Lorsque l'on se trouve sur le pont d'un bateau croisant dans la mer Méditerranée au mois d'août, ou lorsque l'on pratique le parapente sur les contreforts du massif de la Chartreuse, tout un chacun est heureux de bénéficier d'une petite brise pour se rafraîchir ou d'un vent ascensionnel pour voler le plus longtemps possible… sans se soucier spécialement de savoir quelle est la vitesse du vent. Par contre, les navigateurs tentant de battre le record du tour du monde sans escales, les grutiers intervenant sur un chantier en ville, les techniciens en génie climatique doivent connaître avec plus ou moins de précision la vitesse du vent ou de l'écoulement d'air dans des conduits. Si les mesures météorologiques ont leur rôle dans l'univers industriel, nous ne nous intéressons ici qu'aux anémomètres mis en œuvre dans les applications de contrôle et de mesure “industriels”.

Pour connaître la vitesse d'écoulement d'air dans une conduite, les anémomètres, qu'ils soient portables ou à poste fixe, sont le meilleur moyen de mesure. Grâce au panel de technologies disponibles, ils peuvent répondre aux besoins des applications de climatisation, ventilation, chauffage jusqu'aux exigences d'industries lourdes…

Ces derniers mois,le“petit”monde de l'anémométrie a connu quelques annonces importantes. A commencer par l'introduction du premier anémomètreVortex portable par l'allemand Höntzsch, distribué en France par TH Industrie (voir Mesures n°839) et du premier anémomètre portable à sondes numériques chez l'allemandTesto (le modèle 480 ; voir Mesures n°838 ). On peut également signaler l'arrivée de l'autrichien E+E Elektronik sur le segment des anémomètres portables, alors qu'il n'était fabricant que de modèles à poste fixe, l'évolution normative concernant les sorbonnes et les flux laminaires et, tout récemment, la publication d'un guide de bonnes pratiques par le Centre technique des industries aérauliques et thermiques (Cetiat),associé aux groupes français Aldes et CIAT et la Direction générale de la compétitivité, de l'industrie et des services (DGCIS).

Dans l'industrie, l'air à mesurer n'est pas toujours propre et à température ambiante. Il peut être plus ou moins chargé en particules et atteindre des températures de plusieurs centaines de degré Celsius. C'est pour cela que Höntzsch a développé des anémomètres à effet Vortex, à poste fixe et tout récemment en version portable.

A regarder de plus près ces quelques faits, se dessinent en filagramme les grandes caractéristiques de l'anémométrie ou la mesure de la vitesse d'écoulement d'air. En termes de marché, on trouve le chauffage, ventilation et climatisation (CVC), d'un côté, et toutes les applications que l'on peut plutôt ranger dans la catégorie des process industriels, de l'autre côté. En termes techniques, les utilisateurs peuvent opter pour des appareils monoparamètres dédiés ou des modèles multiparamètres, et pour des instruments à poste fixe ou des appareils portables.A cette matrice, déjà assez complexe, s'ajoute encore un autre type de critères, à savoir la technologie mise en œuvre pour la mesure. On recense en effet jusqu'à six méthodes différentes qui vont des anémomètres à hélice ou à moulinet, jusqu'aux appareils à fil chaud, en passant par les capteurs de pression, les anémomètres à effet Vortex et à ultrasons (voir encadré Les six familles d'anémomètres ci-contre) .

Des technologies plutôt complémentaires

Dans les anémomètres pour applications “industrielles”, qu'ils soient portables ou à poste fixe, quatre technologies de mesure sont le plus souvent rencontrées: hélice ou moulinet, fil chaud ou boule chaude, pression différentielle (tube de Pitot) et effet Vortex. La technologie laser Doppler est la référence en matière de mesure de vitesse d'écoulement d'air. En ce qui concerne les ultrasons, en dehors du domaine de la météorologie, on ne rencontre pas de modèles portables. « Les débitmètres à ultrasons utilisés pour la mesure directe, et non via un calcul, sur de l'air n'est pas pour tout de suite car elle est plus difficile à mettre en œuvre » , précise Francis-Claude Héraut, gérant de TH Industrie, distributeur en France de Höntzsch et de l'américainTSI.

