Autres mesures de débit

CH5 : AUTRES MESURES DE DEBITS
A. Mesure des débits volumiques des fluides
I. Par mesure de la vitesse :
1. Débitmètre électromagnétique
2. Débitmètre à turbine
Impulsions
L'hélice est mise en rotation par le fluide en mouvement. Sa vitesse de rotation Ω est
alors mesurée par un capteur (dit tachymétrique), qui peut être un :
Capteur
- capteur inductif : il y a variation du champ magnétique à chaque passage des pales de
l'hélice : génération d'impulsions au niveau du capteur (bobine) par phénomène d'induction
électromagnétique.
Qv
- capteur optique
Ces 2 types de capteurs délivrent une suite d'impulsions électriques, dont la
fréquence f est proportionnelle à Ω , elle-même proportionnelle à la vitesse
moyenne du fluide v et donc à Qv ⇨ f est proportionnelle à Qv.
Précision : 1 %.
Le débit ne doit pas être trop faible, ni varier beaucoup. Les fluides doivent être propres (utiliser
éventuellement un filtre), non corrosifs et les liquides non visqueux.
3. Débitmètre à ultrasons (débitmètre ultrasonique)
Un émetteur E émet des ondes ultrasons (de fréquence > 20 k Hz, inaudibles par l'homme). Les ondes
ultrasoniques de célérité C sont recueillies par un récepteur R (voir figure ci-dessous).
La mesure du temps mis par le signal ultrasons pour parcourir la distance L entre l'émetteur et le récepteur,
permet de connaître la vitesse du fluide et d'en déduire le débit volumique.
R
→
v
Supposons qu'elles se propagent à la vitesse CR de E vers R, on a
CR = C + vX avec vX : composante "utile" de v sur le trajet E→R (de
longueur L).
On appelle la droite ER, l'axe X.
E
R
vX = v cosα
E
Les ondes ne se propagent pas à la vitesse C de E vers R, car le
fluide (permettant la propagation des ultrasons) est en mouvement.
α
→
v
Composante de v "utile" à la
propagation des ondes
Or vX = v cos α (voir ci-contre) d'où CR = C + v cos α.
L
L
Le temps de propagation de E vers R vaut t 
.

C R C  v cos
En mesurant Δt, on obtient donc v, puis Qv.
L'ensemble du dispositif est extérieur (non intrusif) à la canalisation : il est donc utilisable pour des fluides
agressifs et ne provoque aucune perte de charge. Très utilisé pour les hydrocarbures (non conducteurs, donc
impossibilité d'utiliser un FT électromagnétique).
Large gamme de débits de 0,1 à105 m3/h.
Les liquides ne doivent pas être chargés de particules, ni avoir des bulles de vapeur, pour éviter la dispersion
des ondes.
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II. Débitmètre à effet Vortex (effet Karman)
Obstacle
Zones de dépression
On place un obstacle dans un fluide en mouvement ; à partir d'une certaine
vitesse, il se forme des tourbillons en aval de l'obstacle.
Qv
Tourbillons de Karman
Le nombre de tourbillons par seconde (fréquence des tourbillons) est
proportionnel à Qv moyen.
Le capteur détectera les variations de la pression (dépression au centre du tourbillon) ; la pression en un point du
fluide est de forme oscillatoire.
Bonnes linéarité et précision (1%). Dynamique : 1-20.
Utilisable pour liquide propre, gaz ou vapeur.
A ne pas utiliser pour des vitesses et débits faibles. Des pertes de charge.
III. Par mesure de la pression différentielle à l'aide d'Organes Déprimogènes (OD)
1. Débitmètre à diaphragme
2. Débitmètre à tuyère
3. Débitmètre à venturi
IV. Par mesure de la pression dynamique
1. Tube de Pitot
2. Débitmètre à cible
cible
Qv
1
Le fluide exerce une force F sur la cible, due à la pression dynamique Pdyn   v ² .
2
D'où F = Pdyn Scible = k v² = K Q²v avec Scible : surface de la cible.
F est donc proportionnelle au carré de Qv. La mesure de F permet d'obtenir Qv à
l'aide d'un extracteur de racine carrée.
Utilisable pour des fluides chargés (de particules), pour des fluides corrosifs.
Précision 1 à 2 %. Dynamique : 1-3
Il entraîne des pertes de charge.
V. Débitmètre à section variable : rotamètre ou débitmètre à ludion
Il est constitué par un petit flotteur (ludion) pouvant se déplacer dans un tube vertical conique (de section S = a H).
Quand le débit augmente, le ludion se soulève ; il est en équilibre sous l'action de 3
forces : son poids, la poussée d'Archimède (ρfluide Vludion g) et la poussée du liquide.
A partir de la condition d'équilibre des 3 forces, on montre que Qv = k H.
k dépend de la forme du flotteur, de la viscosité du fluide et de ρfluide.
H
Le débit peut se lire directement sur le tube (gradué) ou être transmis par couplage
magnétique (aimant lié au flotteur) ou couplage optique.
Précision : 3 à 10 % de l'étendue de mesure. Dynamique : 1-10.
20 bars max supportés. Des pertes de charge.
Utilisé souvent pour des débits de purge.
