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Principes de mesure du débit

Qu'est-ce que la mesure du débit ?

La mesure du débit est le procédé qui consiste à quantifier le débit d'un milieu donné. Le débit des liquides et des gaz, par exemple, est l'une des variables les plus couramment employées dans l'industrie des procédés. Différentes branches de l'industrie y recourent à des fins diverses, depuis le contrôle de variables secondaires, telles que le chauffage au moyen de la régulation du débit de vapeur, jusqu'au suivi de consommation et à la facturation. En bref, le débit peut être défini comme le volume ou la masse divisé(e) par la période de temps.

Le débit peut être représenté mathématiquement comme suit :

Débit massique (Q) = Masse (kg) ÷ Temps (s)

Débit volumétrique (Q) = Volume (m3) ÷ Temps (s)

Les unités de mesure SI qui caractérisent le débit massique et le débit volumétrique sont respectivement le kg/s et le m³/s.. Toutefois, dans la pratique, on peut recourir à d'autres unités telles que le kg/h ou la t/h pour le débit massique, ou encore au l/min ou le m³/h pour le débit volumétrique.

Il est également possible de déterminer le débit volumétrique dans un tuyau ou une conduite, si l'on connaît la vitesse du fluide et la superficie de la section transversale de cette canalisation :

Débit volumétrique (Q) = Superficie (m²) ∙ Vélocité (m/s)

Le résultat de cette équation est le débit volumétrique exprimé dans l'unité SI m³/s.

Si la densité du fluide est connue et constante, il est possible d'obtenir le débit massique en multipliant sa valeur par le débit volumétrique.

Débit massique (Q) = Débit volumétrique (m³/s) ∙ Densité (kg/m³)

Le résultat de cette équation est le débit massique exprimé dans l'unité SI kg/s.

Dans le cas de la mesure du débit volumétrique des gaz, les particules gazeuses présentent des liaisons intermoléculaires plus faibles que les liquides, leur densité étant sujette à des changements causés par les variations de pression et de température. Pour une comparaison directe, les taux volumétriques sont souvent corrigés selon une condition de référence de température et de pression. Les deux conditions de référence les plus courantes sont 0 °C (32 °F) et 1 bar (100 kPa) telles que définies par l'organisme UICPA, et 20 °C (68 °F) et 1 013,24 mbar (101,325 kPa) telles que définies par l'organisme NIST. Dans la mesure du débit massique des gaz, aucune compensation n'est nécessaire, car la masse est indépendante des variations de température et de pression.

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Types de débitmètres

Dans la plupart des cas, les principes de mesure du débit reposent soit sur la mécanique des fluides, soit sur des caractéristiques telles que les propriétés thermiques, acoustiques ou électromagnétiques, les débits étant mesurés directement ou calculés indirectement à partir d'autres quantités évaluées. En raison des différences de propriétés physiques entre les matières liquides et gazeuses, le mesurage du débit des liquides et celui des gaz sont souvent considérés séparément. Selon les exigences de l'application, on distingue la mesure du débit volumique et la mesure du débit massique. Suivant les principes adoptés pour le mesurage, les débitmètres peuvent être installés de différentes manières : en ligne, par insertion ou avec une bride.

Débitmètres électromagnétiques

Les débitmètres électromagnétiques, également connus sous le nom de débitmètres magnéto-inductifs, fonctionnent selon le principe de la loi d'induction de Faraday. Ils sont couramment employés pour mesurer le débit volumétrique de liquides conducteurs tels que l'eau, les produits chimiques ou les boissons, entre autres branches industrielles. Le corps de mesure non obstrué n'entraîne quasiment aucune perte de pression, ce qui en fait une bonne option pour les mesurages impliquant des fluides visqueux denses. De plus, en raison de son matériau en contact avec le fluide et de sa conception spéciale, ce dispositif peut également être employé avec les liquides corrosifs et abrasifs.

