By akademiotoelektronik, 22/01/2023

Débitmétrie ultrasons : Des appareils plus précis et plus adaptés aux besoins des exploitants

Dans le domaine de l’eau, deux types d’applications prédominent en débitmétrie : les écoulements en conduite pleine, et les écoulements à surface libre (cours d’eau, canaux, canalisations d’eaux usées). La sélection d’un débitmètre repose sur de nombreux paramètres dont les propriétés du fluide et les caractéristiques de l’environnement de la mesure : configuration amont/aval de la section de mesure, taille et matériau de la conduite, respect de la symétrie axiale du champ des vitesses…etc.

Les débitmètres électromagnétiques (DEM) mesurent les fluides dont la conductivité est supérieure à 1 μS/cm. Selon le principe de la loi d’induction de Faraday, le champ électrique créé autour de l’écoulement induit une force électromagnétique directement proportionnelle à la vitesse d’écoulement du fluide. Très précis, ces appareils disposent d’une très bonne plage de mesure et fonctionnent sans pièce mobile. Ils s’adaptent à n’importe quel diamètre de tuyauterie par l’intermédiaire d’une manchette sans provoquer de perte de charge. La technologie électromagnétique occupe une part prédominante sur les petits et moyens diamètres. David Cohen, président d’Engineering Mesures, fixe le seuil limite de la dynamique électromagnétique autour du DN 300 mm. « La bascule entre un ultrason et un électromagnétique se situe aux alentours du DN 300 mm. Un DEM est essentiellement dépendant du diamètre. Même s’il n’y a pas de proportionnalité, plus le diamètre est important, plus le coût d’installation de la manchette est élevé. C’est la raison pour laquelle la technologie électromagnétique est prédominante en nombre d’appareils mais pas forcément en part de marché en euros ».

Les débitmètres massiques à effet Coriolis permettent de mesurer simultanément différentes variables : le débit massique, la densité, la température, la viscosité d’un produit et la teneur en matière sèche, avec une plage d’incertitude de l’ordre de 0,1 %. Le principe de la mesure repose sur la force de Coriolis qui est générée lorsqu’un système subit simultanément des mouvements de rotation et de translation. Un débitmètre Coriolis dispose de tubes oscillants pour générer cet effet. Le passage du fluide en fonction de sa masse et de sa vitesse va exercer une déformation d’un ou plusieurs tubes. Si les avantages de la mesure massique résident dans la variété des applications et son insensibilité aux environnements changeants et hostiles, la technologie reste cependant inadaptée aux faibles pressions et limitée aux diamètres DN400.

Introduite il y a plus de 40 ans dans le domaine de l’eau, la débitmétrie ultrasonique repose sur l’utilisation de capteurs à la fois émetteurs et récepteurs. La technologie se divise entre les ultrasons dits à temps de transit (ou temps de vol) et ceux à effet Doppler, à privilégier si le liquide est chargé ou en présence de bulles de gaz. Dans le premier cas, un faisceau d’ultrasons est envoyé d’une sonde à une autre avec un certain angle par rapport au flux. L’onde sonore émise dans le sens de l’écoulement aura un temps de parcours plus court que celle émise en sens inverse. Cette différence est directement proportionnelle à la vitesse d’écoulement. Dans le deuxième cas, la vitesse d’écoulement du liquide est assimilée à la vitesse des particules présentes dans le fluide. Cette dernière est mesurée en comparant la variation de fréquence de l’onde réfléchie sur la particule par rapport à l’onde émise.

Temps de transit ou effet Doppler, les deux technologies reposent sur des capteurs à insertion ou externes. Dans ce dernier cas, ils sont montés à l’extérieur de la conduite et peuvent être installés sans interruption du process.

Privilégier l’application et le besoin du client

Comme toujours en métrologie, le résultat et la précision de la mesure dépendent de l’adéquation de l’appareil avec le besoin exprimé. « L’appareil universel n’existe pas, pas plus que l’appareil parfait, estime David Cohen chez Engineering Mesures. Le bon choix résulte souvent d’un compromis ».

Du fabricant au distributeur, les alternatives et conseils se multiplient pour aider l’exploitant à faire son choix.

