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Modélisation débitmètre à ultrasons

Environnement et énergie

Les phénomènes multiphysiques en jeu dans la modélisation d’un débitmètre à ultrasons s’étudient avec la simulation numérique. Il faut coupler différentes méthodes numériques pour obtenir des informations sur la mécanique, l’électronique, l’acoustique et la fluidique dans ce type d’objet. Les techniques récentes de simulation amènent de plus en plus de précision et d’efficacité pour accélérer leur développement.

Objectifs de la modélisation de débitmètre à ultrasons

Les débitmètres sont utilisés dans de nombreuses industries pour mesurer la quantité de fluide dans un circuit. Il devient important de mesurer cette donnée avec précision. Par soucis d’économie et de contrôle de la consommation du fluide en question.

La mesure par ultrasons repose sur le principe suivant : le temps de parcours de l’onde acoustique diffère si ce parcours s’effectue dans le sens de l’écoulement de fluide, ou en sens inverse. Ainsi l’on peut estimer le débit dans cet écoulement, à partir de ces deux temps de parcours. On les appelle aussi “temps de vol”.

Réaliser un modèle du débitmètre à ultrasons aide les ingénieurs en charge de sa conception sur plusieurs aspects. Mieux comprendre l’influence des matériaux, des dimensions et de la position des émetteurs et récepteurs ultrasonores sur la précision du signal reçu et son traitement électronique.

Ces émetteurs et récepteurs sont généralement faits à partir de céramiques piézoélectriques, puisque l’effet piézoélectrique est réversible. La modélisation du débitmètre implique donc aussi la modélisation de l’effet piézoélectrique.

Résultat de la modélisation et informations obtenues

Dans le signal électronique reçu, ondes élastiques se combinent avec onde de pression. La simulation du débitmètre à ultrasons aide, visuellement, à comprendre le parcours des ultrasons. 

De plus, comme pour toute autre simulation, le modèle du débitmètre à ultrasons permet de modifier les paramètres des céramiques piézoélectriques. On peut donc voir leur influence sur les résultats de la mesure et le comportement du signal, parfois plus rapidement que si l’on devait refaire l’intrumentation d’un banc d’essai.

Modélisation d'un débitmètre à ultrasons sur une conduite

L’image montre une conduite cylindrique tronquée à ses extrémités et dont on enlève un secteur de 90° pour voir l’intérieur.

Le fluide, en gris, circule dans cette conduite, dans le sens d’écoulement indiqué par la flèche bleue.

La céramique piézoélectrique, en jaune, joue le rôle d’émetteur / récepteur des ultrasons parcourant le fluide.

Ondes acoustiques simulées dans la conduite

Onde acoustique propagée dans le fluide peu après son émission par la céramique de gauche.
L’onde parcours le fluide dans le sens de l’écoulement.

Ondes élastiques simulées dans la conduite

Déformations des parois de la conduite (visualisation amplifiée) et propagation d’ondes élastiques. L’onde arrive près du récepteur céramique à droite.

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