Les débitmètres électromagnétiques sont constitués de deux bobines de champ installées en opposition de part et d'autre du tube de mesure et générant un champ magnétique. Lorsque le liquide traverse le champ, il induit une tension, dont la valeur est déterminée au moyen d'une paire d'électrodes. La tension induite est directement proportionnelle à la vitesse de l'écoulement. Compte tenu du principe appliqué, les débitmètres magnétiques ne permettent de mesurer que les liquides conducteurs. Ils sont donc incompatibles avec les liquides non conducteurs tels que les huiles, les hydrocarbures, ainsi que l'eau déminéralisée, ultra-pure ou distillée.

Voir les débitmètres électromagnétiques

Vidéo 1 : Principe général du débitmètre électromagnétique


Avantages des débitmètres électromagnétiques :

  • Précision élevée
  • Mise en service simple
  • Perte de pression nulle
  • Large gamme de tailles disponible
  • Mesure du débit bidirectionnel

Restrictions des débitmètres électromagnétiques :

  • Ne fonctionnent qu'avec des liquides conducteurs
  • Ne conviennent pas aux températures élevées

Débitmètres à effet Coriolis

Le débitmètre Coriolis est l'un des plus polyvalents, évolués et précis qui soient. Il fonctionne sur la base de l'effet Coriolis, mis au point par le scientifique français Gaspard-Gustave de Coriolis en 1835. Outre qu'ils permettent de mesurer le débit massique, la densité et la température, les débitmètres à effet Coriolis sont également capables de calculer d'autres variables telles que le débit volumétrique, la concentration et la viscosité. Ils sont souvent employés dans les applications exigeant une précision et une fiabilité élevées, telles que le dosage dans le secteur agroalimentaire ou pharmaceutique, ou encore pour le transfert de propriété dans l'industrie chimique, pétrolière et gazière.

Vidéo 2 : Principe général du débitmètre à effet Coriolis

Les débitmètres à effet Coriolis peuvent avoir des conceptions différentes suivant les fabricants et les modèles. Néanmoins, tous reposent sur un même principe de base : une bobine d'entraînement excite le tube de détection selon une fréquence de résonance, tandis qu'une paire de capteurs positionnés à l'entrée et à la sortie du tube mesure la fréquence du tube oscillant. Lorsqu'aucun débit n'est présent, les deux extrémités du tube oscillent de manière synchrone. Sitôt qu'un écoulement a lieu dans le tube grâce aux mouvements provoqués par la bobine d'entraînement, le déplacement du fluide provoque une torsion alternée dans le tube. Le déphasage du mouvement entre les deux extrémités du tube est alors détecté par les capteurs. Le débit massique est proportionnel à la différence de temps de réponse entre les capteurs d'entrée et de sortie.

La fréquence de résonance du tube dépend de la densité du fluide : plus la densité est élevée, plus la fréquence de résonance est réduite. Du fait de de cette propriété, les débitmètres à effet Coriolis mesurent également avec une grande précision la densité des liquides et, une fois la densité mesurée, il devient possible d'en déduire le débit volumétrique. Un capteur de température intégré aide le débitmètre à effet Coriolis à calculer des valeurs de concentration spécifiques (Brix, Plato, Baumé et API).

Cette technologie de haut niveau entraîne assurément un coût élevé par rapport à d'autres options, mais l'investissement se rentabilise au fil du temps grâce au gain de précision et de productivité que permet de réaliser ce type de dispositif.


Avantages des débitmètres à effet Coriolis :

  • L'une des technologies les plus précises existantes
  • Permet de mesurer le débit massique des liquides et des gaz
  • Mesure multi-variables
  • Adapté aux procédés impliquant des conditions extrêmes de température et de pression
  • Mesure du débit bidirectionnel

Restrictions des débitmètres à effet Coriolis :

  • Investissement initial élevé
  • Perte de pression possible suivant la conception du tube

Débitmètres à ultrasons

Les débitmètres à ultrasons sont des débitmètres volumétriques, généralement à fixation par brides, que l'on positionne en extérieur sur la paroi de la conduite, sans qu'il y ait de contact avec le fluide mesuré. L'application la plus courante de ce type de débitmètre concerne les mesures de l'eau, notamment sur les canalisations de forte section pour lesquelles les autres technologies deviennent coûteuses. Hormis leur popularité dans les secteurs de l'eau et des eaux usées, ces dispositifs ont également d'autres applications, y compris certains modèles conçus pour mesurer les gaz. Deux technologies différentes existent sur le marché : les débitmètres à temps de transit et ceux à effet Doppler, selon les fabricants et les modèles.

