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1. Introduction
1.1.
Définition
d'un capteur
1.2. Constitution
d'un capteur
1.3. Transmission
du signal de mesure
2. Généralités
2.1.
Débits
2.2.
Pertes
de charge
2.3. Régimes
d'écoulements dans une canalisation
2.4. Nombre
de REYNOLDS
2.5. Coups
de bélier
2.6. Facteurs
influant l'écoulement de fluide dans les conduites
3. Mesure
de débit
3.1. Mesure
des débits volumiques de fluides
- par
mesure de la vitesse du fluide: débitmètre
électromagnétique, débitmètre
à ultrasons, débimètre
à effet Doppler, débitmètre
à turbine
- par
débitmètre à effet vortex
- par
mesure de pression différentielle à l'aide d'organes déprimogènes : débitmètre
à diaphragme, tube
de Venturi, débitmètre
à tuyère
- par débitmètre à section variable: RotaMètre
-
par
mesure de pression dynamique: tube
de PITOT, débitmètre
à cibles
- par compteurs
volumétriques
3.2. Mesure
des débits massiques des fluides
- appareils
à effet Coriolis
- appareils
à effet thermique
3.3. Critères
de choix d'un capteur de débit
- équivalence
Pouce / DN
- liste
de constructeurs de capteurs de débit
- site
Internet utile et bibliographie
1.1 Définition d'un capteur
C'est un
dispositif qui transforme une grandeur physique en une grandeur exploitable,
souvent de nature électrique. Le choix de l'énergie électrique vient du fait
qu'un signal électrique se prête facilement à de nombreuses transformations
difficiles à réaliser avec d'autres types de signaux.
corps d'épreuve : élément mécanique qui réagit
sélectivement à la grandeur à mesurer. Il transforme la grandeur à mesurer en
une autre grandeur physique dite mesurable.
transducteur : il traduit les réactions du corps
d'épreuve en une grandeur électrique constituant le signal de sortie.
transmetteur : mise en forme, amplification, filtrage,
mise à niveau du signal de sortie pour sa transmission à distance. Il peut être
incorporé ou non au capteur proprement dit.
1.3 Transmission du signal de
mesure
Selon le type de capteur, le signal électrique de mesure
peut être de différentes natures : analogique, numérique ou logique.
signal de mesure analogique : il est lié au mesurande par une loi continue, parfois linéaire, qui caractérise l'évolution des phénomènes physiques mesurés. Il peut être de toute nature :
signal de mesure numérique : il se présente sous la forme d'impulsions électriques générées simultanément (mode parallèle, sur plusieurs fils) ou successivement (mode série, sur un seul fil). Cette transmission est compatible avec les systèmes informatiques de traitement.
signal de mesure logique : il ne compte que deux valeurs possibles, c'est un signal tout ou rien.
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Bas niveau |
Capteur |
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Haut niveau |
transmetteur |
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2.1
Débits
Le débit est habituellement mesuré par déduction, en
mesurant la vitesse moyenne à travers une section connue. Le débit mesuré par
cette méthode indirecte est le débit volumique Qv : Qv = S . V
Le débit volumique Qv est le volume de fluide écoulé pendant l'unité de temps
(en m3/s)
Le débit massique Qm est la masse de fluide écoulée
pendant l'unité de temps (en kg/s)
En appelant r ,
la masse volumique du fluide (en kg/m3) : Qm = r . Qv
Pour l'eau douce, la masse volumique r = 1000 kg/m3
Les liquides peuvent être
considérés (à température constante) comme incompressibles, c'est à dire que
leur volume ne dépend pas de la pression. Ce n'est pas le cas des gaz et des
vapeurs pour lesquels la masse volumique est proportionnelle à la pression (gaz
assimilé à un gaz parfait). On peut donc considérer que, à température
constante, le débit massique d'un fluide est proportionnel à son débit
volumique. Pour un gaz, il n'y a proportionnalité qu'à pression et température
constante. La plupart des débitmètres indiquent le volume écoulé par unité de
temps, ce sont des débitmètres volumiques. Toutefois, dans certaines
applications nécessitant la connaissance de l'énergie thermique d'un
combustible, il est nécessaire de connaître le débit massique. On a recours
alors à des débitmètres massiques, dont la valeur mesurée est directement le
débit massique. Cependant, bon nombre de débitmètres prétendument
" massiques ", déduisent le débit massique à l'aide de l'équation: Qm
= r . Qv
2.2.
