La mesure du débit massique est à la base de nombreux éléments clés dans l'industrie, notamment la plupart des formulations de recettes, les déterminations du bilan matière et les opérations de facturation et de transfert de propriété. Ces mesures de débit étant les plus critiques dans une usine de traitement, la fiabilité et la précision de la détection du débit massique sont très importantes.
Une (brève) histoire de la mesure de débit massique
Dans le passé, le débit massique était souvent calculé à partir des sorties d'un débitmètre de masse et d'un densitomètre. Les changements de densité étaient soit mesurés directement, soit calculés à partir des sorties des transmetteurs de température et de pression du processus. En fin de compte, comme la relation entre la pression ou la température du processus et la densité n'est pas toujours connue avec précision, ces mesures n'étaient pas très exactes.
L'un des premiers modèles de débitmètres de masse autonomes fonctionnait à l'aide du moment cinétique : il était équipé d'une turbine entraînée par un moteur qui imprimait un moment cinétique (mouvement rotatif) en accélérant le fluide à une vitesse angulaire constante. Plus la densité était élevée, plus le moment cinétique nécessaire pour obtenir cette vitesse angulaire était important. En aval de la turbine entraînée, une turbine fixe maintenue par un ressort était exposée à ce moment cinétique. Le couple résultant (torsion du ressort) indiquait le débit massique. Cependant, en raison de leur conception mécanique complexe et de leurs coûts d'entretien élevés, ces types de débitmètres ont été largement remplacés par des modèles plus robustes et nécessitant moins d'entretien.
L'un de ces modèles est le débitmètre Coriolis, qui est largement considéré comme le type de débitmètre de masse le plus précis et qui est largement utilisé dans les applications industrielles pour des mesures précises. Les débitmètres Coriolis sont des instruments qui fonctionnent selon le principe de l'effet Coriolis, un phénomène remarquable (et étrange) selon lequel une masse se déplaçant dans un système en rotation subit une force agissant perpendiculairement à la direction du mouvement et à l'axe de rotation. Les premiers brevets industriels Coriolis remontent aux années 1950 et les premiers débitmètres de masse Coriolis ont été construits dans les années 1970.
Le principe de Coriolis
C'est G.G. Coriolis, un ingénieur français, qui a été le premier à remarquer que tous les corps se déplaçant à la surface de la Terre ont tendance à dériver latéralement en raison de la rotation vers l'est de la planète. Dans l'hémisphère nord, la déviation se fait vers la droite du mouvement ; dans l'hémisphère sud, elle se fait vers la gauche. Cette dérive joue un rôle essentiel dans l'activité des marées océaniques et le climat de la planète. Étant donné qu'un point situé sur l'équateur décrit un cercle plus grand par jour qu'un point plus proche des pôles, un corps se déplaçant vers l'un ou l'autre des pôles dérivera vers l'est, car il conserve sa vitesse de rotation plus élevée (vers l'est) lorsqu'il passe au-dessus de la surface de la Terre qui tourne plus lentement. Cette dérive est définie comme la force de Coriolis.
Lorsqu'un fluide s'écoule dans un tuyau et qu'il est soumis à l'accélération de Coriolis par l'introduction mécanique d'une rotation apparente dans le tuyau, la force de déviation générée par l'effet d'inertie de Coriolis sera fonction du débit massique du fluide. Si un tuyau est mis en rotation autour d'un point pendant que le liquide s'écoule à l'intérieur (vers ou loin du centre de rotation), ce fluide génère une force d'inertie (agissant sur le tuyau) qui est perpendiculaire à la direction du débit.