L'effet Doppler repose sur une méthode nécessitant la présence de particules ou de bulles dans le fluide. Un transducteur émet un signal ultrasonore qui est réfléchi par les particules ou les bulles en mouvement, puis revient à une fréquence différente de celle émise à l'origine. Ce décalage fréquentiel est proportionnel à la vitesse de l'écoulement.
Figure 1 : méthode à effet Doppler

Figure 1 : méthode à effet Doppler

Vidéo 3 : Principe général du débitmètre à ultrasons

La méthode reposant sur le temps de transit est la variante la plus courante. Elle emploie une ou plusieurs paires de capteurs. Chaque capteur produit et reçoit également le signal ultrasonore en provenance de l'autre capteur. Le fluide en mouvement dans le tuyau altère le temps nécessaire au signal pour transiter entre les capteurs, lequel est proportionnel à la vitesse d'écoulement.

Les débitmètres à ultrasons peuvent constituer une alternative intéressante aux modèles électromagnétiques, notamment dans le cas des milieux non conducteurs ou sur des diamètres de tuyaux élevés. Du fait que les capteurs des débitmètres à ultrasons sont fixés au moyen de brides, ils n'entrent pas en contact avec le fluide. Dès lors, ils peuvent constituer une bonne option pour les fluides corrosifs et les lignes à haute pression. De plus, ce principe est souvent employé dans le cas d'une rétro-adaptation nécessitant de ne pas interrompre un processus, ou encore pour faire office de compteur portable lors d'une mesure temporaire, par exemple pour l'audit ou la validation du débit.


Avantages des débitmètres à ultrasons :

  • Indépendance vis-à-vis de la conductivité, de la viscosité ou de la pression du fluide
  • Perte de pression nulle
  • La version avec fixation à brides est une solution non intrusive et économique pour les tuyaux de forte section

Restrictions des débitmètres à ultrasons :

  • Canalisations d'admission et d'évacuation de grande longueur
  • Sensibilité aux fluides diphasiques

Débitmètres massiques thermiques

Les débitmètres massiques thermiques fonctionnent sur la base du principe de dispersion thermique, également connu sous le nom de loi de King, selon lequel un fluide en mouvement transporte la chaleur à partir d'une source calorifère. Ce type de débitmètre est couramment employé comme compteur d'air comprimé, ainsi que pour d'autres types de gaz, car il s'agit d'une technologie fiable et peu coûteuse par rapport à d'autres débitmètres massiques tels que les modèles à effet Coriolis.

La construction d'un débitmètre thermique peut varier selon les fabricants, mais l'appareil se compose généralement de deux capteurs de température. L'un fait office de capteur de référence et mesure la température du fluide, tandis que le second est échauffé par un courant électrique, qui génère une différence de température constante entre le capteur de référence et le capteur chauffé. Dès qu'un écoulement a lieu dans la canalisation, une partie de la chaleur est dissipée par le fluide, ce qui refroidit l'élément chauffé. Le circuit électronique délivre alors une intensité de courant plus élevée au niveau du capteur échauffé, afin de garantir que la différence de température demeure constante. Le débit massique peut alors être déterminé d'après la consommation de courant du capteur chauffé.

Vidéo 4 : Principe général du débitmètre thermique

Les propriétés thermiques du fluide doivent être connues au niveau du transmetteur de débit, car chaque fluide possède des propriétés thermiques distinctes, ce qui affecte le mesurage. Sur la plupart des débitmètres thermiques, les gaz les plus couramment employés dans les différents secteurs industriels sont déjà préconfigurés.

Il existe deux types de débitmètres thermiques dans le commerce : à insertion et en ligne. La version à insertion est couramment utilisée pour les conduites de grande section, à l'intérieur desquelles la sonde est directement insérée.

