le débitmètre thermique, un faux vrai massique

 S olutions MESURE DE DÉBIT
LE DÉBITMÈTRE
THERMIQUE,
UN FAUX VRAI
MASSIQUE
■ La débitmétrie massique thermique s’est fait une spécialité
des faibles débits de gaz. Là où toutes les autres technologies
ont échoué. Elle a ainsi conquis plein de petites niches dans
plein de grands secteurs. Elle a aussi su se développer sur
d’autres applications comme celui des liquides ou des plus forts
débits gazeux. Mais attention, la mesure n’est pas aussi simple
qu’on voudrait bien le dire. Elle demande un savoir-faire de la
part des fournisseurs et des précautions pour l’utilisateur, aussi
bien au niveau de l’étalonnage que des conditions de service.
propres et secs. Et comme la mesure est liée à
la chaleur spécifique du gaz, elle n’est pas
recommandée sur des fluides à composition
variable.
Ceci étant, lorsque toutes ces conditions sont
réunies, la débitmétrie thermique a su faire
ses preuves. « Aujourd’hui, elle reste sur des
niches mais elle couvre tous les secteurs industriels», explique Frédéric Béraud, responsable
commercial de Brooks en France. Et elle maîtrise
des applications auxquelles aucune autre technologie de mesure ne peut répondre.
Un débit masse régulé
Elle est d’ailleurs née pour les besoins spécifiques de l’industrie des semi-conducteurs.
Celle-ci, au début des années 70, doit
apprendre à réguler des faibles débits de gaz,
notamment pour déposer des dopants ou
autres composés à l’état gazeux sur les matériaux semi-conducteurs. C’est ce qu’on appelle la CVD pour Chemical Vapor Deposition. Très vite,
le principe thermique apparaît comme le seul
adapté à des débits de gaz aussi faibles que
quelques millilitres par minute. Une partie du
fluide circule dans un tube capillaire monté
en dérivation de la conduite. Il est chauffé par
une résistance thermique. La différence de
température entre l’amont et l’aval de l’élément chauffant permet de déduire le débit
massique. A condition toutefois de connaître
MESURES 731 - JANVIER 2001
doc. Bronkhorst
Q
uand on pense à la débitmétrie
thermique, on pense surtout aux
applications “faibles débits de
gaz”. Et c’est vrai, les plages de
mesure annoncées par les fournisseurs descendent jusqu’à 2 ou 3 mln/min
avec une rangeabilité typique de 1 à 50 et une
détection minimale de l’ordre de quelques
centièmes de ml/min. On retrouve ces débitmètres sur des conduites de tout petit diamètre, à partir de 2 mm et jusqu’à 50, voire
80 mm. Mais la majorité des applications se
trouve sur des conduites d‘un quart ou d’un
demi-pouce, c’est-à-dire 6 ou 12 mm, avec
des débits maximaux de 1 000 ou
2000 ln/min.
D’une manière beaucoup plus marginale, on
trouve également des débitmètres thermiques
sur des plus grosses conduites de gaz (jusqu’à
250 mm) avec des débits voisins de
10000 m3/h.
Le principe marche aussi pour les liquides
mais la plage de débit est alors beaucoup plus
limitée (les fournisseurs annoncent des plages
entre 0,25 g/h et 20 kg/h).
Outre les limites en débit et diamètre, la débitmétrie thermique souffre d’autres restrictions.
Pour en revenir aux gaz (qui représentent plus
de 85% du marché), ils ne peuvent être que
Avec leur boîtier rectangulaire, ils se ressemblent un peu tous et on prendrait volontiers la débitmétrie thermique pour une technologie banalisée qui n’a plus rien pour surprendre. Pourtant, en
soulevant le couvercle, on découvre un équipement pas si simple qu’on voudrait bien le dire.
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S olutions CAPTEUR THERMIQUE À CAPILLAIRE
PRINCIPE
Le débit masse (Φm) d’un gaz est fonction de la chaleur spécifique (Cp) de ce gaz ainsi que de la différence de
température (∆T) mesurée aux bornes du capteur.
