Applications et sélection des compteurs de débit massique de gaz à effet thermique

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Les compteurs de débit massique de gaz à effet thermique sont de plus en plus reconnus et utilisés par les clients en raison de leurs caractéristiques uniques et excellentes, et ils sont déjà employés dans de nombreux domaines de mesure du débit de gaz. Cependant, ces applications présentent également de nombreux problèmes et idées fausses. Une publicité irresponsable de la part de nombreux fabricants, ainsi que des défauts de qualité des produits, créent de nombreux obstacles et zones d’ombre dans leur utilisation, ce qui amène de nombreux utilisateurs à se méprendre sur les compteurs de débit massique de gaz à effet thermique. Certains pensent à tort que ces compteurs peuvent mesurer le gaz dans toutes les conditions opérationnelles, tandis que d’autres les rejettent et s’y opposent. Ces dernières années, j’ai consacré mon temps à la promotion et à la diffusion des compteurs de débit à flamme. J’ai eu l’occasion de travailler avec de nombreuses marques de compteurs, tant nationales qu’étrangères, et j’ai rencontré de nombreux problèmes d’application dans le cadre de cette promotion. J’ai ainsi accumulé de nombreux cas concrets. En analysant ces cas, j’ai acquis certaines réflexions personnelles que je souhaite partager avec vous tous. Cet article répondra à vos questions d’un point de vue professionnel, afin d’aider les spécialistes en thermique de différents secteurs à choisir correctement les compteurs de débit massique de gaz à effet thermique. Nous allons l’expliquer en détail sous trois aspects : 1. Comprendre correctement le principe du débitmètre de masse de gaz à effet thermique. L’origine du débitmètre de masse de gaz à effet thermique remonte au anémomètre à fil chaud. Il existe une relation proportionnelle entre la température du fil chauffant en platine et la vitesse du flux de fluide : plus la vitesse est élevée, plus la quantité de chaleur emportée est grande. Voici une explication simple du fait que la masse volumique du gaz peut être déterminée en mesurant les variations de chaleur. Formule : H = m × Cp × ΔT. La quantité de chaleur mesurée est H ; en maintenant constant le différence de température ΔT, on peut calculer directement le débit massique du gaz m pour un gaz ayant une capacité thermique spécifique Cp constante. Ci-dessous, nous expliquons au niveau microscopique pourquoi il s’agit d’une mesure du débit massique direct des gaz. Comme le montre la figure, les molécules de gaz entrent en contact avec la paroi chauffée pour assurer la conduction thermique et emporter la chaleur de la sonde. Comme les molécules de gaz ont des capacités différentes à emporter de la chaleur, il est possible, une fois connue la capacité de conduction thermique des molécules de gaz (valeur de Cp connue), d’obtenir directement le nombre de molécules de gaz qui circulent en mesurant la puissance électrique dissipée (le nombre de molécules de gaz correspondant au nombre de masse), ce qui permet de déterminer le débit massique du gaz. Si nous transformons la formule : H = m × Cp × ΔT, nous obtenons : m = H / Cp × ΔT. Où : m est le débit massique du gaz, H est l’intensité de la puissance électrique compensée, Cp est la chaleur spécifique à pression constante, qui dépend du type de gaz, et ΔT est la différence de température entre les deux capteurs. À partir de cette formule, on peut déduire deux principes thermiques : soit en maintenant constante la différence de température dans le dénominateur, et en mesurant en temps réel la quantité de chaleur H emportée par le gaz pour déterminer son débit massique ; c’est ce qu’on appelle actuellement le principe thermique à différence de température constante, largement utilisé sur le marché. Si l’on maintient la chaleur moléculaire H constante et que l’on mesure en temps réel l’amplitude de la différence de température pour déterminer le débit massique de gaz, on obtient une méthode thermique à puissance constante. Le principe de différence de température constante présente d’excellentes caractéristiques à faible débit, avec une bonne linéarité même à des vitesses de flux massique aussi basses que 0,1 Nm/s. De plus, il possède également la capacité de répondre rapidement. Le principe de puissance constante permet de détecter des variations de vitesse élevées et se montre très performant dans les applications à grande vitesse, mais ses performances à faible vitesse sont inférieures à celles du principe de différence de température constante ; de plus, son temps de réponse est moins bon par rapport à celui du principe de différence de température constante. II. Comprendre correctement les performances exceptionnelles du débitmètre