Principe de mesure du débit thermique

En tant que classe distincte de débitmètres, les appareils massiques thermiques peuvent être divisés en deux types principaux :

Le principe de « dispersion thermique » (ou de l'anémométrie) (fig. 1) :
Un élément chauffé est exposé au débit. Le taux de refroidissement est une mesure de la vitesse massique locale spécifique et donc du débit.

Le principe « calorimétrique » (fig. 2) :
La chaleur est appliquée à une zone limitée dans le débit. L'augmentation de température locale et l'énergie ajoutée sont utilisées pour calculer le débit massique.

Les deux types sont disponibles sur le marché. La haute sensibilité de certaines conceptions a conduit à leur utilisation étendue dans les applications de recherche. Cette sensibilité signifie également que la valeur mesurée peut être affectée par les propriétés du fluide, telles que la conductivité thermique et la capacité thermique spécifique, ou par la composition du gaz (dans le cas des mélanges) et les conditions d'installation.

Le principe thermique est largement utilisé dans diverses applications grâce à ses capacités de mesure précise du débit massique.

Les débitmètres de type dispersion thermique peuvent fonctionner selon l'une des méthodes suivantes : 1) tension constante et 2) température différentielle constante.

Avec la méthode de tension constante, le système électronique maintient un courant électrique constant à travers le « capteur de vitesse » (élément de détection chauffé, généralement sous la forme d'une thermorésistance. La température du produit est mesurée à l'aide d'une thermorésistance séparée. Des changements de débit entraînent un changement du différentiel de température (différence de température mesurée entre le capteur de vitesse et le capteur de température du fluide).

Avec la méthode de température différentielle constante, le système électronique maintient une différence de température constante entre le capteur de vitesse et le capteur de température du fluide. Lorsque le débit change, la tension fournie au capteur de vitesse chauffé doit être ajustée pour maintenir la différence de température constante. Quelle que soit la méthode utilisée, les variations mesurées (en tension ou en température différentielle) sont directement proportionnelles aux variations du débit. Pour les deux modèles, la relation entre le débit et le transfert de chaleur du capteur de vitesse sont décrites par l'équation de King (ou une dérivation) :

La forme de cette équation montre la sensibilité aux propriétés du fluide et l'importance du second terme lorsque le débit augmente. L'équation est non linéaire, mais heureusement la linéarisation est facile à appliquer par les techniques de traitement du signal numérique. Certains modèles utilisent un fil chauffé unique (les anémomètres sont le type le plus courant) alors que d'autres utilisent deux thermistances en mode de référence et de détection. La figure 1 montre les embouts d'une sonde thermique. Le fluide circule le long du capteur de fluide (a), de l'élément non chauffé et du capteur de vitesse (b), l'élément chauffé, pour mesurer le taux du flux de chaleur.

La figure 2 illustre le principe de mesure « calorimétrique », tel qu'on le trouve dans plusieurs modèles du commerce de débitmètres thermiques. La chaleur est générée à l'intérieur du débitmètre et appliquée au débit. Deux capteurs sont positionnés pour mesurer la variation de température entre différents points. Parfois, deux radiateurs et trois capteurs de température sont utilisés pour donner une image plus complète du profil thermique. En l'absence de débit, tous les capteurs de température indiquent la même température.

En présence d'un débit, les capteurs sont chauffés ou refroidis l'un par rapport à l'autre et une différence de température ∆T apparaît, directement liée au débit. Ces types de détecteurs sont caractérisés par l'équation :

L'application de la chaleur (H) à un débit nul crée un profil thermique non faussé (a) qui se déplace vers la droite en présence d'un débit (b).

L'équation ci-dessus est moins dépendante des propriétés du fluide, bien que la constante « A » englobe la conductivité ainsi que la viscosité.

Pour les deux méthodes de mesure (« dispersion thermique » et « dispersion calorimétrique »), des versions avec capteurs uniques ou multiples ont été développées, pour les conduites à passage intégral ou by-pass. Cela permet de couvrir une très large gamme de débit, du faible débit de gaz propres dans le secteur médical aux grands volumes de gaz de torche dans les cheminées.

Dans le commerce, les deux principes décrits précédemment sont appliqués aux capteurs installés dans la ligne principale et à ceux installés dans le circuit de contournement. Il existe des similitudes considérables entre les deux principes de fonctionnement et les deux modèles commerciaux de base, notamment lorsque les débits et les dimensions des conduites sont pris en compte. Les autres facteurs susceptibles d'influencer le choix final de la conception dépendent essentiellement de l'application et de la nature du fluide mesuré.