∆T = k.Cp.Φm
Connaissant la valeur de Cp, une solution technique pour déduire le débit massique est illustrée par la figure
ci-contre. Le tube de mesure comprend deux sondes de température placées l’une en amont (T1) et l’autre en
aval (T2) d’un élément chauffant qui amène le fluide à une température fixé par le fournisseur (souvent une
trentaine de degrés au-dessus de la température ambiante).
Lorsque le débit est nul, T2 = T1. Lorsque le débit augmente, T1 décroît avec le débit de manière linéaire
(pour les débits faibles). T2 augmente linéairement tant que le débit est limité.
T2
T1
∆T= T2-T1
élément chauffant
Température
débit non nul
débit nul
Signal
Débit
Distance
CONSTRUCTION D’UN DÉBITMÈTRE THERMIQUE
Quand le débit massique augmente, il y a de moins en moins de molécules de gaz qui prélèvent l’énergie et
la mesure de température n’est plus proportionnelle au débit massique. En théorie, le débit praticable serait
donc limité. Pour pouvoir mesurer des débits plus importants, il faut diviser le courant total. Le courant
principal s’écoule dans un élément à action laminaire et le courant secondaire sur lequel porte la mesure
passe par le capillaire. Il est indispensable que le profil d’écoulement soit laminaire, autant dans la conduite
principale que dans le capillaire. Dans ces conditions, la perte de charge au passage du dispositif est
suffisamment linéaire pour que l’on puisse déduire le débit total du débit mesuré dans le capillaire. Le débit en
dérivation est donc conditionné par l’élément laminaire dans le courant principal. Pour calculer le débit total
à partir du débit dans le capillaire, il faut que la répartition du débit dans le capillaire et dans le tube principal
soit constante et connue . Le diamètre du capillaire varie selon les constructeurs. Il est de l’ordre de quelques
centièmes de millimètre.
Sondes de température
T1
T2
Tube capillaire
Tranquilliseur
élément chauffant
Turbulences
Sortie
Entrée
Ecoulement
stabilisé
Elément laminaire
PRINCIPALES CARACTÉRISTIQUES
Mesure massique de gaz ou liquides propres et secs sur des débits faibles
Le fluide doit avoir une composition constante
Diamètres de conduite de 2 à 50 mm (ou plus)
Tranquilisateur de fluide intégré
Pas de longueurs droites amont et aval requises
Incertitude de mesure typique : ± 1 % de la pleine échelle
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la chaleur spécifique du gaz. L’incertitude
typique d’un débitmètre thermique à capillaire est de ± 1 %. Pour la réalisation de
dosages et de mélanges, les débitmètres sont
associés à une vanne de régulation: on parle
alors de contrôleur thermique.
Ce principe de mesure apporte avec lui un
avantage décisif : il donne un débit massique. Ce dernier, contrairement à un
débit volumique, peut être corrélé tout de
suite à la quantité de matière. Or, l’équilibre des masses est la loi sur laquelle sont
basées toutes les réactions chimiques. La
masse des ingrédients influe directement
sur la consistance de mélanges. Enfin, la
masse est une unité primaire de mesure
indépendante de la pression ou de la température.
Aujourd’hui encore, le domaine des semiconducteurs représente un marché capital
pour la débitmétrie thermique. Certains
constructeurs, comme Aera, Stec (Horiba), Millipore (Tylan) ou Unit instrument se cantonnent
pratiquement exclusivement à ce domaine.
Ils travaillent en grande majorité pour des
équipementiers qui vendent leurs machines
instrumentées à leurs clients comme IBM,
Motorola... Bronkorst reconnaît avoir augmenté
son chiffre d’affaires de 40 % en 2000 en
grande partie grâce au marché d’un seul
équipementier allemand. Les opportunités
de ce genre sont en France beaucoup plus
rares vu le faible nombre d’équipementiers.
« On intervient surtout auprès des utilisateurs finaux sur des opérations de maintenance ou de renouvellement », explique
M. Béraud (Brooks).
Des niches, partout
Restent tous les autres secteurs industriels
que des fournisseurs comme Brooks, Bronkhorst,
Sierra Instruments (la liste n’est pas exhaustive)
ont petit à petit conquis. Toujours sur des
niches. Ainsi, retrouve-t-on aujourd’hui la
débitmétrie thermique dans la métallurgie
ou le traitement de surface pour les processus de dépôt en surface, analogues au CVD :
traitement anti-reflet des verres en lunetterie,
traitement des vitres de bâtiment… Elle est
arrivée aussi chez les gaziers, dans la fabrication de fibres optiques pour l’ajout de
dopant ou encore pour la régulation de la
stoechiométrie de la flamme en combustion.
