Comment mesurer de faibles débits de liquides par ultrasons ?

Un débitmètre à ultrasons a été spécialement conçu pour offrir une nouvelle solution de mesure des faibles débits de liquides < 1500 ml/min.

Erwin Eekelder
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De plus en plus d'acteurs dans le génie des procédés vont vers des solutions à faibles débits. Dans le secteur de la chimie, pharmaceutique & de l'alimentaire en particulier, la tendance est de s’orienter vers une fabrication en continu, la diminution des déchets, la réduction des temps d'arrêts et plus de flexibilité. Dans ces domaines, l’offre des débitmètres à ultrasons pour liquides est large pour les conduites de grandes dimensions (1” ou plus), mais il est beaucoup plus difficile de trouver des solutions pour les petits diamètres. Les débitmètres à ultrasons conventionnels emploient soit l'effet Doppler, soit la mesure par temps de transit. Ces techniques conviennent dans la pratique pour les grands diamètres de tuyauteries.

Mais qu'en est-il des débitmètres à ultrasons pour des débits inférieurs à 1500 ml/min voire 200 ml/min ?

Du fait de la complexité de la physique et de la technologie, il n'existe pas beaucoup de principes de mesure dans ces gammes de débit précis, notamment les débitmètres à ultrasons. Par conséquent, le grand défi consistait à trouver une solution pour utiliser les ultrasons dans des tubes avec de très petits diamètres. En collaboration étroite avec la TNO (Organisation néerlandaise de recherche scientifique appliquée), Bronkhorst® a réussi à développer un instrument innovant utilisant la Technologie par Ondes Ultrasoniques. Cette technologie est appliquée dans la nouvelle série ES-FLOW™ pour mesurer des débits volumiques de liquides entre 4 et 1500 ml/min quelle que soit la densité, la température et la viscosité du liquide avec une précision de 1% de la mesure ± 1 ml/min.

Comment fonctionne la Technologie par Ondes Ultrasoniques ?

L’ES-FLOW™ repose sur cette technologie. La mesure du débit par ultrasons est effectuée dans un tube en acier inoxydable droit avec un diamètre intérieur de 1,3 mm, sans obstacles ni volumes morts. Plusieurs disques transducteurs sont présents sur la surface extérieure du tube capteur et créent des ondes ultrasoniques par oscillation radiale. Chaque transducteur peut émettre et recevoir et par conséquent tous les trains d’ondes aval et amont sont enregistrés et traités. On calcule la vitesse du débit et du son en mesurant précisément le retard de temps entre les enregistrements (plage de nanosecondes). En connaissant ces paramètres et la section transversale exacte du tube, l’ES-FLOW™ est capable de mesurer les débits volumiques du liquide. Ce qui distingue ce débitmètre pour faibles débits, c'est qu'il est capable de mesurer la vitesse réelle du son, ce qui signifie que la technologie est indépendante du liquide et que l'étalonnage par fluide n'est pas nécessaire. En outre, la vitesse du son mesurée est un indicateur du type de fluide présent dans le débitmètre.

Disques capteur ultrasons Es-Flow

Voici quatre raisons d'utiliser le débitmètre à ultrasons ES-FLOW™ :

  • Un seul capteur pour des liquides multiples.

    De nombreuses entreprises ont des conditions variables de procédé et utilisent différents liquides comme des additifs ou des solvants. Étant donné que la technologie ES-FLOW™ est indépendante du fluide, il n'est pas nécessaire d'effectuer un réétalonnage à chaque changement de fluide. Les liquides non-conducteurs comme l’eau déminéralisée peuvent également être mesurés.

  • Facile à nettoyer et risque d'encrassement réduit.

    Les processus de nettoyage prennent souvent du temps. Grâce à la conception de tube capteur droit sans volume mort, les particules ont moins de risque d'encrasser l'instrument. Le nettoyage peut être réalisé en quelques minutes et par conséquent, les temps d'arrêt seront limités.

  • Insensible aux vibrations.

    La mesure par ultrasons n'est pas sensible aux vibrations car elle ne repose ni sur les fréquences, ni sur les rotations. Le fait que le débit soit laminaire ou turbulent n'a pas d'importance non plus.

  • Régulateur PID intégré et réponse rapide.

