Débitmètre à effet Coriolis

Je ne détaillerai pas ici toutes les techniques permettant de mesurer un flot (flow meter en anglais si vous deviez chercher), mais sachez au moins que l'on distingue la mesure d'un débit volumique, où on connait seulement le volume déplacé, un débit massique, où non seulement on connait le volume, mais aussi la masse ce qui suppose de mesurer la densité par un moyen ou par un autre.

Votre compteur d'eau mesure uniquement un volume, car en principe uniquement de l'eau le traverse. C'est simplement une petite turbine (avec des ailettes) qui tourne quand l'eau passe :

Il existe différentes méthodes pour de mesurer le débit :

• à turbine / ailettes
• ultrasonique à temps de transit
• électromagnétique (si le fluide est conducteur)
• thermique
• à effet Coriolis
• ...

Ici, je vais m'intéresser à celui que je découvre, le débitmètre à effet Coriolis.

Avant de détailler un peu plus, le plus simple est de regarder cette vidéo, publicitaire certes, mais plutôt bien faite :

Il existe différentes implémentations de cette méthode, voici d'autres publicités :

De ce que je comprends, deux effets sont mis à profit pour faire les mesures.

Un tuyau en forme de U, plein d'un liquide, va osciller sous l'effet d'une excitation, par exemple un électro-aimant qui lui donnera une impulsion. Un peu comme un diapason.

D'une manière un peu évidente, la fréquence d'oscillation va dépendre de la masse totale du tuyau, il vibrera d'autant plus vite qu'il est léger. C'est analogue à une masse suspendue à un ressort.

Comme le volume du tuyau ne varie pas, la mesure de la fréquence d'oscillation va permettre d'estimer la masse de l'ensemble, et finalement la densité du liquide, après étalonnage (et il faut soustraire la masse du tuyau).

Si du liquide se déplace dans le tube, sans oscillation, il ne se passe rien de spécial, exception faite de la rotation du liquide dans le virage, dont l'inertie aura tendance à repousser le U : la quantité de mouvement est inversé, comme une bille taperait sur une surface en rebondissant. Cet effet est totalement ignoré.

Par contre, en présence d'oscillations, le tube se déforme et une rotation se produit (et change de sens régulièrement), c'est là que l'on peut parler de force de Coriolis. Mais c'est plus simple de voir cela comme étant l'inertie du fluide qui s'oppose à la rotation, et donc exerce une force résistante à la torsion :

Du coup il se produit une légère torsion transverse du tube, s'il n'est pas trop rigide.

Cette torsion s'inverse entre la descente et la montée, puisque la rotation change de sens.

Une astuce consiste à utiliser deux tuyaux identiques qui seront en opposition de phase pendant les oscillations, cela augmentera l'intensité des signaux, et rend l'effet plus visible :

Deux capteurs de déplacement, un sur chaque branche, permettent d'obtenir deux signaux dont le déphasage sera proportionnel au flot de masse (masse par sa vitesse) qui circule, avec la bobine excitatrice au milieu.

On s'arrange avec un circuit adapté que l'excitation apportée par la bobine laisse le tube osciller à sa fréquence naturelle.

Ce qui permet d'obtenir les signaux suivants :

Mais comme vous l'avez vu dans les vidéos, diverses configurations sont possibles.

On aurait préféré un mouvement circulaire du fluide, du vrai Coriolis bien constant, mais ce n'est pas commode à réaliser, aussi le coup des oscillations est quand même assez astucieux pour parvenir au résultat.

Le premier(?) brevet date de 1946, suivi par d'autres comme l'exemple ci-dessus.
Juste pour montrer que ce n'est pas nouveau, et des progrès ont été réalisés depuis...

• [2014] Coriolis flowmeters : a review of developments over the past 20 years, and an assessment of the state of the art and likely future directions / Wang
• [2006] Coriolis mass flowmeters : Overview of the current state of the art and latest research / Anklin
• [1994] Coriolis flowmeters : industrial practice and published information / Baker

Ce type de capteur n'est pas exempt de défauts, en particulier il n'aime pas les vibrations d'origines externes, ce qui n'est parfois pas commode en environnement industriel. Et il faudra éviter les bulles dans le tuyau.

Mais il permet de mesurer à la fois la densité du liquide ainsi que la masse qui le traverse, ce qui n'est pas courant.