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Mesure par ultrasons du niveau des liquides


Mesure d’un niveau de liquide avec l’EPOCH XT

Application :

Mesure des niveaux de liquide à l’intérieur de réservoirs ou de tuyaux à l’aide d’une méthode non destructive (mesure directe du niveau) ou détection de la présence ou de l’absence de liquide à l’intérieur d’un réservoir scellé.

Contexte :

La méthode la plus simple pour mesurer le niveau de liquide consiste à effectuer une observation directe à l’aide d’une baguette ou d’une jauge flottante graduée. Toutefois, si le liquide à mesurer se trouve dans un réservoir scellé ou s’il ne peut être exposé à l’air, cette méthode est inapplicable. La mesure par ultrasons du niveau de liquide constitue souvent la solution lorsqu’il s’agit de mesurer rapidement, efficacement et automatiquement le niveau de liquide d’un grand nombre de réservoirs soumis à un processus de remplissage. De plus, la mesure par ultrasons est idéale dans les situations suivantes :

  • Mesure du niveau de fluides corrosifs ou réactifs dans la cadre d’applications de traitement chimique où les réservoirs ne peuvent être ouverts pour des raisons de sécurité, et où la nature du produit chimique ou du traitement empêche l’installation d’une jauge flottante interne.
  • Détection de la présence de fluide stagnant dans un tuyau, particulièrement s’il doit être ouvert ou coupé durant le processus d’entretien.
  • Vérification sur la chaîne de montage des niveaux de fluide de toute une variété de composants automobiles pour lesquels la mesure doit être rapide, fiable et non destructive : réservoirs à essence, systèmes de transmission, carters d’huile à moteur, différentiels. Dans certains cas, les mesureurs sont utilisés de concert avec un manipulateur automatisé qui positionne la sonde sur les réservoirs pleins pour en mesurer le niveau sur la ligne de production. Le résultat enregistré par le mesureur actionne un vaporisateur de peinture qui marque les réservoirs dont le niveau de remplissage est hors tolérance.
  • Mesure de la couche d’huile flottant sur la couche d’eau dans un système de traitement du pétrole. En principe, il est possible de mesurer individuellement l’épaisseur de deux couches de liquide superposées ayant une impédance acoustique différente.

Généralement, on classe les applications de mesure des niveaux de liquide en deux catégories : mesure du niveau réel du liquide (profondeur ou hauteur), et détection de la présence ou de l’absence de liquide à un point donné. Ces deux types d’application sont décrits distinctement ci-dessous.

Équipement requis pour les applications de mesure directe

Généralement, le niveau de liquide est calculé à l’aide de techniques de mesure d’épaisseur par réflexion au moyen de mesureurs d’épaisseur par ultrasons, ou d’appareils de recherche de défauts par ultrasons lorsque de grandes étendues sont nécessaires. Les sondes sont choisies selon les exigences particulières de l’application, mais en général, il faut utiliser des sondes de 1 MHz ou de 2,25 MHz. On recommande l’utilisation de l’un des appareils ci-dessous :

  • Mesureurs d’épaisseur des modèles 38DL PLUS® et 45MG avec option logicielle de sonde monoélément : Ces appareils de précision qui peuvent être configurés pour mesurer le niveau des liquides offrent des fonctionnalités d’alarmes hautes ou basses, de stockage de données, d’enregistrement de fichiers, ainsi qu’un écran numérique. L’étendue possible des mesures atteint généralement jusqu’à 125 mm.
  • Appareils de recherche de défauts EPOCH 650® et EPOCH 6LT : Ces appareils peuvent mesurer les liquides sur une très longue profondeur (potentiellement jusqu’à 1,25 mètre).

L’étendue et la précision de ces appareils sont déterminées par les conditions d’inspection et doivent être évaluées au cas par cas. Un niveau de précision de l’ordre d’environ 2,5 mm peut être atteint dans la plupart des liquides.

