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Bien mesurer le débit et interpréter les données de mesure

Avec la section de l’entreprise Pewatron, le groupe Angst+Pfister offre un large portefeuille de produits dans les domaines des capteurs et des solutions d’alimentation. Par exemple, dans la mesure du débit, des solutions de capteurs correspondant aux besoins du client peuvent être réalisées pour quasiment toutes les tâches de mesure (gaz, liquide). Cela est possible grâce aux différentes technologies (thermique, pression, ultrasons, directe).

 

Une tâche de mesure fréquente en médecine ou dans l’industrie est la mesure du débit volumétrique ou massique. Dans ces cas, l’application et l’interprétation des données de mesure jouent un rôle important.

Comme souvent dans le domaine technique et dans la vie quotidienne, une tâche peut être effectuée de différentes manières. L’exemple de la mesure du débit montre à quel point il est important d’adopter l’approche pertinente dès le début. Pour mesurer le débit, deux méthodes parmi les plus répandues s’offrent à vous: la mesure via une pression différentielle et la mesure du flux selon le principe thermique. D’autres méthodes sont également justifiées mais ne sont employées que dans des cas très spécifiques, qui ont un caractère de «niche». Le présent article se concentre surtout sur les fluides gazeux. De nombreux aspects s’appliquent également aux liquides, mais d’autres points doivent être pris en compte séparément.

Il convient tout d’abord de considérer la différence entre le débit volumétrique et le débit massique. En utilisant le débit massique, on mesure le nombre de molécules; pour le débit volumétrique, on mesure l’espace occupé par les molécules. Les gaz sont compressibles; un débit volumétrique peut ainsi présenter un changement important en cas de variations de la température ou de la pression. L’équation thermique d’état des gaz idéaux (pV = nRT) décrit ce rapport. Cela est bien illustré par un exemple avec deux pistons.

 

Pourquoi le débit massique est le plus précis

Pour obtenir une information sur le débit massique, la mesure directe du débit massique est fondamentalement l’option la plus précise. Dans les autres méthodes, le débit est établi par déduction à partir de la pression différentielle, du débit volumétrique ou de la vitesse de débit. Ces méthodes sont toutefois dépendantes de la pression et de la température et doivent être corrigées en conséquence. Quand la valeur à mesurer est le débit massique, une mesure directe est donc généralement plus précise. Cette mesure directe est réalisée via le principe thermique. Qu’estce précisément le principe thermique? En termes simplifiés, c’est le transport de l’énergie qui est mesuré. Soit l’énergie produite via le chauffage et évacuée via le flux. Il est aisément compréhensible ici que, pour le transport de l’énergie, le facteur décisif n’est pas le volume, mais bien le nombre de molécules.

Ces rapports révèlent clairement qu’un débit massique devrait être exprimé en unités de poids telles que mg/s ou g/h. Dans la pratique, des unités de volume sont cependant souvent utilisées. Ce n’est pas faux, tant que la pression et la température sont également indiquées. On relève deux conditions prévues à cette fin. Une pression de 1013 mbars et une température de 0°C ont été définies comme constituant une condition normale. Cette unité de volume est caractérisée par la lettre n placée en bas: ln/min. Une deuxième définition largement répandue pour la conversion de masse en volume est la condition standard. Cette dernière est placée à 20°C au lieu de 0°C et est représentée avec un s au lieu du n: ls/min. Ces indications de température et de pression sont absolument obligatoires. Si la différence ln/min et ls/min n’est pas prise en compte, cela entraîne une erreur d’environ 7%. Si les conditions de pression diffèrent également de 1013 mbars, la valeur de mesure peut présenter un écart encore plus important par rapport à la réalité. Les dispositifs de mesure volumétriques tels que les compteurs à palettes, les débitmètres à turbine ou à flotteur ne reconnaissent pas les changements de température ou de pression. Pour une mesure du débit massique, il conviendrait d’utiliser des capteurs supplémentaires pour les valeurs et une unité de calcul permettant de calculer le véritable débit massique à partir de toutes les données de mesure brutes. Cependant, on renonce à cela ou on utilise les principes de mesure quand une valeur de mesure approximative suffit ou quand un haut niveau de précision n’est pas nécessaire ou quand la valeur importante est le débit volumétrique. C’est l’application qui détermine s’il convient de mesurer le débit volumétrique ou le débit massique. Souvent, cela est déterminé par l’historique ou par le secteur d’activité. Si les achats et les ventes sont effectués au volume, les mesures volumétriques sont préférées. Si le facteur déterminant pour le prix est le poids, comme pour l’essence, c’est le débit massique qui est par conséquent mesuré.

