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7/25/2019 Manual Ultraflux 321
1/6
esures des dbits p r mthode ultr sonore
F.
Multon
ULTRAFLUX
Les dbitmtres u lt raso ns ne son t app ar us sur le m ar ch
sous forme rellement industrielle que vers 1970. Bien que
le principe en soit connu depuis fort longtemps la mise en
application de ce procd
s est
heurte l insuffisance des
p er fo rm an ces d es m oy en s lect ro ni qu es d e
l poque.
D ep ui s l a pp ar it io n d e l le ct ro ni qu e i nt gr e e t
d es
m icro pr ocesseur s a p er mi s
d aboutir
des ra lisations
industrielles fiables
et
prcises.
1.
Pr inc ipe de me sur e de vitesse par diffrence
de temps de transit
Parmi les diffrents procds lectroniques utiliss effet
Doppler mesure de phase singaround intercorrlation
seu le l a m esur e d e la d if frence d es t em ps d e t ransit
p er met
d e r ali ser u ne v r it ab le i nt g rati on d u p ro fi l d
es v it esses
et con du it pa r con squ en t u ne m ei ll eu re p rci si on
.
Si
on
appelle
et
B
les deux s ond es me ttr ic es
rceptrices
fig.
J V la v it es se m oy en ne d coulement, L
la l on gu eu r d u t rajet aco usti qu e
et
C la vitesse de propa
g at io n du s on d an s le fluide au re pos les t em ps d e p
ro pa
gation des impulsions ultrasonores de vers B et de B vers
A
s crivent:
T
_
L
B -
C
v
cos e
T _ L
BA -
C -
v
cos
e
d o l on tire l e xp re ss io n d e la vites se mo ye nn e le l
ong
de la ligne B La v it esse ain si m esur e r ep rsent e
l in-
t g ra le d u profil de s v it es se s d an s le p la n d ia m
tr al .
s o n d e R
c
D
1 Mesure de vitesse pa r d iff re nc e d e temps d e tra nsit
.
Calcul
du
d b it
partir
de la vitesse mesure
Dans les conduites circulaires et en rgime stabilis deux
rgimes
d coulements
d if frent s p eu vent p rend re n ai s
sance le rgime laminaire
pour
d es n om br es d e Rey no ld s
infrieurs 2 800 le rgime turbulent pour l es n om br es d e
Reynolds suprieurs
2 80 0.
On
a
coutume
d appeler coefficient hydraulique K
H
le
rappo rt d e la vit es se me su re Vus la vitesse moyenne
vraie o bte nue en intgrant le profil d e vites se dans to
ute
la s ec ti on d e m es ur e.
La
connaissance de l expression mathmatique du profil
de vitesse permet le calcul de
ce
coefficient.
En r g im e l am in ai re fig. 2 :
v cos
e
L
2
VD
Ki l = 1,33.
30
Flow measurement using ultrasonic method
Ultrasonic flow measurement methods have been widely used in
industry since the 70 s.
Progress in the domain
of
electronic components performances lead to more precision
concerning speed and
flow measures, but it is necessary to master geometrical
parameters
of
the establishment and the choice
of
the site.
The possibility
of
installing sensors on a loaded pipe and the use
of
external sensors make this method
economically interesting for large pipes.
LA HOUILLE BLANCHE/N 7-1994
Article published by SHF and available at
http://www.shf-lhb.orgor http://dx.doi.org/10.1051/lhb/1994072
http://www.shf-lhb.org/http://dx.doi.org/10.1051/lhb/1994072http://dx.doi.org/10.1051/lhb/1994072http://www.shf-lhb.org/
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MTHODE ULTRASONORE
2. Calcul
du
coefficient
Kil
en
rgime laminaire
3 C al cu l d u coefficient K
H
e n r g im e turbulent
En rgime turbulent fig
3
ce coefficient est une fonc
tion du nombre de Reynolds .
V y)=
V
o
I - ~
avec:
1
= 0 ,250 - 0,0231
g Re
l
if =
(Re ) .
Les rsultats du calcul complts par de nombreux rsul
tats exprimentaux conduisent l tablissement du rseau
de courbes reprsent sur la
fig lre
4 ci-aprs.
On
s aperoit
que,
pour
une conduite dtermine e t p ou r
une large dynamique de vitesse; ce coefficient volue peu.
Il est donc possib le de cal cul er la vites se moyenne
vraie
pal1ir de la mesure-de la vitesse moyenne dans le plan
diamtral.
1
V=V . K
d o le calcul du dbit:
Ce calcul n est videmment valable que si l hypothse
fai te sur
l expression
mathmatique du profil des vitesses
est vrifie, ce qui ncessite le respect de longueurs droites
en amont (10 15
et
en aval (3 5 du point de
mesure.
