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TECHNIQUES DE MESURES INDUSTRIELLES

SH/ IAP- CU/ Département Instrumentation Boumerdes 01/04/2014

IAP-CU/Boumerdes R. BOUDERBALA

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Ce séminaire traite de diverses questions relatives à la mesure notamment : • La pression • Le débit • Le niveau • La température 

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GENERALITES SUR LES CAPTEURS a. Définitions et caractéristiques générales 

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b. Classification des capteurs en fonction : • du mesurande qu'il traduise (capteur de température, de pression, ...) • de leur rôle dans un processus industriel (contrôle de produits finis, de sécurité, ...) • du signal qu’ils fournissent

•

 capteur analogique (catégorie la plus importante)  capteur logique (key sensor)  capteur digitaux

de leur principe de traduction du mesurande (capteur résistif, à effet de Hall, ...)

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•

de leur principe de fonctionnement • Capteurs actifs : Fonctionnent en générateur en convertissant la forme d ’énergie propre au mesurande en énergie électrique.

• Capteurs passifs :

Il s ’agit d ’impédances (très souvent des résistances) dont l ’un des paramètres déterminants est sensible au mesurande.

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

Capteurs Actifs :

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•

Effet Thermoélectrique :

Un circuit formé de deux conducteurs de nature chimique différente, dont les jonctions sont à des températures T1 et T2, est le siège d'une force électromotrice e(T1,T2).

 Application : détermination à partir de la mesure de e d'une température inconnue T1 lorsque T2 est connue.

•

Effet Pyroélectrique :

Certain cristaux ont une polarisation spontanée qui dépend de la température.

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•

Effet Photoémissif :

•

Effet Photovoltaïque :

•

Effet Photo-électromagnétique :

Les électrons libérés sont émis hors de la cible éclairée et forment un courant électrique. Tension aux bornes d ’une jonction PN créée par électrons et des trous libérés par un flux lumineux.

Libération de charges électriques dans la matière sous l'influence d'un rayonnement lumineux ou plus généralement d'une onde électromagnétique dont la longueur d'onde est inférieure à un seuil caractéristique du matériau.

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•

Effet Piézo-électrique : L'application d'une contrainte mécanique à certains matériaux dits piézo-électrique (le quartz par exemple) entraîne l'apparition d'une déformation et d'une même charge électrique de signe différent sur les faces opposées.

Application : mesure de forces ou de grandeurs s'y ramenant (pression, accélération) à partir de la tension que provoquent aux bornes du condensateur associé à l'élément piézoéléctrique les variations de sa charge.

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•

Effet Hall : Un matériau parcouru par un courant I et soumis à une induction B faisant un angle θ avec le courant fait apparaître une tension VH

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•

Effet Induction Electromagnétique : La variation du flux d'induction magnétique dans un circuit électrique induit une tension électrique.

 Application : la mesure de la fem d'induction permet de connaître la vitesse du déplacement qui est à son origine.

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

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Capteurs Passifs :


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

Capteurs Passifs :

•

Corps d ’épreuve : Impédance dont l’un des paramètres est sensible au mesurande. Les variations d'impédance ne sont mesurables qu ’en intégrant le capteur dans un circuit électrique. (à alimenter)

•



Z = f(géométrie, dimensions, propriétés électriques [ρ], [µ],[ε])

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•

Variations géométrique :  Capteur à élément mobile  Capteur à élément déformable

•

Variation des propriétés des matériaux :  Correspondance univoque entre la valeur de la grandeur et celle de l ’impédance du capteur.

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

Corps d'épreuve - Capteurs Composites

Exemples: Jauge de contrainte, Détecteur gamma

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Exemples de corps d’épreuve

•

Mesure d'une force à partir d'un capteur de déplacement Corps d'épreuve : ressort Force : Mesurande primaire Élongation : Mesurande secondaire

•

Mesure d'une accélération à partir d'un capteur de force

Corps d'épreuve : masse sismique Accélération : Mesurande primaire Force : Mesurande secondaire

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Exemples de corps d’épreuve x

x

x

P Membrane plane encastrée

P Membrane ondulée

P Capsule manométrique fermée

x

P Capsule manométrique ouverte

x x

x

P Tube de Bourdon

x

P Piston agissant sur un matériau piézo électrique

x

P Soufflet

P Capsule manométrique ouverte

α

x

x r

P Capsule biconique " Diabolo "

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r

P Tube borgne

P Tube vrillé


P Tube hélicoide

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P Piston avec ressort ou étrier

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•

Capteurs intégrés

Exemples : jauges extensométriques, photocapacités

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Capteur Le capteur soumis au mesurande fournit une information ou signal qui peut être : • Mécanique. • Electrique : Tension, intensité... • logique ou Analogique.

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∆X

∆α

∆R

∆X

∆X

∆R

R Fils tendus

Jauge métallique collée

∆α

∆R

∆X

R

∆R

∆X X

∆X

∆X Amplification mécanique d'un déplacement

∆X

Variation de résistance

F

Q

Bilame piézo-électrique

∆X

Q

Rondelles piézo-électriques P

F

∆X

Variation relative de résistance

Variation de résistance

∆X

Q

∆M

Noyau

Diélectrique P ∆X

Q

∆V

∆X

V

∆V Q

∆X Variation de charge électrique

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Variation de charge électrique

Variation de charge électrique


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Transformateur différentiel

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∆X

∆f

∆M

F

E ∆f

∆M

∆E

Rayons lumineux

∆X Corde ou lame vibrante ∆X ∆Q

∆t

∆X

Récepteur photo-électrique

F

Matériau à biréfringence modifiable Variation de polarisation

F Variation de perméabilite magnétique ∆X ∆t

∆P

∆X

∆X

Volet mobile

Rayons lumineux

∆X

∆R

Variation de lumière ∆F ∆i

R

Jauges à film deposé sous vide

∆t = k∆X

∆ i ou ∆ R

∆X

Récepteur photo-électrique F

Magnéto-électricité F

∆ i ou ∆ R

∆X

Piézo-transistor à effet de champ

Jauges diffusées dans une membrane de silicium

N

P

P

P

N

∆F Signal Variation de charge ( Tube a gaz ionisé )

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Emetteur d'ultra-sons Variation de durée

Variation de résistivité


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Variation d'intensité d'un courant

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∆

∆X

L

ρ

∆R R

∆X

∆X

∆R

∆C

∆X

∆L

Magnétorésistance

∆X ∆X

∆X

∆X

∆X Semi-conducteur ( Jauge piezo résistive )

N

S

E

∆E

∆X

Variation de résistivité 01/04/2014

Variation de résistance IAP-CU/Boumerdes R. BOUDERBALA

Variation de capacité Msc.

Variation d'inductance 22

• Capteurs intelligents

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Transmetteurs

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Transmetteur de température

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Transmetteur Un transmetteur est un appareil de mesure dont l'entrée est issue d'un capteur et dont la sortie est un signal conforme à un standard analogique (0,21 bar ou 4-20 mA) ou numérique, directement utilisable dans une boucle de mesure ou de régulation.

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

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Paramétrage d'un transmetteur Deux paramètres de réglage : - décalage de zéro - étendue de mesure . Si le transmetteur possède un réglage analogique, pour paramétrer le transmetteur il suffit (respecter l'ordre) : • De régler le zéro quand la grandeur mesurée est au minimum de l'étendue de mesure (réglage du 0) ; • De régler le gain quand la grandeur mesurée est au maximum de l'étendue de mesure (réglage du 100 ) IAP-CU/Boumerdes R. BOUDERBALA

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

Paramétrage d'un transmetteur

Transmetteur de pression

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 Raccordement électrique Trois types de transmetteur :

• • •

4 fils (dits actifs) qui disposent d'une alimentation et qui fournissent le courant I. Schéma de câblage est identique à celui des régulateurs (fig. 1). 3 fils sont des transmetteur 4 fils, avec les entrées moins reliées (fig. 2). 2 fils (dits passifs) qui ne disposent pas d'une alimentation et qui contrôlent le courant I fournie par une alimentation externe (fig. 3).

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Fig.1 Transmetteur 4 fils


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 Schéma de principe d'une boucle de courant

Une boucle 4-20 mA est composée : • D'un générateur, qui fournie le courant électrique I; • D'un ou plusieurs récepteurs, qui mesure le courant électrique I qui les traverse.

Boucle de courant

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 Mise en oeuvre pratique

Exemple de câblage - Boucle de régulation de débit

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 Mise en • • • • • • •

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oeuvre pratique

Chercher le nombre de boucle de courant. (Il y a deux fois plus de boucle de courant que de boucle de régulation) Pour chaque boucle, faire la liste de l'instrumentation mise en oeuvre. Dans chaque liste, déterminer l'unique élément générateur. Relier le (+) du générateur au (+) d'un récepteur avec un fil rouge. Relier le (-) du générateur au (-) d'un récepteur avec un fil noir. Si possible, relier les (+) disponibles des récepteurs, au (-) disponibles d'autres récepteurs avec un fil bleu. Vérification : Dans chaque boucles de courant, il y a autant de fils de liaison que d'éléments.


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

Le transmetteur "intelligent " Appareil de mesure sur site muni d'un microcontrôleur et utilisant les communications numériques pour la transmission des informations

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 Structure

d'un transmetteur "intelligent "

Le transmetteur intelligent est un transmetteur muni d'un module de communication et d'un microcontrôleur :

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• Le module de communication permet : • •

De régler le transmetteur à distance ; De brancher plusieurs transmetteurs sur la même ligne.

• Le microcontrôleur permet : • •

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De convertir la mesure en une autre grandeur, appelée grandeur secondaire. Par exemple, il peut convertir une mesure de différence de pression en niveau De corriger l'influence des grandeurs d'influence sur la mesure.


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

•

• • • •

Avantages métrologique du transmetteur "intelligent" Précision Le transmetteur possède moins de composants analogiques. Les grandeurs d'influences sont compensées. La non linéarité du transducteur peut être corrigé. Rangeabilité Répétabilité Auto surveillance - Position de repli Traitement du signal - Filtrage

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

Avantages à la configuration et à la maintenance • • • •

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Convivialité - Accès à distance Standardisation Diagnostic - Forçage du signal de sortie Archivage des configuration


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

•

Choix d'un transmetteur Étendue de mesure Il faut tenir compte à la fois de la plage de mesure et de la valeur maximale de la grandeur mesurée. Le transmetteur doit être capable d'offrir une mesure correcte dans la totalité de l'étendue de mesure, ainsi que d'offrir une résistance à la valeur maximale de la grandeur mesurée.

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• Températures •

Tenir compte: Tmax du procédé ,Ta. Souvent, la température du procédé va dépasser les limites de l'élément détecteur.

•

•

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A T° > 07°C (225°F) , fonctionnement non convenable.

La plupart des électroniques ne peuvent pas aller au-delà d'une température de service de 93°C (200°F) et il existe un grand nombre de composants dont la température maximale de fonctionnement correct est de 85°C (185°F). IAP-CU/Boumerdes R. BOUDERBALA

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•

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Environnement Le transmetteur doit être en mesure de fonctionner dans des environnements où règne un taux d'humidité relative de 0 à 100%. Le fluide du procédé et le milieu ambiant doivent être pris en compte au titre de leur éventuel caractère corrosif.


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Généralités et définitions La mesure de pression est la plus importante en instrumentation. Elle intervient dans :

• • • •

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Mesure de pression elle même Mesure de niveau Mesure de débit Mesure de température


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Généralités et définitions  Fluide : liquide ou gaz  Pression : La pression d’un fluide est la force qu’il

exerce par unité de surface, perpendiculairement à cette surface.

Pression= Force ⇒P= F Surface A

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Exemple de pressions exercées

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 La pression est constituée de deux composantes : 1. Pression statique Ps 2. Pression dynamique Pd

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 Pression statique :

Due à l’énergie potentielle du fluide au repos ou en mouvement

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 Pression Statique:

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 Pression dynamique : Due à l’énergie cinétique du fluide en mouvement, donc à sa vitesse. La pression dynamique d’un fluide au repos est nulle.

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 Pression totale PT

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

Unités de mesure

Les pressions peuvent être exprimées par les hauteurs d’eau ou de mercure (m, mm ou po). Une colonne de liquide de hauteur h exerce une pression p:

P= ρgh

h : hauteur du liquide (m) ρ : masse volumique du liquide (kg/m3) g : constante gravitationnelle : 9.81 m/s2 = 32.19 pi/s2

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 Les unités de pression

• • • • • •

• • •

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1 psi = 6894,7 Pa = 0.069 bar 14,7 psi = 1 atmosphère 1 psi = 27.70 po. H2O 1 bar = 100 000 Pa 1 torr = 1 mm Hg = 133 Pa 1 atm. = 101 325 Pa

Livre par pouce carrée: lb/po2 ou psi En absolu « psia » en relatif « psig » 1 Pa = 1 Newton/m2


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Généralités et définitions

 Principe de Pascal

La pression exercée sur un fluide est transmise dans tous les sens et est appliquée perpendiculairement à la surface du fluide.

