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Qu’est-ce qu’un débitmètre massique thermique ?

9 novembre 2021 Wout van ‘t Wel

Les débitmètres massiques thermiques sont souvent utilisés pour mesurer des débits de gaz faibles. Mais que font-ils exactement ? Qu’est-ce qui distingue ces instruments des autres débitmètres de gaz ? Peut-être voulez-vous également découvrir les différentes technologies de mesure de débit ainsi que leurs avantages et leurs inconvénients. Je vous propose d’aborder tous ces sujets dans ce blog. 

Mesure de débit massique vs mesure de débit volumique

Pour de nombreux procédés de production et de recherche, le facteur le plus important est la masse plutôt que le volume. Les mesures de débit volumique ne sont pas aussi fiables que les mesures de débit massique en raison de l’influence de la température et de la pression sur la densité du volume de gaz fixe.

Régulateur/débitmètre massique thermique pour Gaz (conception avec by-pass)

Mesure de débit volumique vs mesure de débit massique
Mesure de débit volumique vs mesure de débit massique

Contrairement aux technologies de mesure de débit volumétrique comme les débitmètres à flotteur (débitmètres à section variable) ou les débitmètres à turbine, les débitmètres massiques thermiques ne sont pas sensibles aux fluctuations de température et de pression. Le débitmètre massique peut fournir directement la valeur du débit massique. La plupart des autres méthodes mesurent le débit volumétrique et nécessitent des prises de mesure séparées pour la température et la pression afin de calculer la densité et en déduire le débit massique. 

Les débitmètres massiques mesurent le débit au niveau moléculaire et peuvent donc garantir une alimentation en gaz extrêmement précise, reproductible et fiable.
 
La différence entre débit volumique et débit massique est expliquée en détail dans notre article Savez-vous pourquoi les conditions de référence pression/température des unités de mesure de débit massique gaz sont importantes ?

Les avantages du principe de mesure de débit massique thermique

Les débitmètres massiques thermiques sont de loin les instruments les plus populaires pour mesurer le débit massique d’un faible débit de gaz. Depuis l’apparition de ces instruments au milieu des années 1970, ils se sont considérablement développé, passant de l’analogique au numérique, de faibles débits à des débits plus élevés, des applications en laboratoire et sur des machines en milieu industriel et même aux zones dangereuses ( ATEX ). Il y a un débitmètre massique thermique adapté à presque chaque application de gaz à faible débit. Les autres principes de mesure qui peuvent être utilisés pour les applications de gaz à faible débit sont la mesure de débit massique Coriolis et la mesure de pression différentielle

Mesure de débit massique Coriolis

Les débitmètres massiques Coriolis présentent des avantages, notamment pour mesurer les fluides supercritiques et pour mesurer le débit massique de mélanges de gaz variables ou inconnus. 


Mesure de la pression différentielle 

Pour la mesure de pression différentielle, le delta-p mesuré est converti en débit massique par le biais d’un calcul qui inclut la température du gaz ainsi que la densité et la viscosité dynamique du gaz utilisé. En comparaison à ce moyen de mesure, les capteurs massiques thermiques sont moins sensibles aux fluctuations de pression dans le procédé et le facteur de conversion pour mesurer le débit massique d’autres gaz est intrinsèquement plus précis.
 

Principe de mesure du débit massique Coriolis 

Différence entre les débitmètres massiques thermiques

Les mesureurs de débit massique thermiques et les régulateurs de débit massique thermiques utilisent la conductivité thermique des fluides. Dans la gamme des débitmètres thermiques, nous distinguons plusieurs types de capteurs, à savoir : 

Débitmètre massique thermique pour gaz avec principe de mesure "en ligne"

Chaque technologie présente des avantages et des inconvénients spécifiques selon l’application : une application avec un gaz propre et sec, où une précision accrue est aussi importante que la répétabilité, peut être une meilleure application pour un instrument avec un capteur en dérivation (comme nos instruments des séries EL-FLOW Select et EL-FLOW Prestige). 

Une application avec un gaz légèrement humide ou exigeant une précision moindre mais une répétabilité et une robustesse élevées peut être une meilleure application pour les débitmètres avec un capteur en ligne robuste et un passage d’écoulement droit (comme nos instruments de la série MASS-STREAM). 

Il existe également des débitmètres massiques thermiques qui utilisent des capteurs à puce (MEMS, Micro Electro Mechanical System, ou CMOS, Complementary Metal Oxide Semiconductor), où le flux de gaz entre en contact avec ces capteurs.

Le signal de mesure plus rapide est un avantage, tout de même ces capteurs font preuve de moins de robustesse, et ne conviennent généralement pas à une utilisation avec des gaz agressifs ou explosifs. De plus, ces débitmètres doivent être étalonnés sur le gaz réel (comme nos instruments de la série IQ+FLOW).

Proportionnel Intégral Dérivé des débitmètres Bronkhorst
PID = Proportionnel Integral Dérivé

Régulateurs de débit massique thermiques

Un régulateur de débit massique thermique n’est autre qu’un débitmètre combiné à une vanne de régulation. Ces instruments compacts sont utilisés dans les applications où les gaz doivent être contrôlés avec précision. 
Un régulateur de débit massique compare en permanence le signal de sortie avec un point de consigne provenant d’une source de tension, de courant ou numérique (bus de terrain). Tout écart entre le point de consigne et le signal mesuré se traduit par un ajustement de l’électrovanne jusqu’à ce que les deux signaux soient identiques. 

Cette fonction de contrôle (PID, Proportionnel, Intégral, Dérivé) fait souvent partie intégrante de l’électronique du débitmètre tandis que les caractéristiques de contrôle peuvent être ajustées pour obtenir une régulation rapide ou fluide via le logiciel utilisateur. Selon votre application, vous pouvez sélectionner une vanne de régulation électromagnétique proportionnelle pour une pression (différentielle) élevée ou faible et pour un débit faible à élevé.

Débitmètres massiques et régulateurs de débit massique thermiques plus intelligents

La technologie des débitmètres massiques et des régulateurs de débit massique thermiques continue de s’améliorer, grâce à une intelligence accrue. Les fonctionnalités comme le Multi-Gaz/Multi-Gammes ou les fonctions de diagnostic ne sont plus une exception. 

Régulateur de débit massique thermique, série EL-FLOW Prestige
Régulateur de débit massique thermique, série EL-FLOW Prestige

La série EL-FLOW Prestige de Bronkhorst embarque une base de données intégrée contenant les propriétés physiques d’une centaine de gaz, ce qui permet à l’instrument de compenser automatiquement les variations de pression d’entrée.

Si vous voulez en savoir plus sur ce débitmètre massique thermique, téléchargez notre livre blanc contenant des informations détaillées sur les principaux facteurs et leur impact sur la précision, la stabilité, la linéarité et la correction de la pression.

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