 

La mesure de la pression différentielle via un orifice de mesure.

 

A propos des conditions ambiantes spécifiques à l’application

A part la valeur à mesurer, qui dépend également de l’application, les conditions ambiantes doivent aussi être prises en compte dans le choix du capteur ou du principe de mesure à employer. Un bon exemple est un régulateur de débit volumétrique pour les ventilations CVC. Dans ce cas, il convient de tenir compte de deux contraintes: l’encrassement et la dérive d’offset sur le long terme. Il est évident qu’avec le temps une certaine quantité de poussière s’accumule dans les ventilations des appartements et des centres commerciaux. Si l’on compare un capteur de pression différentielle MEMS avec un capteur de flux thermique, la poussière a un effet complètement différent sur les deux principes de mesure. Typiquement, une pression différentielle est produite au moyen d’un orifice de mesure qui change en fonction du flux. La différence de pression est mesurée à l’aide d’un capteur de basse pression MEMS. Ce sont généralement quelques mbars. Dans ce cas de figure, la poussière ne pose pas de problème fondamental. Du fait de la membrane, il n’y a pas de connexion entre les deux points de mesure. Il n’y a pas de débit à travers le capteur, c’est-à-dire que le capteur de pression ne peut pas être obstrué par de la poussière. La situation est toute autre dans le cas des capteurs de flux thermiques. Ces derniers peuvent également être configurés comme capteurs de pression différentielle et être utilisés dans la même structure. Cependant, ils présentent un inconvénient: un léger flux doit tou-jours passer à travers le capteur. Si le capteur est obstrué par de la poussière ou de la saleté, le flux est interrompu ou le capteur est défectueux. A part les inconvénients mentionnés, les capteurs de flux thermiques présentent divers avantages. En raison du principe, l’offset ne présente quasiment pas de dérive au fil des ans. Ainsi, aucun ajustement d’offset n’est requis dans l’application. Pour des raisons physiques, les capteurs de pression présentent une dérive d’offset, surtout les capteurs de basse pression; certains dépendent même de la situation. Dans un design incluant un capteur de pression, un ajustement d’offset est toujours recommandé lors de la production ou la mise en service et, selon les possibilités, tout au long de la durée de vie. S’il existe un état connu, défini dans l’exploitation, il convient de l’utiliser pour corriger l’offset via un logiciel. Si l’application le permet, le capteur de pression est généralement la meilleure solution, car il est plus précis et plus économique. Si un ajustement n’est pas possible, la dérive d’offset doit être prise en compte dans les calculs de précision.

 

 

Comparer différents principes de mesure

Comme pour toute tâche de mesure, il convient de comparer les différents principes de mesure envisageables ainsi que leurs avantages et inconvénients respectifs. Selon l’application, différents concepts peuvent être employés. Souvent, le prix est également un facteur décisif, de sorte que ce n’est pas toujours la meilleure solution en termes techniques mais plutôt la plus prometteuse sur le plan commercial qui sera utilisée. Il est important de tenir compte de ces aspects et conditions le plus tôt possible dans le développement et pendant la phase de conception. Nous proposons également des approches et solutions semblables dans le domaine des mesures de débit de liquides. Dans de nombreux cas, cela suppose l’emploi de notre technologie ultrasons, que nous vous présentons volontiers personnellement.

 

Une représentation du principe des capteurs de pression MEMS.

 

 

Vers Pewatron

 



published: 30 juil. 2020 à 16:07:00  by: Angst+Pfister Group