Ainsi, soucieux de tirer le meilleur parti de chaque technologie, des fabricants comme Krohne, Endress+Hauser, Siemens ou Fuji Electric, proposent un choix élargi d’appareils reposant sur des principes de mesure diversifiés. C’est également le cas de Kobold Instrumentation, TH Industrie, RS Hydro ou Engineering Mesures, qui se sont efforcés de construire une offre de débitmètres la plus large possible pour accompagner l’exploitant dans la sélection de la technologie la plus adaptée à son application. « A l’inverse d’un fabricant qui sera tenté de pousser les technologies qu’il maîtrise, notre approche consiste à sélectionner, sans a priori, la technologie la plus appropriée », explique ainsi David Cohen chez Engineering mesures. Même propos tenu par Stéphane Coupeau de TH Industrie. Nous ne sommes pas prisonniers d’une technologie. Face à la variété des problématiques rencontrées, la diversité des fluides à mesurer et la spécificité de chaque application, nous procédons par élimination. Nous nous rendons sur le site, nous identifions les exigences de l’installation et nous éliminons les principes de mesure qui ne sont pas compatibles avec le projet, ainsi que ceux dont le principe de fonctionnement se situent trop près des limites des possibilités de l’appareil ». Au-delà du principe de mesure, la diversité de l’offre s’exprime également au travers des fonctionnalités de l’instrument. Engineering Mesures distribue ainsi Siemens pour les applications les plus exigeantes et Micronics pour les applications plus simples. « On doit pouvoir fournir des solutions adaptées à toutes les applications, mêmes les plus simples, sans pour autant imposer à l’exploitant des fonctionnalités dont il n’a pas besoin, explique David Cohen. C’est l’application qui doit guider le choix de l’instrument, pas la technique, ni la marque ».

Approche similaire chez Kobold Instrumentation et TH Industrie. « Grâce à nos nombreuses technologies de mesure ainsi qu’à la grande variété de matériaux disponibles, nous sommes à même de définir de façon optimale la solution la plus adaptée à la mesure de liquides dans toutes les conditions de pression ou de température et pour toute échelle de débit. Il est ainsi possible de répondre au mieux au besoin du client », confirme Jacques Marionneau, directeur général chez Kobold Instrumentation.

La diversité des approches crée des complémentarités appréciables pour l’exploitant. Plus qu’une relation de concurrence, la relation entre fabricants et distributeurs intègre davantage une dimension de coopération et de services.

Pour TH industrie, sur de très grosses installations, la technologie ultrasons mérite de faire intervenir les équipes de son constructeur Systec, car pour obtenir des mesures fiables, il faut soigner les études, la modélisation, réaliser un bon profil de canal. La priorité restant la relation avec l’exploitant.

Temps de transit ou effet doppler : à chaque techno son champ d’applications

Reconnue pour l’exhaustivité de sa gamme de débitmètres à ultrasons et pour son expertise dans la gestion de projets hors standard, Ultraflux revendique son rôle de précurseur dans l’instrumentation ultrasonore. L’entreprise affiche une vingtaine de solutions basées sur le principe de différence des temps de transit ultrasonores allant de la mesure de débit non intrusive à la mesure intrusive, permanente ou ponctuelle, sur tout type de fluides et à travers tout type de matériaux. « Dans le domaine des ultrasons par temps de transit, nous sommes les seuls à proposer à la fois des débitmètres pour conduites en charge, sur écoulements à surface libre (canal ouvert, petite rivière ou conduite partiellement remplie), des sondes externes ou “clamp-on”, et des sondes intrusives et sondes mouillées » explique Laurent Bonfils, directeur commercial chez Ultraflux. Pour ce spécialiste, la technologie par temps de transit est la seule technique non intrusive qui permet de faire une mesure de débit robuste sur la section complète d’un tuyau, d’une rivière ou d’un canal. Elle offre une grande dynamique de diamètres et de mesures sur des petits et gros débits, de bons résultats en étiage comme en crue ; elle prend en compte différents profils de vitesse allant jusqu’à 8 cordes, et grâce à la précision des appareils permet de mesurer des deltas de temps en nanosecondes. « Nous sommes cependant toujours très prudent quand il s’agit d’eaux très chargées. En fonction de la granulométrie, de l’aération à 20/25 g/l, nous préconisons un essai avant validation. Pour des eaux chargées ou très aérées, nous touchons aux limites du temps de transit. C’est là que l’effet Doppler prend éventuellement le relais. Il offre toutefois de moins bonnes précisions ». Les débitmètres à effet Doppler sont en effet bien placés pour mesurer l’écoulement de liquides comportant des réflecteurs de sons, des particules en suspension (à partir de 5 %) ou des bulles de gaz (supérieures à 100 microns). Grâce à des capteurs piézoélectriques situés dans le transducteur et au niveau de l’extrémité de la sonde, le débitmètre envoie des ultrasons dans le liquide en écoulement au travers de la paroi de la conduite ou depuis l’extrémité. En suspension dans le liquide, les réflecteurs réfléchissent ces ultrasons qui sont alors enregistrés par le récepteur. Lorsqu’ils se déplacent sur le trajet de transmission sonore, la différence entre les deux fréquences aboutit à la conversion du débit de liquide en différentes unités définies par l’utilisateur.

