Débitmètre à organe déprimogène Principe physique

Il s’agit de créer au sein de la canalisation une restriction localisée de la section, qui engendra

une différence de pression, celle-ci nous permettra d’en déduire le débit.

Ce principe de mesure est basé sur la relation de Bernoulli qui exprime que la pression totale

est la somme de la pression statique (rho*g*h) et de la pression dynamique (½*rho*v2).

Dans la mesure de débit (Qv = vitesse*section) c’est la partie dynamique de la relation de

Bernoulli qui nous intéresse. Nous souhaitons avoir une image de la vitesse à travers la

mesure de la pression dynamique. Pour cela nous créons localement une différence de vitesse

par l’introduction d’une restriction de section dans la canalisation (organe déprimogène) et

nous mesurons la différence de pression dynamique. La variation de pression est une

conséquence de la variation de vitesse du fluide.

Nous mesurons un DeltaP car nous avons un DeltaV

La pression dynamique nous donne une image de la vitesse au carré, d’où la nécessité de

l’extraction de racine carré au niveau des entrées des régulateurs ou des automates.

Un diaphragme est une plaque rigide de faible épaisseur et percée d’un orifice. Cette plaque

s’introduit dans la canalisation perpendiculairement au sens d’écoulement. Le liquide dont le

débit est constant voit sa vitesse augmenter au passage de l’orifice. Dans le même temps, on

observe une variation opposée de la pression (racine carré) au niveau de l’orifice. Des prises

de pression installées de part et d’autre du diaphragme permettent la mesure de la différence

de pression dynamique.

Les différentes solutions technologiques Il existe 3 types d’organe déprimogène : Diaphragme, Venturi, et Tuyères.

Image :

https://eduscol.education.fr/rnchimie/gen_chim/jezequel/1-organes%20deprimogenes.pdf

Dans l’exemple ci-dessus (à gauche) la prise de mesure est dans les angles.

Si nous sommes en présence d’un fluide visqueux nous privilégierions la solution du venturi

qui est la plus respectueuse de la ligne de fluide. Avec le diaphragme il y a un risque de

colmatage au niveau de l’orifice.

Plus la ligne de fluide est respectée, moins il y a de pertes de charge. Rappel, la perte de

charge est une chute de pression.

En termes de perte de charge croissante nous avons : venturi, tuyère, diaphragme

(perturbation importante de la ligne de fluide).

La chute de pression due à l’organe déprimogène n’est pas une perte de charge.

Les prises de mesure : Diaphragme : L’écart maximum de pression est observé entre une distance amont d’environ

1 diamètre de canalisation ou plus et le plan de contraction maximum de la veine de fluide. Il

est donc intéressant de placer les deux prises de pression à ces endroits particuliers.

La différence de pression va dépendre du diamètre de l’orifice du diaphragme.

Comme la prise de pression aval est difficile à déterminer d’autant plus qu’elle dépend du

diamètre de l’orifice du diaphragme, de plus elle peut être amenée à changer.

Comme on ne peut placer la prise de pression aval de façon idéal il y a des positions

normalisées qui convient à une large gamme de diamètre d’orifice et de régime d’écoulement

sont choisis.

Surligné en jaune : il n’y a pas vraiment d’information donné au lecteur.

Surligné en vert : l’information donnée permet de construire une représentation mentale de la

situation.

La perte de signal est alors minime.

3 types d’emplacement : distance amont :

- D

- 25 mm (1pouce)

-0

Distance aval :

- D/2

- 25 mm

- 0 prises dans les angles

Ajouter les 3 croquis qui montrent les 3 possibilités de prise de pression.

Pour le venturi : Au milieu du cylindre d’entrée pour la mesure amont et au milieu du col

pour la prise aval

Image : https://www.alicat.com/fr/vue-densemble-des-techniques-de-mesure-de-debit-

massique/

Pour les tuyères : Dans les angles pour les Tuyère ISA 1932 et à la bride ou à D-D/2 pour

tuyère à long rayon.

Source : https://sitelec.org/cours/dereumaux/mesurdebit.htm

Source : http://cira-couffignal.fr/archives/archives2013-2014/documents-coursTS1/mesure-

debit.pdf

Source des informations : https://eduscol.education.fr/rnchimie/gen_chim/jezequel/1-

organes%20deprimogenes.pdf

Application à la mesure de débit massique d’un gaz

Comparaison des organes déprimogènes au niveau des pertes de charge

Source : http://cira-couffignal.fr/archives/archives2013-2014/documents-coursTS1/mesure-

debit.pdf

La mise en œuvre de ce principe de mesure nécessite l’achat de l'organe déprimogène (le

moins cher diaphragme, le plus cher venturi) et du capteur de pression différentielle avec le

manifold associé (manifold 3 voies ou 5 voies).

