La croissance du développement des microsystèmes fluidiques de puissance dans la dernière décennie a augmenté considérablement le besoin de développer des instruments de mesure différents des instruments traditionnels. Le but du présent travail est l'étude et la fabrication des micro-débitmètres à pression différentielle. Dans ce cas, le principe de calcul du débit se fait par la mesure de la chute de pression à travers un micro-orifice dans un microcanal à section rectangulaire. Ces micro-débitmètres à micro-organe déprimogène sont destinés pour mesurer le débit dans les microsystèmes fluidiques opérant à gaz tels que les power MEMS. Pour ces derniers, actuellement, il n'existe aucun micro-débitmètre sur le marché adapté pour leurs conditions d'opération. Dans ce mémoire, une série de 16 micro-débitmètres de type orifice plat à section rectangulaire ont été fabriqués et testés expérimentalement. Leur géométrie est caractérisée par deux paramètres : un coefficient de contraction allant de 0,2 à 0,8 et un rapport de forme au niveau de l'orifice allant de 0,21 à 2,45. Le diamètre hydraulique des microcanaux varie entre 220 et 388 [micro]m.La variation de la chute de pression à travers le micro-orifice en fonction du débit a été mesurée pour chaque micro-débitmètre avec une pression d'entrée de 5, 6,5 et 8 bars.La plage de débit étudiée est entre 0,2 et 100 mg/s. Le coefficient de décharge de chaque micro-débitmètre a été déterminé. Par ailleurs, le comportement du coefficient de décharge a été étudié en fonction du nombre de Reynolds allant de 100 à 13000, et en fonction de la perte de pression adimensionnée, [[Delta]P/P[indice inférieur 1]], allant de 0,001 à 0,6. À même dimension géométrique, les résultats expérimentaux ont montré que le coefficient de décharge est fonction du nombre de Reynolds pour une valeur du facteur d'expansion, Y, supérieure à 0,9. Pour des valeurs de Y inférieures à 0.9, le coefficient de décharge est dépendant de [[Delta]P/P[indice inférieur 1]]. Les résultats expérimentaux ont été comparés aux résultats de la simulation numérique. De cette façon, le modèle numérique a été validé. Ce travail a permis de développer des micro-débitmètres capables de mesurer de faibles débits à l'ordre des milligrammes par seconde (mg/s) dans les microsystèmes fluidiques de puissance. Particulièrement, le travail a permis de répondre aux exigences de l'installation d'une micro-turbopompe en termes de mesure du débit de gaz. De plus, l'étude approfondie des micro-débitmètres a permis d'acquérir une connaissance plus élaborée de l'écoulement à travers ce type de restriction dans les microcanaux rectangulaires.La caractérisation expérimentale de ce type de micro-débitmètres a été faite pour la première fois. En effet, cette étude a permis de définir des corrélations empiriques du coefficient de décharge spécifiques à chaque dimension géométrique. Ces corrélations seront un bon outil de design de ce genre de mesure.