Pertes de charge
Les pertes de charge sont la diminution de la
pression totale entre deux sections d'un écoulement. Elles s'expriment en mètres
de colonne d'eau (MCE) et sont fonction de la section du tuyau, du débit
véhiculé et de la nature du liquide.
Voir le cours d'hydraulique ...
2.3
Régimes d'écoulement dans une canalisation
Écoulement laminaire : les lignes de courant demeurent
parallèles entre elles, les couches de fluide glissant les unes sur les autres
sans se mélanger. Les pertes de charge sont alors proportionnelles à la
vitesse.
Écoulement turbulent : les lignes de
courant ne gardent plus leur individualité, mais s'enchevêtrent. Les pertes de
charge sont proportionnelles au carré de la vitesse.
2.4
Nombre de REYNOLDS 
Pour faciliter la comparaison entre deux
écoulements, on utilise des nombres sans dimension. Ainsi, dans un écoulement
incompressible (pression = constante) et isotherme (température = constante), un
seul paramètre sans dimension est suffisant pour caractériser l'écoulement,
c'est le nombre de REYNOLDS.
La viscosité cinématique du fluide est: 
Dans une conduite de section circulaire :
< 2000, l'écoulement est laminaire
> 2000, l'écoulement est turbulent 
2.5 Coups de
bélier
Ce sont des surpressions et dépressions qui se propagent
dans une conduite quand on a modifié le débit Qv, dans une section S. On peut
les étudier en Hydraulique, à l'aide des équations d'ALLIEVI, mais il existe une
méthode graphique due à SCHNYDER et L.BERGERON qui permet de traiter et de
résoudre les problèmes d'une manière beaucoup plus pratique.
2.6
Facteurs influant sur l'écoulement des fluides dans les
conduites
Les principaux facteurs influant sur l'écoulement des
fluides dans une conduite sont les suivants :
Vitesse du fluide : elle dépend
de la charge qui force le fluide à traverser la conduite. Plus la charge est
élevée, plus le débit de fluide est important (les autres facteurs restants
constants) et, par conséquent, plus le volume d'écoulement est important.
Le
diamètre de la conduite influe également sur le débit. Si l'on double le
diamètre de la conduite, le débit potentiel augmentera selon un coefficient
quatre.
Frottement de la
conduite : il réduit le débit du fluide dans les tuyaux et la
vitesse du fluide est plus lente près des parois de la conduite qu'au centre. Il
est donc considéré comme un facteur négatif. Plus la conduite est lisse, propre
et de grand diamètre, et moins le frottement de la conduite a d'effet sur le
débit général du fluide.
Viscosité
dynamique du fluide : elle réduit, tout comme le frottement,
le débit du fluide près des parois de la conduite. Elle augmente ou diminue en
fonction des variations de température.
Masse
volumique du fluide : elle influe également sur le débit, car
un fluide plus dense exige une charge supérieure pour maintenir le débit
souhaité.
Le fait que les gaz soient compressibles exige souvent
l'utilisation de méthodes différentes pour mesurer des débits de liquides, de
gaz ou de liquides contenant des gaz.
3. Mesure de débit
3.1. Mesure des débits
volumiques des fluides
Par mesure de la vitesse du fluide
Débitmètre
électromagnétique
Il utilise la loi de Faraday : Quand un
conducteur rectiligne se déplace dans un champ magnétique, une force
électromotrice est induite dans ce conducteur.
Un champ magnétique est crée par deux enroulements inducteurs placés de part et d'autre d'un même diamètre de la canalisation. Le conducteur est le fluide lui-même, il circule dans une canalisation isolée électriquement à l'intérieur. La force électromotrice est mesurée par deux électrodes au contact avec le liquide et placées aux deux extrémités d'un diamètre perpendiculaire aux lignes d'induction. La force électromotrice mesurée est proportionnelle à la vitesse moyenne du liquide, donc au débit volumique du liquide. Le signal de sortie à une amplitude de quelques millivolts et indique également le sens de l'écoulement.
