Joseph LEHMANNBensalm EL HOUSSAINIKhireddine FERKANI

FACULTE DES SCIENCES

MASTER 2 I.C.M.SMASTER 2 I.C.M.SInstrumentation Contrôle et Management des

Systèmes

T.P. CAPTEURS DE DÉBITS

Professeurs : Hakim BAHMANNadjib SEMMAR

INTRODUCTION

De manière générale les débitmètres son utilisés pour la mesure du débit de vapeur, de gaz

ou de liquide. Cet appareil de mesure sert donc à mesurer le débit d’un fluide. Selon le niveau du

débit et la nature du fluide, le principe du débitmètre adapté est très variable et nous allons étudier

les débitmètres suivant:

• Un débitmètre électromagnétique (la référence)

• Un débitmètre à ailette.

• Un débitmètre magnétique.

• Un débitmètre massique.

• Un débitmètre à effet Vortex (ce capteurs est hors service nous allons juste

montrer le principe de fonctionnement).

• Un débitmètre à différentielle de pression.

Le but du T.P. est de réaliser des mesures de débit d'eau dans les canalisations à l'aide de

différents types de débitmètre, d'évaluer la répétabilité des résultats ainsi que la perte de charge des

débitmètres pour donner les avantages et les inconvénients de chacun.

1. BANC DE MESURE

Ci-dessous le banc de mesure avec les différents types de capteurs mis à disposition.

Les débitmètres électromagnétique, à effet Vortex et à différentielle de pression son reliés à

une connexion FieldBus permettant de faire l'acquisition des mesures sur un ordinateur. Le

FieldBus ou, en français, Bus de Terrain est un système d'interconnexion et de communication,

totalement numérique, entre plusieurs dispositifs, ou entre un dispositif et ses périphériques

(capteurs, d'actionneurs...). Il permet de remplacer les boucles analogiques notamment les 4-20mA.

Les débitmètres à ailettes, magnétique et massique sont reliés à une boucle de courant

4-20mA. La boucle de courant 4-20mA est un moyen de transmission permettant de transmettre un

signal analogique sur une grande distance sans perte ou modification de ce signal. Il est l'ancêtre du

Bus de Terrain. Dans notre cas on peut lire la valeur de débit sur l'afficheur sept segment.

Le FieldBus est relié à un contrôleur avec des entrées/sorties numériques pour communiquer

avec l'ordinateur de contrôle. Un système de conversion du signal analogique des boucles 4-20mA,

en signal numérique, permet également de visualiser les mesures sur l'ordinateur.

Vanne de sécurité d'ouverture d'eau V(Secur)

Vanne d'ouverture d'eau V(eau)

Débitmètre électromagnétique

Débitmètre à ailettes

Vanne pour ouverture d'eau vers capteurs

Débitmètre magnétique

Débitmètre massique

Débitmètre Vortex

Débitmètre à différentielle de

pression

Vanne pour tout à l'égout et/ou mesure manuelAfficheur pour débitmètres

à ailettes, massique et magnétique.

2. PLUSIEURS TYPES DE DÉBIMÈTRES

• Débitmètre électromagnétique

Un débitmètre électromagnétique est un débitmètre utilisant le principe de l'induction

électromagnétique. Pour ce faire, un champ magnétique est appliqué au fluide dont

on souhaite mesurer le débit. Cela créée une force électromotrice qui augmente

lorsque le débit est élevé et inversement. Il faut pour cela que le fluide ait une

conductivité électrique suffisante. Ici on utilise l'eau courante dont la conductivité

électrique est suffisante 500 à 800 µS/cm. Rappelons que si on utilise de l'eau

« pure » ce débitmètre ne fonctionnerait pas car la conductivité électrique de l'eau

« pure » est trop faible: 0,055 µS/cm. Le débitmètre annonce aussi le sens de

l’écoulement.

• Un débitmètre à ailettes

Ce principe est l'un des premiers imaginé. Un dispositif à ailettes ou hélicoïdal est

placé dans l'axe de la conduite ou perpendiculairement et l'écoulement entraine la

rotation d'un rotor avec une vitesse liée à celle du fluide. Il suffit alors de compter le

nombre de tours/min pour avoir la vitesse et en déduire le débit du fluide. Lorsqu'il

s'agit d'un liquide on choisira une turbine.