Le projet de recherche présenté consiste à la mise en place de matériel et de méthodes pour la mesure de l'impédance du système respiratoire en ventilation liquidienne totale (VLT). Ce projet a été réalisé en majeure partie en collaboration avec un étudiant à la maîtrise en physiologie, M. Dominick Bossé.Le matériel développé est un débitmètre instationnaire qui servira à mesurer le débit instantané à la trachée du patient.Le concept proposé consiste en un venturi symétrique comprenant trois prises de pression. La mesure du débit est obtenue en résolvant numériquement l'équation de Bernoulli légèrement modifiée. Un prototype a été validé expérimentalement en appliquant des débits sinusoïdaux de moyenne nulle. Les résultats ont montré que les écoulement quasi stationnaires sont mesurés précisément entre 5 ml/s et 60 ml/s et les oscillations de faible amplitude ([inférieur ou égal]10 ml/s) sont correctement mesurés pour des fréquences sous 3 Hz. De plus, une méthode pour appliquer la technique des oscillations forcées (TOF) en VLT est proposée. Elle consiste principalement à appliquer une excitation volumétrique sinusoïdale au système respiratoire, et à évaluer la fonction de transfert entre le débit délivré et la pression aux voies aériennes. Un modèle pulmonaire développé pour la ventilation gazeuse, le « five-parameter constant-phase model », est utilisé pour décrire les spectres d'impédance respiratoire observés. La méthode employée pour identifier les paramètres de ce modèle a été validée in silico sur des données générées informatiquement, et la méthode dans son ensemble a été validée in vitro sur un modèle mécanique reproduisant la dynamique pulmonaire. Les données in vivo sur 10 agneaux nouveau-nés suggèrent qu'un terme de compliance fractionnel est approprié pour décrire le comportement basse-fréquence des poumons, mais il n'a pas été possible de conclure sur la pertinence d'un terme d'inertance à ordre fractionnel. Finalement, l'étude des aspects plus physiologiques est présentée. En plus d'une description plus détaillée de la procédure expérimentale in vivo, on y observe l'influence de certains symptômes respiratoires (diminution de la compliance, augmentation de la résistance) sur l'impédance mesurée avec la TOF. Les conclusions sont que la résistance et l'inertance des voies aériennes sont grandement augmentées en VLT en comparaison de la ventilation gazeuse. La résistance et la réactance à 0.2 Hz sont sensibles à la bronchoconstriction et dilatation, autant que lors de la réduction de compliance. Ainsi, il est montré que la TOF à basse fréquence est un outil efficace pour suivre la mécanique respiratoire en VLT.

Aujourd'hui, la pompe à chaleur (PAC) est largement utilisée pour les applications de chauffage du bâtiment en raison de ses bonnes performances énergétiques. Elle est même considérée comme une source d'énergie renouvelable et, selon la Directive Européenne 2009/28/CE, la part "renouvelable" de l'énergie produite doit être calculée à partir de la performance annuelle. Il est donc important d'être à même de mesurer cette dernière. Or, il n'existe pas, pour les PAC air/air, de méthode fiable et simple permettant de mesurer la performance chez le client pendant une saison.Dans ce contexte, la thèse propose deux méthodes in situ qui répondent à ce besoin. La première est basée sur des mesures non-intrusives des propriétés du fluide frigorigène. Elle utilise le bilan énergétique du compresseur pour déterminer le débit du fluide. La deuxième, fondée sur les mesures côté air, utilise un ensemble de capteurs à fil chaud afin de mesurer le débit et les températures d'air.La thèse développe également une méthode de mesure intrusive du fluide frigorigène, qui n'est pas adaptée aux conditions in situ mais sert de référence pour valider les deux méthodes in situ. Les résultats expérimentaux montrent que la méthode de référence est précise non seulement en conditions stabilisées mais également en fonctionnement dynamique (y compris lors des dégivrages).La validation des deux méthodes in situ a été réalisée par une campagne d'essais spécifique en laboratoire. Une suite intéressante de la thèse consistera à intégrer la méthode non intrusive côté frigorigène directement dans l'équipement de mesure et d'affichage de la PAC.