Voir les débitmètres massiques thermiques


Avantages des débitmètres massiques thermiques :

  • Mesure directe du débit massique
  • Perte de pression négligeable
  • Type à insertion potentiellement rentable sur les canalisations de forte section

Restrictions des débitmètres massiques thermiques :

  • Technique sujette aux inexactitudes dues à l'humidité du gaz
  • Technique sujette aux inexactitudes dues aux variations de composition du gaz

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Débitmètres à turbine

Les débitmètres à turbine sont des débitmètres volumétriques qui constituent l'une des technologies de mesure du débit les plus répandues. Les débitmètres à turbine peuvent être utilisés pour mesurer le débit volumétrique des liquides et des gaz, ce qui constitue une alternative intéressante lors de la manipulation de liquides non conducteurs tels que les huiles.

Vidéo 5 : Principe général du débitmètre à turbine

Les débitmètres à turbine reposent sur un principe de fonctionnement relativement simple : un rotor est relié à des pales montées sur un roulement, l'ensemble étant supporté à l'intérieur du compteur par un arbre central. Lorsqu'un écoulement se produit dans le tuyau, l'énergie cinétique du fluide actionne le rotor. Le mouvement des pales est ensuite détecté par un capteur de mouvement, produisant ainsi des impulsions électroniques qui correspondent à la quantité volumique. Le débit volumétrique est alors proportionnel à la fréquence des impulsions.

Les débitmètres à roue à aubes, autre appellation des débitmètres à turbine, sont souvent considérés comme une variante de ces derniers qui est couramment utilisée pour des applications simples telles que le mesurage du débit d'eau. En lieu et place des turbines, ces débitmètres sont équipés d'une roue à aubes qui entre en rotation selon la force du flux imprimé au fluide. Les révolutions de la roue à aubes sont proportionnelles au débit. Le mouvement de la roue à aubes est ensuite détecté par un capteur de mouvement, en produisant des impulsions électroniques qui correspondent à la quantité volumique. Sur les modèles plus sommaires, la roue à aubes met en branle un ensemble d'engrenages dont l'action influe sur les chiffres du comptage. Sur ces versions, l'instrument est entièrement mécanique et ne nécessite aucune alimentation électrique.

Figure 2 : débitmètre massique thermique

Figure 2 - Débitmètre à roue à aubes


Avantages des débitmètres à turbine :

  • Précision et reproductibilité élevées
  • Indépendance vis-à-vis de la conductivité du fluide
  • Construction simple et prix abordable

Restrictions des débitmètres à turbine :

  • Perte de pression
  • Les pièces mobiles peuvent s'user avec le temps
  • Limites liés à la viscosité des fluides

Débitmètres à vortex

Vidéo 6 : Principe général du débitmètre à vortex

Les débitmètres à vortex sont des débitmètres volumétriques dont les applications sont nombreuses, allant de la mesure du débit d'eau à celui des gaz. Toutefois, en raison de leur résistance aux températures et aux pressions élevées, ils sont largement utilisés dans les applications de mesure du débit de vapeur, qui est l'emploi le plus courant de ce type de débitmètre.

Les débitmètres à vortex fonctionnent selon le principe de l'écoulement tourbillonnaire, en vertu duquel un fluide s'écoule en amont d'un obstacle appelé corps camus ou non profilé, ce qui produit des zones de basse pression en aval du corps camus et génère des tourbillons dispersés de part et d'autre de ce dernier. Un capteur positionné en aval du corps camus mesure la fréquence à laquelle se forment ces tourbillons ; la vitesse d'écoulement et le débit volumétrique sont alors proportionnels à leur fréquence de production.

Les débitmètres à vortex permettent de mesurer le débit des liquides et des gaz. Toutefois, ils requièrent une vitesse d'écoulement minimale pour que les tourbillons puissent se former. Les débitmètres à vortex sont des débitmètres volumétriques, mais en les associant à des capteurs de température et de pression, ils permettent également de calculer le débit massique de gaz et de vapeur. Certains modèles sont même dotés de capteurs de température et de pression incorporés.