    La carte de régulation PID intégrée peut être utilisée pour piloter une vanne ou une pompe de régulation, ce qui permet aux utilisateurs d'établir une boucle de commande compacte complète avec un temps de réponse rapide.

Découvrez les autres avantages et les spécifications techniques du débitmètre à ultrasons ES-FLOW :

Lire ces informations

Vous êtes intéressé par ce que la technologie des ondes ultrasons peut faire dans les applications où l'ajout des arômes est important ? Lisez notre article : Utilisation de la technologie des ondes ultrasons pour l'ajout des arômes de vos bonbons

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Étalonnage rapide et précis de pousse-seringue

Utiliser un capteur Coriolis améliore la rapidité et la précision de l’étalonnage des pousse-seringues

Marcel Katerberg
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Travailler sur des solutions de débits, plus particulièrement des solutions de faibles débits, vous met face à des applications et des défis qui peuvent s'avérer tout à fait surprenants. Cette semaine, c’est l’occasion de prouver les performances de nouvelles techniques d'étalonnage de pousse-seringue.

Ces pompes à perfusion, bien connues dans le domaine des applications médicales, offrent plusieurs principes de fonctionnement pour le dosage de différents liquides.

  • Les pompes volumétriques sont généralement utilisées pour l'alimentation et l'hydratation à des débits pouvant aller jusqu'à 1l/h.
  • Les pompes à seringue sont surtout utilisées pour doser avec précision des débits faibles (jusqu'à 1ml/h voire moins).

Nous avons appris auprès d'utilisateurs que l'affichage d'une pompe à seringue montre le point de consigne du débit sans donner d'informations sur le débit réel. En raison de l’absence de cette donnée, des contrôles réguliers à un débit ou une plage de débit prédéterminé doivent être effectués. Ces contrôles sont essentiels pour s'assurer que le débit de liquide de la pompe correspond aux attentes de l’utilisateur. C’est également une excellente occasion de consigner les performances de la pompe à des fins de consultation ultérieure et d'aide à la gestion.

Nous avons également appris, grâce à des groupes d'ingénierie médicale, qu'il existe principalement deux techniques d'étalonnage pour les pompes à perfusion.

Principes de mesure volumétrique

La première s'appuie sur les principes de mesure volumétrique. Cette méthode nécessite en général un débit important et un volume minimum pour atteindre une précision raisonnable dans un délai acceptable. Cette approche limite la possibilité de vérifier rapidement les pousse-seringues aux débits les plus faibles et dans des applications critiques. Elle génère en outre un processus d'étalonnage potentiellement inexact et chronophage.

Principes de mesure de la distance

La deuxième technique consiste à mesurer la distance parcourue par le piston sur une période de temps prédéfinie et à utiliser ce chiffre pour déterminer le volume de liquide injecté et donc extrapoler un chiffre d'acceptation ou de rejet. Cette technique est généralement établie par les fabricants des instruments et s'accompagne d'un haut degré d'imprécision si l'on considère l'imprécision des mesures manuelles, de la règle, du chronomètre et de la pompe.

Améliorer le temps de réponse et la précision de l'étalonnage des pompes à perfusion

Ayant pris connaissance des lacunes de ces techniques et après avoir parlé à plusieurs groupes de travail de professionnels utilisant des systèmes d'étalonnage de pousse-seringues, nous étions impatients de commencer de nouvelles recherches. Dans le cadre de ces études, nous testons de nouvelles technologies et techniques de capteur susceptibles d'améliorer le temps de réponse et la précision de l'étalonnage des pompes à perfusion.

Pour définir la valeur de cette étude, nous avons identifié avec les groupes de travail des applications potentielles dans lesquelles un dosage précis est un paramètre critique du procédé. Vous trouverez ci-dessous ces applications:

  • Utilisation en pédiatrie, où les patients sont très sensibles et vulnérables aux mauvaises posologies.
  • Faibles posologies où il est difficile d'obtenir un débit relativement précis et stable.
  • Médicament présentant une marge thérapeutique réduite où une haute précision est encore plus importante.
  • Systèmes de perfusions multiples, où plusieurs pompes sont connectées à une seule canule. Dans ces systèmes, la conformité des seringues et des tubes utilisés peut entrainer d'importantes erreurs de dosage.

