Débitmètres à ultrasons : comment fonctionnent-ils ?

Principe de fonctionnement des débitmètres à ultrasons - Effet Doppler

Cet effet Doppler, également connu sous le nom de décalage Doppler, est un phénomène bien connu dans la vie de tous les jours, que vous pouvez expérimenter lorsque vous entendez passer une ambulance dont les sirènes hurlent. Vous avez peut-être remarqué que le son de la sirène est plus aigu lorsque l’ambulance s’approche de vous (fréquence sonore plus élevée) et qu’il devient soudainement plus grave lorsque l’ambulance passe et s’éloigne de vous (fréquence sonore plus basse). Cela s’explique par le fait que les ondes sonores sont comprimées dans une certaine mesure lorsque l’ « émetteur » se déplace vers vous à une certaine vitesse, ce qui se traduit par une fréquence plus élevée et donc une tonalité plus aiguë. De même, les ondes sonores se dilatent lorsque l’émetteur s’éloigne, ce qui donne une tonalité plus grave.

Un phénomène comparable se produit lors de la mesure de la vitesse du flux sanguin par imagerie par ultrasons. En effet, la fréquence des ondes ultrasonores change lorsque des particules en mouvement, telles que les globules rouges dans le vaisseau sanguin, reflètent ces ondes. Le changement de fréquence étant directement lié à la vitesse des particules reflétées et en mouvement, ce décalage de fréquence permet de mesurer la vitesse d’écoulement des particules réfléchissantes (et en mouvement), et donc du fluide contenant ces particules. Et c’est là que résident les limites de l’effet Doppler pour la mesure du débit des liquides. Ces derniers doivent contenir des particules, solides ou bulles d’air entraînées, qui reflètent les ondes ultrasonores. Cette technique n’est donc pas adaptée pour les liquides exempts de particules.  

Principe de fonctionnement des débitmètres à ultrasons - Principe du temps de transit

Une autre façon classique d’utiliser les ultrasons pour mesurer le débit, qui ne dépend pas des particules présentes dans le liquide, consiste à placer un émetteur d’ultrasons sur un côté du tube contenant du liquide et un capteur positionné en diagonale du tube. Lorsqu’un liquide s’écoule dans le tube, la différence de temps de transit de l’onde ultrasonore entre l’émetteur et le capteur en amont et en aval donne une mesure directe de la vitesse d’écoulement du liquide. Le débit volumique est ensuite calculé grâce à la section connue du tube.

Ce principe se prête mieux aux tubes de grand diamètre et aux gammes de débit plus élevé avec des différences de temps de transit mesurables. Il n’est donc pas adapté aux tubes de petit diamètre et aux faibles débits. En effet, la propagation du son de l’émetteur au récepteur dans un tube de petit diamètre se traduit par une bande temporelle très étroite qui, associée au diamètre plus petit du tube du capteur, rend la mesure plus difficile à déterminer.

S’ils montrent que les (ultra)sons peuvent être utilisés pour mesurer le débit, les principes basés sur l’effet Doppler ou les temps de transit conventionnels ne sont pas adaptés aux fluides sans particules ou aux faibles débits. Pour ce faire, nous avons une autre solution : la technologie des ondes ultrasonores.

2. Technologie des ondes ultrasonores

Comment mesurer le débit de liquides purs (ou non) avec un faible débit pouvant descendre jusqu’à 0,4 l/min ? À cette fin, il convient d’utiliser une technique basée sur la propagation d’ondes ultrasonores à l’intérieur d’un très petit tube droit, sans obstruction ni espace mort, permettant de mesurer de faibles débits.

En pratique, le fluide s’écoule dans le tube. La surface extérieure du tube comporte de multiples disques transducteurs qui créent des ondes ultrasonores par oscillation radiale. Chaque transducteur peut émettre et recevoir, de sorte que tous les trains d’ondes en amont et en aval sont enregistrés et traités. Si l’espacement mutuel entre les transducteurs est suffisant, les différences de temps de transit entre les enregistrements sont suffisamment grandes (de l’ordre de la nanoseconde) pour calculer une vitesse d’écoulement fiable du fluide. Cet effet est également amélioré par une filtration intelligente des ondes sonores parasites. 

4. Applications pour lesquelles les débitmètres à ultrasons sont recommandés

Dans l'industrie de la confiserie : la production de bonbons

Le tube droit contenu dans le capteur, sans obstruction ni espace mort et auto-drainant, répond aux normes sanitaires requises pour le traitement des aliments et des boissons. Il s’agit donc de l’un des domaines d’application du débitmètre à ultrasons ES-FLOW. Ces instruments sont utilisés pour mesurer les quantités de colorant, d’agent aromatisant et d’acide fournis comme additifs à un procédé de production de bonbons à des fins d’amélioration du contrôle de la qualité. 
 

Débitmètres à ultrasons dans les procédés de pulvérisation HVOF

La gamme de débitmètres à ultrasons ES-FLOW est utilisée dans les solutions de pulvérisation HVOF pour appliquer des revêtements qui améliorent la résistance à l’usure, à la corrosion et à la température. Dans le cadre de cette application, l’ES-FLOW permet un meilleur contrôle de la qualité et de l’épaisseur du revêtement par le réglage d’une pompe afin d’obtenir la pression de traitement souhaitée.
 

Débitmètres à ultrasons ES-FLOW dans la production de vaccin à ARNm

Dans le cadre des systèmes de mélange pour la production de vaccins à ARNm, les débitmètres à ultrasons ES-FLOW sont utilisés pour le nettoyage CIP (clean-in-place), afin de pouvoir nettoyer les lignes de traitement avec des agents de nettoyage liquides entre les différents batch.

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