Promotion 2016
UNIVERSITE D’ANTANANARIVO
ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUEDOMAINE SCIENCES DE L’INGENIEURMENTION INGENIERIE PETROLIERE
Parcours Pétrochimie
MEMOIRE DE FIN D’ETUDES
EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLOME DE LICENCE EN PETROCHIMIE
CONCEPTION ET REALISATION DE DEBITMETRES
ELECTROMAGNETIQUE ET INFRAROUGE A L’AIDE DE LA PLATEFORME ARDUINO
Présenté par Lova Narisolo ANDRIANARINIAINA
UNIVERSITE D’ANTANANARIVO
ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE DOMAINE SCIENCES DE L’INGENIEUR MENTION INGENIERIE PETROLIERE
Parcours Pétrochimie
MEMOIRE DE FIN D’ETUDES
EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLOME DE LICENCE EN PETROCHIMIE
CONCEPTION ET REALISATION DE DEBITMETRES
ELECTROMAGNETIQUE ET INFRAROUGE A L’AIDE DE LA PLATEFORME ARDUINO
Présenté par Lova Narisolo ANDRIANARINIAINA
Président : Mme Nantenaina RARIVOSON, Maitre de conférences
Encadreurs : M. Rijalalaina RAKOTOSAONA, Professeur
Examinateur : Mme Rianasoambolanoro RAKOTOSAONA, Maitre de conférences
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova i
REMERCIEMENTS
Si le présent mémoire a pu se réaliser, c’est grâce aux multiples contributions de
plusieurs personnes morales et physiques à qui j’adresse mes sincères reconnaissances.
Je tiens à manifester ma plus haute gratitude à :
➢DIEU TOUT PUISSANT, plus particulièrement, puisque nos efforts auraient été
en vain sans son aide et son assistance ;
➢Monsieur Yvon ANDRIANAHARISON, Professeur, Directeur de l’ESPA
➢Monsieur Lala ANDRIANAIVO, Professeur, Responsable de la mention
Ingénierie Pétrolière ;
➢Madame Nantenaina RARIVOSON, Maitre de conférences, Enseignante à
l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo et président du jury du présent
mémoire ;
➢Monsieur Rijalalaina RAKOTOSAONA, Professeur, Enseignant à l’Ecole
Supérieure Polytechnique d’Antananarivo et encadreur du présent mémoire ;
➢Madame Rianasoambolanoro RAKOTOSAONA, Maître de conférences
Enseignante à l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo et examinateur du
présent mémoire ;
➢Tous les Enseignants qui m’ont formé durant ces trois années de licence ;
➢Tous les responsables du laboratoire de chimie minérale de Vontovorona ;
➢Enfin, ma famille et tous mes amis qui m’ont soutenu durant ces années d’études et
surtout pendant la réalisation de ce mémoire.
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova ii
SOMMAIRE INTRODUCTION GENERALE
PARTIE I : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
CHAPITRE 1 : CALCUL ET MESURE DE DEBIT
CHAPITRE 2 : TYPES DE DEBIMETRES ET LEURS FONCTIONNEMENTS
CHAPITRE 3 : LE MICROCONTROLEUR ARDUINO
PARTIE II : REALISATION
CHAPITRE 4 : CONCEPTION ET REALISATION DE DEBITMETRE
ELECTROMAGNETIQUE
CHAPITRE 5 : CONCEPTION ET REALISATION DE DEBITMETRE INFRAROUGE
CONCLUSION GENERALE
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova iii
LISTE DES FIGURES Figure 1 : Flux de vitesse à travers une surface quelconque ...................................................... 4
Figure 2 : Flux de vitesse à travers une surface standard ........................................................... 4
Figure 3 : Type d'écoulement du fluide ...................................................................................... 6
Figure 4 : Le débitmètre à FLOTTEUR .................................................................................... 8
Figure 5 : débitmètre à soufflet ................................................................................................. 9
Figure 6 : débitmètres a roues-pistons-palettes et vis hélicoïdales ......................................... 11
Figure 7 : débitmètre a insertion ............................................................................................. 12
Figure 8 : débitmètre à effet de Coriolis ................................................................................. 14
Figure 9 : Le débitmètre électromagnétique ........................................................................... 16
Figure 10 : débitmètre a effet vortex ....................................................................................... 17
Figure 11 : débitmètre massique thermique ............................................................................ 18
Figure 12 : débitmètre à ultrason .............................................................................................. 20
Figure 13 : ORGANE DEPRIMOGENE A SECTION VARIABLE ..................................... 21
Figure 14 : débitmètre a diaphragme ....................................................................................... 22
Figure 15 : le tube de venturi .................................................................................................. 24
Figure 16 : débitmètre a tuyère ............................................................................................... 25
Figure 17 : tube de Pitot .......................................................................................................... 27
Figure 18 : Arduino Uno ......................................................................................................... 29
Figure 19 : Interface du logiciel Arduino ................................................................................ 30
Figure 20 : Mouvement d'un tige métallique dans un champ .................................................. 32
Figure 21 : Conception du capteur électromagnétique via 123D ............................................. 33
Figure 22 : Capteur électromagnétique réalisé ......................................................................... 33
Figure 23 : Branchement sur Arduino du capteur électromagnétique...................................... 34
Figure 24 : Programmation sur Arduino® du débitmètre électromagnétique ......................... 35
Figure 25 : le débitmètre électromagnétique ............................................................................ 36
Figure 26 : résultat du débitmètre électromagnétique .............................................................. 36
Figure 27 : le capteur à infrarouge ........................................................................................... 39
Figure 28 : Branchement sur Arduino du capteur infrarouge .................................................. 39
Figure 29 : Programmation sur Arduino® du débitmètre à infrarouge .................................... 40
Figure 30 : le débitmètre à infrarouge ...................................................................................... 41
Figure 31 : valeur affichée du débitmètre infrarouge ............................................................... 41
Figure 32 : courbes de référence des valeurs ........................................................................... 43
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova iv
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1 : Les avantages et Inconvénients du débitmètre à flotteur ........................................ 8
Tableau 2 : Avantages et inconvénients du débitmètre à soufflet ............................................ 10
Tableau 3 : avantages et inconvénients du débitmètres a roues-pistons-palettes et vis
hélicoïdales ............................................................................................................................... 11
Tableau 4 : avantages et inconvénients du débitmètre a insertion ........................................... 13
Tableau 5 : avantages et inconvénients du débitmètre à effet de Coriolis ............................... 15
Tableau 6 : avantages et inconvénients du débitmètre électromagnétique .............................. 16
Tableau 7 : Avantages et inconvénients du débitmètre a effet vortex...................................... 17
Tableau 8 : avantages et inconvénients du débitmètre thermique ............................................ 19
Tableau 9 : avantages et inconvénients du débitmètre ultrason ............................................... 20
Tableau 10 : avantages et inconvénients du débitmètre a section variable .............................. 21
Tableau 11 : avantages et inconvénients du débitmètre a diaphragme .................................... 23
Tableau 12 : avantages et inconvénients du débitmètre tube de venturi .................................. 24
Tableau 13 : avantages et inconvénients du débitmètre a tuyère ............................................. 25
Tableau 14 : avantages et inconvénients du tube de Pitot ........................................................ 27
Tableau 15 : les valeurs du débitmètre électromagnétique ...................................................... 37
Tableau 16 : Les valeurs du débitmètre infrarouge .................................................................. 42
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova v
Listes des annexes
ANNEXE 1 : Calcul du code de résistance
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova vi
LISTE DES NOTATIONS
𝜀: Coefficient de compressibilité
𝝆: Masse volumique
∝ : Angle d’inclinaison émetteur-récepteur et la conduite
𝜇 : Viscosité dynamique
ac⃗⃗ ⃗ : Vecteur accélération de Coriolis
B : Intensité du champ magnétique
c : Célérité d’onde
Cp : Chaleur massique à pression constante
Cps : Centipoises
Cst : Centistokes
Cte : Constante
D : Diamètre
F : Fréquence de rotation
g : Intensité du champ de pesanteur
i : Indice
kt : Coefficient de transmission de chaleur
k : Nombre d’impulsion
KB : Kilobytes
Ko : Kilooctets
L : Longueur de section
m : Masse
mA : Milliampère
MHz : Mégahertz
m /s : Mètre par seconde
m³ /s : Mètre cube par seconde
MPa : Mégapascals
P : Pression
Pa.s : Pascal seconde
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova vii
𝑝𝑡: Pression totale
𝑝𝑠: Pression statique
𝑝𝑑: Pression dynamique
𝛥𝑝: Différence de pression
q : Charge
Q : Débit
qm: Chaleur moyenne dégagée
Qm : Débit massique
Qv : Débit volumique
Re : Nombre de Reynolds
s : Nombre de Stroual
S : Surface
𝑠1 : Surface de la partie 1
si : Surface de la partie indice i
t : Temps
T : Température
𝛥𝑇 : Différence de température
v : Vitesse
𝑣1 : Vitesse passant sur la surface 1
𝑣𝑖 : Vitesse passant sur la surface i
Va : Valeur affichée
Vr : Valeur réelle
W : Vitesse de rotation
Z : Altitude
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova viii
LISTE DES ABREVIATIONS
ESPA : Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo
IDE : Integrated Development Environment
ISO : International Organization for Standardization
LED : Light Emitting Diode
PC : Personal Computer
RAM : Random Access Memory
SI : Système International
USB : Universal Serial Browser
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 1
INTRODUCTION GENERALE
Il existe plusieurs paramètres à surveiller sur les procédés de conduite quel que soit
le domaine. Parmi les plus importantes, nous avons le « débit ». Dans les conduites industrielles
ou domestiques, soit en fabrication ou en distribution, tout dépend du débit afin de régulariser
ou superviser la quantité utilisée. Pour cela le « débitmètre » est l’appareil de mesure utilisé. Ce
matériel se repose sur des lois physiques connue suivant ses différents types mais tout se base
sur la surface de la conduite et la vitesse d’écoulement. Cependant, sans le débitmètre il est
difficile de calculer le débit manuellement et en plus ce matériel coûte chère. Nous avons alors
eu l’idée de concevoir et de réaliser un débitmètre pour le laboratoire de l’Ecole Supérieure
Polytechnique, pour assister tous les travaux de recherche nécessitant la connaissance du débit
d’un écoulement de liquide.