Pédiatrie

Capteur Coriolis pour faibles débits

Nous sommes partis de l'hypothèse que les caractéristiques d'un capteur Coriolis pour les faibles débits pourraient contribuer à améliorer la précision et le temps de réponse des systèmes utilisés pour l'étalonnage des pousse-seringues. Nous avons démontré la validité de cette hypothèse dans le cadre d'une étude interne et d'un hôpital aux Pays-Bas. Le principe de Coriolis a été choisi en raison de sa précision et de sa stabilité prouvées sur le long terme. En raison de leur faible volume interne et d'une perte de charge limitée, ces instruments peuvent par ailleurs être utilisés en ligne pour tester les systèmes de perfusion complexes.

Précision et temps de réponses supérieurs

Nous avons comparé le capteur Coriolis à une balance électronique en interne. La mise en place de cette expérience a été approuvée par le Conseil d'accréditation néerlandais. Nous avons également réalisé une analyse comparative par rapport à un système d'étalonnage des pompes à perfusion d'un hôpital aux Pays-Bas.

Les résultats de cette étude ont confirmé que les techniques du capteur Coriolis peuvent dépasser, en précision et en temps de réponse, les principes de mesure actuellement appliqués aux systèmes d'étalonnage.

Lisez les explications de Mandy Westhoff sur une journée ordinaire au centre d'étalonnage des débitmètres de Bronkhorst (BCC)

Pour en savoir plus sur les débitmètres Coriolis combinés à une vanne ou une pompe, rendez-vous sur la page des instruments (mini) CORI-FLOW™ de notre site internet.

Cette vidéo montre le principe de fonctionnement d'un débitmètre massique Coriolis.

Débitmètre massique – les 10 meilleurs conseils d’utilisation

Comment installer un débitmètre ou un régulateur de débit massique ? Voici quelques conseils pratiques pour optimiser la performance de vos instruments

Graham Todd
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Lorsque vous installez un régulateur de débit massique (MFC) ou un débitmètre massique (MFM), il est important que la performance soit optimale dès l'installation et la mise en marche. Pour vous aider, voici quelques vérifications simples à effectuer.

1. La position de montage du débitmètre

La position de montage est importante. Pour les débitmètres, la position doit de préférence être horizontale, et à des pressions élevées (> 10 bar pour les instruments avec by-pass), tous les appareils de mesure devraient être montés dans cette position. Évitez une installation à proximité immédiate de vibrations mécaniques et/ou de sources de chaleur.

2. Eviter les interruptions

Évitez les angles prononcés directement sur l'entrée et la sortie, surtout en cas de débits élevés. Nous recommandons une distance égale de 10 à 30 fois le diamètre de votre tuyauterie entre un coude et l'instrument.

3. La plaque signalétique (étiquette avec le numéro de série)

Lisez la plaque signalétique de l'instrument avant l'installation et vérifiez le raccordement électrique, la plage de débit, les fluides à mesurer, la pression d'entrée et de sortie, la température de fonctionnement, la classification ATEX (si applicable) ainsi que les signaux d'entrée et de sortie. Vérifiez également la compatibilité chimique des joints avec le gaz du procédé.

4. Les décharges électrostatiques (ESD)

Les instruments contiennent des composants électroniques sensibles aux décharges électrostatiques (ESD). Un contact avec des personnes ou objets chargés d'électricité statique est susceptible d'endommager ces composants ou d'entraîner leur défaillance.

5. La pression

Ne mettez pas sous pression tant que les raccordements électriques n'ont pas été réalisés. Lors de la mise sous pression du système, prenez soin d'éviter les chocs de pression. Pour cela, nous recommandons d’augmenter progressivement la pression, surtout en cas d’utilisation à pression élevée.

6. Vérifier le système de conduites

Vérifiez que le système de conduites est propre. Pour une propreté absolue, installez toujours des filtres pour assurer un gaz exempt de particule, d'humidité et d'huile. Il est recommandé d'installer un filtre en ligne en amont du débitmètre massique ou régulateur de débit massique, et si un refoulement peut survenir, il est également conseillé d'installer un filtre en aval. Un clapet anti-retour bien sélectionné, en bon état de fonctionnement et positionné suffisament loin en aval du débitmètre peut s’avérer utile pour protéger un débitmètre gaz contre le retour de liquide.

