Les techniques traditionnelles de mesure de débit nécessitent l'emploi d'organes mécaniques placés à l'intérieur de la conduite (turbines, diaphragmes, venturi, tube de Pitot etc.). Ceux-ci peuvent parfois poser de sérieux problèmes d'utilisation : faible plage de mesure, fragilité de l'organe mécanique en cas de survitesse ou de présence de solides, usure provoquant une dérive, voire l'impossibilité de la mesure, corrosion de l'élément de mesure.
La technologie ultrasonique a sa place à prendre en matière de mesure de débit dans les conduites en charge. En effet, cette technique de mesure qui utilise la propagation des ultrasons dans les liquides ou dans les gaz est totalement non intrusive. Elle est en constant développement depuis une dizaine d’années du fait de l’évolution de l'électronique et elle permet actuellement d’obtenir des performances similaires à celles des débitmètres électromagnétiques.
Principe de la mesure de débit par ultrasons
L'élément actif du débitmètre à ultrasons est la céramique piézo-électrique. Excitée par une tension de 5 à 100 volts, la céramique émet des ultrasons. L'onde ultrasonore est une onde de pression. Sa vitesse de propagation (célérité) dans un milieu donné est constante. La fréquence et l'angle d’émission sont fonction des dimensions de la céramique. Lorsque la céramique reçoit une onde de pression (onde ultrasonore), celle-ci génère une force électromotrice. Cet élément est donc à la fois émetteur et récepteur.
Les systèmes à effet Doppler
Les systèmes à effet Doppler (figure 1) utilisent la réflexion des ondes ultrasonores sur les particules en suspension dans le liquide. Ce type d’appareil nécessite un émetteur et un récepteur ultrasonore distincts. L’émetteur envoie un signal à fréquence et à amplitude constantes dans le liquide.
Les ultrasons émis sont réfléchis par les particules solides en suspension véhiculées par le fluide. Le décalage entre la fréquence émise et la fréquence réfléchie est fonction de la vitesse de la particule réfléchissante.
Les débitmètres ultrasons à effet Doppler ne mesurent pas directement la vitesse moyenne du liquide. La reproductibilité de la mesure peut être acceptable dans le cas de conditions d'utilisation constantes, cependant la variation des conditions d'utilisation (température, charge, composition chimique) peut provoquer d’importantes erreurs de mesure (de l’ordre de 10 à 15 %).
Les débitmètres ultrasoniques à temps de transit
Un système à temps de transit (figure 2) est constitué d’une paire de céramiques piézoélectriques. Ces sondes sont implantées de part et d’autre de la conduite et constituent un canal de mesure. Celui-ci forme un angle (voisin de 45° dans la plupart des cas) avec l’axe de la conduite. Chaque céramique fonctionne successivement en émetteur puis en récepteur d’ultrasons. Lorsque le fluide s’écoule dans la conduite, le temps de propagation des ondes ultrasoniques (temps de transit) dans le sens du liquide est plus court que le temps de transit à contre-courant. La différence des temps de transit est fonction de la vitesse moyenne du fluide au niveau du canal de mesure et de la célérité (vitesse de propagation du son dans le fluide).
La célérité peut être définie en permanence à partir du temps de transit lorsque la distance entre les deux piézo est parfaitement connue.
Le débit pourra alors être obtenu si le diamètre de la conduite est connu et si la vitesse mesurée au niveau du canal de mesure est égale ou proportionnelle à la vitesse moyenne dans la conduite.
Les appareils à sondes externes accrochables
Les ultrasons se propagent particulièrement bien dans les matières solides (métaux, matières plastiques). Il est donc possible de fixer les sondes de mesure à l’extérieur d'une conduite existante (figure 3). Le contact sondes-conduite est assuré au moyen d’un agent de couplage acoustique (graisse ou gel silicone). Les sondes sont généralement diamétralement opposées (système à un canal de mesure) et forment un angle de 50 à 60° avec l’axe de la conduite. Outre la veine liquide, le faisceau ultrasonore doit donc traverser les deux parois de la conduite. Le positionnement des sondes (distance entre sondes) est défini en fonction des vitesses de propagation du son dans le liquide mesuré et dans les parois de la conduite.
conduite, du diamètre et de l’épaisseur de la conduite.
Préalablement à toute mesure, l’utilisateur doit donc connaître et programmer ces paramètres dans le convertisseur de mesure afin de définir la distance entre sondes (ce calcul est généralement effectué par un logiciel intégré au convertisseur de mesure). La précision de la mesure sera fonction de la bonne connaissance de ces paramètres ci-dessus puis d’une implantation précise des sondes sur la conduite.
Une variation de la vitesse de propagation du son dans le liquide (résultant d’une variation de température ou de la composition chimique du liquide) entraînera une erreur de mesure additionnelle si le logiciel de calcul du convertisseur ne prend pas ce paramètre en compte.
De plus, compte tenu de sa conception en « kit », il est impossible de fournir un certificat d’étalonnage sur banc pour ce type d’appareil.
La précision de la mesure est donc de l’ordre de 1 à 3 %.