L’objet de ce mémoire qui s’intitule CONCEPTION ET REALISATION DE
DEBITMETRES ELECTROMAGNETIQUE ET INFRAROUGE A L’AIDE DE LA
PLATEFORME ARDUINO est de réaliser un appareil simple, peu coûteux mais efficace à
partir des matériels disponibles à Madagascar.
Nous avons décidé d’utiliser la plate-forme Arduino® pour créer un système l’enregistrement
et pour le suivi des résultats en temps réel.
Pour mener à bien ce travail, nous l’avons structuré en deux parties distinctes :
- La première partie est une étude bibliographique concernant les rappels sur
les écoulements et débits, les différents débitmètres et leurs fonctionnements
et enfin l’Arduino® ;
- La deuxième partie est consacrée à la conception et à la réalisation des
débitmètres.
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 2
PARTIE I : ETUDE
BIBLIOGRAPHIQUE
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 3
CHAPITRE 1 : CALCUL ET MESURE DE DEBIT
I. Mesure [1]
La mesure est l'opération qui consiste à donner une valeur à une observation. La
mesure est l’une des bases importantes sur lesquelles repose la recherche expérimentale. Une
recherche de qualité ne peut se réaliser sans un programme expérimental reposant sur un
dispositif de mesure adapté. Il est important d’y apporter l’attention et le soin nécessaires, en
utilisant la chaîne d’acquisition adéquate.
Mesurande : Grandeur physique (Pression, Température, ...).
Mesurage : Toutes les opérations permettant l'obtention de la représentation de la valeur d’une
grandeur physique.
Mesure : Valeur représentant au mieux la mesurande (6 MPa, 20°C, 2 m/s, …)
Par abus de langage, on confond souvent mesurage (action) et mesure (résultat de l'action).
II. Débit [2]
Le débit est la quantité de matière ou de fluide, liquide ou gazeux, qui s’écoule par
unité de temps.
En pratique on distingue deux débits :
• Débit masse ou débit massique Qm
• Débit volume ou débit volumique Qv
Les appareils mesurant le débit s’appellent débitmètres. Les appareils mesurant le
volume de fluide (quelle que soit la durée) ou la masse écoulée s’appellent des compteurs.
1. Débit volumique [2] [3]
Le débit volumique caractérise le déplacement d’un volume donné par unité de temps.
La lettre symbole représentant est Qv. L’unité internationale de débit volumique est le [m³ /s].
Par calcul : Le débit volumique est le flux du vecteur vitesse v à travers la surface
considérée.
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 4
(S)
�⃗�
Qv = ∬ 𝑣.⃗⃗⃗ ⅆ𝑠
Pour une surface si bien connue sur un point i, On en déduit :
(si)
�⃗�
Qv = v. si
2. Débit massique [2] [3]
Le débit massique caractérise le déplacement d’une masse donnée par unité de temps ;
symbolisé par Qm. Son unité suivant le S.I est le [kg/s].
Par calcul : Le débit massique est le flux du vecteur 𝝆�⃗⃗� à travers la surface
considérée.
Qm = ∬ 𝝆𝑣.⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⅆ𝑠 où 𝝆: masse volumique
En tenant compte de la relation 1 ; on obtient la relation entre Qv et Qm :
Qm = 𝝆 ∬ 𝑣.⃗⃗⃗ ⅆ𝑠
Qm = 𝝆. Qv
III. Le théorème de Bernoulli [4]
Ce théorème relie, le long d’une ligne de courant, les trois grandeurs « vitesse », «
pression » et « altitude ».
Le théorème de Bernoulli prend la forme suivante, dans le cas d’un fluide parfait :
FIGURE 1 : FLUX DE VITESSE A TRAVERS UNE SURFACE QUELCONQUE
FIGURE 2 : FLUX DE VITESSE A TRAVERS UNE SURFACE STANDARD
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 5
p 1
2𝜌v² 𝜌 .g.z cte
La vitesse « v » représente alors aussi bien la vitesse moyenne, que la vitesse locale
puisque la distinction ne s’impose pas pour un fluide parfait.
Nous avons rappelé ci-dessus que le débit (volumique ou massique) est défini grâce à la vitesse.
Pour un écoulement dans une conduite de section S variable, en faisant l'hypothèse
supplémentaire qu'il y a une répartition uniforme des vitesses dans chaque section droite, c'est-
à-dire que les lignes de courant sont rectilignes et parallèles (ce qui n'est pas tout à fait le cas
dans les zones convergentes et divergentes) la conservation de la masse s'écrit :
Qv = 𝑣1𝑠1 = 𝑣𝑖𝑠𝑖 = 𝑐𝑡𝑒
Où Vi et Si sont respectivement les vitesses et sections dans les différentes
sections i. En considérant en plus que le dispositif est horizontal (z = cte), la relation de
Bernoulli s'écrit :
𝑝1 +𝜌𝑣1
2
2= 𝑝𝑖 +
𝜌𝑣𝑖2
2
IV. Régime d’écoulement [3] [4]
Le cours de physique a montré l’importance d’un nombre sans dimension,
caractérisant le rapport :
Force frottement
Force inertie
Ce nombre, dans les écoulements au sein de canalisations cylindriques s’exprime par :
𝑅𝑒 =𝜌⋅𝑣⋅𝐷
𝜇
Où r est la masse volumique du fluide, μ sa viscosité dynamique (Pa. s), et D le diamètre de la
canalisation cylindrique.
□ si 𝑅𝑒 ≤ 2000 : le régime est laminaire, les forces de frottement
dominent dans ce type d’écoulement, la conséquence est que les couches de fluide glissent les
unes sur les autres sans s’entremêler. Le profil des vitesses est parabolique
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 6
□ si 2000 < 𝑅𝑒 < 4000 : le régime est incertain, mais, s’il est
turbulent à un certain instant, alors il le restera.
□ si 𝑅𝑒 ≥ 4000 : le régime est turbulent, les forces d’inerties
dominent et les lignes de courant se mêlent. La distribution des vitesses selon une section droite
est « écrasée ». Autrement dit, la vitesse moyenne est très peu éloignée des vitesses réelles
Ces rappels de physique vont nous servir à étudier une catégorie importante de débitmètres
: les débitmètres à organe déprimogène.
FIGURE 3 : TYPE D'ECOULEMENT DU FLUIDE
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 7
CHAPITRE 2 : TYPES DE DEBITMETRES ET LEURS
FONCTIONNEMENTS
I. Capteurs de débit
1. Définition [5] :
Un capteur transforme une grandeur physique en une grandeur normée, généralement
électrique, qui peut être interprétée par un dispositif de contrôle commande.
2. Le choix d’un capteur [4] :
Le choix d’un capteur de débit repose sur 3 critères :
▪ Nature du fluide transporté (liquide ou gaz)
▪ Type de signal de mesure : analogique, numérique ou logique ;
▪ La grandeur directement mesurée : vitesse, masse ou volume.
3. Types [4]
Le type de capteur sont :
2.1. Mécanique : utilisation de matériel en contact avec le fluide dans la
conduite.