La raison principale d'une cohabitation de plusieurs méthodes de mesure est résumée par Jean-Michel Catherin, cofondateur et président de Testoon, distributeur de sept constructeurs: « Comme aucun appareil ne peut faire des mesures dans toutes les conditions, fabricants et distributeurs proposent très souvent deux ou trois technologies dans leur catalogue ». Qui dit plusieurs méthodes de mesure dit également certaines contraintes. « Le fabricant doit bien maîtriser les différentes technologies,sachant que ce n'est pas si évident à faire » , constate Beltram Walter, directeur commercial d'E+E Elektronik France, fabricant qui s'est spécialisé dans les films chauds (voir encadré Les six familles d'anémomètres ci-dessus) .

Passons en revue les forces et les faiblesses en présence. Tous les fournisseurs s'accordent à dire que l'avantage premier des anémomètres à fil chaud réside dans la possibilité de mesurer aussi de faibles flux d'air, en deçà de 0,5m/s, comme des courants d'air ou dans des cabines de peinture, des hottes à flux laminaire. «Avec la technologie à film chaud, nous pouvons même descendre à des vitesses d'écoulement d'air de 0,06 m/s » , avance Beltram Walter (E+E Elektronik France). Wimesure propose une sonde à boule chaude capable de mesurer des flux d'air avec une résolution de 0,001 m/s… « En comparaison, les appareils à moulinet peuvent présenter des problèmes dans la gamme comprise entre 0,5 et 1 m/s [d'où notamment une précision moins bonne, NDR] et les tubes de Pitot ne descendent pas en dessous de 3-4 m/s » , rappelle Isabelle Caré, chargée d'études à la division Métrologie et experte en anémométrie au sein du Centre technique des industries aérauliques et thermiques (Cetiat). Il y a une exception: TSI propose en effet un tube de Pitot, associé à un capteur de pression différentielle et capable d'atteindre 0,2m/s, ce qui en fait une réelle alternative à la technologie thermique. A contrario, les tubes de Pitot sont privilégiés pour les vitesses d'écoulement élevées,jusqu'à 80m/s,tandis que « les anémomètres à hélice sont souvent limités aux alentours de 20-30 m/s en raison d'une représentation non linéaire et donc d'une précision dégradée » , ajoute Jean-Michel Catherin (Testoon). Si l'on s'intéresse à l'encombrement, les sondes à fil chaud et les tubes de Pitot ont des dimensions beaucoup plus petites que celle des modèles à moulinet. « Les plus petites tiges avec la perle, à savoir l'élément thermique, au bout peuvent ne mesurer que 8 mm de diamètre, et s'insérer dans n'importe quelle gaine » , indique Frédéric Moreau, responsable technico-commerciale au sein de la branche Portable-Génie climatique de Kimo Instruments. La compacité des sondes thermiques ainsi qu'un montage et une maintenance relativement faciles ne doivent pas occulter la prise en compte de longueurs droites importantes en amont et en aval, en raison d'une sensible aux écoulements turbulents.

Il existe une grande variété de sondes de mesure de vitesse d'écoulement d'air, selon la technologie (hélice, fil chaud, boule chaude, tube de Pitot…), les accessoires (sonde télescopique, à bec de cygne, par exemple), le fonctionnement en analogique ou en numérique, etc.

Pour certaines personnes, la facilité d'utilisateur est l'un des principaux critères de choix. En quelques instants, il est possible d'obtenir sur l'écran de l'appareil portable une mesure de vitesse d'écoulement d'air.

Les environnements difficiles, un facteur fort limitant

Cela va à l'encontre de certaines idées reçues concernant parfois les thermoanémomètres. « Les modèles à fil chaud ne sont pas forcément considérés comme du matériel industriel. Certains instrumentalistes les jugent encore trop “légers”, les perçoivent comme fragiles car, à une époque, les thermoanémomètres étaient principalement mis en œuvre dans les milieux propres et sans contraintes » , se souvient Régis Houiller, gérant d'Airlitec, distributeur en France de l'allemand Schmidt Technology. La situation a toutefois bien changé ces dernières années…