Quel type de maintenance sur cette solution de mesure de débit ? ♦ Encrassement du diaphragme : observation d’une diminution de l’orifice, ce qui entraine une

erreur de mesure par rapport à l’association orifice + pression différentielle.

♦ Mise en place d’une maintenance préventive avec la problématique de définition de la

fréquence. Cela dépend du fluide, de l’installation …

♦ Si l’encrassement est du calcaire il est possible de nettoyer en faisant circuler du vinaigre

blanc ou autre acide dans la canalisation. Nettoyage sans démontage.

♦ Pour les opérations de maintenance nécessitant un démontage il faut prévoir des temps

d'arrêt de production. Ces réflexions peuvent orienter le choix entre un diaphragme et un

venturi, si l’encombrement le permet.

♦ Il y a aussi la possibilité de mettre en place une surveillance de la dérive de la mesure de

pression pour apprécier le degré d’encrassement du diaphragme. Attention, à ne pas

confondre avec la mesure de variation du débit du process.

Avantage : Inconvénients :

- Peu coûteux (diaphragme)

- Appareil normalisé (échange

standard parmi plusieurs

constructeurs)

- Maintenance très simple

- Maintenance parfois fréquente

(surtout pour le diaphragme)

- Mesure possible uniquement en

régime turbulent Re>2000. En

régime laminaire la différence de

pression est trop faible.

Débitmètre électromagnétique : Principe de fonctionnement : Le fonctionnement d’un débitmètre électromagnétique est basé sur la Loi de Faraday.

Cette loi établit que la tension induite à travers tout élément conducteur, Il faut que le lecteur

puisse se faire une représentation mentale à partir de l’information donnée.

La tension est une différence de potentielle qui est toujours aux bornes d’un élément,

résistance par exemple. Dans ce débitmètre la mesure de tension est effectuée par 2 électrodes

perpendiculaire au champ magnétique et au fluide conducteur.

La tension induite est le résultat de l’interaction d’un champ magnétique et de la vitesse de

passage d’un élément conducteur (électrique) dans ce champ magnétique.

La tension induite est la tension présente par effet de couplage capacitif dans le corps d’un

individu lorsqu’il est isolé du sol et soumis dans son environnement proche, à la présence de

champs électriques alternatifs (cas du réseau électrique 230 Volts 50 Hertz). (Pour les

techniciens : la tension induite est générée par les champs électriques environnants dans tout

objet conducteur (non relié à la terre) par effet de couplage capacitif).

Source : https://www.geotellurique.fr/blog/focus-sur-le-testeur-de-tension-induite/

C’est l’expression « à travers tout » qui n’est pas vraiment en lien avec la notion de tension.

Dans l’expression « à travers » nous sommes plus proche de la notion de courant électrique.

lors d’un passage en angle droit dans un champs magnétique,

est proportionnelle à la vitesse de passage de cet élément conducteur.

E= V*B*D

Pour appliquer ce principe, il convient, de préciser que le fluide à mesurer doit être

conducteur Donner la valeur minimale de conductivité. Voir les informations du

constructeur. pour que le principe de Faraday s’applique.

La loi de faraday indique que la tension du signal (E) dépend de la vitesse moyenne (V) de

l’intensité du champs magnétique (B) et de la longueur du conducteur (D).

Source : https://www.omega.fr/prodinfo/debitmetre-electromagnetique.html

E :Tension générée dans un conducteur

V : Vitesse de

conducteur B : Intensité du

champs magnétique

D : Longueur du

conducteur

Avantage : Inconvénient :

-Aucune perte de charge.

- Grandeur mesuré proportionnel du débit.

-Large gamme diamètre.

-Insensibilité à la densité ; viscosité.

-Prix.

-Il peut-être utiliser que pour les lignes

conducteurs

Source : https://test.eduscol.education.fr/rnchimie/gen_chim/jezequel/3-

debitmetre_electromagnetique.pdf

Un débitmètre électromagnétique est idéal pour les application d’eau usées, et de toute autre

liquide souillé qui est conducteur ou à base d’eau.

Le débitmètre électromagnétique ne fonctionne généralement pas avec les hydrocarbure ; par

exemple l’eau distillé est bon nombre de solution non-aqueuse, elle convient parfaitement

pour une application où une faible perte de pression et peu d’entretien sont nécessaire.