▪ Sortie analogique : Flotteur rotatif (Rotamètre)
▪ Sortie numérique : Compteur volumétrique et compteur de vitesse à
turbine
▪ Sortie logique : Contrôleur de circulation
2.2. Statique (sortie analogique seulement) : sans intervention de matériel
mécanique dans la conduite
▪ Organe déprimogène
▪ Sonde (tube de Pitot)
▪ Électromagnétique
▪ Ultrasonique
▪ Effet vortex
▪ Fil chaud
▪ Massique thermique
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 8
II. Types de débitmètres :
1. Capteur Mécanique :
1.1.DEBITMETRE A FLOTTEUR [6] [7] :
a. Principe de fonctionnement :
Le flotteur s’équilibre en fonction du débit dans le tube tronconique de manière à
équilibrer les différentes forces auxquelles il est soumis. A chaque position d’équilibre du
flotteur est associée une valeur du débit instantané du fluide pour lequel il est conçu et / ou
étalonné.
b. Avantages et Inconvénients
TABLEAU 1 : LES AVANTAGES ET INCONVENIENTS DU DEBITMETRE A FLOTTEUR
Avantages Inconvénients
□ Peu d’entretien
□ Intéressant pour les faibles débits
□ Maintenance facile
□ Coût faible
□ Convient pour les gaz, les liquides, la
vapeur
□ Perte de charge résiduelle importante
□ Veiller à la verticalité de l’appareil car le
fluide se déplace de bas en haut
□ La valeur de la graduation dépend de la masse
volumique du fluide pour lequel le rotamètre est
conçu ou étalonné.
□ Dépendance vis-à-vis de la nature du fluide
□ Dépendance à la pression et à la température
pour les gaz
□ Fragile
FIGURE 4 : LE DEBITMETRE A FLOTTEUR [7]
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 9
c. Conditions d’utilisation et performances
Fluides : Tous type de fluides
Pression : 1 à 450 bars fonction du corps du rotamètre
Température : -270°C à + 400°C
Nombre de Reynolds : supérieur à 2000
Conductivité minimale : sans influence
Viscosité : faible viscosité
Dynamique de mesure : de 1/100
Exactitude attendue : 2 à 10 % de l’étendue de mesure
Reproductibilité et Répétabilité : fonction de l’opérateur
1.2.DEBIMETRE COMPTEURS VOLUMETRIQUES SOUFFLETS [7]
a. Principe de fonctionnement :
Isoler puis transporter de l'entrée à la sortie de l'appareil des volumes élémentaires
égaux de fluide bien définis géométriquement. On déplace un volume connu de fluide. Ce
principe est donc indépendant du fluide déplacé.
a. Avantages et inconvénients :
FIGURE 5 : DEBITMETRE A SOUFFLET [7]
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 10
TABLEAU 2 : AVANTAGES ET INCONVENIENTS DU DEBITMETRE A SOUFFLET
Avantages Inconvénients
□ Linéaire sur sa plage normale de
fonctionnement
□ Dispositif peu encombrant
□ Système de mesure adapté pour les gaz
□ Réponse insensible à la nature du gaz
□ Perte de charge résiduelle faible
□ Fluides propres
□ Respecter le sens de circulation du fluide
□ Sensible aux chocs, coups de bélier
□ Usure mécanique
□ Sensible aux surpressions
□ A utiliser avec précaution dans la partie
basse de la gamme de débit, sous-comptage
ou absence de comptage possible.
□ Connaissance de la masse volumique
Nécessaire
b. Conditions d’utilisations et performances :
Fluides : Gaz
Pression : Pmax inférieur à quelques mbar
Température : T inférieur à 80°C
Nombre de Reynolds : supérieur à 2000 pour certains appareils
Conductivité minimale : aucune influence
Viscosité : aucune influence
Dynamique de mesure : de 1/20
Exactitude attendue : 1,5% à 3 % de la lecture en fonction de la plage de mesure
Reproductibilité et Répétabilité : 0,1% à 1% de la pleine échelle
Causes de mesures erronées possibles : Variation de masse volumique du fluide
sur vitesse.
1.3.DEBIMETRE COMPTEURS VOLUMETRIQUES ROUES OVALES - PISTONS
– PALETTES – VIS HELICOIDALES [3] [4] [8] :
a. Principe de fonctionnement :
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 11
Le principe est d’isoler puis de transporter de l'entrée à la sortie de l'appareil
des volumes élémentaires égaux de fluide bien définis géométriquement. On déplace donc un
volume connu de fluide. Ce principe est donc indépendant du fluide déplacé.
b. Avantages et inconvénients :
TABLEAU 3 : AVANTAGES ET INCONVENIENTS DU DEBITMETRES A ROUES-PISTONS-PALETTES ET
VIS HELICOÏDALES
Avantages Inconvénients
□ Linéaire sur sa plage normale de
fonctionnement
□ Système de mesure adapté pour les liquides
et les gaz
□ Perte de charge résiduelle faible
□ Adapté au comptage de volume
□ Dispositif peu encombrant
□ Fluides propres (filtre impératif fonction
des appareils)
□ Appareil pouvant induire des fluctuations
de pression dans la conduite
□ Sensibilité aux chocs et aux coups de bélier
□ Usure mécanique
□ Détérioration en cas de survitesse de la
gamme de débit, sous comptage ou absence
de comptage possible.
□ Risque de blocage avec arrêt de circulation
du fluide
c. Conditions d’utilisation et performances :
Fluides : Liquides et gaz
FIGURE 6 : DEBITMETRES A ROUES-PISTONS-PALETTES ET VIS HELICOÏDALES [4]
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 12
Pression : jusqu’à 300 bars
Température : -30°C à + 300°C
Nombre de Reynolds : supérieur à 2000 pour certains appareils
Conductivité minimale : aucune influence
Viscosité : 0,3 à 1000 cst
Dynamique de mesure : de 1/20
Exactitude attendue : 0,25% à 1 % de la lecture en fonction des modèles et des
conditions d’installation
Reproductibilité et Répétabilité : 0,1% à 1% de la pleine échelle
Causes de mesures erronées possibles : Variation de viscosité du fluide
survitesse ; usure et fuites internes.
1.4.DEBITMETRE A TURBINE A INSERTION [4] [7] [8] :
a. Principe de fonctionnement :
Un rotor à ailettes dont l’axe coïncide avec celui du débit circulant dans la conduite
(turbines axiales) est mis en rotation par l’action du fluide.
Le passage des pales devant un capteur crée un signal dont la fréquence est directement
proportionnelle au débit.
Q= F/K
F : fréquence de rotation des pales devant le capteur
K : nombre d’impulsions par unité de volume
b. Avantages et inconvénients :
FIGURE 7 : DEBITMETRE A INSERTION [7]
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 13
TABLEAU 4 : AVANTAGES ET INCONVENIENTS DU DEBITMETRE A INSERTION
Avantages Inconvénients
□ Linéaire sur sa plage normale de
fonctionnement
□ Dispositif peu encombrant
□ Bonne exactitude
□ Système de mesure adapté pour les liquides
et les gaz
□ Faible perte de charge
□ Diamètres importants
□ Intéressant pour les mesures sur la vapeur
saturée ou surchauffée
□Respect des longueurs droites (profil des
vitesses)
□Attention au choix de la vitesse du fluide
□ Sensibilité à la température
□ Utilisation sur des fluides propre (filtre 150
μm)
□ Influence de la viscosité cinématique
□Sensibilité aux chocs
□ Usure mécanique
□ Détérioration en cas de survitesse
c. Conditions d’utilisation et performances :
Fluides : Liquides monophasiques et gaz propres, vapeur saturée et surchauffée
Pression : jusqu’à 350 bars
Température : -40°C à + 450°C
Nombre de Reynolds : supérieur à 2000 pour certains appareils
Conductivité minimale : aucune influence
Viscosité : inférieure à 10 cps
Dynamique de mesure : de 1/10 à 1/30
Exactitude attendue : 0,50% à 2 % de la lecture en fonction des modèles et des
conditions d’installation
Reproductibilité et Répétabilité : 0,25% à 1% de la pleine échelle
2. Capteur statique :
2.1.DEBITMETRE A EFFET CORIOLIS [6] [7] [9] :
a. Principe de fonctionnement :
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 14
Le débitmètre à effet Coriolis est un débitmètre massique. Il effectue une
mesure directe et intégrale de masse. La mesure du débit repose sur l'information de deux
capteurs électrodynamique disposés de part et d'autre d’un tube mis en oscillation par vibration.
Ces capteurs mesurent la vitesse de déplacement du tube de mesure.
Un déséquilibre entre l'entrée et la sortie du tube de mesure est observé. Il se traduit par un
déphasage en temps détecté par deux bobines. Le déphasage entre les deux capteurs de mesures
est proportionnel au débit massique du fluide circulant dans le tube.
Il existe des débitmètres avec des tubes droits et avec des tubes courbés. La forme du tube n'a
pas d'influence particulière sur la mesure.