de masse à effet thermique. Un produit de débitmètre à effet thermique de bonne qualité doit posséder deux caractéristiques principales : une excellente technique de fabrication de la sonde et un dispositif complet d’étalonnage avec flux réel. Analysons séparément ces deux caractéristiques majeures : a. Procédé de fabrication de la sonde : nous avons déjà abordé le principe du débitmètre à thermistance ; d’après ce principe, on peut voir que la sonde constitue le cœur du débitmètre de masse à gaz à thermistance, et ses performances déterminent la précision de mesure, la reproductibilité, la durée de vie ainsi que les caractéristiques à faible débit du débitmètre. La sonde est composée d’un fil résistif en platine et d’un revêtement en acier inoxydable. Le fil chauffant en platine est conducteur, et l’enveloppe en acier inoxydable l’est également ; cela exige que le matériau de remplissage entre eux ait de très bonnes propriétés thermiques de conduction, mais qu’il ne soit pas conducteur. Cela amène au cœur de tous les débitmètres à effet thermique : le matériau de remplissage de la sonde chauffante et le processus d’encapsulation. Plus l’épaisseur de la couche de remplissage est grande, meilleure est l’isolation, mais pires sont les propriétés thermiques conductrices, ainsi que la sensibilité à la température, avec en plus un retard de réponse. Si le matériau de remplissage est organique, il vieillit facilement, ce qui provoque des fissures dans le rembourrage, et le débitmètre présente alors une dérive du point zéro. S’il y a de l’air dans les interstices, et étant donné que cette sonde reste constamment chauffée, cet air se dilate, provoquant des fluctuations du zéro. Le capteur de vitesse chauffé traditionnel des compteurs de débit massique à effet thermique est intégré à l’extrémité d’une sonde en tuyau d’acier inoxydable, et un mélange est versé entre le capteur et la paroi intérieure du tuyau. Ce mélange doit être électriquement isolant tout en préservant une faible résistance thermique ; il s’agit généralement de résine époxy, de ciment céramique, de graisses résistantes à la chaleur, ou encore de poudre d’alumine, de poudre de magnésium, etc. Ces capteurs « humides » utilisant des remplissages tels que décrits ci-dessus présentent quelques défauts : par exemple, leur résistance thermique de surface augmente constamment avec le temps d’utilisation, ce qui entraîne une courbe de sortie en baisse, réduisant ainsi la sensibilité du capteur et affectant finalement la précision des mesures. “Le remplissage du capteur d’humidité, en raison de son coefficient de dilatation thermique différent de celui du capteur de vitesse, subit avec le temps des phénomènes tels que le vieillissement et les fissures, ce qui entraîne finalement une précision de mesure anormale du capteur et rend difficile le maintien d’une précision à long terme. Avec un tel emballage et un tel remplissage, on ne perçoit aucune différence à court terme, mais après six mois ou un an, on peut observer des problèmes tels qu’une répétabilité diminuée et des déviations nulles. À droite se trouve un schéma anatomique de la sonde à débit thermique américaine SIERRA ; le capteur de vitesse Siala est actuellement le seul capteur véritablement « sec » au monde. Son procédé de mise en boîtier unique permet un remplissage parfait entre le capteur de vitesse et la paroi intérieure en acier inoxydable, sans utiliser de matières organiques comme charge, mais plutôt des composés inorganiques de platine et d’iridium. La sensibilité et la reproductibilité des compteurs de débit à effet Joule de Sialer sont optimisées ; en aucun cas, il ne se produit de fissures dans le matériau de remplissage du capteur de vitesse, ni de dérive due à des fissures, ce qui améliore considérablement la précision de mesure et permet de maintenir une excellente précision sur le long terme. SIERRA utilise un remplissage inorganique aux propriétés isolantes nanométriques uniques dans la partie la plus essentielle de son système à chaleur, puis procède à un moulage sous haute pression pour rendre ce remplissage nanométrique encore plus dense, garantissant ainsi aucune dérive sur une période de dix ans. Deux technologies d’emballage différentes permettent également d’obtenir des produits de qualité différente. b. Technologie de calibration en conditions réelles : commençons par parler de l’importance de la calibration en conditions réelles pour les débitmètres de masse de gaz à effet thermique. Nous avons déjà parlé précédemment du principe de mesure par chaleur ; ce principe montre que le débit massique de gaz mesuré par un compteur de débit massique à chaleur est fortement lié aux propriétés de conductivité thermique du gaz mesuré. La capacité thermique spécifique de chaque