Principe de fonctionnement et étalonnage du débitmètre à ultrasons

Un débitmètre ultrasonore est un débitmètre de type vitesse qui utilise des impulsions ultrasonores pour mesurer le débit d'un fluide. Il offre un fonctionnement sans contact, une large plage de mesure, une grande facilité de portabilité et d'installation, une bonne adaptabilité aux diamètres des tuyaux, une utilisation simple ainsi qu'une numérisation aisée. Il est largement utilisé pour mesurer sur site la vitesse et le débit des gaz et des fluides. Cet article présente les principes de conception des débitmètres ultrasonores les plus couramment utilisés, analyse et évalue l'incertitude de mesure liée à leurs erreurs, et discute des méthodes permettant d'améliorer la précision des mesures sur site.

I. Principe de mesure des débitmètres ultrasonores

Le principe de fonctionnement d'un débitmètre ultrasonore est illustré sur la Figure 1. Deux sondes ultrasonores sont installées : le transducteur A en aval émet des signaux d'impulsions ultrasonores, et le transducteur B en amont les reçoit. Les transducteurs sont montés selon la méthode à étrier externe Z, chacun étant placé sur une face opposée de la canalisation fluide à une distance spécifiée. Le diamètre intérieur de la canalisation est noté d, la vitesse ultrasonore en aval est V, et l'angle θ entre la direction de propagation des ultrasons et la direction d'écoulement du fluide est θ.

2. Analyse de l'incertitude de mesure

Le débit du fluide calculé selon la formule (3) se compose de quatre parties : le diamètre intérieur de la canalisation d, la célérité théorique du son C dans le fluide mesuré, la tangente de l'angle de réfraction de l'onde sonore tanθ, ainsi que la différence de temps Δt entre le passage du fluide dans le sens direct et le sens inverse à travers le transducteur AB. L'analyse de l'incertitude de mesure est la suivante.

1. Évaluation de l'incertitude introduite par la répétabilité de la mesure du diamètre intérieur du tuyau d

Selon la ** norme, le diamètre nominal du tuyau D et l'épaisseur du tuyau s sont uniquement des dimensions nominales approximatives. Le diamètre extérieur du tuyau D et l'épaisseur du tuyau s doivent être mesurés à chaque fois. Par conséquent, cette incertitude comporte deux composantes, à savoir la répétabilité de la mesure de l'objet mesuré et l'incertitude de mesure de l'instrument de mesure utilisé sur site. Selon notre expérience réelle de mesures sur site, l'incertitude relative de mesure du diamètre intérieur du tuyau d est généralement Urel (d) = 0,5 % (k = 2) ; par conséquent, l'incertitude standard introduite par la mesure du diamètre intérieur du tuyau d est :

urel(d) = urel(d) / k = 0,5 % / 2 = 0,25 %

2. Évaluation de l'incertitude introduite par la mesure de la vitesse du son du fluide C, urel(C)

Selon les données techniques, cette incertitude est évaluée comme étant de Classe B. L'incertitude de la mesure de la vitesse du son dans le fluide mesuré est la suivante :

Urel(C) = 0,6 % (k = 2). Celle-ci peut être directement citée :

urel (C) = Urel (C) / k = 0,6 % / 2 = 0,3 %

3. Incertitude introduite par la répétabilité des mesures de la distance l entre les transducteurs A et B

Évaluation de l'incertitude de urel (l) L'incertitude de mesure de la distance l entre le transducteur aval A et le transducteur amont B comprend deux composantes : la répétabilité des mesures de l'objet mesuré et l'incertitude de mesure de l'instrument de mesure utilisé sur site. D'après notre expérience réelle sur le terrain, l'incertitude standard introduite par la répétabilité des mesures de la distance l entre les transducteurs A et B est généralement

Urel(l) = 0,6 % (k = 2) :

Urel(l) = s/k = 0,5 %/2 = 0,25 %

4. Introduction de la différence de temps Δt entre l'écoulement direct et l'écoulement inverse à travers les transducteurs AB

Évaluation de l'incertitude u(Δt) La différence de temps Δt entre l'écoulement direct et l'écoulement en sens inverse à travers les transducteurs AB dans un débitmètre à ultrasons est mesurée en soustrayant le temps t1 de l'impulsion transmise du transducteur A au transducteur B dans la direction d'écoulement direct, et t2 de l'impulsion transmise de B à A dans la direction d'écoulement inverse (voir Figure 1). Selon la formule (1), ses composantes d'incertitude sont principalement déterminées par la distance l entre le transducteur aval A et le transducteur amont B, le diamètre intérieur d du tuyau, ainsi que par la vitesse du son C dans le fluide mesuré. La précision de mesure du temps et de la fréquence est la plus élevée parmi toutes les disciplines de mesure. L'erreur causée par le mesurage du temps d'impulsion du débitmètre à ultrasons peut être négligée. La distance l, le diamètre intérieur d du tuyau et la vitesse du son C dans le fluide mesuré font partie des autres composantes d'incertitude. Par conséquent, l'incertitude u(Δt) introduite par la différence de temps Δt entre les fluides amont et aval traversant les transducteurs AB peut être ignorée.

