Rapport débimetre massqiue

Débitmètre Massique 1
Débitmètres
Massiques
Réalisé par :
DAOU Abdelbasset
FADLI Hind
LABAKOUM Badr-eddine
Encadré par :
Mr. Az.MOUHSEN
MST. Génie Biomédical
Instrumentation & Maintenance
2015/2016

Sommaire
Sommaire ................................................................................................................................... 2
Introduction ................................................................................................................................ 4
I. Généralités.......................................................................................................................... 5
I.1 Le débit d’un fluide ..................................................................................................... 5
a. Débit volumique .......................................................................................................... 5
b. Débit massique......................................................................................................... 5
I.2 Régimes d'écoulement ................................................................................................. 6
I.3 Le nombre de Reynolds............................................................................................... 7
I.4 La vitesse ..................................................................................................................... 7
I.5 Relation débit / vélocité............................................................................................... 8
II. Capteur de débit ................................................................................................................. 9
II.1 Définition..................................................................................................................... 9
II.2 Débitmètre volumique ................................................................................................. 9
II.3 Débitmètre massique ................................................................................................... 9
II.4 Méthodes de mesure de débit .................................................................................... 10
III. Les différents types des débitmètres massique ............................................................. 11
III.1 Le débitmètre électromagnétique........................................................................... 11
a. Composant................................................................................................................. 11
b. Principe .................................................................................................................. 12
c. Caractéristiques ......................................................................................................... 13
III.2 Débitmètre thermique ............................................................................................ 13
1. Débitmètre massique thermique a dérivation......................................................... 13
a. Les composants.......................................................................................................... 13
b. Principe .................................................................................................................. 14
2. Débitmètre massique thermique a passage direct: ................................................. 14
a. Les composants.......................................................................................................... 14
b. Principe .................................................................................................................. 15
c. Caractéristiques ......................................................................................................... 15
III.3 Débitmètre massique a accélération de Coriolis.................................................... 15
a. Les composants.......................................................................................................... 16

b. Les types ................................................................................................................ 16
c. Force de Coriolis ....................................................................................................... 17
d. principe .................................................................................................................. 17
e. Caractéristiques ......................................................................................................... 18
III.4 Débitmètre à fil chaud............................................................................................ 18
a. Définition................................................................................................................... 18
b. Principe de fonctionnement ................................................................................... 19
IV. Utilisation au domaine médical..................................................................................... 22
IV.1 Le débitmètre urinaire............................................................................................ 23
a. Objectif du test de débit d'urine................................................................................. 23
b. Matériels et méthodes : .......................................................................................... 24
IV.2 Endoscopie :........................................................................................................... 24
IV.3 Les générateurs d’hémodialyse.............................................................................. 25
a. Le schéma de principe d’un générateur-moniteur :................................................... 26
b. Maîtrise décimétrique ............................................................................................ 27
Conclusion................................................................................................................................ 29

Introduction
Le choix d’un débitmètre n’est pas une chose simple. Pour faire un choix correct, il faut
tenir compte d’une multitude de paramètres. Il est donc nécessaire avant tout de définir
précisément ses propres exigences, les contraintes imposées par le fluide à mesurer et les
caractéristiques de l’environnement. Ensuite viennent s’ajouter les contraintes liées aux
différents appareils possibles.

I. Généralités
I.1 Le débit d’un fluide
Le débit, c'est la quantité de fluide qui s'écoule ou qui est fournie par unité de temps.
Exemple : Le débit d'un cours d'eau, d'une pompe...
Il exicte deux types de débit,débit massique (Qm) et débit volumique(Qv).
La relation entre les deux selon la relation suivant :
a. Débit volumique
Qv = v · S
Unité: m3
/s, m3
/d, GPM.
b. Débit massique
Qm = r · v · S
Unité : kg/s, lb/s,...
Figure1 : Débit.

