Les principes de la mesure de débit

Compteur volumétrique

Des chambres de volume défini, se remplissent et se vident alternativement du fluide à mesurer.
Les compteurs peuvent être:
- à PISTONS ALTERNATIFS
- à PISTON OSCILLANT
- à PISTONS ROTATIFS
- à MEMBRANE
- à PALETTES
L'écoulement provoque la mise en rotation d'un axe dont on compte les tours.
Le nombre de tours du mécanisme est proportionnel au volume écoulé.

La dynamique est élevée:
débit maxi/débit mini >100
La précision est moyenne: 1 à 2%

Principales applications:

- comptages commerciaux pour liquides ou gaz.

Débitmètre à engrenages

Deux engrenages qui souvent sont simplement constitués de deux roues ovales sont mis en mouvement par le passage du fluide. La rotation du jeu d'engrenage autorise le passage à chaque tour d'un volume défini par la géométrie de l'appareil.
La précision est limitée par l'étanchéité des engrenages limitant le passage du fluide sans mouvement du mécanisme. Elle sera meilleure si une légère contre-pression existe en aval du compteur, et si le fluide présente une viscosité minimum.
Ce type de compteur n'est donc pas utilisable sur les gaz et n'est pas recommandé pour les liquides de viscosité comparable à celle de l'eau.

Avantages:

Sa précision est peu sensible aux variations de température ou de viscosité (au delà d'une viscosité minimum).
Pas de contrainte particulière d'installation (faible encombrement, pas de longueur droite requise)

Applications:

Liquides légèrement visqueux:
- huiles de lubrification, de cuisine
- combustibles, carburants
- sirops de sucre

Turbines

Une hélice est placée dans le flux liquide à mesurer.
Le mouvement du fluide provoque sa mise en rotation à une vitesse allant de 2000 à 10000t/mn.
Le nombre de tours fait par l'hélice est proportionnel au volume de liquide écoulé, la vitesse de rotation est donc proportionnelle au débit.

Lors des changements de régime, la variation de vitesse de rotation de la turbine n'est pas instantanée:
- un sous comptage sera observé lors des augmentations de débit
- un sur comptage sera observé lors des diminutions de débit
L'erreur de sur comptage est plus important que celle de sous comptage. Les erreurs ne se compensent donc pas.
Cette technique convient mieux si le régime de fonctionnement est stable.

Avantages:

Pour des liquides de faible viscosité, la précision atteint 0,2%. Peut être utilisé pour un comptage commercial.
Utilisable à pression et température élevée.

Contraintes:

Nécessite une longueur droite minimum en amont de la turbine pour limiter l'effet des turbulences.
La proportionnalité de la vitesse de rotation n'est pas garantie à faible débit. Il dépend en grande partie de la qualité et de l'état des composants mécaniques.

Normes applicables:

NFX 10-111 et X 10-114

ISO 9951:1993 Mesure de débit de gaz dans les conduites fermées -- Compteurs à turbine

Débitmètre électromagnétique

Principe:

Il est basé sur la loi d'induction de Faraday selon laquelle un élément conducteur se déplaçant dans un champ magnétique, génère une tension proportionnelle à sa vitesse de translation.
Cette tension, générée dans le fluide mesuré, est captée par deux électrodes perpendiculaires et diamétralement opposées au flux du champ magnétique et au sens d'écoulement du fluide.
Le fluide doit avoir une conductivité minimum de 5µS/cm.
La tension mesurée est proportionnelle au débit volumique et à l'intensité du champ magnétique.

Principaux avantages:

- Les électrodes et tout autre élément métallique peuvent être séparés du fluide par une paroi isolante
- Il n'entraînent pas de perte de charge

Principales applications:

Mesure sur liquides corrosifs, abrasifs, les pâtes ou les pulpes

Normes applicables:

NFX 10-120

NF EN ISO 6817 décrit le principe et les principes fondamentaux de conception des débitmètres électromagnétiques mesurant le débit d'un liquide conducteur dans une conduite fermée remplie. Elle traite de leur installation, de leur fonctionnement, de leur performance et de leur étalonnage.

Effet vortex

Principe:

Un corps introduit dans la veine fluide, provoque l'apparition de tourbillons à l'arrière, dont la fréquence de détachement est proportionnelle au débit volumique.
Cette mesure exige une vitesse minimum telle que le Reynolds soit:
- >30000 pour les gaz
- >3800 pour les liquides.

Principaux avantages:

- montage simple
- mesure précise (<1% d'erreur)

Principales applications:

Mesures sur gaz et liquides peu visqueux.

Débitmètre à ultrasons

Principe:

Un émetteur et un récepteur à ultrasons sont disposés de part et d'autre de la canalisation.
L'écoulement du fluide provoque un déphasage entre les signaux, dont la valeur est proportionnelle au débit.