Débitmètre à
ultrasons
Un émetteur et un récepteur sont montés en opposition de
manière à ce que les ondes acoustiques allant de l'un à l'autre soient à 45 °
par rapport au sens d'écoulement dans la conduite. La vitesse du son allant de
l'émetteur au récepteur constitue la vitesse intrinsèque du son, plus un apport
dû à la vitesse du fluide. La mesure du temps t mis par le signal pour parcourir
la distance L permet de connaître la vitesse du fluide et d'en déduire le
débit.
C : vitesse de propagation du son dans le fluide
V : vitesse du
fluide
L :distance entre émetteur et récepteur
Il est primordial que le fluide ne véhicule pas de gaz ou de solides, pour éviter la dispersion des ondes acoustiques entre les deux transducteurs. L'ensemble du dispositif, à l'extérieur de la conduite, est insensible à l'agressivité du fluide et n'entraîne aucune perte de charge.
Débitmètre à effet Doppler
Il utilise lui aussi deux éléments
transducteurs, mais montés tous deux dans un même boîtier, d'un des deux cotés
de la conduite. Une onde ultrasonore de fréquence constante est émise dans le
fluide par l'élément émetteur, les solides ou bulles présents dans les fluides
réfléchissent le son, le renvoyant à l'élément récepteur avec un glissement de
fréquence. La variation de fréquence est proportionnelle à la vitesse moyenne du
fluide.
L'écoulement du fluide entraîne la rotation d'une turbine (rotor à plusieurs
ailettes, reposant sur des paliers) placée dans la chambre de mesure, la vitesse
de rotation du rotor est proportionnelle à celle du fluide, donc au débit
volumique total.
La vitesse de rotation est mesurée en comptant la fréquence
de passage des ailettes détectée à l'aide d'un bobinage (un aimant permanent est
parfois solidaire de l'hélice).
Chaque impulsion représente un volume de
liquide distinct.
Par débitmètre à effet Vortex
Débitmètre à effet
Vortex
Le principe est basé sur le phénomène de génération de
tourbillons, appelé effet Karman. Lorsque le fluide rencontre un corps non
profilé, il se divise et engendre des tourbillons, de part et d'autre et en aval
du corps non profilé. Le nombre de tourbillons formés en aval par unité de temps
est proportionnel au débit moyen. Une vitesse précise d'écoulement du fluide est
déterminée par le comptage des tourbillons. Cette vitesse est mesurée à l'aide
d'un capteur sensible aux variations oscillatoires de pression.
Vitesse du fluide = fréquence des tourbillons / facteur K
Le facteur K
dépend du nombre de REYNOLDS, mais est pratiquement constant sur une vaste plage
de débit.
Par mesure de pression
différentielle à l'aide d'organes déprimogènes
Ces débitmètres
de type manométrique sont les plus utilisés pour la mesure des débits de fluide.
Ils exploitent la loi de BERNOUILLI qui indique la relation existant entre le
débit et la perte de charge résultant d'un changement de section de la conduite.
Ces dispositifs sont utilisables que lorsque l'écoulement est turbulent. En
partant de la relation Qv = S x V (vue au 2.1) et en supposant une masse
volumique constante (fluide incompressible), on peut écrire l'équation de
continuité : Qv = S1 x V1 =
S2 x V2
Celle ci montre qu'avec un écoulement
régulier et uniforme, une réduction de diamètre de la canalisation entraîne une
augmentation de la vitesse du fluide, donc de l'énergie potentielle ou de la
pression de la canalisation.
La pression différentielle est convertie en
débit volumique, à l'aide de coefficients de conversion, selon le type de
débitmètre manométrique utilisé et le diamètre de la conduite.
Diaphragme
Il s'agit d'un disque percé en son centre,
réalisé dans le matériau compatible avec le liquide utilisé. Le diaphragme
concentrique comprime l'écoulement du fluide, ce qui engendre une pression
différentielle de part et d'autre de celui-ci. Il en résulte une haute pression
en amont et une basse pression en aval, proportionnelle au carré de la vitesse
d'écoulement. C'est le dispositif le plus simple, le moins encombrant et le
moins coûteux.
Tube de
Venturi
Il est constitué d'un tronc de cône convergent, d'un col
cylindrique et d'un tronc de cône divergent. Le dispositif offre une bonne
précision, mais reste coûteux et encombrant. Il dispose d'un bon comportement du
point de vue perte de charge, usure et encrassement. Comme avec le diaphragme,
les mesures de pression différentielle sont converties en débit volumique.
