Les débitmètres de masse thermiques sont utilisés pour surveiller et/ou contrôler les processus liés à la masse, tels que les réactions chimiques, qui dépendent des masses relatives des ingrédients n'ayant pas réagi. Lors de la détection du débit massique de vapeurs et de gaz compressibles, la mesure n'est pas affectée par les variations de pression et/ou de température. L'une des capacités des débitmètres de masse est de mesurer avec précision les faibles débits ou les faibles vitesses de gaz (moins de 25 pieds par minute), bien inférieurs à ceux qui peuvent être détectés avec tout autre appareil.
Les débitmètres de masse thermiques sont disponibles en versions haute pression et haute température, ainsi qu'en matériaux spéciaux tels que le verre, le Monel® et le PRA. Les modèles à débit continu sont utilisés pour mesurer de petits débits de substances pures (la capacité thermique est constante si un gaz est pur), tandis que les modèles à dérivation et à sonde peuvent détecter des débits importants dans les conduits, les torchères et les séchoirs.
Théorie de fonctionnement
Les capteurs de débit massique thermiques fonctionnent soit en introduisant une quantité connue de chaleur dans le flux et en mesurant le changement de température associé, soit en maintenant une sonde à une température constante et en mesurant l'énergie nécessaire pour y parvenir.Les composants d'un débitmètre de masse de base comprennent deux capteurs de température et un réchauffeur électrique entre eux. Le réchauffeur peut dépasser dans le flux de fluide (figure 1) ou être externe au tuyau (figure 2).
Dans la version à chauffage direct, une quantité fixe de chaleur (q) est ajoutée par un réchauffeur électrique. Lorsque le fluide de process s'écoule dans le tuyau, la chaleur est absorbée et des détecteurs de température à résistance (RTD) mesurent l'augmentation de température tandis que la quantité de chaleur électrique introduite est maintenue constante. En général, des RTD de type Pt100 sont utilisés pour cette mesure de température. Une fois que le fluide commence à circuler dans le tube de mesure, le capteur de température chauffé est refroidi par le mouvement du fluide, la vitesse de l'écoulement déterminant le degré de refroidissement. Par conséquent, le courant électrique nécessaire pour maintenir la différence de température constante est une indication directe du débit massique.
Le débit massique (m) est calculé sur la base de la différence de température mesurée (T2-T1), du coefficient du compteur (K), du taux de chaleur électrique (q) et de la chaleur spécifique du fluide (Cp), comme suit : m = Kq/(Cp(T2-T1))
FIGURE 1 : THERMOPLONGEUR 
FIGURE 2 : TUBE CHAUFFÉ DE L'EXTÉRIEUR Types de débitmètres thermiques Conception à tube chauffé
Les débitmètres à tube chauffé ont été développés pour protéger les éléments chauffants et les capteurs contre la corrosion et les effets du revêtement du processus. En montant les capteurs à l'extérieur de la tuyauterie (Figure 2), les éléments de détection réagissent plus lentement et la relation entre le débit massique et les différences de température devient non linéaire. Cette non-linéarité résulte du fait que la chaleur introduite est répartie sur une partie de la surface du tuyau et transférée au fluide de traitement à des vitesses différentes sur toute la longueur du tuyau.
La température de la paroi du tuyau est la plus élevée près du dispositif de chauffage (détectée comme Tw dans la figure 2), tandis qu'à une certaine distance, il n'y a pas de différence entre la température de la paroi et celle du fluide. Par conséquent, la température du fluide non chauffé (Tf) peut être détectée en mesurant la température de la paroi à cet endroit plus éloigné du dispositif de chauffage. Ce processus de transfert de chaleur est non linéaire, et l'équation correspondante diffère de celle ci-dessus comme suit : m0,8 = Kq/(Cp(Tw – Tf)).
Ce débitmètre dispose de deux modes de fonctionnement : l'un mesure le débit massique en maintenant la puissance d'entrée constante et en détectant l'augmentation de température. L'autre mode maintient la différence de température constante et mesure la quantité d'électricité nécessaire pour la maintenir. Ce deuxième mode de fonctionnement offre une plage de mesure beaucoup plus élevée. Conception de type bypass
La version bypass du débitmètre de masse a été développée pour mesurer des débits plus importants. Elle se compose d'un tube capillaire à paroi mince (d'environ 0,125 pouce de diamètre) et de deux détecteurs de température à résistance (RTD) auto-chauffants enroulés à l'extérieur qui chauffent le tube et mesurent l'augmentation de température qui en résulte (figure 3). Le capteur est placé dans une dérivation autour d'une restriction dans le tuyau principal et est dimensionné pour fonctionner dans la zone d'écoulement laminaire sur toute sa plage de fonctionnement.
