Décryptage - Mesurer les débits : principes, technologies et enjeux industriels

Liquides ou gaz, réseaux d'eau ou procédés industriels complexes : la mesure de débit est une grandeur clé pour piloter, contrôler et optimiser de nombreux systèmes. Derrière ce terme apparemment simple se cache pourtant une grande diversité de principes physiques, de technologies de capteurs et de choix métrologiques, chacun répondant à des usages et des contraintes bien spécifiques.

Kevin Romieu, chargé d'études et référent technique en débitmétrie liquide au CETIAT, propose un éclairage sur ce que signifie réellement mesurer un débit, les principales familles de débitmètres disponibles aujourd'hui, ainsi que les bonnes pratiques pour exploiter ces mesures de manière fiable et pertinente.
 

Quand on parle de mesure de débit, de quoi parle-t-on exactement ?

Mesurer un débit c'est mesurer la quantité de fluide (un liquide ou un gaz) qui s'écoule par unité de temps au travers d'une surface définie.

Par exemple, si on ouvre un robinet domestique, on obtient un débit d'environ 10 litres par minute. Cette quantité peut s'exprimer dans une variété d'unités selon les applications : des mètres cubes par heure pour un réseau d'eau potable, des nanolitres par minute pour une pompe à insuline, etc. La quantité de fluide peut s'exprimer en volume (litre) ou en masse (kilogramme), on peut donc aussi exprimer un débit en kilogrammes par minute, en tonnes par heure, en microgramme par seconde, etc.

Quelles sont les principales technologies mises en œuvre pour la mesure de débit ?

Les technologies des débitmètres permettent de les ranger en trois grandes familles.

• Les compteurs volumétriques reposent sur le remplissage d'une chambre d'un volume élémentaire connu ; le débit est alors obtenu en divisant le volume élémentaire par la durée écoulée pour ce remplissage.
• Il y a ensuite les débitmètres dont le principe fondamental repose sur une mesure de vitesse de l'écoulement : les débitmètres à ultrasons, électromagnétiques, à effet Vortex par exemple. L'électronique de l'appareil effectue automatiquement la multiplication de cette vitesse mesurée par la section interne du débitmètre, qui est connue, pour afficher un débit volumique à l'utilisateur.
• Enfin, les débitmètres à effet Coriolis et les débitmètres thermiques massiques forment la troisième famille : ils exploitent des phénomènes physiques liées aux écoulements et aux propriétés des fluides pour mesurer un signal directement proportionnel au débit massique.

En complément, il est aussi possible de mesurer en revenant à la base de la définition : une masse divisée par un temps. C'est la méthode « primaire » d'un banc gravimétrique, comme celui mis en œuvre au CETIAT et qui est la référence nationale pour les débits d'eau : on remplit une cuve placée sur une balance de précision pendant une durée bien maîtrisée puis l'on calcule la différence de masse entre le début et la fin du remplissage.

Existe-t-il des technologies spécifiques dédiées à certains types d'applications industrielles ?

Il n'y a pas de solution universelle, il faut toujours partir des besoins et s'assurer que le principe de fonctionnement du débitmètre est compatible avec l'usage.

Par exemple, les débitmètres à effet Coriolis ont très peu d'erreur mais introduisent une perte de charge importante et sont sensibles aux vibrations. Les débitmètres électromagnétiques supportent très bien les eaux usées ou contenant de la matière en suspension, mais ne fonctionnent pas avec un fluide non conducteur. Les appareils à ultrasons peuvent être totalement non intrusifs, en se fixant sur une conduite sans interrompre le process industriel, mais nécessitent une connaissance fine des caractéristiques de la paroi avec un forte influence du montage des sondes sur la qualité de la mesure.

Enfin, le débitmètre ne fait pas tout : les conditions d'installation, le protocole de mesure et le bon suivi métrologique de l'équipement sont aussi très importants pour exploiter les mesures de façon concluante.

Le débit se mesure-t-il à la demande ou en continu ? Quelle est la différence entre ces deux approches, et dans quels cas privilégier l'une ou l'autre ?

L'installation d'un débitmètre nécessite toujours d'avoir été anticipée, idéalement dès la conception du circuit. S'il a été identifié un besoin de maîtriser le débit sur un processus industriel, compte tenu des coûts de son interruption et de la relative complexité d'une intervention, un débitmètre est en général installé de façon permanente pour une longue durée, et la mesure de débit est alors possible en continu.

Les deux cas les plus probables de mesure « à la demande » seraient :

1. la caractérisation d'un processus pour lequel le débit n'avait initialement pas été identifié comme une grandeur d'intérêt
2. l'étalonnage sur site d'un débitmètre indémontable.

Le premier cas est un exemple où des débitmètres à ultrasons non intrusifs (dits « clamp-on », car ils sont montés à l'extérieur d'une conduite existante) ont leur intérêt : malgré leur moindre performance métrologique, ils permettent de mesurer des débits sur différentes conduites de l'installation sans en interrompre le fonctionnement. C'est donc une solution adaptée pour une phase de pré-étude, pour aider à caractériser l'ensemble du système et d'orienter les choix pour des mesures plus fines dans un second temps si nécessaire.

Le second cas correspond à une mesure de débit par un étalon de transfert, c'est-à-dire un débitmètre de référence avec une excellente performance métrologique. Celui-ci est apporté sur site et monté en série avec le débitmètre déjà intégré au process industriel. Ainsi, on peut réaliser l'étalonnage de l'appareil et donc garantir la qualité des mesures et du process sans nécessiter de démontage (dans la mesure où un emplacement pour l'étalon de transfert a été pensé à la conception de l'installation).

Quels enseignements peut-on tirer des résultats d'analyses de débit ? Existe-t-il, par exemple, des méthodes d'analyse et d'alertes automatiques ?

A priori on n'installe pas un débitmètre au hasard en espérant pouvoir en tirer un enseignement plus tard !

Il est plus courant que l'on ait déjà une idée des enseignements que l'on souhaite tirer de sa mesure de débit, et c'est bien cet objectif, couplé aux contraintes du process et des conditions d'installation, qui doit déterminer le choix du débitmètre. Par exemple, les gestionnaires des réseaux d'eau potable ont besoin d'établir des relevés individuels, donc un grand nombre de capteurs, fiables, robustes dans le temps, économiques et pouvant se passer d'une source d'énergie pour fonctionner : ce sont nos compteurs d'eau domestique à turbine.

Certains débitmètres embarquent une électronique complexe capable de post-traiter les mesures, voire d'appliquer des corrections à partir d'autres sondes annexes (pression et température par exemple) et d'une base de données interne, avec un protocole de communication permettant le pilotage d'un système de régulation. Tout dépend de l'interface et de l'utilisation des mesures par l'exploitant finalement : avec un débitmètre et des sondes de température, on peut recalculer l'énergie échangée par un fluide par exemple.