7. L'installation en ligne

Installez le MFC/MFM sur la ligne et serrez les raccords conformément aux consignes fournies par le fournisseur des raccords.

8. Le diamètre de tuyauterie

Pour les débits élevés, évitez d'utiliser des conduites de faible diamètre. Une section de passage inappropriée peut en effet affecter la précision et créer une perte de charge importante au niveau des conduites et des adaptateurs. Choisir le bon diamètre de tuyauterie a son importance pour minimiser autant que possible l'effet de turbulence. Notre article précédent décrit l’effet de turbulence dans la mesure du débit de gaz et ce qu'il faut faire pour le réduire.

9. Le test de fuite

Vérifiez toujours l'absence de fuites avant de mettre le système sous pression, surtout si des liquides toxiques, explosifs ou d'autres fluides dangereux sont utilisés.

10. La mise sous tension

Mettez l'instrument sous tension et attendez env. 30 minutes pour que le système puisse chauffer et se stabiliser. Cette opération peut se faire avant ou après que le fluide du système ait été mis sous pression.

Nous espérons que cette liste pourra vous être utile. N'hésitez pas à l'imprimer pour qu'elle vous serve de référence la prochaine fois que vous devrez installer un débitmètre massique ou un régulateur de débit massique. Si vous avez des questions ou s'il vous semble que nous avons oublié quelque chose, n’hésitez pas à nous le faire savoir. Nous profiterons volontiers de votre expérience.

Consultez la FAQ sur notre site web ou téléchargez nos guides d'installation rapide et manuels d'instructions de nos instruments.

L’imprimante 3D dans l’industrie: une accélération pour le développement et le lancement en production des pièces manufacturées

Les imprimantes 3D deviennent des outils incontournables pour le développement et le lancement en production des pièces manufacturées.

Jeroen van Hal
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Bon nombre d'entre nous disposent d'une imprimante à jet d’encre ou laser, pour imprimer du texte ou des images "2D", sur du papier. Mais petit à petit, les imprimantes 3D font leur entrée dans nos maisons, pour la fabrication de gadgets, de bijoux et d'autres produits. L’impression 3D gagne de plus en plus en popularité. Aujourd’hui, d’importantes plateformes en ligne sont créées où des modèles « open source » comme Pinshape sont à la disposition de tout un chacun. L'impression en 3 dimensions, aussi connue sous le nom de fabrication additive, est une nouvelle technique de production selon laquelle des produits réels tridimensionnels sont fabriqués couche par couche, à partir de rien. Ce procédé est à l'opposé des opérations d'usinage traditionnelles de décolletage telles que le tournage, le taraudage, le forage, le fraisage ou la découpe, où de la matière est retirée pour fabriquer le produit.

L’impression 3D ou « prototypage rapide »

De nos jours, l’impression 3D est souvent associée à un procédé appelé « prototypage rapide », que les équipes de R&D utilisent pour créer une représentation physique (un prototype) d’une nouvelle invention pour qu’elle soit mise à l’essai et validée.

L'utilisation professionnelle des imprimantes 3D gagne en popularité pour la fabrication rapide de produits en série limitée et sur mesure. Cette technique est déjà utilisée à grande échelle pour des produits en polymères et en métal, tandis que l'impression 3D de céramique est en pleine croissance.

L'impression 3D chez Bronkhorst

Les imprimantes 3D sont devenues des outils incontournables de tout environnement de production. Ainsi, elles sont aussi mises à contribution chez Bronkhorst, tant pour le développement de produits que de processus. Cette technologie offre une nouvelle méthode de fabrication très accessible.

Nous utilisons plusieurs imprimantes 3D, principalement à des fins de visualisation - le prototypage rapide - et pour imprimer des outils qui faciliteront la production de débitmètres et régulateurs de débit massiques. Avant les imprimantes 3D, un prototype ou un composant devait être fabriqué dans un atelier externe, requérant davantage de temps et d'investissement. Grâce à cette nouvelle technique de fabrication, nous avons pu accroître notre productivité en imprimant les composants ou outils nous-mêmes, gagnant ainsi beaucoup de temps.

