l’importance de la mesure de débit massique et la pertinence de la technologie Coriolis

Pourquoi la mesure du débit massique est importante dans les procédés industriels et quels avantages présentent les débitmètres et régulateurs Coriolis?

James Walton
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Pourquoi la mesure du débit massique est importante et quels avantages présentent les débitmètres et régulateurs Coriolis ?

Qu'il s'agisse d'un liquide ou d'un gaz, la mesure du débit est généralement un paramètre critique dans de nombreux procédés. Pour la plupart des opérations, il est essentiel d'être sûr que le bon fluide est au bon endroit au bon moment. Certaines applications critiques nécessitent que l'on puisse mesurer les débits avec précision afin de garantir la qualité des produits. La santé et la sécurité est un facteur à ne pas négliger lorsque l'on travaille avec des liquides et des gaz. Il est donc essentiel d'investir pour garantir que votre équipe opère dans un environnement sûr et productif. Le fait de mesurer le débit et la pression peut assurer la sécurité du procédé et du personnel.

Avec la plupart des débitmètres pour les gaz et les liquides, le débit est déterminé par inférence en mesurant la vitesse des fluides ou la variation de l'énergie cinétique.

D'autres facteurs ayant une influence sur le débit d'un liquide sont sa viscosité et sa densité, de même que la friction du liquide en contact avec la conduite.

Étant donné la grande diversité en matière de technologies de débitmètres disponibles sur le marché, il peut s'avérer difficile de choisir celle qui soit la plus adaptée à l'application visée.

Une question importante et à laquelle on ne pense peut-être pas toujours consiste à examiner ce que l'instrument est supposé faire et si ses capacités répondent à cette attente.

Mesure directe du débit

La mesure directe du débit massique est un développement important au sein de l'industrie car elle élimine les imprécisions dues aux propriétés physiques du fluide, dont - et non des moindres - la différence entre le débit massique et le débit volumique. Les variations de température et de pression n'ont pas d'influence sur la masse. Ce simple fait donne toute son importance à cette méthode de mesure de débit de fluide. En termes de précision, le débit volumique reste valide du moment que les conditions du procédé et que les conditions d'étalonnage de référence sont respectées. Les appareils de mesure volumétrique, tels que les débitmètres à bille et les débitmètres à turbine, sont incapables de distinguer les variations de température ou de pression.

Débit massique contre débit volumique

Débit massique contre débit volumique

Une des méthodes de mesure de débit massique utilise le phénomène de la force de Coriolis.

Le principe de mesure du débit Coriolis

Le principe de mesure du débit Coriolis est présent tout autour de nous dans le monde physique, par exemple dans la rotation de la terre et son effet sur les conditions météorologiques. Le principe de fonctionnement est basique mais très efficace.

Une énergie est appliquée sur un tube par une vibration fixe. Lorsqu'un fluide passe à l'intérieur de ce tube, l'impulsion du débit massique provoque une variation de la vibration du tube. Celle-ci fait osciller le tube, ce qui se traduit par un déphasage. Cette oscillation peut être mesurée et on en déduit une sortie linéaire proportionnelle au débit.

Ce principe mesure le débit massique indépendamment de la substance présente à l'intérieur du tube. Il peut donc être appliqué directement à n'importe quel fluide circulant dans le tube, que ce soit un liquide ou un gaz. De plus, en parallèle avec le déphasage de fréquence entre l'entrée et la sortie, il est également possible de mesurer la variation réelle de la fréquence naturelle. Cette variation de fréquence est directement proportionnelle à la densité du fluide – et on peut en déduire une sortie de signal supplémentaire. Il est intéressant de constater qu'en ayant mesuré à la fois le débit massique et la densité, il est possible d'en déduire le débit volumique.

Par rapport à d'autres principes, les débitmètres massiques Coriolis présentent des caractéristiques intéressantes :

  • Pas besoin de (ré)étalonnage du champ – mesure et régulation de débit indépendantes du fluide
  • Possibilité de mesurer le gaz et le liquide avec le même capteur
  • Capacité à mesurer un mélange indéfini ou variable
  • Paramètres multiples

Appliqué à un débitmètre massique, le principe de Coriolis a toute sa place dans la mesure et la régulation de fluides dans de nombreuses industries.