Les courbes
de lafigure 4
sont tablies pour une rugosit
typique de quelques d ixi mes de mm.
On comprend
aisment
que l coulement
dans la
couche
limite est fortement influenc pa r la rugosit. L influence
de cet te perturbat ion est d autant plus importante que le
d iamtre de la conduite est faib le.
Certains hydrauliciens, et en particulier COLEBROOK on t
tabl i des lois qui prennent
e n c om pt e
la rugosit
e t d on t
l application
es t
simple, condition toutefois de dfinir
et
de mesurer la rugosit...
RU;QS 1TE
tlJYEtoN:::
I iUE
m
UE
uv
UE
I.l
1 04
f i
4
l
5 5 1 8
5
5 5 1 8
6
2
5 5 1 8 7
4. Courbes de
K
en fonction
du
nombre de Reynolds.
LA HOUILLE BLANCHE/N 7-1994
3
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7/25/2019 Manual Ultraflux 321
3/6
F MULTON
5. D is pos it ion g n r al e de
capteurs
intrusifs insertion.
3. Mesu re de dbits en conduites pleines
D if f re nt s t yp es d e c ap te ur s s on t la d is po si ti
on d e l ut i- .
Iisateur. Il peut
s agir
Soit d e so ndes intr usives, soit d e
son de s e xt rie ures la c an al isat io n.
3 1 Sondes intrusives
La igur
5 ci-aprs montre la disposition gnrale de
c ap te urs i nt ru si fs i nserti on q ui p eu ve nt tre i nsta
ll s
en
charge
su r
des conduites existantes
en
acier
ou
fon te san s
interruption du dbit.
Le
b ossa ge 1 es t
soud
ou viss
su r
la conduite. La
v an ne 2 e st al or s in sta ll e. U ne m ac hi ne p er ce r se
m on te
su r
la v an ne . Ell e
permet
d e p erc er
en
t ra ve rs la v an ne q ui
e st referm e a prs ret ra it d e l o ut il . La machine es t
ensuite
remplace
p ar l e ns em bl e
3 qui ralise l ta nchit
et
p er me t l i nt ro du ct io n d e la s on de .
_ _
a
l OlE
DIRECT
6
Placement des
capteurs
en m od e d ir ec t.
3 2 Sondes extrieures
La
facult que possdent les ultrasons traver ser les
milieux lastiques permet
d effectuer
d es mesures d e d b it
en a pp li qu an t les s on de s s ur la pa ro i e xt r ie ur e
d es c an a
lisations.
U n m at r ia u d e c ou pl ag e p er me tt an t un m ei ll eu r
tr an s
fert d nergie d oi t tre p la c e nt re la son de et la
tuyauterie.
C et te t ec hn iq ue e st u ti li sa bl e
su r
les conduites
en
acier,
Ino x, fon te rev t ue ou non, plastique, PYC, fibro-ciment.
Le s c ap te urs seron t p la c s sui va nt le
mode
direct
fig
pour le s c on du it es d e d ia m tre sup rie ur 500 mm et
en
mode
reflex
su r
d es c on du it es d e d ia m tre i nfrie ur
ou
si
la qualit de l a c on du it e fort e nt artrag e
pa r
e xe mp le ) ne
p er me t pas une
bonne
rflexion
su r
l a p aroi o pp ose .
Le
mode
Reflex fig 7) doit toujours tre prfr au
mode
Direct.
La
positi on d es c ap te ur s d p en d d u diam tr e, d e
l
paisseur et de la nature de la tuyauterie et de celle du
l iq ui de . Ell e e st c al cu l e
pa r
l appareil.
l OlE
REFLEX
7. P la ce me nt des
capteurs
en mode Reflex.
32 LA HOUILLE BLANCHE/N 7-1994
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MTHODE ULTRASONORE
8
3000
le
1
t /03/82
1000
2000
L.IRISOl SERIE
AS
23:2
RECEPTION
S 6 1 e
TI I
DEF I IJT 9 5EN6
MICROPROCESSEUR
100
r Hr 1j
5
a
7
e
EMISSION
Till
9. Exemple de vrif icat ion de la prcision d un talon
nage.
La Socit ltr flux a conu les dbitmtres numriques
UF
321
pour
les installations fixes et UF 321 T en version
portable.
4. Dbitmtres pour conduites pleines
L altration
de
la
fonne
des signaux acoustiques provo
que par la t raverse des parois, conduit une prcision
lgrement moins bonne (2 3 )
lorsqu on
utilise des
sondes extrieures la canalisation.
Ces rsultat s obtenus , aprs paramt rage et contrle
gomtrique soigneux,
confinnent
qu il
n est
pas nces
saire de ra lis er un
talonnage
hydraulique
sur ces appa-
reils.
