Débitmètre Massique 1

Débitmètres Massiques

Réalisé par :

DAOU Abdelbasset FADLI Hind

LABAKOUM Badr-eddine

Encadré par :

Mr. Az.MOUHSEN

MST. Génie Biomédical Instrumentation & Maintenance

2015/2016

Débitmètre Massique 2

Sommaire

Sommaire ................................................................................................................................... 2

Introduction ................................................................................................................................ 4

I. Généralités .......................................................................................................................... 5

I.1 Le débit d’un fluide ..................................................................................................... 5

a. Débit volumique .......................................................................................................... 5

b. Débit massique ......................................................................................................... 5

I.2 Régimes d'écoulement ................................................................................................. 6

I.3 Le nombre de Reynolds ............................................................................................... 7

I.4 La vitesse ..................................................................................................................... 7

I.5 Relation débit / vélocité ............................................................................................... 8

II. Capteur de débit ................................................................................................................. 9

II.1 Définition ..................................................................................................................... 9

II.2 Débitmètre volumique ................................................................................................. 9

II.3 Débitmètre massique ................................................................................................... 9

II.4 Méthodes de mesure de débit .................................................................................... 10

III. Les différents types des débitmètres massique ............................................................. 11

III.1 Le débitmètre électromagnétique ........................................................................... 11

a. Composant ................................................................................................................. 11

b. Principe .................................................................................................................. 12

c. Caractéristiques ......................................................................................................... 13

III.2 Débitmètre thermique ............................................................................................ 13

1. Débitmètre massique thermique a dérivation......................................................... 13

a. Les composants .......................................................................................................... 13

b. Principe .................................................................................................................. 14

2. Débitmètre massique thermique a passage direct: ................................................. 14

a. Les composants .......................................................................................................... 14

b. Principe .................................................................................................................. 15

c. Caractéristiques ......................................................................................................... 15

III.3 Débitmètre massique a accélération de Coriolis .................................................... 15

a. Les composants .......................................................................................................... 16

Débitmètre Massique 3

b. Les types ................................................................................................................ 16

c. Force de Coriolis ....................................................................................................... 17

d. principe .................................................................................................................. 17

e. Caractéristiques ......................................................................................................... 18

III.4 Débitmètre à fil chaud ............................................................................................ 18

a. Définition ................................................................................................................... 18

b. Principe de fonctionnement ................................................................................... 19

IV. Utilisation au domaine médical ..................................................................................... 22

IV.1 Le débitmètre urinaire ............................................................................................ 23

a. Objectif du test de débit d'urine ................................................................................. 23

b. Matériels et méthodes : .......................................................................................... 24

IV.2 Endoscopie : ........................................................................................................... 24

IV.3 Les générateurs d’hémodialyse. ............................................................................. 25

a. Le schéma de principe d’un générateur-moniteur : ................................................... 26

b. Maîtrise décimétrique ............................................................................................ 27

Conclusion ................................................................................................................................ 29

Débitmètre Massique 4

Introduction

Le choix d’un débitmètre n’est pas une chose simple. Pour faire un choix correct, il faut

tenir compte d’une multitude de paramètres. Il est donc nécessaire avant tout de définir

précisément ses propres exigences, les contraintes imposées par le fluide à mesurer et les

caractéristiques de l’environnement. Ensuite viennent s’ajouter les contraintes liées aux

différents appareils possibles.

Débitmètre Massique 5

I. Généralités

I.1 Le débit d’un fluide

Le débit, c'est la quantité de fluide qui s'écoule ou qui est fournie par unité de temps.

Exemple : Le débit d'un cours d'eau, d'une pompe...

Il exicte deux types de débit,débit massique (Qm) et débit volumique(Qv).

La relation entre les deux selon la relation suivant :

a. Débit volumique

Qv = v · S

Unité: m3/s, m3/d, GPM.

b. Débit massique

Qm = r · v · S

Unité : kg/s, lb/s,...

Figure1 : Débit.

Débitmètre Massique 6

Le débit sera augmenté si :

La quantité (volume) de fluide augmente,

Le temps (par unité de volume) diminue.

I.2 Régimes d'écoulement

La connaissance du régime d'écoulement d'un fluide est un point clé en génie des

procédés, car il a une influence sur la plupart des phénomènes, en particulier les transferts

de chaleur, de matière, les pertes de charges.

