Niveaumétrie à ultrasons.

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Option : Contrôle
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Métrologie sans contact
TELEMETRIE et CONTRÔLE par ULTRASONS
1ere PARTIE : TELEMETRIE par ULTRASONS
NOMS : …………………………….
Date : ………………….
………………………….
………………………….
COMPTE-RENDU : 1ere PARTIE
N°
Pts sur
place
Questions
Pts.
Remarques :
Principes / 3 pts
1
Télémétrie laser et ultrasons
___/1,5
2
Mesure de niveaux par ultrasons
___/1,5
Mise en œuvre / 4 pts
1-2
Niveaumétrie à ultrasons
Montage
3
Courbe enveloppe
___/2
___/2
Analyse des performances / 3 pts
1
2
Application des ultrasons
__1,5
Niveaumétrie
__/1,5
Note:
____/10
cadre 1 : Barème de correction.
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TELEMETRIE et CONTRÔLE par ULTRASONS
1ere PARTIE : TELEMETRIE par ULTRASONS
PRINCIPES
1. Télémétrie laser et ultrasons
Un télémètre laser à comparaison de phase utilise une diode laser dont l'intensité lumineuse est modulée avec
une fréquence N = 60 MHz.
Calculer la période T et la longueur d'onde  de modulation (on prend c= 3.00 .108 m/s.).
Quel sera le retard de phase (en rad et en degrés) si D = 2 m ?
Quel est le retard de phase sur l'exemple du cadre.
Réponses :
𝑇=
1
𝑁
=
1
60∗106
𝑐
= 16.6 𝑛𝑠 Or Λ = 𝑐. 𝑇 =
𝑁
=
3∗108
60∗106
= 5𝑚
Λ = 5 𝑚 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑠𝑝𝑜𝑛𝑑 à 2𝜋 Donc pour D=2 m on aura un retard de
Sur l’exemple, λ= 20 unités et le retard D = 8 unités donc r=
16𝜋
20
=
4𝜋
5
4𝜋
5
𝑟𝑎𝑑 = 2.51 𝑟𝑎𝑑 = 144°
𝑟𝑎𝑑 = 2.51 𝑟𝑎𝑑 = 144°
Dans le cas d'un signal lumineux, la vitesse de propagation est dans l'air c = 3,00*108 m/s. Dans le cas d'un
signal sonore, la célérité des sons est dans l'air (dans les condition normale) v = 340 m/s.
Si la mesure  du temps de vol se fait à Δ =  0,01 µs près, quelle est la précision de la mesure de la distance
de parcours d'un signal lumineux ?
Avec quelle précision faut-il mesurer la durée du temps de vol d'un signal sonore pour que l'erreur sur la
distance mesurée n'excède pas 1 mm ?
Signal lumineux : 𝑝 = 𝑐 ∗ Δ𝜏 = 3 ∗ 108 ∗ 0.01 ∗ 10−6 = 3 𝑚
Signal sonore : 𝑝 =
𝑑
𝑣
=
1∗10−3
340
= 2.9 𝜇𝑠
2. Mesure de niveaux par ultrasons
Réponses aux questions après étude du document "Théorie US.ppt".
La sonde US utilise un transducteur fonctionnant successivement en émetteur et en récepteur. Quelle est ce
transducteur ? Quel est l'ordre de grandeur (en kHz) des fréquences US utilisées ? Quel est l'ordre de grandeur de
la vitesse des US ? De quelles variables physiques dépend la vitesse ?
Le transducteur du FMU40 est un oscillateur couplé.
Les fréquences US utilisées sont de l’ordre de 70 kHz.
La vitesse des US est de 330 m/S
La vitesse dépend de l’humidité, de la température et de la pression.
La source émet un signal pendant 1,0 ms ; 0,5 ms plus tard la membrane s'est suffisamment amortie pour
pouvoir recevoir un écho. A quelle distance minimum B peut se trouver un obstacle détectable ?