Le débit sera augmenté si :
 La quantité (volume) de fluide augmente,
 Le temps (par unité de volume) diminue.
I.2 Régimes d'écoulement
La connaissance du régime d'écoulement d'un fluide est un point clé en génie des
procédés, car il a une influence sur la plupart des phénomènes, en particulier les transferts
de chaleur, de matière, les pertes de charges.
 Trois grands régimes d’écoulement ont été définis par Reynolds
 L'écoulement laminaire : écoulement rectiligne, le fluide s'écoule en filets
parallèles à l'axe de la conduite, sans mélange.
Figure2 :L'écoulement laminaire.
 L'écoulement intermédiaire : l'écoulement est plus ou moins rectiligne, avec un
peu de mélange (petits tourbillons).
Figure3 :L'écoulement intermédiaire.
 L'écoulement turbulent : l'écoulement se fait avec de grands tourbillons, avec un
mélange important.
Figure4 :L'écoulement turbulent.

I.3 Le nombre de Reynolds
Permet de connaître le comportement de l'écoulement d'un liquide, Sans dimension et
se calcule comme suit :
• n = Vitesse du liquide du liquide (m/s)
• r = Masse volumique (kg/m3
)
• D = Diamètre interne du conduit (m)
• m = viscosité du liquide (en Pa.s)
Figure5 : Intervalle du nombre de Reynolds pour chaque régime.
Exemple : Un écoulement est turbulent pour Re > 2 200. Dans le cas contraire,
l'écoulement et laminaire
I.4 La vitesse
le débit (Q) de fluide dépend directement de la vitesse (V) linéaire de ce fluide et de la
section (S).on peut déterminer le débit d'un fluide à partir de sa vitesse :
Q(m³/s)=V(m/s)×S(m²)

I.5 Relation débit / vélocité
Pour avoir le même débit amont et aval, la vélocité du liquide devra augmenter au
passage de cette restriction.
Figure6 :Restriction sur conduite.
La vélocité sera supérieure en ‘B’ car la pression peut être utilisée pour permettre au
fluide d’aller plus vite.
Figure7 : Vanne sur conduite
Quand la vélocité d’un liquide (ou gaz) augmente sa pression diminue.
Restriction

II. Capteur de débit
II.1 Définition
Un débitmètre est un appareil ou instrument destiné à mesurer le débit linéaire, non
linéaire, de masse ou volumétrique d’un liquide ou d’un gaz.
II.2 Débitmètre volumique
Débit Volumique
Le débit volumique exprime un volume par rapport à une unité de temps : m3/h.
Ce débit est dépendant des conditions de température et de pression (un gaz pouvant se dilater
ou se compresser en fonction des paramètres de température et de pression). Ainsi une même
installation dans des conditions ambiantes différentes n’aura pas les mêmes débits volumiques
aux deux endroits.
Débitmètre Volumique
Est un appareil de mesure de débit basé sur le volume.
II.3 Débitmètre massique
Débit Massique
Le débit massique exprime une quantité (une masse) par unité de temps : g/h, kg/h…
Le débit massique est indépendant de la température et de la pression, la masse de matière est
la même pour un volume différent.
Débitmètre Massique
Est un appareil de mesure de débit basé sur la masse et non pas sur le volume.

La déférence entre un débitmètre volumique & Massique :
Un débitmètre massique a le gros avantage, par rapport à un débitmètre
volumique, de mesurer la quantité de matière le traversant, plutôt que de mesurer le
volume le traversant qui devra souvent être corrigé ensuite par la densité du produit
considéré. Il est souvent plus cher et plus délicat à mettre en œuvre, mais permet de
s'affranchir de l'erreur due aux variations de densité de matière le traversant.
II.4 Méthodes de mesure de débit
En partant de l’équation fondamentale :
Qv = v · S ou Qm= r · v · S
Il y a plusieurs méthodes possibles pour mesurer le débit d’un fluide :
 Par mesure directe de V.
Débitmètre M/V Exemple : (Les débitmètres électromagnétiques)/ (La turbine)
 Par mesure indirecte de V.
Débitmètre V Exemple : (Le tube de Pitot)
 Par mesure de S.
Débitmètre V Exemple : (Débitmètre à ultrasons)
 Par mesure directe de Q.
Débitmètre V Exemple : (Compteurs volumétriques)

