Choisir le débitmètre massique adapté à votre application

Les traitements industriels et chimiques allant de la polymérisation au brassage requièrent un dosage ultra précis des liquides ou des gaz. Le débit peut être mesuré en termes de masse ou de volume par unité de temps et, en fonction de votre application, vous devrez opter pour l'un ou pour l'autre. La plupart du temps, la mesure du débit volumique suffit et ce, tout particulièrement si la température et la pression sont connues et sont stables. Cependant, du fait que la mesure du débit massique indique directement la quantité de molécules présentes, elle offre l'avantage de ne pas pouvoir être affectée par les variations de densité.

La plupart des ingénieurs connaissent différentes façons de mesurer un débit volumique. Au contraire, la mesure du débit massique est moins connue et comprise. Ce livre blanc signé OMEGA Engineering explique comment le débit massique peut être mesuré directement (par exemple, à travers les pertes de chaleur) et indirectement (à travers la chute de pression) et souligne les caractéristiques principales de certains des débitmètres massiques disponibles dans le commerce. Le document est divisé en plusieurs sections portant sur :

Les types de débitmètres les plus largement utilisés sont à pression différentielle, massique thermique et à effet Coriolis.

Débitmètre à pression différentielle
Une obstruction, par exemple par un disque muni d'un trou de diamètre connu, est introduite dans une région de l'écoulement laminaire et la pression du fluide est mesurée de chaque côté. La pression sera plus élevée sur le côté en amont, avec une différence des valeurs lues proportionnelle à la distance entre les deux points de lecture, au débit volumique, à la viscosité et au diamètre du tube, tel que défini dans la loi de Poiseuille. Des corrections sont ensuite effectuées en fonction de la température et de la pression afin de produire un débit massique normalisé.

Débitmètre massique thermique
Ce type d'appareil peut utiliser deux types de techniques : un tube d'échantillonnage chauffé ou une sonde. Ces deux techniques déterminent la masse en fonction de la capacité thermique spécifique du fluide (évitant ainsi les variations de densité) et, par conséquent, cette propriété doit être connue. Les débitmètres massiques thermiques sont l'idéal pour mesurer les faibles débits de gaz.

Dans un débitmètre massique à tube d'échantillonnage chauffé, une partie ou l'intégralité de l'écoulement passe à travers un tube haute précision. Ce tube est chauffé et le changement de température est ensuite mesuré. La différence de température entre les deux points indique la quantité d'énergie absorbée par le fluide, ce qui dépend de la masse se déplaçant dans le tube.

Les débitmètres massiques avec sonde fonctionnent selon le même principe, à la différence que deux sondes RTD sont placées dans l'écoulement. Le capteur en amont mesure la température du fluide tandis que le second capteur est chauffé à une température supérieure à celle du premier capteur. La chaleur est transférée du deuxième capteur au fluide à un taux correspondant au débit massique.

Le débitmètre massique à effet Coriolis
Les débitmètres massiques à effet Coriolis mesurent la masse à travers l'inertie. Un liquide ou un gaz dense passe à travers un tube qu'un petit actionneur fait vibrer. Cette accélération produit sur le tube une force turbulente proportionnelle à la masse. Le débit massique est indiqué sans besoin de connaître le type de fluide circulant à l'intérieur. Certains débitmètres à effet Coriolis plus sophistiqués emploient des tubes à double courbe pour une meilleure sensibilité et une chute de pression moindre.

Les facteurs qui affectent la précision d'un débitmètre massique à pression différentielle sont au nombre de trois. Premièrement, la mesure est influencée par la température et la pression. Par conséquent, toute erreur dans ces valeurs se répercute sur le résultat final. Deuxièmement, il faut tenir compte de la viscosité et du degré auquel l’écoulement laminaire est atteint (les turbulences affectent le débit à travers l'obstruction et faussent les mesures de la pression). Enfin, et il s'agit probablement du facteur le plus important, l'orifice peut s'user, s'élargissant au fil du temps et réduisant par conséquent la chute de pression. En fonction du fluide circulant à l'intérieur, il existe également un risque de blocage.

En cas d'usage de débitmètres massiques thermiques, il est essentiel de considérer la possible influence des facteurs suivants :

De plus, les débitmètres massiques thermiques ont besoin de temps afin d'atteindre une température stable de fonctionnement. Les mesures ne doivent pas être prises directement à la mise en route de l'appareil.