L’utilisation à poste fixe d’un système à sondes externes nécessite certaines précautions d’utilisation : l’élément de couplage acoustique sonde-paroi doit notamment être remplacé périodiquement afin d’éviter une diminution due aux intempéries climatiques et aux variations de température du liquide. Cependant cet appareil présente l’avantage d’être totalement non destructif du fait de l’accrochage des sondes à l’extérieur de la conduite ; son application-type est donc le contrôle ponctuel de débit à l’aide d’un appareil portatif et autonome.
Les débitmètres ultrasoniques à manchettes
Dans ces appareils (figure 4), les porte-sondes peuvent être soudés sur une portion de tube équipée de brides (la manchette de mesure). Il est ainsi possible de réaliser une surface d’émission des ultrasons perpendiculaire au canal de mesure. Il ne se produira donc aucune réfraction (déviation du faisceau ultrasonore) dans le cas d’un changement de la vitesse de propagation du son dans le liquide mesuré. L’emplacement des porte-sondes sur le tube est donc indépendant de la nature du liquide mesuré (température, composition chimique).
De plus, la construction du mesureur étant effectuée chez le fabricant (et non réalisée sur la conduite), il est possible d’effectuer un positionnement très précis des sondes de mesure (distance entre sondes et angle du canal de mesure).
La fiabilité et la précision de la mesure de vitesse sera donc excellente pour une très grande dynamique d’échelle : précision meilleure que ± 0,5 % de la valeur mesurée pour une vitesse comprise entre 0,5 et 18 m/s et la vitesse minimale mesurable sera de l’ordre de 0,1 m/s.
La manchette de mesure doit subir un étalonnage volumétrique sur banc afin de garantir à l’utilisateur une précision optimale de la mesure.
Nombre de canaux de mesure et influence du nombre de Reynolds
Définition du nombre de Reynolds
Le nombre de Reynolds est un nombre sans unité, qui permet de définir le profil d’écoulement d’un fluide. Dans le cas d’une conduite en charge, celui-ci est calculé de la façon suivante :
Re = V × D × ρ / η
avec : V = vitesse en m/s, D = diamètre de conduite en m, ρ = masse volumique en kg/m³, η = viscosité en Pa·s.
Systèmes à canal de mesure unique
Dans le cas de systèmes à un seul canal de mesure, les capteurs sont implantés de façon diamétralement opposée sur le tube de mesure (figure …).
2). La vitesse au niveau du canal de mesure n'est égale à la vitesse moyenne dans la conduite que dans le cas d'un régime d'écoulement turbulent (nombre de Reynolds supérieur à 10 000).
La mesure n'est possible que sur des liquides à faible viscosité (eau, solvants). Les applications sur manchettes de faible diamètre (DN 25 mm) et produits visqueux (viscosité supérieure à 5 cP) ne sont donc pas réalisables avec un système à simple tir.
Systèmes à deux canaux de mesure
Les capteurs à deux canaux de mesure (figure 7) généralement constitués de deux lignes parallèles implantées à une distance de 0,25 DN de l'axe de la conduite (figure 2) présentent de réels avantages :
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• fonction réellement multi-liquides
Avec ce positionnement, la vitesse au niveau du canal de mesure est proportionnelle à la vitesse moyenne dans la conduite, que le régime d'écoulement soit turbulent ou laminaire. Ce type de construction permet donc d'obtenir une mesure fiable et précise quelle que soit la viscosité du produit (viscosité maximale 1000 cP pour un DN 200).
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• meilleure précision de la mesure
Deux mesures de vitesse sont effectuées simultanément au niveau de la manchette, permettant ainsi d'obtenir une meilleure image de la vitesse réelle moyenne dans la conduite. La distance entre les perturbateurs d'écoulement (vannes, coudes, pompes…) et l'appareil peuvent ainsi être réduites. La précision de la mesure est améliorée (±0,5 % v.m. pour système à double tir contre 1 % pour système à simple tir).
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• meilleure fiabilité de la mesure
Chaque canal effectue une mesure de la vitesse : la vitesse moyenne est obtenue en effectuant la moyenne des deux mesures. En cas de défaillance sur l'un des canaux, le système exploite automatiquement la mesure restant plausible et délivre un message d'anomalie de fonctionnement. Cette redondance permet d'assurer, dans le cas de sondes extractibles en charge, une réparation de l'appareil sur le site tout en conservant une mesure de débit exploitable.
Les débitmètres ultrasoniques à souder
Ces appareils constituent une version en « kit » des débitmètres ultrasoniques à manchette : le soudage des porte-sondes peut être effectué sur une conduite existante préalablement percée suivant des plans de montage fournis par le fabricant. Le prix de ces appareils est particulièrement avantageux en cas d'installation sur des conduites de gros diamètre (supérieur à 1000 mm).