Les débitmètres à effet Doppler de la gamme IQ™ ne nécessitent aucun génie civil. « Que ce soit dans des canaux ouverts ou dans des conduites fermées partiellement remplies ou en charge, le fait que ces appareils couvrent un large champ de la section mouillée les rend très précis », explique Dany Engel, responsable produits de ADCPro.

En fixe comme en portable, le champ d’application des ultrasons s’élargit sans cesse

Les débitmètres à ultrasons développés par Ultraflux, Flexim, Aqualabo, Cometec, Systec ou encore Prisma Instruments se déclinent en appareils fixes ou mobiles. Bien entendu, les usages ne sont pas les mêmes, les besoins et donc les exigences non plus.

La version fixe des appareils est particulièrement adaptée aux mesures continues sur des installations permanentes. Les débitmètres de la gamme Deltaware C-F ( fixe) de Systec, distribué en France par TH Industrie et labellisés DUK S3, L4, F3, C3, EG et K par Kobold Instrumentation utilisent deux capteurs montés en opposition l’un de l’autre dans les pipelines pour fonctionner simultanément comme transmetteur et récepteur des signaux ultrasoniques. Les appareils affichent un niveau de ±0,7 % de la valeur mesurée. Le débitmètre d’Aqualabo multi-voies Visa 460 dispose de 4 entrées ultrasons ou 4-20 mA pour multiplier simultanément les points de mesure ou enregistrer d’autres paramètres (ph et température pour l’auto surveillance par exemple). Sur le capteur, le compensateur a été extériorisé et découplé au maximum du corps pour permettre d’un simple coup d’œil de lire les performances qui en découlent.

Les progrès réalisés en versions fixes ont contribué à élargir le champ d’application de ces appareils.

Les deux gammes de débitmètres fixesnon intrusifs de Flexim, les F721 WD et F501, offrent de hautes performances de précision. Grâce à des couplants développés et testés sur le terrain depuis plus de 10 ans, ils permettent de conserver la mesure même quand le gel s’est dissipé, et n’occasionnent aucune opération de maintenance.

Pour approcher la précision d’un DEM avec un débitmètre à ultrasons, ou dans le cadre de gros projets, l’utilisation de débitmètres multicordes en sondes externes permet d’intégrer le profil sur deux diamètres orthogonaux et de réduire les incertitudes. Les capteurs sont isolés du fluide réduisant les risques d’érosion et de corrosion et peuvent être démontés sans dépressurisation de la conduite et sans outil d’extraction. Les câbles sont protégés dans le corps du débitmètre. Les transmetteurs étanches sont localisés dans une zone de l’appareil et conçus spécialement pour optimiser la maintenance et la sécurité. « Grâce à son expertise et ses équipes de recherche, Ultraflux est capable de répondre à des cahiers des charges très spécifiques, souligne Laurent Bonfils. Ce type de projet, souvent critique, exige de la part des opérateurs d’estimer la précision, voire la vraisemblance de telle ou telle mesure préalablement à l’installation. On note une réelle évolution des besoins des industriels qui imposent maintenant de corréler tous les gros projets à une modélisation CFD (Computational Fluid Dynamics) des champs de vitesse d’écoulement en fonction de la géométrie de la tuyauterie (perturbations amont et/ou aval) pour garantir la précision de la mesure ».