III. Méthodes pour améliorer la précision des mesures sur site des débitmètres à ultrasons

Dans les mesures sur terrain, la première étape consiste à effectuer une analyse complète des divers facteurs. Ces facteurs ont tous une certaine influence sur les résultats finaux de mesure, comme indiqué ci-dessous.

1. Impact de l'incertitude de la vitesse du son C et méthodes empiriques pour améliorer la précision des mesures sur site

Avant le début des mesures sur site, le milieu à mesurer doit être précisé. Si le milieu est un gaz, il convient de fournir sa composition spécifique, sa température de fonctionnement ainsi que sa pression de fonctionnement. La vitesse du son ultrasonique peut être déterminée en consultant les normes pertinentes à l'aide des informations mentionnées ci-dessus. L'influence de la vitesse du son C du milieu de fonctionnement sur le débitmètre ultrasonique aura peu d'impact sur les résultats de mesure. Si le milieu est un liquide, il convient de préciser le nom spécifique du liquide, la pression de fonctionnement, la température de fonctionnement, la pression de fonctionnement ainsi que la présence de particules en suspension dans le liquide. Le réglage de la vitesse du son doit prendre en compte les effets liés à la température. La vitesse du son dans les solutions aqueuses est supérieure à celle de l'eau, et pour la plupart des fluides, plus la température est élevée, plus la vitesse du son est grande. Lorsque le fluide contient beaucoup de particules (mais restant dans la plage de mesure), deux cas peuvent se présenter : 1. Particules uniformément réparties. Dans ce cas, le signal est relativement stable, ce qui rend difficile sa détection par mesure. Le milieu à mesurer doit préciser l'origine et le type des particules. Une fois le type de particules connu, la vitesse du son dans le fluide peut être ajustée de manière appropriée, et la qualité du signal peut être comparée afin d'obtenir des résultats de mesure plus précis. ② Dans le cas de particules inégalement réparties, l'intensité du signal fluctuera considérablement. Dans ce cas, la meilleure approche consiste à effectuer des mesures sur une longue période et à faire la moyenne des valeurs relevées à plusieurs points présentant une bonne qualité de signal.

2. Distance l entre les transducteurs A et B et diamètre intérieur de la conduite d

L'impact de la répétabilité des mesures et des méthodes pour améliorer la précision des mesures sur site : Lors du choix de la conduite de mesure, sélectionnez une section droite et stable du milieu de travail, éloignée de la vanne de la station de pompage. Si le milieu dans la conduite est liquide, choisissez également une section de conduite moins susceptible de provoquer un dépôt au fond et une accumulation d'air en haut. Effectuez initialement la mesure avec la sonde installée verticalement, puis horizontalement. Si la différence entre les deux mesures est inférieure à l'erreur maximale autorisée du débitmètre ultrasonore, les autres paramètres restant inchangés, passez à la mesure suivante après avoir effectué des réglages supplémentaires des paramètres. Sinon, sélectionnez une autre conduite pour la mesure (si la différence entre les deux mesures dépasse l'erreur autorisée du débitmètre ultrasonore, cela indique que la section de conduite n'est pas entièrement remplie du milieu de travail).

Lors de la définition des paramètres détaillés pour la prochaine mesure, les principaux facteurs influençant la précision de la mesure sont la distance l entre les transducteurs A et B ainsi que le diamètre intérieur d du tuyau. La distance l est généralement mesurée à l'aide d'un mètre en acier ou d'un pied à coulisse en fonction de la distance l. Pour mesurer le diamètre intérieur d du tuyau, un pied à coulisse peut être utilisé directement lorsque le diamètre extérieur du tuyau est petit. Pour les tuyaux plus grands, il est préférable d'utiliser un mètre en acier de précision pour mesurer la circonférence, puis d'en déduire le diamètre. Lors de la mesure de tuyaux présentant des dépôts et un encrassement internes importants, le paramètre s de l'épaisseur du tuyau peut être augmenté et la vitesse du son dans la paroi du tuyau peut être réduite. Lors de la mesure de tuyaux présentant une corrosion interne importante, le paramètre s de l'épaisseur du tuyau peut être diminué, mais la vitesse du son dans la paroi reste inchangée.

Basé sur le principe des débitmètres ultrasonores à temps de transit, cet article analyse et évalue l'incertitude de mesure des erreurs des débitmètres ultrasonores. Fort de l'expérience de plusieurs années de notre institut dans les essais sur site des débitmètres ultrasonores, nous proposons et expliquons plusieurs points clés permettant d'améliorer la précision des mesures sur site des débitmètres ultrasonores.