Tuyère
Elle est
considérée comme une variante du tube de VENTURI.
L'orifice de la tuyère
constitue un étranglement elliptique de l'écoulement, sans section de sortie
rétablissant la pression d'origine.
Les prises de pression sont situées
environ ½ diamètre de la conduite en aval et 1 diamètre la conduite en
amont.
La perte de charge se situe entre celle d'un tube de VENTURI et celle d'un diaphragme.
> 50000),
notamment dans les écoulements de vapeur à haute température. Ce dispositif
est inutilisable pour les boues
Par débitmètre à section
variable
Rotamètre
Il
est constitué d'un petit flotteur placé dans un tube conique vertical.
Le
flotteur est en équilibre sous triple action de :
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M : masse du flotteur en kg g : accélération de la pesanteur 9,81 m/s² r : masse volumique du liquide en kg/m3 V : vitesse du fluide en m/s S : surface du flotteur en m² C : coefficient de traînée du flotteur (sans unité) |
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Par mesure de pression
dynamique
Tube de PITOT
La
méthode consiste à utiliser deux tubes qui mesurent la pression en des endroits
différents à l'intérieur de la canalisation. Ces tubes peuvent être montés
séparément dans la conduite ou ensemble dans un seul boîtier. L'un des tubes
mesure la pression d'arrêt (ou pression dynamique) en un point de l'écoulement.
Le second tube mesure uniquement la pression statique, généralement sur la paroi
de la conduite. La pression différentielle mesurée de part et d'autre du tube de
PITOT est proportionnelle au carré de la vitesse.
La mesure de débit, réduite à la mesure des différences de pression Dp du fluide qui apparaît entre deux points situés en amont et en aval de l'étranglement de la conduite est donc réalisée par un capteur de pression différentielle. Un calculateur est alors nécessaire pour l'obtention d'un signal proportionnel au débit.
Débitmètre à
cible
Il comprend un disque (cible), centré dans une conduite. La
surface de la cible est placée à 90° par rapport à l'écoulement du fluide. La
force exercée par le fluide sur la cible permet une mesure directe du débit de
fluide.
Comme précédemment, le signal de sortie est une pression différentielle, un calculateur est nécessaire pour l'obtention d'un signal proportionnel au débit.
Par compteurs
volumétriques
Ils mesurent le volume écoulé Qv directement, en
emprisonnant de façon répétée un volume élémentaire de fluide. Le volume total
de liquide traversant le débitmètre pendant un laps de temps donné est le
produit du volume élémentaire par le nombre d'emprisonnements.
Ces appareils
totalisent souvent le volume directement sur un compteur intégré, mais ils
peuvent également délivrer une sortie impulsions qui peut être transmis sur un
afficheur.
Ils en existent plusieurs types selon le corps d'épreuve utilisé,
à piston, à palettes (ou rotors), à roues ovales, à disque oscillant.
3.2.
Mesure des débits massiques des fluides
Débitmètre à effet
CORIOLIS
La force de CORIOLIS (Mathématicien français) explique
notamment pourquoi les cyclones tournent dans le sens des aiguilles d'une montre
dans l'hémisphère sud et dans le sens inverse dans l'hémisphère Nord. Il est
question, dans un système en rotation, de la force qui agit perpendiculairement
sur la masse en mouvement dans le système, selon le vecteur vitesse relative et
sur l'axe de rotation du système. Pour une masse m se déplaçant à une vitesse v,
dans un système en rotation ayant lui-même une vitesse angulaire a, la force de
CORIOLIS vaut F = 2 x m x a x v . Le débitmètre de CORIOLIS utilise comme
détecteur un tube en U sans obstacle.
Le tube de mesure vibre à sa fréquence naturelle à l'intérieur du boîtier du capteur. Le tube de mesure est actionné par un bobinage électromagnétique situé au centre de la courbure du tube et vibre comme un diapason. Le fluide s'écoule dans le tube de mesure et est contraint de suivre le mouvement vertical du tube vibrant. Lorsque le tube monte pendant une moitié de sa période vibratoire, le fluide traversant le détecteur résiste à son entraînement vers le haut en repoussant le tube vers le bas.
