Comprendre les débitmètres à ultrasons et son principe de fonctionnement dans la mesure du débit d'eau

La mesure du débit implique la détermination de la quantité de fluide traversant une surface spécifique d'un récipient à un moment donné. Comme toute forme de mesure, il a des applications de la vie quotidienne allant de son utilisation dans la surveillance de la consommation d'eau et de gaz pour l'estimation de la facture à des applications industrielles plus critiques (par exemple, mélange à grande échelle de plusieurs produits chimiques) où la mesure du débit joue un rôle clé dans le maintien de la qualité du processus / produit.

Pour déterminer le débit, des types spéciaux de compteurs appelés débitmètres sont utilisés. Il existe de nombreux types de débitmètres, en raison des diverses exigences en matière de mesure de débit (linéaire / non linéaire, débit massique / volumétrique, etc.). Les compteurs varient les uns des autres en fonction de différents facteurs, notamment; la technique de mesure qu'ils appliquent, les paramètres d'écoulement spécifiques qu'ils surveillent, le volume de fluide qu'ils peuvent suivre et leurs attributs physiques pour n'en citer que quelques-uns. Le YFS201 est un capteur de débit d'eau populaire, que nous avons précédemment utilisé pour mesurer le débit d'eau à l'aide d'Arduino et calculer le débit et le volume dispersés.

Certains des types / catégories de débitmètres comprennent: Turbine, Vortex, Masse thermique, Magnétique, Engrenage ovale, Roue à aubes, Coriolis, Débit massique, Débit faible et Ultrasons qui font l'objet de cet article. Les débitmètres à ultrasons fournissent un moyen non invasif et très fiable de déterminer la quantité de fluide circulant dans un récipient et ils ont trouvé des applications dans différentes industries, du pétrole et du gaz aux fournisseurs de services publics.

Pour cet article, nous examinerons tout ce qui concerne le débitmètre à ultrasons, leur fonctionnement, leurs avantages et leurs inconvénients.

Le débitmètre à ultrasons

Comme son nom l'indique, le débitmètre à ultrasons, l'un des débitmètres les plus utilisés, est un dispositif non intrusif qui calcule le débit volumique du fluide en mesurant sa vitesse par ultrasons. Il peut mesurer le débit de fluide dans pratiquement tous les fluides où les ondes sonores peuvent se transmettre. Ce type de débitmètre est généralement considéré comme «hybride» car il peut soit utiliser le principe Doppler ou la méthode du temps de transit pour mesurer le débit, nous aborderons les deux principes plus loin dans cet article. Notez que ces débitmètres sont également appelés débitmètres Doppler s'ils fonctionnent selon le principe doppler.

Les débitmètres à ultrasons sont les plus idéaux pour les applications d'eau où une faible perte de charge, un faible entretien et une compatibilité chimique sont nécessaires. Ils ne fonctionneront généralement pas avec de l'eau potable ou distillée mais conviennent aux applications d'eaux usées ou aux liquides sales conducteurs. Ils sont utilisés avec des liquides abrasifs et corrosifs car ils n'obstruent pas le liquide circulant dans les canalisations.

Principe de fonctionnement du débitmètre à ultrasons

Les débitmètres à ultrasons utilisent les principes de l'écho et de la variation de la vitesse du son à travers différents milieux pour mesurer le débit. Les compteurs contiennent généralement deux transducteurs à ultrasons, l' un faisant office d'émetteur et l'autre de récepteur. Les deux transducteurs pourraient être montés côte à côte ou à un angle l'un de l'autre sur des côtés opposés du navire. Le transducteur émetteur émet des impulsions sonores de la surface du capteur vers le fluide et il est reçu par le transducteur désigné comme récepteur. Le temps nécessaire à l'impulsion sonore pour se déplacer de l'émetteur au récepteur, appelé temps de transit, est ensuite estimé et utilisé pour déterminer le débit et d'autres paramètres.

