différents types d`anémomètres

Dossier métrologie
Les deux bancs
Nouveau banc d’étalonnage
Gamme de vitesse : 0,05 à 2 m/s
- Incertitude d’étalonnage maximale : ± 0,02 m/s
- Gamme de température : + 10 à 50 °C
- Gamme d’humidité : 10 à 90 % HR
- Sens de l’écoulement : horizontal, vertical ascendant ou descendant
- Dimensions de la veine d’essai : 250 x 250 x 700 mm
- Homogénéité : écart type < à 0,01 m/s dans une zone de 150 x 150 mm
- Anémomètre de référence : anémomètre Doppler Laser
Banc d’étalonnage existant
- Gamme de vitesse : 0,10 à 40 m/s à 23 °C ± 2 °C
- Incertitude d’étalonnage : ±0,035 m/s pour V < 0,15 m/s et ± (0,006 + 0,016 x V) m/s
pour V > 0,15 m/s
- Température : environ 23 °C de 0,10 à 40 m/s et de 10 °C à 40 °C pour V > 2 m/s (étalonnage
Cofrac uniquement à 23 °C)
- Humidité ambiante
- Ecoulement horizontal
- Anémomètre de référence : anémomètre Doppler Laser
- Prix d’un étalonnage en 5 points : 345 euros à température ambiante + 10 euros par point
inférieur à 0,5 m/s
(729 euros à une autre température)
- Prix d’un étalonnage en 10 points : 435 euros à température ambiante + 10 euros par point
inférieur à 0,5 m/s
(919 euros à une autre température)
nentielle. Par rapport à un flux horizontal, un flux vertical ascendant augmentera exagérément la vitesse, alors qu’un
flux vertical descendant la diminuera.
Ceci s’explique par des phénomènes de
convection naturelle ou forcée de l’air
générés par les anémomètres qui s’opposent ou s’ajoutent, selon la direction, au
flux d’air lui-même (voir présentation des
capteurs).
C’est la raison pour laquelle, malgré les
contraintes techniques que cela impose
(la veine est intégrée dans le circuit fermé de la soufflerie qui occupe toute une
pièce), la veine a été conçue pour pivoter sur elle-même. Elle peut faire un
demi-tour autorisant ainsi des étalonnages dans des flux horizontaux, verticaux ascendants ou descendants. De
même, la température de l’air peut varier
+ 10 à 50 °C et l’humidité de 10 à 90 %
HR. « Nous pouvons ainsi étalonner les capteurs
dans les conditions les plus proches possible de leurs
conditions d’utilisations », précise M. CordierDuperray.
MPVP
*- A+ Métrologie Centre - banc d’anémométrie : plage de
mesure 0,5 à 25 m/s incertitude absolue : ± (0,05 x
V) m/s
Tél. : 01 64 86 48 00 - web : aplusmetrologie.com
- Aérométrologie – banc d’anémométrie : plage de mesure : 0,06 à 40 m/s, incertitude absolue : de ± 0,021 m/s
à ± 0,280 m/s
Tél. : 01 64 86 48 00 - web : www.aerometrologie.fr
- Cetiat - Tél. : 04 72 44 49 00
E-mail : cetiat.commercial@cetiat .fr
**La réalisation de ce banc a été financée par différents partenaires : le Cetiat, le BNM, la région Rhône Alpes, l’ATITA (association technique des industries thermiques et aérauliques) ainsi que 4 fournisseurs d’anémomètres (Airflow,
E+E Electronics, Testo, Swema)
Six familles d’anémomètres
Alors que pour mesurer le confort d’une pièce, assurer la sécurité des équipements ou contrôler
la qualité de séchage de produits, les besoins en anémométrie se font croissants, voici l’occasion
de faire un petit tour d’horizon des différents types d’anémomètres, avec l’aide d’Isabelle Caré.
1- Anémomètre à sonde
de pression, ça dépend du capteur de pression
Principe
Mesure d’une pression différentielle ∆P proportionnelle à la pression dynamique et à la vitesse de l’air U. ∆P est fonction aussi de
ρ, masse volumique de l’air, elle-même dépendante de la pression de la température et de l’humidité.