On trouve en effet, par exemple, des anémomètres certifiés pour une utilisation en atmosphères explosibles (Atex), qui sont le résultat de l'amélioration de l'électronique et de l'évolution en termes de tenue en température et en pression. « Cela s'est traduit par l'emploi de revêtements en céramique et non plus en plastique, pour une meilleure tenue en température, et des développements au niveau des joints dans la sonde et des systèmes de fixation, ce qui permet de répondre aussi bien aux applications en salles blanches (à pression atmosphérique) qu'à des réseaux d'air comprimé jusqu'à 16 voire 30bar » ,poursuit Régis Houiller (Airlitec). Et Walter Beltram (E+E Elektronik France) d'ajouter: « Nous améliorons en permanence la tenue mécanique des éléments sensibles dans le but d'être capable de réaliser des mesures dans des environnements chargés,en présence de particules un peu grosses.»

Les fabricants et utilisateurs de salles propres et autres environnements contrôlés sont l'un des marchés pour les anémomètres. Même si les capteurs de pression sont bien implantés, la technologie thermique se fait une place grâce, notamment, à une bonne précision aux faibles vitesses.

Malgré ces évolutions et les protections de la cellule de mesure, les thermoanémomètres restent néanmoins sensibles et limités en présence de températures élevées et/ou d'un air chargé. « Si les anémomètres thermiques supportent des températures allant jusqu'à + 90 °C ou + 140 °C selon le constructeur,la technologie à effet Vortex permet d'atteindre jusqu'à + 240 °C et certains anémomètres à moulinet peuvent même couvrir une plage de température comprise entre - 90 et + 550 °C » , indique Francis-Claude Héraut (TH Industrie). Ce que confirme d'ailleurs Christophe Bracon, gérant de Wimesure, en ajoutant que « les anémomètres à hélice et à fil chaud sont, eux, indépendants de la pression atmosphérique, contrairement aux tubes de Pitot.»

Il est même possible de contrôler des airs encore plus chauds, à près de +1000°C, et/ou fortement chargés avec des tubes de Pitot. Si le risque de colmatage est élevé avec des tubes de Pitot de type L (à petits orifices), les utilisateurs peuvent se tourner vers des modèles de type S dont les orifices plus gros sont mieux adaptés. « Dans des ambiances polluées, les poussières empêchent la rotation des moulinets, donc la mesure, avec de surcroît une maintenance plus compliquée en cas de pannes. Pour les anémomètres thermiques,on constate une dérive importante au fil des étalonnages en raison de la présence de particules collées sur l'élément sensible » , explique Isabelle Caré (Cetiat). Cet inconvénient peut être toutefois réduit avec la technologie à film chaud avec laquelle il n'y a plus d'obstruction en présence de poussières, surtout à basses vitesses, même si la mise en œuvre est plus délicate.

La principale évolution porte sur l'électronique

En parallèle des améliorations apportées en termes de tenue mécanique, de certification Atex, etc., les constructeurs ont porté ces dernières années une attention particulière à l'électronique des anémomètres. « La grande évolution est le passage au numérique pour les appareils portables pour des raisons de précision, avant tout , constate Laurent Nardin, responsable produits pour la gamme portable chezTesto France, qui a d'ailleurs lancé sa première sonde numérique avec le modèle testo 480. Les sondes numériques permettent de saisir les valeurs de correction directement dans la sonde.En plus d'obtenir des incertitudes de mesure plus faibles encore, les utilisateurs peuvent visualiser immédiatement des valeurs corrigées sur l'afficheur.»

Autres avantages des sondes numériques, on peut aisément changer de boîtier sans devoir rechercher et saisir de nouveau les valeurs de correction (fonction Plug & Play), et seule la sonde,au lieu de tout l'appareil portable,peut être envoyée en étalonnage. Au travers de fonctions annexes, les constructeurs d'anémomètres à fil chaud offrent pour la plupart la possibilité de saisir les valeurs de pression et, parfois, d'humidité relative, en plus de la mesure de température, pour afficher la vitesse réelle de l'écoulement d'air.Avec la technologique thermique, la mesure pure n'est pas la vraie vitesse mais une valeur rapportée aux conditions de référence de pression et de température choisies par le constructeur. La connaissance de la vitesse réelle nécessite un calcul pour tenir compte des conditions réelles de pression et température. L'ajout de modules pour la mesure des conditions ambiantes évite une saisie manuelle toujours fastidieuse et source d'erreurs.