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 Principe

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de Pascal- exemple


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 Principe de Pascal- exemple P= 1 P 2 F1 = F2 A1 A2 2

A2 20 po ⇒ F2 = F1 = 125lb = 1250lb 2 A1 2 po

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Transmetteurs de pression différentielle  Fonction Le transmetteur de pression peut fournir différents types d'information : • Une pression relative ; • Une pression absolue ; • Une pression différentielle image d'un débit ou d'un niveau.

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

il faut distinguer entre la pression relative et la pression absolue. La pression relative, ou pression manométrique, est la mesure la plus fréquente,

Exemple : la pression des pneus est donnée en pression relative.

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

Pression absolue: C’est la valeur qui correspond, pour une température donnée, à l’énergie potentielle total d’un fluide par rapport au vide pris comme référence. • Le vide absolu est le zéro de référence. • 1atm = 14.7psia= 101.3 kPa =760 mm Hg • Valeur toujours positive.

•

Utilisée en thermodynamique pour caractériser l’état d’une substance. C'est la pression réelle, dont on tient compte dans les calculs sur les gaz.

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

Pression relative :

•

Elle est évaluée par rapport à la pression atmosphérique prise comme zéro de référence et peut être positive ou négative. • 1 atm. = 14.3 psia = 0 psig NB: g= gauge (jauge)

EX: Dans une centrale, on mesure surtout des pressions relatives. On mesure la pression absolue si la pression est inférieure à la pression atmosphérique,  par ex. : le condensateur et l’enceinte de confinement sous vide. 01/04/2014


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

Pression différentielle :

• C’est la différence entre deux pressions quelconques.

→ Utilisée surtout dans la mesure du débit ou du niveau et peut être positive ou négative.

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

La mesure de la pression

Objectif :

• Affichage de la pression sur un cadran, • la régulation d’une opération • ou l’émission d’un signal électronique (4 – 20 mA) proportionnel à la pression mesurée.

• Le fonctionnement de la plupart des manomètres

repose sur la transformation par un capteur — ou corps d’épreuve — de la pression appliquée en un mouvement physique qui lui est proportionnel dans leur plage d’utilisation.

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• Nous décrivons ci-dessous les principaux capteurs : • • • •

Tube Boudon Membranes Soufflets Capsules manométriques.

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Choix des manomètres Le choix se base sur :

• Les principes de fonctionnement • L’étendue de mesure

Recommandations : • Si P = Constante, utilisation sur 2/3 de EM • Si P variable, utilisation sur ½ de EM

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1. Manomètres hydrostatiques ou tube en U à lecture directe

• •

À section uniforme À réservoir (sections inégales)

2. Manomètres hydrostatiques à lecture indirecte

• À tube métallique à réservoir • À cloche • À double cloche • À tore pendulaire

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3. Manomètres à déformation de solides • Les tubes de Bourdon • Les membranes • Les soufflets • Les capsules

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Manomètres hydrostatiques

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



Manomètres à liquide

Manomètre en U: C’est le type de manomètre le plus simple

Les ports de mesures sont connectés aux extrémités supérieures du tube Permet de mesurer directement une pression de jauge (gage) ou une pression différentielle On peut mesurer la pression dans un liquide

 Le fluide du manomètre doit être plus dense  Les 2 fluides doivent être non miscibles  Les 2 fluides doivent être de couleur différentes

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 Manomètres

en U

Avec: ∆P =P1 – P2 = g ∆h (ρm - ρs ) • • •

∆h = Différence de niveau des deux ménisques (R) ρm = Densité du liquide du manomètre ρs = Densité du fluide dont on veut connaître la pression

Dans le cas d’un gaz: ρs ≅ 0 ∆P = ρm g ∆h

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 Manomètres en U •

La pression s’exprime en Pa Il est souvent utile d’exprimer la pression comme la hauteur de la colonne d’un fluide  La pression est divisée par ρ g  Le résultat est exprimé en m

 L’eau est souvent utilisée comme fluide de

•

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référence

La pression atmosphérique absolue est souvent exprimée selon cette approche  760 mm de mercure (ρ = 13 600 kg/m3)


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

Manomètres en U Il est nécessaire de connaître la température du liquide car elle affecte sa densité

La densité de l’eau varie de 0,75% entre 10

et 40°C La densité de l’eau est de 1000 kg/m3 à 4°C

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Avantages des manomètres en U:

• Les manomètres sont des instruments •

relativement précis, même sans calibrage La précision est surtout influencée par les caractéristiques de l’échelle et par la densité du liquide  Les échelles peuvent être très précises et leur

exactitude varie peut dans le temps  La densité du fluide est généralement bien connue  On peut analytiquement déterminer la correction à appliquer pour compenser l’erreur due aux dilatations thermiques de l’échelle et du fluide

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Désavantage des manomètres en U:

• Deux lectures (h1 et h2) sont

nécessaires pour obtenir la pression

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

Manomètres hydrostatiques à lecture directe

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

Manomètres hydrostatiques à lecture indirecte

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 Manomètre

à puits

 La section du puits est relativement grande p/r à la section du tube.

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 Lorsque qu’une pression est appliquée (P1) la variation du niveau du puits est très faible p/r à la variation du niveau du ménisque  Une seule mesure est nécessaire  Très pratique à utiliser dans le cas d’un gaz

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(

ρs >> 0)


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 Manomètre

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incliné


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 Manomètre

incliné

 Cette variante du manomètre à puits possède une plus grande sensibilité • Mieux adapté aux mesures des faibles pressions; • Permet de mesurer des variations de pression de l’ordre de 2 à 3 mm d’eau.

∆P = ∆hgρ = RgρSing

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 Baromètre

•Variante d’un manomètre à puits Le fluide est le mercure •L’extrémité du tube est scellée

pour pouvoir y faire une vide La pression à cette extrémité est la pression de vapeur du mercure • La pression barométrique est souvent exprimée en mm de Hg 760 mm de Hg = 101,4 kPa

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Tubes de bourdon Selon la forme du capteur on distingue:  Les tubes en C  Les tubes en hélice  Les tubes en spirale

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

Tube de bourdon en C La pression appliquée dans le tube fait varier son ovalité. L’extrémité E1 du tube est reliée à une bielle dont le déplacement actionne une roue dentée comportant une aiguille qui donne la déformation.

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Manomètre Bourdon

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Manomètre Bourdon  Manomètre Bourdon

Le tube de Bourdon est brasé, soudé ou vissé avec le support de tube qui forme généralement une pièce complète avec le raccord. Par l'intermédiaire d'un trou dans le raccord, le fluide à mesurer passe à l'intérieur du tube. La partie mobile finale du tube se déplace lors de changement de pression (effet Bourdon).

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Manomètre Bourdon Manomètre Bourdon 1. Organe moteur, tube de Bourdon 2. Support de tube 3. Capuchon du tube 4. Secteur denté 5. Biellette 6. Engrenage 7. Aiguille 8. Cadran

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Manomètre Bourdon  Utilisation

• • •

Appareil simple et compact permettant de mesurer rapidement la pression des fluides La pression appliquée à l’intérieur d’un tube plat en force le déroulement. utilisés pour la mesure de pressions positives ou négatives de fluides gazeux ou liquides;

Fluides ni hautement visqueux ni cristallisant

• Mesure de très basses pressions.

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• Environnements agressifs et pressions élevées • Réaction plus lente que les manomètres à

• •

soufflet ou à membrane. EM selon DIN de 0... 0,6 bar à 0. . . 4000 bars. La forme du tube dépend de EM. Pour EM : - de 0... 40 bars inclus , tube forme en arc . - de 0... 60 bars , tube forme hélicoïdale.

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Attention:

Il est conseillé de ne les utiliser qu’entre le premier quart et le dernier quart de l’échelle à cause de l’hystérésis.

• • • •

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Protection contre les risques de surpression ou de dépassement d’échelle Ne permet pas de mesurer les phénomènes rapides et évolutifs de pression L’incertitude de mesure varie de 0,02 à 0,2 % pour le domaine de mesure de 0 à 3108 Pa. Fabriqués avec le raccordement vertical ou arrière.


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• •

Des manomètres Bourdon relativement peu coûteux sont disponibles pour mesurer des plages de pression comprises entre quelques Pa et une centaine de MPa Les appareils peu coûteux ont une précision relativement faible

 Jusqu’à 5% d’erreur à la pleine échelle

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•

Les meilleurs appareils ont une précision de l’ordre de 0,5% de la pleine échelle

•

Certains appareils comportent un potentiomètre ou un LVDT pour permettre d’automatiser la prise de lecture

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 Avantages et • Avantages : •

inconvénients

précision, domaine d’emploi.

Inconvénients :

prix, complexité.

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Tube de bourdon en hélice Il est plus long que le tube en C • Dépourvu du système d’engrenage, donc E1 est lié directement à l’aiguille.

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Msc.

98

Tube de bourdon en spirale

• Utilisé dans les

installations soumises à des vibrations. •Imprécision se situe entre ±0.3% et ± 1% de l’étendue d’échelle.

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Msc.

99

Soufflets (Bellows)

• Elément sensible

en forme de cylindre dont la paroi est ondulée. Sous l’action de la pression les ondulations permettent une déformation par allongement ou écrasement.

 Imprécision = ± 0.5 %

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Msc.

100

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Msc.

101

Manomètres à membrane

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Msc.

102

Manomètres à membrane Manomètres à

membrane

La membrane est tendue entre deux brides. Par un trou dans le raccord, le fluide à mesurer arrive dans la chambre de pression en dessous de la membrane. Son épaisseur varie entre quelques centièmes de millimètres et 2 mm. 01/04/2014


Msc.

103

Manomètres à membrane  Manomètres

membrane

à

1. Bride inférieure 2.Chambre de pression 3. Bride supérieure 4. Organe moteur, la membrane 5. Vis 6. Biellette 7. Engrenage 8. Aiguille 9. Cadran

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Msc.

104

Manomètres à membrane

 Principe • •

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La pression fait déplacer le centre de la membrane (très minces et ondulées en acier inoxydable, en argent ou en bronze) attachée au levier. Le déplacement de la membrane est proportionnel à la pression mesurée et est transmis par l'intermédiaire du mouvement à l'aiguille et affiché sur le cadran en tant que valeur de pression.


Msc.

105



Manomètres à membrane

 Utilisation • • • •

EM possibles sur toutes les plages selon DIN de 0...16 mbars à 0... 40 bars. Utilisés pour la mesure de faibles pressions de fluides gazeux ou corrosifs, visqueux ou pâteux. Moins sensibles aux vibrations que les manomètres à tube Protection contre des détériorations: le cadran et l'aiguille sont montés dans un boîtier.

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Msc.

106

• • • • •

Protection contre les surcharges et les parties en contact avec les fluides agressifs par enduction de plastique ou par un film de protection. Avec des fluides hautement visqueux ou cristallisant , il est possible de les équiper de brides ouvertes. Fabriqués avec un montage de membrane horizontal (à angle droit par rapport au cadran) ou vertical (parallèle par rapport au cadran). lecture rapide et précise de la pression. Leur amplitude, ou course, est toutefois plus faible que celle des soufflets.

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Msc.

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Capsules aneroide  Variante de la membrane

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Msc.

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Manomètre à capsule

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Msc.

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Manomètre à capsule  Manomètre à capsule

La capsule est formée de deux membranes métalliques. La capsule est montée sur le raccord soit directement soit par l'intermédiaire d'un tube métallique. Par un trou dans le raccord le fluide à mesurer passe à l'intérieur de la capsule. Afin d'être protégés contre des détériorations, le système de mesure, le cadran et l'aiguille sont montés dans un boîtier.

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Msc.

110

Manomètre à capsule  Manomètre à capsule 1. support de l'organe moteur 2. Organe moteur, la capsule 3. Biellette 4. Mouvement 5. Aiguille 6. Cadran

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Msc.

