DEBITS DE LIQUIDE> [a mesure des faibles débits inférieurs

à 1 litre par heure> Par l{athafie BÊDIN, Cetiat (Centre technique d.es industriesaérauliques et thermiques).

Le Cetiat, laboratoire associé au Laboratoire national demétrologie et d'essais (LNE) pour la débitmétrie desliquides, présente des moyens d'étalonnage lui permettantde couvrir la plage de débit de I l.h' à 36 m3.h1. Le

laboratoire étant périodiquement sollicité pour réaliser l'étalonnagede débitmètres ou de compteurs à des débits inférieurs à sa valeurminimale de fonctionnement, il a engagé une étude afin d'identifierI'offre des fournisseurs et la demande des utilisateurs en métrologiedes faibles débits de liquide(').

Falblêa déblts de llquldê :I'oltlr dlsponlble en Ft?nce

| ! analvse de l'otrre des constructeursL et des fournisseurs de matériel demesure a été menée parallèlement à celledes possibilités d'étalonnage.

Les matériels de mesure40 sociétés, constructeurs et distribu-teurs confondus, ont été contactées dansle cadre de ce sondage. Parmi elles,2l commercialisent un ou plusieurs ins-truments dédiés à la mesure des faiblesdébits de liouide.

PE min. : Pleine ëchelle minimale.

Le tâbleâu présenté ci-dessous dresse uneliste des principes de mesure identifiésau cours de cette enquête. Pour chacund'entre eux figure le débit volumiqueminimum spécifié par le constructeur.Pour le cas des débitmètres massiques,les indications des constructeus ont étéconverties en utilisant une approxima-tion grossière de la masse volumique del'eau (1000 kg.mi). Les valeus d'exac-titude annoncées sont également cellesrelevées dans la docurnentation des ins-truments. Les valeurs minimales pourchacune des technologies ont été rete-nues.

co Txôf-Es-EssÀrs-MEsuREs > JANVIER 2006 > p^cE 74

On constate que les principes de mesureproposés sont globalement les mêmesque ceux disponibles pour les débits plusélevés et ils en présentent la même diver-sité. Seuls le débitmètre à effet Vortex,restreint aux écoulements turbulents, etla turbine, dont aucun distributeur n'a puêtre identifié, ne se retrouvent pâs à cesvaleurs de débit.Pour les autres technologies disponibles,le nombre de distributeurs identifiés estindiqué cidessous :Compteur volumétriqueDébifnètre à ultrasonsDébitmètre à organe déprimogèneDébifinètre électromagnétiqueDébitmètre massique à efet CoriolisDébitrnètre à suivi d'indexDébifinètre laminaireDébitmètre à flôtteurDébitrnètre massique thermique

Les débitmètres massiques (thermiquesou à effet Coriolis) sont particulièrementprésents sur le marché de la mesure defaible débit de liquide.Les débiûnètres à suiyi d'index ont, quantà eux, un circuit de distdbution parti-culier Développés pour la surveillaacedes systèmes de chromatographie, ilssont commercialisés par des distributeu$de matériel pour I'analyse.La simplicité du fonctionnement desdébitmèfes à flotteur et leur faible coûten font une technologie distribuée de

(l) L'appellation "faible débit de liquide" estpropre à ce docunent et muvre les débitsinfërieurs à une limiteJixée de nanièrc arbitmireà I lilre par heure. Cette élude, e gagee en 2004,s'est déroulée sous lafome de 2 enquêteslimitees au teîitoire national. La pre ière,réalisée auprès des constructeurs et distrib teursde natbiels de nesure, a permis, dans unpremier temps, d'AenùJier des applicatiohsmettanl enjeu des mesures de faibles dëbits deliquide et, dans un deuxiène tenps, de préciserI'enquête à destination des industiels et des

III345284

Mais qu'en est-i l réellement desvaleurs vraies de ces 2 composânts ?Le besoin réel était-il de fabriquer tousles bouchons systématiquement plusgrands que tous les stylos ?