Pour les mesures de débit et de volume d’hydrocarbures, les débitmètres à ultrasons se distinguent de par leur caractère non intrusif, ce qui réduit les pertes de charge. La plupart des débitmètres à temps de transit affichent des précisions influencées par les conditions d’écoulement. Pour utiliser ce principe en transactions commerciales, les recommandations stipulent : une linéarité < ± 0,20 %, une répétabilité < ± 0,02 % et une incertitude (coefficient d’étalonnage) < ± 0,027 %. Ce dispositif offre de réels avantages s’il permet de réduire le nombre de transducteurs ultrasonores et conserve son aspect non intrusif. Cela a amené à l’examen du projet sous ses angles hydrodynamique et acoustique. La thèse s’articule autour de deux axes liés. Le premier a comme objectif de déterminer les différentes méthodes de configuration de cordes et de reconstruction de profils de vitesse, pour déterminer une configuration optimale de l’instrument. À partir des résultats d’analyse de profils, un prototype de débitmètre a été développé et utilisé dans l’étude acoustique et expérimentale. Les signaux enregistrés en conditions réelles ont servi de base au développement d’une technique novatrice de mesure par temps de transit. / For measurements of flow and volume of liquid hydrocarbons, ultrasonic flowmeters distinguish themselves by their nonintrusive character, which reduces pressure losses. Most transit-time ultrasonic flowmeters have an accuracy which is influenced by the flow profile conditions. In order to be able to use this principle for custody transfer applications, the recommendations stipulate: a linearity < ± 0.20 %, a repeatability < ± 0.02 %, an uncertainty (calibration factor) < ± 0.027 %).This mechanism offers real advantages if it works with a reduced number of ultrasonic transducers and preserves its nonintrusive properties. These conditions have led to the examination of this project from the hydrodynamic and acoustic angles.This thesis is focuses on two linked areas. The first aims to identify the various configurations of paths and the reconstruction of the velocity profile, in order to determine an optimal configuration for the flowmeter. From the results of the profile analysis, a prototype of flowmeter was developed and used in the experimental phase. The recorded signals in real conditions were used as a basis for the development of an innovative method of transit-time measurement.

Lors d’une opération de forage, un certain nombre d’événements imprévus par rapport à l’écoulement du fluide de forage dans le puits, peuvent se produire assez rapidement. Des exemples de tels événements sont les afflux de pétrole ("kick") ainsi que les pertes de boue dans la formation. Un "kick" qui augmente en intensité peut entraîner, par ce que l’on nomme, un "blowout" (par exemple l’incident Deepwater Horizon en 2010). Les pertes et les gains sont habituellement détectés en contrôlant l’équilibre de la boue de forage dans le puits, en particulier en contrôlant le débit sortant du puits et en le comparant au débit entrant induit par les pompes. La plupart des méthodes de surveillance, de l’écoulement du puits en cours de forage, est d’utiliser un simple "paddle" (capteur qui mesure la hauteur du fluide de forage avec l’inclinaison d’une pagaie) dans la ligne d’écoulement de retour, ou d’utiliser un débitmètre de Coriolis (débitmètre connu pour sa précision, mais coûteux et nécessite une installation complexe en ajoutant un "by-pass"). Il y a un besoin évident d’un nouveau débitmètre précis, mais facile à installer et peu coûteux. Le canal Venturi a été utilisé comme débitmètre pendant des années dans l’industrie des eaux. Il apparaît comme une solution peu chère mais précise pour mesurer des débits importants. Beaucoup de personnes ont travaillé sur cette solution pour améliorer sa précision et élargir son champ d’application. Ils ont développé des modèles, sur la base d’un processus d’étalonnage, permettant de relier la hauteur en amont au débit. Cela signifie que les modèles actuels, comme ISO NORM 4359 [1], peuvent être uniquement utilisés pour l’écoulement d’eau et pour une géométrie bien spécifique. Comme nous le savons, les boues ont des comportement non- Newtonien, et donc ces modèles établis ne peuvent pas être utilisés avec ce type de fluides. Pour notre application, la forme trapézoïdale apparaît comme un bon compromis entre la précision et la portée des mesures de débit. Ainsi, nous avons développé un modèle capable de calculer le débit en prenant en compte les propriétés du fluide ainsi que les paramètres géométriques du canal. Ce modèle a été simplifié sous forme 1D en utilisant la théorie des eaux peux profondes, et a été complété par un modèle de friction