Principe de mesure de débit électromagnétique

Les débitmètres électromagnétiques, également connus sous le nom de débitmètres magnétiques, existent depuis 1939. Le prêtre et inventeur suisse, Père Bonaventura Thürlemann (1909 – 1997), a été le pionnier de l'utilisation industrielle de ce principe de mesure.

Le phénomène physique sur lequel repose la technique est cependant connu depuis bien plus longtemps. Le physicien anglais Michael Faraday (1791 – 1867) a réalisé que des charges électriques sont induites dans une tige métallique conductrice de longueur (L) déplacée à une vitesse (v) à travers un champ magnétique (B) et, par conséquent, une tension (U_e) de quelques millivolts est générée entre les extrémités de la tige. Faraday a également découvert que l'amplitude de la tension induite de cette manière est directement proportionnelle à la vitesse (v) du mouvement et à la force (B) du champ magnétique :

Dans un débitmètre électromagnétique (fig. 1), le fluide conducteur circulant à l’intérieur du tube de mesure correspond à la tige métallique de l’expérience de Faraday. Le champ magnétique d'intensité constante est généré par deux bobines de champ, une de chaque côté du tube de mesure. Deux électrodes sur la paroi intérieure du tuyau détectent la tension générée lorsque le fluide traverse ce champ. Le tube de mesure est isolé électriquement du fluide et de l'électrode par un revêtement non conducteur (par ex. polyuréthane, caoutchouc dur, PTFE, polyamide PFA, etc.). Étant donné un champ magnétique d'intensité constante (B), l'équation U_e = B ⋅ L ⋅ v montre que la tension de mesure induite (U_e) est directement proportionnelle à la vitesse d'écoulement (v). La section transversale du tuyau (A) est connue, donc le débit volumétrique (Q_V) est facile à calculer :

Le principal avantage de ce principe de mesure est qu'il est insensible à la pression, à la température et à la viscosité. Le profil d'écoulement a un effet minimal sur les résultats de mesure. Ce sont des propriétés qui rendent les débitmètres électromagnétiques extrêmement attractifs pour une très large gamme d'applications de mesure industrielles.

Tube de mesure (a) :
en termes physiques, il est important que le tube de mesure n'obstrue ni ne déforme le champ magnétique, c'est pourquoi il est fabriqué en acier inoxydable.

Revêtement (b) :
le revêtement est l'isolant nécessaire entre les électrodes et le tube de mesure, empêchant la tension induite de se décharger dans le tuyau. La résistance physique et chimique au fluide sont également des propriétés importantes pour le revêtement. Le polyuréthane, le caoutchouc dur et le PFA/PTFE sont parmi les matériaux les plus couramment utilisés.

Système de bobine (c) :
le champ magnétique est généré par deux bobines en fil de cuivre avec des noyaux magnétiques montés à l'extérieur du tube de mesure.

Électrodes (d₁–d₃):

• Électrodes de mesure (d₁) pour la détection de la tension induite. Les conditions du processus dictent le matériau de l'électrode, qui peut être de l'acier inoxydable, de l'hastelloy, du tantale ou du platine.
• Électrode de référence ou de masse (d₂) pour la liaison équipotentielle entre le compteur et le fluide. Des disques de mise à la terre séparés (anneaux) peuvent être installés dans le même but.
• Électrode de détection de tube vide (d₃) pour détecter des tubes de mesure partiellement remplis ou vides. Le transmetteur déclenche une alarme si le fluide cesse de mouiller cette électrode.

L'utilisation d'un courant continu pulsé (CC) est un moyen moderne éprouvé de générer le champ magnétique. Il génère ce qu’on appelle un « champ CC pulsé ». La polarité du champ magnétique est inversée périodiquement, ce qui fait que les tensions de mesure consécutives (U₊, U_–) aux électrodes ont des signes opposés (voir fig. 4). La différence obtenue à partir des deux valeurs mesurées correspond à la tension induite (U_débit) :

De cette manière, les tensions parasites sont éliminées du calcul. La tension mesurée résultante, qui correspond à la vitesse d'écoulement moyenne, est convertie en un signal de débit volumétrique par l'électronique et mise à disposition sous forme de signaux de sortie standardisés (par ex. sortie de courant 4-20 mA).