111

Manomètre à capsule

 Principe •

• • 01/04/2014

Sous l'effet de la pression les demi-parties de la capsule se bombent. Ce déplacement proportionnel à la pression mesurée est transmis par l'intermédiaire du mouvement à l'aiguille et affiché sur le cadran en tant que valeur de pression. La pression fait déplacer le centre de la capsule. Le déplacement est transmis à l’indicateur de pression proportionnellement grâce à un dispositif d’amplification. Son fonctionnement ne diffère de celui du manomètre à membrane que par l’expansion des deux côtés. IAP-CU/Boumerdes R. BOUDERBALA

Msc.

112

 Utilisation • • • • •

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Faibles et très faibles pressions positives ou négatives, pour des fluides gazeux non corrosifs ou de l’air. EM sur toutes les plages selon DIN de 0... 2,5 mbar à 0. . . 600 mbar. EM très basses: il est possible d'assembler plusieurs capsules pour en faire un genre de soufflet. Fabriqués soit avec la capsule montée verticalement (parallèle au cadran),soit horizontalement (perpendiculaire au cadran). Le raccordement se fait en dessous ou à l'arrière. IAP-CU/Boumerdes R. BOUDERBALA

Msc.

113

Manomètre de Pression absolue

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Msc.

114

Manomètre de pression absolue Fonctionnement • Le principe de mesure de la pression absolue est indépendant de la forme de l'organe moteur. La pression du fluide à mesurer est mesurée par rapport à une pression de référence qui doit être égale à la pression absolue (vide absolu). • Le côté de l'organe moteur qui n'est pas en contact avec le fluide à mesurer doit se trouver à cette pression de référence. • La transmission du mouvement de l'organe moteur s'effectue comme pour les manomètres pour pression relative. 01/04/2014


Msc.

115

Manomètre de pression absolue Manomètre de pression absolu 1. Organe moteur 2. Chambre de référence 3. Chambre de mesure 4. Soufflet métallique 5. Biellette

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Msc.

116

 •

•

Utilisation Mesure de pression sans subir les variations de la pression atmosphérique environnante.

EM sur toutes les plages selon DIN de 0…10 mbar à 0...100 bar absolue.

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Msc.

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Manomètres pour Pression Différentielle

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Msc.

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Manomètres pour pression différentielle Manomètres pour pression différentielle Fonctionnement

Une capsule montée dans un boîtier étanche résistant à la pression, est soumise, de l'intérieur et de l'extérieur, à une pression. La différence de pression entre les deux parties provoque un mouvement de la capsule. Ce déplacement proportionnel à la différence de pression mesurée est transmis, par l'intermédiaire du mouvement à l'aiguille sur le cadran en tant que valeur de pression différentielle. 01/04/2014


Msc.

119

Manomètres pour pression différentielle Fonctionnement 1. Organe moteur, la membrane 2. Chambre de mesure (-) 3. Chambre de mesure (+) 4. Chambre de mesure 5. Soupape double 6. Biellette 7. Levier de transmission 8. Axe d'entraînement 9. Tube de torsion 10. Mouvement 01/04/2014


Msc.

120

Manomètre pour pression différentielle

 Utilisation •

Mesure de différence de pression de deux pressions individuelles. • Mêmes formes d'organe moteur tels qu'utilisés dans les manomètres pour pression relative. • Les plus courants: les tubes de Bourdon, les membranes et les capsules. • Peuvent supporter sans dommage des pressions statiques se montant à 14 MPa (2000 psi) des deux côtés de la cellule. • Sensibles qu’à une gamme limitée de pression différentielle, de l’ordre de quelques centaines de KPas. IAP-CU/Boumerdes Msc. • L’application de pressions différentielles dépassant 121 la 01/04/2014 R. BOUDERBALA



Transducteurs de pression différentielle La plupart des transducteurs de pression utilisent une capsule de pression. Ils peuvent habituellement servir à mesurer des pressions différentielles (c’est à dire la différence de pression entre deux fluides).

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Msc.

122



Transducteurs de pression différentielle

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Msc.

123



Fonctionnement:

• Une capsule à pression différentielle est montée dans un

boîtier. • Un levier monté sur la capsule transmet le déplacement de la capsule à l’extérieur du boîtier. • Un mécanisme placé au point où le levier traverse le boîtier lui sert de pivot tout en assurant l’étanchéité. Le boîtier est conçu pour qu’un côté de la capsule soit soumis à une pression élevée, et l’autre à une pression plus basse. • Toute différence de pression provoquera une déformation de la capsule qui se traduira par un déplacement du levier. Le sommet du levier est connecté à un détecteur de position, lequel, via un système électronique produira un signal proportionnel au déplacement du levier et dont l’intensité se situe entre 4 et 20 mA.

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Msc.

124



Application:

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Msc.

125

Installation de manomètre  Connexion sur une conduite

Créé des turbulences

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Msc.

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Installation de manomètre  Robinet d’isolation/calibration

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Msc.

127



Installation de manomètre

 Raccordement

des manomètres • diamètre conduites <12 mm pour basses pressions • diamètre conduites >12 mm pour hautes pressions • pente continue pour longues conduites

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Msc.

128

Installation de manomètre

Protection des manomètres

•Installation d’une

membrane séparatrice entre le fluide de transmission et le fluide du procédé. •Faire une purge dans le cas de liquides visqueux.

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Msc.

129



Installation de manomètre

Protection des

manomètres

•Système de purge

continue à air dont la pression est constante pour ne pas affecter la variation de pression mesurée.

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Msc.

130

 Protection des manomètres • Applications avec des produits corrosifs ou ayant des particules en suspension.

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Installation de manomètre

 Configurations typiques • Gaz non-corrosifs ou air. • Gaz condensables ou vapeur • Liquides non-corrosifs. • Liquides/gaz corrosifs.

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Msc.

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

Configurations typiques

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Msc.

133



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Msc.

134




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Msc.

135



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Msc.

136



Les effets de l’environnement

• Ces appareils sont très précis lorsqu’ils sont

•

utilisés pour mesurer les quantités pour lesquels ils sont conçus dans la gamme de leurs spécifications. Ces contraintes ne sont pas limitées à la pression de fonctionnement, mais incluent la température, l’humidité et les vibrations.

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Msc.

137



• •

Les vibrations Instabilité des mesures Contraintes exercées sur les membranes fragiles et la tringlerie = la défaillance du capteur.

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Msc.

138



•



La température

Deux grands types d’effets sur la mesure de la pression. - Le volume occupé par un gaz dépend de sa température. Certains systèmes compensent automatiquement la variation de pression due à la température. - Utiliser un capteur à l’extérieur de la gamme de température nominale résultera en des lectures fortement erronées. Exemple : À cause de la résistance et de l’élasticité de son tube, le manomètre Bourdon indiquera par rapport à la pression réelle, une mesure: • trop élevée à haute température • et trop faible à basse température. Les autres types de capteurs subissent des effets analogues.

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Msc.

139



L’humidité

• Les masses volumiques dépassant la normale

peuvent provoquer une lecture dynamique supérieure selon la position des capteurs et leur utilisation. • la masse volumique de la vapeur ou de l’air ambiant peut affecter la mesure de pression statique et les mesures des cellules à pression différentielle. • Habituellement, une valeur plus basse de la pression disponible pour la substance mesurée résultera en une lecture plus basse. Toutefois un manomètre à pression différentielle placé dans une salle chaude très humide indiquera des pressions trop élevées. 01/04/2014


Msc.

140

 

CONDITIONS DE FONTIONNEMENT Domaines d'Utilisation

Une mauvaise utilisation d'un capteur peut soit

augmenter la marge d'erreur de sa mesure, soit le détériorer plus gravement ... L'utilisateur doit toujours veiller à utiliser ce dernier dans les conditions prescrites par l'utilisateur ...

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Msc.

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Msc.

142

•

Domaine nominal d’emploi

•

Domaine de non détérioration

•

Différence entre les valeurs extrêmes mesurables et correspondant aux conditions normales d'utilisation. Modification possible des caractéristiques métrologiques,mais réversibles.

Domaine de non destruction

Modification des caractéristiques métrologiques, mais irreversibles.

peut

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être réutilisé après réétalonnage


Msc.

143

 Domaines d'Utilisation Exemple : Capteur de force à jauges piezorésistives N556-1

Domaine Température

Mesurande

Nominal 0-10 N (E.M) 60°C Non-détérioration 1,5 x E.M à 100°C non-destruction 3 x E.M à 120°C

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0°C à -20°C -50°C

Msc.

144



Défaillances et anomalies

Surpressions

• •

Tous les manomètres sont conçus pour fonctionner dans une gamme nominale de pression. Une surpression (pression dépassant la gamme nominale) = lectures faussées → une mauvaise régulation = un danger. Le corps d’épreuve d’un capteur soumis à une surpression sera déformé au point de ne pouvoir reprendre sa forme originale, → l’appareil donnera une indication supérieure à la valeur réelle.

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145

• Les manomètres à membrane et à soufflet = jauges plus sensibles et plus rapides. → plus sujettes au bris en cas de surpression.

Exemple: • Une petite rupture = lectures trop basses et une baisse de sensibilité aux changements de pression. • En outre, la tringlerie et les mouvements à l’intérieur du capteur pourraient être tordus ce qui provoquerait un décalage permanent des mesures.

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Msc.

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• Les tubes Bourdon sont très robustes et

on peut les utiliser sous une forte pression. une surpression = déroulement du tube → lectures trop élevées. Ils se fractureront s’ils subissent des pressions extrêmes.

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Msc.

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Conduites de détection défectueuses

• •

Des défectuosités = mesures faussées et informations inexactes sur la pression réelle. Obstruction d’une conduite de détection altèrera la réponse dynamique du capteur → réaction plus lente à un changement de pression. Selon la gravité de l’obstruction, l’indication du capteur reste bloquée à une valeur fausse à basse pression, même si la pression de l’enceinte est changée.

• Un manomètre au bout d’une conduite de détection

percée ou fissurée donnera de façon caractéristique des valeurs trop basses. Parfois, on enregistra des chutes de pression suivies de lentes remontées.

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Msc.

148

Coupure d’alimentation électrique Comme pour tout autre instrument fonctionnant avec du courrant alternatif, si l’alimentation d’un transducteur de pressions différentielles est interrompue, la sortie tombera à zéro ou sera erratique.

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Msc.

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Msc.

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TECHNIQUES DE MESURES 

Capteurs de débit Le choix d’un capteur de débit repose sur 3 critères:

 Nature du fluide transporté (liquide ou gaz);  Type de signal de mesure; Analogique, numérique ou logique.

 La grandeur directement mesurée: Vitesse, masse ou volume.

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

  

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Mécanique: Sortie analogique: Flotteur rotatif (Rotamètre) Sortie numérique: Compteur volumétrique Compteur de vitesse à turbine Sortie logique: Contrôleur de circulation


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

Statique (sortie analogique seulement)

      

Organe déprimogène Sonde (tube de Pitot) Électromagnétique (Magflow) Ultrasonique Effet vortex Fil chaud Massique thermique

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

Contrôleur de circulation



Système binaire vérifiant si l’écoulement de liquide à lieu.

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

Caractéristiques

 Commutation off-on, si débit au dessus du seuil haut (ex. 10 pi/sec).  Commutation on-off , si débit sous le seuil bas (ex. 5 pi/sec).  Perte de pression très faible (1 psi)

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

Débit volumique:

 

Fluides incompressibles Q=v·A Unités: m3/s, m3/d, GPM.

•



•

Débit massique:

Débits gazeux  Qm = ρ . v · A  Unités: kg/s, lb/s,...

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Msc.

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Dynamique des fluides  Il existe deux classes de fluide:

 

Le fluide parfait: Fluide n'offrant pas de résistance à l'écoulement, i.e., ayant une viscosité nulle. Le fluide réel: Fluide visqueux présentant une résistance à l'écoulement.

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Msc.

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La viscosité  S'exprime en poises ou en Pa·s.  1 Poise = 0.1 Pa·s.  Exemples de viscosité (à 20 °C): Eau: 1.005 cPo; Huile de ricin: 6.27 cPo; Acétone: 0.323 cPo; Acide sulfurique: 27 cPo; Mercure: 1.550 cPo; Benzène: 0.651 cPo.

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Msc.

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Nombre de Reynolds • Permet de connaître le comportement de l'écoulement •

d'un liquide. Sans dimension et se calcule comme suit:

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Msc.

160

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Les pertes de charge



Les frottements du fluide sur les parois entraîne une perte de charge.

 Exemple: un tuyau de 100 pieds provoque une perte de charge de 28.8 psi pour un débit d’eau (à 60 °F) de 200 GPM (U.S.)

 Ce frottement dépend de la viscosité du liquide.

