Pour un café, l'enjeu est de prélever la dose d'eau exacte nécessaire à la préparation d'un espresso parfait, riche en arômes.
Pour un pub ou une brasserie, il s'agit de servir précisément un demi-litre de bière blanche afin que le client reçoive exactement ce qu'il a commandé.
Pour un ingénieur en contrôle des procédés industriels, il est essentiel de savoir précisément quand un filtre a atteint son volume nominal et doit être remplacé.
Dans ces applications de brassage, de distribution et de filtration, une mesure précise du débit peut considérablement augmenter la valeur des équipements et des machines. Cependant, la technologie électromécanique traditionnelle de mesure du débit a longtemps constitué un véritable casse-tête pour les ingénieurs en conception de systèmes, engendrant des problèmes de performance et de fiabilité difficiles à résoudre.
La détection électronique par ultrasons élimine les pièces mobiles d'un capteur de débit et s'affranchit des problèmes inhérents aux capteurs de débit traditionnels. À leur lancement, les circuits intégrés de capteurs à ultrasons représentaient un défi d'intégration considérable, limitant généralement leur utilisation aux fabricants d'équipements de mesure spécialisés.
Aujourd'hui, les générations successives de modules de détection de débit à ultrasons complets et prêts à l'emploi, dotés d'une interface de mesure simple pour tout microcontrôleur, ont rendu la détection de débit à ultrasons précise, fiable et accessible aux concepteurs non spécialisés de tout type d'équipement nécessitant une mesure de débit.
Bloqués avec des capteurs de débit traditionnels à turbine
La mesure de débit est traditionnellement réalisée à l'aide d'un dispositif électromécanique simple: un tube contenant des turbines est positionné dans l'axe du flux. La vitesse de rotation des turbines permet de mesurer le débit. Au fil du temps, les mesures de débit sont combinées pour fournir une mesure absolue du volume de liquide ayant traversé le capteur.
Cette méthode de détection de débit offre une interface de mesure simple avec un dispositif logique externe, tel qu'un microcontrôleur ou un automate programmable (PLC). Cependant, les fabricants d'équipements doivent tenir compte d'inconvénients majeurs susceptibles de limiter l'utilité du capteur, voire de le rendre inutilisable. Ces problèmes proviennent des caractéristiques mécaniques intrinsèques de la turbine ou de la roue au sein de l'ensemble.
Le premier problème réside dans le frottement d'une turbine, qui engendre une inertie : à faible débit, la force du courant est insuffisante pour vaincre cette inertie, empêchant ainsi la rotation de la turbine. Par conséquent, un faible débit sera interpreté comme nul. L'un des principaux atouts des applications de détection de débit est leur capacité à mesurer les fuites, c'est-à-dire un défaut où le débit est continu, mais bien inférieur au débit normal. Dans ce cas, un capteur de débit électromécanique pourra mesurer le débit normal, mais risque de ne pas alerter l'opérateur de la présence d'une fuite.
Le second problème des turbines est le risque de panne catastrophique : la turbine étant une pièce mobile, elle peut se corroder ou se briser. La fiabilité est un enjeu crucial pour les utilisateurs de capteurs de débit : les capteurs de débit mécaniques subissent une usure qui limite leur durée de vie.
La technologie de détection de flux par ultrasons élimine les pièces mobiles
Si le problème réside dans la présence d'un élément mécanique dans le flux à mesurer, la solution consiste à effectuer une mesure sans contact. Ceci peut être réalisé grâce à la technologie de détection ultrasonique.
Les capteurs de débit à ultrasons mesurent le débit d'un fluide en transmettant des ondes sonores à travers celui-ci grâce à des transducteurs placés en diagonale dans la conduite. Un transducteur émet des impulsions ultrasonores vers l'aval, tandis que l'autre les émet vers l'amont. Le fluide en mouvement influe sur la vitesse de propagation : les impulsions vers l'aval se propagent plus rapidement (favorisées par le courant), tandis que celles vers l'amont se propagent plus lentement (freinées par le courant). La vitesse d'écoulement est directement proportionnelle à la différence de temps de propagation entre ces deux trajets.
Cette technique de mesure non intrusive fonctionne avec des liquides et des gaz purs, sans incidence sur le fluide lui-même, et s'adapte à différents diamètres de tuyauterie. Surtout, elle élimine les inconvénients des capteurs de débit mécaniques à turbine. L'absence de pièces mobiles à l'intérieur du fluide confère au capteur une durée de vie quasi illimitée et lui permet de mesurer des débits extrêmement faibles.
La mise en œuvre de cette méthode de détection de flux nécessite une mesure extrêmement précise des faibles différences de temps entre la transmission du son en aval et en amont – un phénomène mesuré en picosecondes.
En réalité, la fonction complète de traitement du signal temporel peut être assurée par un circuit intégré de conversion de débit ultrasonique de ScioSense. Ce dispositif hautement intégré, représenté par le bloc « UFC » sur la figure 2, active les deux transducteurs, mesure la différence de temps entre les signaux de retour et convertit les mesures en données de débit et de volume cumulé pour tout diamètre de conduite donné.