10. Schma de fonct ionnement de l UF 321.
27.1i_
3
DEBIT
m H l
RESULTRTS D ETRLONNRGE SUR ON 500
LRBORRTOIRE
DES
COMPTEURS
DE LR
SRGEP
SCNJE TROP
ENFlJf D, ainsi que la valeur du
coefficient hydraulique
Kil pour
obtenir la valeur exacte du
dbit.
L examen
de la fonnule prcdente montre clairement
l incidence des incertitudes sur < > L D sur le calcul
du
dbit Q.
Il
convient donc d apporter le plus grand soin
leur mesure et de posit ionner les sondes correctement.
Dans le ca s d une sonde intrusive trop enfonce, outre
les turbulences qu elle cre, les grandeurs e tD sont cel les
f igurant sur la fgure 8.
3 3 Etalonnage - Prcision
8.
Grandeurs
L
et
D
suivant la position de la sonde .
La longueur
L
paramet ree t an t plus grande que la
longueur relle, l erreur a insi int roduite conduit
un
surcomptage
aggrav par le fait que l appareil ne t ient plus
compte
de la couche limite.
Dans le cas d une sonde en retrait, la longueur para
mtre est plus petite que la ralit
d o
un sous-comptage
aggrav cet te fois par le fait
que
la distance axiale D
paramtre es t plus grande que la dis tance D relle.
La figure 9 montre un
exemple de
vr if ication de la
prcision
d un
tel talonnage.
Il
a t ralis dans le
Laboratoire
d essais
de la
SAGEP
sur
une condu ite de
500
mm de diamt re avec des sondes intrus ives . Les pr
c is ions y son t calcu les en de la val eur mesure et non
en
de
la pleine chel le .
LA HOUILLE BLANCHE/N 7-1994
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7/25/2019 Manual Ultraflux 321
5/6
F.
MULTON
12. Utilisations e n m ul ti co nd ui te et
mul ti corde de
l UF
2100.
DI
02
03 041 02
6
Mesures de dbit en conduites non pleines,
canaux ouverts, rivire
Dans les coulements surface libre, la seu le mesure de
niveau n est pas suff isante pour la connaissance du dbit
(influence des conditions aval par exemple).
Dans
ce
cas, la mesure des vitesses et du niveau sont
indispensables. Les appareil s de la srie
UF
2100 sont
conus pour effectuer 4 mesures de vitesse et I mesure de
niveau. Ils peuvent galement recevoir un signal extrieur
de niveau.
Les sondes sont gnralement places suivant la figu-
re 13.
L appareil est totalement paramtrable. Les lments
ncessaires son rglage
sont:
- les paramtres gomtriques pour chaque paire de
sondes h, L, D ;
- la description gomtrique de la section de mesure.
L appareil mesure les vitesses et le niveau, puis calcule
le dbit global
en
effectuant la sommation des dbits
lmentaires
pa r
tranche horizontale de surface.
Les appare ils de la srie UF 2100 possdent
fig.
14
1 clavier numrique permettant le paramtrage;
1
afficheur LC D ;
- 5 sorties analogiques paramtrables qu il
es t
possible
d affecter
l une
quelconque des
60
grandeurs mesures
par l appare il don t videmment
VI V2 V3 V4
H Q,
Temprature;
Construits autour
d un
microprocesseur, ils fonctionnent
suivant le schma de
l figur
10. Le microprocesseur gre
les squences d mission-rception amont-aval et aval
amont, et mesure avec une rsolution de I nanoseconde
(10-
9
s) les temps T
B
et
T
B
Il
calcule ensui te le dbit
l aide
des paramtres
< > L
D entrs directement au
clavier
lors du paramtrage de l apparei l.
Le dbit est indiqu
su r
un afficheur
LC D
et
une sortie
analogique
(0-20
ou
4-20
mA) e st l i ma ge du dbit .
L appareil fonctionne dans les deux sens d coulement.
Il contrle en permanence la val idit des mesures
et
la
qualit de la transmission acoustique
et
dlivre une alarme
en
cas de dfaut .
Une option lui
per met d ef fectuer
du comptage. Les
informations du dbit et du volume sont disponibles
su r
une liaison srie RS 232. Cette option permet galement le
choix du langage de programmation (Franais, Anglais ,
Italien, Portugais, Allemand).
5. Systmes multicordes
Lorsque les conditions hydrauliques sont mauvaises
(absence de longueurs droites par exemple), l hypothse
faite
su r
le profil des vitesses n est plus vrifie et
il
devient impossible de dfinir la valeur du coefficient
hydraulique
K
H
Le problme es t rsolu pa r l ut il isat ion de sys tmes
multicordes
de
la srie UF
2100
fig. 11 qui permettent
d effectuer la mesure de la vitesse relle existant en diff
rents point s de la veine liquide. Le calcu l du dbi t s ef
fectue alors
pa r
intgration mathmatique (Mthode de
Gauss, Newton ou autre).