N'oublions pas non plus les développements faits en informatique grand public (apparition des ports USB) dans le domaine des batteries et qui ont permis par exemple à Höntzsch d'introduire sur le marché le premier anémomètre à effetVortex portable (Flowtherm NT). « Les anémomètres portables bénéficient par ailleurs de boîtiers à l'ergonomie repensée, plus pratiques (appareils conçus pour se “clipser” sur une plaque fixée au préalable, sondes télescopiques pour les mesures en hauteur, par exemple). Et, quant aux modèles à pression différentielle,leur résolution accrue répond à la demande des applications en salles blanches » , poursuit Frédéric Moreau (Kimo Instruments).

Beltram Walter (E+E Elektronik France) pointe par ailleurs une autre évolution, à savoir la miniaturisation des têtes de mesure. « Comme la technologie en elle-même n'a pas changé, nous investissons beaucoup d'efforts pour réduire le diamètre des sondes, qui est déjà passé de 12-15 mm à seulement 6 aujourd'hui. La miniaturisation permet également de pallier à un problème de physique : la sonde venant perturber le flux d'air dans la conduite,une tête plus petite s'accompagnera de meilleures conditions de mesure.» Francis-Claude Héraut (TH Industrie) voit une dernière évolution, sur la manière d'utiliser les anémomètres: « Les personnes ont aujourd'hui tendance à utiliser des anémomètres pas trop chers en poste fixe pour le contrôle de la ventilation, de conduits aérauliques, pour certains contrôles en qualité d'air, en efficacité énergétique. La vitesse d'écoulement d'air est désormais devenue un paramètre à prendre en compte.»

Progression des mesures à poste fixe

Au vu des points forts et des limitations des technologies de mesure de vitesse d'écoulement d'air, on peut assez facilement avoir une idée des principaux critères intervenant dans le choix d'un anémomètre. Mais, comme ce choix dépend grandement de l'application, intéressons-nous un peu aux secteurs industriels dans lesquels les anémomètres sont utilisés. Comme on l'a évoqué en introduction, deux grands marchés sont demandeurs de mesures de vitesse d'écoulement d'air: la CVC et les industries de process. Lorsque l'on parle de chauffage, ventilation et climatisation, il ne s'agit pas uniquement d'installations pour les bâtiments de bureaux ou accueillant du public. « Nombre de nos clients sont des metteurs au point de systèmes de climatisation, des artisans pour l'installation de VMC [ventilation mécanique contrôlée, NDR], ce qui sera à l'avenir aussi demandé pour les résidences individuelles, pour le diagnostic immobilier. On trouve également une demande pour le contrôle des sorbonnes et hottes de laboratoire » , énumère Frédéric Moreau (Kimo Instruments).

Les anémomètres à poste fixe servent à piloter un procédé industriel ou s'intègrent à une Gestion technique de bâtiment/Gestion technique centralisée (GTB/GTC). Il faut donc prévoir alimentation électrique et sortie(s) vers le système de régulation et/ou de supervision.

« L'évolution récente de la norme EN14175 [qui détermine une méthodologie prédéfinie de cartographie, NDR] concernant les sorbonnes et les flux laminaires est actuellement un moteur pour le marché des anémomètres.Pour prendre en compte l'intégration de 30 points de mesure et descendre au niveau de précision demandé, il a en effet fallu modifier l'électronique et proposer des systèmes de rampes ad hoc » , explique Christophe Bracon (Wimesure). Outre les sorbonnes et les hottes de laboratoire, les segments de marché de la CVC regroupent les salles propres et autres environnements contrôlés, que ce soit dans le domaine de la chimie, de la pharmaceutique… « En France, les industriels de la pharmaceutique ne mesurent pas ou très peu les flux d'air en salle blanche ; ils appliquent seulement les normes et/ou des calculs de flux d'air avec des capteurs de pression différentielle moins chers et jugés plus robustes. La situation est tout autre en Allemagne : les industriels vont très loin en termes de technique et de sécurité » , constate Régis Houiller (Airlitec).

L'un des moteurs du marché des anémomètres reste l'évolution normative. C'est ce qu'ont pu constater les fournisseurs avec la mise en place de la réglementation thermique RT 2012 ou la modification de la norme EN14175 concernant les sorbonnes et les flux laminaires.

