Les débitmètres massiques et les régulateurs de débit massique Alicat sont réputés pour leur rapidité et leur précision, mais quelle est l’importance de notre rapidité pour votre précision ? Dans cet article, nous examinons l’hystérésis et ses effets sur les types courants d’instruments à débit massique.

Hystérésis d’un élastique tendu. L’écart entre la charge et le déchargement est la tendance du caoutchouc à ne pas revenir à sa forme initiale en raison de la friction

L’hystérésis réduit la précision de votre mesure en provoquant une réponse différente de votre lecteur à des entrées identiques répétées. Qu’est-ce que l’hystérésis ? En termes simplifiés, l’hystérésis est la tendance d’un système à réagir différemment à la même entrée en fonction de son historique des entrées passées. Par exemple, la plupart d’entre nous ont mangé une barre de chocolat à la température ambiante. Miam ! Mais quiconque a déjà utilisé du chocolat dans la cuisine sait qu’une fois que le chocolat a été chauffé et fondu à l’état liquide, il peut rester liquide lorsqu’il se refroidit jusqu’à la température ambiante. La même entrée (température) donne des résultats différents (solide vs liquide) en fonction de l’histoire du chocolat (chauffage ou refroidissement). C’est l’effet de l’hystérésis, et il peut jeter des sérieux bâtons dans les roues en ce qui concerne l’obtention de résultats reproductibles.

L’Hystérésis dans les Débitmètres Massiques Coriolis

Maintenant que nous avons défini l’hystérésis, examinons comment différents types de technologies de mesure de débit massique présentent une hystérésis. Les débitmètres dits Coriolis fonctionnent en faisant vibrer des tubes incurvés à travers lesquels le gaz s’écoule. L’augmentation du débit ajoute de la masse au système et induit des oscillations de second ordre qui sont directement corrélées à la densité et à la masse du fluide circulant dans la tubulure, ce que l’on appelle l’effet de Coriolis. Tout comme l’augmentation de la masse via un débit plus rapide augmente ces oscillations, la réduction du débit diminue les oscillations. Cependant, passer rapidement d’un débit donné à un débit beaucoup plus faible entraîne une hystérésis car les oscillations de second ordre nécessitent un temps d’amortissement jusqu’à ce qu’elles correspondent au nouveau niveau plus bas de débit massique.

Vous pouvez visualiser l’effet de l’hystérésis sur les compteurs Coriolis en mettant en mouvement un pendule d’horloge. Maintenant, appuyez sur le pendule depuis une direction perpendiculaire. Vous avez induit un mouvement de second ordre sur le balancement du pendule, et même si vous l’avez fait que pendant un instant, il faudra un certain temps avant que les effets de ce mouvement supplémentaire se dissipent. Si vous appuyez une seconde fois sur le pendule avant qu’il ne se soit stabilisé, vous induisez de nouveau du mouvement latéral, mais celui-ci sera un peu différent que celui de votre premier tapotement.

L’Hystérésis dans les Débitmètres Massiques Thermiques

Principe de fonctionnement d’un débitmètre massique thermique

Les débitmètres massiques thermiques fournissent des mesures indirectes du débit massique en fonction des propriétés thermiques du flux gazeux. Plutôt que de détecter les molécules individuelles de la matière qui passent, ils détectent les effets de la chaleur sur la matière en circulation, un principe appelé dispersion thermique. Il existe plusieurs types de compteurs thermiques, mais généralement une petite partie du flux de gaz est déviée à travers un tube capillaire chauffé qui est équipé de plusieurs capteurs de température. Lorsque le débit augmente, les molécules de gaz sont chauffées par le tube et transportent ensuite cette chaleur plus loin dans le tube jusqu’à ce que leurs températures reviennent à leur état non chauffé. Des débits plus élevés déplacent le panache de chaleur plus bas dans le tube, et des taux plus bas ne déplacent le panache que marginalement. La quantité de chaleur transportée par le tube dépend également des propriétés thermiques des molécules de gaz, de leur concentration (pression) et de leur température ambiante avant chauffage. Un débit élevé qui déplace le panache de chaleur plus loin dans le tube nécessitera un certain temps de stabilisation lorsque le débit aura chuté. En effet, la conductance thermique élevée du minuscule tube capillaire nécessaire pour détecter les faibles débits le rend également très efficace pour maintenir cette température élevée après que le débit ait chuté. Certains débitmètres thermiques utilisent des algorithmes de moyenne ou de prédiction pour surmonter cette hystérésis, ce qui est une bonne solution si vous avez seulement besoin d’un débit estimé.