Débitmètres et régulateurs de débit Mini CORI-FLOW

Bronkhorst a conçu la série Mini CORI-FLOW, une gamme de débitmètres / régulateurs de débit massique Coriolis compacts et économiques pour mesurer et réguler de façon précise des débits de gaz et de liquide (ultra) faibles.

Ces débitmètres et régulateurs de débit offrent d'excellentes performances même en cas de modification des conditions de service : pression, température, densité, conductivité et viscosité. Découvrez la gamme.

Débitmètre coriolis mini-CORIFLOW

Débitmètre massique Coriolis Mini CORI-FLOW

Si vous souhaitez plus d'informations au sujet des débitmètres et régulateurs de débit massique Coriolis, contactez notre équipe.

Débitmètres massiques Coriolis - articles connexes

Plasma à couplage inductif (ICP) pour analyse environnementale

Les techniques de plasma à couplage inductif (ICP-AES) sont utilisées pour retracer les métaux et autres éléments présents dans l'eau. Les débitmètres jouent un rôle important dans cet équipement.

Rob Ten Haaft
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Pour pouvoir mener une vie saine, il est souhaitable de connaître la nature et la teneur des éléments chimiques indésirables qui se trouvent dans notre environnement. Si une commune souhaite dépolluer un terrain dans le but de construire un nouveau quartier, il est bon de savoir si l'ancienne exploitation du site a laissé derrière elle des métaux lourds ou des substances nocives, comme l'arsenic. Les exploitants de sources d'eau potable, d'eau de surface ou d'eau de pêche doivent également connaître la qualité de leurs eaux afin de déterminer si elles sont conformes aux règles sanitaires et environnementales. De plus, pour garantir une bonne qualité de l'air, la teneur en oligo-éléments dans les particules en suspension dans l'air doit être limitée.

Par ailleurs, il existe d’autres domaines, en dehors du secteur de l'environnement, où il est pratique de pouvoir identifier et quantifier les éléments présents. Comme la concentration d’éléments métalliques dans les huiles moteur pour déterminer la vitesse à laquelle un moteur s'use ou la concentration d'engrais dans les terres agricoles pour déterminer s'il est nécessaire de poursuivre la fertilisation. Les débitmètres et régulateurs de débit ont leur rôle à jouer ici. En tant que spécialiste de l'industrie pour le marché de l'analyse, permettez-moi de vous décrire ces techniques.

Plasma à couplage inductif - spectrométrie d’émission atomique, ICP-AES

Nous venons de voir qu'il est important pour de nombreuses applications de connaître la quantité et le type d'éléments chimiques présents dans l'environnement. La technologie ICP-AES est une bonne technique d'analyse pour mesurer la nature et la concentration des éléments qui se trouvent dans les matières solides, les liquides ou les gaz. ICP-AES est l'acronyme de Inductively Coupled Plasma - Atomic Emission Spectrometry (Plasma à couplage inductif - Spectrométrie d’émission atomique). De par sa grande précision (ppb - parties par milliard), la technologie ICP-AES convient parfaitement à l'analyse des oligo-éléments, c'est-à-dire les éléments à très faible concentration. Cette technologie permet de déterminer la teneur en métaux (comme le mercure) et métalloïdes (comme l'arsenic) tout en analysant simultanément des dizaines d'autres éléments. Qu'est-ce qui se cache derrière cette technologie et en quoi la régulation et la mesure précise des gaz jouent-elles ici un rôle ?

L’alimentation contrôlée de l’argon par un régulateur de débit

Pour faire court : En tant que technique d'analyse élémentaires, la technologie ICP-AES utilise un plasma à couplage inductif (ICP) pour générer des ions et des atomes excités à partir des éléments présents dans l'échantillon à analyser dont le spectre caractéristique est mesuré par spectrométrie d'émission atomique (AES) quand ils retournent à leur état fondamental. L'intensité des raies du spectre offre une mesure directe de la concentration des éléments dans l'échantillon.

Les échantillons peuvent uniquement entrer dans l'équipement ICP-AES sous forme liquide. Ce n'est pas un problème pour l'eau mais c'en est un pour les échantillons du sol et autres matières solides. Vous libérez donc les éléments chimiques en dissolvant l'échantillon dans un acide puissant : de l'eau régale (mélange d'acide chlorhydrique et d'acide nitrique). Une pompe péristaltique aspire le liquide échantillon qui se trouve dans un récipient et le transporte dans le nébuliseur, où le liquide se transforme en aérosol ou spray. Pour contrôler avec précision la concentration du spray (et le diluer si besoin est), un débit d'argon est introduit dans le nébuliseur via un régulateur de débit. Le spray pénètre ensuite dans la chambre du réacteur, où il entre en collision avec le plasma qui se trouve déjà dans cette chambre.