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162



La perte de charge se traduit par une différence de pression entre deux points de la conduite.  La mesure du débit peut affecter le débit du liquide en créant une perte de charge. Il faut éviter cela...

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Msc.

164



Rotametre

Principe Le rotamètre est équipé d'un flotteur qui reste au fond du tube si le débit est nul.

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165



En présence d'un débit,le flotteur subit une force le soulevant, jusqu'à ce que l'espace entre le flotteur et le tube permette suffisamment de liquide de contourner le flotteur.

 Donc il y a équilibre entre le poids apparent du flotteur et la force hydraulique subie par le flotteur;

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Msc.

166

 Le débit est obtenu par:

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 Définition des variables

• • • • • • •

Af : Aire - section maximale du flotteur; Vf : Volume du flotteur; ρf : Densité du flotteur; ρ : Densité du fluide; g : 9.81 m/s2 A : Aire de passage du liquide autour du flotteur; K1 : Constante.

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 Bilan • • • • • • • • •

Mesure des débits de liquides et de gaz; E.M de 0.3 à 300 000 L/h (gaz); E.M de 0.1 à 25 000 L/h (liquide); Mesure de fluides pâteux et corrosifs; Sensible aux variations de masse; Impossible de mesurer des débits pulsés; Échelle de mesure fonction du fluide; Rangeabilité de 10:1; Longueur de conduite rectiligne en amont: 5D.

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 



Débitmètres mécaniques

L’écoulement engendre un mouvement périodique des composantes internes du débitmètre  Un capteur ou un système mécanique transforme le nombre de cycles en un débit ou un volume de fluide Les compteurs domestiques (eau, gaz) fonctionnent selon ce principe  Fiables  Systèmes entièrement autonomes (pas d’alimentation électrique)

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170





Ils causent une importante perte de charge Doivent être utilisés avec des liquides propres  Les corps étrangers peuvent bloquer le mécanisme

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171



Compteurs volumétriques

 Plusieurs techniques possibles: • • • • • •

Compteurs à piston oscillant; Compteurs à disque oscillant; Compteurs à double roue ovale; Compteurs à double roue en huit; Compteurs à palettes; Compteurs à piston alternatif.

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172

 Compteurs à piston oscillant

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

Bilan:

 Rangeabilité de 20:1;  Fidélité de ±0.001 %;  Précision de ±0.1 %;

Débit max.: 40 m3/h

 Non recommandé si matières en suspension, ni si matières abrasives.

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 Compteurs à disque oscillant

Débit max.: 40 m3/h; Précision: +/- 0.5 %; Rangeabilité de 10:1

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 Compteurs

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à double roue ovale


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176

 Compteurs à double roue ovale Débit max.: 1600 m3/h; Précision: +/- 0.2 à 0.5 %; Grande perte de charge; Rangeabilité de 10:1 à 25:1;

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 Compteurs

à double roue en huit

Débit max.:

1500 m3/h;

Rangeabilité 

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10:1.


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178

 Compteurs

à palette

 Précision: +/- 0.3 %

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179

 Bilan:

• Généralement montés sur des conduites • • • •

horizontales; Aucunes contraintes de conduites rectilignes; Éviter les particules solides > 100 microns; Le signal de sortie est une oscillation dont la fréquence est proportionnelle au débit; Rangeabilité de 10:1 à 25:1 selon modèle.

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180




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181




Débit important 01/04/2014


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182

Les débitmètres à turbine

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183



Les débitmètres à turbine

 Principe Le passage du liquide entraîne une rotation de la turbine, et la vitesse de rotation dépend de la vitesse d'écoulement.

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184

L’écoulement du fluide entraîne la rotation d’une hélice maintenue au centre d’une conduite Le passage des pales génère une impulsion électrique dans le senseur magnétique 



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Le signal de sortie est une fréquence qui est proportionnelle au débit


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185

• Le senseur magnétique gêne légèrement la rotation de l’hélice lorsque le débit est faible (perte de précision) • L’hélice est faite d’un matériau magnétique ou comporte un matériau magnétique incrusté à l’extrémité des pales

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186



Débitmètres à turbine

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187

DETECTION La rotation de la turbine peut être détectée par:  Dispositifs électroniques (reluctance, inductance, capacitive et effet Hall lecteur)  Capteur mécanique (engrenage ou transmission magnétique).

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188

DETECTION

Dans le lecteur à Reluctance, la bobine est un

aimant permanent et les pales de la turbine sont faites d'une matière attractive aux aimants. Comme chaque pale passe près de la bobine, un voltage est produit dans la bobine . Chaque impulsion représente un volume discret de liquide. Le nombre de pulsations par unité de le volume est appelé le K-Facteur.

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DETECTION

Dans le lecteur à inductance, l'aimant permanent

est incrusté dans le rotor, ou les pales du rotor sont faites d'une matière aimantée . Comme chaque pale passe prés de la bobine, une impulsion est générée.

Dans certains designs, seulement une pale est aimantée et l'impulsion générée représente une révolution complète du rotor.

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190

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Msc.

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V=Kω sin Nωt where: K = The amplitude of one sine wave

ω = The rotational velocity of the blades N = The number of blades that pass the pickup in one full rotation t = Time

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Msc.

193

Le Facteur- K Débitmètre Le Facteur-K est le FACTEUR D'ÉTALONNAGE Donné par: IMPULSIONS / Unité de VOLUME (Impulsions / Mètre Cube) (Impulsions / Baril) (Impulsions/ Gallon) 01/04/2014


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194

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196

FACTEUR K DEBIMETRE Faire attention à la Différence entre: Facteur- K (Impulsions/ Unité de Volume) Facteur k (Taux) Inverse Facteur-K (Unité de Volume/Impulsions)

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197

CARACTÉRISTIQUES Et PERFORMANCE Un Débitmètre à Turbine PARFAIT aurait: UN FACTEUR- K CONSTANT Dans toutes les Conditions du Procédé (Fluide) Le Débitmètre à Turbine PARFAIT est impossible à réaliser

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200

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201

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Le Rotor est soumis à : Des Forces de soulèvement et de traînée Lesquelles Dépendent de: - La Vitesse du Fluide - Les Propriétés du Fluide (Densité, Viscosité etc.) - L'Angle d'Attaque (e. g. Tourbillon) - Nature du Matériau et Conception de la pale - Forces de Traînée des roulements

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203

Les Roulements Les roulements sont Lubrifiées par le Fluide dans la conduite Le Matériau et la conception des roulements, doivent être compatible avec le Fluide du Procédé

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204

FROTTEMENT des Roulements Frottement des roulements transmet la Traînée (frein) sur le Rotor Ces frottements de traînée affectent le Dispositif de mesure d’étalonnage de la Turbine

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PERFORMANCE CHARACTERISTICS

Effet des tourbillons 

 





Le rotor est concu pour Rotor pour un écoulement axial flow Affectent la vitesse du rotor Font croitre ou décroitre la vitesse en fonction de la direction des tourbillons. Tests à 0.25, 0.4, Qmax avec l’air atmospherique. Deviation d’Erreur 1/3 de EMT (permissible error).

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CARACTÉRISTIQUES DU DÉBITMÈTRE À TURBINE Les Débitmètres à turbine sont Sensibles à: Le Débit La Viscosité du Fluide La Densité du Fluide La Température du Fluide La Pression du Fluide Viscosité - Densité - Température sont interdependantes 01/04/2014


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Exactitude de la turbine

• L'exactitude • • •

de la turbine est typiquement donnée en pourcentage de taux réel (% AR). Cette turbine a une bande de tolérance de linéarité de ±0.25% sur une gamme de débit 10:1 et une linéarité de ±0.15% dans une gamme 6:1 . La repeatabilité est de ±0.2% à ±0.02% sur la plage linéaire.

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Caractéristique de la turbine Courbe d'étalonnage typique

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•

•

Inconsistances mineures dans le processus de fabrication toutes les turbines sont étalonnées avant livraison . Le K-Facteur résultant (impulsions par unité de volume) variera avec la spécification de la linéarité énoncée Possibilité d'enregistrer plusieurs KFacteurs pour différentes portions de la gamme de débit et changer électroniquement de l'un à l'autre comme le débit mesuré change.

Naturellement, le K-facteur est seulement applicable au fluide pour lequel la turbine a été étalonnée.

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CARACTÉRISTIQUES DU DÉBITMÈTRE À TURBINE Les Débitmètres à turbine sont Sensibles à: Le Débit La Viscosité du Fluide La Densité du Fluide La Température du Fluide La Pression du Fluide Viscosité - Densité - Température sont interdependantes 01/04/2014


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LE DEBIT ( Flow rate) Approche Analytique du Débitmètre à Turbine contre la caractéristique du Débit donne l'Équation:

a3 a2 k = a1 + − 2 q q Où: K = facteur débitmètre (Impulsions/Unité de Volume) q = Taux de Débit (Unité de Volume/Seconde) a1 = Terme de fuite fixe a2 = terme de fuite variable (glissement) a3 = terme de frottement de roulements

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•

La Viscosité du Fluide

Grandeur caractérisant la résistance que les molécules d’un fluide opposent aux forces de dissociation et au mouvement • Résistance au mouvement Due aux frottements moléculaires internes • Intervient dans les écoulements Due à des forces exerçants Entre le fluide et les parois de l’écoulement, ou Entre des couches de fluides se déplaçant à des vitesses différentes.

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La Viscosité du Fluide • Affecte l’exactitude ou précision Et La linéarité • Il est important d’étalonner la turbine pour le fluide du procédé • Repetabilité n’est pas beaucoup affectée par un changement de viscosité

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Viscosité Dynamique • Indépendante de la pression. • Diminue quand la température augmente, pour les liquides.

• Le contraire, pour les gaz.

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Masse Volumique (Densité) Les variations de la masse volumique du Liquide peuvent être causées par les changements dans: • La Composition du Fluide • La Température du Fluide • La Pression du Fluide

Une variation dans la masse volumique peut avoir un Effet Direct sur les Forces de soulèvements / Traînée causant la rotation de la Turbine Mais: Ce changement aura aussi un effet sur la variation de la viscosité du fluide

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TEMPERATURE Les changements dans la Température du Fluide peuvent causer: Dilatation / Contraction du corps du débitmètre ou tambour (qui change la coupe transversale de la surface) Dilatation / Contraction du Rotor (Lequel peut changer la Géométrie Interne) MAIS SURTOUT La température changera la Viscosité du Fluide

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PRESSION La pression a seulement un effet limité sur le facteur d'étalonnage de la turbine Il y aura une chute de Pression à travers le débitmètre. La Pression en Aval du débitmètre, doit être assez élevée pour prévenir la Formation de bulles de vapeur

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A pressure drop across a meter stream

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INTEGRITE DES IMPULSIONS

Le volume mesuré est: Volume actuel = Impulsions/Facteur -K Les impulsions du débitmètre doivent être comptées avec exactitude et haute Intégrité Ceci est facilement traitée par un calculateur de débit 01/04/2014


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234

• • • •

Dimensionnement & Sélection Les turbines devraient être dimensionnées tel que le débit moyen attendu est entre 60% et 75% de la capacité maximale Qmax Si le pipe est surdimensionné (avec vitesse du flux sous 1 ft/sec=0.3048 m/sec), on devrait sélectionner un capteur à effet Hall et utiliser une turbine de dimension plus petite que celle de la ligne. Vitesse de flux sous 1ft/sec peuvent être insuffisantes, tandis que vitesse supérieure 10 ft/sec(=3.048m/sec) a pour conséquence une usure excessive. La plupart des turbines sont conçus pour une vitesse maximale de 30 ft/sec(= 9.144m/sec)

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• • • •

Les turbines devraient être dimensionnées pour une chute de pression comprise entre 3 et 5 psid à Qmax. Parce que la chute de pression augmente avec le carré du débit, réduire la dimension de la turbine à la suivante plus petite dimension augmente considérablement la pression La viscosité affecte l'exactitude et la linéarité de la turbine. C'est par conséquent, il est important d'étalonner la turbine pour le fluide spécifique à mesurer. Repetabilité n'est pas généralement très affectée par changements de viscosité,

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•

Généralement, les turbines fonctionnent bien si:

•

Effet de variation de la température sur la viscosité, et aussi de façon défavorable sur l'exactitude;

• •

• Re >4,000 et Re≤20,000.



doit être compenser ou contrôler. Gamme de température de service :200 à 450°C (-328 à 840°F). Les changements de la densité n'affectent pas considérablement la turbine . A une faible densité de fluides (SG <0.7), le débit minimum est augmenté dû au réduit du moment de rotation, mais l'exactitude de la turbine habituellement n'est pas affectée.

