure, comme les débitmètres en ligne. D’un côté, cela signifie que le débit dans le système de tuyauteries ne sera pas perturbé et, de l’autre, qu’il ne sera pas nécessaire d’interrompre le processus. Par conséquent il est possible d’effectuer des mesures sans risque de contamination externe du liquide mesuré.

Le fait qu’il soit possible de mesurer plusieurs paramètres importants, selon le modèle, est un autre avantage du débitmètre à ultrasons. En plus de la mesure de la vitesse, vous pouvez aussi mesurer le débit, la somme totale du débit, le débit de chaleur ou la puissance thermique et la quantité de chaleur.

L’étalonnage d’un débitmètre à ultrasons se fait généralement en comparant les valeurs de mesure à celles d’un autre appareil fiable. Dans une nouvelle méthode récemment brevetée (en 2020), le débitmètre à ultrasons s’étalonne en utilisant une méthode basée sur le temps de propagation des ondes à ultrasons, en modifiant la distance entre les capteurs. Ce changement dans la position des capteurs, ainsi que le mouvement d’un fluide qui coule, provoquent des différences de temps de transit dans les signaux ultrasoniques générés par le débitmètre, pouvant être mesurés. Sachant que, dans cette méthode, seuls le temps et la distance sont mesurés, il est possible d’étalonner le débitmètre à ultrasons avec une grande précision, sans dépendre du milieu du débit ni de la géométrie de la tuyauterie.

PCE Instruments utilise un équipement d’étalonnage du débit dans lequel l’eau est pompée à travers un système fermé de tuyauteries en cuivre. Le débit peut être contrôlé à l’aide de valves et en modifiant la vitesse de la pompe dans son tableau de contrôle. Or, actuellement, des étalonnages d’un point sont effectués, avec un certain débit, et à une pression constante de 4 bars environ. Les quatre sections de mesure sont disposées les unes au-dessus des autres comme de longues sections horizontales. L’appareil de mesure de référence (appareil étalon) est installé sur la conduite supérieure. Les capteurs du débitmètre à ultrasons à étalonner sont fixés sur l’une des trois conduites inférieures avec des bandes Velcro.

Les dimensions des deux tuyauteries en cuivre supérieures sont de 28,0 x 1,00 mm, la troisième tuyauterie mesure 54,0 x 1,5 mm et la tuyauterie inférieure 88,9 x 2,0 mm.

Un débitmètre magnéto-inductif, facile à utiliser, a été intégré à l’installation, comme appareil de référence ou standard. Pendant la mesure, un champ magnétique à intensité constante est généré dans la conduite de mesure de l’appareil de mesure de référence. Le champ magnétique induit une tension dans l’eau conductrice qui coule, dont le niveau est proportionnel au débit. Cette tension mesurée permet de déterminer la vitesse du débit qui est indiquée en mètres par seconde. La valeur de mesure du débitmètre à ultrasons à étalonner est comparée à la valeur de référence.

Bien entendu, la comparaison directe des valeurs de mesure ne fonctionne que si les deux points de mesure ont la même section transversale de tuyauterie et les mêmes conditions de débit. Par conséquent, lorsque le débitmètre à ultrasons à étalonner se place sur la même tuyauterie de 28,0 x 1,0 mm où est installé l’appareil de mesure de référence, les valeurs des deux appareils pourront être directement comparées. Lorsque l’étalonnage se fait dans les deux tuyauteries avec différentes sections transversales, vous pourrez lire les valeurs nominales corrigées de la vitesse de débit dans un appareil supplémentaire.

Au moment de déterminer la vitesse du débit avec des capteurs à ultrasons, la vitesse du son du fluide joue un rôle très important. Or, la vitesse du son dépend, non seulement de la composition du matériau, mais aussi de sa température. C’est pourquoi il faut tenir compte de la température du fluide au moment de déterminer la vitesse du débit avec un débitmètre à ultrasons. L’écran de l’appareil de référence situé juste au-dessus des tuyauteries indique, en plus de la vitesse du débit, la température de l’eau ainsi que les valeurs actuelles de la température et de l’humidité de l’air.

Les conditions ambiantes, l’appareil d’étalonnage, le processus d’étalonnage, les conditions de mesure et le ou les résultats de la comparaison entre les valeurs nominale et réelle sont inscrits dans le certificat d’étalonnage du débitmètre à ultrasons. Si la valeur réelle du débitmètre à ultrasons s’écarte de la valeur nominale de l’appareil de référence plus que ce qui est spécifié, il faudra régler le débitmètre. De nombreux appareils se règlent facilement au moyen d’un facteur d’échelle.

Le débitmètre à ultrasons peut aussi servir à déterminer la puissance et l’énergie thermique lorsque des capteurs supplémentaires, qui mesurent la température du fluide avant et après l’émission de chaleur, sont utilisés. Les appareils portables, qui s’installent et se démontent rapidement et facilement et qui, en plus, ne provoquent aucune fuite dans la tuyauterie, s’avèrent particulièrement adéquats pour des mesures ponctuelles. Le débitmètre à ultrasons peut mesurer le débit sans interférences dans le système de tuyauteries et sans contact direct avec le moyen de transfert de chaleur ou le réfrigérant. Les appareils qui incluent la mesure de température et dans lesquels les capteurs à ultrasons et les capteurs de température sont fixés avec du velcro sont particulièrement pratiques.

Cet ensemble de mesureurs thermiques à ultrasons portables est composé de trois éléments : le débitmètre à ultrasons, un enregistreur de données de température de deux canaux et le logiciel pour évaluer les données.