Si vous passez un gaz avec suffisamment d'énergie, au milieu d’une bobine alimentée d’une tension électrique élevée, les électrons de certains atomes de gaz peuvent se libérer. Ainsi, en plus des particules de gaz d'origine, vous obtenez un mélange d'électrons négatifs et d'ions positifs. Ce « mélange gazeux ionisé » de particules chargées est appelé plasma. Le plasma est considéré comme le quatrième état d'un matériau, en plus des états solide, liquide et gazeux. Dans un équipement ICP, l'argon forme la base du plasma et ce gaz doit être alimenté avec précision grâce aux régulateurs de débit massique. Le plasma affiche une température très élevée d'environ 7 000 degrés Celsius. Comme la composition du plasma doit toujours être juste, le débit d'argon doit être précis et continu. Et pour protéger l’environnement extérieur de ces températures élevées, un gaz de refroidissement (argon) est projeté à l'extérieur du réacteur.

Régulation de la nébulisation (spray)

Quand le spray qui contient les éléments chimiques à mesurer entre en collision avec le plasma, ces éléments sont convertis en plasma. Les éléments sont soumis à une telle quantité d'énergie qu'ils se trouvent dans un état excité. Mais ces éléments sont dans un état instable dans cet environnement et ils préfèrent retrouver leur état fondamental à un niveau d'énergie inférieur. Quand cette transition se produit, les éléments émettent un rayonnement qui leur est propre. Ce rayonnement est détecté par le spectromètre et son intensité mesurée est parfaitement proportionnelle à la teneur de l'élément en question dans l'échantillon. Étant donné que chaque élément est associé à une série de longueurs d'onde qui lui sont caractéristiques dans le rayonnement émis, cette technique permet d'identifier plusieurs éléments simultanément. Si vous disposez d'une gamme d'étalonnage pour les éléments en question ou si vous avez inclus un étalon interne dans le nébuliseur, vous pouvez également quantifier ces quantités.

Spectromètre, ICP-AES ou ICP-OES

Le spectromètre AES est une combinaison de miroirs, de prismes, de monochromateurs / polychromateurs et de détecteurs qui contrôlent et mesurent le rayonnement émis. Pour éviter toute perturbation - suite à l'absorption du rayonnement par des gaz contenant de l'oxygène, par exemple - l'environnement dans lequel se trouvent ces objets optiques est constamment purgé à l'azote. Ce débit de gaz n'a pas besoin d'être très précis mais il doit être reproductible. Pour ce faire, l'utilisation de régulateurs de débit est extrêmement importante. Par ailleurs : le terme ICP-AES (spectrométrie d'émission atomique) est parfois remplacé par ICP-OES (spectrométrie d'émission optique). Deux noms pour une seule et même technologie.

Chromatographie

ICP-MS

La technologie ICP-MS est une technique similaire d'analyse des éléments, si ce n'est que la détection n'est pas optique ici. Les particules chargées du plasma arrivent dans un spectromètre de masse (MS). Elles y sont séparées en fonction de leur rapport masse/charge et le rapport relatif de chacune de ces particules chargées est enregistré. La technologie ICP-AES se passe sous pression atmosphérique tandis que la technologie ICP-MS nécessite le vide. La limite de détection pour la technologie ICP-MS est inférieure à celle pour la technologie ICP-AES.

Les analyses environnementales n'étudient pas uniquement la quantité totale d'un élément dans l'échantillon mais également si l'élément est libre ou s'il fait partie d'un composé chimique. Par exemple : les composés inorganiques de l'arsenic sont beaucoup plus toxiques que les organiques. Vous pouvez utiliser les technologies ICP-AES et ICP-MS pour faire la distinction entre ces différentes formes d'éléments, ce que l'on appelle la « spéciation ». Pour ce faire, il est cependant nécessaire que les différentes formes soient séparées les unes des autres avant l'ICP par une chromatographie ionique (IC), par exemple. IC et ICP sont régulièrement combinés.