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Installation & Accessoires Sensibles à la géométrie du pipe en amont qui peut produire des tourbillons ainsi un flux tourbillonnant . • 10-15 D en amont et 5D en aval. • Présence, en amont de l'une des obstructions suivantes nécessiterait plus de 15 D • 20 D pour un coude à 90° , filtre, tamis, ou thermowell; • 25 D pour une valve partiellement ouverte ; • 50 D ou plus s'il y a deux coudes dans différents plans ou si le flux forme une spirale • Réduire ces longueurs de droite → Installer un tranquiliseur à au moins 5D en amont du debimètre 01/04/2014


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• A l’aval du compteur une longueur de 2xDN est suffisante dans tous les cas.

 Installer un diaphragme à débit critique ou une tuyère sonique pour aider à protéger la roue turbine contre la survitesse ( 1,2Qmax)

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Installation & Accessoires

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 Précision dépend du profil de vitesse à l’intérieur •

de la conduite Nécessite de veiller à ce que les variations de débit ne soient pas trop importantes.

•

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Compteurs le plus courant: Schlumberger, Instromet, Faure-Herman, Magnol.


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 Normes utilisées

• Installation, exploitation et maintenance selon les conditions et spécifications :

• •

AGA 7 ou ISO 9951 Et suivant le manuel ( installation, fonctionnement, maintenance ) du fabricant

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 Installation normale Tuyauterie recommandée par Daniel

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 Pour un maximum d’exactitude dans les installations incertaines (AGA7)

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Meilleurs résultats: Dispositifs de redressement en amont Vannes de contrôle d’écoulement en aval • Utilisation d’un orifice de contrôle d’écoulement critique.

Crée une différence de pression élevée

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•

Sous certaines conditions, la chute de pression à travers la turbine peut causer la cavitation

• •

La première provoque une lecture élevée du mètre, la seconde résulte en un dégât du rotor.

•

Afin de protéger contre ceci, la pression en aval, doit être maintenue à :une valeur égalant 1.25 fois la pression de la vapeur plus deux fois la chute de pression. Paval = 1.25Pvap + 2ΔP

•

Petite quantité d"air transportée (100 mg/l ou moins), le Debimètre lira seulement un haut bit, cependant les grandes quantités peuvent détruire le rotor.

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• •

Peut être endommagée par de solides entraînés par le fluide. Installation d’une passoire en Y ou un filtre à cartouche motorisé à au moins 20 D en amont de la longueur de droite du Debimètre

•

• • •

Si la quantité de matière en suspension dépasse 100 mg/l de plus de 75 micron de grosseur.

La linéarité de la turbine est affectée par le profil de vitesse (souvent dicté par l'installation), viscosité, et température. Possible d'inclure des fonctions complexes de linéarisation dans le préamplificateur d'un débitmètre à turbine pour réduire ces nonlinearities. De plus, le développement dans la technologie du fieldbus rend possible l'étalonnage du débitmètre de façon continue, de ce fait corriger les changements dans la température et la viscosité.

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Maintenance et Vérification sur site 

La vibration importante est indicative que le rotor endommagé.

INSPECTION VISUELLE  Pales manquantes  Dégât ou Corrosion de parties internes  Voies de passage du flot  Égouts  Trous de respiration 

Systèmes de lubrification

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TEST DU TEMPS DE ROTATION (Spin Time)  Détermine le niveau relatif de frottement mécanique.  Paliers fortement lubrifiées  Température ambiante basse  Les ébauches et les accessoires joints affectent le temps de rotation.  Avec des dispositifs de lecture pour établir la liberté mécanique du module AUTRES TESTS  Perte de pale en observant le modèle de sortie d'impulsions.  Sorties de deux générateurs d'impulsions. Le rapport de sorties devrait être constant sans se soucier des débits.

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Débitmètre à turbine pour gaz

• Le débitmètre à turbine pour gaz compense le moment de rotation inférieur produit par la densité relativement basse du gaz. • Cette compensation est obtenue par très grands moyeux du rotor, assemblage très léger du rotor , et un plus grand nombre de pales du rotor. • Ils sont disponible de 2" à 12" et avec débit allant jusqu'à 150,000 ft3/hr. • En fonctionnant à pressions élevées du gaz (1,400 psig), une rangeabilité de 100:1 peut être obtenue pour des débitmètres de plus grandes dimensions. • Sous conditions de pression inférieure, une rangeabilité typique de 20:1 avec ±1% de linéarité. La longueur de droite minimale exigée amont est de 20D 01/04/2014


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 Bilan • • • • •

É.M. de 25 L/h à 10 000 m3/h; Mesure dans conduits de 5 à 600 mm; Précision de ± 0.1 %; Perte de charge non nulle (» 15 kPa); Problèmes si les liquides sont corrosifs ou chargés de matières en suspension; • Rangeabilité de 10:1 à 100:1;

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• Liquides propres ou très peu de matières • •

en suspension Calibrage stable dans le temps Perte de linéarité pour de faibles écoulements (5 – 10% du débit max)

• Conduite rectiligne: amont 10D, aval 5D.

 Attention aux poches d’air au sommet des conduites horizontales!

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253



Débitmètres à ultrason

 Rappels de Physique

 Onde ultra sonore: vibration mécanique, de fréquence élevée, qui provoque la compression et la dépression du milieu dans lequel elle se déplace.  Milieu: liquide, solide ou gazeux.  Vitesse de propagation et absorption: sont différentes suivant la nature du milieu et les conditions de service( principalement la température)  Propagation plus facile dans un liquide que dans un gaz qui est très absorbant.

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Rappels sur les ultrasons : 





Un son est une vibration que l’on peut caractériser par sa fréquence. On distingue :  Les infrasons : 0 à 20 Hz,  Le son : 20 Hz à 20 kHz,  Les ultrasons : de 20 kHz à 3 GHz. Dans les applications de débitmétrie, les fréquences utilisées sont comprises entre 0,5 et 4 MHz.

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 Deux techniques: • à temps de parcourt:

Pour les liquides propres;

• à effet Doppler:

Pour les liquides ayant des bulles ou des

particules en suspension.

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 Principe du débitmètre à temps de parcours

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Débitmètres

à ultrason • Mesure du débit à partir de la vitesse du fluide Une impulsion sonore est émise à travers la section

d’écoulement  La vitesse du fluide est calculée à partir de la vitesse de transmission de l’onde sonore

 Calcul du débit

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 On mesure deux temps de parcours dans deux directions différentes

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• •

L, X et ϕ sont définies par constructeur. Cos (ϕ) = X/L Dans le sens de l’écoulement (du capteur A vers le capteur B) : • Vitesse de propagation des ondes ultrasonores : VAB = C+ Vm × cosϕ

•

Temps de parcours des ondes ultrasonores :

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Contre sens de l’écoulement du fluide (du capteur A vers le capteur B) : • Vitesse de propagation des ondes ultrasonores : VBA = C – Vm x cosϕ • Temps de parcours des ondes ultrasonores :

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•

À partir des équations TBA et TAB on peut calculer la vitesse moyenne d’écoulement de gaz:

•

Accessoirement, la vitesse du son dans le fluide transporté peut être déterminée par la relation :

L t BA − t AB C0 = 2 X t BA t AB 01/04/2014


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La différence de temps de parcours est l’image du débit: Qv= k.∆t

Pour calculer la vitesse, il n’est pas nécessaire de connaître la vitesse de transmission du son dans le liquide en question

Attention aux bulles d’air en suspension !

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Msc.

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Types de sondes : Deux types de sondes sont proposées : 



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En montage interne, où la sonde en contact avec le fluide est dite mouillée (wetted), En montage externe, où la sonde est fixée à l’extérieur de la conduite (clamp-on).


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Compteur à ultrasons (clamp- on)

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265

Dispositif monocorde : Les dispositifs monocordes sont toujours à ligne centrée. De ce fait, on procède en réalité à la mesure de la vitesse axiale (vitesse max). Pour calculer la vitesse moyenne (et donc le débit) on introduit un coefficient de correction de la vitesse de la forme suivante :

Vmoy = Vmax C F 01/04/2014


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266

Avec : CF =

0,242 Rug 0,835   Log 0,2703 + 0 ,8  d Re  

Et en fin de compte :

Q = Vmoy. S 01/04/2014


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267

Dispositifs multicordes : La multiplication du nombre de cordes permet : • De réduire les longueurs droites nécessaires à

l’installation, • De réduire les erreurs liées à l’apparition de perturbations non axiales de la vitesse, • De réduire les erreurs liées à un mauvais alignement des capteurs. • Dans un contexte où la précision exigée est de l’ordre de quelques dixièmes de pourcent, ceci justifie largement l'usage de dispositifs multicordes. • En pratique, le nombre de quatre cordes est largement accepté. 01/04/2014


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268

En accord avec IEC 41, le débit est alors calculé par la relation :

D n Q = k ∑VaiWi LWi sin ϕ i 2 i =1 LWi

Vai , vitesse moyenne suivant le chemin acoustique i Wi , facteur de pondération suivant le chemin i LWi , longueur du chemin acoustique i φi , angle du chemin acoustique i

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270

Chordal Multipath USM Chord Location Vm=1.00 0.809R 0.309R

Weight ‘W’

0.1382

A B

0.3618 0.3618

0.309R 0.809R

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0.1382


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C D

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Le positionnement des capteurs doit être soigneusement réalisé car les facteurs de pondération Wi , obtenus par analyse mathématique, ne sont valables que pour des positions bien définies. Un désalignement des chemins acoustiques peut alors induire des erreurs considérables.

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272

Dispositifs à 2 cordes

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275

Cas particulier des dispositifs à deux cordes : Les dispositifs à deux cordes peuvent être à lignes centrées ou non centrées. Il est évident que le dispositif à cordes centrées permet de mesurer, comme pour le dispositif monocorde, la vitesse axiale qui est alors dans ce cas défini par la relation : Vmax

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Vax1 + Vax 2 = 2


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276

La démarche de calcul du débit est ensuite identique au cas monocorde, c.a.d avec correction de la vitesse par l’intermédiaire du coefficient CF

Le cas de deux cordes à lignes non centrées est un cas particulier du dispositif multicordes. La démarche de calcul y est identique avec introduction de coefficients de pondération appropriés.

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278

Avantages de la méthode  Nombreux avantages en comparaison des techniques traditionnelles de comptage (orifice, turbine, vortex ou diaphragme):

• • • • • • •

Échelle linéaire et réponse instantanée; Débits de 0.03 à 30 m/s; Précision de l'ordre de ± 1 %. Fréquence de la sonde de 7 Mhz; Mesure dans des conduits de 3 à 5000 mm; Pas d’obstruction à l'écoulement , chute de pression tout à fait négligeable. Aucune pièce en mouvement dans la conduite et de ce fait ne subit pas de phénomène d'usure.

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•

Insensible aux changements de composition du gaz

•

Permet d'acquérir des informations redondantes qui laissent la possibilité de contrôler simplement la précision du compteur dès le stade de la mesure. Possibilités d'auto-vérification du compteur sont nombreuses et une alarme automatique peut y être associée. Mesure bidirectionnelle; Rapidité de réponse appréciable pour effectuer des mesures dans le cas d'écoulements transitoires ou pulsants.

• • • • •

Bulles d’air ou de gaz non tolérées; Pas de matières en suspension.

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280

• • • • •

les contraintes d'installation d'un tel débitmètre sont moins sévères que pour les autres technologies : 10 D de longueurs droites en amont et 3D en aval du compteur sont nécessaires pour atteindre la précision requise pour les compteurs multicordes. Ne nécessite pas de graissage ou de maintenance périodique; Dynamique de mesure très grande ( 100:1 ) que celle d'une rampe à diaphragmes n'est que de 5. Les configurations à cordes multiples permettent de mieux intégrer les profils dissymétriques et de façon plus générale les écoulements comportant des composantes hors axe. En cas de défaillance d'une paire de transducteurs, l'appareil continue de fonctionner grâce aux autres cordes.

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Principe du débitmètre à effet Doppler 

Vitesse d'écoulement: v = K∆f

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



Méthode destinée aux liquides contenant des bulles ou des matières en suspension (entre 2 et 60 % de matière solide). Imprécision de l'ordre de ± 3 %.

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

•

Principe du débitmètre à effet Doppler Utilisant les réflexions des ondes acoustiques sur les particules au sein du fluide ou des bulles de gaz .