Lorsqu’un objet est soumis à la fois à une rotation et à une translation il subit une accélération
dite accélération de CORIOLIS : ac⃗⃗ ⃗ = 2w⃗⃗⃗ ∧ v⃗
Cette objet subit donc une force de Coriolis : Fc⃗⃗ ⃗ = −2m. v⃗ . w⃗⃗ ⃗⃗
Où w : vitesse de rotation
m : masse du fluide déplacée
v : vitesse de translation
Le débitmètre met en œuvre un système qui mettra en rotation une portion de masse m du
liquide qui s’écoule dans la canalisation. La connaissance de la vitesse de rotation ω et la mesure
de la force permet alors d’accéder directement à « m.v » puis à la valeur du débit massique.
b. Avantages et inconvénients :
FIGURE 8 : DEBITMETRE A EFFET DE CORIOLIS [9]
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 15
TABLEAU 5 : AVANTAGES ET INCONVENIENTS DU DEBITMETRE A EFFET DE CORIOLIS
c. Conditions d’utilisation et performances :
Fluides : Tout type de fluide
Pression : jusqu’à 400 bars
Température : -240°C à + 200°C
Nombre de Reynolds : pas de limitation
Conductivité minimale : aucune influence
Viscosité : aucune influence
Dynamique de mesure : de 1/200
Exactitude attendue : 0,2 à 0,5 % de la lecture
Reproductibilité et Répétabilité : 0,1% à 0,2% de la pleine échelle
2.2.DEBITMETRE ELECTROMAGNETIQUE [3] [7] [9] :
a. Principe de fonctionnement :
Avantages Inconvénients
□ Très bonne exactitude
□ Absence de phénomènes d'usure
□ Indépendant des caractéristiques du fluide
□ Indépendant du profil de vitesse
□ Fonctionne sur des fluides extrêmement
□ Visqueux
□ Ne nécessite pas de longueur droite amont
/ aval
□ Fonctionne pour les liquides ou les gaz et
pour les mélanges de liquides
□ Perte de charge non négligeable
□ Attention aux fluides diphasiques
□ Coût élevé
□ Procéder au réglage du zéro du capteur à
débit nul (instabilité à évaluer)
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 16
Basé sur la loi de Faraday. Tout corps conducteur qui se déplace dans un champ
magnétique génère une force électromotrice induite proportionnelle à la vitesse de déplacement.
Ainsi on mesure une tension qui est proportionnelle au débit du liquide dans la conduite.
b. Avantages et inconvénients :
TABLEAU 6 : AVANTAGES ET INCONVENIENTS DU DEBITMETRE ELECTROMAGNETIQUE
c. Conditions d’utilisation et performances :
Fluides : divers types d’eaux conductrices, produits chimiques, liquides
conducteurs
Pression : 20 à 500 bars
Température : -60°C à + 220°C
Nombre de Reynolds : pas de limitation
Conductivité minimale : 5 μS/cm à 20 μS/cm
Dynamique de mesure : de 1/20 à 1/100
Exactitude attendue : 0,3 à 2 % de la lecture
Avantages Inconvénients
□ Aucune perte de charge
□ Absence de phénomènes d'usure
□ Indépendant des caractéristiques du fluide
□ Fluide nécessairement conducteur
□ Respect des longueurs droites (profil des
vitesses)
□ Attention au choix de la vitesse du fluide
□ Attention aux fluides diphasiques
FIGURE 9 : LE DEBITMETRE ELECTROMAGNETIQUE [7]
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 17
Reproductibilité et Répétabilité : 0,1% à 0,2% de la pleine échelle
2.3.DEBITMETRE A EFFET VORTEX [6] [7] :
a. Principe de fonctionnement :
Lorsqu’un fluide en écoulement rencontre un corps non profilé, il se divise et engendre
de petits tourbillons ou vortex alternés, de part et d’autre du corps non profilé (Re > 50).
S : nombre de Stroual
F : fréquence des tourbillons
D : diamètre s =F. D
V= cte
V : vitesse du fluide
La fréquence de génération des tourbillons est directement proportionnelle à la vitesse
du fluide.
b. Avantages et inconvénients :
TABLEAU 7 : AVANTAGES ET INCONVENIENTS DU DEBITMETRE A EFFET VORTEX
Avantages Inconvénients
□ Absence de phénomènes d'usure
□ Adapté pour les gaz, les liquides et les
vapeurs
□ Adapté aux hautes pressions et
températures
□ Faible perte de charge
□ Non linéaire en régime laminaire
□ Ne fonctionne pas sur les fluides visqueux
□ Attention à l’aspect température qui peut
avoir une influence
FIGURE 10 : DEBITMETRE A EFFET VORTEX [7]
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 18
c. Conditions d’utilisation et performances :
Fluides : tout fluide peu visqueux
Pression : jusqu’à 300 bars
Température : -200°C à + 400°C
Nombre de Reynolds : supérieur à 2000
Conductivité minimale : sans effet
Viscosité : 0,5 à 25 cst
Dynamique de mesure : de 1/10 à 1/15 fonction du fluide
Exactitude attendue : 1 à 3 % de la lecture
Reproductibilité et Répétabilité : de l’ordre de 1 %
2.4.DEBITMETRE MASSIQUE THERMIQUE A DERIVATION [3] [4] [10] :
a. Principe de fonctionnement :
Le principe de fonctionnement des débitmètres massiques thermiques repose sur
l'élévation de température que subit un fluide lorsqu'on lui apporte une puissance thermique
donnée.
𝛥𝑇 = 𝑘𝑡. 𝐶𝑝. 𝑞𝑚
Où 𝛥𝑇 : différence de température
kt : Coefficient de transmission de chaleur
Cp: Chaleur massique à pression constante
qm: Chaleur moyenne dégagée
b. Avantages et inconvénients :
FIGURE 11 : DEBITMETRE MASSIQUE THERMIQUE [4]
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 19
TABLEAU 8 : AVANTAGES ET INCONVENIENTS DU DEBITMETRE THERMIQUE
Avantages Inconvénients
□ Mesure du débit massique
□ Absence de phénomènes d'usure
□ Peu dépendant du profil de vitesse
□ Peut être associé à un régulateur de
pression
□ Attention aux fluides diphasiques
□ Filtration très recommandée
□ Attention aux conditions de température et
de pression
□ Attention aux changements de composition
des fluides
□ Attention aux variations de chaleur
spécifique des fluides
□ Attention à la perte de charge
c. Conditions d’utilisation et performances :
Fluides : Tout type de fluide monophasique propre pour les gaz
Pression : jusqu’à 3000 bars
Température : jusqu’à + 200°C
Nombre de Reynolds : pas de limitation
Conductivité minimale : aucune influence
Viscosité : aucune influence
Dynamique de mesure : de 1/20 voire plus selon les modèles
Exactitude attendue : 0,5 à 1 % de la lecture si bonne connaissance du fluide à
mesurer sinon exactitude pouvant aller jusqu’à 5%
Reproductibilité et Répétabilité : 0,2% de la pleine échelle pour un fluide donné
connu
2.5.DEBITMETRE ULTRASONS A TEMPS DE TRANSIT [3] [4] :
a. Principe de fonctionnement :
Un transducteur émet une onde ultrasonore qui traverse le fluide en écoulement à la
vitesse du son. Le temps de propagation de l’onde ultrasonore dépend de la vitesse du fluide.
𝑡 =𝐿
𝑐 + 𝜈. cos (𝛼)
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 20
t : temps de transit de l’onde entre l’émetteur et le récepteur
c : vitesse de propagation du son dans le fluide
v : vitesse du fluide
L : distance entre émetteur et récepteur
b. Avantages et inconvénients :
TABLEAU 9 : AVANTAGES ET INCONVENIENTS DU DEBITMETRE ULTRASON
Avantages Inconvénients
□ Aucune perte de charge
□ Absence de phénomènes d’usure (pas de
pièce mobile)
□ Indépendant des caractéristiques du fluide
□ Système de mesure adapté pour les liquides
et les gaz
□ Respect des longueurs droites (profil des
vitesses)
□ Attention au choix de la vitesse du fluide
□ Sensibilité à la température
c. Conditions d’utilisation et performances :
Fluides : Liquides monophasiques et gaz
Pression : jusqu’à 300 bars
Température : -250°C à + 200°C
Nombre de Reynolds : supérieur à 2000 pour certains appareils
Conductivité minimale : aucune influence
Viscosité : fluides newtoniens ou connus
FIGURE 12 : DEBITMETRE A ULTRASON [7]
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 21
Dynamique de mesure : de 1/10 à 1/50
Exactitude attendue : 0,3% à 5 % de la lecture en fonction des fluides et conditions
d’installation
Reproductibilité et Répétabilité : 0,5% à 1% de la pleine échelle
2.6.ORGANE DEPRIMOGENE A SECTION VARIABLE [2] [7] :
a. Principe de fonctionnement :
Un cône obstrue un diaphragme de manière plus ou moins grande en fonction
du débit. La variation de pression différentielle ainsi obtenue est linéaire en fonction du débit
b. Avantages et inconvénients :
TABLEAU 10 : AVANTAGES ET INCONVENIENTS DU DEBITMETRE A SECTION VARIABLE
Avantages Inconvénients
□ Peu d’entretien
□ Courbe de réponse linéaire
□ Convient pour les gaz, les liquides et la
vapeur
□ Maintenance facile
□ Grande dynamique de mesure
□ Perte de charge résiduelle
□ Respect des longueurs droites (profil des
vitesses)
□ Connaissance de la masse volumique du
fluide nécessaire
□ Vieillissement du ressort sur coup de
bélier, chocs
c. Conditions d’utilisation et performances :
Fluides : Tous type de fluides non chargés en particules solides
Pression : 200 bars voire plus
Température : -200°C à + 500°C
FIGURE 13 : ORGANE DEPRIMOGENE A SECTION VARIABLE [7]
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 22
Nombre de Reynolds : supérieur à 2000
Conductivité minimale : sans influence
Dynamique de mesure : de 1/100
Exactitude attendue : 1 à 2 % de la lecture fonction de l’implantation et du capteur
de pression différentielle associé
Reproductibilité et Répétabilité : fonction du capteur de pression différentielle
associé.