Trois grands régimes d’écoulement ont été définis par Reynolds

L'écoulement laminaire : écoulement rectiligne, le fluide s'écoule en filets

parallèles à l'axe de la conduite, sans mélange.

Figure2 :L'écoulement laminaire.

L'écoulement intermédiaire : l'écoulement est plus ou moins rectiligne, avec un

peu de mélange (petits tourbillons).

Figure3 :L'écoulement intermédiaire.

L'écoulement turbulent : l'écoulement se fait avec de grands tourbillons, avec un

mélange important.

Figure4 :L'écoulement turbulent.

Débitmètre Massique 7

I.3 Le nombre de Reynolds

Permet de connaître le comportement de l'écoulement d'un liquide, Sans dimension et

se calcule comme suit :

• n = Vitesse du liquide du liquide (m/s)

• r = Masse volumique (kg/m3)

• D = Diamètre interne du conduit (m)

• m = viscosité du liquide (en Pa.s)

Figure5 : Intervalle du nombre de Reynolds pour chaque régime.

Exemple : Un écoulement est turbulent pour Re > 2 200. Dans le cas contraire,

l'écoulement et laminaire

I.4 La vitesse

le débit (Q) de fluide dépend directement de la vitesse (V) linéaire de ce fluide et de la

section (S).on peut déterminer le débit d'un fluide à partir de sa vitesse :

Q(m³/s)=V(m/s)×S(m²)

Débitmètre Massique 8

I.5 Relation débit / vélocité

Pour avoir le même débit amont et aval, la vélocité du liquide devra augmenter au

passage de cette restriction.

Figure6 :Restriction sur conduite.

La vélocité sera supérieure en ‘B’ car la pression peut être utilisée pour permettre au

fluide d’aller plus vite.

Figure7 : Vanne sur conduite

Quand la vélocité d’un liquide (ou gaz) augmente sa pression diminue.

Restriction

Débitmètre Massique 9

II. Capteur de débit

II.1 Définition

Un débitmètre est un appareil ou instrument destiné à mesurer le débit linéaire, non

linéaire, de masse ou volumétrique d’un liquide ou d’un gaz.

II.2 Débitmètre volumique

Débit Volumique

Le débit volumique exprime un volume par rapport à une unité de temps : m3/h.

Ce débit est dépendant des conditions de température et de pression (un gaz pouvant se dilater

ou se compresser en fonction des paramètres de température et de pression). Ainsi une même

installation dans des conditions ambiantes différentes n’aura pas les mêmes débits volumiques

aux deux endroits.

Débitmètre Volumique

Est un appareil de mesure de débit basé sur le volume.

II.3 Débitmètre massique

Débit Massique

Le débit massique exprime une quantité (une masse) par unité de temps : g/h, kg/h…

Le débit massique est indépendant de la température et de la pression, la masse de matière est

la même pour un volume différent.

Débitmètre Massique

Est un appareil de mesure de débit basé sur la masse et non pas sur le volume.

Débitmètre Massique 10

La déférence entre un débitmètre volumique & Massique :

Un débitmètre massique a le gros avantage, par rapport à un débitmètre volumique, de mesurer la quantité de matière le traversant, plutôt que de mesurer le volume le traversant qui devra souvent être corrigé ensuite par la densité du produit considéré. Il est souvent plus cher et plus délicat à mettre en œuvre, mais permet de s'affranchir de l'erreur due aux variations de densité de matière le traversant.

II.4 Méthodes de mesure de débit

En partant de l’équation fondamentale :

Qv = v · S ou Qm= r · v · S

Il y a plusieurs méthodes possibles pour mesurer le débit d’un fluide :

Par mesure directe de V.

Débitmètre M/V Exemple : (Les débitmètres électromagnétiques)/ (La turbine)

Par mesure indirecte de V.

Débitmètre V Exemple : (Le tube de Pitot)

Par mesure de S.

Débitmètre V Exemple : (Débitmètre à ultrasons)

Par mesure directe de Q.

