Le principe de mesure du débit thermique

Chaque jour, les conduites véhiculent et distribuent les gaz les plus variés. Comme exemples, on peut citer l'air dans l'industrie de l'eau et des eaux usées, le dioxyde de carbone dans l'industrie agroalimentaire et celle des boissons, l'azote et l'oxygène dans le secteur pharmaceutique, ou encore le gaz naturel pour le chauffage des chaudières.
Les gaz qui traversent les conduites ont souvent des propriétés différentes en raison des conditions de process fluctuantes. Par conséquent, il existe pour leurs mesures divers principes. L'un d'entre eux est la mesure de débit par principe thermique.
Les bases physiques de ce principe ont été établies par le physicien canadien Louis Vessot King. En 1914, il décrit mathématiquement le transport de chaleur dans les flux.

Penchons-nous sur le fonctionnement de ce principe de mesure.
À l'intérieur des débitmètres thermiques, en pénétrant dans le tube de mesure, se trouvent deux capteurs de température, aussi appelés thermorésistances Pt100.
L'un de ces capteurs mesure la température actuelle du gaz comme référence - quelle que soit la vitesse d'écoulement.
Le deuxième capteur de température est chauffé en permanence par l'apport d'énergie électrique, de sorte qu'une différence de température prédéfinie s'installe entre les deux capteurs, par exemple, 10 degrés.

En l'absence de débit, la différence de température entre les deux capteurs ne change pas.
Dès que le fluide commence à s'écouler dans le tube de mesure, le capteur de température chauffé sous l'effet du gaz en mouvement restitue de la chaleur qui est évacuée dans le flux.
Le refroidissement ainsi obtenu est mesuré et compensé immédiatement par l'apport de courant de chauffage supplémentaire. Ceci permet de maintenir la différence de température souhaitée.
Le courant de chauffage nécessaire à la régulation de la différence de température est proportionnel au refroidissement et de ce fait une indication directe du débit massique dans la conduite.
Une vitesse d'écoulement plus élevée - et de ce fait le refroidissement supplémentaire du capteur régulé en température entraîne un courant de chauffage nécessaire plus important.

Un principe de mesure alternatif fonctionne par contre avec un courant de chauffage constant et mesure la différence de température variable.
Mais comment se fait le transfert de chaleur entre le capteur de température chauffé et le gaz en mouvement ?
Cette animation montre que le transfert de chaleur est effectué par les molécules de gaz elles-mêmes. À leur passage, les molécules absorbent d'infimes quantités de chaleur et les emmènent avec le flux. Plus le débit est rapide, plus la chaleur est absorbée.
Le transfert de chaleur dépend en outre de la masse volumique du gaz ; une pression plus élevée ou une température plus basse signifient davantage de molécules de gaz dans la conduite. Ce nombre élevé de molécules entraîne des contacts plus fréquents avec le capteur chauffé, et donc une évacuation plus rapide de la chaleur.

Enfin, le transfert de chaleur subit également l'influence des propriétés thermiques du gaz. Par exemple, à débit massique égal, l'hydrogène - représenté ici en vert - entraîne un refroidissement 100 fois plus important que l'air en raison de sa conductivité thermique très élevée. Pour une mesure précise, il est donc important de connaître les propriétés spécifiques du gaz et de les maintenir constantes.
La mesure de débit selon le principe thermique est également possible dans des conduites de grand diamètre. Il existe pour ce faire des types d'appareils spéciaux, qui peuvent être montés en insertion sur la conduite au moyen de raccords process standard. Il est dès lors essentiel de respecter la profondeur d'insertion nécessaire et d'effectuer la mesure au bon endroit.
Ainsi, dans tous les cas, il est essentiel de programmer le diamètre intérieur de conduite correct. Ceci vaut également pour les conduites rectangulaires ou carré, souvent présentes dans les systèmes d'aération dans les locaux administratifs ou de production.

avec les débitmètres massiques thermiques d'Endress+Hauser, il est possible de mesurer avec précision les gaz et mélanges gazeux les plus variés – même avec les pressions de process et vitesses d'écoulement les plus faibles.
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