Principaux avantages:

Mesure insensible à la pression et à la température.

Principales applications:

Mesure sur liquides.

Débitmètre à effet Doppler

Principe:

La fréquence d'une onde sonore réfléchie par un corps en mouvement est influencée par sa vitesse de déplacement.
Le débit volumique est proportionnel à la variation de fréquence.

Principales applications:

Détection et surveillance de l'écoulement de produits solides en vrac.

Tube de Pitot

Principe:

Mesure la pression totale d'un fluide (P_tot), dont on déduit la vitesse (v), connaissant sa pression statique (P_stat), et sa masse volumique (ρ), en application de l'équation de Bernoulli.
P_tot = P_stat + 1/2 ρ v²

La pression statique est mesurée par un orifice dont le plan est parallèle à la direction du fluide, tandis que la pression totale est mesurée par un orifice dont le plan est perpendiculaire à la direction du fluide.

Principaux avantages:

Mesure facile à mettre en oeuvre.
Il ne nécessite pas d'étalonnage, et s'adapte à tous les débits, et tous les fluides.

Principales applications:

Débit d'air dans des gaines.
- Sondes ANNUBAR

Normes applicables:

NFX 10-112, 113, 114

Rotamètre

Principe:

Le fluide circule de bas en haut dans un tube conique transparent en verre ou en matière plastique, à l'intérieur duquel est placé un flotteur maintenu en équilibre par son poids et la vitesse de passage du fluide.
Le tube doit être placé verticalement.
La hauteur du flotteur dans le tube est proportionnelle au débit.
Le rotamètre doit être étalonné pour un fluide donné, car la mesure est influencée par la masse volumique du fluide de la manière suivante:
^F₁/_F2 = (^{(ρ₂ (ρ₁ - ρ_f))} / _{(ρ1 (ρ2 - ρf))})^0,5
avec:
F₁: débit volumique du fluide 1
F₂: débit volumique du fluide 2
ρ_f: masse volumique du flotteur
ρ₁: masse volumique du fluide 1
ρ₂: masse volumique du fluide 2

Le tube du rotamètre peut être directement gradué en unité de débit. Il peut aussi être gradué sans unité et livré avec des tables de correspondance pour différents fluides. Le débitmètre peut ainsi être utilisé sur plusieurs fluides.

Principaux avantages:

Simple et économique.
Utilisable aussi bien pour les gaz que pour les liquides.

Limites

Puisque la mesure est affectée par la masse volumique du fluide, elle sera affectée par les variations de température et de pression des gaz.
La mesure est également affectée par les variations de viscosité des liquides.
Doit être impérativement en position verticale

Organes déprimogènes

Principe:

 Le fluide s'écoule au travers d'un élément à section de passage réduite. Le fluide est donc accéléré et par application du principe de Bernoulli, sa pression statique se trouve diminuée.
La pression différentielle mesurée de part et d'autre de cet élément est:
- proportionnelle au carré du débit masse
- inversement proportionnelle à la masse volumique du fluide (tant que l'écoulement est subsonique pour les gaz).

Principaux organes déprimogènes

Type d'organe	Principales caractéristiques
Plaque à orifice	+ Peu coûteux + Facile à installer + Sans élément mobile + Normalisé (ISO 5167-2) + Sans étalonnage - Plage de mesure étroite (4:1) - Perte de charge résiduelle élevée (40 à 90% de la ΔP de mesure) - Sensible à l'érosion - Contraintes d'installation (longueurs droites ou stabilisateur)
Tuyère	+ Sans élément mobile + Normalisé (ISO 5167-3) + Sans étalonnage + Moins sensible à l'érosion qu'une plaque à orifice + La perte de charge peut être réduite par un divergent en sortie - Plus coûteux qu'une plaque à orifice - Plage de mesure étroite (4:1)
Venturi	+ Sans élément mobile + Normalisé (ISO 5167-4) + Sans étalonnage + Moins sensible à l'érosion et aux conditions d'installation qu'une plaque à orifice + Perte de charge résiduelle de 10% de la ΔP de mesure - Plus coûteux qu'une plaque à orifice - Plage de mesure étroite
Cone	+ Compatible avec un gaz humide + Peu de contrainte d'installation (longueurs droites: 3D en amont, 1D en aval) + Grande plage de mesure (10:1) + Utilisable sur de fortes sections (3000mm) + Normalisé pour diamètres de tuyauteries <500mm (ISO 5167-5) - Non normalisé pour diamètres >500mm

Principaux avantages:

• simple
• économique
• absence d'étalonnage

La relation entre le débit et dépression mesurée est parfaitement modélisable connaissant la géométrie des équipements. Il est donc inutile de procéder à un étalonnage de ces débitmètres. Ceci est particulièrement apprécié pour les applications à grande capacité pour lesquels un étalonnage serait difficile et coûteux.