Le plus souvent le comptage sera réalisé par le biais d'un dispositif magnétique. Un

aimant permanent solidaire du rotor passe à proximité d'un interrupteur à lame

souple qui en se fermant va générer une impulsion envoyée à un compteur.

Ce système ne fonctionne bien qu'avec des fluides propres et peu visqueux car il ne

faut pas encrasser les paliers de soutien du rotor sous peine de créer des frottements

ralentissant la rotation. Ce type de capteurs sont donc des débitmètres à éléments

tournants permettant de mesurer des débits de 0.005 L/min à 100 m³/h.

• Un débitmètre magnétique

C'est le même principe que le premier débitmètre. Le principe de mesure d’un

débitmètre magnétique repose sur la loi d’induction de Faraday qui dit que :

Tout conducteur coupant les lignes d’inductions d’un champ magnétique à une

certaine vitesse est soumis à une force électromotrice.

Le liquide électriquement conducteur, représente le conducteur en déplacement.

La tension est induite par le champ magnétique et l’amplitude obtenue est

proportionnelle à la vitesse d’écoulement du liquide conducteur.

On peut établir la formule suivante: E = B x L x V avec

E Force électromotrice induite en Volts.

B Induction magnétique en Tesla.

L Écartement des électrodes (longueur du conducteur en m).

V Vitesse d’écoulement moyenne en m/s.

La différence entre le premier capteur et celui-ci est le fait que le conditionnement du

signal est différent. Pour le premier c'est entièrement numérique grâce au FieldBus,

celui-ci fonctionne à l'aide d'une boucle de courant 4-20mA.

• Un débitmètre massique

Un débitmètre massique est un appareil de mesure de débit basé sur la masse et non

pas sur le volume.

Le débitmètre à effet Coriolis est le plus connu et le plus utilisé des débitmètres

massiques. Il fonctionne à l'aide d'un tube en U qui est traversé par le fluide dont on

veut mesurer le débit. Le tube est soumis à une oscillation latérale. On mesure le

déphasage (ou la contrainte grâce à des jauges de contrainte) entre chaque angle du

U. Plus la quantité de matière traversant le tube est importante, plus le déphasage est

grand.

Le débit massique peut se calculer à l'aide de la formule suivante:

Qm = QV x ρ avec:

Qm le débit massique en kg/h.

Qv le débit volumique en L/h.

ρ la masse volumique du fluide en kg/L. (Ici l'eau ρ = 1 kg/L)

• Un 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 (le vortex), 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 sera donc obtenue par le comptage des

tourbillons à l'aide d'un capteur sensible aux variations oscillatoires de pression,

typiquement un capteur piézorésistif.

• Un débitmètre à différentielle de pression

Le principe d’un débitmètre à pression différentielle est basé sur un système

perturbateur statique constitué d’un organe d’étranglement qui provoque une chute

de pression dont la valeur est fonction du débit de l’écoulement et des

caractéristiques thermodynamiques du fluide à mesurer. Le débitmètre utilisé

fonctionne avec un diaphragme dont le paramètre donné par le constructeur est

K = 1609,5.

Un débitmètre à différentielle de pression est constitué de deux éléments :

un obstacle (diaphragme), responsable d’une ΔP.

un capteur de pression différentielle qui mesure la ΔP.

Il exploite la loi de Bernoulli qui donne la relation entre le débit et la perte de charge:

Qv le débit volumique en L/h.

K le facteur d'étranglement du diaphragme = 1609,5.

ΔP le différentielle de pression en kPa.

ρ la masse volumique du fluide en kg/L. (Ici l'eau ρ = 1 kg/L)

2 PQv Kρ∆= ×

3. MESURES DE D É BITS

Répétabilité (ISO 3534-1)

Fidélité sous des conditions de répétabilité.

