Les capteurs de debit de fluides Differents types de capteurs Le 01/06/2010 Page 1 de 8 Sommaire I. Presentation des differents capteurs 1. Capteurs de mesure des debits volumiques de fluides 1. 1. 1. 2. 1. 3. Par mesure de la vitesse du fluide Par debitmetre a effet Vortex Par mesure de deprimogenes pression differentielle a l’aide d’organes 1. 4. 1. 5. Par debitmetre a section variable Par mesure de pression dynamique 2. Capteurs de mesure des debits massiques de fluides 2. 1. 2. 2. II. III. IV. V. VI. Debitmetre a effet de Coriolis Debitmetre massique thermique
Presentation des domaines d’utilisation industrielle Description des avantages et inconvenients relatifs des differents types Description de l’offre industrielle Conclusion Bibliographie Le 01/06/2010 Page 2 de 8 I. Presentation des differents capteurs 1. Capteurs de mesure des debits volumiques de fluides 1. 1. Par mesure de la vitesse du fluide Debitmetre electromagnetique : Un champ magnetique est cree par deux enroulements inducteurs places de part et d’autre d’un meme diametre de la canalisation. Le fluide joue le role de conducteur, il circule dans une canalisation isolee electriquement a l’interieur.
On mesure la force electromotrice entre les deux electrodes, placees au contact avec le liquide et aux
La mesure du temps t mis par le signal pour parcourir la distance L permet de connaitre la vitesse du fluide et d’en deduire le debit. Autres types de debitmetre mesurant la vitesse: Debitmetres a effet Doppler. Ce debitmetre a ete developpe specifiquement pour les fluides charges de particules solides ou de bulles gazeuses. On emploie ici encore des dispositifs ultrasonores, mais ces derniers sont ici tres voisins (generalement integres dans le meme boitier) et l’onde ultrasonore emise par l’un va etre reflechie par les particules en mouvement en provoquant un glissement de frequence Le 01/06/2010 Page 3 de 8 irectement proportionnel a la vitesse de l’ecoulement (selon le meme principe utilise par certains radars routiers). Le procede est reserve aux grandes canalisations, cependant sa precision reste mediocre (plutot de l’ordre de 5%). Debitmetre mecanique a helice (ou turbine) Ce principe est l’un des premiers imagine. Un dispositif a ailettes ou helicoidal est place dans l’axe de la conduite ou perpendiculairement et l’ecoulement entraine une rotation de ce rotor avec une vitesse liee a celle du fluide. Il suffit alors de compter le nombre de tours/mn pour avoir la vitesse et par suite le debit du fluide. . 2. Par debitmetre a effet Vortex Debitmetre a effet Vortex Le principe est base sur le phenomene de generation de tourbillons. Lorsque le fluide rencontre un corps non profile, il se divise et engendre des tourbillons, de part et d’autre et en aval du corps non profile. Representation du corps obstacle et des tourbillons Le nombre de tourbillons formes en aval par unite de temps est proportionnel au debit moyen. Une vitesse precise d’ecoulement du fluide est determinee par le comptage des tourbillons. Cette vitesse est mesuree via un capteur sensible aux variations oscillatoires de pression. 1. 3.
Par mesure de pression differentielle a l’aide d’organes deprimogenes Diaphragme On peut le decrire comme un disque perce en son centre. Ce diaphragme comprime le fluide et engendre une difference de pression entre l’amont et l’aval qui est proportionnelle au carre de la vitesse (theoreme de Bernoulli). On mesurant donc ces pressions et on en deduit alors le debit. Le 01/06/2010 Page 4 de 8 Tube de Venturi Ce tube comporte une partie convergente et une partie divergente reliees toutes deux au niveau du col. A l’instar du diaphragme, la difference de pression entre l’amont et l’aval fournit la vitesse.