Vers une vision slatistiquedes tolérancês

La métrologie conduit forcément àdécouvrir le monde de la statistique. Eneffet, la prise de conscience des phéno-mènes aléatoires permet d'appréhenderde façon malhématique la notion dedsque et de revoir, ainsi, nos principesde réflexion.Dans le cas du bouchon et du stylo, leproblème n'est pas de fabriquer tous lesbouchons plus grands que tous les stylosmais que le bouchon queje tire au hasarddans I'ensemble des bouchons fabriquéssoit compatible avec le stylo lui aussi tiréau hasard. Sous cet angle, I 'approchestatistique du phénomène permet dedéterminer de nouvelles tolérances tellesque le risque que l'ensemble ne fonc-tionne pas soit connu et maîtrisé (parla mesure qui sera faite).Par exemple (cl figure l), quelle est lâtolérance (t) nécessaire aux 4 petitesboîtes pour entrer dans la grande (detolérance T) ? L:approche traditionnelleconsiste à diviser T par 4. L-approchestatistique permet de démontrer que lamoitié suffit. En €ffet, la probabilité detirer simultanément les 4 plus grandesdes boîtes ô et la plus petite des boîtesB tend vers 0.Une représentation triviale de ce phé-nomène est obtenue avec unjeu de 5 désmodélisant la distribution des boîtesl-abriquées. Ainsi. le cas considérérevient à obtenir 4 fois de suite un yamde 6 (les 4 plus grandes boites b; suivid'un yam d'as (la plus petite desboîtes B). Ce qui est possible mais lar-gement improbable, tous les joueurs dedés pouffont en témoigner et le concep-teur doit en renir compte s'i l veut dimi-nuer considérablement les coûts delabrication.

Cette réflexion met en évidence I'ob-servation suivante, connue de tous defaçon implicite mais rarement expriméedans les faits : les tolérances ouconsignes actu€lles sont établies sânstenir compte des inc€rtitudes de

tH

trtiH

tH

r-ïl

lo, illfl-'l-l

tl*l

tr[iF--'l

tk+l

t-------J"- l

lo, illl-r+'

tlT=?

Figure I.

mesure et p€rmettent malgré toutd'obtenir I'objet ou le résultât attendusur lâ base des valeurs mesurées.Et son coro l la i re : les to lé rânces ouconsignes actuelles sont très souventbeaucoup p lus pe t i les que le beso inréel. ce qui permet de négliger l ' in-certitude de mesure.

La évolutionde la métrclogie

Tous ceux qui partagent ce constat pour-ront donc légitimement s'interroger surIe bien-fondé des exigences expriméeset participer à leur remise en cause. Lemétrologue, donc la métrologie, doiv€nts'inscrire résolument dans cette optique.La métrologie peut et doit participer auprocessus en tant qu'acteur, en aidant àconcevoir et à fabriquer conforme, et pasen contrôleur chargé, tel un juge, dedépa ager 2 parties.Les statistiques ont fait leurs preuves,notamment aux États-Unis avec laméthode 6 Sigma pour laquelle on neretient en général, en France, que l'as-pect marketing en moquant le systèmedes ceintures (Green Belt, Black Belt...)Ainsi, on oublie les résultats souventrmpressionnants qu'elle obtient, quandelle est bien utilisée. Les statistiques nementent que lorsou'on veut les laire

mentir... mais sans elles, nous n'aurionsni système d'assurance, ni prévisionsd'aucune softe !

Le métrologue se doit de participer àcette révolution. Il est a priori sensibi-lisé aux statistiques grâce aux apportsdu GUM et de la norme ISO 5725, quisont ses outils de travail dans le domarnede I' incertitude. I l doit maintenantdevenir un généraliste capable d'appré-hender les problèmes sous I'angle sta-tistique et non "linéaire" dans lequel lessolutions coûtent chères !

Au delà même des gains de productivitéqu'il pouffa apporter par cette approche(en aidant à exprimer le juste besoin età le maîtriser), il participera à ladémarche vitale dans laquelle chacundoit également s'inscrire : le dévelop-pement durable. En effet, la détermina-tion et l'obtention du'luste nécessaire",au regard des risques acceptables, contri-bue au respect des ressources. Exigerle centième quand on a besoin dudixième représente un gaspillage inac-ceptable au détriment des générationsfutures !

coNtnolEs-EssAts- EsuREs > JAivylER 2006 > pacÉ 23

Une large proportion des mesurages des faibles débits de li4uideest réalisée sur de I'eau.

manière très large comme c'est égal€-menl le cas pour les débits plus élevés.

Les possibilités de raccordementLes possibitités de raccordement de cesdébitmètres ont été étudiées à l'aide dela base de données "Calibration andM€asurement Capability of NationalMetrology Institutes", maintenue par leBureau international des poids etmesures (BIPM). 4 laboratoires ont étéidentifiés.S'ils sont inexistants aujourd'hui enFrance, des moyens d'étalonnage ont étédéveloppés en Allemagne, au Royaume-Uni, aux Pays-Bas et en Suisse. Le rac-cordement des débitmètres dédiés à lamesure de faibles débits de liquide estpossible jusqu'à une valeur seuil de40 ml.h r, malheureusement insuffisantepour la pluparl des technologies précé-demment identifiées (débitmètres à suiyi

d'index, débitmètres massiques, débi!mètres laminaires ou débitmètres à flot-teur).Les étalonnages sont généralement réa-lisés avec un liquide à températureambiante, à I'exc€ption de ceux effec-tués au NEL (National EngineeringLaboratory) dont les installations per-mettent de générer un écoulement deliquide de 5 'C à 50 "C etjusqu'à 6 barsde pression.