tenant en compte de la variation des propriétés des fluides et de la géométrie du canal. Ce modèle a été validé par une série d’expériences avec les deux types de fluides: Newtonien et non-Newtonien, où nous avons mesuré le débit et la hauteur de l’écoulement à différents endroits le long du canal Venturi. Nous avons également réalisé des simulations 3D, en simulant des écoulements Newtoniens et non- Newtonien le long du canal. Pour généraliser cette étude, cette démarche a été étendue à une autre forme de Venturi plus adapté à un certain design de plate-forme pétrolière. Les corrélations et les modèles développés et validés expérimentalement au cours de cette étude peuvent être utilisés pour étendre l’utilisation des canaux Venturi à tous les fluides Newtonien mais aussi non-Newtonien. Il est maintenant l’occasion pour les industries de proposer une solution, peu chère mais précise pour mesurer les débits dans des canaux ouverts et pour tous types de fluides. / During a drilling operation, a certain number of unexpected events, related to the flow of drilling fluid in the well, may happen rather quickly. Examples of such events are formation fluid influx (kick) and mud loss to the formation. An uncontrolled kick that increases in intensity may result in what is known as a blowout (e.g. the Deepwater Horizon incident in 2010). Influxes and kicks are traditionally detected by monitoring the drilling mud balance in the well, in particular, by monitoring the flow out the well and comparing it to the incoming flow induced by the pumps. Most methods of monitoring the flow out of the well while drilling consists in using a simple paddle (sensor that measures the height of drilling fluid with the inclination of a paddle) in the return flow line, or in using a Coriolis flow meter (flow meter known for its accuracy but expensive and requires a complex installation by adding a bypass). There is a clear need of a new accurate flow meter, but easy to install and inexpensive. The Venturi flume has been used as flow meter for years in water industry. It appears as a cheap but accurate solution to measure large flow rates. Many people have worked on this solution to improve its accuracy and to expand its scope. They have developed models, based on a calibration process, to relate the upstream height to the flow rate. This means that current models, as ISO NORM 4359 [1], can be used only for water flow and specific geometry. As known, muds have non-Newtonian behavior and water models cannot be used with this kind of fluids. For our application, trapezoidal shape appears as a good compromise between accuracy and range of flow rate measurements. Thus, we built a model able to compute the flow rate with taking into account fluid properties and geometrical parameters. This model is simplified in 1D form by using the Shallow Water theory, and completed by a friction model taking into account the variation of fluid properties and geometry along the open channel. It have been validated by series of experiments with both Newtonian and non-Newtonian fluids, where we measured the flow rate and heights of the flow at different locations along the trapezoidal Venturi flume. It have been also completed by 3D CFD which has been simulated both Newtonian and non-Newtonian flows along the flume. To generalized this study, the work was extended to another shape of Venturi more suited to some rig design. The correlations and models developed and experimentally validated during this research can be used to extend the use of Venturi flume flow meters for any fluids : Newtonian and non- Newtonian. It is an opportunity for industries to propose a cheap but accurate solution to measure flow rates in open channels with any kind of fluids.

Aujourd'hui, la pompe à chaleur (PAC) est largement utilisée pour les applications de chauffage du bâtiment en raison de ses bonnes performances énergétiques. Elle est même considérée comme une source d'énergie renouvelable et, selon la Directive Européenne 2009/28/CE, la part «renouvelable» de l'énergie produite doit être calculée à partir de la performance annuelle. Il est donc important d'être à même de mesurer cette dernière. Or, il n'existe pas, pour les PAC air/air, de méthode fiable et simple permettant de mesurer la performance chez le client pendant une saison.Dans ce contexte, la thèse propose deux méthodes in situ qui répondent à ce besoin. La première est basée sur des mesures non-intrusives des propriétés du fluide frigorigène. Elle utilise le bilan énergétique du compresseur pour déterminer le débit du fluide. La deuxième, fondée sur les mesures côté air, utilise un ensemble de capteurs à fil chaud afin de mesurer le débit et les températures d'air.La