gaz varie en fonction de la température et de la pression. Il n’est pas scientifique de se fier uniquement à la calibration avec de l’air à pression atmosphérique ou sous pression, suivie de corrections, pour obtenir un débitmètre à haute performance. De plus, il s’est avéré que les compteurs de débit non étalonnés avec un flux réel donnent des écarts importants lors de la mesure de médiums autres que l’air. Actuellement, la plupart des compteurs de débit massique de gaz à effet thermique sur le marché utilisent une calibration à vide ouvert avec de l’air, puis effectuent une correction pour des conditions de haute pression, ou pour d’autres gaz tels que l’argon, le dioxyde de carbone, l’oxygène, l’hydrogène, l’ammoniac, etc. La calibration corrective entraîne inévitablement une perte de précision des mesures : les instruments calibrés pour basse pression ne peuvent être utilisés en conditions de haute pression, et ceux calibrés avec de l’air ne peuvent être employés avec d’autres gaz, ce qui rend la précision des mesures incertaine. III. Choisir correctement le débitmètre de masse à flamme La présence de données montre que, parmi les causes d’incidents liés à la mesure du débit, un choix inapproprié du débitmètre est responsable d’environ 70 % des cas, tandis que la qualité du produit ou d’autres facteurs en sont responsables pour 30 %. Cela illustre l’importance cruciale du choix du débitmètre dans la mesure du débit. Les utilisateurs de compteurs de débit massique de gaz à effet thermique doivent faire particulièrement attention à ne pas choisir eux-mêmes un modèle de compteur, sauf s’ils ont l’intention de le remplacer par un compteur existant. Il est préférable de confier cette tâche au vendeur, car ce sont des professionnels. Vous n’avez qu’à fournir des données de fonctionnement aussi complètes que possible ainsi que quelques exigences techniques. Par exemple, la plage de débit (il est recommandé d’utiliser le mètre cube comme unité de débit), le milieu à mesurer, le diamètre du tuyau, le matériau du tuyau, la pression de fonctionnement, la température de fonctionnement, la nécessité d’une protection anti-explosion, la température ambiante dans laquelle fonctionne le compteur de débit, les exigences en matière d’alimentation en signal, le niveau de précision, l’application dans quel processus (contrôle de procédé ou mesure commerciale), ainsi que le degré de sécheresse et de propreté du milieu à mesurer. Pour mesurer le débit du mélange gazeux, il est indispensable de fournir les pourcentages de chaque composant. Enfin, un dernier conseil : si les conditions le permettent sur site, choisissez un compteur de débit intégré. S’il s’agit d’un système séparé, comme le câble de transmission du signal fait partie du pont de mesure et possède une résistance intrinsèque, cette dernière aura inévitablement un impact sur les calculs et le traitement effectués par le circuit électronique, quel que soit son niveau de qualité. De plus, en raison de l’influence de l’environnement de terrain, la résistance peut varier. Si l’on doit choisir un système séparé, il est conseillé de choisir une distance aussi courte que possible entre les composants. Si le gaz à mesurer est un autre milieu gazeux que l’air, il est recommandé de choisir des compteurs de débit thermiques calibrés avec du fluide réel à l’étranger ; il faut absolument s’en souvenir. Bien sûr, à moins que vous n’ayez des exigences faibles en matière de données de mesure, que l’ampleur des écarts ne vous importe pas et que vous souhaitiez simplement observer les tendances du débit, vous pouvez alors choisir des compteurs de débit à flamme de gamme basse. Faites plus attention aux produits vendus à bas prix en dumping. Calculez les coûts de base pour déterminer si le compteur de débit permet de garantir la qualité du produit. Il y a un coût fondamental incontournable : le coût d’étalonnage d’un compteur de débit de gaz de diamètre inférieur à DN50 est d’environ 1000 yuans (les tarifs varient selon les instituts de métrologie locaux, avec de légères différences). Pour DN100 et moins, c’est 1500 yuans. Pour DN100 et plus, chaque taille de diamètre augmente le coût d’étalonnage d’environ 1 000 yuans. Le point le plus important pour choisir correctement un débitmètre de masse de gaz à effet thermique est d’apprendre davantage*, de maîtriser les principes de mesure et les performances du produit, d’échanger en profondeur avec les représentants des fabricants, et de bien comprendre les caractéristiques de chaque marque. Seul ainsi peut-on se baser sur soi-même et choisir correctement le compteur de débit massique de gaz thermique qui répond à ses propres exigences. (Dépôt provenant du forum HaiChuan Chemical, les droits d’auteur appartiennent à l’auteur original)