Débitmètre V Exemple : (Compteurs volumétriques)

Débitmètre Massique 11

III. Les différents types des débitmètres massique

III.1 Le débitmètre électromagnétique

Les débitmètres électromagnétiques sont une application de la mesure des

débits par mesure directe de la vitesse d’écoulement

C’est M. Faraday, à Londres, en 1832 qui tenta la première fois d’utiliser ce type de

débitmètre ; il voulait mesurer le débit volumique de la Tamise.

Le débitmètre électromagnétique est aujourd’hui un outil de mesure incontournable.

a. Composant

Un débitmètre électromagnétique industriel est constitué par un tube en

matériau non magnétique, revêtu intérieurement d’un revêtement isolant. Deux bobines

d’induction sont disposées de part et d’autre de la conduite. Elles créent un champ

magnétique alternatif pour éviter une polarisation des électrodes, et un champ

magnétique basse fréquence pour éviter les parasites.

Figure 8 : Les composants d’un débitmètre massique électromagnétique.

Débitmètre Massique 12

b. Principe

Le débitmètre électromagnétique fonctionne suivant le principe de Faraday.

Quand un liquide conducteur s’écoule perpendiculairement à travers un champ

magnétique, une différence de potentiel électrique est créée au sein du liquide. Cette

différence de potentiel, captée à l’aide de deux électrodes permet, par le calcul, d’en

déduire la vitesse puis le débit du fluide.

Figure9 : le principe de fonctionnement d’un Débitmètre massique électromagnétique.

Selon que cette charge est positive ou négative elle sera déviée dans un sens ou dans le sens opposé. Cette force s’exprime de la façon suivante : F=qv∧B où q est la charge de la particule, v est le vecteur vitesse et B le vecteur champ magnétique.

On se Basant sur la loi de Faraday:

U = k B D v => Qm = r · v · S

Tel que :

v = m/s, D = mètres, B = teslas, k = 1 (métrique*), U = Volts.

Cette création de tension électrique s’explique

simplement si on observe les forces qui

s’exercent sur les anions et cations présents au

sein du liquide. Une charge électrique

(électron, anion, cation) qui se déplace dans un

champ magnétique subit une force (force de

Laplace) qui tend à faire dévier cette charge de

sa

trajectoire initiale.

Débitmètre Massique 13

c. Caractéristiques

Limites de température : - 25°C à + 180 °C

Pression : jusqu’à 40 bar

Vitesse du fluide : 0,2 à 10 m/s

Diamètre de raccordement : 2mm à 2m

Erreur de justesse : 0,2 % à 3 % de la valeur mesurée

Perte de charge : nulle

Temps de réponse : à partir de 0,1 s

III.2 Débitmètre thermique

Les débitmètres massiques thermiques sont une application de la mesure des débits par utilisation des calories du fluide comme conductivité pour déterminer le débit massique.

C’est le physicien canadien louis viking, en 1914 qui tenta la première fois

d’utiliser ce type de débitmètre ;

Il existe plusieurs types de débitmètres thermiques industriels. Tous mettent

en jeu l’équilibre thermique entre une source de chaleur et le liquide en écoulement. Les

mises en œuvres industrielles peuvent être très variées, nous expliciterons dans cette

partie les deux débitmètres principales et leur mise en œuvre.

1. Débitmètre massique thermique a dérivation

a. Les composants

Figure10 : les composants d’un débitmètre massique thermique a dérivation.

Débitmètre Massique 14

b. Principe

Le principe de fonctionnement des débitmètres massiques thermiques repose sur l'élévation de température que subit un fluide lorsqu'on lui apporte une puissance thermique donnée.

ΔT=k*Cp*Qm

Où

k : une constante qui dépend de la construction et de la capacité calorifique du fluide. Cp : la capacité calorifique du fluide. Qm : le débit massique. Il est nécessaire que toute la masse du fluide soit uniformément chauffée et que

les sondes de température soient en équilibre thermique avec le fluide. Par ailleurs la

mesure de débit par des débitmètres massiques thermiques à dérivation n’est réalisable

que pour de faibles débits, quelques dizaines de grammes par heure.

L’écoulement doit être laminaire.

2. Débitmètre massique thermique a passage direct:

a. Les composants

Figure11 : les composants d’un débitmètre massique thermique a passage directe.