III. Les différents types des
débitmètres massique
III.1 Le débitmètre électromagnétique
Les débitmètres électromagnétiques sont une application de la mesure des
débits par mesure directe de la vitesse d’écoulement
C’est M. Faraday, à Londres, en 1832 qui tenta la première fois d’utiliser ce type de
débitmètre ; il voulait mesurer le débit volumique de la Tamise.
Le débitmètre électromagnétique est aujourd’hui un outil de mesure incontournable.
a. Composant
Un débitmètre électromagnétique industriel est constitué par un tube en
matériau non magnétique, revêtu intérieurement d’un revêtement isolant. Deux bobines
d’induction sont disposées de part et d’autre de la conduite. Elles créent un champ
magnétique alternatif pour éviter une polarisation des électrodes, et un champ
magnétique basse fréquence pour éviter les parasites.
Figure 8 : Les composants d’un débitmètre massique électromagnétique.

b. Principe
Le débitmètre électromagnétique fonctionne suivant le principe de Faraday.
Quand un liquide conducteur s’écoule perpendiculairement à travers un champ
magnétique, une différence de potentiel électrique est créée au sein du liquide. Cette
différence de potentiel, captée à l’aide de deux électrodes permet, par le calcul, d’en
déduire la vitesse puis le débit du fluide.
Figure9 : le principe de fonctionnement d’un Débitmètre massique électromagnétique.
Selon que cette charge est positive ou négative elle sera déviée dans un sens ou
dans le sens opposé. Cette force s’exprime de la façon suivante : F=qv∧B où q est la
charge de la particule, v est le vecteur vitesse et B le vecteur champ magnétique.
On se Basant sur la loi de Faraday:
U = k B D v => Qm = r · v · S
Tel que :
v = m/s, D = mètres, B = teslas, k = 1 (métrique*), U = Volts.
Cette création de tension électrique s’explique
simplement si on observe les forces qui
s’exercent sur les anions et cations présents au
sein du liquide. Une charge électrique
(électron, anion, cation) qui se déplace dans un
champ magnétique subit une force (force de
Laplace) qui tend à faire dévier cette charge de
sa
trajectoire initiale.

c. Caractéristiques
 Limites de température : - 25°C à + 180 °C
 Pression : jusqu’à 40 bar
 Vitesse du fluide : 0,2 à 10 m/s
 Diamètre de raccordement : 2mm à 2m
 Erreur de justesse : 0,2 % à 3 % de la valeur mesurée
 Perte de charge : nulle
 Temps de réponse : à partir de 0,1 s
III.2 Débitmètre thermique
Les débitmètres massiques thermiques sont une application de la mesure des
débits par utilisation des calories du fluide comme conductivité pour déterminer le débit
massique.
C’est le physicien canadien louis viking, en 1914 qui tenta la première fois
d’utiliser ce type de débitmètre ;
Il existe plusieurs types de débitmètres thermiques industriels. Tous mettent
en jeu l’équilibre thermique entre une source de chaleur et le liquide en écoulement. Les
mises en œuvres industrielles peuvent être très variées, nous expliciterons dans cette
partie les deux débitmètres principales et leur mise en œuvre.
1. Débitmètre massique thermique a dérivation
a. Les composants
Figure10 : les composants d’un débitmètre massique thermique a dérivation.

b. Principe
Le principe de fonctionnement des débitmètres massiques thermiques
repose sur l'élévation de température que subit un fluide lorsqu'on lui apporte une
puissance thermique donnée.
ΔT=k*Cp*Qm
Où
k : une constante qui dépend de la construction et de la capacité calorifique du fluide.
Cp : la capacité calorifique du fluide.
Qm : le débit massique.
Il est nécessaire que toute la masse du fluide soit uniformément chauffée et que
les sondes de température soient en équilibre thermique avec le fluide. Par ailleurs la
mesure de débit par des débitmètres massiques thermiques à dérivation n’est réalisable
que pour de faibles débits, quelques dizaines de grammes par heure.
L’écoulement doit être laminaire.
2. Débitmètre massique thermique a passage direct:
a. Les composants
Figure11 : les composants d’un débitmètre massique thermique a passage directe.