Une tuyere fonctionne sur le meme principe avec un schema geometrique different. 1. 4. Par debitmetre a section variable Rotametre Le dispositif est constitue d’un tube conique ou est place un flotteur. Le flotteur se stabilise dans la position ou les trois forces (poids, Archimede, pousse du liquide) se compensent. Une encoche dans le flotteur le fait tourner sur lui-meme et stabilise sa position. Une graduation permet de lire sa position. Le flotteur implique une perte de charge, proportionnelle au debit (Navier-Stokes), qui peut etre quantifiee. 1. 5. Par mesure de pression dynamique
Tube de Pitot Le dispositif est compose de deux tubes. Le premier mesure la pression d’arret en point d’ecoulement, le second la pression statique sur la paroi de la conduite. La difference de ces deux pressions est proportionnelle au carre de la vitesse. On utilise pour mesurer les pressions des capteurs differentielles de pression; un calculateur est donc indispensable pour obtenir un signal proportionnel au debit. Le 01/06/2010 Page 5 de 8 2. Capteurs de mesure des debits massiques des fluides 2. 1. Debitmetre a effet de Coriolis Le debitmetre de Coriolis utilise comme detecteur un tube en U sans aucun obstacle.
Le tube de mesure, enroule par un bobinage electromagnetique et situe a la courbure du tube, vibre a une frequence donnee. Le fluide s’ecoule dans le tube de mesure en suivant le mouvement vertical du tube vibrant. Pendant la premiere moitie de la periode de vibration, le fluide, a l’interieur du detecteur, resiste au mouvement vers le haut et projette le tube vers le bas. A la sortie du detecteur, le fluide a un mouvement ascendant a cause du mouvement du tube. A la sortie du coude, le fluide, a contrairement a l’action precedente, resiste aux modifications de son mouvement vertical en repoussant le tube vers le haut.
Pendant la seconde moitie de sa periode de vibration, le tube descend et se tord dans le sens oppose. La deuxieme loi de Newton implique alors que l’amplitude de la torsion du tube de mesure est directement proportionnelle au debit massique du fluide traversant le tube. Bobinage Ecoulement Capteur n°1 Capteur n°2 2. 2. Debitmetre massique thermique Le dispositif est constitue d’un tube metallique a paroi mince autour du quel des resistances chauffantes sont bobinees. La difference de temperature, relevee en amont et en aval du tube, est proportionnelle au debit massique.
II. Domaines d’utilisation industrielle Les debitmetres de type manometrique sont les plus utilises pour la mesure des debits de fluide. Ces dispositifs ne sont utilisables que lorsque l’ecoulement est turbulent, engendre des pertes de charges notables avec une precision de mesure relativement plus larges que d’autres debitmetres. Le diaphragme comme le tube de Venturi, par exemple, possede l’avantage d’etre adaptable a tous types d’installations (diametre de conduite…) mais necessite l’utilisation d’un liquide propre sans impuretes solides.
Cependant, quand l’activite industrielle oblige a operer des mesures plus precises et dans des conditions de turbulences ou de propretes de fluides moins optimales, on opte pour d’autres types de capteurs. Le 01/06/2010 Page 6 de 8 Les debitmetres electromagnetiques sont apprecies dans l’industrie car leurs mesures, ne dependant pas des caracteristiques physiques du liquide (viscosite, densite, granulometrie), sont possibles a haute temperature et haute pression. L’absence de partie mobile et de perte de charge sont des avantages economiques (l’entretien de l’installation…).