Limitations:

• dynamique faible: débits maxi/mini = 4
• soumis à des contraintes d'installation pour conserver une précision satisfaisante
• précision moyenne: 1 à 2%
• perte de charge résiduelle importante des plaques à orifice (environ 40% à 90% de la différence de pression mesurée)

Principales applications:

- mesures pour la conduite de procédés sur des gaz ou liquides

Normes applicables:

NFX 10-102, 104, 105;  NF ISO 5167

Tuyère sonique

Principe:

La mesure du débit d'un gaz au travers d'une tuyère sonique utilise le phénomène d'écoulement en régime critique d'un gaz au travers d'un orifice:
Quand la différence de pression amont/aval augmente le gaz accélère jusqu'à une vitesse dite critique dans la restriction. Cette vitesse critique, est le maximum possible et ne dépend que de la nature de gaz. Dans ce régime d'écoulement, le débit traversant l'orifice ne dépend plus que des conditions du gaz en amont de la restriction. Connaissant précisément la section de passage, le débit peut être facilement déduit de la mesure de la seule pression du gaz en amont du dispositif.

Principaux avantages:

L'absence d'élément mécanique mobile rend cette technique fiable et robuste. Le débit de gaz étant obtenu à partir de grandeurs physiques fondamentales (dimensions de la restriction, pression et température du gaz), aucun étalonnage n'est nécessaire.
La précision est de 0,5%.

Principales applications:

L'absence d'étalonnage en fait en fait un débitmètre de choix pour l'étalonnage des autres types de débitmètres.

Normes applicables:

L'ISO 9300:2005 spécifie la géométrie et le mode d'emploi (installation dans un circuit et conditions opératoires) de Venturi-tuyères en régime critique (CFVN) utilisés pour déterminer le débit massique de gaz traversant le circuit. Elle donne également les informations nécessaires au calcul du débit et de l'incertitude associée. Elle s'applique aux Venturi-tuyères au sein desquels l'écoulement gazeux est accéléré jusqu'à atteindre la vitesse critique au col (la vitesse d'un écoulement critique est égale à la vitesse locale du son), et uniquement lorsqu'il existe un écoulement stationnaire monophasique de gaz.

Effet Coriolis

Principe:

Nommé ainsi parce qu'exploitant un principe découvert au 19ème siècle par Gustave Gaspard Coriolis:
L'accélération de tout corps se déplaçant à vitesse constante par rapport à la surface de la terre, est déviée vers la droite dans l'hémisphère nord et vers la gauche dans l'hémisphère sud.
Le fluide s'écoule dans un tube en U soumis à une vibration. L'amplitude et la fréquence de ces vibrations varient d'un constructeur à l'autre mais sont de l'ordre de 3mm et 75 - 100 Hz.
Sous l'effet du débit, le tube subit une déformation détectée par des capteurs de position.
Le signal détecté est proportionnel au débit massique.
Permet aussi de mesurer la masse volumique du fluide.

La précision est bonne:
- 0,15% sur le débit
- 5E^-4 g/cm3 sur la masse volumique

Limitations:

Aujourd'hui cette technique n'est pas autorisée pour des comptages commerciaux.

Déversoirs

Principe:

Un liquide dont la surface est libre, s'écoule au travers d'un orifice calibré, totalement ouvert dans sa partie supérieure.

Les conditions d'écoulement considérées ne dépendent que de la hauteur de charge amont; il faut donc qu'il existe un écoulement tranquille (régime fluvial) en amont du canal jaugeur, puis que l'écoulement s'accélère en passant par la contraction et atteigne sa profondeur critique et enfin que le niveau d'eau au delà de la structure soit assez bas pour ne pas influer sur les caractéristiques de celle-ci.

Le niveau de liquide qui s'établi en amont du déversoir est représentatif du débit volumique.
Si le déversoir est rectangulaire, le débit est proportionnel à la hauteur élevée à la puissance 1,5.
Si le déversoir est triangulaire, le débit est proportionnel à la hauteur élevée à la puissance 2,5.

Principales applications:

- mesure de débit dans les canaux et égouts à ciel ouvert.

Normes applicables:

NF X10-311 spécifie des méthodes de mesure de débit de l'eau dans les canaux découverts au moyen de déversoirs rectangulaires et triangulaires en mince paroi. Seuls les écoulements permanents à déversements libres ou complètement aérés sont pris en considération. Les coefficients de débit qui sont recommandés ne sont applicables qu'à l'eau dans la gamme approximative de 5 à 30 °C. L'emploi des coefficients pour des températures de l'eau de plusieurs degrés en dehors de cette gamme entraînera des erreurs négligeables, sauf dans le cas de très petites hauteurs. Les limites d'applicabilité en fonction de la géométrie du déversoir et de l'écoulement sont spécifiées pour chacune des formules recommandées.

