Notre intérêt pour la mesure des débits d'air et d'eau est intemporel. La connaissance de la direction et de la vitesse des débits d'air était une information essentielle pour tous les navigateurs de l'Antiquité, et la capacité à mesurer les débits d'eau était nécessaire pour assurer une distribution équitable de l'eau à travers les aqueducs des premières communautés telles que les villes sumériennes d'Ur, Kish et Mari, situées près du Tigre et de l'Euphrate vers 5 000 avant J.-C. Aujourd'hui encore, la distribution de l'eau entre les rizières de Bali est le devoir sacré des autorités désignées sous le nom de « prêtres de l'eau ».
Notre compréhension du comportement des liquides et des gaz (y compris l'hydrodynamique, la pneumatique et l'aérodynamique) repose sur les travaux des scientifiques grecs anciens Aristote et Archimède. Selon Aristote, le mouvement implique un milieu qui se précipite derrière un corps pour empêcher la formation d'un vide. Au VIe siècle après J.-C., Jean Philoponos a suggéré qu'un corps en mouvement acquérait une propriété appelée élan, et que le corps s'immobilisait lors de l'éteignement de son élan.
débitmètres de masse de type moment cinétique repose directement sur la deuxième loi du mouvement cinétique de Newton. En 1742, le mathématicien français Rond d'Alembert a prouvé que la troisième loi du mouvement de Newton s'applique non seulement aux corps stationnaires, mais aussi aux objets en mouvement. In 1687, the English mathematician Sir Isaac Newton discovered the law of universal gravitation. The operation of angular momentum-type mass flow meters is based directly on Newton’s second law of angular motion. In 1742, the French mathematician Rond d’Alembert proved that Newton’s third law of motion applies not only to stationary bodies, but also to objects in motion.
Les pionniers du débit
Une étape importante dans la compréhension du débit a été franchie en 1783 lorsque le physicien suisse Daniel Bernoulli a publié son ouvrage Hydrodynamica. Dans cet ouvrage, il a introduit le concept de conservation de l'énergie pour les débits fluides. Bernoulli a déterminé qu'une augmentation de la vitesse d'un liquide en débit augmente son énergie cinétique tout en diminuant son énergie statique. C'est pour cette raison qu'une restriction de débit entraîne une augmentation de la vitesse du débit et provoque également une baisse de la pression statique du liquide en débit.
La perte de charge permanente à travers un débitmètre est exprimée soit en pourcentage de la perte de charge totale, soit en unités de hauteur de chute, calculée comme V2/2g, où V est le débit et g est l'accélération gravitationnelle (32,2 pieds/seconde2 ou 9,8 mètres/seconde2 à 60° de latitude). Par exemple, si la vitesse d'un liquide en écoulement est de 10 pi/seconde, la hauteur de vitesse est de 100/64,4 = 1,55 pi. Si le liquide est de l'eau, la hauteur de vitesse correspond à 1,55 pi d'eau (ou 0,67 psi). Si le liquide est de l'air, la hauteur de vitesse correspond au poids d'une colonne d'air de 1,55 pi. Titre : clipboard-write; encrypted-media; gyroscope; Incrustation d'image" allowfullscreen>
La perte de charge permanente à travers divers éléments de débit peut être exprimée en pourcentage de la perte de charge totale (Figure 1) ou en termes de charges dynamiques. La perte de charge permanente à travers un orifice est de quatre hauteurs de vitesse ; à travers un capteur à vortex, elle est de deux ; à travers les débitmètres volumétriques et à turbine, elle est d'environ une ; et à travers les venturis, elle est inférieure à 0,5 hauteur. Par conséquent, si une plaque à orifice (Figure 2) avec un rapport bêta de 0,3 (Diamètre de l'orifice par rapport à celui du tuyau) présente une perte de charge non récupérée de 100 en H2O, un tube de débit à venturi pourrait réduire cette perte de charge à environ 12 en H2O pour la même mesure.
Figure 1 : Perte de pression - Venturi vs orifice 
Figure 2 : Conversion de la pression statique en énergie cinétique En 1831, le scientifique anglais Michael Faraday a découvert le dynamo lors de sa remarque selon laquelle, si un disque de cuivre tournait entre les pôles d'un aimant permanent, un courant électrique était généré. La loi de Faraday sur l'induction électromagnétique est à la base du fonctionnement du débitmètre magnétique. Comme le montre la figure 3, lorsqu'un conducteur liquide se déplace dans un tuyau de diamètre (D) et se déplace à une vitesse moyenne (V) à travers un champ magnétique d'intensité B, il introduit une tension (E) selon la relation suivante :
E = BVDC
Où C est la constante de conversion des unités.
Figure 3 : La loi de Faraday est à la base du débitmètre magnétique Au cours des dernières années, les performances des débitmètres électromagnétiques se sont considérablement améliorées. Parmi les avancées, on peut citer la conception des sondes et des éléments insérés en céramique ainsi que l'utilisation de champs magnétiques pulsés (figure 4), mais le principe de fonctionnement de base de la loi de Faraday sur l'induction électrique n'a pas changé.
Figure 4 : Précision du débitmètre magnétique En 1883, l'ingénieur mécanicien britannique Osborne Reynolds a proposé un rapport unique et sans dimension pour décrire le profil de vitesse des liquides en écoulement :
Re = DVƿ/µ
Où D est le diamètre du tuyau, V est la vitesse du fluide, ƿ est la densité du fluide et µ est la viscosité du fluide.