Voir les Dispositifs de mesure du débit Vortex


Avantages des débitmètres à vortex :

  • Solution rentable et fiable pour les mesurages de vapeur
  • Résistance aux températures élevées
  • Indépendance vis-à-vis de la conductivité électrique du fluide

Restrictions des débitmètres à vortex :

  • Inadaptés aux liquides à haute viscosité
  • Diamètres de tuyaux limités
  • Vitesse d'écoulement minimale requise
  • Mesure du débit unidirectionnel

Débitmètres à pression différentielle

Les débitmètres à pression différentielle, communément appelés DP, pour « Differential Pressure », sont l'une des techniques de mesure de débit les plus utilisées et les plus polyvalentes, car ils sont adaptés au mesurage du débit volumétrique des liquides, des gaz et de la vapeur. Leur principe repose sur la différence de pression induite par des éléments primaires tels que des plaques à orifices, buses, tubes venturi, sondes de Pitot, etc. L'un de leurs principaux domaines d'application est la mesure de la vapeur et des condensats à haute température. Les sondes Pitot conviennent davantage aux situations dans lesquelles la perte de pression n'est pas souhaitable, ou sur les canalisations de forte section.

Les éléments primaires restrictifs, tels que les plaques à orifice et les tubes venturi, provoquent une chute de pression dans la conduite. En mesurant la pression avant et après la restriction, il devient possible de déterminer le débit volumétrique. Différentes formes et différents types d'éléments primaires restrictifs peuvent être utilisés pour une diversité d'applications. Le type le plus courant est la plaque à orifices, qui peut également présenter une grande variété de formes et de conceptions.

Figure 3 : débitmètre à pression différentielle avec plaque à orifices

Figure 3 : débitmètre à pression différentielle avec plaque à orifices

Figure 4 : sonde Pitot pour le calcul de moyenne

Figure 4 : sonde Pitot pour le calcul de moyenne

Le rôle des éléments primaires du type à insertion, tels que les sondes Pitot, est de mesurer la pression dynamique. Celle-ci équivaut à la somme de la pression statique en ligne et de la pression exercée par le mouvement du fluide au contact de l'élément capteur, tandis qu'une mesure séparée de la seule pression statique est effectuée. La vitesse d'écoulement et le débit volumétrique peuvent être calculés en considérant la différence de pression entre les deux points de mesure.

Du fait de leur conception, les éléments primaires du type à insertion entraînent également une perte de pression. Toutefois, celle-ci est inférieure à la perte causée par une plaque à orifices, par exemple.


Avantages des débitmètres à pression différentielle :

  • Technologie moins onéreuse que les autres
  • Permet de mesurer le débit massique des liquides, des gaz et de la vapeur
  • Résistance aux températures et pressions élevées
  • Composants primaires robustes dépourvus de pièces mobiles

Restrictions des débitmètres à pression différentielle :

  • Perte de pression
  • Installation parfois plus complexe que d'autres technologies
  • Technologie moins précise que d'autres

Débitmètres à section variable

Les débitmètres à section variable, également connus sous le nom de débitmètres à éléments flottants ou rotamètres, sont des débitmètres volumétriques dotés d'une construction relativement simple et à coût réduit, destinés à la mesure du débit des gaz et des liquides. Les débitmètres à section variable sont fréquemment utilisés pour la simple surveillance du débit en raison de leur faible coût, notamment sur les versions équipées de tubes en verre coniques et gradués, où seule une indication locale est nécessaire. Les débitmètres à section variable conviennent particulièrement à la mesure des débits à l'extrémité inférieure de l'échelle de volume.

Les rotamètres sont constitués d'un tube vertical, fabriqué dans un matériau transparent tel que le verre, dont le diamètre s'élargit progressivement, et d'un flotteur, souvent en verre ou en métal. Pour faire simple, le débit du fluide exerce une force contre le flotteur en le poussant vers le haut. En raison de la force gravitationnelle, du poids du flotteur et de la conception conique du tube, un équilibre est atteint dans le système et le flotteur stagne dans une position fixe qui correspond au débit en cours. La position du flotteur peut être visualisée sur une échelle indiquant le débit, tandis que les modèles plus perfectionnés comprennent un capteur intégré permettant de détecter la position du flotteur et de transmettre un signal électrique proportionnel, par exemple de 4 à 20 mA.