Faibles débits dê aiquide :les besoins

Un questionnaire a été diffusé aux indus-triels et aux laboratoires afin d'identifier leurs besoins en matière demétrologie des faibles débits de liquide.Un fichier d'utilisateurs potentiels de2 400 contacts, constitué avec leconcours de l'Agence Rhône-Alpes pour

Allemagne

Pays-Bas

Boyaume-Uni

Suisse

Trigas Fl GmbH

NMlVan SwindenLaboratorium BV

TUV NEL Ltd

Endress Hauser

Iiquides de masse volumique compriseenùe 770 et 1000 kg.m-3

huiles minérales

kérosène, gas 0il, huiles minérales, eau

eau

120

600

coNTnôLEs-EssAts-t i lEsltREs > JÀNylER 2o06 > p^cE 7s

la maîtrise des technologies de mesure(Aratem), a été utilisé. Lenquête s'estdéroulée en 2 phases successives, en août2004 puis en mars 2005, la premièrephase ayant permis d'identifier les acti-vités intéressées par ces mesutes.Les laboratoires et industriels ont étéinvités à s'exprimer sur les moyens mrsen æuvre pour la mesure des faiblesdébits de liquide et sur la surveillancemétrologique de ces moyens.Parmi les 100 industriels ou laboratorresayant répondu à cette enquête. ll réa-lisent des mesures de faibles débitsde l iqu ide. I ls se concentrent sur3 domaines : les l ranspor ts (3 orga-nismes). le secteur regroupant la chimie.la santé. la cosmétique et la parfumerie(5 organismes), et le domaine de lamétallurgie. des machines el des équi-pements (2 organismes).Un laboratoire de métrologie a égale-ment déclaré réaliser des prestationsd'étâlonnage et de vérification sur dessystèmes de mesure de faibles débitsde liquide, répondant ainsi en partie auxbesoins des industriels et des laboratoiresen la matière.Le domaine de l'agroalimentaire, pour-tânt largement consulté et mettant souventen Guvre des produits à lorte valeurajoutée (colorants, arômes, consewa-teurs. . .), ne semble pas concerné par cesmesurages. Il paraît en être de même pourles activités de recherche et de dévelop-pement menées au sein des Iaboratoiresdu CNRS ou des laboratoires universi-taires. Un complément d'enquête estcependant actuellement realisé aupres desinterlocuteurs de ces laboratoircs chargésde recherche en microfluidique, la sciencedes écoulements en milieu très confiné.

Les systèmes de mesure utilisés5 organismes parmi les I I identifiés pré-cédemment mettent en æuvre plusieurssystèmes de mesure des faibles débitsde liquide, dont un moyen de mesureraccordable au système internationald'unités (méthode volumétrique ou gra-vimélrique de délermination du débir).3 d'entre eux confirment d'ailleurs pro-céder par leurs propres moyens au rac-cordement métrologique de certains deleurs systèmes de mesure. La méthodegravimétrique est, par ailleurs, utilisée par3 organismes comme unique méthode demesure du débit. C'est donc le processus

de mesure le plus couramment cité lorsde cette enquête.Les instruments reposant sur une déter-mination massique du débit (débitrnètreà effet Coriolis et débitnèbe thermique)semblent privilégiés par les utilisateun. IlsrcpÉsentent plus de la moitié des instru-ments de mesure cités, si I'on exclut lesméthodes gravimétriques et volumétriques.S'ils sont très largement présents sur lemarché, les débitmètres à flotteur n'ontété cités qu'une seule fois parmi les ins-truments uti l isés pour la mesure desfaibles débits de l iquide. On peut sup-poser que les performances métrolo-giques de ces capteurs sont insuffisantespour les applications des industriels etdes laboratoires.En revanche, certaines technologies sus-ceptibles de fonctionner à des valeurs dedébits inférieures à I litre par heure n'ontpas été mentionnées par les utilisateurs.Ce sont les organes déprimogènes, lesdébitmètres à ultrasons et les con.rpteursvolumétriques, instruments peu distn-bués en France, mais aussi les débit-mètres électromagnétiques, les débit-mètres laminaires et les turbines.Le débitnèh€ électromagnétique, reconnupour ses performances à forts débits,n'est probablement pas identifié commeun système potentiel de mesure desfaibles débits.Le débitmètre laminaire, quant à lui, estplu: fréquemment uti l iré en debirmerriedes gaz qu'en débitmétrie des liquides,ce qui tend à expliquer son absenceparmi les débitmètres l istés. Enfin,aucun distributeur de turbines n'ayantété identif ié en France, ce capteur ne