Débitmètre doppler à ultrason :

Le débitmètre à ultrason à effet Doppler mesurent l’écoulement de liquide comportant des

réflecteur des ondes, de la matière suspensions ou des bulles à 100 micron (µm), elle ajuste

automatiquement la précision de filtrage et de gain. Grâce à des cristaux situé dans le

transducteur et au niveau de l’extrémité de la soude, le débitmètre envoie des ultrasons dans

le liquide en écoulement à travers de la paroi de la conduite au extrémité. Les réflecteurs de

son en suspension dans le liquide réfléchissent ces ultrason qui sont alors enregistrée par le

récepteur. Lorsque ces se déplace sur le trajet de transmission sonore, la réflexion des ondes

correspondantes subit au décalage en fréquence par rapport à la fréquence émise. La

différence entre ces 2 fréquence est directement proportionnelle à la vitesse de réflecteur de

son, elle aboutit à la conversion du débit de liquide en différent unité.

Principe de fonctionnement :

Le principe de fonctionnement utilise le déplacement de fréquence (effet Doppler) d'un signal

à ultrasons lorsqu'il est réfléchi par des particules en suspension ou des bulles de gaz

(discontinuités) en mouvement. Cette technique de mesure utilise le phénomène physique

d'une onde sonore qui change de fréquence lorsqu'elle est réfléchie par des discontinuités en

mouvement dans un liquide en écoulement. Les ultrasons sont transmis dans une conduite

avec le liquide en écoulement, et les discontinuités réfléchissent l'onde ultrasonique avec une

fréquence légèrement différente qui est directement proportionnelle à la vitesse d'écoulement

du liquide (voir schéma en dessous). La technologie actuelle nécessite que le liquide

contienne au moins 100 parties par million (PPM) de particules en suspension ou de bulles de

100 microns(µm) ou plus.

Le débitmètre ultrason à pince est proposé en versions à capteur simple ou double. Dans la

version à capteur simple, les cristaux de transmission et de réception sont enfermés dans le

même corps de capteur, qui est fixé en un seul point de la surface du tuyau. Un composé de

couplage est utilisé pour connecter par ultrasons la sonde au tuyau. Dans la version à capteur

double, le cristal de transmission se trouve dans un corps de capteur et le cristal de réception

dans un autre. Le débitmètre ultrason à effet Doppler à pince est sensible aux interférences

provenant de la paroi même du tuyau, ainsi que de n'importe quel espace d'air entre le capteur

et la paroi. Si la paroi du tuyau est en acier inoxydable, elle peut propager le signal de

transmission suffisamment loin pour que l'écho de retour se soit suffisamment déplacé pour

interférer avec la lecture. Il existe également des discontinuités acoustiques intégrées dans les

tuyaux en cuivre, les tuyaux à revêtement intérieur en béton ou en plastique et les tuyaux

renforcés de fibre de verre. Celles-ci sont suffisamment importantes pour soit disperser

complètement le signal transmis, soit atténuer le signal de retour. Cela diminue

considérablement la précision du débitmètre (à seulement ±20 %) et, dans la plupart des cas,

les dispositifs à pince ne fonctionnent pas du tout si le tuyau possède un revêtement intérieur.

Source : https://www.omega.fr/prodinfo/debitmetre-ultrasons.html

Source : https://slideplayer.fr/slide/1200690/

Débitmètre à effet Vortex :

Le débitmètre à effet Vortex est un type de débitmètre dont la mesure repose sur la formation

de tourbillons alterné générant des coups de pression d’intérieur de la tuyauterie pleine pour

lire le débit, tant de liquide que de vapeur et de gaz.

Q=V*S

Un obstacle est inséré au cœur de la conduite pour crée des tourbillons

La limite de ce principe :

- Débit faible : plus de tourbillons significatifs détecté.

- Viscosité élevé du fluide.

Principe de fonctionnement :

Un obstacle est placé au centre de la canalisation , souvent une barre droite perpendiculaire à

l’axe de l’écoulement. Il en résulte une oscillation périodique du fluide, comme un drapeau

qui flotte au vent, dont l’écoulement est perturbé par le moment. En aval de l’obstacle se créer

des tourbillons qui engendrent localement des variation de vitesse et de pression.

On mesure alors la vitesse à l’aide d’un détecteur à effet thermique ou la pression ( à l’aide

d’un piézoélectrique ), la fréquence de leurs variation est proportionnelle au débit volumique.

Cause d’erreur :

- Vibration : Les vibration de l’obstacle modifie les fréquences d’apparition des

tourbillons, les vibration peuvent limiter les performance du capteur.