b. Principe
Une résistance chauffante verra son énergie dissipée par transfert
thermique de type convectif avec le fluide en écoulement. Plus la vitesse du fluide autour
de la résistance sera importante, plus l’échange d’énergie sera grand
En écoulement turbulent,
Pheater=Poffset+C*Qm
Où
P offset :est la puissance dissipée.
Pheater :la puissance de la sonde chauffante.
Qm :le débit massique.
C : la capacité calorifique du fluide.
Ce débitmètre s’applique aux débits élevés et le capteur accepte la totalité du
débit sans répartiteur. Il doit être dimensionné selon le débit à mesurer.
c. Caractéristiques
 Limites de température : jusqu’à + 200°C
 Diamètre de raccordement : 10 à 100 mm
 Erreur de justesse : 0,5 à 1 % à 5 %
 Perte de charge : De l’ordre de 2 Pa
III.3 Débitmètre massique a accélération de Coriolis
Le débitmètre massique à effet Coriolis est une application de la mesure
directement le débit massique, Ce capteur mesure la vitesse de déplacement du tube de
mesure.
C’est le physicien français Gustave gaspard Coriolis qui tenta la première fois d’utiliser ce
type de débitmètre il y a plus de 200 ans.

a. Les composants
La solution d’un dispositif en rotation uniforme est peu adaptée à une
réalisation industrielle :
les constructeurs ont mis au point des systèmes oscillants qui mettent en
oeuvre une rotation dont la vitesse varie sinusoïdalement.
Figure12 : Les composants d’un débitmètre massique a accélération de Coriolis.
b. Les types
Deux types de système existent, le capteur à boucle oscillante et le capteur à
tube rectiligne.
Les capteurs à boucle oscillante sont constitués de deux tubes en U oscillant
en opposition de phase autour d’un même axe.
Le capteur à tube rectiligne est composé de deux tubes fixes à leur extrémité qui
subissent en leur milieu une oscillation en opposition de phase.
Figure13 : les types de débitmètre massique a accélération de Coriolis.

c. Force de Coriolis
Lorsqu’un objet est soumis à la fois à une rotation et à une translation il subit
une accélération dite de Coriolis : ac = 2ω∧Vt où ω est le vecteur de rotation et Vt le
vecteur vitesse de translation. Cet objet subit donc une force dite de Coriolis:
F=m.ac = 2mω ∧ vt
d. principe
Les tubes de mesure sont portés à une fréquence de résonance par un
excitateur électromagnétique. Lorsque le fluide s'écoule dans les tubes, il se crée alors
des forces de Coriolis qui génèrent une déformation des tubes de mesure. La
superposition du mouvement de Coriolis sur l’oscillation initiale montre une différence
de phase, détectée par deux capteurs électromagnétiques. Cette différence de phase est
une mesure directe du débit massique.
F = 2×m×ω×v
Figure14 : Le principe de fonctionnement débitmètre massique a accélération de
Coriolis

e. Caractéristiques
 Limites de température : - 240°C à 200°C
 Vitesse du fluide : 0,1 à 10 m/s
 Diamètre de raccordement : 3mm à 200mm
 Erreur de justesse : > 0,3 %
 Perte de charge : nulle
 Temps de réponse : à partir de 0,1 s
III.4 Débitmètre à fil chaud
a. Définition
Un débitmètre à fil chaud utilise le phénomène de transfert de chaleur entre
un corps chaud et un gaz pour quantifier un débit. Lorsqu’un gaz circule au-dessus d’une
surface chaude, un transfert de chaleur s’opère entre la surface chaude et le gaz.