2.7.ORGANE DEPRIMOGENE : DIAPHRAGME [6] [7] [9]
a. Principe de fonctionnement :
Organe déprimogène : élément provoquant une différence de pression entre
l’amont et l’aval d’un écoulement.
qv = α. ε. s1 ⋅ √2Δp
ρ
Où, 𝛼: Coefficient du débit
𝜀: Coefficient de compressibilité
𝑠1 : Surface de l’orifice
𝜌: Masse volumique du fluide
𝛥𝑝: Différence de pression
b. Avantages et inconvénients :
FIGURE 14 : DEBITMETRE A DIAPHRAGME [7]
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 23
TABLEAU 11 : AVANTAGES ET INCONVENIENTS DU DEBITMETRE A DIAPHRAGME
Avantages Inconvénients
□ Mesure normalisée : ISO5167
□ Pas de pièce en mouvement
□ Convient pour les gaz, les liquides et la
vapeur
□ Perte de charge résiduelle
□ Respect des longueurs droites (profil des
vitesses)
□ Dynamique de mesure limitée
□ Attention aux fluides diphasiques
□ Connaissance de la masse volumique du
fluide nécessaire
c. Conditions d’utilisation et performances :
Fluides : Tous fluides non chargés en particules
Pression : 400 bars
Température : -200°C à + 1200°C
Nombre de Reynolds : supérieur à 2000
Conductivité minimale : sans influence
Dynamique de mesure : de 1\6 voire 1\10 avec 2 capteurs de pression différentielle
Exactitude attendue : 1 à 5 % de la lecture fonction de l’implantation et du capteur
de pression différentielle associé
Reproductibilité et Répétabilité : fonction du capteur de pression différentielle
associé.
2.8.ORGANE DEPRIMOGENE : TUBE DE VENTURI [4] [6] [7]
a. Principe de fonctionnement :
Organe déprimogène : élément provoquant une différence de pression entre l’amont
et l’aval d’un écoulement.
𝑞𝑣 = 𝛼. 𝜀. 𝑠1 ⋅ √2𝛥𝑝
𝜌
Où, α: Coefficient de débit
𝜀: Coefficient de compressibilité
𝑠1: Surface de l’orifice
𝜌: Masse volumique du fluide
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 24
𝛥𝑝: Différence de pression
b. Avantages et inconvénients :
TABLEAU 12 : AVANTAGES ET INCONVENIENTS DU DEBITMETRE TUBE DE VENTURI
Avantages Inconvénients
□ Mesure normalisée : ISO 5167
□ Pas de pièce en mouvement
□ Convient pour tout type de fluide
□ Pression et température élevés
□ Perte de charge résiduelle faible
□ Maintenance simple
□ Encombrement important
□ Respect des longueurs droites (profil des
vitesses)
□ Dynamique de mesure limitée
□ Connaissance de la masse volumique du
fluide nécessaire
c. Conditions d’utilisation et performances :
Fluides : Tous fluides non chargés en particules
Pression : basse à haute pression
Température : dépend du matériau de fabrication
Nombre de Reynolds : supérieur à 2000
Conductivité minimale : sans influence
Dynamique de mesure : de 1 : 5
Exactitude attendue : 1 à 5 % de la lecture fonction de l’implantation et du
capteur de pression différentielle associé
Reproductibilité et Répétabilité : fonction du capteur de pression différentielle
associé.
FIGURE 15 : LE TUBE DE VENTURI [4]
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 25
2.9.ORGANE DEPRIMOGENE : TUYERE [2] [4] [7]
a. Principe de fonctionnement :
Organe déprimogène : élément provoquant une différence de pression entre l’amont
et l’aval d’un écoulement.
𝑞𝑣 = 𝛼. 𝜀. 𝑠1 ⋅ √2𝛥𝑝
𝜌
Où, 𝛼: Coefficient de débit
𝜀: Coefficient de compressibilité
𝑠1 : Surface de l’orifice
𝜌: Masse volumique du fluide
𝛥𝑝: Différence de pression
b. Avantages et inconvénients :
TABLEAU 13 : AVANTAGES ET INCONVENIENTS DU DEBITMETRE A TUYERE
Avantages Inconvénients
□ Mesure normalisée : ISO 5167
□ Pas de pièce en mouvement
□ Convient pour les gaz, les liquides et la
vapeur
□ Maintenance facile
□ Température et pression extrêmes
□ Perte de charge résiduelle
□ Respect des longueurs droites (profil des
vitesses)
□ Dynamique de mesure limitée
□ Connaissance de la masse volumique du
fluide
FIGURE 16 : DEBITMETRE A TUYERE [7]
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 26
c. Conditions d’utilisation et performances :
Fluides : Tous fluides non chargés en particules
Pression : 400 bars
Température : -200°C à + 1000°C
Nombre de Reynolds : supérieur à 2000
Conductivité minimale : sans influence
Dynamique de mesure : de 1\5 voire 1\12 avec 2 capteurs de pression
différentielle
Exactitude attendue : 1 à 5 % de la lecture fonction de l’implantation et du
capteur de pression différentielle associé
Reproductibilité et Répétabilité : fonction du capteur de pression différentielle
associé.
2.10. TUBE DE PITOT [3] [7]
a. Principe de fonctionnement :
Le principe repose sur l’équation de BERNOUILLI et permet de mesurer une vitesse
de fluide. La pression totale dans une conduite est la somme de la pression statique et de la
pression dynamique. Ainsi on peut remonter à la pression dynamique qui est fonction de la
vitesse du fluide :
𝑝𝑡 = 𝑝𝑠 + 𝑝𝑑
𝛥𝑝 = 𝑝𝑡 − 𝑝𝑠 =𝜌.𝑣2
2
𝑣 = √2𝛥𝑝
𝜌
Où, 𝑝𝑡: Pression totale
𝑝𝑠: Pression statique
𝑝𝑑: Pression dynamique
𝛥𝑝: Différence de pression
𝜌: Masse volumique du fluide
𝑣: Vitesse d’écoulement
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 27
b. Avantages et inconvénients :
TABLEAU 14 : AVANTAGES ET INCONVENIENTS DU TUBE DE PITOT
Avantages Inconvénients
□ Mesure de débit de gaz, liquide et vapeur
propre
□ Pas de pièce en mouvement
□ Pression et température élevés
□ Perte de charge résiduelle moyenne
□ Maintenance simple
□ Respect des longueurs droites (profil des
vitesses)
□ Ne convient pas aux fluides visqueux
□ Dynamique de mesure fonction du capteur
de pression
□ Connaissance de la masse volumique du
fluide nécessaire
c. Conditions d’utilisation et performances :
Fluides : Tous fluides faiblement chargés en particules
Pression : basse à haute pression
Température : dépend du matériau de fabrication
Nombre de Reynolds : supérieur à 2000
Conductivité minimale : sans influence
Dynamique de mesure : dépend du capteur de pression associé
Exactitude attendue : 1 à 5 % de la lecture fonction de l’implantation et du
capteur de pression différentielle associé
Reproductibilité et Répétabilité : fonction du capteur de pression différentielle
associé
FIGURE 17 : TUBE DE PITOT [3]
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 28
CHAPITRE 3 : LE MICROCONTROLEUR ARDUINO
I. Information globale :
1. Microcontrôleurs [11] :
Un microcontrôleur est une petite unité de calcul accompagné de mémoire, de ports
d’entrée/sortie et de périphériques permettant d’interagir avec son environnement. Parmi les
périphériques, on recense généralement des Timers, des convertisseurs analogique-numérique,
des liaisons Séries, etc. On peut comparer un micro contrôleurs à un ordinateur classique, mais
système d’exploitation et avec une puissance de calcul considérablement plus faible.
2. Le carte Arduino [12] :
L’Arduino est une carte électronique en Matériel Libre pour la création artistique
interactive. Elle peut servir : pour des dispositifs interactifs autonomes simples comme interface
entre capteurs ; actionneurs et ordinateur et comme programmateur de certains
microcontrôleurs.