Les choses évoluent quand même et le marché des appareils à poste fixe pour le contrôle de ventilation est en hausse (en volume, pas en revenu). « Le coût des fonctions devenant plus abordable, les points de mesure se multiplient, comme par exemple système de prévention en amont et en aval d'un filtre (maintenance préventive).

En connaissant bien leur procédé, les industriels peuvent assez facilement trouver l'anémomètre le mieux adapté à leur application… avec l'aide également du fournisseur. En présence d'air propre et à des températures pas trop élevées, toutes les technologies de mesure se valent et la différence se fera plus sur le coût et/ou les habitudes de l'utilisateur.

Encore parfois considérés comme trop fragiles, certains anémomètres peuvent sans souci être installés en entrées de fours ou à l'intérieur de cheminées. En plus de la technologie de mesure, les constructeurs ont amélioré l'électronique, les tenues en température et en pression pour proposer des modèles Atex.

Le secteur de la CVC devient désormais un marché OEM sous la forme de composants plus complets » , indique Beltram Walter (E+E Elektronik France). L'éventail des applications pour les anémomètres est loin d'être terminée. On peut par exemple citer la mesure des turbulences en médecine de travail, à l'instar du modèle testo 480 et de sa sonde spéciale, la maîtrise de la convection au niveau des panneaux voltaïques, le marché OEM pour le contrôle du bon ratio air/carburant dans les carburateurs automobiles, par exemple, le marché de l'air comprimé… « Comme ils ne sont pas sûrs de la qualité des compresseurs, de l'absence de fuites, etc., les industriels veulent connaître plus précisément la consommation d'air comprimé, à l'instar de ce qui est fait pour les économies d'énergie dans les domaines de l'électricité,de l'eau… » , avance Régis Houiller (Airlitec).

Le point commun à toutes les applications que nous venons de mentionner réside dans la nature de l'air à mesurer. Il s'agit bien souvent d'un air ambiant, donc relativement propre et à des températures n'excédant pas une centaine de degrés Celsius, voire même d'un air à très faibles concentrations de particules et à une température stabilisée autour de + 23 °C dans le cas des salles blanches. Dans l'industrie, un certain nombre d'utilisateurs ont besoin de connaître la vitesse d'écoulement d'air en entrée de sécheurs, en sortie de fours, à l'extraction de cheminées, etc. Et ces applications se distinguent par des gaz sales, c'est-à-direchargés de poussières et de bien autres gaz que l'air, et de surcroît dont les températures peuvent allégrement atteindre +250°C, +500°C voire plus…

RS Components Trotec

Vitesse, température et nature de l'air

Pour Francis-Claude Héraut (TH Industrie), « c'est le besoin du client qui va nous aider à choisir la bonne technologie de mesure.Si deux méthodes sont possibles,nous privilégierons la solution la plus économique… sauf si l'on se trouve dans le cas d'un anémomètre à poste fixe sur de l'air propre à une température de + 30 °C, où toutes les technologies se valent.Pour que cela fonctionne,l'utilisateur doit bien connaître son process et bien exprimer son besoin pour ne pas se tromper de technologie et proposer la solution la plus adaptée ! » . S'il fallait ne retenir que les principaux critères de choix d'un anémomètre, l'étendue de mesure, la tem-pératureetlanature de l'air à mesurer arrivent en tête.

Kanomax

« En fonction de la vitesse,de la précision,de la tenue en température et de la qualité de l'air nous utiliserons une solution plutôt qu'une autre. Pour les basses vitesses avec des températures inférieures à + 70 °C, nous utiliserons un fil chaud ou une boule chaude. Pour des vitesses entre 5 et 40 m/s, nous pourrons utiliser des sondes hélice. Pour des vitesses supérieures à 50 m/s ou pour des mesures de vitesse d'air dans une atmosphère chargée en particules ou avec une température supérieure à + 350 °C (industries lourdes de type cimenterie), nous utiliserons un tube de Pitot » , explique Nicolas Naccarato, responsable produits pour la gamme Système chezTesto France.