Bien qu'ils soient considérés comme la technique la plus précise, les débitmètres massiques à effet Coriolis peuvent générer des erreurs à cause de la présence de bulles dans le liquide. En effet, celles-ci créent des « éclaboussures » dans le tube, ce qui génère du bruit et change l'énergie nécessaire à la vibration du tube. De grandes cavités augmentent excessivement l'énergie nécessaire à la vibration du tube, ce qui entraîne un échec de la procédure. De plus, la séparation du fluide en gaz et liquide produit un effet d'amortissement sur la vibration du tube.

Les débitmètres massiques à pression différentielle sont utilisés lorsqu'une viscosité uniforme du fluide est assurée et, idéalement, lorsque la température ne change pas. La compressibilité des gaz peut être problématique, mais les applications de manipulation et de distribution du liquide se prêtent bien à l'utilisation de ce type de débitmètre en général. Il faut tenir compte de la chute de pression dans le débitmètre. Ces débitmètres sont utiles lorsque la mesure doit être prise dès que l'appareil est mis en marche.

Les débitmètres massiques thermiques fonctionnent aussi bien avec les liquides qu'avec les gaz. Ils sont largement utilisés dans les secteurs suivants :

Les débitmètres massiques thermiques sont également utilisés dans des applications classiques, dont les analyses en laboratoire, par exemple dans la chromatographie en phase gazeuse.

Du fait qu'ils offrent la technique la plus précise, mais aussi la plus onéreuse, les débitmètres massiques à effet Coriolis sont les plus utilisés dans les applications scientifiques nécessitant de mesurer aussi bien les gaz et liquides corrosifs que propres. Ils sont également présents dans les secteurs suivants :

Les débitmètres avec tube droit étant les plus faciles à nettoyer, ils sont les plus utilisés dans l'industrie alimentaire et des boissons, ainsi que dans le secteur pharmaceutique. Ils savent gérer également les lisiers issus des travaux miniers.

Les débitmètres OMEGA® de la série FMA6600/6700 sont des appareils de mesure du débit massique multiparamètres capables de mesurer le débit, la température et la pression. Conçus pour les gaz, ces débitmètres massiques font appel au principe du tube d'échantillonnage chauffé. Ils prennent en charge des débits de gaz allant de 0,15 à 100 l/min et ont un degré de précision de ±1 % et ±11⁄2 pleine échelle.

La famille de débitmètres massiques thermiques FMA3100/3300ST en acier inoxydable est conçue également pour travailler avec des gaz secs et propres. Reposant sur le principe du tube d'échantillonnage chauffé, ces appareils prennent en charge des débits allant de 0,4 à 20 cm3/min et jusqu'à 10 à 500 l/min, avec une sensibilité à la température de ±0,15 % et une répétabilité de ±0,25 %, pleine échelle.

Dans les situations où un débitmètre massique à pression différentielle s'avère le plus approprié, le FMA-1600A offre une plage de mesure de 0 à 0,5 cm3/min et jusqu'à 0 à 3 000 l/min. Il est caractérisé par plus de 30 étalonnages de gaz et affiche la température, la pression et les débits volumique et massique simultanément. Le degré de précision classique de la série FMA-1600A est de ±(0,8 % de la lecture + 0,2 % pleine échelle).

Les débits massiques sont mesurables indirectement par le biais de la pression différentielle ou directement avec un débitmètre utilisant la capacité thermique spécifique ou l'effet Coriolis.

Les débitmètres massiques à effet Coriolis sont les plus précis pour la plupart des liquides, mais ils sont aussi les plus chers. Ils offrent l'avantage de ne pas avoir besoin de connaître le fluide acheminé.

Les débitmètres massiques thermiques sont moins précis, mais ils représentent toujours une méthode de mesure directe. Ils nécessitent cependant de connaître la capacité thermique spécifique du fluide.

Les débitmètres massiques à pression différentielle permettent une mesure indirecte (dérivée de la loi de Poiseuille), qui doit être ajustée en fonction de la température et de la pression du fluide. Cette méthode est très utile lorsque le fluide n'est pas compressible.