Procédure pour les applications de mesure directe

Le niveau de liquide est mesuré en plaquant la sonde contre le fond du réservoir sur lequel du couplant a été appliqué. Le mesureur d’épaisseur transmet une impulsion électrique à la sonde; celle-ci génère un bref signal ultrasonore qui voyage au travers de la paroi du réservoir jusque dans le liquide. Le signal se déplace dans le liquide jusqu’à ce qu’il en atteigne la surface où il est réfléchi, et puis refait le trajet inverse au travers du liquide pour revenir vers la sonde.

L’écho provenant de la surface est calculé précisément à partir d’un temps zéro électronique qui déduit la durée de transit au travers de la paroi du réservoir. Le trajet aller-retour du signal est converti pour correspondre au niveau de liquide, selon le calcul électronique suivant :

h = vt/2

Où :
h = niveau de liquide
v = vitesse de propagation de l’onde ultrasonore dans le liquide
t = temps de transit aller-retour

Le niveau de liquide s’affiche sur l’écran numérique. Il faut tenir compte de certains des facteurs énumérés ci-dessous pour assurer la précision de cette technique de mesure.

1. Le matériau de fabrication du réservoir et l’épaisseur de la paroi : Ce sont les premiers facteurs à considérer relativement aux propriétés et au niveau du liquide. Les parois épaisses des réservoirs en acier peuvent limiter considérablement le niveau minimum qui peut être mesuré en raison des effets de réverbération de la paroi. Les réservoirs en plastique ont des propriétés acoustiques semblables à beaucoup de liquides et offrent, par conséquent, une capacité de transfert sonore efficace entre la sonde et le liquide, ce qui réduit l’effet de réverbération.
2. Les conditions de surface : Les surfaces piquées ou corrodées peuvent causer une distorsion de la transmission sonore et complexifier ou empêcher la mesure.
3. La courbure du réservoir : La forte courbure de certains réservoirs peut causer une distorsion de la transmission sonore ou un mauvais couplage de la sonde avec la surface, ce qui peut nuire à la fiabilité des mesures.
4. Les obstacles sur le parcours : Le parcours sonore entre le fond du réservoir et la surface du liquide doit être exempt d’obstacles physiques, par exemple une cloison antiroulis ou un tuyau de remplissage.
5. Les propriétés acoustiques du liquide : Le niveau d’atténuation ultrasonore du liquide détermine souvent le niveau maximal de la mesure. Généralement, les liquides à viscosité élevée, ou ayant une grande concentration de solide, sont ceux qui atténuent davantage les ultrasons.
6. Effets de la température : Les changements de température du liquide peuvent modifient la vitesse de propagation de l’onde ultrasonore. Si l’appareil n’est pas étalonné pour compenser ces changements, la mesure sera inexacte.
7. Bulles de gaz : Les bulles d’air ou d’autres gaz causent une diffusion des ondes sonores qui peut empêcher les mesures ou en entraîner de fausses.
8. Mouvement à la surface : Généralement, pour obtenir un écho mesurable, la surface du liquide doit demeurer calme.
9. Composition du liquide : Pour obtenir des mesures précises, la composition et la température du liquide doivent être uniformes.
10. Couplage de la sonde avec la paroi : Il faut s’assurer d’un bon couplage entre la sonde et la paroi du réservoir pour permettre la transmission du signal sonore au travers de la paroi jusque dans le liquide.

Équipement requis pour les applications de détection de présence ou d’absence de liquide

On recommande l’utilisation d’un des appareils de recherche de défauts de la gamme EPOCH® d’Olympus qui sont tous adaptés pour détecter par réflexion la présence ou l’absence de liquide. Le choix de la sonde dépendra du type de liquide et de la longueur du parcours ultrasonore.