thèse développe également une méthode de mesure intrusive du fluide frigorigène, qui n'est pas adaptée aux conditions in situ mais sert de référence pour valider les deux méthodes in situ. Les résultats expérimentaux montrent que la méthode de référence est précise non seulement en conditions stabilisées mais également en fonctionnement dynamique (y compris lors des dégivrages).La validation des deux méthodes in situ a été réalisée par une campagne d'essais spécifique en laboratoire. Une suite intéressante de la thèse consistera à intégrer la méthode non intrusive côté frigorigène directement dans l'équipement de mesure et d'affichage de la PAC. / Today, heat pumps (HP) are widely used as heating systems in building thanks to their high energy efficiency. They are even considered as a source of renewable energy and, according to the EU Directive 2009/28/EC, the amount of renewable energy has to be calculated from the annual performance. Therefore, it is important to be able to measure the annual performance. However, concerning the air-to-air HP there is no reliable and simple method which allows measuring the performance in situ during at least a season.In this context, the thesis proposes two in situ methods that could fill this gap. The first one is based on non-intrusive measurements on refrigerant side. It uses a compressor energy balance to determine the flow rate. The second one, based on air measurements, uses a distribution of hot-wire sensors to determine the air flow rate and temperatures.The thesis also develops an intrusive refrigerant method, which is not necessarily adapted for in situ conditions but can be used as a reference to validate the in situ methods. The experimental results show that the reference method is accurate both in stationary conditions and in dynamic operations (including during defrosting period).The validation of the in situ methods was performed by a specific test campaign in laboratory. As a perspective, the thesis makes it possible to develop on-board measurement methods using non-intrusive refrigerant sensors, providing an opportunity for manufacturers to display the in situ performance in real time.

Cette thèse se situe dans le cadre du projet ASTRID du CEA. La surveillance de la présence de gaz dans un RNR est importante pour son fonctionnement en toute sécurité. Cette thèse porte sur la détection et la caractérisation de présence de gaz par un débitmètre à distorsion de flux (DDF). Du point de vue technologique, l’objectif est d’évaluer la faisabilité de l’utilisation d’un DDF, et s’il est possible de mesurer le débit et le taux de vide simultanément avec un DDF. Du point de vue de la physique, le DDF mesure la perturbation du flux magnétique due aux courants de Foucault induits par l’hydrodynamique d’un écoulement de liquide conducteur. En présence de vide dans le conducteur, une nouvelle source de perturbation apparaît du fait de la modification, par le taux de vide, de la distribution du champ magnétique. En effet, la présence de vide agit sur les distributions locales de courants électriques dues au couplage des phénomènes d’induction et de forces de Lorentz. Notre objectif est de comprendre la nature de ces couplages et de proposer une méthode qui permette de caractériser la présence de vide à partir du signal de sortie du DDF, de mesurer le taux de vide et d’étudier la sensibilité de cette mesure aux variations des paramètres de l’écoulement et du champ électromagnétique (vitesse et pulsation, en particulier). Dans ce travail, des expériences spécifiques ont été développées pour étudier les effets de la vitesse, du taux de vide et de la pulsation du flux magnétique sur la réponse d’un DDF. Ces expériences modélisent un écoulement diphasique idéal (écoulement piston) consistant en une barre mobile d’aluminium contenant des trous et des cannelures pour simuler le taux de vide. Dans ces expériences la vitesse, le taux de vide et la pulsation sont parfaitement contrôlé et leur domaine de variations sont les suivants : 0<U<1 m/s pour la vitesse, 0< <6.9% pour le taux de vide et 1500<<12000 rad/s pour la pulsation (dans cette gamme de pulsations, on notera que la profondeur de pénétration du champ électromagnétique est de l’ordre de, mais plus petit que, le rayon du barreau d’aluminium). Une méthode d’ellipse-fitting appliqué au signal de sortie du DDF a été utilisée pour caractériser l’effet du taux de vide. Les résultats montrent que le DDF est sensible pour des fractions volumique de vide entre 0.3 % and 6.9% . En outre, la réponse aux variations de taux de vide est insensible à la vitesse du barreau. Cette technique est peu adaptée aux mesures des faibles taux de vide (< 0.1%). Une deuxième approche a été