Pour la seconde configuration, avec l'émetteur et le récepteur placés côte à côte, l'émetteur émet l'impulsion sonore tandis que le récepteur surveille le temps nécessaire pour recevoir un écho de la transmission.

Quelle que soit la configuration du capteur, la mesure avec différence de temps de transit repose sur le fait que; les ondes sonores se propageant dans le sens d'écoulement du milieu se déplacent plus rapidement que les ondes se propageant contre la direction d'écoulement du milieu. Ainsi, la différence de temps de transit est directement proportionnelle à la vitesse d'écoulement du milieu et ce principe est utilisé pour mesurer avec précision le volume de gaz et de liquides et également pour en déduire la densité et la viscosité.

Bien que les deux méthodes ci-dessus soient les plus couramment utilisées, différents débitmètres à ultrasons utilisent une version modifiée de celle-ci, en fonction du type de liquide et de la mesure à effectuer. L'image ci-dessous du compteur d'eau à ultrasons illustre la façon dont les transducteurs en amont et en aval sont placés à l'intérieur d'un tuyau de capteur avec certains réflecteurs pour une conception de débitmètre d'eau. La configuration matérielle réelle de celui-ci est également indiquée avec les deux transducteurs marqués.

Calcul du débit à l'aide de capteurs de débit à ultrasons

Pour mieux comprendre les aspects techniques derrière cela, considérez l'image ci-dessous qui présente la première configuration avec les transducteurs émetteur (TA) et récepteur (TB) montés à un angle opposé l'un à l'autre;

Laisser le temps nécessaire à une onde acoustique pour se déplacer de l'émetteur au récepteur, c'est-à-dire dans le sens d'écoulement du milieu, être T _{A –B}, et le temps qu'il faut pour qu'elle passe du transducteur récepteur au transducteur émetteur, c'est-à-dire à contre-courant du sens d'écoulement T _{B –A}.

La différence des deux temps de transit est directement proportionnelle à la vitesse moyenne d'écoulement, v _m du milieu ie;

T _{B –A} - T _{A –B} = v _m ------------- Équation 1

Puisque le temps de transit du signal est la distance entre le transducteur émetteur et l'émetteur récepteur divisée par la vitesse dont le signal acoustique a besoin pour se déplacer d'un transducteur à l'autre, nous avons

T _{A –B} = L / (C _AB + v * cosα) -------------- Équation 2

Et;

T _{B –A} = L / (C _BA - v * cos α) --------------- Équation 3

Les équations 2 et 3 définissent le débit entre le transducteur A en amont et le transducteur B en aval. où;

v = vitesse d'écoulement du milieu, L = longueur du trajet acoustique, c = vitesse du son dans le milieu, et alpha «α» est l'angle par rapport au tuyau auquel le son ultrasonore se propage de l'émetteur au récepteur.

En supposant que la vitesse du son dans le milieu est constante (c'est-à-dire aucun changement de paramètres comme la densité du fluide, la température, etc.), nous avons;

(L / (2 * cos)) * (T _{B – A} - T _{A – B}) / (T _{B – A} x T _{A – B})

en multipliant la vitesse moyenne avec la section transversale du tuyau, nous obtenons le débit, Q comme;

Q = (π * D ³) / (4 * sin 2α) * (T _{B – A} - T _{A – B}) / (T _{B – A} x T _{A – B})

La section transversale du tuyau est constante pour un débitmètre à ultrasons en ligne avec le diamètre D.

La mise en œuvre de ces équations sans variables telles que la densité, la température, la pression, la vitesse du son et d'autres caractéristiques définies par le média / fluide, présente les raisons derrière la polyvalence et la précision des débitmètres à ultrasons.