Figure 1 : Le principe de Coriolis En référence à la figure 1, une particule (dm) se déplace à une vitesse (V) à l'intérieur d'un tube (T). Le tube tourne autour d'un point fixe (P) et la particule se trouve à une distance d'un rayon (R) du point fixe. La particule se déplace avec une vitesse angulaire (w) sous l'effet de deux composantes d'accélération, une accélération centripète dirigée vers P et une accélération de Coriolis agissant à angle droit par rapport à ar :
ar (centripète) = w2r
at (Coriolis) = 2wv
Afin de transmettre l'accélération de Coriolis (at) à la particule fluide, une force de at (dm) doit être générée par le tube. La particule de liquide réagit à cette force par une force de Coriolis égale et opposée :
Fc = at(dm) = 2wv(dm)
Ensuite, si le liquide de processus a une densité (D) et s'écoule à vitesse constante à l'intérieur d'un tube rotatif de section transversale A, un segment du tube de longueur X subira une force de Coriolis d'amplitude :
Fc = 2wvDAx
Comme le débit massique est dm = DvA, la force de Coriolis Fc = 2w(dm)x et, finalement :
Débit massique = Fc / (2wx)
C'est ainsi que la mesure de la force de Coriolis exercée par le fluide en écoulement sur le tube rotatif peut fournir une indication du débit massique. Bien que la rotation d'un tube ne soit pas nécessairement une procédure standard pratique lors de la construction d'un Débitmètre de masse, l'oscillation ou la vibration du tube, qui est pratique, peut produire le même effet.
Comment fonctionne un débitmètre Coriolis ?
Les débitmètres de masse Coriolis mesurent la masse par inertie. Un liquide ou un gaz s'écoule dans un tube qui est mis en vibration par un petit actionneur. Cela introduit artificiellement une accélération de Coriolis dans le flux, ce qui produit une force de torsion mesurable sur le tube, entraînant un déphasage. Cette force de torsion est proportionnelle à la masse, et le débitmètre de masse mesure le débit massique en détectant le moment cinétique qui en résulte. Les débitmètres Coriolis sont capables de mesurer le débit dans le tube dans les deux sens, vers l'avant ou vers l'arrière.
Dans la plupart des modèles, le tube est fixé en deux points et vibre entre ces deux points d'ancrage. Cette configuration peut être imaginée comme la vibration d'un ensemble ressort-masse. Une fois mis en mouvement, un ensemble ressort-masse vibre à sa fréquence de résonance, qui est fonction de la masse de cet ensemble. Cette fréquence de résonance est choisie car elle nécessite la plus petite force motrice pour maintenir le tube rempli en vibration constante.
Il existe des recommandations suggérées pour l'installation d'un débitmètre Coriolis afin de garantir le bon fonctionnement du compteur.
Conceptions des tubes
Un tube peut être en forme de U ou droit, et certaines conceptions peuvent également être autodrainantes lors du montage vertical (Figure 2). Lorsque la conception comprend deux tubes parallèles, le débit est divisé en deux flux par un séparateur situé près de l'entrée du débitmètre et est recombiné à la sortie. Dans la conception à tube continu unique (ou à deux tubes reliés en série), le débit n'est pas divisé à l'intérieur du débitmètre.
Dans les deux cas, des actionneurs font vibrer ces tubes de mesure. Ces actionneurs se composent d'une bobine reliée à un tube et d'un aimant relié à l'autre. Le transmetteur applique un courant alternatif à la bobine, ce qui provoque l'attraction et la répulsion alternées de l'aimant, forçant ainsi les tubes à se rapprocher et à s'éloigner les uns des autres. Le capteur peut détecter la position, la vitesse ou l'accélération des tubes. Si des capteurs électromagnétiques sont utilisés, l'aimant et la bobine dans les capteurs changent de position relative lorsque les tubes vibrent, provoquant une modification du champ magnétique de la bobine. Par conséquent, la tension sinusoïdale produite par la bobine représente le mouvement des tubes.
Figure 2-A et Figure 2-B : Fonctionnement d'un débitmètre Coriolis à deux tubes et à tube droit Lorsque le débit n'est pas présent dans une conception à deux tubes (Figure 2-A), la vibration provoquée par la bobine et l'entraînement magnétique entraîne des déplacements identiques aux deux points de détection (B1 et B2). Lorsque le débit est présent, les forces de Coriolis produisent une vibration de torsion secondaire, ce qui entraîne une légère différence de phase dans les mouvements relatifs. Celle-ci est détectée aux points de mesure. La déviation des tubes causée par la force de Coriolis n'existe que lorsque le débit axial du fluide et la vibration des tubes sont présents. Une vibration sans débit, ou un débit sans vibration, ne produit pas de sortie du débitmètre.