La mesure peut se faire 1,5 ms après le début de l’émission : t=1,5 ms et v=340 m/s
Donc 𝑑 = 𝑣 ∗ 𝑡 = 1.5 ∗ 10−3 ∗ 340 = 0.51 𝑚 pour un aller-retour la distance minimum B est 25 cm.
A quelle distance se trouve la surface du produit si l'écho revient au bout de 6,0 ms.
Lorsque la cuve se vide, le niveau peut descendre à 5 m de la sonde. Quelle durée minimum sépare deux
signaux successifs émis par la sonde ? En déduire (en Hz) la cadence d'impulsion des signaux (ne pas confondre
avec la fréquence des US) ?
Au bout de 6 ms, l’onde a parcouru 𝑑 = 𝑣 ∗ 𝑡 = 6 ∗ 10−3 ∗ 340 = 2.04 𝑚 pour un aller-retour donc la surface du
produit est à 1,02 m.
𝑑
10
L’onde parcourt au total 10 m en 𝑡 = =
= 0.029 𝑠 = 30 𝑚𝑠 c’est la durée minimum qui sépare deux signaux
𝑣
340
successifs émis par la sonde d’où la cadence d’impulsion des signaux est de
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30∗10−3
= 33𝐻𝑧.
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Le traitement du signal aboutit à une courbe enveloppe, comment s'obtient-elle ?
La courbe-enveloppe résulte de nombreux échos. On réalise au préalable une mesure de "tarage" lorsque la
cuve est vide. Pour quelle raison ?
La courbe enveloppe s’obtient en traçant l’atténuation de l’écho en fonction de la distance de l’obstacle. Chaque
pic représentant un obstacle.
Le tarage permettra par la suite de filtrer les échos parasites (constants) pour ne s’intéresser qu’au niveau dans la
cuve
MISE EN ŒUVRE
Niveaumétrie à ultrasons.
1) Montage
2) Configuration.
3) Courbe enveloppe
Enregistrer votre courbe sous Nom_date.crv.
Observer les différents des échos. Identifier l'origine des différents échos observés. Comment juge-t-on de la qualité
d'un écho ?
Lire le document technique TDT et FAC (voir les deux dernières pages de DT7_LP.pdf) et expliquer comment le
système permet d'exclure les échos parasites.
Pour supprimer les échos, il y a deux principes :
- TDT : on enregistre un seuil dépendant du temps de parcours (cuve vide), lors de l’acquisition, tous
les maximas en dessous de ce seuil seront ignorés.
- FAC : courbe moyenne s’adaptant aux changements de conditions de process, seuls les petits échos
parasites sont enregistrés.
ANALYSE DES PERFORMANCES
1. Application des ultrasons
Vitesse
Télémétrie par mesure du
temps de vol
Echographie et imagerie
médicale
Télémétrie par mesure du
déphasage
Sonar et acoustique sous
marine
Analyse physico-chimique des
mélanges
Fréquence
Réflexion
X
X
X
X
X
X
Réfraction
Absorption
Diffusion
X
X
X
X
X
X
X
X
Débitmétrie
X
X
Niveaumétrie
X
X
X
CND
X
X
X
X
X
X
X
2. Niveaumétrie
Lire le document niveau.mht.
Observer les points communs aux systèmes sans contact. Dans quels cas la niveaumétrie sans contact doit
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être choisie ? Dans quels cas doit-on préférer un système avec contact ?
Quels sont les deux principaux avantages apportés par le système à ultrasons ? Quels sont ses deux
principaux inconvénients ?
On choisit la niveaumétrie sans contact pour des montages économiques, sans maintenance et sans risque de
bouchage ou d’encrassement.
On préfère un système avec contact car il est insensible à la mousse, utilisable pour des hautes températures,
indépendant du diélectrique et utilisable en haute pression
Le système à ultrason est utilisable en cuve synthétique et est indépendant de la densité. Il n’est pas très connu et
est sensible à la mousse, Il s’utilise pour les basses pressions.
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