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284

•

En appliquant la loi de l'effet Doppler on aura la relation :

V : vitesse de la particule dans le fluide c : vitesse de l'onde ultrasonore dans le liquide au repos θ : angle entre direction du mouvement et direction de propagation de l'onde fe :fréquence d'émission

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285

•

Réécrite

• •

f0 :fréquence émise f1:fréquence réfléchie La relation est simplifiée:

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286

Effet Doppler: Animation

 Source immobile ondes concentriques espacée d'une longueur d'onde (distance parcourue par l'onde pendant une période réelle de la source).  La période de l'onde reçu par l'observateur est la même que la période de la source.

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288


 Source se déplaçant vers l'observateur,  la période apparente est inférieure à la période réelle de la source immobile.  La longueur d'onde apparente est inférieure à la longueur d'onde observée lorsque la source est à l'arrêt.

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 Source s'éloignant de l'observateur la période apparente est supérieure à la période

réelle. La longueur d'onde apparente est supérieure à la longueur d'onde observée lorsque la source est à l'arrêt.

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292


 Influence de la période de la source sur l'effet Doppler.

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 Influence de la vitesse de la source sur l'effet Doppler

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Le Débitmètre Electromagnétique

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295

 Principe:

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Basé sur la loi de Faraday


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296

 Principe: Basé sur la loi de Faraday

• • •

Tout conducteur coupant les lignes d’inductions d’un champ magnétique à une certaine vitesse est soumis à une force électromotrice. Le liquide électriquement conducteur qui représente le conducteur en déplacement. La tension est induite par le champ magnétique et l’amplitude obtenue est proportionnelle à la vitesse d’écoulement du liquide conducteur.

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297

•



• •

E=KxBx DxV • v= vitesse du fluide (m/s) • D= diamètre intérieur du capteur(m) • B= induction champ magnétique(teslas) ,10-3 à 10-2 T • k = 1 (métrique) Tension générée: 12 mV à 3 l/s (25 mm); 7 mV à 0.5 m3/s (300 mm).

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298



Schéma électrique du capteur du débitmètre électromagnétique

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

Installation:

•

position horizontale, verticale ou oblique; si verticale, débit du bas vers le haut; si horizontale, électrodes dans plan horizontal; pas de longueur de conduite rectiligne exigé.

• • •

Attention: Appareil toujours plein de liquide.

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300

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301



Montage:

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302



Montage:( Source KROHNE)

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• Longueurs

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Droites


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304



• • • • • • • • •

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Bilan Mesure en régime laminaire ou en régime turbulent; Échelle très linéaire; Diamètre de conduit de 3 à 3000 mm; Perte de charge nulle; Insensibles à la densité et à la viscosité du fluide à mesurer et aux profils d’écoulement Précision de l'ordre de ± 1 %; Rangeabilité de 20:1; Exige un liquide conducteur; IAP-CU/Boumerdes Msc. 305 R. BOUDERBALA> 1 m/sec. Vitesse d'écoulement

Débitmètre Vortex

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306



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Débitmètres à vortex


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307



Principe

 Un obstacle placé dans un conduit crée des tourbillons (vortex).  La série de vortex possède une vitesse de rotation rapide et provoque une dépression mesurable.

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308

Ce détachement génère des impulsions de pression qui peuvent être détectées de différentes manières :

• • •

01/04/2014

Par ultrasons Par cristal piézo-électrique Par capteur capacitif. ..


Msc.

309

•

La vitesse du liquide est proportionnelle à la fréquence d'apparition des vortex.

01/04/2014


Msc.

310



Exemple d’application: Débitmètre équipé d'un

système de détection par cristal piézo-électrique.

01/04/2014


Msc.

311



Exemple d’application:

01/04/2014


Msc.

312



Exemple d’application:

01/04/2014


Msc.

313

• Au passage du fluide :

obstacle présent au milieu de la

conduite crée des tourbillons de chaque coté du dispositif de mesure. Les tourbillons provoquent alors des impulsions de pression détectées par le capteur piézo-électrique. Il apparaît ainsi une tension alternative qui est convertie dans un module de transmission en un signal proportionnel au débit. 01/04/2014


Msc.

314



Principe de fonctionnement

Principe de mesure

01/04/2014

Vibrations sur le capteur piezoelectrique


Msc.

315

• • •

01/04/2014

V1:Vibrations dues aux tourbillons de Karman V2 :Vibrations frontales créés par les éventuels effets de pulsations du fluide. V3 : Vibrations parasites externes


Msc.

316



•

•

Effets des vibrations dues aux générations de Vortex La vibration transmise à la barre de mesure engendre une charge électrique aux bornes des capteurs piézoélectrique. Ce signal est de type sinusoïdal.

01/04/2014


Msc.

317



•

•

Effets des vibrations dues aux effets de pulsations éventuelles du liquide La vibration créée par la pulsation éventuelle du fluide engendre des charges électriques s’annulant aux bornes des capteurs piezoelectriques. Le signal est nul, l’influence de telles vibrations l’est donc aussi.

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Msc.

318



Effets des vibrations parasites

La vibration parasite engendre Des charges électriques s’annulant aux bornes des Capteurs piezoelectriques. • Le signal est nul, l’influence de telles vibrations l’est donc aussi

01/04/2014


Msc.

319

Type digital YEWFLO (Yokogawa)

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Msc.

320

Caractéristiques Techniques

• • • • • • • • • •

Liquides, Gaz, Vapeur Construction Monobloc Configuration en Face Avant DN 15 (1/2’’) – DN 300 (12’’) Jusqu’ 450°C Jusqu’à PN 420 Immunité aux Vibrations Stabilité à Bas Débit Longueurs Droites Réduites Auto Diagnostics Evolués

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Msc.

321



•

Installation Débitmètre à effet Vortex TRIOWIRL V Longueurs droites en amont et en aval

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Msc.

322

•

Les dispositifs de contrôle doivent être installés en aval du débitmètre

01/04/2014


Msc.

323

Conditions d’installation (Endress Hauser)

Le respect des conditions d'implantation

d'un débitmètre Vortex est capital. S'assurer de ce fait que les instructions du manuel de mise en service sont strictement respectées, entre autres :

les sections d'entrée et de sortie doivent rester constantes pour assurer un profil d'écoulement stable, le débitmètre Vortex doit:

01/04/2014


Msc.

324

• Être monté en amont de tout élément • •

01/04/2014

perturbateur tels que les coudes, réducteurs et vannes ; Dans le cas d'une vanne située en amont, la longueur de conduite en amont du débitmètre doit être de 50 x DN. En cas d'espace limité et de larges conduites, il n'est pas toujours possible de respecter les sections d'entrées indiquées ci-dessus. Dans de tels cas:


Msc.

325

des tranquiliseurs perforés

spécialement conçus peuvent être implantés comme représenté cidessus. Ils réduisent la longueur de la section d'entrée en aval d'éléments perturbateurs à 10 x DN tout en maintenant la précision de la mesure.

01/04/2014


Msc.

326

•

Conditions d’installation (suite)

01/04/2014


Msc.

327

Afin de protéger l'électronique contre les

températures élevées provenant de conduite chaudes (par ex. vapeur), monter l'électronique tête en bas.

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Msc.

328



Bilan

•

Capteur simple et robuste; Précision de l'ordre de ± 0.5 %; Temps de réponse très rapide (millième de sec.) Utilisation dans des conduits de 5 à 60 cm; Nombre de Reynolds entre 10 000 à 300 000; Perte de charge élevée (30 kPa); Sensible à température, viscosité et pression; Doit avoir une conduite rectiligne de 10D en amont et 5D en aval; Rangeabilité de 30:1 ou plus.

• • • • • • • •

01/04/2014


Msc.

329

Coriolis Gaspard Gustave de (1792 1843 )

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Msc.

330

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Msc.

331

Débitmètre à effet Coriolis Pour mesure de Gaz Naturel & AGA 11

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Msc.

332

Pourquoi Mesure -t-on la Masse Volumique ?

Eliminer l’impact de changement des propriétés du fluide

Volume: 154.8 liters Mass: 155 kg

Volume: 159.0 liters Mass: 155 kg

Volume: 0.40 m3 Mass: 3.665 g P= 152 KPa

Volume: 0.42 m3 Mass: 3.665 g P = 138 KPa

Impact of Changing Process Temperature Impact of Changing Process Pressure

The mass of fluid (155kg) is constant while the volume changes 2.7% (42.0 vs. 40.9 gallons) due to changing temperature 01/04/2014


The mass of fluid (3.665g) is constant while the volume changes 5% (0.40 vs. 0.42 m3) due to changing pressure Msc.

333

Eliminer l’impact de profile de vitesse d’écoulement du fluide

• • •

Pipe fittings, reducers, expanders, strainers, elbows, and valves all affect the flow profile All velocity based flowmeters require a specific length of straight piping between disturbances and the flow meter to assure a uniform flow velocity profile at the meter Mass flow is independent of flow velocity profile, eliminating any need for straight pipe runs Reynolds Number

Asymmetrical Profile

Swirl

Pulsating Flow Actual velocity

01/04/2014


Msc.

334

Pourquoi utilise-t-on un Débitmètre massique à effet CORIOLIS • Le débit massique n'est pas affecté par:

le changement des propriétés du fluide le profil de vitesse d’écoulement

• Le débitmètre Coriolis n’a pas de parties ou pièces mobiles qui s’usent ou dérivent avec le temps.

01/04/2014


Msc.

335

Pourquoi utilise-t-on un Débitmètre massique à effet CORIOLIS Que ce soit pour les liquides, les gaz ou les liquides chargés, les débitmètres à effet Coriolis offrent de nombreux avantages par rapport aux technologies de mesurage volumétriques.

• Faible coût d'investissement grâce au mesurage haute

précision de multiples grandeurs :

Débit massique Débit volumique Masse volumique Température

01/04/2014


Msc.

336

• Élimine le risque d'erreur de la mesure d’un profil d'écoulement

incertain

•Élimine le coût capital de matériel supplémentaire pour

compenser le changement de température et de pression

• Améliore la disponibilité du process et la qualité des produits,

et réduis les pertes, les reprises de production et les rebuts à l'aide d'une technique de mesurage très performante (+/-0,05%) et répétable

• Réduis les coûts d'installation : aucunes exigences spéciales de

montage, pas de filtres, aucunes longueurs droites de canalisation et pas d'ajustage du zéro nécessaire sur le site.

• Réduis les coûts de maintenance : aucunes pièces mobiles, pas

de dérives de l'étalonnage et nettoyage en place sans démontage.

01/04/2014


Msc.

337

Force de Coriolis et Débit Massique • Pour une masse δm se déplaçant à une vitesse v, dans un

système en rotation ayant lui-même une vitesse angulaire ω, la masse m génère des forces de réaction sur le système.

01/04/2014


Msc.

338

La particule (δm) traverse à une vitesse (V) à l'intérieur d'un tube (T). Le tube tourne autour d'un point fixe (P), et la particule est à une distance d'un rayon (R) du point fixe. La particule se déplace avec une vitesse angulaire (ω ) sous deux composantes d'accélération, une accélération centripète ar dirigée vers P et une accélération Coriolis at qui agit à angles droits à :

ar (centripete ) = ω 2 r

at (Coriolis ) = 2ωv

La force de Coriolis:

01/04/2014

Fc = at dm = 2ωvdm


Msc.

339

• Alors, si le fluide du procédé a la densité D ( kg/m3 ) et coule à vitesse constante à l'intérieur d'un tube tournant de section A, un segment du tube de longueur x engendre une force de Coriolis d'amplitude:

Fc = 2ωvDAX • Etant donné que le débit massique est :

dm = DvA, la force de Coriolis Fc = 2ω(dm)x et, finalement: Le débit massique est: Qm = Fc/2ωx Ainsi, la mesure (directe ou indirecte) de la force de Coriolis exercée par l’écoulement d’un fluide dans un tube en rotation peut fournir la mesure du débit massique. 01/04/2014


Msc.

340



• • • •

Principe

Le fluide s'écoule dans un tube en U soumis via un champ électromagnétique alternatif à une vibration horizontale, d’avant en arrière et vice versa, autour de sa position de repos. Sous l'effet du débit, le tube subit une déformation détectée par des capteurs de position. La mesure de ces forces donne l’amplitude du débit massique Le signal détecté est proportionnel au débit massique

01/04/2014


Msc.

341



Principe Des forces de réaction apparaissent dans un tube vibrant traversé par un liquide en mouvement. La mesure de ces forces donne l’amplitude du débit massique, Équation de la force de réaction: F = 2. m . ω. v

01/04/2014


Msc.

342



Tubes en B

01/04/2014


Msc.

343



Qu'est-ce qu'un débitmètre ?