A la sortie du détecteur, le fluide a un mouvement ascendant, induit par le mouvement du tube. Lorsqu'il franchit le coude du tube, le fluide résiste aux modifications de son mouvement vertical en repoussant le tube vers le haut. La différence de forces entraîne une torsion du tube de mesure. Lorsque le tube descend pendant la seconde moitié de sa période vibratoire, il se tord dans le sens opposé. C'est cette caractéristique de torsion qui est appelé effet CORIOLIS. Du fait de la seconde loi de mouvement de NEWTON, l'amplitude de la torsion du tube de mesure est directement proportionnelle au débit massique du fluide traversant le tube. Les détecteurs électromagnétiques situés de part et d'autre du tube de mesure enregistrent la vitesse du tube vibrant. Le débit massique se détermine en mesurant la différence de temps entre les signaux de détecteurs de vitesse. En effet la torsion du tube de mesure, pendant l'écoulement du fluide, entraîne une différence de temps entre les deux signaux de vitesse. C'est cette différence de temps qui est directement proportionnelle au débit massique traversant le tube et demeure indépendante des propriétés de ce fluide.
Débitmètre massique
thermique
Le principe est basé sur la mesure des transferts caloriques
par le fluide lui-même. Ces dispositifs sont constitués d'un tube métallique à
paroi mince, des résistances chauffantes sont bobinées à l'extérieur du tube, la
circulation du fluide provoque un déséquilibre thermique entre l'amont et l'aval
du tube, le déséquilibre est proportionnel au débit massique.
3.3.
Critères de choix des capteurs de débit
Les critères de choix sont très nombreux, le tableau ci dessous donne une liste des principaux éléments à considérer.
|
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Nature du fluide (liquide chargé,
conducteur...) Viscosité Régime d'écoulement Température Pression Agressivité Compressibilité |
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Nature du signal de sortie (0-10 V, 4-20
mA...) Dynamique * Précision Etendue de mesure Bande passante ** |
|
|
Diamètre de canalisation Perte de charge engendrée Encombrement Etalonnage Usure |
* Plage du débit de fonctionnement d'un appareil sur laquelle il
conserve la précision de mesure annoncée (exemple : si Qmin = 1
m3/h, avec une dynamique 1-4 alors Qmax = 4
m3/h)
** Bande passante = plage de fréquence pour laquelle
l'atténuation de la courbe de réponse en fréquence est inférieure à 3 dB de la
valeur maximale.
Une première sélection peut avoir lieu en se basant sur les critères fondamentaux, c'est à dire :
1 Pouce = 2,54 cm
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1 | 1 ¼ | 1 ½ | 2 | 2 ½ | 3 | 4 | 5 | 6 | 8 | 10 | 12 | 14 | 16 | 18 | 20 |
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25 | 32 | 40 | 50 | 64 | 75 | 100 | 125 | 150 | 200 | 250 | 300 | 350 | 400 | 450 | 500 |
Liste de
constructeurs de capteurs de débit
ABB Automation France (Electromagnétique, vortex)
Brankharst (Massique
thermique)
Bürkert (Electromagnétique, ailettes)
Controlotron
(Ultrason)
Danfoss (Electromagnétique, ultrason)
EMCO (Vortex)
Endress
et Hauser (Electromagnétique, ultrason, vortex)
Fisher - Rosemount
(Electromagnétique, vortex, sonde annubar et mesure de Dp)
Foxboro
(Electromagnétique, vortex)
Georges Fisher (Vortex, palettes,
turbine)
Greyline Martec (Ultrason Doppler)
J TEC System C Industrie
(Vortex avec détection ultrason)
Kobold Instrumentation (Rotor , à
engrenages, induction magnétique)
Krohne (Electromagnétique, vortex,
ultrason)
Panametrics SA (Ultrason)
Preso Ingineering mesure (Pitot
moyenné)
Sart Von Rohr SA (Electromagnétique, à effet Coriolis, à flotteur à
transmission magnétique)
Siemens (Ultrason, compteur à piston
oscillant)
Thermal System C Industrie (Thermique)
Ultraflux
(Ultrason)
VAF Instruments et Controls (Volumétrique)
Veris System C
Industrie (Mesure deDp par multi Pitot moyenneur)
Yokogawa
(Electromagnétique, vortex, flotteur)
Site
Internet
http://www.cidip.com/ (avec notamment une liste de diffusion
des nombreux constructeurs de capteurs avec les documents techniques au format
.pdf )
| Pascal DEREUMAUX |