Figure 15: Schéma d’un débit mètre à fil chaud.
b. Principe de fonctionnement
Lorsque l’on place dans un écoulement un fil porté par effet Joule à une
température supérieure à la température de cet écoulement. Il se produit alors un
échange de chaleur par convection, cet échange est fonction des propriétés physiques du
fluide, de sa vitesse et de l’écart de température entre l’élément chauffé et le fluide.
La température d’équilibre du fil qui constitue le capteur est déterminée par
mesure de sa résistance : elle est fonction de la puissance Joule dissipée et de la vitesse
de fluide qu’il s’agit de déterminer.
Le métal utilisé pour la réalisation du capteur doit avoir un coefficient de
température de la résistance élevé ; dans les gaz, on utilise un film de platine ou de
tungstène très fin (0,6µm < D < 10 µm) ; dans les liquides, pour des raisons de solidité, le
capteur est un film mince de platine,
déposé sur un cône ou un cylindre
isolant.
Figure16 : Fil et film chaud utilisé en débitmètre massique.
La puissance Joule 𝑷𝒋 dissipée dans une résistance à la température T,
De valeur R(T), et traversée par un courant continu I, à pour expression :
𝑷𝒋 = 𝑹(𝑻). 𝐈 𝟐

En admettant que les échanges thermiques se font uniquement par convection du
fluide à la température 𝑻 𝒂 , la puissance échangée 𝑷 𝒄 peut s’écrire :
𝑷 𝒄 = 𝒉. 𝑺𝒍. (𝑻 − 𝑻 𝒂)
𝒉: le coefficient d’échange thermique,
𝑺𝒍: la surface latérale du capteur(fil) .
Pour un fil : 𝑺𝒍 = 𝝅. 𝑫. 𝒍 𝑫 étant diamètre et 𝒍 sa
longueur,
Pour un film : 𝑺𝒍 = 𝟐. 𝑫. 𝒍 𝑫 étant sa largeur et 𝒍 sa
longueur.
À l’équilibre thermique :
𝒑𝒋 = 𝒑 𝒄
Donc :
𝑹(𝑻). 𝐈 𝟐
= 𝒉. 𝑺𝒍. (𝑻 − 𝑻 𝒂)
La vitesse U du fluide intervient dans l’expression de h dont diverses
formulations empiriques ont été proposées.
Formule de King:
𝒉 = 𝒂 + 𝒃. √𝑼
𝒂 et 𝒃 : étant des constantes pour un fluide et un capteur

𝑼 = (
𝒉 − 𝒂
𝒃
)
𝟐
Le débit est égal :
𝑸 𝒎 = 𝝆. 𝑼. 𝑺
𝑸 𝒎 = 𝝆. (
𝒉 − 𝒂
𝒃
)
𝟐
. 𝑺
Caractéristiques :
 Limites de température : -30°C à +80°C
 Débit : jusqu’à 0 à 99 999 𝑚3
/ℎ
 Vitesse du fluide : 0,15 à 3 m/s et 3,1 à 30 m/s
 Temps de réponse : inférieur à 0,001

IV. Utilisation au domaine
médical
Une variété de dispositifs médicaux, tels que les
inhalateurs, les équipements d’analyses, les moniteurs
pour anesthésie ou les respirateurs nécessitent une
mesure rapide et précise du débit afin d’être au plus
près des besoins de patients.
Exemple Étudier :
Le débitmètre
Urinaire
Endoscopie Générateurs
De dialyse

IV.1 Le débitmètre urinaire
Le débitmètre urinaire est une procédure simple de diagnostic utilisée pour
calculer le débit d'urine au cours du temps qui dure envient 30 sec. Cette information est
convertie en un graphique (fig.1) et interprétée par un médecin spécialiste.
Les deux paramètres principaux sont le débit maximum (Qmax) et le volume
uriné. Les paramètres accessoires sont : le débit moyen (Qmoy), le temps au débit
maximum, la durée du débit, la durée de la miction.
Figure17 : Paramètres déterminés à partir de la courbe du débit urinaire.
a. Objectif du test de débit d'urine
→ Pour déterminer si le patient présente des problèmes urinaires.
→ Pour évaluer les effets de certains médicaments.
→ Pour évaluer comment le patient urine avant et après une opération.
→ Pour évaluer les résultats d’une intervention.

b. Matériels et méthodes :
Le débitmètre urinaire est équipé d’un capteur de débit placé dans une pièce
à part où le patient se sentira à l’aise pour uriner. Les éléments essentiels qui entrent
dans la composition de cet appareil forment le schéma synoptique suivant. (fig. 2).
Figure18 : Schéma synoptique du débitmètre urinaire.
IV.2 Endoscopie :
Est une technique chirurgicale mini-invasive permettant d’intervenir dans la
cavité abdominale à travers des petites incisions (donc sans ouverture de la paroi
abdominale).
Elle est effectuée grâce à une optique (camera), à l’insufflation de gaz carbonique
dans la cavité abdominale et à l’utilisation des trocarts pour l’insertion des différents
instruments.

