Les débitmètres à ultrasons, qui sont un type de débitmètre volumétrique, sont des capteurs de débit non intrusifs qui utilisent des vibrations acoustiques pour mesurer le débit d'un liquide. Il en existe deux types : Doppler et temps de transit.
Les débitmètres à ultrasons sont idéaux pour les applications automatisées de traitement des eaux usées ou tout liquide sale conducteur ou à base d'eau, mais ne fonctionnent généralement pas avec l'eau distillée ou l'eau potable. Ces débitmètres sont également idéaux pour les applications où une faible perte de charge, une compatibilité chimique et un entretien réduit sont requis. Modèle I :amp;autoplay=1&showinfo=0">
En 1842, Christian Doppler a découvert qu'un observateur immobile perçoit un son comme ayant des longueurs d'onde plus courtes lorsque sa source se rapproche, et des longueurs d'onde plus longues lorsque sa source s'éloigne.
Ce phénomène, connu sous le nom d'effet Doppler, explique pourquoi le son du klaxon d'une voiture qui s'approche semble monter en fréquence. Lorsque la voiture s'éloigne, la fréquence semble baisser. Les débitmètres à ultrasons Doppler exploitent ce changement de fréquence dans les liquides dits « sales » contenant des discontinuités acoustiques, telles que des particules en suspension, des bulles de gaz entraînées ou des tourbillons de turbulence.
Comment fonctionne un débitmètre à ultrasons ?
La technologie des débitmètres à ultrasons est un moyen sans contact de mesurer la vitesse d'un fluide. Il s'agit de dispositifs À fixation qui se fixent à l'extérieur du tuyau (et s'adaptent à différentes tailles de tuyaux) et permettent de mesurer des liquides corrosifs sans endommager le capteur à ultrasons. Des débitmètres à ultrasons portables sont disponibles pour faciliter les applications industrielles.
Les deux types de débitmètres à ultrasons, Doppler et à temps de transit, fonctionnent chacun selon deux technologies différentes. Le débitmètre à ultrasons Doppler doit disposer de particules ou de bulles pour réfléchir les signaux ultrasonores. Il faut tenir compte des limites inférieures de concentration et de taille des solides ou des bulles, et le liquide doit s'écouler à un débit suffisamment élevé pour maintenir les solides en suspension.
Lorsqu'il est transmis dans un tuyau contenant un liquide en écoulement présentant de telles discontinuités, un impulsion ou un faisceau ultrasonique se réfléchit sur celles-ci avec un changement de fréquence directement proportionnel au débit du liquide. Ainsi, le débitmètre Doppler à ultrasons calcule le débit du liquide à partir de la vitesse des discontinuités, plutôt qu'à partir de la vitesse du liquide.
Principes de fonctionnement des ultrasons
Le principe de fonctionnement de base utilise le décalage de fréquence (effet Doppler) d'un signal ultrasonique lors de sa réflexion par des particules en suspension ou des bulles de gaz (discontinuités) en mouvement. Cette technique de mesure utilise le phénomène physique d'une onde sonore qui change de fréquence lors de sa réflexion par des discontinuités en mouvement dans un liquide en écoulement. Le son ultrasonique est transmis dans un tuyau contenant des liquides en écoulement, et les discontinuités réfléchissent l'onde ultrasonique avec une fréquence légèrement différente qui est directement proportionnelle au débit du liquide. La technologie actuelle exige que le liquide contienne au moins 100 parties par million (PPM) de particules en suspension ou de bulles de 100 microns ou plus.
Le débitmètre à ultrasons Doppler fonctionne selon le principe de l'effet Doppler, qui est le phénomène physique de changement de fréquence d'une onde sonore. Dans le cas des débitmètres à ultrasons, la fréquence d'un signal ultrasonore change (effet Doppler) en proportion directe du débit du liquide lorsqu'elle est réfléchie par des particules en suspension ou des bulles de gaz (discontinuités) en mouvement.
En général, un débitmètre Doppler à ultrasons se compose d'un émetteur/indicateur/totaliseur et d'un transducteur. L'utilisateur sélectionne une configuration adaptée à l'application, en tenant compte du liquide, de la taille et de la concentration des solides ou des bulles, des dimensions du tuyau et du revêtement intérieur de celui-ci. Le seuil du signal de l'émetteur s'ajuste généralement pour filtrer les bruits mécaniques et électriques.
Un oscillateur haute fréquence dans l'émetteur pilote le transducteur qui, dans la conception courante à fixation, est monté à l'extérieur du tuyau. Le transducteur génère un signal ultrasonique qui traverse la paroi du tuyau pour atteindre le liquide en circulation ; l'émetteur convertit la différence entre ses fréquences de sortie et d'entrée en impulsions électroniques. Traitées, mises à l'échelle et totalisées, les impulsions fournissent une mesure du débit.