Elle a fait son apparition en agroalimentaire
pour l’injection de gaz neutre dans les glaces,
les crèmes fouettées ou la mayonnaise afin
de les rendre plus onctueuses. Elle assure le
dosage de CO2 pour des boissons plus ou
moins gazeuses. Le secteur médical utilise
des débitmètres thermiques pour l’injection
des gaz d’anesthésie. La débitmétrie therMESURES 731 - JANVIER 2001
S olutions mique a réussi également à faire son entrée
dans les laboratoires de recherche et développement, notamment sur des processus
pilotes. « C’est un secteur porteur pour nous,
indique M. Béraud. Les industriels cherchent
à réaliser des prototypes de processus industriels de plus en plus petits. Ils doivent donc
travailler avec des très faibles débits sur des
petits conduits ». Ainsi, à la Direction Cen-
trale des Recherches de Solvay à Bruxelles, José
Montes, chef du secteur “métrologie” du
laboratoire central, gère un parc de 280
débitmètres thermiques utilisés sur des miniprocess industriels. Pour la plupart, ils couvrent une plage entre 1 à 5 l/min (certains
descendent à 10 cm3/min). Les diamètres
des conduites vont de 4 à 10 mm au grand
maximum. M. Montes, qui travaille beaucoup sur les bilans stoechiométriques des
réactions, apprécie le débit massique apporté par cette technologie, les possibilités de
régulation (dans les deux tiers des applications de son laboratoire, une vanne est intégrée au débitmètre) et aussi une certaine facilité de mise en œuvre.
Une maintenance de spécialiste
Même si elle demande de bien connaître la mesure. «Elle n’est pas aussi simple qu’on voudrait le
dire, souligne M. Montes. Aussi bien la maintenance que l’étalonnage ne peuvent être laissés aux
mains d’instrumentistes non spécialisés».
Quoi de neuf?
Sur les liquides, et si le Coriolis...
Brooks Instrument
Brooks Instrument a créé l’événement en 2000 par la
mise sur le marché d’un débitmètre à effet Coriolis,
le Quantim, qui marche carrément sur les platesbandes du thermique, du moins pour les applications liquides (voir Mesures N° 721, janvier 2000). Le
fabricant hollandais appartient au même groupe
que Micro-Motion (Fisher-Rosemount), leader de la
débitmétrie Coriolis. « Nous avons bien sûr bénéficié
de son savoir-faire », souligne Frédéric Béraud, responsable commercial de Brooks en France. Alors que
le Coriolis était limité jusqu’à présent à environ
3 kg/h, le Quantim offre une gamme de mesure de
6 à 1 000 g/h avec des diamètres de tube pouvant
aller en dessous de 3 mm. « Le thermique répondait
jusqu’à présent à des applications sur des liquides que
le Coriolis ne pouvait pas satisfaire. Maintenant qu’il
en est capable, nous misons tous nos développements
sur cette technologie », explique M. Béraud, Tout
comme un thermique, le Quantim peut intégrer une
vanne et un régulateur PID. Deux fois plus précis (± 0,5 % de la pleine échelle) et trois fois
plus cher, il ne remplacera peut-être pas du jour au lendemain tous les débitmètres thermiques sur les applications liquides. Mais Etienne Chipon, directeur d’Instrutec (filiale française de Bronkhorst) reconnaît lui-même les avantages du Coriolis par rapport au thermique : « C’est un vrai massique, la mesure ne dépend pas des caractéristiques du gaz. Nous
aussi nous travaillons sur cette technologie ».