Le type le plus simple de débitmètre à dispersion thermique est l'anémomètre à fil chaud. Le capteur de vitesse est un fil fin à base de tungstène, platine ou nickel. Les deux types, à tension constante et à température différentielle constante, sont trouvés dans le commerce. Le fil présente un diamètre de 0,02 mm (généralement) et monté entre supports. Sa petite taille permet une perturbation minimale du débit, de sorte que la sensibilité et les performances sont maintenues. Les capteurs peuvent être uniques ou multiples et montés dans n'importe quelle position (fig. 3). Les conceptions plus complexes sont fréquemment utilisées dans les applications de recherche.

Les types bypass (plus connus sous le nom de CTMF = Débitmètres massiques thermiques capillaires) sont en fait un sous-type de la branche calorimétrique des débitmètres. Souvent, combinés à un bypass capillaire, ils font appel à un élément à flux laminaire. Le tube capillaire est relié à l'entrée et à la sortie de l'élément à débit massique laminaire, de sorte qu'une petite quantité du débit principal est détournée et prélevée (fig. 4). Le design garantit un ratio fixe du débit total du gaz s'écoulant par le capillaire pour la mesure. Le radiateur et les capteurs de température sont généralement placés sur le tube capillaire plutôt que dans la conduite principale. Il existe cependant des modèles sans les éléments capillaire et à flux laminaire, où les capteurs sont situés directement sur la conduite principale. Il peut y avoir un ou deux radiateurs et jusqu'à trois capteurs de température disposés de différentes façons le long du capillaire.

En général, le compteur CTMF est fourni avec des raccords filetés à vis, mais des raccords à bride peuvent également être fournis. Ce design de débitmètre est souvent combiné à un contrôleur de la mesure de débit massique en aval du capteur. Cette configuration est appelée régulateur de débit massique (MFC). Généralement, l'interface électronique est située dans la même unité que le circuit de bypass.

Pour les conduites plus larges, les débitmètres à insertion sont couramment utilisés. Toutefois, certains modèles peuvent être utilisés pour les diamètres de conduite inférieurs à DN 50/2". Les capteurs sont positionnés à la fin d'une sonde qui est insérée dans le flux gazeux. Le débit massique total est déterminé à partir du débit ponctuel mesuré, de la section transversale et de la compensation de température pour le profil d'écoulement.

Un certain niveau de protection physique des capteurs est généralement inclus. Plusieurs dispositifs de montage sont disponibles, notamment des raccords à bride, raccords à compression et des raccords hygiéniques. L'emplacement des capteurs dans la section transversale de la conduite est crucial pour une performance optimale. Si l'installation recommandée par le constructeur ne peut pas être réalisée, une correction sera nécessaire.

Avec certains débitmètres à insertion, il est possible d'ajuster l'emplacement du capteur dans la conduite afin d'obtenir facilement la position de mesure optimale. L'installation du débitmètre à insertion dans une conduite existante est généralement réalisée via un adaptateur soudé à la surface extérieure de la conduite. Le débitmètre à insertion est installé dans la conduite via cet adaptateur. Le raccordement de l'adaptateur doit correspondre à celui de la sonde à insertion.

Dans certaines applications, plusieurs modèles à insertion sont employés. Une utilisation courante est par exemple la surveillance des gaz de torche ou des gaz de process pollués. Certains modèles peuvent ressembler à des tubes de Pitot multi-ports, avec des sondes thermiques remplaçant les ports de pression. Ces conceptions robustes nécessiteront un retrait et un nettoyage périodiques, mais ils se sont avérés être des méthodes valides pour ces applications difficiles.

Les débitmètres massiques thermiques en ligne (ITMF) comprennent trois éléments : le corps, l'élément sensible et l'électronique, qui peuvent être éloignés du capteur primaire. Comme pour la plupart des instruments modernes, le conditionnement du signal permet de nombreuses sorties de débit et d'alarme dans n'importe quel format désiré. Le corps est disponible avec un grand nombre de raccords process adaptés à diverses applications (ANSI, DIN, filetages NPT ou hygiénique). Le schéma de la figure 5 illustre la disposition d'un débitmètre en ligne et d'un débitmètre à insertion.

La catégorie des débitmètres massiques thermiques présentent de bonnes propriétés générales, avec des avantages et des inconvénients. La plage de performance pour ces appareils s'étend de manière générale de ±1 % de m. à ±3 % de m. ±0,3 % de pl. éch. La rangeabilité est généralement 100:1 et plus. La répétabilité est généralement située autour de ±0,5 % de m. ou mieux. Les conceptions sont disponibles pour les débits de 2 à 10 000 kg/h (4,4 à 22 000 lb/h) et plus.