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VI. Débitmètre par compteurs volumétriques
Le fluide passe dans le débitmètre en faisant tourner une ou plusieurs pièces mobiles, qui entraînent un
dispositif de comptage.
Ci-contre, 2 roues ovales, solidaires entre elles par des dents à leur surface, sont
entraînées par le fluide. Le nombre de rotations est une mesure précise du
volume de fluide transféré. Ce qui permettra de connaître Qv.
Fluide
Qv
Roue ovale
dentée
Les roues sont aimantées ; les impulsions relevées dans une bobine (placée sur le
corps de l'appareil ; phénomène d'induction électromagnétique) permettent de
compter les rotations et d'en déduire Qv.
Précision 1%. Dynamique : 1-15.
Utilisable pour des liquides non chargés (de particules), pour des liquides agressifs : solvants, carburants
(essences, GPL), acides et pour des gaz.
Ne tolère pas de bulles de vapeur dans les liquides (dégazage éventuel en amont). Pertes de charge. Coûteux.
B. Mesure des débits massiques des fluides
I. Débitmètre à effet Coriolis
La mesure repose sur l'apparition d'une force, dite force de Coriolis FC , lorsqu'une masse m est soumise à
la fois à un mouvement de translation et de rotation.
Le capteur est un tube en U flexible, dans lequel circule le fluide (fig 1). Le tube est mis en vibration (fig 2)
par un ensemble électroaimant - aimant permanent, non représenté ici ; il vibre à une fréquence de l'ordre de
100 Hz. Le tube subit donc un mouvement de rotation, dont le sens change périodiquement.
Tube en U en vibration
Ecoulement du fluide
Tube en U
Amplitude de la
vibration
(0,1 mm!)
fig 1
fig 2
Le fluide dans le tube subit à la fois un mouvement de translation et de rotation : il exerce alors une force
de Coriolis sur le tube.
Cette force n'a pas le même sens sur la partie AB ou CD du tube (fig 3). En effet son sens dépend de celui
du vecteur vitesse du fluide, qui change.
→
FC 2
→
FC1
→
Vue de droite
Torsion du tube
→
Remarque : les forces changent de sens lors de la rotation vers le bas.
Le tube se tord sous l'effet de FC1 et FC 2 .
Les 2 capteurs inductifs, recueillent un signal alternatif différent, du fait du comportement différent des
branches AB et CD.
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Débitmètre à effet Coriolis (suite)
Les signaux reçus par les 2 capteurs sont décalés dans le temps (fig 4) : ils sont déphasés de Δφ, du fait de la
torsion du tube.
2
1
t
Δφ
On montre que Δφ = k Qm
La mesure du déphasage permet donc d'obtenir le débit massique.
fig 4
Autres applications du débitmètre Coriolis : mesures du débit volumique Qv, de la masse volumique ρ et
de la viscosité.
Pas de maintenance mécanique.
Grande précision (la meilleure) :
Liquides : 0,1 % pour la mesure de Qm et 0,3 % pour celle de Qv.
Gaz : 0,5 % pour la mesure de Qm.
Très large gamme de débits : du débit massique de 0, 2g / min (tube de diamètre 1 mm) à 1800 tonnes / h (diamètre
35 cm). Dynamique : 1-50.
Utilisable pour tout liquide (propre ou visqueux) et gaz.
Ne tolère pas de bulles de vapeur dans les liquides (dégazage éventuel en amont).
Sensible aux vibrations. Coût élevé.
II. Débitmètre massique à effet thermique
Le fluide circule dans un tube métallique à paroi mince (en dérivation sur la canalisation), sur lequel est
placée une résistance chauffante (voir figure ci-dessous).
2 capteurs de température mesurent les températures en amont
(TA) et en aval (TB) de la zone de chauffage.
On montre en calorimétrie que ΔT = TB - TA = k Cp Qm
avec Cp : chaleur spécifique du gaz.
.
: fluide au repos ⇨ TB = TA
: fluide en mouvement ⇨ TB > TA
ΔT = k Cp Qm donc ΔT est proportionnel à Qm.
La mesure de ces 2 températures permet donc de connaître Qm.
Utilisable pour gaz (85% des cas), vapeur ou liquide propre.
Très utilisé pour la mesure des débits massiques faibles de gaz, en particulier lors du dopage des semi conducteurs
(débits de 2 à 3 mL / min à mesurer).
Précision : 1 %.
Grande gamme de débits mesurables, en particulier pour les gaz. Dynamique : 1-10.
Peu d'entretien et peu de pertes de charge.
C. Choix d'un débitmètre
Les critères de choix sont très nombreux et liés :
- aux caractéristiques du fluide : nature (gaz, liquide chargé, liquide conducteur...), viscosité, régime
d'écoulement, agressivité, pression, température...
- aux critères métrologiques : précision, étendue de mesure, type de signal de sortie (4-20mA, 0-10V...),
dynamique* / rangeabilité R*...
*Dynamique 1-5 ⇨ R = 5 ⇨ Qmax = 5 Q min, avec les performances annoncées par le constructeur
- aux caractéristiques de l'installation : diamètre de canalisation, perte de charge générée, encombrement, usure...
→ Une 1ère sélection peut se faire à partir des critères en gras.
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