Conditions de répétabilité:

Conditions où les résultats d'essai indépendants sont obtenus par la même méthode sur des

individus d'essai identiques dans le même laboratoire, par le même opérateur, utilisant le même

équipement et pendant un court intervalle de temps.

Pertes de charge

Lorsqu’un fluide s’écoule dans une canalisation, sa vitesse diminue puisqu’il y a présence de

frottements, ces frottements sont liés à la viscosité du fluide, mais aussi à la rugosité du matériau

utilisé pour fabriquer la canalisation, on les appelle perte en charge régulière.

La relation de Darcy-Weibach (expérimentale) exprime la chute de pression dans une canalisation

en fonction de la géométrie (diamètre D et longueur L) et du matériau de la canalisation, ainsi que

des propriétés du fluide:

Avec λ coefficient de perte de charge linéaire.

D’autres pertes de charge apparaissent dès qu’il existe une difficulté pour le fluide de s’écouler

(vanne, raccord, coude, obstacle, capteur… ) ce sont les pertes de charge singulières.

Les pertes de charge singulières interviennent à chaque fois qu’il existe une modification de la

direction du fluide. Elle se présente encore comme la diminution de la pression:

Avec k coefficient de pertes de charge singulières.

Nous allons évaluer la perte de charge dû aux capteurs donc notre étude se déroulera sur les

pertes de charge singulières. Pour cela nous utiliserons les valeurs de pression données par le

capteur à différentielle de pression en fonction d'un tours de vanne V(eau) et de deux tours de vanne

V(eau).

3.1. Répétabilité des mesures

Nous avons fait la mesure de débit deux fois pour tester la répétabilité du capteur. On obtient

les valeurs ci-après ainsi que les graphes associés.

Mesures avec le débitmètre électromagnétique:

Pour le capteur de référence les deux mesures confirment la répétabilité des résultats ce que

l'on peut voir dans le tableau. Nous pouvons alors comparer les autres capteurs en fonction de ce

débitmètre électromagnétique.

Mesures avec le débitmètre magnétique:

Ce capteur n'est pas très représentatif puisque l'on a pu réaliser seulement trois mesures. En

effet la plage de mesure n'atteint que les 1000L/h. Or avec le capteur de référence (voir

précédemment) on dépasse largement les 1000L/h (1330L/h). Cependant sur les trois mesures on a

une bonne répétabilité comme le montre le tableau.

Tours de vanne0 0 0

0,5 0 00,75 120 110

1 880 8601,13 1000 9801,25 saturation saturation1,5 saturation saturation

1,75 saturation saturation2 saturation saturation

2,25 saturation saturation2,5 saturation saturation

Magnétique (L/h) Magnétique (L/h)

Tours de vanne Electromagnétique (L/h) Electromagnétique (L/h)0 0 0

0,5 0 00,75 172 179

1 970 9641,13 1150 11431,25 1200 11941,5 1260 1256

1,75 1300 12892 1320 1314

2,25 1330 13322,5 1330 1328

Mesures avec le débitmètre à ailettes:

Avec ce capteur mécanique (à ailettes) on remarque que la répétabilité des résultats est très

bonne entre la mesure 1 (Bleu) et la mesure 2 (Orange). Cependant l'indication du capteur est

différente par rapport aux deux précédents, lorsque le débit d'eau est trop important ( 1 jusqu'à 2

tours de la vanne V(eau) ). En effet:

778 L/h pour V(eau) = 2,5 tours pour le débitmètre à ailettes.

1330 L/h pour V(eau) = 2,5 tours pour le capteur de référence.

Ceci est essentiellement dû aux pertes de charge du capteur (développé plus loin).

Mesures avec le débitmètre massique:

Ici on mesure le débit massique donc des kg/h or par approximation 1kg = 1L donc pour être

cohérent avec les autres capteurs on utilise des L/h. La répétabilité est bonne cependant comme

pour le précédant plus le débit d'eau augmente moins la mesure est précise. Cela est dû aux pertes

de charge.