A ces critères s'ajoutent des paramètres plus classiques, comme la géométrie de la conduite, la présence d'“obstacles” en amont et/ou en aval, les dimensions de la bouche de ventilation. Contrairement à ce que l'on peut croire, le respect des longueurs droites amont et aval, un montage de la sonde dans le bon sens et d'autres aspects liés à la mesure sont des points à rappeler fréquemment aux utilisateurs… au risque d'en voir certains penser que le capteur vendu ne fonctionne pas du tout! A noter que le Cetiat vient de rendre disponible sur son site Internet un guide des bonnes pratiques des mesures de débit d'air sur site pour les installations de ventilation (voir encadré Un guide des bonnes pratiques en ventilation page précédente) .

Il y a également des critères très pratiques. « Une sonde télescopique et à bec de cygne facilite grandement la recherche de fuites d'air partout dans un bâtiment rendu étanche pour le respect à la réglementation thermique » , précise Jean-Michel Catherin (Testoon).Autre exemple, les balomètres: « Ces systèmes composés d'une grille de capteurs à l'extrémité d'une manche à air permettent de ne réaliser qu'une seule“mesure”,au lieu de sept pour calculer automatiquement et d'une manière répétitive la vitesse moyenne au niveau de bouches de ventilation aux dimensions de plus en plus grandes » , ajoute Laurent Nardin (Testo France). Et n'oublions l'étalonnage des anémomètres. Cette opération étant réalisée en laboratoire, il faudra prendre en compte le temps d'indisponibilité de la sonde ou de l'appareil de mesure, si c'est un anémomètre monoparamètre. « Hormis pour un parc important d'appareils, ce qui est très rare en anémométrie,l'étalonnage sur site n'est pas envisageable.Il implique un investissement conséquent,notamment pour acquérir un générateur,un système difficilement transportable » , explique Isabelle Caré (Cetiat). Les petites souffleries proposées par certains constructeurs ne sont adaptées qu'aux installations de petits diamètres et ne résolvent donc pas tous les problèmes.

Modèles dédiés ou appareils multifonctions ?

Kimo Instruments Voltcraft

Si les deux philosophies sont toujours d'actualité, la tendance est quand même aux appareils multifonctions. Les besoins de mesures aérauliques et de qualité de l'air imposent en effet de connaître la vitesse d'écoulement d'air, la température, l'humidité relative…

Enfin, les utilisateurs devront se poser la (double) question d'acquérir un anémomètre portable ou à poste fixe et un modèle monoparamètre ou multifonction. Pour Christophe Bracon (Wimesure), « les anémomètres portables sont mis en œuvre pour des contrôles ponctuels,lors de la mise en route d'une installation de CVC, de la vérification de l'encrassement d'un filtre, ou pour procéder à une recherche de fuites éventuelles. Ils sont simples à manipuler et offrent une lecture directe et facile des mesures.» Pour les “baroudeurs” qui pourraient penser que l'autonomie pose un problème, la (très) grande majorité des anémomètres portables du marché assure sans souci des campagnes d'essais d'une journée. Dans les domaines de la CVC, de l'air comprimé ou pour le suivi d'énergie dans le cadre de la RT 2012, les industriels se tournent de plus en plus vers des modèles à poste fixe.Ces derniers servent alors à piloter un procédé industriel ou s'intègrent à une Gestion technique de bâtiment/Gestion technique centralisée (GTB/ GTC), par exemple. Il faut donc prévoir alimentation électrique et sortie(s) vers le système de régulation et/ou de supervision. S'il n'y pas ou très peu de différence notable en terme de précision entre versions portables et à poste fixe, il faut toutefois se méfier des appareils made in Asia , selon certains fournisseurs. « Si les deux philosophies sont toujours d'actualité, la tendance est quand même aux appareils multifonctions , constate Laurent Nardin (Testo France). Les metteurs au point privilégient les anémomètres monoparamètres, tandis que les besoins de mesures aérauliques et de qualité de l'air imposent de connaître la vitesse d'écoulement d'air, la température, l'humidité relative… Et les techniciens apprécient également la flexibilité des anémomètres multifonctions » . Rentre ensuite en compte le coût. Entre un modèle dédié et un appareil multifonction, le prix est compris dans une fourchette de 100 à 400 euros, selon les accessoires,à plusieurs milliers d'euros, sans compter le surcoût pour des sondes en Hastelloy, pour un certificat d'étalonnage en treize points,etc.Comme toujours,ce sera le client qui aura le dernier mot…