∆P
=αx /ρxU
12
2
Types d’appareils :
Tube de Pitot L : α = 1, différents modèles selon la géométrie du
MESURES 758 - OCTOBRE 2003
nez du tube, reste limité pour les faibles débits (pour mesurer un
débit de 2 m/s, il faut un très bon capteur qui doit être capable de
mesurer un DP de 2 Pa)
Tube de Pitot S, sonde de Darcy ou Rechnagel : α > 1, permet d’amplifier
la mesure et de descendre vers les plus faibles débits
L’expert :
Isabelle
Caré,
responsable
de l’unité
“Fluides”
au département
“Métrologie”
du Cetiat
Caractéristiques :
• Réponse dynamique assez faible
• Bonne sensibilité directionnelle
• Nécessité d’utiliser un capteur de pression
• Plage de mesure : de 2 à 150 m/s (selon le capteur de pression)
• Utilisation possible mais délicate dans les liquides
2 - Anémomètre à hélice :
de toutes les tailles
Principe
• Hélice à n pales orientées selon un angle α par rapport à l’axe de
rotation
41
Dossier métrologie
Applications
- Sur des grosses cheminées ou conduites de section importante
- Environnement chargé (insensibilité aux poussières,
colmatage…)
4 - L’ultrason : des débuts prometteurs
Hontzsch
v
B
L
• L’écoulement d’air applique une force (U) sur les pales qui tend
à les faire tourner.
U = V tgα
Types d’appareils.
Anémomètres à hélice ou à moulinet dont le diamètre peut varier
de 10 à plus de 100 mm (bouches de ventilation), anémomètres
à coupelles rotatives (météo, grues de chantier)
Caractéristiques
- L’usure mécanique impose un étalonnage régulier.
- Plage de mesure : 0,2 à 40 m/s
- Pas très cher
- Robuste
- La qualité ainsi que la plage de mesure dépendent beaucoup du
diamètre et du constructeur.
Airflow
Avis de l’expert
- Deux seuils sont à prendre en compte : un seuil de
démarrage et un seuil de linéarité. Entre les deux,
l’hélice se met à tourner mais des forces de frottements s’opposent à la force dynamique de l’écoulement. La réponse du capteur n’est pas linéaire. Au-delà,
les forces de frottement ne sont plus significatives. Il est
donc toujours recommandé d’utiliser l’anémomètre uniquement au delà du seuil de linéarité.
3- Anémomètre vortex
Principe
Même principe que le
débitmètre vortex. Lorsque
l’air rencontre un élément,
il se divise et engendre des
Vitesse
tourbillons de part et
du fluide
d’autre et en aval de cet élément. Le nombre de tourbillons formés par unité de
temps est proportionnel à la
vitesse d’écoulement.
V = fréquence des tourbillons/K
Le facteur K dépend du nombre de Reynolds et de la masse volumique du fluide mais il est constant sur une large plage de mesure.
Caractéristiques
- Dynamique importante
- Mesure en un seul point relativement moins précise qu’un tube
de Pitot moyenné
- Pas de pièce mécanique en mouvement (peu de maintenance)
- Faible perte de charge
42
A
T1= L , soit c+V= L
(c+V)
T1
T2= L , soit c-V= L
(c-V)
T2
2xV=
L-L
T1 T2
Principe
Même principe que celui d’un débitmètre à ultrasons par temps de
transit (mesure différentielle du temps aller-retour d’une onde
ultrasonore entre deux sondes)
- 2 sondes à ultrasons (émettrice/réceptrice) A et B séparées d’une
distance L
Les sondes sont parallèles à la direction de l’écoulement
(à vitesse V)
T1 : temps nécessaire pour l’onde d’aller de A à B
T2 : temps nécessaire pour l’onde d’aller de B à A
Types d’appareils.
Technologie relativement récente sur le marché (3 à 4 ans).
Il existe deux types d’anémomètres à ultrasons. Des appareils dédiés à la météorologie capable de mesurer jusqu’à
trois composantes de vitesse. Ces appareils sont de grandes
dimensions et de fait peu adaptés à mesurer des faibles vitesses
d’air. La société anglaise Airflow propose pour sa part un capteur
monodirectionnel à trois sondes, de faibles dimensions qui permet
de mesurer des faibles vitesses d’air.
Caractéristiques
- Mesure indépendante des conditions ambiantes
- Plage de mesure : de 0,1 à environ 60 m/s
Capteur relativement volumineux (ne peut s’insérer dans toutes
les conduites).
Seul l’anémomètre de marque Airflow peut être étalonné dans le
nouveau banc du Cétiat.
Principales applications en météorologie pour les capteurs
2D ou 3D.