L’Arduino est une carte basée sur un microcontrôleur (mini-ordinateur) ATMEL ATMEGA8
ou ATMEGA168. Elle dispose dans sa version de base de 1 Ko de mémoire vive, et 8Ko de
mémoire flash pour stocker ses programmes. Elle peut être connectée à 13 entrées ou sorties
numériques, dont 3 PWM (pouvant donner 3 sorties analogiques et 6 entrées analogiques
convertissant en 10 bit. Dans la version la plus courante, la communication avec l’ordinateur se
fait par un port USB. Il existe plusieurs versions de l’Arduino, dont une version miniaturisée,
et d’autres projets sont également en gestation. La carte dispose d’un logiciel système interne
(modifiable) et des programmes utilisateur.
3. Types
Il existe plusieurs types de carte, selon leurs caractéristiques :
- Arduino mini
- Arduino Uno
- Arduino Mega…
II. Caractéristiques techniques [12]
Pour notre réalisation, on a choisi l’Arduino Uno. Les caractéristiques de ces cartes sont :
- Microcontrôleur : ATmega 328.
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 29
- Fréquence horloge : 16 MHz.
- Tension d’alimentation interne : 5Vcc.
- Tension d’alimentation externe recommandée : 7Vcc à 12Vcc. (Limites :
6Vcc à 20 Vcc)
- Courant max sur la sortie 3,3V généré par le régulateur interne : 50mA.
- Entrées/sorties binaires : 14 broches.
- Courant MAX par broches en sortie : 40 mA. (85 mA en court-circuit)
- Courant MAX cumulé par les broches en sorties : 200 mA. (Soit 14 mA en
moyenne)
- Les E/S binaires 0 et 1 sont mobilisées par le dialogue sur la ligne série.
- S0 pour RX et S1 pour TX. Chaque broche est reliée à une LED via une
résistance de 1k.
- Les E/S binaires 3, 5, 6, 9, 10, et 11 sont dédiées au mode PWM.
- L'E/S 13 est reliée sur la carte à la LED de test via une résistance de 1k.
- Entrées analogiques : 6. Le niveau logique maximal doit être de +5Vcc.
- Mémoire Flash 32 KB dont 0.5 KB utilisée par le Bootloader.
- Mémoire SRAM 2 KB. Mémoire EEPROM 1 KB.
- La carte s’interface au PC par l’intermédiaire de sa prise USB.
- La carte s’alimente par le jack d’alimentation. (Utilisation autonome).
FIGURE 18 : ARDUINO UNO [12]
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 30
III. Le logiciel Arduino [W₁]
L'environnement de programmation Arduino (IDE en anglais) est une application écrite en Java
inspirée du langage Processing. L'IDE permet d'écrire, de modifier un programme et de le
convertir en une série d'instructions compréhensibles pour la carte.
FIGURE 19 : INTERFACE DU LOGICIEL ARDUINO [W₁]
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 31
PARTIE II : REALISATION
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 32
CHAPITRE 4 : CONCEPTION ET REALISATION DE
DEBITMETRE ELECTROMAGNETIQUE
I. Principe
Le débitmètre électromagnétique fonctionne suivant le principe de Faraday. Quand
un liquide conducteur s’écoule perpendiculairement à travers un champ magnétique, une
différence de potentiel électrique est créée au sein du liquide. Cette différence de potentiel,
captée à l’aide de deux électrodes permet, par le calcul, d’en déduire la vitesse puis le débit du
fluide. La résolution de ce problème tend vers le cas de déplacement d’une tige métallique
chargée sur un circuit alimenté en présence d’un champ magnétique uniforme.
Donc on a l’expression de la différence de potentiel aux deux extrémités de la tige :
Em = B.L.v où B : intensité du champ, L : distance entre deux électrodes et v :
vitesse.
II. Réalisation :
1. Les matériels utilisés :
- Tuyau PVC de 15 cm de longueur
- Deux (2) aimants de forme parallélépipèdique 1cm x 1,5cm x 1cm récupéré à
partir d’une tondeuse à cheveux pour créer un champ uniforme dans la conduite
- Un (1) multimètre pour déterminer les pôles des électrodes
- Deux (2) vis de 1cm de longueur
- Fils conducteurs et connecteurs
- Une résistance de 10 kΩ
- Une carte Arduino Uno
- Une Plaquette
FIGURE 20 : MOUVEMENT D'UN TIGE METALLIQUE DANS UN CHAMP (AUTEUR)
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 33
- Quelques plastiques pour la coque de protection
2. Méthode
2.1.Assemblage
- Percer deux trous diamétralement opposés à mi- longueur du tuyau en plastique
- Insérer deux vis qui fera office de bornes de mesure dans les deux trous
précédents ;
- Connecter deux fils conducteurs sur les deux bornes de mesure ;
- Fixer les deux aimants diamétralement opposés et perpendiculaires aux deux
trous précédents
- Fixer le multimètre pour déterminer le pôle de l’appareil ;
- Brancher le résistor au pôle négatif du capteur.
FIGURE 21 : CONCEPTION DU CAPTEUR ELECTROMAGNETIQUE (VIA 123DESIGN, AUTEUR)
FIGURE 22 : CAPTEUR ELECTROMAGNETIQUE REALISE (AUTEUR)
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 34
2.2.Programmation sur Arduino
a. Branchement :
Branchons le système suivant le schéma du circuit suivant :
b. Programmation
On prend pour référence le langage C++ de MATLAB avec quelques changements sur
le plan de l’organisation.
Le programme adopté est la suivante :
• Première partie : introduction de Pin (A0) qui lit notre capteur et le débit
à calculer (flow)
• Deuxième partie (Setup) : permettant choisir le type d’affichage serial
9600
• Troisième partie (Loop) : Lecture de la valeur venant du pin A0
Ensuite, transformation de cette valeur analogique en tension (volt)
Calcule le débit : flow = (tension * surface) / (Champ B* distance)
= tension * 0.336
• La dernière partie se consacre sur l’affichage du résultat en [L/s]
La programmation est présentée dans la figure N°24 :
FIGURE 23 : BRANCHEMENT SUR ARDUINO DU CAPTEUR ELECTROMAGNETIQUE
(FRITZING, AUTEUR)
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 35
III. Résultats
1. Mesure :
On a mesuré la conduite de l’eau du robinet :
This is the Arduno sketch for the flow.
Version 1-Initial design that report values through to the serial monitor
*/
int inputPin = A0;
int sensorValue = 0.00; //reading from A0 pin
float flow = 0.00; //calculated flow (L/s)
// the setup routine runs once when you press reset :
void setup() {
// initialize serial communication at 9600 bits per second :
Serial.begin(9600) ;
}
// the loop routine runs over and over again forever :
void loop() {
// read the input on analog pin A0 :
int sensorValue = analogRead(A0);
// Convert the analog reading (which goes from 0 - 1023) to a voltage (0 - 5V) :
float voltage = sensorValue * (5.0 / 1023.0);
// Calculated flow
flow = voltage*0.336 ;
// print out the value you calulate :
Serial.print(« , flow(L/s= ») ;
Serial.println(flow) ;
delay (1000) ;
}
FIGURE 24 : PROGRAMMATION SUR ARDUINO® DU DEBITMETRE ELECTROMAGNETIQUE
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 36
• Après avoir installé le débitmètre, on lance le programme par le menu
« téléverser » et « moniteur de série ». On met en marche le robinet
pendant 7 seconde et on ferme. On obtient les valeurs dans la figure
N°26 ci-dessous :
Ces résultats montrent que le débit de l’eau mesuré est constant et au moment de la fermeture,
nous avons une légère variation avant de descendre à 0L/s.
FIGURE 25 : LE DEBITMETRE ELECTROMAGNETIQUE (AUTEUR)
FIGURE 26 : RESULTAT DU DEBITMETRE ELECTROMAGNETIQUE
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 37
2. Etalonnage :
Nous avons essayé d’étalonner notre débitmètre. A défaut de débitmètre de référence,
nous avons mesuré le volume écoulé et chronométré le temps d’écoulement.
La précision de ce débitmètre est, noté p : c’est le rapport de la valeur affichée (Va) par
le débitmètre par la valeur réelle (Vr) c’est-à-dire la valeur déterminée manuellement.
• On a fait 5 prises de mesure chronométrée sur un volume de 3 litres.
Donc la valeur réelle Vr est le rapport 3L/temps chronométré.
Ces mesures sont affichées sur le tableau ci-dessous :
TABLEAU 15 : LES VALEURS DU DEBITMETRE ELECTROMAGNETIQUE
Prise 1 : 3L-56s 2 : 3L- 42s 3 : 3L- 34s 4 : 3L- 26s 5 : 3L- 21s
Va (L/s) 0.05 0.065 0.08 0.10 0.12
Vr (L/s) 0.056 0.072 0.088 0.11 0.14
P (%) 89.28 90.27 90.90 90.90 85.71
Le tableau montre que les résultats obtenus ont un écart de 90% en moyenne par rapport
à la valeur réelle.