Débitmètres massiques et régulateurs de débit pour ICP-AES

Solution Manifold

Solution Manifold numérique

« Au début » de la technologie ICP, l'arrivée des gaz était contrôlée manuellement. Quand l'automatisation a fait son apparition dans ce domaine, la régulation des gaz a été concernée et les débitmètres massiques ont fait leur apparition. Les débitmètres massiques et les régulateurs de débit sont utilisés dans les équipements ICP-AES pour injecter les gaz inertes. Si vous maîtrisez la régulation du débit de gaz, la technique analytique est plus précise et plus stable, ce qui permet d'atteindre des limites de détection plus basses. Ce qui est déterminant compte tenu des exigences de qualité et d'environnement de plus en plus strictes.

Bronkhorst fournit de nombreux débitmètres pour le marché de l'analyse et compte plusieurs grands fabricants d'équipements d'analyse parmi ses clients. Bronkhorst conçoit d'ailleurs souvent des solutions spécifiques « manifolds » pour ses clients. Ces solutions intègrent de multiples fonctionnalités dans un module compact personnalisé. En effet, les instruments compacts et de faible encombrement sont de plus en plus importants pour les laboratoires dont l'espace de travail ne cesse de se réduire.

Lisez la note d'application « Controlled supply of gases in Inductively Coupled Plasma (ICP-AES) for environmental analysis ».

Si vous souhaitez en savoir plus sur les éléments traces ou l'ICP, contactez nos spécialistes.

Mesure de débit en microfluidique

Les applications microfluidiques se trouvent dans des domaines très variés et les liquides dans les dispositifs microfluidiques se comportent différemment par rapport à un écoulement dans des canaux "normaux".

Vincent Morin
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Les têtes d'impression à jet d'encre et les « Lab-on-a-chip » (laboratoires sur puce) ont été les premiers représentants de la microfluidique, avec la circulation de liquides à l'intérieur de canaux d'un diamètre de l’ordre du micron. Les dispositifs microfluidiques sont fabriqués par impression lithographique et autres procédés qui trouvent leur origine dans la fabrication de circuits intégrés.

Dans ces dispositifs, les liquides se comportent différemment par rapport à un écoulement dans des canaux « normaux ». En raison de la petite taille des canaux, le phénomène « effet de bord » joue un rôle déterminant.

Les applications microfluidiques se trouvent dans des domaines extrêmement variés telles que la pharmacie, la biotechnologie, la microbiologie, la microchimie (catalyse) et la culture cellulaire où ces procédés réduisent la quantité de produits chimiques et la durée des expériences nécessaires. Ces problématiques sont également présentes dans l’optique ou la microéléctronique et plus particulièrement dans les applications d’encapsulation (Drug encapsulation) et de Lab-on-a-chip.

Une société française produisant des systèmes pour les applications microfluidiques utilise actuellement des débitmètres massiques thermiques dans son système. L’expérience a montré que les mesures de débit massique thermique de son application étaient trop instables et non reproductibles. Bronkhorst lui a proposé une solution alternative utilisant la technologie Coriolis.

Système microfluidique

Après avoir étudié les applications du client, Bronkhorst a proposé au client de tester le débitmètre massique ML120 mini CORI-FLOW et de comparer les résultats obtenus avec ceux des débitmètres massiques thermiques habituellement utilisés. Le client a testé et validé le ML120 après quelques semaines d’essais.

Enthousiaste, le client en a conclu rapidement que le ML120 apportait une amélioration notable en matière de précision, de stabilité et de répétabilité. De plus, il était possible de remplacer cinq débitmètres massiques thermiques par un seul débitmètre Coriolis pour couvrir les mêmes besoins. Exprimant toute sa confiance en Bronkhorst et en son professionnalisme, le client a décidé d'intégrer le ML120 à sa gamme de produits. Dans le cadre d'une plus ample coopération avec Bronkhorst, le client a développé en outre un guide destiné aux utilisateurs, ainsi qu'un guide de vente pour les ingénieurs commerciaux. De plus, certains travaux de programmation ont été effectués dans LabVIEW afin de communiquer avec les appareils de Bronkhorst.

Après plusieurs mois d’utilisation chez les clients finaux, le Mini CORI-FLOW ML120 emporte une large adhésion. Il a permis l’amélioration, la fiabilisation et la simplification des applications demandant le plus de précision. L’interface développée sous LabVIEW par la société partenaire est très appréciée des utilisateur.