figure naturellement pas panni les tech-nologies uti l isées.Cette étude a, d'autre part, permis d'iden-tifierun champ d'application de la mesuredes faibles débits de liquide : le contrôledes systèmes d'analyse par chromatogra-phie liquide haute peformance. 3 instru-ments de mesure parmi les l8 cités sontutilisés dans ce contexte.

La surveil lance métrologique des ins-truments de mesureSur les I I industriels et laboratoires réa-lisant des mesures de faibles débits deliquide,8 procèdent à la surveil lancemétrologique de leurs instruments demesure. Le raccordement au systèmeintemational d'unités est, le plus souvent,réalisé à I'aide d'un système gravimétriquemts en ceuvre par I'organisme lui-même.Lun des 3 organismes restants n'a pasidentifié de laboratoirc de métrologie sus-ceptible de répondre à sa demande et les2 autres ne sont pas contraints de réali-ser ces opérations de surveillance.2 demandes parliculières ont été expri-rnées par le : in te r locu leurs con lnc lés :d'une part, la réalisation de prestationsd'étalonnage sur site permettant Ime carac-térisation métrologique globale de lachaî[e de mesure et, d'autre part, I'ana-lyse du comportement des instrumentssoumis à des débits pulsatoires permet-tant une camctérisation du comporlementdynamique des débitmètres.

Les conditions de mesurage des faiblesdébits de l iquideLes utilisateurs ont précisé les conditionsdans lesquelles i ls mesurent de faibles

débits de liquide. Une large proportiondes mesumges €st réalisée sur de 1'eau.Les carburants, les huiles et les solvantsfigurent également parmi les l iquidesutil isés et ce, de manière équivalentepour chacune des 3 catégories de liquide.Les produiti insecticides, les addiri ls vis-queux et le tétrahydrofurane ont été citésmars une seule fois chacun.En termes de débit, 8 établissementsmesurent ou souhaitent mesurer desdébits minimums compris dans la plagel 0 m l . h r à 1 0 0 m l . h r .Si la plage de température du l iquides'étend de -50 "C à 250 "C, on observeune concentration des mesuages entre I 0et 50 "C. 2 utilisateurc réalisent des mesu-rages en dehors de cette plage.De la même façon, la pression du liquide -

s'étend sur un large intervalle, de 1 à100 bar, mais les valeurs se regroupententre I et l0 bars. 2 utilisateurs réalisentdes mesurages en dehors de cette plage.

Gonclusion

I- étude réalisée par le Cetiat a permis depréciser les besoins en matière d'éta-lonnage pour le domaine de la mesurede débits inférieurs à I Lh.'.Elle revèle que les uti l isateur:. quirepré-sentent plus de l0 oZ des interlocuteursayant répondu à l 'enquêre . p r iv i leg ien tles débitmètres massiques dans leursapplications. Les mesurages se concen-trent sur la plage de l0 à 100 ml.h', avecdes l iquides de l0 à 50'C et à des pressions de I à l0 bars. Si I 'eau reste le-l iquide le plus souvent rencontré, leshuiles, les carburants et les solvants sontégalement fréquents.Ces éléments seront utilisés dans le cadred'une étude de faisabil ité, réalisée avecle concours de la Région Rhône-Alpes,pour la réalisation d'un système d'éta-lomrage opérationnel sur cette plage dedébir.II est important de noter que cette études'est limitée aux moyens de mesure dudébit disponibles sur le marché de I ' ins-trumentation. D'autres systèmes demesure des faibles débits sont égalementdcveloppés à des fins de recherche etdéveloppement au sein des laboratoires.C'est notamment le cas des uctivités réa-lisées en microfluidique, pour laquelleles déb i ts peurent a r te indre le nano l i t repar heure.

LES SECTEURS D'ACIIVITE INTERROGES

Chim e. Saôté, Phamacie, Cosmélique, Parlume. e

agro arimenta rè

MélalluGie. machines et équipements

Transport

R & D

Bois. Pâpiér, Ca.ton. Textile

604

567

80

80

TO

Analysôs essâls etinspecrions tech.iqùes 40

0 100 200 300 400 500 600 7ooNombre de cônlacls

c0NTR0f.Es-EssÀts-MEsuREs > l4NylER 2006 > pAcE 76