Il suffit de quelques heures pour évaluer le design d'un composant et déterminer s'il répond aux exigences. Qui plus est, pour la production en petites quantités, il n’est plus nécessaire d’investir dans la fabrication d'un gabarit.

Outre la rapidité de production, l'impression 3D offre d'autres grands avantages. Il est beaucoup plus efficace et convaincant de travailler avec un véritable modèle de composant physique en plastique qu'avec une image en trois dimensions, qui peut sembler parfaite et idéale, mais n'est pas réelle. La communication entre les départements de R&D, d'ingénierie et de production est aussi grandement simplifiée quand on dispose d'un modèle concret sur lequel baser les discussions. Quels sont les problèmes clés qui se poseront et quels peuvent être les risques d'un nouveau design ? Au département de R&D, l'impression 3D est surtout utilisée pour tester les fonctionnalités d'un nouveau modèle. Le département d'ingénierie se penche, lui, sur l'étape suivante, en faisant du design un modèle réaliste et productible.

Coopération avec des partenaires externes

K3D qui appartient au Kaak Group , à Terborg, a acquis la première véritable imprimante 3D industrielle pour le métal. Depuis septembre 2016, elle est pleinement opérationnelle. La MetalFab1 repose sur la méthode de fusion sélective par laser (SLM), une technique d'impression tridimensionnelle où une couche de poudre métallique est déposée, après quoi certaines particules de cette poudre sont fusionnées de manière sélective à l'aide de lasers. Il s'agit de la première étape vers la production de pièces métalliques à partir d'une imprimante 3D.

Pour avoir plus d’informations sur les régulateurs de débit massique dans les imprimantes 3D, vous pouvez lire l'article de blog de Jens Kiene sur la façon dont une imprimante 3D utilise un régulateur Mass Stream pour la fusion sélective par laser (article en anglais).

Le groupe Kaak s'est adressé à sept entreprises de sa région pour expérimenter cette nouvelle technique, avec l'ambition de faire de cette région des Pays-Bas une véritable « print valley ». Chaque semaine, Bronkhorst peut utiliser l'imprimante pendant plusieurs heures. Bronkhorst est continuellement à la recherche d'opportunités d'améliorer ses procédés de production de débitmètres, notamment en étudiant la possibilité d'intégrer davantage de fonctionnalités aux modules, sans interférer avec le design modulaire. De plus, les établissements d'enseignement régionaux sont également invités à utiliser la machine afin de familiariser les étudiants au fonctionnement de cette technologie.

Imprimante 3D Kaak

Des régulateurs de débit massique pour les imprimantes 3D

Parallèlement à l'usage de l'impression 3D pour le développement de nos propres produits et processus, cette technologie est également utilisée dans l’autre sens puisque les régulateurs de débit massiques sont utilisés à l'intérieur même des imprimantes 3D pour les métaux. En effet, pour réaliser la fusion sélective par laser, et afin d’éviter l'oxydation du métal pendant la fusion au laser au contact de l'oxygène présent dans l'air ambiant, il est essentiel de disposer d'une atmosphère de gaz inerte autour des particules de poudre métalliques devant être fusionnées à l'intérieur de l’imprimante. Pour ce faire, une barrière de gaz inerte doit être appliquée : l'argon pour l'acier, le titane et l'azote pour l'aluminium. Bronkhorst offre aux fabricants de ces imprimantes 3D un système permettant de réguler et de surveiller le débit de ces barrières de gaz inertes.

L'impression 3D est une méthode de fabrication additive qui offre à Bronkhorst une nouvelle technique de production, essentielle pour rester à la pointe des nouvelles tendances sur le marché en matière de développement de produits et de processus.

Pour en savoir plus, consultez la note d'application sur l’impression 3D des produits métalliques (texte en anglais).

Découvrez le débitmètre massique MASS-STREAM D-6300 utilisé pour l’impression 3D et regardez la vidéo.

Nouvelles technologies de flux avec fonctionnalité sensorielle intégrée

Partout dans le monde, les clients aspirent à simplifier et à intégrer toujours davantage leurs procédés de débit de gaz, de liquide ou de vapeur.