Les débitmètres Doppler ultrasoniques qui se fixent à l'extérieur d'un tuyau fonctionnent de manière non invasive, sans pièces mobiles. Ils ne provoquent aucune chute de pression, ne risquent pas d'être endommagés par le liquide traité et ne nécessitent que peu d'entretien. S'ils sont correctement étalonnés, ils peuvent avoir une précision de ±1 % ; cependant, la paroi du tuyau et tout espace d'air entre la paroi et le liquide peuvent générer des interférences de signal. De plus, une paroi de tuyau en acier inoxydable peut conduire le signal transmis au point que le signal réfléchi semble subir un décalage important.
Les débitmètres à ultrasons à temps de transit mesurent la différence de temps entre le moment où un signal ultrasonore est transmis par le premier transducteur et celui où il est reçu par le second transducteur. Une comparaison différentielle est effectuée entre les mesures en amont et en aval. S'il n'y a pas de débit, le temps de propagation sera le même dans les deux sens. Lorsque le débit est présent, le son se déplace plus rapidement s'il se propage dans le même sens et plus lentement s'il se déplace dans le sens opposé.
Un troisième débitmètre à ultrasons utilise la corrélation croisée entre les paires de transducteurs en amont et en aval pour calculer le débit. Certains débitmètres de cette conception utilisent des microprocesseurs pour passer automatiquement du mode « propre » au mode « sale » en fonction de facteurs de corrélation. Un seul débitmètre hybride à corrélation croisée pourrait, par exemple, surveiller le débit de boues activées ou digérées. Des applications soigneusement conçues utilisant de tels débitmètres ont fait état d'une précision installée inférieure à 0,5 % de la lecture.
Choosing the Right Ultrasonic Flow Meter
Les débitmètres à ultrasons sont également idéaux pour les applications où une faible perte de charge et une maintenance réduite sont nécessaires. Un débitmètre Doppler à ultrasons est un débitmètre volumétrique idéal pour les liquides aérés tels que les eaux usées ou les boues. Les débitmètres à ultrasons à temps de transit sont idéaux pour les applications avec des liquides propres tels que l'eau et l'huile.
Il existe trois principaux types de débitmètres à ultrasons. Des facteurs tels que le type de sortie (analogique ou numérique), la taille du tuyau, la température minimale et maximale du processus, la pression et le débit peuvent tous avoir une incidence sur le choix du débitmètre à ultrasons adapté à votre application.
Variantes de conception des débitmètres à ultrasons
Les débitmètres à ultrasons à fixation par serrage sont disponibles en version à capteur unique ou double. Dans la version à capteur unique, les cristaux d'émission et de réception sont encapsulés dans le même boîtier, qui est fixé sur un seul point de la surface du tuyau. Un composé de couplage est utilisé pour connecter le capteur au tuyau par ultrasons. Dans la version à double capteur, le cristal d'émission se trouve dans un boîtier, tandis que le cristal de réception se trouve dans un autre. Les débitmètres Doppler à fixation sont sujets à des interférences provenant de la paroi du tuyau elle-même, ainsi que de tout espace d'air entre le capteur et la paroi. Si la paroi du tuyau est en acier inoxydable, elle peut conduire le signal d'émission suffisamment loin pour que l'écho renvoyé soit suffisamment décalé pour interférer avec la lecture. Il existe également des discontinuités acoustiques intégrées dans les tuyaux en cuivre, revêtus de béton, revêtus de plastique et renforcés de fibre de verre. Celles-ci sont suffisamment importantes pour disperser complètement le signal émis ou atténuer le signal de retour. Cela réduit considérablement la précision du débitmètre (à seulement ±20 %) et, dans la plupart des cas, les débitmètres à fixation ne fonctionnent pas du tout si le tuyau est revêtu.
Comment installer un débitmètre à ultrasons
Les débitmètres Doppler et à temps de transit sont tous deux conçus pour se fixer à l'extérieur d'un tuyau sans rompre la ligne ni interrompre le débit. Cela élimine également les pertes de pression et empêche les fuites, ce qui est courant avec un débitmètre en ligne.
La précision d'un débitmètre à ultrasons dépend d'un montage correct. Des changements de température importants dans le tuyau ou des vibrations importantes peuvent affecter l'alignement des transducteurs et le couplage acoustique avec le tuyau. Dans la plupart des cas, les débitmètres à ultrasons ne fonctionnent pas du tout si le tuyau est revêtu de matériaux tels que le cuivre, le béton, le plastique ou la fibre de verre. Ces facteurs doivent être pris en compte lors de l'installation. De plus, pour fournir un débit volumétrique précis, tous les débitmètres à ultrasons nécessitent des tuyaux pleins.
Applications industrielles des ultrasons
Les débitmètres à ultrasons sont largement utilisés dans diverses applications industrielles et sont idéaux pour de nombreuses applications car ils mesurent le débit à l'aide du son et sont non invasifs. Les débitmètres à ultrasons sont principalement utilisés dans les industries pétrolières et gazières. Ils sont également utilisés dans les industries chimiques, pharmaceutiques, d’aliments et de boissons, métallurgiques, minières, de pâtes et papiers et des eaux usées.
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