Cette vidéo montre le principe de fonctionnement du débitmètre Coriolis Mini CORI-FLOW

WEBINAIRE - La débitmétrie en microfluidique

Webinaire microfluidique

Pour vos applications micro-fluidiques : connaître les points forts et les limites des différentes technologies de mesure est essentiel pour maîtriser et manipuler parfaitement les micro-débits de gaz et de liquide. Suivez notre webinaire le jeudi 9 juillet 2020 à 11h, pour tout savoir sur :

  • La débitmétrie et la régulation de micro débits gaz et liquide
  • La régulation de pression de micro débits gaz et liquide
  • La micro évaporation

Contrôler une pompe à l'aide d'un régulateur de débit massique peut optimiser la couleur du détergent

Découvrez comment le contrôle d' une pompe à l'aide d'un débitmètre massique Coriolis permet de doser des colorants liquides de manière appropriée.

Ron Tietge
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Les régulateurs de débit massique avec le contrôle d’une pompe offrent des solutions uniques de dosage précis pour les produits chimiques ménagers tels que les détergents et les produits de nettoyage.

Utiliser le contrôle de la pompe pour doser les colorants non dilués

Les grandes entreprises de produits ménagers du monde entier utilisent des colorants liquides pour ajouter de la couleur à leurs détergents, à leurs produits de lavage et de nettoyage. Les colorants sont très concentrés et, souvent, une petite quantité suffit pour donner la bonne couleur au produit fini.

Les deux exigences les plus importantes sont par conséquent :

  • La reproductibilité : l'uniformité de la couleur du produit final est d'une importance capitale, car chaque flacon doit être de la même couleur. Le dosage de la couleur doit donc être d'une régularité invariable.
  • L'exactitude : les colorants ayant tendance à ne pas être bon marché, un dosage précis du colorant est fortement souhaitable.

Comment doser ces colorants liquides de manière appropriée ?

La première solution qui vient à l'esprit consiste à utiliser une pompe pour doser le colorant. Cette manière de doser n'est cependant pas très précise, du moins pas pour cette application. Associer une pompe à un régulateur de débit massique Coriolis ou à un régulateur de débit volumique à ultrasons vous permettra de contrôler la pompe et par conséquent, le dosage, de manière beaucoup plus précise.

Débitmètre Coriolis et pompe

Débitmètre massique Coriolis associé à une pompe Tuthill

Comment fonctionne le contrôle de la pompe ?

Le débit généré par une pompe est un débit volumétrique, avec toutes les caractéristiques que cela implique. La précision dépendra fortement des propriétés du fluide, et le débit dépendra de la température et de la pression. En outre, la plupart des pompes ne peuvent pas gérer une fluctuation de la contre-pression, car cela entraîne une instabilité et d'importantes déviations du débit.

Une méthode pour améliorer l'exactitude consiste à mesurer le débit de la pompe avec un débitmètre, puisque ces instruments mesurent le véritable débit massique (en kg/h, g/h, etc.). La sortie du débitmètre est souvent reliée à un régulateur PID qui corrige la fréquence de rotation (tr/min) de la pompe. L'un des inconvénients de cette méthode est que le débit d'une pompe n'est pas stable, ce qui oblige à filtrer le signal de sortie, qui subit par conséquent un ralentissement. Parce que ce signal est aussi utilisé comme signal de commande, la réponse et le contrôle seront ralentis.

Utiliser un régulateur de débit pour contrôler la pompe

Pour éviter cela, vous pouvez utiliser un débitmètre massique Coriolis ou un débitmètre volumique à ultrasons avec régulateur PID intégré et signal de commande séparé pour contrôler la vitesse de la pompe. Parce que ce signal de commande, contrairement au signal de sortie, ne subit pas l'interférence du filtre, la combinaison du débitmètre et de la pompe peut atteindre une stabilité et une vitesse de contrôle sans équivalent. En cas de changement de la contre-pression, le débit est immédiatement corrigé par une accélération ou un ralentissement presque instantané du fonctionnement de la pompe, ce qui assure le maintien de la précision requise.

Cette méthode de mesure du débit est indépendante des propriétés des fluides, et il n'est donc pas nécessaire de recalibrer ou de faire appel à des facteurs de conversion en cas de changement de liquide.