Destiné aux applications exigeantes, le débitmètre Uf 831 d’Ultraflux, utilise la technologie double DSP (Digital Signal Process) pour la mesure d’écho en conditions difficiles. Cet appareil possède, entre autres, jusqu’à dix modules d’entrées/sorties, un enregistreur de plus de 500.000 données et un module optionnel de communication lui permettant de dialoguer avec la plupart des protocoles courant (dont Ethernet). L’appareil comprend une plage d’incertitude de ±0,5 % de la mesure et peut être utilisé sur des conduites de diamètre DN 10000 et avec une température de -10 °C à 50 °C.

Développé par Nivus, le NivuFlow 600 a été spécialement conçu pour la mesure de débit en conduites pleines. Approprié pour

l'acquisition du débit dans des milieux liquides clairs ou faiblement chargés, le système de 4 cordes peut être exploité grâce à des modules d´extension optionnelle, jusqu’à 32 cordes de mesure. L´installation de l’équipement est sans contact et dispense l´interruption du processus.Le développement d’appareils clamp-on et d’appareils portatifs, de plus en plus faciles à utiliser, a également contribué à élargir les applications (voir EIN n° 405). Bien que leurs mesures soient moins précises que celles fournies par les capteurs à insertion, les progrès accomplis ces dernières années permettent d’afficher une incertitude inférieure à 1 % et leur ouvrent de nombreuses applications dans le domaine de l’eau : contrôles ponctuels de débits, comparaison de valeurs, vérification de l’efficacité d’une pompe, détection de fuites…

Le débitmètre non intrusif CU-100 de Tecfluid, est basé sur la transmission de signaux à ultrasons au travers d’une conduite ou circule un liquide. Le principe de fonctionnement repose sur le temps de transit. Deux transducteurs non intrusifs à ultrasons montés sur une conduite envoient alternativement un signal ultrasonique d’abord dans un sens et ensuite dans le sens inverse, la différence de temps de parcours aller-retour de l’onde ultrasonore est proportionnelle à la vitesse moyenne d’écoulement du liquide. L’électronique est programmable directement sur le convertisseur ou par communication avec connexion sur port USB et logiciel winsmeter. Débit/Totalisation/4-20 mA/2 Alarmes. Les capteurs non intrusifs sont disponibles pour des conduites allant de DN 50 jusqu’à DN 2000 mm.

« Les appareils de terrain permettent également la mesure de débit d’eaux de qualités variables y compris sur de hautes pressions. La technologie mobile est particulièrement intéressante pour les applications de maintenance, les campagnes de vérifications, de tests sur différents sites et à différents points du process. Outre la mesure du débit, les mobiles permettent également des mesures thermiques et calorimétriques », détaille Jacques Marionneau. Ces deux approches offrent en effet un grand nombre de variantes et d’options, et notamment la possibilité de faire un bilan calorifique et des tests d’équilibrage thermique. Les débitmètres à ultrasons portables fonctionnent avec une batterie rechargeable et disposent d’une autonomie moyenne allant de 5 heures à 70 heures. Pour ces applications, Systec a développé le modèle DeltawaveC-P non intrusif, par colliers, pour tuyauteries de DN10 à DN 6000.

L’amélioration des performances (notamment pour les versions sans fil) concoure également à élargir leur champ d’applications. Ils contribuent, par exemple, à mieux dimensionner les appareils. « Jusqu’à une période récente, on dimensionnait la manchette en fonction de la taille de la tuyauterie sans véritablement se poser la question du débit qui transitait à l’intérieur, explique Damien Jacquier chez Krohne. Ainsi, sur une conduite en DN100,on posait une manchette en DN100. Aujourd’hui, le clamp-on permet d’enregistrer et de vérifier le débit qui transite réellement dans la canalisation sur quelques jours ce qui permet de mieux dimensionner les appareils et ainsi d’obtenir des mesures plus précises ». Le dimensionnement d’un appareil posé sur un réseau ne repose bien souvent que sur un débit moyen. Mais sur certaines applications, par exemple en sectorisation, l’exploitant recherche plutôt les petits débits qui matérialisent une fuite, qui requièrent un bon niveau de précision. D’où l’intérêt de pouvoir réduire la taille de l’équipement.

