2.1 Mesure de débit : diaphragme, électromagnétique, Coriolis et vortex

Le débit volumique exprime un volume par unité de temps (m³/h, L/min) ; le débit massique exprime une masse par unité de temps (kg/h, t/h). Passer de l'un à l'autre demande la masse volumique du fluide, qui varie avec la température et, pour un gaz, avec la pression.

Le choix a des conséquences pratiques. Pour un gaz ou une vapeur, un débit volumique n'a de sens que rapporté à des conditions de pression et de température précisées : on compare ou on facture plutôt des masses ou des volumes ramenés à des conditions normalisées. Pour un dosage de recette, un bilan matière ou un mélange, on veut généralement la masse réellement introduite.

Chaque technologie de mesure répond à une question précise : la vitesse d'écoulement (électromagnétique, vortex, ultrasons), la chute de pression (déprimogènes) ou la masse directement (Coriolis). Avant de choisir, il faut donc savoir quelle grandeur le procédé attend et dans quelles conditions de pression et de température le fluide circule.

Le principe le plus répandu consiste à rétrécir la conduite : le fluide accélère, sa pression baisse, et la différence de pression entre l'amont et le point de rétrécissement dépend du débit. Le diaphragme (une plaque percée serrée entre deux brides) est l'organe le plus courant. Le venturi, dont le rétrécissement est progressif, perturbe moins l'écoulement. D'autres éléments existent (tube de Pitot moyenné, par exemple). Un transmetteur de pression différentielle mesure l'écart. La norme ISO 5167 encadre la mesure du débit par appareils déprimogènes ; elle est payante et n'est citée ici que pour son objet.

La relation entre débit et pression n'est pas linéaire : la chute de pression est proportionnelle au carré du débit. Doubler le débit multiplie par quatre la pression différentielle ; le tripler la multiplie par neuf. Si on laissait le signal du transmetteur tel quel, l'indicateur et le régulateur liraient donc un reflet déformé du débit réel : correct à 0 % et à 100 %, faux entre les deux.

On applique donc une extraction de racine carrée, aujourd'hui dans le transmetteur ou dans le système de conduite. Exemple : si le transmetteur différentiel est réglé pour que 100 % de signal corresponde au débit maximal, un signal de 8 mA (25 % de l'étendue) correspond à une pression différentielle de 25 % du maximum, soit un débit de √0,25 = 50 %. Confondre les deux, c'est afficher 25 % de débit au lieu de 50 %.

Quand un conducteur se déplace dans un champ magnétique, il y apparaît une tension induite. Appliqué à un liquide qui circule dans une conduite traversée par un champ magnétique, ce principe donne le débitmètre électromagnétique : des électrodes de part et d'autre du tube captent la tension induite. Si l'on suppose le champ constant et le diamètre fixe, cette tension est proportionnelle à la vitesse moyenne du liquide, donc à son débit volumique.

Les avantages tiennent à l'absence de pièce mobile et d'obstacle dans le passage. Il demande moins de longueurs droites qu'un diaphragme. En contrepartie, plusieurs conditions sont à respecter.

• Le liquide doit être conducteur : le constructeur indique une conductivité minimale. L'eau déminéralisée (par exemple une eau de chaudière) et la plupart des gaz ne conviennent pas.
• La conduite doit être entièrement remplie au droit du capteur : un tube partiellement vide fausse la mesure.
• Le tube de mesure doit être correctement mis à la terre, au moyen des liaisons prévues, pour éviter que des courants parasites s'ajoutent à la tension utile.

La conductivité du liquide, tant qu'elle dépasse le minimum, a peu d'effet sur la justesse. Seule la perte totale de conductivité (eau très pure, huiles) pose problème.

Quand un fluide contourne un obstacle (le « corps de choc »), il forme des tourbillons qui se détachent alternativement de chaque côté. La fréquence de ces tourbillons est proportionnelle à la vitesse du fluide, donc au débit volumique. Un capteur de pression ou de contrainte compte les tourbillons : le signal est une fréquence, et chaque débitmètre est caractérisé par un facteur K (nombre d'impulsions par unité de volume).

Comme le débitmètre compte des impulsions, il se prête bien à la totalisation du volume écoulé. Le capteur détecte la fréquence, pas l'amplitude : il n'a pas besoin d'étalonnage de sa sensibilité, mais il exige des conditions d'écoulement établies, avec des longueurs droites en amont et en aval.

Le vortex s'emploie pour les liquides, les gaz et la vapeur, là où l'électromagnétique serait limité par la conductivité. Il présente une limite basse : en dessous d'un certain débit, les tourbillons se forment mal et le débitmètre cesse de mesurer (coupure bas débit).

Le débitmètre Coriolis fait vibrer un ou plusieurs tubes parcourus par le fluide et mesure leur fréquence et leur déphasage. La fréquence de résonance dépend de la masse des tubes, donc de la densité du fluide qu'ils contiennent. Quand le fluide circule, son inertie tord légèrement les tubes : cette torsion est proportionnelle au débit massique. Il mesure donc à la fois la masse qui passe et la masse volumique, au point qu'il sert parfois d'abord comme densimètre.

Les débitmètres à ultrasons mesurent la vitesse du fluide en envoyant des ondes sonores dans l'écoulement. Deux familles existent : à effet Doppler (le signal est réfléchi par des bulles ou des particules, le décalage de fréquence donne la vitesse) et à temps de transit (on compare la propagation de l'onde dans le sens du courant et à contre-courant). Ils se posent parfois sur la paroi extérieure du tube, sans ouvrir la conduite.

La cause la plus fréquente d'une mesure de débit fausse est une installation incorrecte, bien plus que le débitmètre lui-même. Un coude, une vanne, une pompe ou un té déforme le profil de vitesse du fluide et crée des tourbillons de grande échelle (« swirl »). Un capteur placé trop près reçoit un écoulement dissymétrique et lit trop ou trop peu.

La parade consiste à garder des longueurs droites de conduite en amont et en aval du capteur, pour que le profil se stabilise. Les valeurs exactes dépendent de la technologie, du diamètre et de la nature de la perturbation : elles figurent dans la documentation du constructeur et, pour les organes déprimogènes, dans la norme. Le principe général est qu'on place le débitmètre en amont des grandes perturbations, notamment des vannes de régulation et des coudes, autant que possible.

• Diaphragme : prises de pression bien situées, rapport entre diamètre d'orifice et diamètre de conduite (β) conforme au calcul, transmetteur placé de façon à permettre le drainage ou la purge des lignes d'impulsion.
• Électromagnétique : tube plein, mise à la terre, sens d'écoulement respecté.
• Tous : étalonnage et réglage à la mise en service, avec contrôle du zéro de débit lorsqu'il est possible d'isoler la ligne (chapitre 4.2).