Figure19 : Endoscopie.
Figure20 : Endoscopie réalisée comme projet de fin d’étude.
IV.3 Les générateurs d’hémodialyse.
Les générateurs d'hémodialyse sont les machines qui rendent
possible la séance de dialyse. Ce sont des dispositifs complexes et
couteux.

Le générateur d’hémodialyse a pour fonction :
→ De préparer et d’assurer le débit du dialysat dans l’hémodialyseur.
→ D’assurer le débit du sang dans le circuit extracorporel et dans l’hémodialyseur.
→ D’assurer la maîtrise de l’ultrafiltration (contrôle de l’extraction d’excès d’eau
donc de la perte de poids du patient).
→ De contrôler les paramètres de la dialyse pour assurer la sécurité du patient.
a. Le schéma de principe d’un générateur-moniteur :
Diagramme du circuit sanguin en haut et du circuit du dialysat en bas avec indication
des dispositifs de surveillance et de régulation correspondants.
Figure21 : Schéma de principe d’un générateur-moniteur.

b. Maîtrise décimétrique
Cette maîtrise repose sur l’emploi de débitmètres et sur le principe suivant : le
débit du dialysat en sortie du générateur est égal à la somme du débit dialysat en entrée
et du débit d’ultrafiltration (QDout = QDin + UF).
Figure22 : Circuit simplifié d’un dialyseur.
On utilise une pompe UF et le maîtriseur doit alors assurer que le débit d’entrée
est strictement égal au débit de sortie ( Hospal, avec deux débitmètres à ailettes, Bellco
avec un débitmètre de Coriolis )
Figure23 : Schéma d’un Maîtrise débimétrique.

Conclusion
Lors du choix du débitmètre, il convient de prendre en considération des facteurs
intangibles comme la connaissance du personnel de l’usine, leur expérience en étalonnage et
entretien, la disponibilité des pièces détachées et le temps moyen entre les relevés de
défaillance, etc., à l’emplacement spécifique de l’usine. Il est également recommandé que le
coût de l’installation ne soit calculé qu’après toutes ces mesures. Une des erreurs de mesure
de débit les plus communes est l’inversion de cette séquence : au lieu de sélectionner un
capteur qui fonctionnera correctement, on tente de justifier l’utilisation d’un appareil parce
qu’il est moins cher. Ces achats « bon marchés » peuvent se révéler les installations les plus
coûteuses.
La bonne méthode de sélection d’un débitmètre implique une compréhension claire
des exigences propres à une application spécifique. Par conséquent, il faut prendre le temps
d’évaluer complètement la nature du fluide de processus et de l’installation globale.

Bibliographie
 Générateur de dialyse, Dr. Mohamed Amine KHALFAOUI Service de Néphrologie-
Hémodialyse et Transplantation rénale CHU Ibn Rochd Casablanca.
 Instrumentation CIRA Chap. V : Capteurs de débit.
 Guide d’achat MESURES 812- FÉVRIER 2009 - www.mesures.com.
 Centre de formation de HMD Mesure de Débit (I-FLWMSUR)PETROFAC.
 LE DEBITMETRE ELECTROMAGNETIQUE,Ludovic JEZEQUEL,BTS chimiste‐lycée
Coeffin‐Baie Mahault.
 Mesure de debit (c) Guy Gauthier - Cours sur débitmètres.
 Laboratoire d’étude des matériaux électroniques pour applications médicales (LEMEA MED)
Constantine, Algérie(Mise au point d’un débitmètre urinaire).
 INSUFFLATEUR CO2 EQUIPE PAR UNE CARTE DE REGULATION DE PRESSION
ABDOMINALE LORS L’INTERVENTION PAR LA COELIOSCOPIE(Université Mentouri
_ Constantine)

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