- Profil de vitesse amont : la proximité des coudes, vanne etc…

- Ecoulement pulsé : pulsation de l’écoulement du par des compresseurs, dans la

pratique on doit s’assurer que la fréquence de pulsation n’atteint en amont cas de la

moitié de la fréquence des impulsions de mesure.

Avantage : Inconvénient :

- Bonne précision.

- Perte de charge modéré.

- Pas de pièce de mouvement.

- Ne fonctionne que pour > 10 000

Reynolds, ce qui limite son champs

de d’application en fluide moins

visqueux que l’eau.

Le principe repose

sur le comptage du

nombre de torbillon

Obstacle cœur de la

conduite créant des

tourbillons

Débits en

m3/s Vitesse

en m/s

Surface en m²

- Prix de revient installée est

comparable à celui d’un

déprimogène.

- Coût de maintenance faible .

- Sensibilisation aux vibration.

- Longue longueur droit en amont (

même ordre de grandeur que le

diaphragme.)

Débitmètre à ultrasons :

Principe de mesures :

- Présence de de 2 soudes, il y a une sonde qui est placés en amont et le deuxième est

placé en aval.

Chaque sonde est d’une manière alternative l’émettrice et la réceptrice d’une onde

ultrasonore impulsionnelle dirigé vers l’autre sonde.

- Le temps de parcours est diffèrent entre en amont-aval et aval-amont, car cela dépend

comment le fluide se déplace.la différence entre les 2 temps de parcours, nous permet

de calculer la vitesse moyenne et grâce à sa, nous pouvons en déduire le débit

volumique.

Les différentes types de sonde :

Les sonde externes :

Les sondes ne sont pas en contact en direct avec le fluide, car les sonde ils sont placé à

l’extérieur de la conduite.

On a peut avoir différent montages :

Montage direct :

Montage en N :

Montage en Réflexe :

Sondes intrusives :

Les sondes intrusives elle sont en contact direct avec le fluide, car elle sont implanté à

l’intérieur de la conduite.

Exemple d’utilisation :

Il peut être utiliser pour plusieurs raison comme pour mesurer le débit de pompe, mesurer le

débit de canaux d’irrigation, mesurer le débit sur le réseaux d’assainissement, ou encore pour

géré les crues.

➢ Débimètre Corolis :

Il permet de mesurer directement le débit massique .A l’intérieur, il y a un tube qu’une

bobine excitatrice maintient en permanentes vibrations. En l’absence de débit le tube oscille

régulièrement. A l’entrée et à la sortie, on trouve des capteurs de mouvements,qui

enregistrent cette oscillation avec précision.Lorsque le fluide est en mouvement,il y a un

mouvement de balancière.Les sections du tube oscillent, par effet du Coriolis, de manière

opposé.Les capteurs enregistrent cette modification.Ce déphasage est une représentation

direct de ce liquide,qui traverse le fluide.Ce déphasage est d’autant plus grand que la vitesse

d’écoulement.L’effet Coriolis petmet de mesurer la masse volumique du fluide et la quantité

de matière écoulée,température et viscosié.Pour cela, les capteurs mesurent la fréquence de

déplacement

➢ Ventrui : C’est un phénomène dynamiques des fluides où il y a formation d'une dépression

dans une zone où les particules de fluides sont accélérée

➢ Tuyère : C’est un conduit de section droite variable placé à l'arrière d'un moteur produisant

des gaz de combustion chauds qui permet de transformer l'énergie thermique de ceux-ci en

énergie cinétique.

➢ Débimètre massique thermique :

A l’intérieur se trouve 2 sondes de températures appelées : thermorésitance Pt100 :

• La 1ère : mesure la température actuelle du gaz comme référence indépendemment

de la vitesse d’écoulement

• La 2ème : chauffée en permanence par l’apport d’energie electrique pour qu’une

température prédefinie s’installe entre les 2 sondes

En l’absence de débit la température entre les 2 sondes ne change pas. Lorsque le fluide est

en mouvement , la 2ème sonde restitue de la chaleur qui est évacuée dans le flux. Le

refroidissement mesuré est compensé par l’apport de chauffage supplémentaire.Le courant

de chauffage neccessaire pour la régulation de température est proportionelle au

refroidissement . Plus la vitesse d’écoulement est élevée, plus le courant de chauffage

neccesssaire est important.Un principe de mesure alternatif fonctionne avec un courant de

chauffage constant.La différence de température variable représente le débit massique.Le

transert de chaleur est fait par les molécules de gaz. Les molécules absorbent d’ifimes

quantités de chaleur. Le transport de chaleur dépend de la masse volumique du gaz. Plus la

pression est elevée,moins la température est forte et plus le transport de chaleur sera

important.L’hydrogène possède une forte comprétibilité