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Principe des détecteurs ultrasoniques (4e partie) : incidences sur la précision des mesures

Ultrasonic sensor in cold environment
Pour les détecteurs ultrasoniques utilisés dans une plage de fonctionnement allant de -25 °C à +70 °C, il est réaliste d'obtenir des précisions absolues de 1 % à 3 % dans les applications industrielles.

Dans le domaine des détecteurs ultrasoniques, la précision de mesure fait en général référence à la précision absolue de la valeur mesurée au niveau de la sortie analogique. Basée sur le temps d'écho, la précision de mesure d'un détecteur ultrasonique dépend de plusieurs paramètres physiques. Ces paramètres sont liés à l'air ainsi qu'aux tolérances internes.

Variations de l'environnement

Température de l'air

La température de l'air présente l'impact le plus important sur la précision de mesure d'un détecteur ultrasonique. Une fois que le temps de transit de l'impulsion ultrasonique a été mesuré, le détecteur calcule la distance qui le sépare de l'objet en se basant sur la vitesse du son. Toutefois, lorsque la température de l'air change, la vitesse du son change également de 0,17 % par degré Kelvin. Pratiquement tous les détecteurs ultrasoniques de Pepperl+Fuchs disposent d'une sonde de température qui permet de compenser cet effet. La sonde mesure la température ambiante et le détecteur corrige la distorsion des valeurs mesurées induite par la température (voir compensation de température).

Humidité

L'humidité a une influence négligeable sur la vitesse du son à température ambiante et aux températures inférieures. Toutefois, à des températures plus élevées, la vitesse du son augmente en même temps que l'humidité.

Pression atmosphérique

La vitesse du son décroît de moins de 1 % entre le niveau de la mer et une altitude de 3 000 m. Les fluctuations atmosphériques au niveau d'un site spécifique sont négligeables et les effets sur la vitesse du son sont à peine détectables.

Courants d'air

Si l'objet présente les propriétés réfléchissantes du réflecteur standard, les courants d'air ordinaires (vent) n'ont aucun effet sur les mesures ultrasoniques jusqu'à une vitesse de 7 Bft (50-61,5 km/h). Les tempêtes ou les ouragans peuvent causer une certaine instabilité des mesures (avec perte de signal). En ce qui concerne les modifications apportées à la vitesse du son, aucune conclusion générale ne peut être établie. Cela est dû au fait que la direction des courants d'air et leur vitesse changent en permanence. Par exemple, des objets particulièrement chauds, comme un métal chauffé au rouge, provoquent des turbulences notables dans l'air. Le signal ultrasonique peut être diffusé ou dévié de telle façon qu'aucun écho n'est renvoyé.

Brouillard de peinture

Le brouillard de peinture n'a aucun effet détectable sur le fonctionnement des détecteurs ultrasoniques. Toutefois, il convient d'éviter que le brouillard ne se dépose sur la surface active du transducteur afin de ne pas compromettre sa sensibilité.

Bruit externe

Le bruit externe se distingue des échos cibles désirés et ne provoque en général pas de dysfonctionnement. Si la source des perturbations opère à la même fréquence que le détecteur ultrasonique, le niveau de bruit externe ne doit pas dépasser celui des échos cibles. Cela peut se produire lors du remplissage d'un silo de gravier, par exemple.

Types de gaz

Les détecteurs ultrasoniques de Pepperl+Fuchs sont conçus pour fonctionner dans l'air atmosphérique. Leur utilisation dans d'autres gaz (dioxyde de carbone par exemple) peut provoquer de graves erreurs de mesure ou même la perte totale de fonction à cause des écarts qui se manifestent au niveau de la vitesse du son et des propriétés d'atténuation.


Compensation de température

Les détecteurs ultrasoniques fonctionnent sur la base de la méthode du temps d'écho, ce qui signifie qu'on évalue le temps qui s'écoule entre l'émission d'une impulsion ultrasonique et la réception de l'écho renvoyé. Le détecteur ultrasonique calcule la distance de l'objet en se basant sur la vitesse du son. Lorsque le son se propage dans l'air, la vitesse du son est d'environ 344 m/s à température ambiante. Toutefois, la vitesse du son dépend de la température et change environ de 0,17 % par degré Celsius. Ces modifications affectent le temps de transit et peuvent affecter le calcul de la distance. La plupart des détecteurs ultrasoniques de Pepperl+Fuchs possèdent une plage de fonctionnement allant de -25 °C à +70 °C.

Sans compensation de la température pour une distance de mesure de 100 cm, un changement de 20 °C au niveau de la température provoquerait une erreur de mesure de -8,5 cm à 70 °C et de +7,65 cm à -25 °C.

Ainsi, la plupart de ces détecteurs ultrasoniques sont équipés de sondes de température dont les mesures sont utilisées pour corriger les distances mesurées. Cette compensation s'effectue sur toute la plage de fonctionnement des détecteurs ultrasoniques, de -25 °C à +70 °C ; elle permet d'atteindre une précision de mesure d'environ ±1,5 %.


Précision

La notion de précision/précision absolue fait référence à la différence qui existe entre la valeur de sortie mesurée par le détecteur ultrasonique et la distance réelle de la cible. D'un point de vue pratique, des précisions absolues de 1 % à 3 % sont réalistes dans les applications industrielles pour les détecteurs ultrasoniques sur la plage de fonctionnement allant de -25 °C à +70 °C. Il est possible d'atteindre des précisions plus élevées dans des conditions ambiantes extrêmement stables. Dans ce cas, il est conseillé de désactiver la compensation de température (à l'aide de l'outil de programmation).

Il peut également être envisagé d'utiliser un détecteur ultrasonique de référence. Cette approche implique d'installer un second détecteur du même type en parallèle du détecteur effectuant la mesure et de l'aligner sur un objet fixe. Si les conditions ambiantes de la plage de mesure changent, la distance de l'objet semblera également changer à cause des variations de la vitesse du son. La valeur mesurée sera alors corrigée en fonction de la valeur de cette erreur.


Maintenant disponible : Guide technique sur les détecteurs ultrasoniques