Mesure des flux laminaires (en cabine de peinture, hottes à flux,
grandes bouches de soufflage…) : anémomètre Airflow
Avis de l’expert
La raison pour laquelle les anémomètres à ultrasons sont arrivés sur
le marché bien après les débitmètres vient du fait que les deux (ou
trois) sondes sont très proches l’une de l’autre. Les temps mesurés
sont très “courts” et la différence de temps très faible. Pour obtenir une précision acceptable aux faibles débits, il a fallu attendre que
les capteurs et l’électronique surmontent cette contrainte. Pour des
mesures plus industrielles, l’ultrason reste encore cher et le capteur
MESURES 758 - OCTOBRE 2003
Dossier métrologie
trop volumineux pour s’insérer dans des conduites ou bouches de ventilation. En revanche, en météorologie, il pourrait remplacer les coupelles
rotatives en multipliant le nombre d’émetteurs/récepteurs pour une
mesure multidirectionnelle.
convection naturelle qui génère un écoulement vertical ascendant qui se
superpose ou s’oppose à la vitesse que l’on veut mesurer si celle-ci est
verticale. Ceci induit une erreur qui est d’autant plus importante que la
vitesse est faible.
5 - Le thermique : des qualités et des défauts
6 - Vélocimètre Doppler Laser, la référence
Principe
- On chauffe un élément sensible à une température supérieure à la température ambiante
- L’écoulement a tendance à le refroidir
- L’énergie nécessaire pour le maintenir dans des conditions constantes de
température est reliée à la vitesse de l’écoulement
Principe
Débit avec particules
Signal
Détecteur
Types d’appareils.
Anémomètre à fil ou film chaud (unidirectionnel), anémomètre à cylindre
chaud (bidirectionnel), anémomètre à boule chaude (omnidirectionnel)
Caractéristiques
- Plage de mesure : quelques cm/s à plusieurs dizaines de m/s (selon
modèle), 0,05 à 300 m/s
- Faible encombrement (mesure à accès difficile)
- Elément sensible fragile
- Influence des conditions ambiantes, de la viscosité et de la masse volumique du fluide
- Vieillissement de l’élément sensible (impose un étalonnage régulier)
Avis de l’expert
Le gros avantage d’un capteur thermique est sa petite taille. Il suffit de
faire un petit trou dans la gaine. Et il descend assez bas en vitesse dans des
conditions industrielles jusqu’à 0,05 m/s. Mais son utilisation n’est pas
si simple qu’il n’y paraît. La loi physique étant complexe, il n’existe pas
d’équation mathématique simple pour décrire la relation entre l’énergie
et la vitesse . Par ailleurs, à faibles vitesses, on est tributaire de phénomènes de convection. Quand on chauffe l’élément sensible, on crée une
t(mesuré)
Volume
Lumière mesuré
Cellule Laser rétrodiffusée
de Bragg
- On injecte des particules dans l’écoulement
- On envoie dans l’écoulement deux faisceaux laser de même longueur
d’onde issus d’une même source et de directions différentes
- A l’intersection, les deux faisceaux forment un angle θ.
Dans le volume de mesure, il se crée un réseau de franges d’interférence
- On connaît i la distance entre deux franges appelée interfranges
- Pour calculer la vitesse de l’air U, on mesure fD, la fréquence de passage des particules à travers les franges
Caractéristiques
- Indépendant des conditions ambiantes
- Plage de mesure : < 1 cm/s à plusieurs centaines de m/s
- Fréquence d’échantillonnage élevée
- Relativement cher.
■
Les principaux fournisseurs *
Fabricant ou distributeur (marques)
Téléphone
Alliance Technologies (Metek)
Blet (Thies, Envic, …)
CIMA Technologie
(Schiltknecht, Mesa Schmitt Feintechnik…)
Dantec
E+E Electronics
Kimo
Nereides (Gill)
PB Mesures (Airflow)
RBI (Schilknecht, Airflow, LSI)
System C Industrie
(Soft Flow, Sick, Maihak, J-Tec, Veris)
Testo
TH Industrie (Accubar, Airflow, Hontzsch, TSI)
TSI France
Vaisala (sondes pour la météorologie)
02 47 30 33 45
01.40.35.44.16
04 78 91 41 05
01 64 49 68 30
04 74 72 35 82
05 53 80 85 00
01 69 07 20 48
04 73 28 64 80
01 30 17 28 28
04 75 54 86 00
03 87 29 29 00
01 47 66 81 86
04 91 95 50 08
01 30 57 73 40
Sonde de
pression
A hélice
Vortex
Thermique
Ultrasons
●
●
●
●
●
●
Doppler
laser
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
*liste non exhaustive
MESURES 758 - OCTOBRE 2003
43