Il a remarqué qu'à des nombres de Reynolds bas (inférieurs à 2 000) (figure 5), le débit est dominé par les forces visqueuses et le profil de vitesse est parabolique (allongé). À des nombres de Reynolds élevés (supérieurs à 20 000), le débit est dominé par les forces internes, ce qui se traduit par une vitesse axiale plus uniforme dans le flux et un profil de vitesse plat.
Figure 5 : Effet des nombres de Reynolds sur divers débitmètres Jusqu'en 1970 environ, on pensait que la transition entre les écoulements laminaires et turbulents était progressive, mais une meilleure compréhension de la turbulence grâce à la modélisation sur superordinateur a montré que le début de la turbulence est brusque.
Lorsqu'il y a un débit turbulent, la chute de pression à travers une restriction est proportionnelle au carré du débit. Par conséquent, le débit peut être mesuré en prenant la racine carrée de la sortie d'une cellule de pression différentielle. Lorsque l'écoulement est laminaire, il existe une relation linéaire entre le débit et la chute de pression. Les débitmètres laminaires sont utilisés à des débits très faibles (débitmètres capillaires) ou lorsque la viscosité du fluide de process est élevée. 
Gaspard Coriolis
Dans le cas de certaines technologies de débitmètres, plus d'un siècle s'est écoulé entre la découverte d'un principe scientifique et son utilisation dans la construction d'un débitmètre. C'est le cas des débitmètres à ultrasons Doppler et Coriolis.
En 1842, le physicien autrichien Christian Doppler a découvert que, si une source sonore s'approche d'un récepteur (comme un train se déplaçant vers un auditeur immobile), la fréquence du son semble plus élevée. Si la source et le récepteur s'éloignent l'un de l'autre, la hauteur du son diminue (la longueur d'onde du son semblera diminuer). Cependant, ce n'est qu'un siècle plus tard que le premier débitmètre Doppler ultrasonique a été commercialisé. Il projetait un faisceau de 0,5 MHz dans un flux contenant des réflecteurs tels que des bulles ou des particules. Le décalage de la fréquence réfléchie était fonction de la vitesse moyenne de déplacement des réflecteurs. Cette vitesse pouvait à son tour être utilisée pour calculer un débit.
L'histoire du Débitmètre Coriolis est similaire. L'ingénieur civil français Gaspard Coriolis a découvert en 1843 que le vent, les courants océaniques et même les obus d'artillerie aériens dérivent tous latéralement en raison de la rotation de la Terre. Dans l'hémisphère nord, la déviation se fait vers la droite du mouvement ; dans l'hémisphère sud, elle se fait vers la gauche. De même, un corps se déplaçant vers l'un ou l'autre des pôles déviera vers l'est, car il conserve la vitesse de rotation vers l'est plus élevée des basses altitudes lorsqu'il passe au-dessus de la surface terrestre à rotation plus lente près des pôles. Une fois encore, c'est la lente évolution des capteurs et de l'électronique qui a retardé la création du premier débitmètre de masse Coriolis commercial jusqu'aux années 1970.
C'est l'ingénieur aéronautique hongro-américain Theodore von Karman qui, enfant, alors qu'il grandissait en Transylvanie (aujourd'hui la Roumanie), a remarqué que les rochers immobiles provoquaient des tourbillons dans l'eau qui coulait, et que les distances entre ces tourbillons étaient constantes, quelle que soit la vitesse de l'eau. Plus tard dans sa vie, il a également observé que, lorsqu'un drapeau flotte au vent, la longueur d'onde du battement est indépendante de la vitesse du vent et dépend uniquement du diamètre du mât. C'est la théorie qui sous-tend le débitmètre à vortex, qui détermine la vitesse d'écoulement en effectuant un comptage du nombre de tourbillons passant devant un capteur. Von Karman a publié ses conclusions en 1954, et comme les capteurs et les composants électroniques obligatoires pour le comptage des tourbillons existaient déjà à cette époque, la première édition du Instrument Engineers' Handbook (Manuel des ingénieurs en instrumentation) de 1968 a pu annoncer la disponibilité du premier débitmètre à vortex.
L'ordinateur a ouvert de nouvelles perspectives dans tous les domaines de l'ingénierie, et la mesure de débit ne fait pas exception. Ce n'est qu'en 1954 qu'un autre mathématicien hongro-américain, John Von Neumann, a construit l'Uniac, et plus récemment encore qu'un autre Hongro-Américain, Andy Grove d'Intel, a mis au point le circuit intégré. Pourtant, ces événements sont déjà en train de changer le domaine de la mesure de débit. Les cellules de pression différentielle intelligentes, par exemple, peuvent automatiquement basculer entre deux plages étalonnées (l'une pour 1-10 %, l'autre pour 10-100 % de D/P), étendant la précision de l'orifice à moins de 1 % sur une plage de débit de 10:1. En outre, il est possible d'inclure dans cette déclaration de précision non seulement les effets d'hystérésis, de gamme et de linéarité, mais aussi les effets de dérive, de température, d'humidité, de vibration, de dépassement de gamme et de variations d'alimentation électrique.
Figure 6 : Le débitmètre ultrasonique à temps de transit Avec le développement des superpuces, la conception d'un débitmètre universel est également devenue possible. Il est désormais possible de remplacer les débitmètres à marquage colorant ou à traçage chimique (qui mesuraient la vitesse d'écoulement en divisant la distance entre deux points par le temps de transit de la trace) par des débitmètres à corrélation croisée sans trace (figure 6). Il s'agit d'un débitmètre élégant, car il ne nécessite aucune modification physique du processus, pas même la pénétration dans le tuyau. La mesure repose sur la mémorisation du profil de bruit dans toute variable de processus détectable de l'extérieur et, lorsque le fluide se déplace du point A au point B, sur la prise en compte de son temps de transit.
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