Débitmètres à ultrasons

Débitmètres à ultrasons : aperçu, principes et applications

Aperçu

Les débitmètres à ultrasons mesurent la vitesse d'un fluide en analysant la façon dont les ondes ultrasonores se propagent à travers les milieux en mouvement. Selon la méthode de détection, ils sont classés en :

Méthodes de temps de vol (TOF) (différence de temps directe, différence de phase, différence de fréquence)

Méthode Doppler

Méthode de déviation du faisceau

Méthode de corrélation du bruit

Grâce aux progrès des circuits intégrés, les débitmètres à ultrasons ont été largement adoptés dans les applications industrielles au cours des dernières décennies.

Avantages

Mesure non intrusive

Pas de pièces mobiles → pas de chute de pression ni de perturbation de l'écoulement

Convient aux grands tuyaux, aux canaux ouverts et aux fluides difficiles d'accès

Peut mesurer les fluides corrosifs, non conducteurs, radioactifs et inflammables

Large applicabilité

Plage de diamètres de tuyaux : 2 cm à 5 m

Peut mesurer les liquides et les gaz

Modèles portables disponibles pour les mesures temporaires (par exemple, prise d'eau de turbine dans les centrales électriques)

Rentable pour les grands tuyaux

L'installation ne dépend pas de la taille du tuyau (contrairement aux débitmètres mécaniques)

Pas de dérive d'étalonnage due aux changements de température, de pression ou de viscosité

Polyvalence dans les milieux difficiles

La méthode Doppler peut mesurer les boues, les eaux usées et les écoulements diphasiques

Les méthodes de temps de vol offrent une grande précision pour les liquides propres

 

Inconvénients

Limitations de température

Limitée par le matériau du transducteur et les adhésifs de couplage (généralement <200 °C)

Le manque de données de vitesse acoustique à haute température affecte la précision

Traitement complexe du signal

La vitesse du fluide (~ m/s) est infime par rapport à la vitesse du son (~ 1 500 m/s)

Nécessite une électronique de haute précision (précision de 10⁻⁵ à 10⁻⁶)

Dépendance au fluide

La méthode Doppler nécessite des réflecteurs (par exemple, bulles, particules)

Les méthodes de temps de vol nécessitent des fluides propres et homogènes

Exigences d'installation

Des sections droites de tuyaux sont nécessaires pour éviter les distorsions du profil d'écoulement

Problèmes de couplage dans les tuyaux corrodés ou chemisés

 

Principes de base

Un débitmètre à ultrasons se compose de :

Transducteurs – Convertissent l'énergie électrique en ondes ultrasonores (et vice versa) à l'aide d'éléments piézoélectriques (par exemple, PZT).

Circuits de traitement du signal – Mesurent les différences de temps (TOF) ou les décalages de fréquence (Doppler).

Unité d'affichage/de sortie – Affiche le débit instantané et cumulé.

Technologies clés

Transducteurs piézoélectriques : disques minces (rapport diamètre/épaisseur de 10:1) en zirconate de plomb-titane (PZT).

Coins acoustiques : fabriqués en PMMA (acrylique) ou en caoutchouc pour diriger efficacement les ondes dans le fluide.

Modes de mesure :

Configurations Z/V/X : optimisent le trajet du signal pour la taille du tuyau.

Capteurs à pince ou mouillés : compromis entre commodité et précision.

 

Utilisations industrielles

Eau et eaux usées : débit des rivières, traitement des eaux usées.

Pétrole et gaz : eau produite, injection de produits chimiques.

Énergie : eau de refroidissement, systèmes de vapeur.

CVC : eau glacée, surveillance des réfrigérants.

 

Tendances futures

Capteurs à haute température : au-delà des limites de 200 °C.

Traitement du signal assisté par l'IA : compensation des erreurs de profil d'écoulement.

Systèmes hybrides : combinaison de Doppler et de TOF pour une plus grande compatibilité des fluides.

Les débitmètres à ultrasons sont idéaux pour les mesures économes en énergie et non invasives, mais une sélection appropriée (Doppler par rapport à TOF) et une installation correcte sont essentielles pour des performances optimales.