La fréquence naturelle de la structure du tube dépend de sa géométrie, des matériaux de construction et de la masse de l'ensemble du tube (masse du tube plus masse du fluide à l'intérieur du tube). La masse du tube est fixe. Étant donné que la masse du fluide est égale à sa densité (D) multipliée par son volume (qui est également fixe), la fréquence de vibration peut être liée à la densité du fluide de process (D). Par conséquent, la densité du fluide peut être déterminée en mesurant la fréquence de résonance des oscillations des tubes. (Notez que la densité peut être mesurée à débit nul, tant que les tubes sont remplis de fluide et vibrent.)
L'épaisseur de la paroi varie considérablement d'une conception à l'autre ; cependant, même les tubes les plus robustes seront plus fins que les tuyaux de process. Pour obtenir la plus longue durée de vie possible, il est recommandé de choisir la conception avec la paroi la plus épaisse et la vitesse d'écoulement la plus lente qui puisse fournir la précision et la plage requises.
Modèles de transmetteurs
Les transmetteurs peuvent fonctionner sur courant alternatif ou continu et nécessitent un câblage séparé pour l'alimentation électrique et pour leurs signaux de sortie. Le transmetteur du débitmètre Coriolis peut être monté de manière intégrée ou à distance (Figure 3). Le transmetteur contrôle le fonctionnement du pilote et traite et transmet les signaux du capteur. Le facteur d'étalonnage (K) enregistré dans la mémoire du transmetteur permet d'adapter le transmetteur au tube d'écoulement spécifique. Ce facteur d'étalonnage définit la constante de proportionnalité entre la force de Coriolis et le débit massique pour la constante dynamique du ressort des tubes vibrants spécifiques.
Figure 3 : Transmetteur Coriolis avec clavier et affichage Le transmetteur ne se contente pas de convertir les entrées du capteur en signaux de sortie normalisés. La plupart des transmetteurs offrent également plusieurs sorties, notamment le débit massique, le débit massique total, la densité et la température. Des sorties analogiques et/ou à impulsions sont disponibles, et les transmetteurs intelligents peuvent générer des sorties numériques pour une intégration dans les systèmes DCS.
Les transmetteurs sont souvent équipés d'affichages et de claviers locaux pour faciliter l'accès aux données de processus. Les transmetteurs Coriolis fournissent plus que de simples informations sur le débit et des fonctions auxiliaires. Des fonctions de contrôle des lots, de surveillance du pourcentage de Brix ou de HFCS, de la viscosité, du pourcentage de solides, du PID, de la densité API et de la densité spécifique sont également disponibles. Lorsque des informations sur la viscosité sont souhaitées, la chute de pression du débitmètre doit être mesurée. D'autres fonctionnalités peuvent nécessiter la préprogrammation d'informations dans la mémoire du transmetteur. En outre, les transmetteurs disposent d'autres options matérielles et logicielles qui permettent à l'utilisateur de les personnaliser en fonction de l'application.
Évolution de Coriolis
La première génération de débitmètres Coriolis se composait d'un seul tube incurvé à paroi mince, dans lequel des vitesses de fluide élevées étaient créées en réduisant la section transversale du tube par rapport au tuyau de process. La distorsion du tube était mesurée par rapport à un point ou un plan fixe. Les tubes étaient excités de manière à créer des forces de flexion localisées de forte amplitude aux points d'ancrage. Cela entraînait de graves problèmes de vibration, qui ont été atténués par des conceptions à deux tubes (figure 2-A).
Ces conceptions à deux tubes ont réduit les interférences vibratoires externes, diminué la puissance nécessaire pour faire vibrer les tubes et minimisé l'énergie vibratoire quittant la structure du tube. Un seul actionneur a été utilisé pour déclencher la vibration du tube, et deux capteurs ont été utilisés pour détecter les déviations de Coriolis. Bien que cette conception ait considérablement amélioré les performances, la combinaison d'un alésage réduit, de tubes à paroi mince et de vitesses de fluide élevées (jusqu'à 50 pieds/seconde) a tout de même entraîné un défaut prématuré du compteur, y compris des déversements potentiellement catastrophiques lors de l'utilisation du compteur dans des services corrosifs et érosifs. De plus, les pertes de charge non récupérées étaient élevées (parfois supérieures à 50 psid) et la précision n'était pas suffisante pour permettre aux utilisateurs de convertir les processus par lots en processus continus.