Précision de la mesure : des progrès constants

Reste le délicat problème de la précision de la mesure, notamment quand un haut niveau de précision est requis. « En conduites pleines, qu’il s’agisse d’un capteur ultrasons à insertion ou d’un capteur externe, on n’atteindra jamais la précision d’un débitmètre électromagnétique dont l’incertitude de mesure tourne autour de 0,25 %, souligne d’emblée David Cohen chez Engineering Mesures. En ultrasons, on ne sait pas faire mieux que 1 % et encore, sous certaines réserves ».

Sur les débitmètres ultrasoniques à manchette, il est possible de réaliser une surface d'émission des ultrasons perpendiculaire au canal de mesure. Il ne se produira donc aucune 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 effectué chez le fabricant (et non réalisé 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 satisfaisante sur une 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. Certains appareils peuvent être utilisés pour les transactions commerciales.

Reste que du fait de la conception même des clamp-on, il est impossible de fournir un certificat d’étalonnage sur banc pour ce type d’appareil et ainsi d’obtenir une mesure traçable et garantie. La précision de la mesure est donc de l’ordre de 1 à 3 %. Des appareils clamp-on revendiquent cependant une précision de mesure améliorée. C’est le cas Sitrans FST030 de Siemens, d'Engineering Mesures qui numérise le signal instantanément après la mesure, ce qui minimise les influences extérieures et optimise le rapport signal-bruit. Grâce à sa fréquence d’actualisation des données de 100 Hz et à son algorithme intégré, il revendique une détection des plus petites fluctuations du débit avec une précision constante de 0,5 à 1 % du débit et une stabilité élevée du point zéro. Même chose pour le FLT 10PN de Flow Lab Technologies ou du SeFlow 400 portable développé par Flexim qui revendique 30 ans d’expérience dans le domaine de l’ultrason non intrusif à destination de l’industrie et des applications de pointe. Le SeFlow 400offre une autonomie de plusieurs mois et permet de récupérer des données dédiées à la surveillance des débits de nuit sur un réseau d’eau potable.Depuis plus de 5 ans, le fabricantallemand s'appuie sur l'expertise de Sewerin pour distribuer ses 3 gammes de débitmètres à ultrasons non intrusifs.

Pour améliorer la précision de la mesure et obtenir de meilleurs résultats, les gammes génériques et labellisées deSystec proposent en standard une fonction oscilloscope qui permet de vérifier facilement que le point de mesure est pertinent. Pour TH industrie, la force de son offre en débitmètres à ultrasons réside dans la sélection de Systec, un fabricant de référence dans la mesure industrielle, qui maîtrise toute la chaîne de production des équipements, donc les capteurs.

Des appareils plus autonomes, plus communicants et plus faciles à exploiter

Les principes de fonctionnement et de mesure sur lesquels reposent les ultrasons n’a pas évolué. La partie électronique de l’équipement a, en revanche, été complètement revue, avec plusieurs conséquences, notamment en matière de traitement du signal. « En temps de transit, tout repose sur la lecture et la mesure du temps de transit entre l’aller et le retour de l’onde ultrasonique et donc sur l’horloge interne du microprocesseur, explique David Cohen chez Engineering Mesures. Celle-ci étant de plus en plus précise, il est possible d’avoir des précisions de mesure, inatteignables il y a seulement quelques années. De même, des processus internes au niveau de l’électronique permettent de poursuivre la mesure et de repousser les limites même en présence de bulles de gaz ou de particules solides ».

La gestion des parcs est également considérablement simplifiée. HeartBeat chez Endress+Hauser permet de visualiser l’état de santé du capteur directement sur l’afficheur, d’éditer des rapports de fonctionnement et de rapatrier les données directement sur la supervision. Ces nouvelles fonctionnalités confèrent un caractère prédictif à la maintenance, ce qui permet d’anticiper les pannes et les défauts, et ainsi de réduire les coûts d’exploitation des débitmètres. Pour les contrôles obligatoires, Heartbeat Verification examine le fonctionnement de l’appareil et génère automatiquement un procès-verbal. Sur certaines installations, Endress+Hauser propose les sondes de température TrustSens qui effectuent un auto-étalonnage traçable, permettant d’accroître la disponibilité des équipements.