Débitmètre Massique 15

b. Principe

Une résistance chauffante verra son énergie dissipée par transfert

thermique de type convectif avec le fluide en écoulement. Plus la vitesse du fluide autour

de la résistance sera importante, plus l’échange d’énergie sera grand

En écoulement turbulent,

Pheater=Poffset+C*Qm

Où

P offset :est la puissance dissipée.

Pheater :la puissance de la sonde chauffante.

Qm :le débit massique.

C : la capacité calorifique du fluide.

Ce débitmètre s’applique aux débits élevés et le capteur accepte la totalité du débit sans répartiteur. Il doit être dimensionné selon le débit à mesurer.

c. Caractéristiques

Limites de température : jusqu’à + 200°C

Pression : jusqu’à 3000 bar

Diamètre de raccordement : 10 à 100 mm

Erreur de justesse : 0,5 à 1 % à 5 %

Perte de charge : De l’ordre de 2 Pa

III.3 Débitmètre massique a accélération de Coriolis Le débitmètre massique à effet Coriolis est une application de la mesure directement le débit massique, Ce capteur mesure la vitesse de déplacement du tube de mesure. C’est le physicien français Gustave gaspard Coriolis qui tenta la première fois d’utiliser ce type de débitmètre il y a plus de 200 ans.

Débitmètre Massique 16

a. Les composants

La solution d’un dispositif en rotation uniforme est peu adaptée à une réalisation industrielle : les constructeurs ont mis au point des systèmes oscillants qui mettent en oeuvre une rotation dont la vitesse varie sinusoïdalement.

Figure12 : Les composants d’un débitmètre massique a accélération de Coriolis.

b. Les types

Deux types de système existent, le capteur à boucle oscillante et le capteur à

tube rectiligne.

Les capteurs à boucle oscillante sont constitués de deux tubes en U oscillant

en opposition de phase autour d’un même axe.

Le capteur à tube rectiligne est composé de deux tubes fixes à leur extrémité qui

subissent en leur milieu une oscillation en opposition de phase.

Figure13 : les types de débitmètre massique a accélération de Coriolis.

Débitmètre Massique 17

c. Force de Coriolis Lorsqu’un objet est soumis à la fois à une rotation et à une translation il subit

une accélération dite de Coriolis : ac = 2ω∧Vt où ω est le vecteur de rotation et Vt le

vecteur vitesse de translation. Cet objet subit donc une force dite de Coriolis:

F=m.ac = 2mω ∧ vt

d. principe

Les tubes de mesure sont portés à une fréquence de résonance par un excitateur électromagnétique. Lorsque le fluide s'écoule dans les tubes, il se crée alors des forces de Coriolis qui génèrent une déformation des tubes de mesure. La superposition du mouvement de Coriolis sur l’oscillation initiale montre une différence de phase, détectée par deux capteurs électromagnétiques. Cette différence de phase est une mesure directe du débit massique.

F = 2×m×ω×v

Figure14 : Le principe de fonctionnement débitmètre massique a accélération de

Coriolis

Débitmètre Massique 18

e. Caractéristiques

Limites de température : - 240°C à 200°C

Pression : jusqu’à 400 bar

Vitesse du fluide : 0,1 à 10 m/s

Diamètre de raccordement : 3mm à 200mm

Erreur de justesse : > 0,3 %

Perte de charge : nulle

Temps de réponse : à partir de 0,1 s

III.4 Débitmètre à fil chaud

a. Définition

Un débitmètre à fil chaud utilise le phénomène de transfert de chaleur entre un corps chaud et un gaz pour quantifier un débit. Lorsqu’un gaz circule au-dessus d’une surface chaude, un transfert de chaleur s’opère entre la surface chaude et le gaz.

Débitmètre Massique 19

Figure 15: Schéma d’un débit mètre à fil chaud.

b. Principe de fonctionnement

Lorsque l’on place dans un écoulement un fil porté par effet Joule à une

température supérieure à la température de cet écoulement. Il se produit alors un

échange de chaleur par convection, cet échange est fonction des propriétés physiques du

fluide, de sa vitesse et de l’écart de température entre l’élément chauffé et le fluide.

La température d’équilibre du fil qui constitue le capteur est déterminée par

mesure de sa résistance : elle est fonction de la puissance Joule dissipée et de la vitesse

de fluide qu’il s’agit de déterminer.