Avantages / importance des compteurs à ultrasons

Les principaux avantages des débitmètres à ultrasons doivent être leur nature non invasive et leur capacité à travailler avec tout type de fluide (car la densité et la vitesse du son dans les fluides n'ont pas d'importance). Diverses substances (y compris des produits chimiques, des solvants, des huiles, etc.) aux propriétés différentes sont transportées et distribuées chaque jour par des systèmes de canalisations avec la nécessité de surveiller leur débit. La nature non invasive des débitmètres à ultrasons en fait des compteurs parfaits dans des situations comme celle-ci. C'est pourquoi ils trouvent des applications dans différents secteurs industriels, des industries liées à la chimie à l'agroalimentaire, au traitement de l'eau et au secteur pétrolier et gazier.

Désavantages

L'inconvénient majeur des débitmètres à ultrasons doit être leur prix. En raison de la complexité de leur conception, les débitmètres à ultrasons sont généralement plus chers que les compteurs mécaniques ou autres, car ils nécessitent plus d'efforts et de composants,

Outre la complexité de conception et le coût, les débitmètres à ultrasons nécessitent également un niveau d'expertise lors de l'installation / de la manipulation par rapport à la plupart des autres types de compteurs.

Top débitmètres à ultrasons sur le marché

Alors que le marché mondial des débitmètres à ultrasons devrait atteindre 2 milliards USD d'ici 2024, le marché a connu une forte croissance au cours des dernières années, grâce à ses applications dans de nombreux secteurs aujourd'hui et à l'introduction de certaines variantes nouvellement améliorées. De nombreux fabricants ont développé des débitmètres à ultrasons dotés d'une technologie de pointe pour améliorer la précision de la mesure. Comme ce compteur répond à des solutions spécifiques à l'industrie, les derniers développements devraient stimuler le marché pendant les périodes de prévision. Les principaux débitmètres à ultrasons du marché comprennent:

Débitmètres à ultrasons Sonic-View: Le sonic-view, l'une des meilleures solutions pour mesurer les faibles débits de liquide, fonctionne sur le principe du temps de transit. Les transducteurs ne sont pas en contact avec le fluide et aucune pièce mobile n'est utilisée dans les instruments. Des caractéristiques imbattables telles que de faibles coûts de possession, des années de fonctionnement sans entretien, des transducteurs protégés, un cycle de vie d'un compteur robuste et sa nature insensible aux pics de pression et aux particules, tous contribuent à la raison pour laquelle le débitmètre à ultrasons à vision sonique est l'un des meilleures solutions sur le marché des compteurs.

Compteurs d'eau à ultrasons Shmeters: Dans diverses conditions de débit de canalisation, ce compteur d'eau à ultrasons à usage industriel et commercial est capable de marquer des mesures de section de conception avec la plus grande précision de mesure possible. Le compteur est alimenté par batterie et peut fonctionner sans interruption pendant 10 ans avec une seule batterie; sa consommation d'énergie est inférieure à 0,5 mW. Il peut continuer à fonctionner longtemps sans être affecté par les interférences magnétiques. Pendant ce temps, il est très fiable et sensible, une vitesse d'écoulement aussi basse que 0,002 m / s peut être rapidement détectée.

Les débitmètres à ultrasons Sitrans FS: Ils offrent des performances impressionnantes pour une variété de gaz et de liquides car ils peuvent fonctionner indépendamment de la température, de la viscosité, de la conductivité, de la pression, de la densité et dans les conditions les plus difficiles. Le Sitrans FS220 se targue d'être la meilleure solution de sa catégorie pour des mesures de débit simples, car ses possibilités semblent infinies.

Dans les applications grand public en particulier, les compteurs à ultrasons sont de plus en plus améliorés par des technologies telles que LoRa, qui permet aux autorités municipales et connexes de surveiller à distance des éléments tels que la consommation de gaz et d'eau. La nature de faible puissance du support de communication permet à ces compteurs de durer plus de 5 ans avec une seule charge de batterie, bien plus que ce qui peut être réalisé avec des compteurs mécaniques.