Débitmètre à ultrasons avec une pompe pilotée

Contrôle de la pompe à bas débit

Dans notre exemple de dosage de colorants liquides, un régulateur de débit massique Coriolis à débit (ultra) faible permet de doser du colorant non dilué. Il devient dès lors superflu de mélanger le colorant avec de l'eau pour créer un débit suffisamment élevé. Non seulement le colorant non dilué est beaucoup plus concentré et donc, d'une qualité bien meilleure que les mélanges avec de l'eau, mais il est également possible d'économiser l'eau et d'éviter le développement d'algues à l'intérieur de l'équipement.

Principe de mesure d'un débitmètre massique Coriolis

Vous voulez en savoir plus?

Vous pouvez consulter nos systèmes de dosage liquide sur notre site ou nous contacter.

FlowSuite, une nouvelle application permettant de suivre et d'optimiser les débitmètres Bronkhorst

Vous souhaitez optimiser ou monitorer votre débitmètre ou votre régulateur de débit ? Bronkhorst a la solution : sa nouvelle application, FlowSuite, pour le suivi, la configuration et l’optimisation des instruments numériques

Ahad Djafari
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Bronkhorst a récemment lancé un nouveau logiciel, baptisé FlowSuite, dédié aux suivis des paramètres, à l’acquisition de données et à la maintenance des débitmètres numériques de la marque. En tant que Chef de Produit des interfaces de communications industrielles, des logiciels de commande & clients, Ahad Djafari s'est largement impliqué dans le développement de cette application. Dans cet article de blog, Ahad nous explique pourquoi il s'est lancé dans le développement de cet outil logiciel pratique et performant auprès de collègues de l’équipe de R&D et d'experts externes.

Cet article de blog, qui traite du thème des enseignements tirés, repose sur une interview réalisée par Carolien Meijer, Responsable Marketing Stratégique et Lynn Woerts, Responsable e-Marketing.

Pourquoi avoir développé une application pour les débitmètres ?

De nos jours, les appareils du quotidien évoluent et leur utilisation devient plus intuitive, qu'il s'agisse d'aspirateurs ou de montres intelligentes. Les consommateurs sont de plus en plus habitués aux produits « plug-and-play », tant dans le privé que dans la sphère industrielle. Nous souhaitions donc développer un nouvel outil logiciel fonctionnel afin de pouvoir facilement faire le suivi des paramètres des débitmètres.

Dans la fonction que j'occupais précédemment chez Bronkhorst, à savoir Ingénieur Technico-commercial Solutions Débitmètrie Personnalisées, mon rôle consistait à épauler les clients lors de la phase de démarrage en utilisant des débitmètres afin d'optimiser leurs procédés. J'intervenais également pour le dépannage et la mise en service. J'ai alors remarqué que la plupart des ingénieurs sont impatients de mettre en œuvre le procédé et bien moins intéressés par les paramètres des différents équipements pendant la phase de démarrage. Je me suis servi de ce constat pour définir les spécifications du nouvel outil logiciel.

Au-delà de ma propre expérience, nous avons également observé et interrogé nos ingénieurs de maintenance sur site et les utilisateurs finaux. L'équipe en a conclu que l'application devait être à même de détecter et de suivre plusieurs débitmètres à la fois et que les utilisateurs finaux devaient pouvoir choisir parmi plusieurs langues.

Connecter son débitmètre facilement à FlowSuite-Ahad

Ahad Djafari, Chef de Produit des interfaces de communications industrielles & logiciels clients

"Je suis très fier du résultat obtenu par notre équipe. FlowSuite est une application fonctionnelle qui permet de contrôler, de configurer et d'optimiser facilement nos débitmètres numériques via une interface unique, disponible en 6 langues."

Quelles sont les prochaines étapes ?

À présent que l'application FlowSuite a été lancée, nous travaillons déjà sur quelques fonctions supplémentaires : outils de configuration simples à utiliser afin de prendre en charge des procédés plus complexes, comme le dosage précis des lots d'additifs.

Qu'est-ce qui fait la force de FlowSuite ?