Figure 4-A et Figure 4-B : Améliorations apportées à la conception Coriolis Les améliorations de conception les plus récentes comprennent la présentation d'une variété de nouvelles formes de tubes, y compris ceux qui ne divisent pas le débit (Figure 2-B) et l'utilisation de plusieurs pilotes (Figure 5A). Des tubes à paroi épaisse (cinq fois plus épais que les premières conceptions), l'utilisation de diamètres à passage intégral et de collecteurs lourds pour isoler la structure du tube des contraintes induites par les raccords de tuyauterie, ainsi que des boîtiers de tubes d'écoulement qui servent également de cuves de confinement secondaires ont tous contribué à améliorer les performances.
Dans certaines conceptions, les contraintes de torsion ont remplacé les contraintes de flexion afin d'éviter la concentration de contraintes pouvant entraîner la fissuration des tubes (Figure 5B). Dans d'autres conceptions, les effets des vibrations de la canalisation ont été minimisés par le montage des structures tubulaires transversalement à la canalisation.
Ces améliorations ont augmenté le nombre de fournisseurs et contribué au développement d'une nouvelle génération de débitmètres Coriolis aussi fiables et robustes que les débitmètres volumétriques traditionnels. Les nouvelles conceptions fonctionnent à des vitesses de fluide plus basses (inférieures à 10 pieds/seconde) et à des chutes de pression plus basses (inférieures à 12 psid), peuvent être installées dans n'importe quelle orientation et offrent une durée de vie plus longue pour les services impliquant des boues, des fluides visqueux, corrosifs ou érosifs. Les tubes vibrent bien en dessous de leurs limites d'endurance et sont généralement fabriqués en acier inoxydable, en Hastelloy® et en titane.
Interférences
L'effet de la force de Coriolis sur le tube vibrant est faible. Un débit à pleine échelle peut provoquer une déviation de seulement 0,001 pouce. Pour obtenir une plage de débit de 100:1, les capteurs doivent être capables de détecter des déviations avec une précision de 0,000001 pouce dans des environnements industriels où la pression, la température et la densité du fluide varient, et où les vibrations des tuyaux interfèrent avec la mesure.
L'élasticité des tubes métalliques varie en fonction de la température ; ils deviennent plus élastiques à mesure qu'ils se réchauffent. Pour éliminer l'erreur de mesure correspondante, la température du tube est mesurée en continu par un élément RTD et utilisée pour compenser en permanence les variations d'élasticité du tube.
Les débitmètres Coriolis sont généralement étalonnés à l'eau, car les constantes sont valables pour tous les autres liquides. L'étalonnage de la densité s'effectue généralement en remplissant les tubes avec deux ou plusieurs (stagnants) liquides d'étalonnage de densités connues.
Précision et gamme de mesure
Les débitmètres Coriolis offrent une précision de 0,1 à 2 % pour une gamme de débit massique allant jusqu'à 100:1. En général, les modèles à tubes courbes offrent une gamme de mesure plus large (100:1 à 200:1), tandis que les débitmètres à tube droit sont limités à 30:1 à 50:1 et leur précision est inférieure. L'erreur globale du débitmètre est la somme de l'imprécision de base et de l'erreur de décalage du zéro, l'erreur attribuable au signal de sortie irrégulier généré dans des conditions de débit nul. L'erreur de décalage du zéro devient la partie dominante de l'erreur totale à l'extrémité inférieure de la plage de débit, où l'erreur est comprise entre 1 % et 2 % du débit. Certains fabricants indiquent la précision globale en pourcentage du débit pour la partie supérieure de la plage de débit et en pourcentage de la portée pour la partie inférieure, tandis que d'autres l'indiquent en pourcentage du débit plus une erreur de décalage du zéro.
Lorsqu'elle est utilisée pour la mesure de la densité, la plage d'erreur typique d'une mesure Coriolis est de 0,002 à 0,0005 g/cc.