On
obt ient par cet te mthode une prcision de
/
I
lorsque les conditions hydrauliques sont mdiocres et de
/ 0,3 en profil stabilis
et
dans une dynamique beau
coup
plus grande (particulirement vers les faibles vites
ses).
Ces appareils peuvent galement tre utiliss en multi
conduite et multicorde avec un maximum de
4
voies
de
mesures par appareil UF 2100
fig. 12 .
O S
Il
O.115.1l
:2 CCJS VEC INTEGRATION P R
/ ETl-OL
GR ISS R:l
o
5. 10. 500
VI0.500
V21
3 CCJ5 VEC INTEGRRTICIol PR
/ ETl-OL
GR ISS
O
5 1 ~ 4 ~
VI0.555
V 2 ~ 4 4
V3J
11. Systmes
multicordes
de l a s r ie UF 2100.
34
LA HOUILLE
BLANCHE/N 7 1994
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7/25/2019 Manual Ultraflux 321
6/6
MTHODE ULTRASONORE
limite la
temp ratur e d e
C ur ie , t em p ra tu re l aq ue ll e
elles perdent les proprits pizo-lectriques.
Cette
temp-
r atur e est
de l ordre de 30 0 oc
La tech no log ie
de
cons-
tru ctio n cb les,
connecteur,
matriaux) l im it e g n r a
lement
leur
emploi 180
oc
7 2 Fluide
Un c ho ix convenable
de
la f r qu en ce e t
de
la
dimension
de s sondes permet
l utilisation
d es d b itmtr es u ltraso ns
temps
de
transit s ur des fluides parfaitement propres,
chargs
jusqu 10 g/l) et l g r em en t v is qu eu x
[Lz]
20 0
cst).
Les
problmes de
corrosion et
de
pression sont parfai
tement
rsolus p ar l us ag e
de
sondes extrieures.
7.2.
Avantages
~ H
13. Placement d es son de s pour un e
mesure
en conduite
no n pleine.
Les principaux avantages
de
la mthode ultrasonore sont:
- sonde entirement st at iq ue , s an s p i ce s
en
mouve-
ment;
-
mesure
bidirectionnelle;
- possibilit d installation des sondes intrusives su r
conduite
ex is tante s an s inter ru ptio n
du
dbit;
possibilit
d talonnage su r
site;
contrle permanent
de
la v alid it d es
mesures;
contrle
mobile
d es d b it s
su r
rseaux;
pa s d e l im it at io n,
ni
de v ites se, ni de diamtre.
Les prix
de ce s
matriels,
particulirement
attractifs
pour
l es c on du it es
de
grand diamtre, en font un outil trs
apprci des
spcialistes: de
la distribution d eau potable,
d e l a ssa in isse me nt ,
de
l irrigation, de la gesti on de s
canaux et rivires.
1
MPRIMI=II ITE
LOCf=lLE
0JJ
lJJ
rnrn
::][IDIZJ
RS
Z52
1..1.
3 c o n ~ _ ~
r
0
:255 : ; P
lA I
s
I I I W ~
ou
7 Limit ati ons et ava nta ges des d bit m tr es
ultrasons
mini-Iogger permettant d enregistrer sous fo rme
numrique
u ne g rand eu r
moyenne su r
1
10
m in ut es, 1
heure ou journe;
liaison srie RS 232 ;
- en o pt io n, o n peut a jo ut er un logger de 64 k qui
permet
le stockage des mesures pour traitement ultrieur su r ordi
nateur;
logger de
0, 7 K a pp el logger
de
dfaut qui
enregistre
tou s les v n emen ts h or od ats q ui s ur vienn en t pendant
le
fonctionnement
d e l ap parei :
d f au ts d e
mesure,
pertes de transmission acoustique,
coupures
s ecteur s et
remises
sous tension,
accs
la p ro gr am ma ti on .
L appareil
pe ut t re ra cc or d vi a la l iaison
srie:
- un
PC
portable
pour
t ra ns fe rt d es d onn e s o u t l
chargement d un nouvel talonnage;
- une imprimante locale;
- un Modem pour inter ro gatio n d is tance v ia le r s eau
tlphonique.
7
Limitations
7 Sondes
De pa rt la n at ur e mme des cramiques pizo-lectriques
u tilises d an s les s on des,
leur temprature d utilisation est
14. Schma de l UF 2100.
LA HOUILLE BLANCHE/N 7-1994
35