Le métal utilisé pour la réalisation du capteur doit avoir un coefficient de

température de la résistance élevé ; dans les gaz, on utilise un film de platine ou de

tungstène très fin (0,6µm < D < 10 µm) ; dans les liquides, pour des raisons de solidité, le

capteur est un film mince de platine,

déposé sur un cône ou un cylindre

isolant.

Figure16 : Fil et film chaud utilisé en débitmètre massique.

La puissance Joule 𝑷𝒋 dissipée dans une résistance à la température T,

De valeur R(T), et traversée par un courant continu I, à pour expression :

𝑷𝒋 = 𝑹(𝑻). 𝐈𝟐

Débitmètre Massique 20

En admettant que les échanges thermiques se font uniquement par convection du

fluide à la température 𝑻𝒂 , la puissance échangée 𝑷𝒄 peut s’écrire :

𝑷𝒄 = 𝒉. 𝑺𝒍. (𝑻 − 𝑻𝒂)

𝒉: le coefficient d’échange thermique,

𝑺𝒍: la surface latérale du capteur(fil) .

Pour un fil : 𝑺𝒍 = 𝝅.𝑫. 𝒍 𝑫 étant diamètre et 𝒍 sa

longueur,

Pour un film : 𝑺𝒍 = 𝟐.𝑫. 𝒍 𝑫 étant sa largeur et 𝒍 sa

longueur.

À l’équilibre thermique :

𝒑𝒋 = 𝒑𝒄

Donc :

𝑹(𝑻). 𝐈𝟐 = 𝒉. 𝑺𝒍. (𝑻 − 𝑻𝒂)

La vitesse U du fluide intervient dans l’expression de h dont diverses

formulations empiriques ont été proposées.

Formule de King:

𝒉 = 𝒂 + 𝒃.√𝑼

𝒂 et 𝒃 : étant des constantes pour un fluide et un capteur

Débitmètre Massique 21

𝑼 = (𝒉 − 𝒂

𝒃)𝟐

Le débit est égal :

𝑸𝒎 = 𝝆.𝑼. 𝑺

𝑸𝒎 = 𝝆. (𝒉− 𝒂

𝒃)

𝟐

. 𝑺

Caractéristiques :

Limites de température : -30°C à +80°C

Débit : jusqu’à 0 à 99 999 𝑚3/ℎ

Vitesse du fluide : 0,15 à 3 m/s et 3,1 à 30 m/s

Temps de réponse : inférieur à 0,001

Débitmètre Massique 22

IV. Utilisation au domaine médical

Une variété de dispositifs médicaux, tels que les inhalateurs, les équipements d’analyses, les moniteurs pour anesthésie ou les respirateurs nécessitent une mesure rapide et précise du débit afin d’être au plus près des besoins de patients.

Exemple Étudier :

Le débitmètre

Urinaire

Endoscopie Générateurs

De dialyse

Débitmètre Massique 23

IV.1 Le débitmètre urinaire

Le débitmètre urinaire est une procédure simple de diagnostic utilisée pour calculer le débit d'urine au cours du temps qui dure envient 30 sec. Cette information est convertie en un graphique (fig.1) et interprétée par un médecin spécialiste.

Les deux paramètres principaux sont le débit maximum (Qmax) et le volume uriné. Les paramètres accessoires sont : le débit moyen (Qmoy), le temps au débit maximum, la durée du débit, la durée de la miction.

Figure17 : Paramètres déterminés à partir de la courbe du débit urinaire.

a. Objectif du test de débit d'urine

→ Pour déterminer si le patient présente des problèmes urinaires.

→ Pour évaluer les effets de certains médicaments.

→ Pour évaluer comment le patient urine avant et après une opération.

→ Pour évaluer les résultats d’une intervention.

Débitmètre Massique 24

b. Matériels et méthodes :

Le débitmètre urinaire est équipé d’un capteur de débit placé dans une pièce à part où le patient se sentira à l’aise pour uriner. Les éléments essentiels qui entrent dans la composition de cet appareil forment le schéma synoptique suivant. (fig. 2).

Figure18 : Schéma synoptique du débitmètre urinaire.