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Msc.

344



Tubes courbes - Présentation générale

Les capteurs à effet Coriolis sont disponibles en de nombreuses tailles, formes et matériaux. Un capteur à effet Coriolis à tubes courbes Micro Motion comprend : • Tubes de mesure • Bobine et aimant d'excitation • Bobine et aimant de détection • Sonde de température Pt100 • Raccords de procédé • Séparateur d'écoulement • Platine processeur • Boîtier

01/04/2014


Msc.

345



Tubes courbes - Tubes de mesure

Les tubes de mesure des capteurs à effet Coriolis sont des pièces en contact avec le procédé ; ils sont construits en acier inoxydable 316L ou en alliage au nickel en fonction de leur compatibilité avec le fluide procédé.

01/04/2014


Msc.

346



Tubes courbes - Bobine et aimant d'excitation

• La bobine et l'aimant d'excitation servent à produire l'oscillation des tubes de mesure du capteur à effet Coriolis Micro Motion.

• La bobine est

excitée afin de faire vibrer les tubes à leur fréquence de résonance naturelle.

01/04/2014


Msc.

347



Tubes courbes - Bobines et aimants de détection

• Les bobines et aimants de détection sont des détecteurs électromagnétiques situés de chaque côté des tubes de mesure.

• Le capteur produit un

signal qui représente la vitesse et la position des tubes de mesures à ces points, ce qui permet de déterminer le débit massique en mesurant le déphasage entre ces signaux.

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Msc.

348



Tubes courbes - Pt100

La sonde de température à résistance (RTD) est une résistance au platine Pt100 qui fournit un signal représentant la température des tubes de mesure.

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Msc.

349



Tubes courbes - Raccords de procédé Les raccords de procédé, parfois appelés brides, sont deux pièces de raccordement identiques qui doivent s'accoupler à la ligne du procédé lors de l'installation.

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Msc.

350



Tubes courbes - Séparateur d'écoulement

Le séparateur d'écoulement est une section située entre le raccord et les tubes de mesure qui divise l'écoulement en deux flux égaux

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Msc.

351



Tubes courbes - Platine processeur

• La bobine d'excitation, les

bobines de détection et la sonde de température sont raccordées à la platine processeur.

•La platine processeur est un

module électronique sophistiqué qui contrôle le capteur et traite le signal de mesure primaire. La platine processeur effectue tous les calculs nécessaires permettant de déterminer les valeurs des grandeurs mesurées, puis communique ces valeurs au transmetteur pour interfaçage avec l'opérateur et les systèmes de contrôle-commande. 01/04/2014


Msc.

352



Tubes courbes - Boîtier

Le boîtier protège les composants électroniques et le câblage interne du capteur pour éviter leur corrosion, et fournit un confinement secondaire du fluide procédé. Le boîtier peut être équipé de connexions de purge qui permettent de répondre aux besoins spécifiques de certaines applications.

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Msc.

353



Monotube droit - Généralités

Un capteur à effet Coriolis disponible en de nombreuses tailles, formes et matériaux monotube droit Micro Motion Comprend : •Un tube de mesure •Un tube de référence •Deux supports d'isolation •Une bobine et un aimant d'excitation •Deux bobines et deux aimants de détection •Plusieurs sondes de température Pt100 •Deux raccords de procédé •Une platine processeur •Un boîtier 01/04/2014


Msc.

354



Principe de mesure du débit : Tubes courbes Vibration des tubes

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Msc.

355



Principe de mesure du débit : Tubes courbes Déplacement des tubes en l'absence d'écoulement

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Msc.

356



Tube oscillant, Pas d’écoulement

Outlet Inlet

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Inlet Side

Outlet Side

Support Axis Outlet Side


Msc.

357



Principe de mesure du débit : Tubes courbes Vibration des tubes

Les tubes de mesure du capteur à effet Coriolis vibrent en opposition de phase, ce qui assure leur équilibre et leur isolement par rapport aux vibrations externes ou aux mouvements du débitmètre. Sur les débitmètres Micro Motion qui dotés de deux tubes de mesure parallèles, le flux de fluide qui entre dans le capteur est divisé en deux pour passer dans chacun des tubes. Lorsque le débitmètre est sous tension, une bobine d'excitation fait osciller les tubes en opposition l'un par rapport à l'autre.

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Msc.

358



Principe de mesure du débit : Tubes courbes Génération du signal

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Msc.

359



Principe de mesure du débit : Tubes courbes Aucun écoulement, donc pas d'effet Coriolis

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Msc.

360



Principe de mesure du débit : Tubes courbes Déplacement des tubes en l'absence d'écoulement

Les tubes de mesure oscillent en opposition l'un par rapport à l'autre, comme un diapason. Les deux détecteurs (un sur la branche entrante et l'autre sur la branche sortante) génèrent continuellement des signaux sinusoïdaux lorsque les tubes oscillent. Lorsqu'il n'y a pas d'écoulement, ces signaux sinusoïdaux sont en phase.

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Msc.

361



Principe de mesure du débit : Tubes courbes Effet Coriolis en présence d'un écoulement

01/04/2014


Msc.

362



Principe de mesure du débit : Tubes courbes Effet Coriolis en présence d'un écoulement

Inlet

Twist Axis

Fluid Reactive Force (Outlet)

Outlet Support Axis Outlet Side

Inlet Side Fluid Reactive Force (Inlet)

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Msc.

363



Principe de mesure du débit : Tubes courbes Effet Coriolis en présence d'un écoulement Fluid Reactive Force (Inlet)


Inlet

Outlet

Fluid Reactive Force (Inlet)

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Msc.

364



Principe de mesure du débit : Tubes courbes ΔT généré en présence d'un écoulement

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Msc.

365

m = K × ∆T / 8 / r   

K: ∆T: r:

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2

Constant for tube material Time interval Tube radius


Msc.

366

 Principe De Mesure Du Débit :

 Coefficient ou Facteur d'Etalonnage (FLOW CAL FACTOR)

FLOWCAL = Kq.f (5 digits) + αq (3 digits)

• Débit massique non corrigé est: qm.raw = Kq.f x phase shift

•

*Raw : brute

01/04/2014


Msc.

367



Principe de mesure du débit : Tubes courbes Coefficient d'étalonnage en débit

3.8552 5.13 Flow Factor (grams/sec/µsecond of ∆T)

Temperature Correction Factor (% / 100 oC)

01/04/2014


Msc.

368

 Principe de mesure du débit : Tubes courbes Coefficient d'étalonnage en débit 

Coefficient d'étalonnage en débit= 10 caractères, y compris deux points décimaux.



Exemple: 4.27454.75





Les composantes du coefficient d'étalonnage en débit sont :  Cinq premiers digits (4.2745) → la constante de proportionnalité. Chaque capteur a un coefficient d'étalonnage unique.



Ce coefficient d'étalonnage, multiplié par le Delta T mesuré en microsecondes, donne le débit massique mesuré en gramme/seconde.



Ce débit massique est alors converti dans l'unité de mesure désirée par le transmetteur.

01/04/2014


Msc.

369



Principe de mesure du débit : Tubes courbes Coefficient d'étalonnage en débit

Exemple : Etant donné un ΔT de 5 microsecondes, le débit est : 5 X 4.2745 = 21.3725 g/s

• Les trois derniers chiffres (4.75) →

au coefficient de température du matériau des tubes du capteur. • Ce coefficient corrige l'effet de la température sur la raideur des tubes de mesure. • Il correspond au pourcentage de changement de la constante de proportionnalité par variation de 100 °C

01/04/2014


Msc.

370

 





Principe de mesure du débit : Tubes courbes Etalonnage en débit

Etalonné en usine avant livraison afin de déterminer et de régler les facteurs d'ajustage du zéro et d'étalonnage. L'ajustage du zéro permet de prendre en compte le léger déphasage qui existe entre les détecteurs lorsqu'il n'y a pas d'écoulement dans le débitmètre. Les coefficients d'étalonnage en masse volumique sont déterminés (voir la section décrivant le principe de mesure de la masse volumique). Le coefficient d'étalonnage en débit est déterminé et réglé en comparant le Delta T généré avec un débit connu. L'étalonnage est effectué en plusieurs points par rapport une mesure étalon afin de s'assurer que les mesures du débitmètre sont conformes aux spécifications en débit et en masse volumique. Ce processus sert de dernier test fonctionnel du capteur Micro Motion avant sa livraison

01/04/2014


Msc.

371



Mesure de Température

••

RTD utilisé est une sonde type Pt-100 industrielle à 3 fils avec un coefficient de Résistivité de 0.00385

•

RTD accuracy is +/- 1.0°C

•

La mesure de la température du tube est de compenser le changement dans l'élasticité du tube aussi bien que la rigidité du tube.

•

Les changements dans la rigidité du tube affecteront l'exactitude de mesure du débit massique

•

Alors que les changements dans l'élasticité du tube affecteront l'exactitude de la mesure de la Densité du Procédé si incompensée.

01/04/2014


Msc.

372



Relation entre Densité (masse volumique), Volume et Masse

Conditions de mesurage (Pf, Tf ):

Masse = ρ f × V f Conditions de base (Tb, Tb):

Masse = ρ b × Vb

Conservation de la masse:

ρ b × Vb = ρ f × V f 01/04/2014


ρf Vb = ×V f ρb Msc.

373



Densités (ρf et ρb) dans AGA 7 Aux conditions de mesurage:

Pf × M r ( gaz ) = ρ f × Z f × R × T f



ρf =

Pf × M r ( gaz ) Z f × R ×Tf

Aux conditions de base:

Pb × M r ( gaz ) = ρb × Z b × R × Tb Substituer ρf , ρb

01/04/2014

dans:



ρb =

Pb × M r ( gaz ) Z b× R × Tb

ρf Vb = ×V f ρb


Msc.

374



Densités (ρf et ρb) dans AGA 7

The only reason a volumetric meter must know flowing Temperature, Pressure, and Compressibility is to quantify the fluid at flowing conditions on a MASS basis (Pure Unit of Measure) so it can requantified at base conditions. Because a MASS meter is already at Mass, flowing Temperature, Pressure, and Compressibility do not need to be known.

Vb =

01/04/2014

Pf × Tb × Z b Pb × T f × Z f

×V f

The AGA7 Equation!


Msc.

375



Conversion de la masse au volume de base en utilisant la gravité spécifique (SG)ou densité de base (ρb)

Vb =

Masse

ρb

Masse Vb = Pb × M r ( gaz ) Z b × R × Tb 

Masse Vb = SGr ( gaz ) × ρ air

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RS485 or Pulse AGA 8 detail

 AGA 8 Gross 1 or 2


Msc.

376



•

Sensibilité à la Température les propriétés résonnantes du métal dans la paroi mince du tube sera affectée par la température.

Cela changera l‘étalonnage du débitmètre • Élément intégré

de température avec un correcteur de température et incorporé

01/04/2014


Msc.

377



•

SENSIBILITÉ à la PRESSION LA PRESSION AFFECTERA LA RAIDEUR DE LA MASSE VIBRANTE

CELA CHANGERA L'ETALONNAGE  UNE CORRECTION DE LA PRESSION •

DEVRAIT ÊTRE APPLIQUÉ L'algorithme de correction devrait être fourni par le fabricant

01/04/2014


Msc.

378



•

Sensibilité à la Densité La mesure de la densité peut être affecté par la différence dans la pression & température des conditions d'Etalonnage.

• Le fabricant devrait fournir la correction.

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Msc.

le facteur de

379



Remote Flow Transmitter

•

Le Débitmètre CORIOLIS est doté d'un TRANSMETTEUR “INTELLIGENT” pour TRADUIRE le SIGNAL de sortie mesuré en

DÉBIT MASSIQUE & DENSITÉ

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Msc.

380

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Msc.

381

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Msc.

382

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Msc.

383

ETALONNAGE • Le débitmètre Coriolis est normalement étalonné dans un laboratoire d'Etalonnage accrédité • Il est nécessaire d'établir de nouvelles valeurs pour le: 

Coefficient ou Facteur d'Etalonnage Coefficient ou Facteur de DENSITE

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Msc.

384



•

ETALONNAGE Coefficient ou Facteur d'Etalonnage (FLOW CAL FACTOR) FLOWCAL = Kq.f (5 digits) + αq (3 digits)

• Débit massique non corrigé est: qm.raw = Kq.f x phase shift

•

*Raw : brute

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385

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386



•

ETALONNAGE Coefficient ou Facteur d’étalonnage ( DENS CALL FACTOR) DENSCAL = K1, K2, αρ

• Le facteur DENSCAL

est ajusté pour accommoder la différence de densité (masse volumique) entre air & eau (aussi vérifier quelle densité est appliquée: air /eau)

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Msc.

