Modélisation numérique de débitmètre électromagnétique

Electromagnetic flowmeters modelization

• Auteur / Autrice : Julien Imbs
• Direction : Hervé Bulou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 26/11/2019
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique et chimie des matériaux (Strasbourg)
• Jury : Président / Présidente : Geneviève Pourroy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry de Larochelambert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Mazaleyrat, Christian Vollaire

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique des fluides

Simulation, Méthodes de

Champs électromagnétiques

Débitmètres

Mots clés libres

Débitmètre électromagnétique

Simulation numérique

Champ magnétique

Dynamique moléculaire

Electromagnetic flowmeter

Numerical simulation

Magnetic field

Molecular dynamics

Résumé

Cette thèse a pour objet la modélisation et l’étude de débitmètres électromagnétiques produits par la société Siemens. Ces appareils permettent de mesurer le débit volumique d’un fluide conducteur en mouvement sous un champ magnétique par le biais d’électrodes mesurant le potentiel induit. L’objectif principal des travaux présentés est de modéliser un débitmètre électromagnétique, afin de disposer d’un modèle fiable et réaliste d’un point de vue magnétique, et de l’optimiser par la suite. La premier chapitre de cette thèse est consacrée à l’historique et au fondement de la théorie des débitmètres électromagnétiques de l’époque de Faraday à nos jours. Le chapitre II présente et décrit les débitmètres industriels conçus par Siemens à Haguenau en posant les bases, les termes et les notions nécessaires à la compréhension des travaux réalisés durant cette thèse. Le chapitre III vise à établir l’équation qui régit le fonctionnement des débitmètres électromagnétiques reliant le potentiel induit, la vitesse du fluide et le champ magnétique. On discutera également des principales hypothèses retenues dans le cadre de la théorie pour la modélisation numérique. Le chapitre IV introduit dans un premier temps la théorie sur le magnétisme et les principaux matériaux magnétiques. Dans un second temps, c’est la caractérisation magnétique des principaux composants utilisés pour la conception des débitmètres électromagnétiques qui est réalisée. Dans le chapitre V, une introduction à la modélisation numérique est effectuée, afin de justifier l’importance de la méthode des éléments finis pour la simulation électromagnétique des débitmètres sur le logiciel NX. La deuxième partie du chapitre se concentre sur le développement et la simulation du modèle numérique d’un débitmètre électromagnétique. Ensuite, la troisième partie est consacrée à la méthode expérimentale mise en place afin de mesurer le champ magnétique et comparer les résultats obtenus avec ceux issus de la simulation. La simulation numérique du champ magnétique ayant été validée par les mesures, le chapitre VI est consacré à la dynamique moléculaire des particules chargées contenues dans le fluide afin d’en déterminer la différence de potentiel. Enfin, le chapitre VII est consacré à l’étalonnage des débitmètres électromagnétiques, où l’on confrontera un modèle théorique aux valeurs expérimentales mesurées en production sur le site de Haguenau.

This work concerns numerical modelling and study of electromagnetics flowmeters developed by Siemens. These devices are able to measure the flowrate of a conductive fluid in motion subject to a magnetic field. An induced potential is created and measured by two electrodes. The main purpose of this thesis is to modelize an electromagnetic flowmeter in order to get a realistic and reliable model to optimize the sensor in the futur. The first part of the work is to introduce the development theory of elec-tromagnetic flowmeter since the discovery of the induction law of Farady until today. The chapter II describes the industrial electromagnetics flowmeters manufactured by Siemens and provides the necessary knowledges for a better understanding of this work. In the chapter III, the electromagnetic flowmeter equation is derived and solved for the case of a homogenous magnetic field and point electrodes. This equation allows to get a relation between the induced potential, the velocity of the fluid and the magnetic field. We will discuss about the assumptions choose for this theory and used for the numerical model. In a first time the chapter IV focus on the theory of the magnetism and magnetics materials. In a second time, we present the magnetic characterization of the materials used in the electromagnetics flowmeters. In the chapter V, an introduction to the numerical modelling is done in order to justify the using of the finite element method for the magnetic simulation on the software NX Nastran. The second part of this chapter concerns the development and the numerical simulation of an electromagnetic flowmeter. At last, the third part is about the installation of a test bed to measure the magnetic field produced inside the electromagnetic flowmeter and to compare the results with the simulation. Numerical simulation of the magnetic field being checked by the measurements, the next chapter introduces molecular dynamics of the charged particles inside the measuring pipe in order to compute electrical potential. Finally, the last part introduces the calibration of electromagnetics flowmeters where a theoretical model was developed in order to compare them with experimentals values measured in production on Haguenau Siemens site.