ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE DOMAINE SCIENCES DE L ...

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

LOVA

Texte tapé à la machine

LOVA


Date de soutenance : 12 Juin 2017

LOVA


LOVA


LOVA


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.


PARTIE I : ETUDE

BIBLIOGRAPHIQUE


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.


(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


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


□ 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


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


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]


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]


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]


TABLEAU 2 : AVANTAGES ET INCONVENIENTS DU DEBITMETRE A SOUFFLET


□ 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


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] :



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



fonctionnement

□ Système de mesure adapté pour les liquides

et les gaz


□ Adapté au comptage de volume


□ 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


□ 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]


Pression : jusqu’à 300 bars




Viscosité : 0,3 à 1000 cst


Exactitude attendue : 0,25% à 1 % de la lecture en fonction des modèles et des

conditions d’installation


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] :


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


FIGURE 7 : DEBITMETRE A INSERTION [7]


TABLEAU 4 : AVANTAGES ET INCONVENIENTS DU DEBITMETRE A INSERTION



fonctionnement


□ Bonne exactitude


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


□ Détérioration en cas de survitesse


Fluides : Liquides monophasiques et gaz propres, vapeur saturée et surchauffée





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


2. Capteur statique :

2.1.DEBITMETRE A EFFET CORIOLIS [6] [7] [9] :



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.


FIGURE 8 : DEBITMETRE A EFFET DE CORIOLIS [9]


TABLEAU 5 : AVANTAGES ET INCONVENIENTS DU DEBITMETRE A EFFET DE CORIOLIS


Fluides : Tout type de fluide



Nombre de Reynolds : pas de limitation




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] :



□ 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)


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.


TABLEAU 6 : AVANTAGES ET INCONVENIENTS DU DEBITMETRE ELECTROMAGNETIQUE


Fluides : divers types d’eaux conductrices, produits chimiques, liquides

conducteurs

Pression : 20 à 500 bars



Conductivité minimale : 5 μS/cm à 20 μS/cm


Exactitude attendue : 0,3 à 2 % de la lecture


□ Aucune perte de charge



□ Fluide nécessairement conducteur

□ Respect des longueurs droites (profil des

vitesses)

□ Attention au choix de la vitesse du fluide


FIGURE 9 : LE DEBITMETRE ELECTROMAGNETIQUE [7]


Reproductibilité et Répétabilité : 0,1% à 0,2% de la pleine échelle

2.3.DEBITMETRE A EFFET VORTEX [6] [7] :


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.


TABLEAU 7 : AVANTAGES ET INCONVENIENTS DU DEBITMETRE A EFFET VORTEX



□ 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]



Fluides : tout fluide peu visqueux




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] :


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


FIGURE 11 : DEBITMETRE MASSIQUE THERMIQUE [4]


TABLEAU 8 : AVANTAGES ET INCONVENIENTS DU DEBITMETRE THERMIQUE


□ Mesure du débit massique


□ Peu dépendant du profil de vitesse

□ Peut être associé à un régulateur de

pression


□ 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


Fluides : Tout type de fluide monophasique propre pour les gaz


Température : jusqu’à + 200°C




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] :


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)


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


TABLEAU 9 : AVANTAGES ET INCONVENIENTS DU DEBITMETRE ULTRASON


□ Aucune perte de charge

□ Absence de phénomènes d’usure (pas de

pièce mobile)



et les gaz


vitesses)

□ Attention au choix de la vitesse du fluide

□ Sensibilité à la température


Fluides : Liquides monophasiques et gaz





Viscosité : fluides newtoniens ou connus

FIGURE 12 : DEBITMETRE A ULTRASON [7]



Exactitude attendue : 0,3% à 5 % de la lecture en fonction des fluides et conditions

d’installation


2.6.ORGANE DEPRIMOGENE A SECTION VARIABLE [2] [7] :


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


TABLEAU 10 : AVANTAGES ET INCONVENIENTS DU DEBITMETRE A SECTION VARIABLE


□ Peu d’entretien

□ Courbe de réponse linéaire

□ Convient pour les gaz, les liquides et la

vapeur


□ Grande dynamique de mesure

□ Perte de charge résiduelle


vitesses)

□ Connaissance de la masse volumique du

fluide nécessaire

□ Vieillissement du ressort sur coup de

bélier, chocs


Fluides : Tous type de fluides non chargés en particules solides

Pression : 200 bars voire plus


FIGURE 13 : ORGANE DEPRIMOGENE A SECTION VARIABLE [7]





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]


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


𝑠1 : Surface de l’orifice

𝜌: Masse volumique du fluide



FIGURE 14 : DEBITMETRE A DIAPHRAGME [7]


TABLEAU 11 : AVANTAGES ET INCONVENIENTS DU DEBITMETRE A DIAPHRAGME


□ Mesure normalisée : ISO5167

□ Pas de pièce en mouvement


vapeur



vitesses)

□ Dynamique de mesure limitée



fluide nécessaire


Fluides : Tous fluides non chargés en particules

Pression : 400 bars




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


associé.

2.8.ORGANE DEPRIMOGENE : TUBE DE VENTURI [4] [6] [7]


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


𝑠1: Surface de l’orifice





TABLEAU 12 : AVANTAGES ET INCONVENIENTS DU DEBITMETRE TUBE DE VENTURI


□ Mesure normalisée : ISO 5167


□ Convient pour tout type de fluide

□ Pression et température élevés


□ Maintenance simple

□ Encombrement important


vitesses)



fluide nécessaire



Pression : basse à haute pression

Température : dépend du matériau de fabrication



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


associé.

FIGURE 15 : LE TUBE DE VENTURI [4]


2.9.ORGANE DEPRIMOGENE : TUYERE [2] [4] [7]


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


𝑠1 : Surface de l’orifice




TABLEAU 13 : AVANTAGES ET INCONVENIENTS DU DEBITMETRE A TUYERE


□ Mesure normalisée : ISO 5167



vapeur


□ Température et pression extrêmes



vitesses)



fluide

FIGURE 16 : DEBITMETRE A TUYERE [7]




Pression : 400 bars




Dynamique de mesure : de 1\5 voire 1\12 avec 2 capteurs de pression

différentielle




associé.

2.10. TUBE DE PITOT [3] [7]


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



𝑣: Vitesse d’écoulement



TABLEAU 14 : AVANTAGES ET INCONVENIENTS DU TUBE DE PITOT


□ Mesure de débit de gaz, liquide et vapeur

propre


□ Pression et température élevés

□ Perte de charge résiduelle moyenne

□ Maintenance simple


vitesses)

□ Ne convient pas aux fluides visqueux

□ Dynamique de mesure fonction du capteur

de pression


fluide nécessaire


Fluides : Tous fluides faiblement chargés en particules

Pression : basse à haute pression

Température : dépend du matériau de fabrication



Dynamique de mesure : dépend du capteur de pression associé




associé

FIGURE 17 : TUBE DE PITOT [3]


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.


- 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]


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]


PARTIE II : REALISATION


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)


- 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)


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)


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


• 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


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.


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.


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)


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


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)


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.


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


• Les avantages de ces débitmètres réalisés sont :

- Coût moins cher

- Automatique

- Facile à manipuler


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

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


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

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