Considérations clés relatives à la conception des débitmètres à ultrasons
Pour intégrer un convertisseur de débit à ultrasons (UFC) dans un système de capteur de débit, le concepteur doit tenir compte de divers facteurs qui influent sur le fonctionnement de cette technologie.
Il s'agit notamment:
• De la géométrie de montage du transducteur
• Des propriétés acoustiques du matériau du tuyau : les métaux, les plastiques et les tuyaux composites ont chacun des impédances acoustiques et des caractéristiques d'atténuation différentes. L'épaisseur de la paroi, la finition de la surface et les revêtements peuvent réfléchir ou absorber l'énergie acoustique. Le trajet acoustique doit également tenir compte de la réfraction aux limites des matériaux.
• Les variations de température : la vitesse du son dans les fluides varie considérablement en fonction de la température. Par exemple, la vitesse du son dans l'eau varie d'environ
0,6 %/°C.
Les modules prêts à l'emploi offrent une solution toute faite.
Les spécialistes de l'intégration des systèmes de mesure de débit, tels que les fabricants de compteurs d'eau, disposent d'une expertise interne en matière de conception qui leur permet d'intégrer un UFC dans un ensemble de capteurs de débit personnalisé, en tenant compte des facteurs énumérés ci-dessus.
Mais l'application plus large de la détection de débit présente un intérêt pour une large gamme d'autres types d'équipements. En voici quelques exemples :
• Machines à café
• Distributeurs de boissons
• Purificateurs d'eau
• Chauffe-eau, chaudières et pompes à chaleur
• Nettoyeurs de piscines
• Équipements sanitaires et toilettes intelligents
• Nettoyeurs de sols
• Systèmes d'irrigation
• Machines de refroidissement
• Refroidisseurs d'eau intelligents
• Systèmes de contrôle des procédés industriels et filtres
• Équipements d'alimentation du bétail
Dans ces applications, la détection du débit est une fonction périphérique plutôt que principale. Les équipementiers préfèrent donc généralement une solution de détection du débit par ultrasons prête à l'emploi et disponible dans le commerce, ce qui réduit considérablement le temps et les efforts de conception et accélère la mise sur le marché.
Les modules complets de capteurs de débit à ultrasons répondent à ce besoin du marché. ScioSense est un pionnier sur ce marché, ayant d'abord proposé l'UFM-01, puis lancé en 2025 une version améliorée, l'UFM-02. L'avantage d'une solution modulaire est qu'elle s'intègre très facilement dans la conception des équipements finaux. Dans le cas de l'UFM-02, par exemple, le module est disponible en deux tailles de filetage - 0,5” et 1” - chacune étant fournie au format BSPP (British Standard Pipe Parallel) ou NPS (American National Pipe Straight). Deux tailles de filetage - 3/8” et 1,5” - seront bientôt disponibles. La plus petite taille de filetage permet un débit maximal de 20l par minute, et la plus grande, jusqu'à 450l par minute.
Le module est très sensible aux faibles débits , ce qui permet au capteur de détecter avec précision les fuites. Dans sa plus petite taille, avec un filetage de 3/8 pouce, l'UFM-02 peut mesurer des débits aussi faibles que 0,03l par minute.
L'UFM-02 est également facile à connecter à n'importe quel microcontrôleur ou PLC. Le module est disponible avec deux types de connexions par câble au choix :
• Un câble d'interface à quatre fils fournissant un signal de sortie simple, avec jusqu'à 450 impulsions par litre.
• Un câble SPI à 10 fils fournissant des données numériques, notamment le volume total de liquide en mètres cubes, le débit filtré en litres/heure et une mesure de la température du liquide.
Une avancée importante dans le module UFM-02 de deuxième génération réside dans sa consommation électrique, qui est nettement inférieure à celle du module UFM-01. Le courant de fonctionnement moyen a été réduit à 50 µA, ce qui est suffisamment faible pour permettre aux applications de fonctionner pendant des années avec une pile standard.
L'introduction de ce tout dernier module signifie qu'une solution prête à l'emploi pour la détection de débit par ultrasons peut désormais être mise en œuvre dans des applications qui ne peuvent pas être facilement connectées à une alimentation secteur ou à une autre alimentation externe et qui dépendent donc de l'alimentation par batterie.
Fabricant de modules bénéficiant d'une longue expérience dans le domaine de la détection de débit par ultrasons
La détection ultrasonique du débit offre une alternative fiable, précise et sensible à la détection mécanique traditionnelle. En utilisant un ensemble de détection modulaire prêt à l'emploi, les équipementiers peuvent tirer parti des qualités de la technologie ultrasonique dans une solution facile à intégrer dans un système électronique.
Les concepteurs qui évaluent le dernier module UFM-02 peuvent également se fier à la longue expérience de ScioSense, une entreprise qui a lancé son premier convertisseur de débit à ultrasons il y a plus de 25 ans et qui offre à ses clients une expertise approfondie dans tous les aspects de la mise en œuvre de la technologie à ultrasons pour la mesure du débit.
La mission de PEI est de fournir à ses lecteurs des informations sur les nouveaux produits et services liés au secteur de l'industrie et qui sont disponibles sur le marché français. 