Le positionnement des sondes et leur alignement correct sont les conditions nécessaires d'une mesure fiable ce qui peut s'avérer d'une mise en œuvre délicate dans le cas de conduites de grands diamètres. Une erreur de positionnement entraînera en effet une forte répercussion sur la précision de la mesure dans le cas d'une faible vitesse du liquide (inférieure à 2 m/s). De plus un étalonnage réel (en comparaison à un volume étalon) est pratiquement impossible à réaliser sur une conduite en charge. Ce type de technologie n'est donc à préconiser pour équiper des conduites de très gros diamètre que lorsque la précision et la fiabilité de la mesure n'est pas un élément primordial du choix.
Précision de mesure obtenue avec des débitmètres à ultrasons à temps de transit
Tous les débitmètres dont la pose est assurée par l'utilisateur (système à sondes externes accrochables, systèmes à sondes à souder) ne peuvent pas subir d'étalonnage sur banc : la précision de la mesure est donc de l'ordre de 1 à 3 % de la valeur mesurée et elle ne peut pas être vérifiée par certificat d'étalonnage.
La précision de la mesure sera fonction de la qualité du montage effectué par l'utilisateur (positionnement et alignement des sondes).
Dans le cas d'un montage correct, la reproductibilité des mesures peut atteindre 0,5 % de la valeur mesurée.
Par contre, les débitmètres à manchette dont la construction complète (soudage des sondes sur le tube de mesure) est effectuée par le fabricant peuvent assurer une excellente précision (figure 5) lorsque l'appareil subit un étalonnage volumétrique sur banc et lorsque les conditions d'installation (longueurs droites amont-aval) sont respectées.
Dans le cas de systèmes à un canal de mesure, cette précision est meilleure que ±1 % de la valeur mesurée pour une vitesse de 1 à 18 m/s, un écoulement turbulent et des diamètres de tube de mesure de 50 à 3000 mm.
Les systèmes à deux canaux assurent une précision inférieure à 0,5 % entre 0,5 et 18 m/s, quel que soit le régime d'écoulement, et pour des diamètres de 25 à 3000 mm.
Maintenance des capteurs de mesure
Les opérations de maintenance sur les manchettes de notre fabrication sont réduites au maximum du fait de la simplicité de la construction du tube de mesure, lequel est constitué de deux ou quatre porte-sondes soudés sur un tube en inox ou en acier. Les ultrasons manchette simple tir (UFM 400) et double tir (UFM 500).
- 1 Tube de mesure
- 2 Support de la sonde
- 3 Sonde active extractible en charge
- 4 Zone d'émission des ondes ultrasons
Les sondes sont montées sur des fixations qui sont soudées au tube de mesure perpendiculairement à l'axe du tube. L'utilisation de joints n'est pas utile et les sondes peuvent être facilement remplacées sans nécessiter de réglage ou d'étalonnage élaboré.
Les céramiques piézo-électriques sont protégées par une fenêtre en acier inoxydable résistant à une pression de 150 bars. Aucun élément de mesure n'est donc mis en contact avec le liquide. En cas de défaillance, les sondes sont extractibles et échangeables en charge (figure 6) et leur remplacement ne nécessite pas le réétalonnage du capteur.
De plus, la construction à deux canaux assure une mesure redondante du débit. Le remplacement d'une céramique peut donc être effectué sans interruption de la mesure.
Contraintes d'installation
Les contraintes d'installation des débitmètres à ultrasons sont réduites et parfaitement compatibles avec les réalités du terrain :
- • longueurs droites : 10 DN capteur amont et 5 DN capteur aval (système à 2 canaux) 15 DN capteur amont et 5 DN capteur aval (système à 1 canal)
- • teneur en particules solides ou en gaz : maximum 1 % du volume total (utilisation possible sur eaux d’irrigation, eaux pré-clarifiées, eaux potables, eau de mer, hydrocarbures légers – essences, solvants – et lourds – pétroles bruts…).
- • indice de protection : IP68 (le capteur peut être installé en zone inondable)
Conclusion
Contrairement aux systèmes à effet Doppler, les débitmètres ultrasoniques à temps de transit peuvent assurer une mesure fiable et précise du débit dans les conduites en charge.
Les débitmètres à sondes accrochables présentent l'intérêt d'être mobiles et portatifs. Ils peuvent donc assurer avec efficacité une mesure temporaire du débit pour accompagner des actions de contrôle ponctuel de débit ou de remplacement provisoire d'un débitmètre défaillant.
Les débitmètres ultrasoniques à manchettes sont des appareils à utiliser à poste fixe. Leur précision de mesure doit être garantie par certificat d'étalonnage afin d’assurer à l'utilisateur une fiabilité maximale. Ces appareils à tube droit et sans élément de mesure en contact avec le liquide suppriment tout risque d'usure au niveau du tube de mesure ainsi que toute possibilité de dérive de la mesure.
Du fait des diverses versions actuellement disponibles, ces appareils s'adaptent aisément aux exigences de la plupart des secteurs industriels tels que la chimie et la pétrochimie, l'industrie de l'eau, l'industrie nucléaire et l'industrie automobile, etc.
Nos débitmètres ultrasoniques à manchettes répondent dans tous les cas à la triple exigence industrielle de précision, de fiabilité de la mesure et de sécurité d’utilisation.