Ils sont cependant inutilisables pour les fluides non conducteurs (hydrocarbures), on prefere alors recourir aux debitmetres a ultrasons qui ont avantages de supporter les ecoulements agressifs et turbulents sans engendrer de pertes de charge. Le debitmetre a turbine est plus reserve a des applications industrielles ou le fluide est propre, peu visqueux, exempt de matieres (alcools, carburants, acides, gaz liquefies, liquides cryogeniques…). Le rotametre, pour finir, est utilise essentiellement industriellement pour les debits de purge. III. Description des avantages et inconvenients relatifs des differents types de capteurs
Debitmetre E. M. Liquide oui oui oui non oui 3 a 400 Debitmetre a ultrason Liquide oui oui oui oui oui – 6000 Debitmetre a effet Vortex Liquide Gaz Vapeur NC non oui oui non 12 a 500 Diaphra gme Liquide NC NC oui oui oui tous Tube de Venturi Liquide Gaz Vapeur oui non oui oui oui NC Rota metre Liquide Gaz Vapeur oui NC oui oui oui 4 a 125 Tube de Pitot Liquide Gaz Vapeur Re min oui oui oui oui 300 a 3800 Bonne : 1 a 2% 1a4 Debitmetre a effet de Coriolis Liquide NC oui oui oui oui – de 13 Debitmetre massique thermique Liquide Gaz Vapeur NC NC Oui Oui oui tous
Nature du fluide Ecoulement turbulent Fluide visqueux Fluide conducteur Fluide non conducteur Fluide a faible debit Diametre de la canalisation (mm) Precision Bonne : 1% NC Bonne : 0. 5% NC Bonne : 1% 1 a 20 Dynamique (Plage du debit de fonctionne ment d’un appareil en m3/h) Pertes de charge (mbar) Autres caracteristi ques Moyenn e:2a 5% 1a4 Variable : 0. 5 a 3% NC Variable: 1. 5 a10% 1 a 10 Bonne : 1% 1 a 50 Bonne : 1% 1 a 10 Presque nulle Adapte aux hautes pressions et temperatur es (1000 bars et 450°) Le 01/06/2010 Aucune Aucune Max: 700 Aucune
NC Adapte uniquem ent aux liquides propres NC Adapte uniquem ent aux liquides, gazes, vapeurs propres Variable (26-220) Ne resiste pas aux hautes pression s NC Facilem ent bouches par des corps etranger s Max: 600 Exige l’absence de toute bulle de vapeur Max: 400 Adapte uniquement aux liquides, gazes, vapeurs propres Page 7 de 8 IV. Offres industrielles Types de capteurs Constructeurs de capteurs de debit Precision s (debit nominal) 0. 5% 0. 5% 5% 3% 1. 6% 1% 0. 08% Temperature (°C) Pression (bars) Pertes de charge (debit nominal) en mbar 0. 75 Aucune Max : 700 NC 26-220 NC 0. 5 Cout approximatif (euros) Introuvable Introuvable Introuvable Introuvable Introuvable Introuvable Introuvable Debitmetre E. M. Debitmetre a ultrason Debitmetre a effet Vortex Tube de Venturi Rotametre Tube de Pitot Debitmetre a effet de Coriolis Debitmetre massique thermique ? ? ? ABB Automation France Vegaflux (Usadm) -40 a +130 -30 a +200 0 a 50 Max : 100 -80 a +300 -40 a +300 -200 a +200 Max : 40 NC Max : 10 Max : 40 Max : 40 Max : 100 Max : 50 ABB Automation France ?
Kobold Instrumentalisation ? Kobold Instrumentalisation ? Emerson Process Management ? Rotamass Compact (RCCS12) ? Kobold Instrumentalisation 3% -60 a +60 Max : 10 Max : 400 Introuvable V. Conclusion Nous avons pu constater premierement que l’offre en matiere de capteur de mesure de debit etait tres large. Pour choisir le debitmetre, il convient donc, en outre des elements economiques, de s’interesser a differents parametres telles que les caracteristiques du fluide (viscosite, turbulence, pression, temperature,… , les caracteristiques metrologiques (bande de mesure, precision,… ) et les caracteristiques de l’installation (diametres de conduite,perte de charge,… ). Pour finir bien que ces dernieres annees ont vu l’apparition de debitmetres technologiquement plus complexes et specifiques a certaines industries, on peut raisonnablement penser que le paysage de ce type de capteur ne sera pas profondement modifie.
Nous avons pu le voir avec l’utilisation des tubes de Pitot dans l’industrie aeronautique qui bien que controversee n’a pas ete prohibee. VI. Bibliographie Sites internet : http://www. stielec. ac-aix-marseille. fr/cours/dereumaux/mesurdebit. htm#liste http://www. cidip. com/ http://news. directindustry. fr/ http://www. dimelco. com/ http://www. abb. fr/ http://www. techniques-ingenieur. fr/ (rubrique mesure physique- grandeur hydraulique – debit) Livres : Le carnet du regleur (editeur: VALANCE) Le 01/06/2010 Page 8 de 8