En raison de la variabilité des fluides, il existe différents modèles de tubes et de flotteurs, constitués de différents matériaux, lesquels doivent être sélectionnés en fonction de l'application prévue. Sinon, les performances et les fonctionnalités du dispositif peuvent être compromises.

Figure 5 : débitmètre à section variable

Figure 5 : débitmètre à section variable


Avantages des débitmètres à section variable :

  • Débitmètre à faible coût et de conception simple
  • Aucune alimentation auxiliaire requise
  • Faible perte de pression
  • Convient aux applications à faible débit

Restrictions des débitmètres à section variable :

  • Fidélité modérée
  • Inadapté aux fluides renfermant des matières solides ou aux liquides contenant des impuretés

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Comment choisir un débitmètre ?

Le nombre de conceptions et de technologies, tout comme la variété des applications disponibles, peuvent rendre le choix d'un débitmètre difficile, d'autant que la sélection est influencée par divers facteurs.

Tout d'abord, il importe de bien cerner la problématique ou la procédure de mesurage, en clair la raison pour laquelle un débitmètre est nécessaire. Les tâches typiques comprennent la surveillance, la vérification, le dosage, le remplissage ou encore la commutation. Plusieurs exigences imposées à un débitmètre peuvent résulter de la tâche elle-même : les applications de dosage, par exemple, exigent une précision élevée et des fonctionnalités spécialement prévues à cet effet. Pour les tâches de contrôle, si un compromis en matière de précision est toléré, une haute répétabilité des mesures est en revanche indispensable.

Une fois la tâche de mesure définie, les considérations ou exigences de base suivantes affectent la sélection de votre débitmètre :

1) Quel est le fluide à mesurer ?

La sélection du débitmètre dépend principalement du fluide à mesurer. Certaines technologies sont plus performantes que d'autres selon le type de fluide, tandis que d'autres se révèlent totalement inadaptées à des substances données. Ainsi, les débitmètres électromagnétiques, par exemple, sont inopérants sur les gaz. Sachant cela, il est important de s'assurer que la technologie du débitmètre est compatible avec l'application concernée.

2) Quelles sont les conditions du procédé ?

Il est important de comprendre les conditions techniques dans lesquelles le débitmètre sera installé, telles que le débit escompté, la température ou la pression du processus. Pour garantir des performances satisfaisantes et une bonne durabilité, le débitmètre doit être calibré en fonction de ces différents paramètres.

3) Où le débitmètre doit-il être installé ?

Les conditions d'installation peuvent également être un facteur de sélection d'un débitmètre. Vous devez impérativement connaître le diamètre du tuyau, le mode de raccordement, le circuit d'admission et d'évacuation, ainsi que la présence ou non de sources de perturbation du débit, telles que les vannes de contrôle, raccords, pompes, etc.

4) Quelles sont les conditions ambiantes ?

Il est utile de savoir si le débitmètre doit être installé dans un lieu aisément accessible aux opérateurs. Enfin, la température ambiante, le degré d'humidité, la poussière et l'exposition aux intempéries doivent être prises en considération.

5) Quel est le niveau de performance requis pour le débitmètre ?

Différents niveaux de performance peuvent être nécessaires d'une application à l'autre. En comprenant les exigences du procédé, on peut sélectionner une technologie de débitmètre ayant des niveaux de performance compatibles.

6) Quel est l'investissement prévu ?

Le prix de l'investissement initial, les caractéristiques du débitmètre, ou encore les coûts de maintenance et d'étalonnage, sont autant de facteurs à prendre en compte lors du choix d'un débitmètre. Un débitmètre d'entrée de gamme constitué de pièces bon marché peut se révéler coûteux sur le long terme en raison de l'entretien et du réétalonnage nécessaires.

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