Egbert van der Wouden
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Partout dans le monde, les clients aspirent à simplifier et à intégrer toujours davantage leurs procédés de débit de gaz, de liquide ou de vapeur. Ils privilégient par ailleurs des supports compacts, robustes et fiables, capables même d’intégrer plusieurs types de capteurs.

Dans ce post, je vais vous présenter en avant-première la « boîte à outils » actuellement en développement chez Bronkhorst High-Tech B.V. À cet égard, vous avez déjà pu découvrir l’un de ses composants, à savoir le microcapteur de débit massique Coriolis, dans un article précédent de notre blog, intitulé « Miniaturisation à l'extrême : micro-capteur de débit massique Coriolis ».

Pourquoi développer une boîte à outils de prochaine génération ?

Nos clients nous font part au quotidien de leurs exigences en matière de miniaturisation et de la nécessité de pouvoir contrôler un ensemble de différents paramètres pour répondre aux besoins exigeants de leurs clients. Parmi ces clients, on retrouve l’industrie des sciences de la vie, les fabricants de dispositifs analytiques, mais également les activités qui nécessitent de mesurer les niveaux de concentration de gaz en ligne.

Technologie fondée sur les MEMS

Ce type de demandes nous ont amenés à explorer un niveau supérieur en matière de développement de capteurs, de sorte que ceux-ci puissent in fine répondre aux futurs besoins de nos clients. Ce développement d’un nouveau genre intègre une technologie fondée sur les microsystèmes électromécaniques (Micro-electromechanical Systems – MEMS), qui offrent la possibilité de mesurer bien plus que le débit d’un système personnalisé pouvant être doté d’un ou d’une combinaison de capteurs.

Paramètres

exemple de paramètres susceptibles d’être déterminés par la combinaison de plusieurs paramètres

Par exemple, une propriété physique mesurée peut être utilisée pour identifier le type de fluide, si cette propriété est unique pour ledit fluide. Autre possibilité, si le fluide en question est constitué du mélange de 2 gaz, une propriété peut être utilisée pour analyser la fraction de ce mélange binaire.

D’autres paramètres auxquels on pourrait songer sont la teneur en sucre d’un fluide, communément appelée le degré Brix, ou encore la capacité thermique pour mesurer des mélanges huile/eau.

Bref, ces nouveaux concepts sont en cours de développement et se destinent à apporter un support à nos clients pour leur permettre de résoudre les prochains défis technologiques.

Puce à paramètres multiples

À titre d’exemple, dans le cadre d’un programme de recherche sur la réduction de l’empreinte carbone, mis sur pied avec plusieurs partenaires, Bronkhorst a reçu une demande de projet pour mesurer des propriétés physiques du gaz. Les propriétés en question étaient les suivantes :

  • capacité thermique (cp)
  • densité (ρ)
  • conductivité thermique (λ)
  • viscosité (η)

Pour analyser ces propriétés, il a fallu utiliser plusieurs capteurs individuels comme un capteur Coriolis, un capteur thermique, un capteur de pression et un capteur de densité. Ensuite, afin de prouver que combiner plusieurs capteurs en association avec l’électronique pouvait répondre aux besoins des clients, nous avons développé un modèle de démonstration. Ce modèle contenait des produits disponibles dans le commerce, et nous les avons intégrés sur un seul système.

modèle de démonstration

modèle de démonstration

Les enseignements tirés du modèle de démonstration ont permis à l’équipe du projet de voir les perspectives de développement avec les puces à paramètres multiples.

S’agissant des performances d’un capteur, la stabilité constitue un aspect important, surtout lorsque plusieurs capteurs sont utilisés en association pour dégager des informations sur le fluide au sein du système. La puce développée et réalisée par Bronkhorst montre qu’il est possible de mesurer la viscosité en combinaison avec le débit massique, la densité et la pression différentielle.