Tours de vanne Massique (kg/h) = (L/h) Massique (kg/h) = (L/h)0 0 0

0,5 0 00,75 157 168

1 845 8401,13 1028 10251,25 1030 10271,5 1031 1029

1,75 1032 10312 1032 1031

2,25 1032 10322,5 1032 1032

Tours de vanne Ailettes (L/h) Ailettes (L/h)0 0 0

0,5 0 00,75 132 128

1 620 6261,13 690 6731,25 735 7401,5 743 746

1,75 753 7582 760 764

2,25 761 7662,5 778 774

Mesures avec le débitmètre à différentielle de pression:

1.Mesure du ΔP de différence en kPa

A l'aide de la formule ci-dessous on établi le tableau suivant du débit.

2.Mesure du débit à l'aide de la formule en L/h

Dans notre cas, K = 1609,5 et ρ = 1 kg/L pour l'eau.

La répétabilité de ce dernier capteur est aussi bonne que les précédentes, cependant à fort

débit la précision est moins bonne que le capteur de référence. Cela est dû au fait que ce type de

débitmètre est basé sur la perte de charge pour fonctionner. Les pertes de charges peuvent être de 40

à 70% pour ces débitmètres.

Tours de vanne Différentielle de Pression (kPa) Différentielle de Pression (kPa)0 1,6 1,6

0,5 1,6 1,60,75 12,4 11,8

1 160 1561,13 267 2541,25 301 2951,5 324 328

1,75 340 3362 350 341

2,25 354 3472,5 362 356

Tours de vanne Débit par différentielle de pression (L/h) Débit par différentielle de pression (L/h)0 0 0

0,5 0 00,75 179,2263348 174,836452

1 643,8 635,70156441,125 831,6615278 811,1624521,25 883,0274997 874,182261,5 916,1434609 921,7813201

1,75 938,4917075 932,95483492 952,1930411 939,870829

2,25 957,6186864 948,10343152,5 968,3787846 960,3200138

2 PQv Kρ∆= ×

Courbes récapitulatives du débit volumique en fonction des tours de vanne V(eau) pour les

différents types de débitmètre.

Figure 1

La courbe de tendance pour chaque débitmètre à la même allure ce qui correspond au fait

que plus on ouvre la vanne V(eau) plus le débit augmente. Cependant les mesures divergent lorsque

le débit d'eau devient important et les mesures données par le débitmètre de référence ne sont pas

atteintes par les autres débitmètres.

On a donc mesuré, grâce au débitmètre à différentielle de pression, la perte de charge des

débitmètres à ailettes, magnétique, massique et à différentielle de pression pour 1 et 2 tours de

vanne.

Le débitmètre de référence n'a pas de perte de charge puisque la mesure ce fait sans contact avec le

fluide étant donné qu'un champ magnétique est appliqué au fluide, qui créée une force

électromotrice qui augmente lorsque le débit est élevé. Le même principe est utilisé pour le

débitmètre magnétique, cependant il y aura des pertes de charges singulières dû à la canalisation ( 2

coudes + 3 vannes à passer) donc on fera la mesure pour ce débitmètre également.

0 0,5 1 1,5 2 2,5 30

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 0

179,23

643,8

831,66883,03

916,14 938,49 952,19 957,62 968,38

0 0

157

845

10281030 1031 1032 1032 1032 1032

0 0

120

880

1000

0 0

132

620

690735 743 753 760 761 778

0 0

172

970

11501200

12601300 1320 1330 1330

Mesure de débit avec les différents capteurs

ElectromagnétiqueAilettes Magnétique MassiqueDébit par dif férentielle de pression

Tours de vannes V(eau)

Déb

it vo

lum

ique

en

L/h

3.2. Pertes de charge singulières

Ci dessous tableaux des pertes de charge ΔP en kPa:

• Débitmètre électromagnétique (référence): pas de pertes de charge singulières lié au

capteur puisqu'il n' y a pas de contact entre l'eau et le capteur. Les pertes de charges

singulières dû à la canalisation sont négligeables ( pas de coudes seulement 2 vannes).

• Débitmètre magnétique: Pertes de charge singulières dû non pas au capteur mais à la

canalisation car il y a 2 coudes à passer, 3 vannes ainsi que 2 raccords en T.