Les erreurs sont causées par des poches d'air ou de gaz dans le fluide de process. Dans le cas de petites bulles dispersées de manière homogène, une puissance plus importante est requise pour faire vibrer les tubes, tandis que si le gaz se sépare du liquide, un effet d'amortissement sur la vibration des tubes (et, par conséquent, une erreur) se développe. Les petits vides provoquent également du bruit en raison du ballottement du liquide de process dans les tubes. Les vides plus importants augmentent l'énergie nécessaire pour faire vibrer les tubes à des niveaux excessifs et peuvent entraîner un défaut complet.
Étant donné que le tube d'écoulement est soumis à des forces axiales, de flexion et de torsion pendant le fonctionnement du compteur, si les fluctuations de la température et de la pression du process ou de l'environnement modifient ces forces, les performances peuvent être affectées et il peut être nécessaire de remettre le compteur à zéro.
Les variations de densité du fluide de process peuvent affecter la fonction de transfert de fréquence des systèmes mécaniques, ce qui nécessite de remettre à zéro les anciens modèles afin de les protéger contre une dégradation des performances. Grâce à la configuration de leurs tubes, les modèles plus récents ne sont pas affectés par les changements de densité sur de larges plages de variations de densité.
Sizing & Pressure Drop
En raison de la large plage de mesure des débitmètres Coriolis (de 30:1 à 200:1), le même débit peut être mesuré par deux ou trois tubes de débit de tailles différentes. En utilisant le débitmètre le plus petit possible, on réduit le coût initial et l'accumulation de dépôts, mais on augmente les taux d'érosion/corrosion et les pertes de charge, ce qui augmente les coûts de pompage et d'exploitation.
La réduction de la taille (utilisation d'un débitmètre plus petit que le tuyau) est acceptable lorsque le tuyau est surdimensionné et que le fluide de process est propre et de faible viscosité.
Les différents débitmètres Coriolis entraînent des pertes de charge différentes, mais en général, ils nécessitent plus que les débitmètres volumétriques traditionnels, qui fonctionnent généralement à moins de 10 psid. Cette perte de charge plus importante est due à la réduction du diamètre du tube et au trajet sinueux du débit. Outre les coûts de pompage, la perte de charge peut être préoccupante si le débitmètre est installé dans un système à basse pression, s'il existe un risque de cavitation ou d'évaporation instantanée, ou si la viscosité du fluide est très élevée.
La viscosité des fluides non newtoniens dépend de leur vitesse d'écoulement. Les liquides dilettants, par exemple, voient leur viscosité apparente (résistance à l'écoulement) augmenter à mesure que leur vitesse augmente. Cette viscosité apparente peut être considérablement plus élevée que leur viscosité à l'état stagnant. Afin de fournir aux fournisseurs des données sur la viscosité d'écoulement dans un tuyau particulier, la perte de charge par pied de tuyau (utilisée dans les calculs de dimensionnement des pompes) peut être utilisée comme approximation.
Applications et limites
Les débitmètres Coriolis sont les débitmètres les plus précis et sont utilisés dans de nombreuses applications différentes dans une grande variété d'industries ainsi que dans des applications scientifiques, pour mesurer à la fois des gaz et des liquides corrosifs et propres. Ils offrent une précision élevée dans la mesure du débit massique, de la densité, de la température et de la viscosité.
Contrairement aux technologies basées sur la vitesse (telles que les débitmètres à déplacement positif, les débitmètres à ultrasons et les débitmètres à turbine), les débitmètres de masse Coriolis peuvent détecter le débit de tout type de gaz modérément dense ou de fluide à faible débit, y compris le pétrole brut et d'autres types de combustibles, les agents nettoyants et autres produits chimiques, les huiles végétales et les graisses animales, le dentifrice et l'alcool, tous les types de produits alimentaires et les liquides non newtoniens. Des modèles à vidange automatique sont disponibles pour les applications sanitaires qui répondent aux exigences de nettoyage en place.
La plupart des débitmètres sont équipés de circuits à sécurité intrinsèque entre le tube d'écoulement et le transmetteur. Par conséquent, la puissance d'entraînement pouvant être fournie au tube d'écoulement est limitée.