Avec FlowSuite, il est possible de contrôler, de configurer et d'optimiser les instruments numériques de Bronkhorst via une interface unique. Le logiciel est polyvalent et offre de nombreuses fonctionnalités utiles, telles que l'affichage de plusieurs graphiques, une configuration aisée des appareils et l'enregistrement en temps réel des données mesurées dans un fichier CSV. L'interface utilisateur moderne peut être personnalisée et existe en anglais, français, allemand, chinois, japonais et coréen. FlowSuite est disponible dans le Microsoft store. Elle est donc facile à installer et à mettre à jour.

Application logiciel pour monitorer et optimiser les débitmètres

Interface de FlowSuite

Comment produire du graphène à grande échelle ?

Production évolutive de graphène à partir de la décomposition d'éthanol à l'aide d'une torche à plasma micro-ondes d'argon utilisant un système à vapeur de Bronkhorst

Gerhard BAUHUIS
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Le "Graphene Flagship" est un projet phare de la Commission Européenne dans le cadre du programme Technologies Futures et Emergentes. Le 3 avril 2020, elle a annoncé qu'elle était en transition vers la phase dite "Core 3", le quatrième cycle de financement de l'initiative de recherche d'1 milliard d'euros financée par la Commission Européenne. Au cours de cette phase de trois ans, le projet « Graphene Flagship » prévoit d'avancer bien plus loin vers la commercialisation du graphène et des matériaux en couches. Tout en gardant un œil sur la recherche fondamentale, le "Graphene Flagship Core 3" mettra l'accent sur la recherche innovante afin de faire passer les technologies basées sur le graphène à des niveaux plus matures pour sa production et son utilisation.

Qu'est-ce que le graphène ?

Le graphène peut être classé en 3 types : le graphène monocouche, bicouche et multicouche.

  • Le graphène monocouche constitue la forme la plus pure et présente des propriétés particulières, qui en font un matériau attractif pour un grand nombre d'applications.
  • Les graphènes bi- et multicouche disposent pour leur part d'autres propriétés (moins qualitatives). Plus le nombre de couches augmente, moins il est coûteux à produire.

Dans ce post, je me limiterai au graphène monocouche car il reste la forme de ce matériau ayant à ce jour débouché sur les meilleurs résultats d'étude.

Le graphène est le premier matériau en 2D au monde, composé d'une unique couche d'atomes de carbone, tels qu'on en retrouve dans le diamant ou les pointes de crayon. Les atomes de carbone du graphène sont ordonnés en hexagones (structure en nid d'abeilles ou en treillis). Cette particularité confère au graphène monocouche les propriétés suivantes :

  • 200 fois plus solide que l'acier
  • 1 000 000 de fois plus fin qu'un cheveu humain
  • Le matériau le plus léger au monde (1 m² pèse environ 0,77 mg)
  • Souple
  • Transparent
  • Imperméable aux molécules d'eau
  • Une conductivité électrique et thermique particulièrement bonne

Le graphène peut également être combiné à d'autres matières, telles que des gaz et des métaux, afin de produire de nouveaux matériaux présentant les propriétés précitées, ou d'améliorer des matériaux existants.

Modelestructuregraphene

La production de graphène

À l'heure actuelle, on ne dispose encore d'aucune méthode pour produire du graphène à grande échelle, à un coût acceptable. Des études sont encore menées dans ce sens.

Le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PE-CVD)

Il existe différentes méthodes pour produire du graphène. L'une des plus connues, utilisée pour produire du graphène monocouche, est celle du dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PE-CVD).

Selon ce procédé, un mélange de gaz, dont au moins un est composé de carbone, est chauffé jusqu'à obtention de plasma. Des débitmètres massiques et régulateurs de débit massique sont utilisés au cours du processus de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) afin de doser les gaz et liquides nécessaires dans les bonnes proportions.

La méthode du PE-CVD permet, grâce au plasma, de déposer une couche de graphène sur un substrat de nickel ou de cuivre. L'étape de chauffe peut avoir lieu dans un espace sous vide. Il existe également des méthodes de productions CVD dites « vertes », où la matière est chauffée dans un environnement sous pression atmosphérique. En recourant au dépôt chimique en phase vapeur, on parvient à produire de plus grandes feuilles de graphène.