L’effet d’hystérésis sur les débitmètres massiques thermiques est facile à visualiser sur votre cuisinière électrique domestique. Avant d’allumer le brûleur électrique, touchez-le brièvement avec votre main, puis retirez-le. Maintenant, mettez le cadran du brûleur à la position haute pendant une seconde, puis éteignez-le tout de suite. Mettez votre main sur le brûleur ; Est-ce que cela se sent plus chaud qu’au début ? La chaleur que vous ressentez est une chaleur résiduelle qui ne reflète pas précisément l’état actuel de l’absence de tension dans le brûleur. Si vous tournez à nouveau la molette du brûleur à la position haute pendant une seconde de plus avant que le brûleur ne soit complètement refroidi, la température du brûleur dans son état sans tension est maintenant encore plus élevée. Lors de l’ajout de tension, la chaleur augmente rapidement, mais lors de la suppression de la tension, la chaleur se dissipe beaucoup moins rapidement ; c’est l’effet d’hystérésis.

L’Hystérésis dans les Débitmètres Massiques basés sur la Pression

Il existe plusieurs types de débitmètres basés sur la pression, mais ils d’une certaine façon, mesurer le débit conformément au principe de Bernoulli, qui stipule que la pression dans un fluide en mouvement diminue. En fait, ce sont les différentiels de pression qui induisent le flux en premier lieu, ce type de mesure de débit est donc le plus proche de la source. Un débitmètre basé sur la pression différentielle mesure simplement le différentiel de pression qui génère le flux en premier lieu. Comme les débitmètres thermiques, les compteurs basés sur la pression ne mesurent pas directement les molécules individuelles de gaz ; Les mesures de débit massique sont calculées à partir des pressions différentielles enregistrées en utilisant des lois de gaz non idéales.

Les capteurs de pression différentielle d’Alicat utilisent des membranes qui sont déviées dans un sens ou dans l’autre en fonction de la direction de l’écoulement. Cette caractéristique marque une différence critique entre les technologies de mesure de débit. Si vous inversez rapidement la direction du flux dans un débitmètre thermique, vous pourriez vous retrouver dans une situation dans laquelle les côtés aval et amont du tube capillaire ont été chauffés dans une certaine mesure. De même, l’inversion de sens dans un débitmètre Coriolis n’annule pas les oscillations précédentes mais leur ajoute une nouvelle direction. Ces deux situations souffrent d’hystérésis. En revanche, une membrane ne peut pas être déviée en même temps vers l’avant et vers l’arrière, de sorte que la direction du flux de commutation se produit sans hystérésis. Cependant, la membrane peut osciller en avant et en arrière lorsque le différentiel de pression change, et c’est ce qui donne à l’Alicat sa vitesse de réponse de 5 millisecondes.

Vous pouvez visualiser l’hystérésis limitée d’un capteur de pression à membrane en frappant un tambour. Des coups plus durs (plus de pression, donc) font dévier davantage la membrane du tambour, comprimant une plus grande masse d’air contre la seconde membrane, ce qui produit le son que vous entendez. La membrane tendue revient rapidement à un état non défléchi, mais il faut très peu de temps pour le faire, ce qui est son hystérésis. L’étanchéité de la membrane détermine le degré de cette hystérésis. Les membranes moins tendues répondent plus lentement et prennent plus de temps pour arrêter de vibrer. Les membranes correctement serrées amortissent très rapidement ; dans le cas d’un tambour, il peut être impossible de frapper une seconde fois avant que les effets d’hystérésis du premier coup se soient dissipés.

De même, la vitesse de mesure rapide et l’hystérésis minimale d’Alicat entraînent une précision accrue pour chaque mesure de débit massique. Une basse hystérésis signifie que vous pouvez être sûr que votre mesure actuelle ne s’appuie pas de façon artificielle sur les effets résiduels de votre dernière mesure, même si celui-ci n’était que de 10 ms. Cette qualité rend également un Alicat hautement adepte à la mesure des phénomènes transitoires, comme les courtes rafales d’actionneurs pneumatiques dans les puits de pétrole et de gaz ou les buses de réglage d’attitude dans les fusées sondes.

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