développée, sur la base de l’analyse du signal démodulé du DDF. Cette analyse s’appuie sur un modèle théorique du flux magnétique obtenu par un développement au 1er ordre par rapport à U et a. Ce modèle permet d’interpréter les résultats expérimentaux en termes de contributions de U et a au flux magnétique. Malgré le couplage fort entre l’induction Faraday et les forces de Lorentz, les résultats montrent que les contributions de U et alpha peuvent être séparées correctement pour des petites valeurs du nombre de Reynolds magnétique (Rem < 0.12), et de faible taux de vide ( < 6.9%). Un résultat très important est que la contribution de a sur le flux magnétique est insensible aux variations de vitesse dans cette gamme de Rem . De plus, l’effet de la géométrie du vide a été étudié pour deux configurations : cannelures et trous. Il a été observé que la géométrie du vide n’a pas d’effet sur les variations du flux magnétique avec a. Cette seconde approche est plus sensible aux variations de fraction volumique du vide que la méthode de l’ellipse-fitting. Enfin, des expériences préliminaires avec un liquide métallique (galinstan) contenant des perles de verre, ont été faites et ont montré une bonne sensibilité du signal du DDF avec la vitesse et le taux de vide. En conclusion, ce travail a montré qu’il est possible de mesurer simultanément un taux de vide et un débit pour la gamme de variations des paramètres étudiés. / A Generation IV Sodium cooled Fast Reactor (SFR) is being researched and developed at CEA, Cadarache France under the project named ASTRID. Monitoring gas presence in SFR is important with respect to its safe operation. In accordance with the principles of diversity, techniques based on different measurement principles have been proposed. This thesis concerns the detection and characterization of void using magnetic flux perturbation principle. An Eddy Current Flow Meter (ECFM) device is used for this purpose. From the technological point of view, the objective is to evaluate the feasibility of ECFM as a flow and/or void monitoring/characterizing device; and to determine which parameters are of interest and what are the precision of these measurements; and whether it is possible to measure the flow rate and void fraction simultaneously with the same ECFM device. From the physics point of view, the ECFM system involves the magnetic flux perturbation due to voids in the presence of Faraday induction and Lorentz force effects. Therefore ECFM integrated signal contains informations about the void, Faraday induction and Lorentz force effects based perturbation in magnetic flux and their couplings. Our objective is to understand the nature and extent of these couplings. Specific experiments have been developed to study the effects of flow velocity, void fraction and magnetic flux pulsations on the response of an ECFM. It consists in modeling the two-phase flow by a moving aluminium rod (plug flow) with holes and grooves to simulate voids. Flow velocity range of variation was 0<U<1 m/s, void fraction 0<<6.9% and pulsation 1500<<12000 rad/s (for this range of pulsations the electromagnetic skin depth is of order but smaller than the aluminium rod radius). An ellipse fitting method was proposed to analyze the output signal of the secondary coils. The results show that ECFM is sensitive to void fractions between 0.3 % and 6.9%. Furthermore, the response to void fraction is insensitive to the mean velocity of the twophase medium. A second approach based on demodulation analyses of the secondary coils output signal has been developed. We have proposed a theoretical model based on a first order expansion of magnetic flux in U and a. With this model it was possible to interpret the experimental results in terms of contributions of U and a. Despite the strong coupling between Faraday induction and Lorentz force effects, the results show that the contributions of U and a. can be well separated at low magnetic Reynolds number (Rem < 0.12) and low a values ( < 6.9%). A very important result is that the contribution of _ on magnetic flux is insensitive to variations of velocity in this range of Rem. Moreover, different geometries of void have been studied: grooves and holes. It was observed that the geometry of void do not change the variation of magnetic flux with a. This second approach revealed to be more sensitive to void fraction variations than ellipse fitting method. Finally, preliminary experiments with liquid metal galinstan with glass beads were done, which showed sensitivity of ECFM signal with velocity and void. In conclusion, this work has shown that ECFM can measure simultaneously void and velocity in the range of parameters studied, in particular 0.06%< < 6.9%.