À partir du modèle de démonstration ci-dessus, nous avons tenté de déterminer si la viscosité d’un fluide pouvait être mesurée de façon précise sur de longues périodes, indépendamment des variations de température de la pièce. Mesurer la viscosité peut s’avérer d’un intérêt particulier pour certaines applications, notamment dans le cas du gaz naturel qui présente une forte corrélation entre la viscosité et le pouvoir calorifique. Vous trouverez ci-après les résultats pour une période d’essai de 84 heures. On peut lire sur l’histogramme que toutes les valeurs mesurées pour la viscosité oscillent dans une fourchette de 0,5 %.

résultats des tests

les résultats pour une période d’essai de 84 heures

La prochaine étape consistera à combiner les mêmes fonctionnalités sur une empreinte beaucoup plus petite. Le concept ci-dessous présente les possibilités de combiner la mesure des paramètres requis au niveau de la puce.

omnicorder

Solutions de débit Bronkhorst®

Bronkhorst est déjà capable aujourd’hui de contribuer à développer et à fournir des solutions de débit 100 % personnalisables et capables de répondre aux besoins des clients pour tous les constructeurs de machines du monde en quête d’une simplification et d’une intégration accrue de leurs procédés de débit de gaz, de liquides ou de vapeurs.

Pour obtenir de plus amples informations sur nos futurs concepts de boîtes à outils, n’hésitez pas à contacter notre agence [email protected]

Les résultats de ce processus de co-création ont déjà été abordés dans des articles antérieurs :

L’effet de turbulence dans la mesure du débit de gaz

Dans cet article, parlons des débitmètres massiques thermiques avec un capteur à by-pass et l’effet que le débit turbulent a sur ces débitmètres.

Allard OVERMEEN
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Les instruments de mesure du débit thermique fonctionnent mieux avec un débit laminaire, du moins si l’on considère les débitmètres massiques et les régulateurs de débit massique thermiques équipés d'un capteur by-pass. Pour effectuer une mesure précise avec cet instrument de débit, le débit laminaire est privilégié.

Toutefois, dans la pratique, vous rencontrerez un débit turbulent assez souvent. Un débit turbulent peut être causé par des restrictions dans une installation, comme des vannes ou des adaptateurs, en combinaison avec une haute vélocité du fluide utilisé. Cet effet est connu sous le nom de turbulence. Un débit turbulent peut affecter la précision de votre mesure, chose que vous préféreriez éviter.

« La turbulence est un sujet dangereux, qui est souvent à l’origine de débats houleux lors de réunions scientifiques en la matière, car elle représente des points de vue très différents, tous ayant en commun la complexité et l’incapacité à résoudre le problème. » Marcel Lesieur, 1987

Comment empêcher cet effet de turbulence ? Commençons par expliquer ce qu’est un débit turbulent :

Débit turbulent versus débit laminaire

D’une manière générale, on peut dire qu'il existe deux types de débit : le débit laminaire et le débit turbulent. La photo 1 permet de visualiser un débit laminaire dans le cadre d’une expérience avec de l’encre dans un tube cylindrique. L’encre a été injectée dans le centre d’un tube en verre dans lequel s’écoule de l’eau. Lorsque la vitesse de l’eau est faible, l’encre ne se mélange pas avec l’eau, les lignes d’écoulement sont parallèles; c’est ce que l’on appelle un débit laminaire.

Si la vitesse de l’eau augmente, un changement soudain surviendra à une certaine vitesse. Le débit se perturbe complètement, et l’eau se mélange de manière homogène avec l’encre. Les lignes d’écoulement sont chaotiques au lieu de linéaires, c’est ce que l’on appelle un débit turbulent.

Ecoulement turbulent et laminaire

En théorie, le type de débit dépend de quatre variables :

  • Le diamètre du tube
  • La vitesse du fluide
  • La densité du fluide
  • La viscosité dynamique du fluide

Les facteurs combinés fournissent ce que l’on appelle le nombre Reynolds (Re), un paramètre important décrivant si les conditions de débit résultent en un débit laminaire ou un débit turbulent. En général, un débit laminaire survient avec un nombre Reynolds faible (≤ env. 2300), et un débit turbulent survient avec un nombre Reynolds élevé (≥ env. 3000). Entre ces deux nombres (Re 2300-3000), vous obtenez un débit 'de transition', ce qui signifie que le débit peut être laminaire ou turbulent (les nombres mentionnés concernent un tube cylindrique).

Quand est-ce qu’un effet de turbulence peut survenir ?