• Débitmètre à ailettes: débitmètre mécanique donc il y a contact entre l'eau et le capteur. Or

les contacts favorisent la perte de charge. De plus le principe est que plus le débit est

important plus l'ailette tourne vite. Il faut donc un bon entretien de ce type de capteur

puisque l'eau courante utilisée laisse du calcaire et autres composés qui peuvent encrasser

l'ailette. Enfin la canalisation (vanne, raccord et coudes) engendre aussi des pertes de charge.

• Débitmètre massique: Pertes de charge mois importante que le dernier cependant il y a

aussi contact entre l'eau et capteur. En effet l'eau passe dans un tube en U donc contact avec

la paroi du tube et surtout la géométrie du tube en U, n'est pas favorable pour éviter les

pertes de charge. Le tube en U ainsi que les coudes et autres composants de la canalisation

engendre donc des pertes de charge singulières.

• Débitmètre à différentielle de pression: Son principe repose sur la perte de charge pour

mesurer le débit. Celui utilisé en T.P. fonctionne à l'aide d'un diaphragme donc l'eau passe

par un orifice plus petit que la canalisation donc les pertes de charge sont importantes et

d'autant plus lorsque le débit d'eau augmente. Enfin on rajoute l'effet de la canalisation et les

composants.

4. CARACTERISTIQUES ET APPLICATIONS Débitmètre électromagnétique et magnétique :

Caractéristiques standards ApplicationsMesure bidirectionnelle Réservé aux liquides de conductivité supérieure

à 1 μS/cmPerte de charge nulle Très utilisé dans le domaine de l’eauDiamètres disponibles : 2 mm à 3 m Convient aux liquides visqueux, pâteux, chargés

d’impuretés, abrasifs ou très corrosifsIncertitude : ± 0,5 à 1 % de la valeur mesurée

Débitmètre massique :

Caractéristiques standards ApplicationsSelon les fournisseurs, la forme du tube varie :

monotube droit ou courbe, bitube droit ou

courbe

Diamètres de conduite pas trop importants

Débit massique Gaz et liquides propres ou visqueux (pâtes,

boues)Précision : ± 0,1 %Mesure indépendante de la nature et des

caractéristiques du fluide

Débitmètre ailettes:

Caractéristiques standards ApplicationsLe rotor peut avoir une forme d’ailette, de roue,

de turbine. Il est placé à l’intérieur d’une

chambre de mesure du diamètre de la conduite

Pour les liquides, les gaz ou les vapeurs

Incertitude de mesure : de ± 0,15 à 2 % de la

valeur mesurée

Détermination d’un débit ou d’un volume

En raison de l’inertie des pièces mobiles, les

mesures peuvent être faussées au cours des

périodes transitoires

Prévoir selon les applications des dispositifs de

filtration ou de dégazage pour la maintenance

Débitmètre à différentielle de pression:

Caractéristiques standards ApplicationsTrès variable selon l’organe d'étranglement

(diaphragme, ou plaque orifice...)

Liquides, gaz, vapeurs

Perte de charge induite par l’organe Peut couvrir un large domaine d’applicationMesure dynamique peut être faussée en raison

de la perte de charge

CONCLUSION

A travers ce T.P. on a pu utiliser plusieurs types de capteurs de mesure de débit que l'on

appel débitmètre. Nous avons comparé les débitmètres en fonction d'un débitmètre de référence,

l'électromagnétique car il n'introduit pas de pertes de charge dû à son principe de fonctionnement

basé sur la loi de Faraday.

La mesure de répétabilité confirme le bon fonctionnement des capteurs cependant les

valeurs indiquées par chacun diffèrent du fait du principe de fonctionnement des débitmètres ainsi

que de l'effet de la canalisation (vannes, raccords, coudes...) qui introduisent de la perte de charge

en plus de celle du capteur.

Ce T.P. nous a permis de faire l'étude de différents types de débitmètres et de pouvoir

comparer leurs capacités et de savoir dans quelles circonstances utiliser tel ou tel type ( ce que l'on

peut voir partie 4).