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 38
CHAPITRE 5 : CONCEPTION ET REALISATION DE
DEBITMETRE A INFRAROUGE
I. Principe
Le débitmètre à infrarouge se base sur l’étude cinétique du déplacement du rayon IR à
travers la conduite. La vitesse d’écoulement du fluide est en relation avec la durée de
propagation de l’onde IR :
(𝑐 + 𝑣. cos(∝))𝑡 = 𝐿
c : vitesse de propagation
v : vitesse d’écoulement
∝ : angle d’inclinaison émetteur-récepteur et la conduite
L : distance émetteur-récepteur
t : temp de propagation
II. Réalisation
1. Les matériels utilisés
- Tuyau plastique de 15 cm de longueur
- Fils conducteurs et connecteurs
- Deux résistances de 220 ohms
- Une carte Arduino Uno
- Emetteur rayon IR venant d’une télécommande de télévision.
- Récepteur rayon IR recuperé d’un autoradio usé.
- Quelques plastiques pour la coque de protection
2. Méthode
2.1.Assemblage
Fixer en côté opposé du tuyau l’émetteur et récepteur à l’aide des deux plastiques de forme
cylindriques et de la colle (super glue).
Ensuite, assembler l’ensemble avec l’Arduino.
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 39
2.2.Programmation
a. Branchement
Le système est branché suivant le schéma du circuit suivant :
b. Programmation
Voici ci-dessous le programme :
• Première partie : introduction de Pin (A0) pour l’émetteur, pin (2) pour
le capteur et le débit à calculer (flow)
• Deuxième partie (Setup) : pour choisir le type d’affichage serial 9600 et
pour introduire l’émetteur (output) et le capteur (input).
• Troisième partie (Loop) : lecture de l’émetteur (low and high pendant
10 µs chacune) et ensuite la pulsation du capteur (low)
FIGURE 27 : LE CAPTEUR A INFRAROUGE (AUTEUR)
FIGURE 28 : BRANCHEMENT SUR ARDUINO DU CAPTEUR INFRAROUGE (FRITZING, AUTEUR)
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 40
Ensuite, on obtient la durée d’émission
On calcule le débit : flow = (distance/durée – célérité) * 2 * surface
= (60000/durée) - 5.4
• La dernière partie se consacre sur l’affichage du résultat en [L/s]
This is the Arduno sketch for the flow.
Version 1-Initial design that report values through to the serial monitor
*/
const char capteur = 2; //broche capteur
const char emetteur = A0; //broche emetteur
int duree = 0; //en microseconde
float flow = 0.000000;
void setup()
{
PinMode (capteur, INPUT) ;
pinMode (emetteur, OUTPUT);
Serial.begin(9600) ;
}
void loop(){
digitalWrite (emetteur, HIGH);
delay (10);
digitalWrite (emetteur, LOW);
delay (10);
unsigned long duree = pulseIn(capteur, LOW);
flow = (60000/duree) - 5.4;
Serial.print("duree : ") ;
Serial.println(duree, DEC) ; //vérifie qu'on a bien la durée attendue
Delay (1500) ;
}
FIGURE 29 : PROGRAMMATION SUR ARDUINO® DU DEBITMETRE A INFRAROUGE
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 41
III. Résultats
1. Mesure
On a mesuré la conduite de l’eau du robinet :
• Après avoir installé le débitmètre, on lance le programme par le menu
« téléverser » et « moniteur de série ». On attend que la pulsation soit
stable (quelques minutes). On met en marche le robinet pendant 7
secondes et on ferme. On obtient les valeurs ci-dessous :
2. Etalonnage
Nous avons également essayé d’étalonner notre débitmètre à infrarouge comme précédemment.
FIGURE 31 : VALEUR AFFICHEE DU DEBITMETRE INFRAROUGE
FIGURE 30 : LE DEBITMETRE A INFRAROUGE (AUTEUR)
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 42
La précision de ce débitmètre est, noté p : c’est le rapport de la valeur affichée (Va) par
le débitmètre par la valeur réelle (Vr) c’est-à-dire la valeur déterminée manuellement.
• On a effectué 5 prises de mesure. Pour cela, on a chronométré un volume
de 3 litres. Donc la valeur réelle Vr est le rapport 3L/temps chronométré.
Ces mesures sont affichées sur le tableau ci-dessous :
TABLEAU 16 : LES VALEURS DU DEBITMETRE INFRAROUGE
Prise 1 : 3L-56s 2 : 3L-42s 3 : 3L-34s 4 : 3L-26s 5 : 3L-21s
Va (L/s) 0.04 0.05 0.06 0.08 0.10
Vr (L/s) 0.056 0.072 0.088 0.11 0.14
P (%) 71.42 69.44 68.18 72.72 71.42
Le tableau montre que les résultats obtenus ont un écart de 70 % en moyenne par rapport à la
valeur réelle.
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 43
CHAPITRE 6 : DISCUSSIONS
• Courbes représentatives des valeurs en fonction des prises de mesure dont on fixe le
volume à 3L.
Bleu = valeur chronométrée
Gris = débitmètre électromagnétique
Orange = débitmètre infrarouge
• On voit que le débitmètre électromagnétique est plus fiable que l’infrarouge. Cela à due
à l’instabilité du capteur infrarouge car par analogie du capteur de mouvement à
infrarouge, le capteur-émetteur n’est jamais stable à moins de 10 cm, le réseau est très
saturé à cette dimension. Donc, pour que les résultats soient fiables il faut qu’on ait de
grande conduite au moins 20 cm de diamètre.
• Si on avait un vrai débitmètre et des matériels d’expérimentation complet pour notre
débitmètre, on pourrait les faire bien calibrer et minimiser la marge d’erreur.
• Pour l’amélioration des résultats ; on fait entrer les marges d’erreur dans notre
programmation (10% pour l’électromagnétique et presque 30% pour l’infrarouge). Par
conséquent on obtiendra des résultats proches des valeurs réelles pour les deux.
• Pour avoir une stabilité du débitmètre à infrarouge ; il faudra encore faire des recherches
plus approfondies. Comme avoir des capteurs/récepteurs de bonne qualité, faire des
essais sur les conduites de tailles différentes etc…
FIGURE 32 : COURBES DE REFERENCE DES VALEURS
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 44
• Les avantages de ces débitmètres réalisés sont :
- Coût moins cher
- Automatique
- Facile à manipuler
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 45
CONCLUSION GENERALE
Dans le domaine de la fabrication d’instrument de mesure, la recherche de la qualité
doit représenter un objectif essentiel depuis la conception jusqu’à la phase réalisation. On
entend par instrument de qualité : un appareil aussi précis que possible, facile à manipuler,
facile à reproduire.
Dans ce mémoire, on a conçu deux débitmètres pour les travaux pratiques des étudiants et pour
le laboratoire à Vontovorona. Nous avons réalisé un débitmètre électromagnétique et débitmètre
à infrarouge à partir de matériels disponibles à Madagascar.
Nous avons développé un programme informatique sous Arduino pour programmer les
résultats provenant des capteurs électromagnétiques ou infrarouge du débitmètre.
La réalisation du présent mémoire a nécessité la maitrise de l’outil informatique, des propriétés
électriques de l’eau, de la mécanique de fluide ; des circuits électriques, de l’électronique, de la
statistique et du bricolage.
Les résultats ont montré une bonne fiabilité du capteur électromagnétique par rapport à celui à
infrarouge.
Enfin, avec quelques améliorations sur l’étanchéité et la compacité, nous espérons que
ces débitmètres pourraient être utiles pour de petites mesures de débit dont les laboratoires et
les particuliers pourraient en avoir besoin et que cette étude pourra servir de guide pour ceux qui
s’intéressent à l’automatisation de la mesure des grandeurs physiques.