Comme nous l’avons déjà dit, l’effet de turbulence survient fréquemment dans les installations utilisant (outre mesure) des restrictions, comme des vannes ou des adaptateurs, en combinaison avec une haute vélocité du fluide utilisé. A chaque restriction, le débit va être interrompu et la vitesse du gaz changera (comme visualisé sur la photo 2). En plus de l’usage de restrictions, la longueur de la conduite doit être prise en compte. Comme il faut un certain temps pour qu’un débit turbulent redevienne laminaire, il est important d'utiliser la bonne longueur de conduite.

Vous préférerez éviter un débit turbulent à l’entrée de votre instrument de mesure du débit, car cela peut affecter la précision de votre mesure. Il est préférable d’avoir un débit laminaire juste avant l’appareil de mesure du débit. Toutefois, l’appareil utilisé comme régulateur de débit, avec une vanne derrière le débitmètre, peut causer à nouveau un flux turbulent. Cela n'est pas un désavantage pour tous les types de débitmètres. Ce sont principalement les débitmètres massiques thermiques reposant sur le principe du by-pass qui sont sensibles à cet effet. Les débitmètres basés sur le principe de Coriolis, de CTA (Constant Temperature Anemometry ou anémométrie à température constante) ou à ultrasons sont insensibles à la turbulence.

Pourquoi les débitmètres massiques thermiques avec capteur by-pass sont-ils plus sensibles ?

Le fonctionnement des instruments avec un capteur by-pass est basé sur un débit principal passant par une restriction et une petite partie du débit passant par le capteur. Le ratio entre ces deux débits est déterminé par la chute de pression dans le capteur et la restriction du débit laminaire. L’effet de turbulence perturbera ce ratio. Comme les instruments avec capteur by-pass sont souvent utilisés pour des mesures très précises, l’effet de turbulence peut être considérable sur les résultats de mesure.

Que pouvez-vous faire pour réduire les effets néfastes des débits turbulents ?

Lors de l’utilisation de débitmètres massiques thermiques avec capteur by-pass, nous recommandons de procéder comme suit :

1) Essayez d’éviter les restrictions dans le procédé, telles que vannes, adaptateurs et coudes.

  • Ne montez pas directement le débitmètre juste après une restriction, comme une vanne. Toutefois, s'il n’est pas possible de faire autrement, vous pouvez utiliser un filtre de turbulence entre la vanne et le débitmètre, ou utiliser un débitmètre avec filtre de turbulence intégré.
  • L’utilisation d’un coude près d'un débitmètre devrait être évitée autant que possible.

2) Limitez la vitesse de votre débit en utilisant la bonne longueur de conduite. En général, il est recommandé d’utiliser une longueur minimale de :

  • 10X le diamètre de la conduite à l’entrée de l'instrument
  • 4X le diamètre de la conduite à la sortie de l'instrument (débitmètre uniquement)
  • Pour les taux de débit de gaz > 100 l/min, on utilise habituellement une conduite de 12 mm (1/2’’).

3) Utilisez un tranquilisateur de flux dans votre procédé. Le tranquilisateur de flux filtrera le débit avant qu'il n’arrive au capteur et le rendra à nouveau laminaire. A l’heure actuelle, les débitmètres sont souvent équipés d'un tel filtre intégré (comme la série EL-FLOW de Bronkhorst) ou disposent d'un circuit d’écoulement étendu (comme les débitmètres Low delta P de Bronkhorst).

LFE-Elément laminaire

Tranquillisateur de flux intégré (LFE)

Ecoulement étendu du débit dans un débitmètre

Ecoulement étendu du débit dans le débitmètre

Applications

Les conséquences des turbulences dépendent grandement de l’application. Par exemple, dans les procédés pour semi conducteurs, et en particulier dans les procédés de revêtement tels que la pose de couche, le débit turbulent est à éviter à tout prix. Un procédé stable est essentiel ici. Toutefois, dans d’autres procédés de revêtement, comme les techniques de projection à la flamme, l’impact des turbulences sera moindre, en raison de la haute pression du débit. Tout dépend du procédé et de l’application. Si vous avez besoin d’aide pour l’installation de votre débitmètre, contactez notre service clientèle à l’aide du formulaire de contact.

Pour de plus amples informations sur le principe de fonctionnement des appareils Bronkhorst, consultez les différents principes de fonctionnement des débitmètres utilisés chez Bronkhorst.

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