Lorsque le fluide est déchargé de camions-citernes, de fûts ou de wagons, un écoulement par à-coups peut se produire, rendant le débit du débitmètre imprévisible. Si le transmetteur est équipé d'une fonction de récupération en cas d'écoulement par à-coups, il arrêtera la mesure lorsque cet écoulement sera détecté par une puissance d'entraînement excessive ou par une baisse de la densité du processus (réduction de l'amplitude de sortie du capteur).
La quantité d'air dans le fluide de processus pouvant être tolérée par un débitmètre varie en fonction de la viscosité du fluide. Les liquides dont la viscosité peut atteindre 300 000 centipoises peuvent être mesurés à l'aide de débitmètres Coriolis. La teneur en gaz de ces liquides très visqueux peut atteindre 20 %, les petites bulles restant dispersées de manière homogène. La teneur en gaz des liquides à faible viscosité, comme le lait, se sépare à des concentrations aussi faibles que 1 %.
Les débitmètres Coriolis de taille moyenne (moins de 2 pouces) offrent des délais de rentabilité courts dans les applications où la précision des mesures réduit les coûts de production (bains, facturation) ou lorsque plusieurs mesures (notamment la densité, la température, la pression) sont nécessaires. D'un autre côté, ils peuvent ne pas être compétitifs lorsqu'ils sont utilisés dans des applications de mesure de débit simples où des capteurs volumétriques sont suffisants et où la répétabilité est plus importante que la précision. La possibilité d'extraire des données sur la masse totale chargée, le taux de solides, le pourcentage de solides et la viscosité à partir d'un seul instrument réduit le coût total de la mesure, améliore le contrôle du processus et offre une redondance pour d'autres instruments.
Les conceptions à tube continu sont généralement préférées pour les boues et autres applications de fluides multiphases. Le débit total est divisé par des séparateurs dans les conceptions à tube divisé, et les deux flux résultants n'ont pas besoin d'avoir exactement le même débit massique pour maintenir la précision (ils doivent toutefois avoir la même densité). Des densités différentes dans les deux tubes parallèles déséquilibrent le système et créent des erreurs de mesure. Par conséquent, s'il y a une phase secondaire dans le flux, un simple diviseur de débit peut ne pas répartir uniformément le débit entre les deux tubes.
Les conceptions à tube continu sont également préférées pour mesurer les liquides qui peuvent recouvrir et/ou obstruer le compteur. Les tubes continus, s'ils sont dimensionnés pour laisser passer les plus grosses particules solides du fluide de processus, sont moins susceptibles de s'obstruer et sont plus faciles à nettoyer.
Les conceptions à tubes droits peuvent être nettoyées par des moyens mécaniques, tandis que les conceptions à tubes courbés sont généralement lavées à l'aide de solutions de nettoyage à des vitesses supérieures à 10 pieds/seconde. Les conceptions à tubes droits sont également préférées pour les applications sanitaires en raison des exigences d'auto-vidange.
Les tubes longs et courbés se tordent plus facilement que les tubes courts et droits et génèrent donc des signaux plus forts dans les mêmes conditions. En général, les modèles en U offrent une plus grande plage de mesure (100:1 à 200:1), tandis que les débitmètres à tube droit sont limités à 30:1 à 50:1, avec une précision moindre.
Les compteurs à tube droit sont plus résistants aux contraintes et aux vibrations des pipelines, sont faciles à installer, nécessitent moins de perte de charge, peuvent être nettoyés mécaniquement, sont plus compacts et nécessitent moins d'espace pour leur installation. Ils sont également préférés pour les services où le fluide de process peut se solidifier à température ambiante.
Tous les boîtiers de débitmètres ne sont pas conçus pour résister et contenir le fluide de process sous pression en cas de rupture du tube, en particulier si le fluide de process est susceptible de se vaporiser dans de telles conditions. Si tel est le cas, il est possible de commander des boîtiers de confinement secondaires qui enferment l'ensemble du tube d'écoulement, y compris son boîtier. Ces boîtiers de confinement secondaires peuvent être équipés de disques de rupture ou de soupapes de décharge, ainsi que de drains ou d'évents.
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