Lorsque le débit n'est pas présent, les éléments chauffants élèvent la température du tube de dérivation à environ 160 °F au-dessus de la température ambiante. Dans ces conditions, la température est répartie de manière symétrique sur toute la longueur du tube (Figure 4). Lorsque le débit est présent, les molécules de gaz transportent la chaleur vers l'aval et le profil de température est décalé dans le sens du débit. Un pont de Wheatstone connecté aux bornes du capteur convertit le signal électrique en un débit massique proportionnel à la variation de température.
La petite taille du tube de dérivation permet de minimiser la consommation électrique et d'augmenter la vitesse de réponse de la mesure. D'autre part, en raison de sa petite taille, des filtres sont nécessaires pour éviter le colmatage. Une limitation importante est la forte chute de pression (jusqu'à 45 psi) nécessaire pour développer un écoulement laminaire. Cela n'est généralement acceptable que pour les applications de gaz à haute pression où la pression doit de toute façon être réduite.
Il s'agit d'un débitmètre de faible précision (2 % de la pleine échelle), nécessitant peu d'entretien et peu coûteux. Les boîtiers électroniques intégrés aux appareils permettent l'acquisition de données, l'enregistrement de graphiques et l'interfaçage avec un ordinateur. Ces appareils sont très utilisés dans l'industrie du traitement des semi-conducteurs. Les appareils modernes sont également disponibles sous forme de boucles de contrôle complètes, comprenant un contrôleur et une vanne de contrôle automatique.
SCHÉMA 3 : LE BYPASS UTILISE UN FAIBLE POURCENTAGE DU DÉBIT 
FIGURE 4 : PROFIL DE TEMPÉRATURE Sondes de vitesse de l'air
Les capteurs de débit massique de type sonde sont utilisés pour mesurer les flux d'air et sont insensibles à la présence de quantités modérées de poussière. Ils maintiennent une différence de température entre deux RTD montés sur le tube du capteur. Le capteur supérieur mesure la température ambiante du gaz (figure 5) et maintient en permanence le deuxième RTD (près de l'extrémité de la sonde) à 60 °F au-dessus de la température ambiante. Plus la vitesse du gaz est élevée, plus le courant nécessaire pour maintenir la différence de température est important.
Une autre version de la sonde de vitesse est le débitmètre de masse thermique de type venturi, qui place un capteur de débit massique chauffé au diamètre minimum d'un élément de débit venturi et une sonde de compensation de température en aval (Figure 6). Un tamis d'entrée mélange le flux afin d'uniformiser la température. Cette conception est utilisée pour la mesure des gaz et des liquides (y compris les boues), la plage de débit étant fonction de la taille du venturi. La perte de charge est relativement faible et la précision dépend de la profondeur d'insertion de la sonde.
Une version avec interrupteur de débit est également disponible, qui contient deux capteurs de température dans l'embout. L'un des capteurs est chauffé et la différence de température permet de mesurer la vitesse. L'interrupteur peut être utilisé pour détecter un débit haut ou bas à 5 % près.
FIGURE 5 : CONFIGURATION DE LA SONDE 
FIGURE 6 : INSERTION VENTURI Comment fonctionnent les anémomètres à fil
Le terme « anémomètre » vient des mots grecs « anemos », qui signifie « vent », et « metron », qui signifie « mesure ». Les anémomètres mécaniques ont été développés pour la première fois au XVe siècle afin de mesurer la vitesse du vent.
Un anémomètre à fil chaud se compose d'un élément en fil métallique fin chauffé électriquement (0,00016 pouce de diamètre et 0,05 pouce de long) soutenu par des aiguilles à ses extrémités (Figure 7). Le tungstène est utilisé comme matériau pour le fil en raison de sa résistance et de son coefficient de résistance élevé à la température. Lorsqu'il est placé dans un flux de gaz en mouvement, le fil se refroidit ; la vitesse de refroidissement correspond au débit massique.
Le circuit de l'élément de détection chauffé est contrôlé par l'un des deux types de circuits électroniques à semi-conducteurs : à température constante ou à puissance constante. Le capteur à température constante maintient un différentiel de température constant entre un capteur chauffé et un capteur de référence ; la quantité d'énergie nécessaire pour maintenir ce différentiel est mesurée comme indication du débit massique.
Les anémomètres à température constante sont populaires en raison de leur réponse à haute fréquence, de leur faible niveau de bruit électronique, de leur immunité à la brûlure du capteur en cas de chute soudaine du débit d'air, de leur compatibilité avec les capteurs à film chaud et de leur applicabilité aux flux de liquides ou de gaz.
Les anémomètres à puissance constante ne disposent pas de système de rétroaction. La température est simplement proportionnelle au débit. Ils sont moins populaires car leur lecture à débit nul n'est pas stable, leur réponse en température et en vitesse est lente et leur compensation de température est limitée.
FIGURE 7 : ANÉMOMÈTRE À FIL CHAUD
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Qu'est-ce qu'un anémomètre et que mesure-t-il ? Présentation de la mesure de la vitesse de l'air