Procédure pour les applications de détection de présence ou d’absence de liquide

Écran de l’EPOCH 650 montrant des niveaux de liquide La configuration dépend des particularités de l’application. Généralement, on recommande une simple inspection par réflexion lorsque le réservoir ou le tuyau présente une géométrie permettant la transmission du signal sonore dans toute la colonne de liquide et la réception d’un écho de fond. La présence ou l’absence de liquide peut être signalée par des alarmes sonores ou visuelles. En mode par réflexion, le signal transmis par la sonde est envoyé au travers de la paroi du réservoir. S’il y a présence de liquide au point de mesure, une partie de l’énergie sonore traversera le liquide, sera réfléchie par la paroi de fond, et puis reviendra vers la sonde en traversant de nouveau le liquide et la paroi du réservoir. S’il n’y a pas de liquide, il n’y aura aucun écho de fond, mais certains échos seront générés par la paroi du réservoir sur laquelle la sonde est en contact. Pour ce type d’inspection, il faut généralement utiliser des sondes de contact à basse fréquence. Dans l’image ci-dessous, une sonde de contact de 2,25 MHz est couplée à la paroi d’un réservoir d’acier d’une épaisseur approximative de 45 mm. Les échos du côté gauche de l’écran représentent les nombreuses réverbérations provenant de la paroi du réservoir et on ne voit aucun écho dans la porte en rouge.

En réglant la porte à l’endroit où l’écho provenant de la paroi de fond est attendu, l’inspecteur peut contrôler le niveau du liquide. S’il y a du liquide, un écho sera détecté à l’intérieur de la porte, comme le montre l’image de droite.

Écran de l’EPOCH 650 montrant des niveaux de liquide Dans certains cas, la méthode par réflexion ne peut être utilisée. Lorsque le trajet ultrasonore entre l’écho de surface et de fond n’est pas net, le niveau de liquide doit être vérifié à l’aide de la méthode par réverbération. Cette méthode requiert une surface lisse et propre pour garantir le couplage uniforme de la sonde. Selon cette méthode, l’appareil relève les modifications des échos provenant de la paroi avec laquelle la sonde est en contact. L’effet s’apparente à celui obtenu d’une cloche qui, dans un cas, sonne lorsqu’elle est suspendue dans l’air, et dans l’autre, lorsqu’elle est immergée dans le liquide. Le liquide atténue l’énergie sonore beaucoup plus rapidement que l’air. De la même façon, l’appareil « écoute » le type d’écho obtenu et dresse un portrait qui permet à l’inspecteur de déterminer la présence ou l’absence de liquide à un point donnée.

Généralement, l’inspection est effectuée à l’aide d’une sonde à ligne à retard. Les images ci-dessous représentent un test de réverbération typique réalisé sur un réservoir d’acier au moyen d’une sonde à ligne à retard V206-RB de 5 MHz. Dans l’image du haut, le A-scan représente les échos de réverbération provenant de la paroi d’un réservoir rempli de liquide. La fonction DAC a été utilisée pour tracer l’enveloppe du signal. Dans l’image du bas, le A-scan représente les échos de plus grande amplitude provenant de la paroi d’un réservoir vide où l’effet d’amortissement du liquide à l’intérieur du réservoir ne constitue plus un facteur. En déplaçant la sonde sur la paroi du réservoir, l’inspecteur cherche l’endroit où le tracé du A-scan change pour déterminer l’endroit où se trouve la surface du liquide.

Écran du test de réverbérationÉcran du test de réverbération
Olympus IMS

Produits utilisés pour cette application
L’appareil portable de recherche de défauts par ultrasons EPOCH 6LT est optimisé pour le fonctionnement à une seule main et offre une excellente performance pour les applications nécessitant un accès par cordes requérant une très grande portabilité. Ergonomique et léger, l’appareil est parfaitement adapté à la main de l’utilisateur et peut être attaché à la jambe pour faciliter les inspections nécessitant un accès par cordes.
L’EPOCH 650 est un appareil de recherche de défauts par ultrasons conventionnels très performant adapté à un grand nombre d’applications. Cet appareil intuitif et robuste remplace le populaire appareil de recherche de défauts EPOCH 600. Il est aussi doté de fonctionnalités supplémentaires.
Le 45MG est un mesureur d’épaisseur à ultrasons de pointe équipé de série de multiples fonctions de mesure et d’options logicielles. Cet outil de mesure d’épaisseur unique est compatible avec notre gamme complète de sondes de mesure d’épaisseur monoéléments et à émission-réception séparées.
Polyvalent, le mesureur d’épaisseur 38DL PLUS peut être combiné à des sondes à émission-réception séparées pour la mesure de l’épaisseur de tuyaux corrodés, ou à une sonde monoélément pour la mesure très précise de l’épaisseur de matériaux minces ou multicouches.
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