Tout un système de CVD
Bronkhorst a mis au point un système complet dédié aux processus de CVD (Chemical Vapor
Deposition). Cette solution ne se limite plus à doser le débit de gaz avant injection sur la surface que l’on veut traiter mais à préparer en amont le mélange du gaz vecteur et du liquide que
l’on souhaite vaporiser. Le système comprend un contrôleur thermique qui régule le gaz et un
autre qui régule le débit du produit liquide. Les deux composants sont ensuite amenés dans
une chambre de mélange avant le traitement CVD. « Notre solution remplace les systèmes à bullage. Elle est plus fiable et beaucoup moins sensible à la température et à la pression », souligne
M. Chipon (Instrutec-Bronkhorst).
Le col sonique, plus vite
Toujours pour répondre aux besoins de l’industrie des semi-conducteurs, Emco (distribué par
Engineering Mesures) propose un débitmètre-régulateur qui utilise la technologie à col
sonique. Cette mesure en près de 100 ms est plus rapide que le principe thermique et permet
d’accélérer les cadences de dépôt de composés gazeux à la surface des semi-conducteurs
(processus CVD). Il offre aussi une meilleure incertitude, de ± 0,5 % de la valeur mesurée sur
une rangeabilité de 1 à 100.
MESURES 731 - JANVIER 2001
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S olutions Sans capillaire, il se glisse dans le process
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A manchette ou à piquage,
le débitmètre thermique
ou anémomètre à fil chaud
(c’est la même chose)
représente une alternative
pas trop chère aux débitmètres à flotteur.
Kobold
■ Ceux qui trouvent le terme d’anémomètre à
fil chaud un peu trop démodé, utilisent celui
de “débitmètres thermiques à insertion”. C’est
toujours un débitmètre thermique mais sans
capillaire. Avec comme avantages que la mesure
se fait donc sur le passage intégral du fluide et
qu’elle accepte, par conséquent, des gaz chargés.
Le principe de mesure fait appel à un élément
chauffant et une seule sonde de température. La
puissance thermique nécessaire pour maintenir
une température constante du fluide est reliée au
débit massique (selon la loi de Kings).
L’élément de mesure est inséré dans le flux de
gaz, soit dans une manchette préfabriquée,
soit directement dans la gaine sur le site.
L’avantage de la manchette de mesure est
qu’elle peut être étalonnée avec des incertitudes de ± 2 ou 3 %. Elle peut être équipée
d’un tranquilliseur pour stabiliser l’écoulement
du fluide et, de ce fait, diminuer les longueurs
droites en amont.
Quand on pense “débitmètres à insertion”, on pense
plutôt gros diamètres et
forts débits. Certains, en
effet, peuvent s’installer
sur des conduites de plus
de 1 mètre de diamètre
avec des débits de plus de
100tonnes par heure. Les
modèles sont alors adaptés aux conditions industrielles,
certains pouvant être utilisés en zones dangereuses. On
trouve aussi sur le marché des débitmètres à manchette
à partir de 15mm pour des débits de 0,25kg/h.
A partir de 50 ou 80 mm, il existe aussi des débitmètres
à sonde, plus faciles à installer (par un seul piquage) et
plus économiques. La mesure est cependant d’avantage tributaire des conditions d’écoulement. Il est important de bien connaître le profil de vitesse pour déterminer la longueur d’insertion qui offrira une mesure la
plus représentative du débit moyen. S’il perd en précision par rapport aux systèmes à capillaire d’un facteur
trois (± 3 %), il est plus avantageux, au moins d’un facteur deux, d’un point de vue économique.
Pour Etienne Chipon, directeur des ventes d’Instrutec,
l’anémométrie à fil chaud est une voie importante de
développement de la débitmétrie thermique: «Il y a
tout le marché de remplacement des débitmètres à flotteur. Pour 3000 F, on apporte à l’industriel un régulateur
thermique avec indicateur, totalisateur et potentiomètre».
Les fournisseurs de débitmètres thermiques rencontrent alors toute une pléiade d’autres acteurs
dont ceux qui viennent de l’instrumentation de
process (comme ABB, Endress + Hauser). Ils se trouvent
aussi face à d’autres technologies comme les
débitmètres Vortex, ou à ∆P. Ici, le thermique n’est
plus tout seul.
MESURES 731 - JANVIER 2001
S olutions Facteurs de conversion de gaz
Un débitmètre massique est généralement étalonné par le fournisseur avec de l’air ou
avec un gaz neutre comme de l’azote ou de l’argon. S’il est utilisé avec un autre gaz, il est
alors nécessaire d’apporter, dans le calcul du débit, un facteur de conversion de gaz (K).