Le débitmètre à ultrasons détermine la vitesse du débit. À partir de la vitesse de débit et de la section transversale de la tuyauterie saisies au préalable, le volume qui s’écoule dans la tuyauterie est calculé.

L’enregistreur de données de la température enregistre les températures dans le départ et le retour du système de tuyauteries.

Pour cela, un capteur de contact de température est fixé à l’extérieur de la tuyauterie de départ et un autre sur celle de retour. Les données de mesure et de calcul des deux appareils peuvent être sauvegardées ou transférées dans un ordinateur pendant la mesure.

Un logiciel d’évaluation spécialement dessiné pour ces appareils, calcule la puissance thermique en kW ou en kJ/h et l’énergie thermique en kJ ou en kWh pendant la mesure, à partir des données transmises sur le débit volumétrique et la différence de température entre les tuyauteries de départ et de retour. Vous pouvez visualiser immédiatement les données enregistrées et calculées sous forme de tableau et de graphique, ce qui permet l’évaluation directe des mesures in situ avec un ordinateur portable. S’il n’est pas possible d’effectuer une évaluation immédiate dans le point de mesure, les données de mesure sauvegardées dans le débitmètre à ultrasons et dans l’enregistreur de données de la température peuvent être transférées et évaluées par la suite au bureau.

Le débitmètre à ultrasons avec mesure thermique permet d’effectuer des mesures rapidement et facilement, dans le secteur de la technologie de la climatisation et dans l’industrie, que ce soit pour des mesures de contrôle ponctuelles dans différents endroits ou pour le contrôle continu de systèmes de chauffage ou de réfrigération. Puisque les capteurs n’entrent pas en contact avec le milieu de transfert de la chaleur pendant la mesure, le débitmètre à ultrasons peut être utilisé sans problème avec des milieux agressifs, mais aussi dans des domaines ayant de grandes exigences d’hygiène, comme l’industrie pharmaceutique et la fabrication d’aliments. On préfère aussi le processus de mesure depuis l’extérieur, puisqu’il n’est pas nécessaire d’interrompre le moindre processus pour la mesure, et parce que le comportement du débit du fluide n’est pas influencé par les capteurs dans les points de mesure.

Vous pouvez faire vérifier périodiquement la précision du débitmètre à ultrasons et le thermomètre dans un laboratoire de métrologie adapté, qui émettra un certificat d’étalonnage ISO. Pour cela, le laboratoire de métrologie doit être équipé d’un support d’étalonnage du débit adéquat.

Nous voyons tous les jours des cas où la propagation du son audible dépend du matériau sur lequel il frappe. Dans le cas des ultrasons, la vitesse du son dépend aussi du fluide excité par les ondes sonores. Or, non seulement le type de fluide et sa densité ont une influence sur les ondes sonores, mais aussi la température, la pression, les bulles de gaz et les substances solides. Parmi les limitations à prendre en compte lors de l’utilisation d’un débitmètre à ultrasons pour déterminer la vitesse et le volume, on trouve :

- Elle n’est pas adaptée aux matériaux non homogènes, solides en vrac, boue, etc.
- Elle n’est adaptée qu’aux petites quantités de corps étrangers dans le fluide, comme les bulles de gaz et les substances solides.
- Dans la méthode de mesure double, la densité, la température et la pression du fluide ont une influence sur le résultat de la mesure.
- Une section d’amortissement ou une mesure de plusieurs points est nécessaire dans des conditions de débit sur écoulement turbulent.
- La plage de mesure de la vitesse du débit est limitée
- Les dépôts faussent le résultat de la mesure

Le débitmètre à ultrasons peut utiliser différents principes de mesure. Parmi ceux-ci, la méthode de la différence du temps de transit s’est imposée et, pour certaines applications, la méthode de mesure double. Avec la méthode du temps de transit, le fluide doit être le plus pur possible, et ne pas contenir de bulles de gaz afin que les ultrasons émis pénètrent dans la section transversale de mesure sans perturbation.

En revanche, la méthode de mesure double nécessite une petite quantité d’impuretés puisque, avec cette méthode, la proportion de l’ultrason émis qui réfléchit les particules est enregistrée puis évaluée. Lorsqu’un débitmètre à ultrasons qui se sert de cette méthode est utilisé, n’oubliez pas que les changements de température, de densité et de pression du fluide répercutent sur le résultat de mesure. Afin d’effectuer des mesures précises, ces variables doivent rester constantes ou être enregistrées et prises en compte séparément.

Ces deux méthodes déterminent la vitesse du débit en utilisant l'effet Doppler. Pour mesurer un profil de débit représentatif, il est important d’installer le débitmètre à ultrasons dans un endroit où le débit est le plus uniforme possible. Le manuel d’utilisation spécifie la longueur que doivent avoir les tronçons du débit, avec des fluides qui s’écoulent sans perturbations, des tuyauteries de départ et de retour, ainsi que celles qui doivent être totalement remplies. Lorsqu’il n’est pas possible d’accéder à des tronçons dans lesquels le fluide s’écoule sans perturbations, ou lorsqu’il est mesuré dans des tuyauteries partiellement remplies et des canaux ouverts, il faudra mesurer dans différents points pour pouvoir définir le profil du débit.

La plage de mesure de la vitesse du débit d’un débitmètre à ultrasons est généralement limitée, aussi bien la supérieure que l’inférieure. Il est fondamental de prendre en compte les vitesses du débit qui peuvent se produire, afin de mesurer correctement les débits faibles et élevés. Les dépôts dans la zone du point de mesure influent aussi le résultat de la mesure. Or, du fait des nombreux avantages de ce principe de mesure, de nouveaux types d’appareils s’utilisant dans toujours plus d’applications, sont sans cesse conçus.