Certaines matières premières utilisées le sont à l'état liquide, de sorte qu'elles doivent premièrement être évaporées afin de pouvoir être intégrées au procédé de CVD sous forme gazeuse. Pour garantir le succès de la méthode de dépôt chimique en phase vapeur (assisté par plasma), ou PE-CVD, il est essentiel que le plasma soit composé dans les bonnes proportions et avec grande précision, à l'aide d'instruments de mesure de débit extrêmement précis. Une seule erreur dans le plasma peut faire apparaitre des défauts dans la feuille de graphène : ces impuretés dans la structure en 2D du graphène peuvent altérer les propriétés uniques du produit.

Production à grande échelle de graphène à partir de techniques recourant au plasma

Récemment, notre distributeur espagnol Iberfluid Instruments S.A. a participé à une étude de l'université de Cordoue portant sur les possibilités de production à grande échelle de graphène en recourant à une méthode de plasma sous pression atmosphérique. Dans le cadre de ce procédé, de l'éthanol est évaporé à l'aide du système d'évaporation de Bronkhorst, ou système CEM (Contrôle - Évaporation - Mélange), en vue de la formation de plasma.

Le recours au système d'évaporation permet d'évaporer directement les liquides et de créer ainsi le gaz nécessaire au plasma. Un système complet peut se composer d'un CEM avec un débitmètre pour liquide Bronkhorst (par ex. un débitmètre massique à effet Coriolis de la série mini CORI-FLOW) pour l'éthanol, un régulateur pour gaz (par ex. un régulateur de débit massique EL-FLOW) pour l'argon utilisé comme gaz vecteur, et une vanne couplée à un échangeur thermique.

Un système d'évaporation tel que le système CEM de Bronkhorst produit de bons résultats en termes de stabilité et de précision, débouchant sur un plasma fiable et à la clé, un graphène de meilleure qualité.

Système CEM Bronkhorst-Université de Cordoue

Le système CEM de Bronkhorst utilisé pour l'étude menée à l'université de Cordoue

Dans le document de recherche intitulé "Scalable graphene production from ethanol decomposition by microwave argon plasma torch", on peut lire pourquoi l'Université de Cordoue (ES) a fait le choix d'appliquer le système d'évaporation CEM de Bronkhorst dans un procédé de production de graphène par PE-CVD.

Domaines d'application du graphène

Au vu des propriétés uniques du graphène, des études sont actuellement menées dans de nombreux domaines d'application différents, en particulier pour les graphènes mono- et bicouche. À l'heure actuelle, il semblerait que le graphène monocouche offre les meilleurs résultats. La recherche se penche également sur le potentiel de flocons, de petites particules de graphène pouvant être mélangées à d'autres matériaux tels que des polymères, en vue d'en améliorer les propriétés. Les qualités particulières du graphène monocouche ouvrent dans tous les cas la voie à de nombreuses applications possibles, dans divers secteurs industriels, dont voici quelques exemples :

  1. Épuration d'eau : Les scientifiques étudient actuellement la confection d'un système de filtration avancé à base d'oxyde de graphène qui permettrait de purifier l'eau souillée pour la rendre potable.

  2. Secteur médical : Étant donné que le graphène n'est pas toxique pour le corps, on analyse les possibilités de l'utiliser pour le transport de substances médicamenteuses dans le corps humain, en fixant le médicament au graphène. Le graphène présente en outre la propriété de prévenir la formation de bactéries, ce qui permettrait de l'utiliser comme matériau de revêtement d'implants.

  3. Secteur énergétique : Grâce à une superficie étendue et à son excellente conduction électrique, le graphène pourrait être utilisé à des fins de stockage d'énergie. L'objectif est de créer des batteries en graphène beaucoup plus compactes, à la capacité accrue et entièrement chargées en l'espace de quelques secondes.

  4. Industrie textile : Le graphène pourrait être utilisé pour intégrer des éléments électroniques dans les textiles, tels que des capteurs efficaces, performants et extrêmement précis. Du reste, le graphène pourrait permettre la confection de revêtements de protection anticorrosion et d'encres conductrices.

  5. Industrie des semiconducteurs : Grâce à la bonne conduction électrique et thermique du graphène, ce matériau offre de nouvelles possibilités pour accroître la vitesse de fonctionnement et la capacité des puces (d'ordinateurs et de smartphones).

Domaines d'applications du graphène-industrie textile

Domaine d'application du graphène : industrie textile

Nous continuons de suivre de près les développements concernant le graphène et ne manquerons pas de vous tenir informés sur le sujet !

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