➤Principaux facteurs de conversion (K)*
Air
Argon
CO2
Hélium
NH3
N2/02
C2H2
CH4
CO
NO
HCl
1,00
2,01
1,24
0,15
0,80
1,00
0,75
0,67
1,04
1,02
1,58
* calculés à 20 °C et 1 bar
Comment utiliser le facteur de conversion ?
Pour déterminer la capacité théorique d’un débitmètre massique avec un autre gaz que le
gaz d’étalonnage, il faut utiliser un facteur de conversion. En première approximation, ce
facteur s’obtient par le rapport entre la chaleur spécifique et gaz d’étalonnage par celle
du gaz utilisé.
Cp gaz de référence
Facteur K =
Cp gaz utilisé
En multipliant ce facteur par le débit pleine échelle du gaz de référence, on obtient le
débit pleine échelle maximale pour le gaz utilisé.
Pleine échelle gaz utilisé = K . Peine échelle gaz de référence
Exemple : Votre débitmètre est étalonné à pleine échelle pour 100 sccm d’argon (K = 1,39)
et vous l’utilisez sur du CO2 (K = 0,7). Le rapport est de 0,7/1,39 = 0,50. Ainsi, l’instrument
mesurera à pleine échelle 50 sccm de CO2.
Comment calculer le facteur de conversion pour un mélange de gaz ?
Surtout pas en se basant sur le pourcentage en masse de chacun des gaz. Ce serait trop
simple. Il faut suivre l’équation suivante :
K=
0,3106 (a1s1 + a2s2 + … ansn)
a1d1cp1 + a2d2cp2 + ... andncpn
Pour chaque gaz x, ax est le débit fractionnel, sx le facteur de structure moléculaire, dx la
masse volumique et cpx la chaleur spécifique.
Exemple : argon à 150 sccm et azote à 50 sccm
a1 = 150/200 = 0,75 d1 = 1,782 g/l
a2 = 50/200 = 0,25
d2 = 1,250 g/l
s1 = 1,030
cp1 = 0,1244 cal/g.°C
s2 = 1,000
cp2 = 0,2485 cal/g.°C
K=
0,3106(0,75x1,030 + 0,25x1,000)
= 1,032
0,75x1,782x0,1244 + 0,25x1,250x0,2485
➤Les unités souvent utilisées en
débitmétrie thermique massique
ln/min
ls/min
m3/h
sccm
slpm
MESURES 731 - JANVIER 2001
litres normaux par minute
litres standards par minute
mètres cubes standards par heure
centimètres cubes standards par minute
litres standards par minute
Une première contrainte est liée à la maîtrise
du fluide au niveau du tube de mesure. A
l’intérieur du débitmètre, au niveau du
tube relié à la conduite du process, un élément déprimogène est chargé de maintenir
un régime laminaire dans la conduite et
dans le capillaire. Il offre aussi comme
avantage de s’affranchir des longueurs
droites en amont ou en aval du débitmètre.
Un tranquilliseur installé en amont assure
déjà une première stabilisation du fluide.
Il faut aussi que la répartition du débit entre
le capillaire et la conduite soit parfaitement
connue et constante pour en déduire le
débit total. Cette répartition est induite par
l’élément laminaire dont la forme et la taille
varient selon les fournisseurs et les applications. Quant au diamètre du capillaire, il
dépend, lui aussi, du fournisseur. Il est de
l’ordre du centième de millimètre. On
comprend ainsi que les débitmètres
n’aiment pas les gaz chargés ou trop
humides qui obstruent le capillaire. « Il est
très délicat de démonter un thermique,
indique M. Montes. Les éléments primaires
des différents fournisseurs ne se nettoient
pas de la même manière. Il faut donc réserver cette maintenance à des instrumentistes
bien formés ». Il est de toute façon toujours
préférable de prévoir une filtration en
amont.
Un étalonnage pour un gaz
Une autre contrainte vient du fait que la
mesure dépend des caractéristiques du gaz.