IV.2 Endoscopie :

Est une technique chirurgicale mini-invasive permettant d’intervenir dans la cavité abdominale à travers des petites incisions (donc sans ouverture de la paroi abdominale).

Elle est effectuée grâce à une optique (camera), à l’insufflation de gaz carbonique dans la cavité abdominale et à l’utilisation des trocarts pour l’insertion des différents instruments.

Débitmètre Massique 25

Figure19 : Endoscopie.

Figure20 : Endoscopie réalisée comme projet de fin d’étude.

IV.3 Les générateurs d’hémodialyse.

Les générateurs d'hémodialyse sont les machines qui rendent possible la séance de dialyse. Ce sont des dispositifs complexes et couteux.

Débitmètre Massique 26

Le générateur d’hémodialyse a pour fonction :

→ De préparer et d’assurer le débit du dialysat dans l’hémodialyseur.

→ D’assurer le débit du sang dans le circuit extracorporel et dans l’hémodialyseur.

→ D’assurer la maîtrise de l’ultrafiltration (contrôle de l’extraction d’excès d’eau

donc de la perte de poids du patient).

→ De contrôler les paramètres de la dialyse pour assurer la sécurité du patient.

a. Le schéma de principe d’un générateur-moniteur :

Diagramme du circuit sanguin en haut et du circuit du dialysat en bas avec indication des dispositifs de surveillance et de régulation correspondants.

Figure21 : Schéma de principe d’un générateur-moniteur.

Débitmètre Massique 27

b. Maîtrise décimétrique

Cette maîtrise repose sur l’emploi de débitmètres et sur le principe suivant : le débit du dialysat en sortie du générateur est égal à la somme du débit dialysat en entrée et du débit d’ultrafiltration (QDout = QDin + UF).

Figure22 : Circuit simplifié d’un dialyseur.

On utilise une pompe UF et le maîtriseur doit alors assurer que le débit d’entrée est strictement égal au débit de sortie ( Hospal, avec deux débitmètres à ailettes, Bellco avec un débitmètre de Coriolis )

Figure23 : Schéma d’un Maîtrise débimétrique.

Débitmètre Massique 28

Débitmètre Massique 29

Conclusion

Lors du choix du débitmètre, il convient de prendre en considération des facteurs

intangibles comme la connaissance du personnel de l’usine, leur expérience en étalonnage et

entretien, la disponibilité des pièces détachées et le temps moyen entre les relevés de

défaillance, etc., à l’emplacement spécifique de l’usine. Il est également recommandé que le

coût de l’installation ne soit calculé qu’après toutes ces mesures. Une des erreurs de mesure

de débit les plus communes est l’inversion de cette séquence : au lieu de sélectionner un

capteur qui fonctionnera correctement, on tente de justifier l’utilisation d’un appareil parce

qu’il est moins cher. Ces achats « bon marchés » peuvent se révéler les installations les plus

coûteuses.

La bonne méthode de sélection d’un débitmètre implique une compréhension claire

des exigences propres à une application spécifique. Par conséquent, il faut prendre le temps

d’évaluer complètement la nature du fluide de processus et de l’installation globale.

Débitmètre Massique 30

Bibliographie

Générateur de dialyse, Dr. Mohamed Amine KHALFAOUI Service de Néphrologie-

Hémodialyse et Transplantation rénale CHU Ibn Rochd Casablanca.

Instrumentation CIRA Chap. V : Capteurs de débit.

Guide d’achat MESURES 812- FÉVRIER 2009 - www.mesures.com.

Centre de formation de HMD Mesure de Débit (I-FLWMSUR)PETROFAC.

LE DEBITMETRE ELECTROMAGNETIQUE,Ludovic JEZEQUEL,BTS chimiste‐lycée

Coeffin‐Baie Mahault.

Mesure de debit (c) Guy Gauthier - Cours sur débitmètres.

Laboratoire d’étude des matériaux électroniques pour applications médicales (LEMEA MED)

Constantine, Algérie(Mise au point d’un débitmètre urinaire).

INSUFFLATEUR CO2 EQUIPE PAR UNE CARTE DE REGULATION DE PRESSION

ABDOMINALE LORS L’INTERVENTION PAR LA COELIOSCOPIE(Université Mentouri

_ Constantine)