NF ISO 1070 prescrit une méthode permettant de déterminer le débit des liquides dans les canaux découverts à partir d'observations de la pente de la ligne d'eau et de l'aire de la section mouillée du chenal. La méthode de la pente de la ligne d'eau peut être utilisée avec une exactitude acceptable dans les canaux découverts dont les berges et le lit sont stables (formés, par exemple, par des rochers ou de l'argile cohésive) ou pourvus d'un revêtement, et dans les canaux découverts dont le lit est en matériaux assez grossiers.

NF ISO 4359 traite de la mesure de débit dans les rivières et canaux artificiels à régime permanent ou à variation lente, au moyen de certains types de canaux jaugeurs à ressaut. Trois types de canaux jaugeurs couvrant une grande gamme d'utilisations sont recommandés, à savoir : a) les canaux jaugeurs à col rectangulaire; b) les canaux jaugeurs à col trapézoïdal; c) les canaux jaugeurs à col en U, c'est-à-dire à fond arrondi.

Catharomètre

Principe

Un catharomètre est un détecteur de gaz réagissant à la conductibilité thermique ou au débit d'un gaz.
Il est constitué d'un filament enfermé dans une enceinte à température constante, et parcourue par un débit de gaz.
Le filament est parcouru par un courant électrique de 300mA environ, de façon à produire un échauffement, à la manière du filament d'une ampoule électrique. Sa résistance électrique que l'on mesure dépendra de sa température.
La température, et donc la résistance qu'atteint le filament dépend de l'intensité électrique, de la température de l'enceinte, du débit et de la conductibilité thermique du gaz de balayage.
Si l'intensité électrique, la température de l'enceinte et le débit de gaz sont parfaitement maîtrisés, la résistance du filament dépend seulement de la conductibilité thermique du gaz et donc de sa composition. Mais pour un gaz de composition constante, il réagira à une variation de débit.

Principales applications:

Mesure de faibles débits de gaz pour des applications de laboratoire.

Débitmètre massique

Cette technologie est exclusivement réservée à la mesure sur les gaz et reprend en partie la technologie du catharomètre.
Le gaz entrant dans le débitmètre est divisé en deux flux. La plus grande partie du gaz est conduite vers un by-pass. Seule la plus faible portion est conduite vers la chambre de mesure.
Le gaz passe successivement à proximité de deux filaments parcourus par un courant électrique. Il contribue à refroidir le premier et à échauffer le second. La différence de résistance qui en résulte est mesurée. Elle est proportionnelle au débit massique du gaz.

Avantages:

Totalement insensible aux variations de température et de pression du gaz à mesurer.

Par perte de poids

Ce n'est pas à proprement parler une technologie de mesure de débit, mais le calcul de la vitesse de perte de poids d'un réservoir est une méthode simple et précise pour déterminer le débit de vidange.

Tableau de synthèse

Technologie	Précision	Etendue de mesure	Type de fluide	Diamètre de tuyauterie	Conditions opératoires
Pression différentielle	0,5 - 1,5% de la mesure	4:1	L, G, S	0,5 - 40"	600 bars, -20 à 1000°C
Electro-magnétique	0,2 - 2% de la mesure	10:1	L	0,15 - 60"	350 bars, -40 à 180°C
Turbine	0,15 - 1% de la mesure	10:1	L, G	0,5 - 30"	400 bars, -250 à 300°C
Ultrason (Effet Doppler)	1 - 30% de la mesure (dépend de la qualité des particules ou bulles en suspension)	50:1	L, G, S	0,5 - 200"	400 bars, -40 à 120°C
Ultrason (Temps de transit)	0,5 - 5% de la mesure	jusqu'à zéro	L, G	1 - 540"	400 bars, -40 à 350°C
Vortex	0,5 - 2% de la mesure	20:1	L, G, S	0,5 - 16"	100 bars, -200 à 400°C
Déplacement	0,15 - 1% de la mesure	10:1	L	0,25 - 16"	150 bars, -40 à 300°C
Coriolis	0,1 - 0,3% de la mesure	10 à 80:1	L, G	0,06 - 12"	150 bars, -250 à 400°C
Catharomètre (pour les gaz)	1% de l'échelle de mesure	50:1	G	0,125 - 8"	300 bars, 0 à 300°C
Catharomètre (pour les liquides)	0,5% de l'échelle de mesure	50:1	L	0,06 - 0,25	300 bars, 4 à 70°C