Elle impose, entre autres, de connaître la
valeur spécifique du gaz. Ainsi, tout est
faussé si le gaz de service n’est pas le même
que celui avec lequel le débitmètre a été
étalonné. En général, les fournisseurs réalisent un étalonnage sur un gaz neutre (azote, argon ou air). Ensuite, par une méthode d’extrapolation, avec des facteurs de
conversion (voir encadré), ils calculent une
courbe d’étalonnage adaptée au gaz utilisé
par le client. « Dans des conditions d’étalonnage par extrapolation, nous avons pu
constater des écarts de ± 10 % sur l’éthylène alors que l’écart sur le gaz réel d’étalonnage était de ± 1 % », souligne M. Montes.
Ce dernier a pu observer également des
écarts importants selon la pression d’utilisation avec quelques gaz comme l’éthylène.
Bien qu’en théorie le débit masse soit indépendant de la pression ou de la température d’utilisation, ces deux paramètres peuvent jouer sur les valeurs de la chaleur
spécifique (Cp) du gaz. D’une manière parfois non négligeable (voir l’encyclopédie
des gaz publiée par l’Air Liquide). Ceci est
67
S olutions Quelques fournisseurs
de débitmètres à capillaire *
➙ Aera - www.aerauk.com
➙ Bronkhorst (Instrutec, filiale française)
Tél. : 01 34 50 87 00 - www.bronkhorst.com
➙ Hastings - www.chell.co.uk/hasting
➙ Millipore (Tylan) - www.millipore.com
Tél. : 01 30 12 70 00
➙ Brooks - Tél. : 04 78 50 39 70
➙ MKS - Tél. : 01 48 35 39 39
www.brooksinstrument.com
distribué également
par Serv’Instrumentation
Tél. : 04 78 51 47 50
➙ Emco, EPI, Intek-Rheotherm (distribués par
Engineering Mesures)- Tél. : 01 42 35 33 33
www.emcoflow.com
www.mksinst.com
➙ Qualiflow - Tél. : 04 67 99 47 47
www.qualiflow.com
➙ Sierra Instruments (distribué par Mobrey)
Tél. : 01 34 30 28 30 - www.sierrainst.com
➙ Stec (Horiba) - www.stechoriba.com
➙ Unit Instruments - www.unit.com
d’autant plus vrai pour les gaz proches du
point de liquéfaction. Les Cp sont généralement données à pression atmosphérique
et température ambiante. Il convient alors
de recalculer le facteur de conversion aux
nouvelles conditions de service.
Une autre précaution à prendre porte sur
la conductivité thermique du gaz. En effet,
un gaz avec une mauvaise conductivité thermique génère un signal inférieur à un gaz
avec une bonne conductivité. Donc pour
68
deux gaz de même chaleur spécifique, on
peut très bien avoir une différence de signal
de sortie pour un même débit théorique.
L’étalonnage avec le gaz de service est donc préférable pour assurer une mesure de qualité. «A
l’exception de quelques gaz trop corrosifs, nous
réétalonnons donc systématiquement avec le
gaz de service», indique M. Montes.
Une méthode classique d’étalonnage des
débitmètres thermiques repose sur le principe volumétrique. Il s’agit d’un piston qui
se déplace dans un cylindre en verre, associé à une échelle de précision. La mesure
de débit est déterminée par le temps de
montée du piston entre deux graduations
du tube. Cette méthode fiable est en grande partie manuelle et prend donc du
temps. Plusieurs heures pour des étalonnages à très faibles débits. « On peut au
mieux étalonner deux débitmètres dans une
journée », explique M. Montes. D’autres
solutions existent mais elles sont plus onéreuses. Ainsi, le système Molbloc de DHI
(distribué par MB Electronique) permet des
étalonnages automatiques. Il utilise en fait
le même principe thermique si ce n’est
que la mesure se fait sur le débit total avec
une maîtrise de la température et de la
pression. « On arrive ainsi à des incertitudes de ± 0,2 % de la valeur mesurée » ,
explique Pierre Delajoud, responsable chez
Caltechnix du support technique pour les
produits DHI.
Marie-Pierre Vivarat-Perrin
Source. Les informations techniques s’appuient sur des documents
fournis par Brooks Instrument, Instrutec-Bronkhorst, Sierra Instruments (Mobrey)
MESURES 731 - JANVIER 2001