Qu’est-ce qu’un débitmètre à ultrasons ?
Un débitmètre à ultrasons est un débitmètre qui utilise des vibrations acoustiques provoquées par des ondes ultrasoniques. Il a la particularité de mesurer sans contact avec l’objet à mesurer.
Deux méthodes sont disponibles : la méthode de la différence de temps de propagation et la méthode Doppler. Les débitmètres à ultrasons ont une structure simple, sans perte de pression puisqu’il n’y a pas d’obstruction dans la conduite. Ils sont moins sujets aux pannes, ont une large plage de mesure, ne sont pas affectés par la densité ou la viscosité du fluide et ont une grande précision.
Les débitmètres à ultrasons sont également des appareils à pince. Ils peuvent donc être montés à l’extérieur de la conduite et peuvent mesurer des fluides corrosifs sans que le capteur ne soit corrodé.
Utilisations des débitmètres à ultrasons
Les débitmètres à ultrasons sont utilisés pour mesurer le débit de gaz, de liquides et de solides se déplaçant dans des conduites. En particulier, ils sont souvent utilisés pour contrôler le débit des fluides dans les installations de traitement de l’eau et les usines.
Parmi les débitmètres à ultrasons, la méthode de la différence de temps de propagation ne peut pas garantir la précision de la mesure si des solides ou des bulles sont mélangés. C’est pourquoi ils sont utilisés pour mesurer des fluides d’une grande pureté, par exemple pour gérer le débit des produits chimiques dans les usines de semi-conducteurs. En revanche, la méthode Doppler utilise des substances solides et des bulles dans le fluide pour mesurer le débit. Elle est donc utilisée pour mesurer le débit des fluides en suspension, par exemple les boues et les eaux usées.
Les débitmètres à ultrasons, qu’il s’agisse de la méthode du temps de propagation ou de la méthode Doppler, sont des dispositifs à pince qui se fixent et se détachent de l’extérieur de la tuyauterie et qui transmettent et reçoivent des ondes ultrasoniques depuis l’extérieur de la tuyauterie. Cela signifie qu’il n’y a pas d’obstruction dans la tuyauterie, que la perte de pression est nulle, que la construction simple rend le dispositif difficile à démonter et qu’il n’est pas affecté par la densité ou la viscosité du fluide. De plus, comme il n’est pas nécessaire de placer des capteurs ou d’autres composants à l’intérieur de la tuyauterie, les fluides corrosifs peuvent également être mesurés sans entraîner la corrosion des composants.
Principe des débitmètres à ultrasons
Les débitmètres à ultrasons sont disponibles sous forme de débitmètres à propagation temporelle et de débitmètres à effet Doppler, chacun ayant une configuration différente.
1. Débitmètres à ultrasons à propagation temporelle
Les débitmètres à ultrasons à temps de propagation sont également connus sous le nom de débitmètres à ultrasons à temps de transit. Les débitmètres à ultrasons à temps de propagation sont aujourd’hui le type de débitmètres à ultrasons le plus courant. Les débitmètres à ultrasons à temps de propagation sont configurés pour transmettre et recevoir des ondes ultrasoniques en diagonale sur le fluide, d’amont en aval et inversement dans la canalisation.
Si le fluide n’est pas en mouvement, la vitesse à laquelle les ondes ultrasonores se propagent lorsqu’elles sont transmises dans le sens direct est la même que la vitesse à laquelle elles se propagent lorsqu’elles sont transmises dans le sens inverse. En revanche, si le fluide est en mouvement, la vitesse de propagation des ultrasons transmis dans le sens direct est égale à la vitesse plus la vitesse du fluide.
En revanche, la vitesse de propagation des ondes ultrasonores transmises dans le sens inverse est la vitesse de propagation moins la vitesse du fluide. En d’autres termes, avec les débitmètres à ultrasons à différentiel de temps, la vitesse du fluide est calculée à partir de cette différence de vitesse, à partir de laquelle le débit est calculé.
En raison de cette structure et de ce principe, les débitmètres à ultrasons à différentiel de temps ont une grande précision dans la mesure des débits. Toutefois, en présence de solides ou de bulles dans le liquide, la précision de la mesure ne peut être maintenue et la mesure n’est pas possible.
2. Débitmètres à ultrasons Doppler
Les débitmètres à ultrasons Doppler utilisent l’effet Doppler. L’effet Doppler est illustré par le phénomène selon lequel le son d’une sirène d’ambulance est entendu différemment selon que l’on s’approche ou que l’on s’éloigne. Ce phénomène est dû au fait que la longueur d’onde apparente des ondes sonores change lorsque la source du son s’approche et s’éloigne de l’observateur.
Les débitmètres à ultrasons de type Doppler utilisent un transducteur pour émettre des ondes ultrasoniques dans le fluide qui s’écoule à l’intérieur de la conduite. Ils utilisent le phénomène de réflexion des ondes ultrasoniques par les grains et les bulles dans le fluide. Les ondes ultrasoniques sont alors reçues à une longueur d’onde, ou fréquence, décalée par les réflexions des grains et des bulles. Comme le changement de fréquence des ondes ultrasoniques a une relation linéaire avec la vitesse d’écoulement, le débit peut être calculé à partir de la vitesse d’écoulement.
Autres informations sur les débitmètres à ultrasons
1. Problèmes liés aux bulles dans les débitmètres à ultrasons à propagation différentielle dans le temps
Lors de la mesure des débits de gaz et de liquide avec un débitmètre à ultrasons à propagation temporelle, les valeurs mesurées sont affectées par la distribution de la vitesse dans le système, de sorte que l’amont du débitmètre doit être rectifié. En particulier lorsque la vitesse d’écoulement du fluide est élevée, la cavitation est susceptible de se produire en amont de l’appareil de mesure et dans le système. Lorsque la cavitation se produit, il est facile de générer ou de mélanger des bulles d’air dans le fluide, qui ne peuvent pas être mesurées avec précision à l’aide d’un débitmètre à ultrasons à différence de temps de propagation.
L’installation d’un réservoir de séparation gaz-liquide en amont de l’appareil constitue une contre-mesure contre ces bulles. Cependant, les équipements existants doivent être modifiés et les coûts sont un inconvénient. Ces dernières années, des débitmètres à ultrasons ont donc été développés avec une fonction permettant de mesurer le débit en annulant les données issues du passage des bulles d’air.
2. Avantages des débitmètres à ultrasons à pince
Il existe des débitmètres volumétriques, des débitmètres à turbine et des débitmètres à cellule de flux, qui nécessitent tous l’installation d’un composant de détection dans la tuyauterie pour mesurer le débit du fluide dans la tuyauterie. Pour les nouvelles installations, l’emplacement du débitmètre peut être déterminé au stade de la conception et les spécifications peuvent être finalisées.
Cependant, dans le cas d’installations existantes, des modifications de la tuyauterie sont souvent nécessaires, ce qui peut être fait au moment de l’arrêt de l’équipement. Par exemple, l’installation d’un débitmètre à pression différentielle ou d’un débitmètre à turbine dans une installation existante nécessite de couper la tuyauterie.
En revanche, les débitmètres à ultrasons à pince présentent l’avantage de ne pas nécessiter de travaux de tuyauterie et de pouvoir être installés facilement dans des installations existantes.