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova ix
BIBLIOGRAPHIE
[1] Mesures Physiques.pdf [en ligne]. [Consulté le 13 février 2017] ; disponible à l’adresse :
file:///D:/IUT%20Caen%20%20Université%20de%20Caen%20Normandie.htm%201_fichiers
/impression-structure
[2] Technique de mesure des débits des fluides industriels.pdf [en ligne]. [Consulté le 13 février
2017] ; disponible à l’adresse : http://aichouni.tripod.com/mech-elearn/e-maktaba/cherigui-
magister/chap2.pdf
[3] InstrumentationCIRA.pdf [en ligne] ; [Consulté le 13 février 2017] ; disponible à l’adresse :
http://perso.numericable.fr/cira/pdf/Cours/Instrumentation/debit.pdf
[4] Cours_sur_débitmètres.pdf [en ligne] ; [Consulté le 13 février 2017] ; disponible à
l’adresse : https://cours.etsmtl.ca/gpa668/aCours/Cours_GPA668_E13_07.pdf
[5] Les Capteurs.pdf [en ligne] ; [Consulté le 13 février 2017] ; disponible à l’adresse :
http://gte.univ-littoral.fr/sections/documents-pdagogiques/chapitre-8
mesure/downloadFile/file/Les_capteurs.pdf
[6] chimie.pdf [en ligne] ; [Consulté le 13 février 2017] ; disponible à l’adresse :
http://eduscol.education.fr/rnchimie/gen_chim/jezequel/0-sommaire-intro.pdf
[7] Technologies_de_mesure_pour_le_comptage_énergétique.pdf [en ligne] ;
[Consulté le 13 février 2017] ; disponible l’adresse : http://metrologie.cetiat.fr/download
file.cfm?rubrique=downloads&docname=1%20Guide%20pratique%20ComptIAA%20Energi
e.pdf
[8] L’expérience_ce_qui_compte.pdf [en ligne] ; [Consulté le 13 février 2017] ; disponible à
l’adresse : http://doc.bopp-reuther.de/files/dichtemessgeraet/A-FR-06530-00.pdf
[9] Mesure_de_débit.pdf [en ligne] ; [Consulté le 13 février 2017] ; disponible à l’adresse :
https://www.endress.com/_storage/.../mesure-de-debit-de-liquides-gaz-et-vapeurs.pdf
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova x
[10] TransmissionDeChaleur.pdf [en ligne] ; [Consulté le 13 février 2017] ; disponible à
l’adresse :
energy.kth.se/compedu/webcompedu/webhelp/media/.../TransmissionDeChaleur.pdf
[11] Cours_arduino_v0.2.pdf [en ligne] ; [consulté le 26 Mars 2017] ; disponible à l’adresse :
https://fablab.univ-tlse3.fr/wiki/images/9/92/Cours_arduino_v0.2.pdf
[12] arduinoPM5.pdf [en ligne] ; [Consulté le 26 Mars 2017] ; disponible à l’adresse :
https://forum.arduino.cc/index.php?action=dlattach;topic=392974
[13] resistances.pdf [en ligne] ; [Consulté le 26 Mars 2017] ; disponible à l’adresse :
https://www.apprendre-en-ligne.net/crypto/passecret/resistances.pdf
WEBOGRAPHIE [W₁] http://arduino.cc
[W₂] http://btscira.perso.sfr.fr
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova xi
ANNEXE
ANNEXE 1 : Calcul du code de résistance [13]
Il faut tout d'abord placer la résistance dans le bon sens. En général, la résistance possède un
anneau doré ou argenté, qu'il faut placer à droite. Dans d'autres cas, c'est l'anneau le plus large
qu'il faut placer à droite.
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova xii
TABLE DES MATIERES
REMERCIEMENTS ................................................................................................................... i
SOMMAIRE .............................................................................................................................. ii
LISTE DES FIGURES .............................................................................................................. iii
LISTE DES TABLEAUX ......................................................................................................... iv
Listes des annexes ...................................................................................................................... v
ANNEXE 1 ............................................................................................................................ v
LISTE DES NOTATIONS ........................................................................................................ vi
LISTE DES ABREVIATIONS ............................................................................................... viii
INTRODUCTION GENERALE ................................................................................................ 1
PARTIE I : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE .............................................................................. 2
CHAPITRE 1 : CALCUL ET MESURE DE DEBIT ............................................................... 3
I. Mesure [1] ....................................................................................................................... 3
II. Débit [2] ....................................................................................................................... 3
1. Débit volumique [2] [3] ........................................................................................... 3
2. Débit massique [2] [3] ............................................................................................. 4
III. Le théorème de Bernoulli [4] ....................................................................................... 4
IV. Régime d’écoulement [3] [4] ....................................................................................... 5
CHAPITRE 2 : TYPES DE DEBITMETRES ET LEURS FONCTIONNEMENTS ............... 7
I. Capteurs de débit ............................................................................................................. 7
1. Définition [5] : ......................................................................................................... 7
2. Le choix d’un capteur [4] : ....................................................................................... 7
3. Types [4] .................................................................................................................. 7
II. Types de débitmètres : ....................................................................................................... 8
1. Capteur Mécanique : ................................................................................................ 8
2. Capteur statique : ................................................................................................... 13
CHAPITRE 3 : LE MICROCONTROLEUR ARDUINO ..................................................... 28
I. Information globale : ..................................................................................................... 28
1. Microcontrôleurs [11] : .......................................................................................... 28
2. Le carte Arduino [12] :........................................................................................... 28
3. Types ...................................................................................................................... 28
II. Caractéristiques techniques [12] ................................................................................ 28
III. Le logiciel Arduino [W₁] ........................................................................................... 30
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova xiii
PARTIE II : REALISATION ................................................................................................... 31
CHAPITRE 4 : CONCEPTION ET REALISATION DE DEBITMETRE
ELECTROMAGNETIQUE ..................................................................................................... 32
I. Principe .......................................................................................................................... 32
II. Réalisation : ............................................................................................................... 32
1. Les matériels utilisés : ............................................................................................ 32
2. Méthode ................................................................................................................. 33
III. Résultats ..................................................................................................................... 35
1. Mesure : ................................................................................................................. 35
2. Etalonnage : ........................................................................................................... 37
CHAPITRE 5 : CONCEPTION ET REALISATION DE DEBITMETRE A INFRAROUGE
.................................................................................................................................................. 38
I. Principe .......................................................................................................................... 38
II. Réalisation ................................................................................................................. 38
1. Les matériels utilisés .............................................................................................. 38
2. Méthode ................................................................................................................. 38
III. Résultats ..................................................................................................................... 41
1. Mesure .................................................................................................................... 41
2. Etalonnage .............................................................................................................. 41
CHAPITRE 6 : DISCUSSIONS .............................................................................................. 43
CONCLUSION GENERALE .................................................................................................. 45
BIBLIOGRAPHIE .................................................................................................................... ix
WEBOGRAPHIE ....................................................................................................................... x
ANNEXE .................................................................................................................................. xi
ANNEXE 1 ........................................................................................................................... xi
TABLE DES MATIERES ....................................................................................................... xii
ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova 1
Auteur : ANDRIANARINIAINA Narisolo Lova
Adresse : CUR vontovorona ; bloc 26 porte 930
Tél : +261341511516
E-mail : [email protected]
Titre : « CONCEPTION ET REALISATION DE DEBIMETRES ELECTROMAGNETIQUE
ET INFRAROUGE A L’AIDE DE LA PLATEFORME ARDUINO »
Nombre de pages : 45
Nombre de tableaux : 18
Nombre de figures : 32
Nombre d’annexe : 1
Famintinana
Ity fikarohana ity dia miompana indrindra any amin’ny fanamboarana debimetatra hoan’ny
laboratoaran’ny Vontovorona ; izany dia vita avy amin’ny fitaovana misy eto Madagasikara.Nahavita
debimetatra roa izahay dia elektromanetika sy taratra mena. Ny elektromanetika dia misy famantarana
amin’ny aratra ary ny tararatra mena dia avy amin’ny Led. Ireo rehetra ireo dia nalamina tamin’ny
kajimirindra « Arduino nightly v1.6.13 » mba hamadihana ny famantarana ho hafaingam-pandehan’ny
ranoka. Nisy fandinihana maro natao tamin’ny fahamarinana ireo fitaovana vita ireo.
Teny mamaha : hafaingam-pandehan’ny ranoka, debimetatra, Arduino, elektromanetika, taratra mena,
Led
Résumé
Ce mémoire de licence est axé sur la conception et la réalisation de débitmètre pour le
laboratoire de Vontovorona à partir de matériaux existant à Madagascar. Nous avons conçu deux
débitmètres : électromagnétique et infrarouge. Ces débitmètres possèdent comme capteur une électrode
de mesure de tension induite et capteur à Led. Nous avons développé sur « Arduino » avec le logiciel
« Arduino nightly v1.6.13 » pour l’acquisition et le traitement des données provenant de ces appareils.
Une étude basée sur une analyse multicritère est à la fin réalisée pour comparer la performance de ces
débitmètres.
Mots clés : débit, débitmètre, Arduino, électromagnétique, infrarouge, Led
Summary
This work is focused on the design and realization of flowmeter for the Vontovorona’s
laboratory with existing materials in Madagascar. We conceived two flowmeters : electromagnetic and
infrared. These flowmeters have its own sensor a voltage induced measuring electrode and Led infrared.
We developed a program with ARDUINO ; with the software « Arduino Nightly v1.6.13 » for the
acquisition and processing of data coming from this device. A study based on a multi-criteria analysis
is performed at the end to compare the performance of these flowmeters.
Keywords : flow, flow meter, Arduino, electromagnetic, infrared, Led
Encadreur : Professeur Rijalalaina RAKOTOSAONA