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Msc.

388

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Msc.

389



Principe de mesure de la masse volumique : Etalonnage en masse volumique

 Etalonnage sur air et sur eau avant livraison

• Les tubes de mesure du capteur sont remplis d'air et la période de vibration des tubes correspondante est enregistrée comme coefficient d'étalonnage en masse volumique K1. •La masse volumique de l'air utilisé pour l'étalonnage, laquelle a été déterminée en laboratoire à l'aide d'une mesure étalon, est enregistrée comme coefficient d'étalonnage en masse volumique D1.

• Les tubes de mesure du capteur sont alors remplis d'eau et la période de vibration des tubes correspondante est enregistrée comme coefficient d'étalonnage en masse volumique K2. •La masse volumique de l'eau, également déterminée à l'aide d'une mesure étalon, est enregistrée comme coefficient D2.

• Ces quatre coefficients, K1/D1 et K2/D2, caractérisent la réponse d'un capteur particulier à la masse volumique. 01/04/2014


Msc.

390



Principe de mesure de la masse volumique : Etalonnage en masse volumique

La relation entre la masse volumique du fluide et la racine carrée de la période de vibration des tubes est linéaire. L'illustration montre la relation linéaire entre la masse volumique des deux fluides d'étalonnage et la période de vibration des tubes.

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Msc.

391



Principe de mesure de la masse volumique : Coefficients d’étalonnage en masse volumique Une fois l'étalonnage en masse volumique effectué, les coefficients d'étalonnage en masse volumique sont paramétrés dans la mémoire du débitmètre avant son expédition. Les valeurs suivantes illustrent le résultat d'un étalonnage en masse volumique type : 1. Période des tubes avec de l'air (K1) 10484 2. Période des tubes avec de l'eau (K2) 10966 3. Masse volumique de l'air (D1) 0,0010 4. Masse volumique de l'eau (D2) 0,9982 5. Coefficient de température 4,39

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Msc.

392



Principe de mesure de la masse volumique : Coefficients d’étalonnage en masse volumique

Un coefficient de température est utilisé pour corriger automatiquement l'effet de la température sur la raideur du matériau des tubes de mesure. Le résultat de l'étalonnage en masse volumique est une relation linéaire définie par les deux points d'étalonnage (air et eau). Pour des raisons de simplicité, cette ligne est souvent redéfinie en spécifiant les points qui représentent des valeurs de masse volumique de 0 et 1 g/cm3.

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Msc.

393



Principe de mesure de la masse volumique : Détermination de la masse volumique

La relation entre la masse volumique et la période des tubes est une fonction parfaitement définie. Si deux points de masse volumique/période des tubes sont connus, la masse volumique correspondant à d'autres périodes de vibration des tubes peut être extrapolée de manière très précise.

01/04/2014


Msc.

394

01/04/2014


Msc.

395

01/04/2014


Msc.

396

01/04/2014


Msc.

397



AGA11 - Installation Requirements

01/04/2014


Msc.

398

• General Requirements • Temperature • Vibration • Electrical Noise • Meter Module Design •

Some bending-mode Coriolis flow sensors are generally immune to velocity profile distortion and swirl effects, thus allowing the designer flexibility restricted only by good piping support practices to minimize structural stresses on the sensor body.

• Piping Configuration 01/04/2014


Msc.

399



INSTALLATION

• • • • •

Installation mécanique, réduction de la Vibration, Pour mesure de liquide, éviter la présence de gaz Pour mesure de gaz, éviter la présence de débris ou particules Pipe verticale avec écoulement de bas en haut préféré. Aucune condensation ou buée ou autres liquides qui devraient être piégés dans le flowmeter • Formation d'écaille ou dépôt de cire sur les parois intérieurs Fait décaler l'Etalonnage • les bulles de gaz peuvent étouffer la vibration • Supports rigides de pipe adéquats sur les deux cotés, proche du débitmètre • Boucle by pass. • Contrainte due au verrouillage change l'étalonnage • Usage de supports antivibratoire pour réduire les effets de contrainte.

01/04/2014


Msc.

400

• • • •

Évitez la vibration dans la gamme de 40 - 200 Hz. (proximités de pompes et moteurs) Le primaire du débitmètre ne doit pas être installé à proximité de forts champs magnétiques (moteurs, pompes, transformateurs, etc.) Eviter la cavitation, car la vibration des tubes de mesure pourrait être affectée. Élimination de la cavitation par l'augmentation de la pression du système. Si la canalisation est soumise à de fortes vibrations, celles-ci doivent être amorties à l'aide de pièces élastiques

01/04/2014


Msc.

401

• • • • •

Alignement d'intervalles pour réduire la contrainte Valve de coupure (shut off valve) en aval pour mettre à zéro le débitmètre. Aucunes exigences pour les longueurs de droite en Amont/aval. Dimension (diamètre) du débitmètre peut être moins que celle de la tuyauterie du procédé pour les gaz de faible densité . 20 - 30 diamètres de la tuyauterie entre instruments pour éviter la "Conversation croisé ou renvoi.""Cross talk"

01/04/2014


Msc.

402

• Le primaire du débitmètre ne doit pas être • •

en contact avec d'autres objets La formation de bulles d'air ou de gaz dans le tube de mesure génère des erreurs de mesures fréquentes. Eviter de ce fait un montage aux points suivants dans la conduite :

• Pas d'installation au plus haut point d'une •

conduite. Risque de formation de bulles d'air ! Pas d'installation immédiatement avant une sortie de conduite dans un écoulement gravitaire.

01/04/2014


Msc.

403

Conditions d'installations difficiles

01/04/2014

Installation normale (horizontale et vertical)


Msc.

404



Meter Orientation and Piping Support

•Flow

Tubes up on gas preferred (Tubes de débit en

haut pour gaz préféré)

•Flow

Tubes in flag position on gas in tight quarters, flow direction down (Tubes de

débit en position de drapeau pour gaz serré au quart, direction du débit en bas)

•No

upstream pipe requirements

(Aucune exigence de longueur de droite en amont ) 01/04/2014

IAP-CU/Boumerdes No upstream Msc. R. BOUDERBALA

piping requirements

405



Meter Orientation and Piping Support

• Pour les Applications Liquides Les Tubes doivent permettre l'évacuation du Gaz

• Pour les Applications Gaz

Les Tubes doivent permettrent l'égouttage des Liquides

01/04/2014


Msc.

406

01/04/2014


Msc.

407



• • • • • • •

General Piping & Support

Support du poids adéquat Pas de fléchissement du pipe Support de pipe près de chaque bride du débitmètre Mise à terre est importante du Réceptacle du tube d'écoulement du débitmètre Réceptacle ne devrait pas être utilisé pour supporter le débitmètre ou autre équipement Alignement adéquat de la tuyauterie & brides Utilisation de morceau de la bobine fabriquée si la tuyauterie est forgée sur site

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Msc.

408



AGA11 - Installation Requirements Meter Mounting

Gas Net Example: Poor Flange Alignment & Meter Support

01/04/2014


Msc.

409

01/04/2014


Msc.

410



•

Piping Inspection Inspection de la tuyauterie

-

Déverrouillez un ensemble de brides Déverrouillez des attaches du support de la tuyauterie sur chaque coté du débitmètre Cherchez un décalage dans l'alignement des brides

If shift in flange alignment is noted, have fabricator correct piping!

01/04/2014


Msc.

411



• • • • •

AGA11 - Installation Requirements Direction d'écoulement - Bidirectionnel Sorties Installation Orientation Filtration

 La filtration du gaz n'est pas nécessaire pour la

plupart des applications d'un débitmètre Coriolis. Cependant, s'il y a des contaminants abrasifs ou autres débris dans le gaz, l'usage de filtration en amont est recommandé

01/04/2014


Msc.

412



Protocole HART standard:

Le protocole HART assure la communication entre un système de contrôle de procédé, un terminal portable et l'instrument de terrain.

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Msc.

413

Performances métrologiques

Type de fluide

Débitmètre à éffet VORTEX

Débitmètre à effet CORIOLIS

Precision (%)

0,75 à 1,5 C

0,2 à 0,4 C

Dynamique

10:1

25:1

Signal

L

L

Perte de pression

60 à 80 % du diaphragme normalisé

0,004 à 1 ou 2 bar

Propre non visqueux

*

*

Visqueux

_

_

Corrosif

* dans certaines limites


Conducteur

_

_

Vapeur

*


15 à 25 D

0

0,015 à 0,3

0,001 à 0,15

Température (°C)

– 200 à + 400

– 240 à + 200

Pression maximale(bar)

400

400

Coût d’achat

Moyen

Elevé

Coût d’installation

Faible à Moyen

Elevé

Coût de maintenance

Faible à Moyen

Faible à Moyen

Longueurs droites amont (D diamètre) Contraintes d’installation et de service

Elements de coût

01/04/2014

Diamètres disponibles(m)


Msc.

414



•

• •

Bilan Mesure du débit massique

•

de liquides et de gaz, régulation et contrôle de la qualité du produit. • Mesure de densité. • Résistance aux vibrations. Débit de 0.1 kg/m à 3000 kg/m Rangeabilité 20:1

01/04/2014


Msc.

415



Etalonnage

• • •

Master meter system Gravimetric methods Volumetric methods

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Msc.

416

Comparison

de débimètres: Orifice, Rotary, Turbine, Coriolis, and USM

Attribute

Orifice

Rotary

Turbine

Coriolis

Ultrasonic

Standards

AGA3

ANSI B109.3

AGA7

AGA11

AGA9

Gas Industry Acceptance

Broad

Fragmented

Fragmented

Fragmented

Fragmented

Accuracy

Low

Low

Medium

High

High

Turndown

Low

High

Medium

Medium - High

High

Capital Cost

Low - Med

Med - High

Med - High

Med - High

Med - High

Operating Cost

High

High

High

Low

Low

Wearing Parts

No

Yes

Yes

No

No

Profile Sensitive

Yes

No

Yes

No

Yes

Pulsation Error

Yes

Yes

Yes

No

Possible

Pressure & Temp. Requirement

Required

Required

Required

Pressure – Pres. Not Req.

Required

Pressure Loss

Med - High

Med - High

Med – High

Med - High

Low

High Flow Damage

Yes

Yes

Yes

No

No

Dirty Process Tolerance

Low – Med

Low

Low

High

Medium

Valve Noise Tolerance

High

High

High

High

Low - Med

Health Diagnostics

None

None

Limited

Multiple

Multiple

01/04/2014


Msc.

417



Compétition: Comment Compare-t-on Coriolis? Element

Coriolis

Element Accuracy

.35%

Turbine/ Rotary/ Ultrasonic .5%

No Wet Cal

No Wet Cal

NA

.1%

.1%

NA

.1%

.1%

.1%

.2%

.2%

AGA 8/ 92 Zb

AGA 8/92 Zf & Zb

AGA 8/92 Zf & Zb

.36%

.56%

.32%

.67%

Uncertainty

Uncertainty

Uncertainty

Uncertainty

Temp. Factor Accuracy

Ultrasonic

Orifice

.2%

Square Root of Sum of the Squares (Example AGA 3 1992)

.1% Transmitter Accuracy

Pressure Factor Accuracy .1% Transmitter Accuracy

Compressibility Uncertainty

Total Base Volume 01/04/2014


Msc.

418



• • • • • • •

Les dernières évolutions des capteurs offrent de nouvelles perspectives aux mesures par Coriolis, avec des avancées technologiques exclusives qui ouvrent des domaines d'application jusqu'ici inaccessibles. Exceptionnelle précision de mesure Mesures des écoulements bi-phasiques liquide/gaz Auto-validation d'exactitude en place Capteurs pour températures extrêmes Perte de charge minimisée Stabilité renforcée vis à vis des facteurs d'influence externes Sécurité et enceinte de confinement

01/04/2014


Msc.

419



Applications

• • • • • • • • • • • • • • •

Comptage transactionnel Procédés batch Régulation de processus critiques Bilans matières Chargements et déchargements utilisé largement pour la mesure de CNG Gaz naturel et industriels: débit et comptage Mesures de concentration et densimétrie Dosage et conditionnement Ensembles de mesurage multi-capteurs Comptage de contrôle de gaz naturel Chargements de réacteurs Bancs d'essais moteurs Mélangeuses en ligne Comptage de bitume à haute température

01/04/2014


Msc.

420



Rangeabilité

•

Utilisée dans l’univers de l’acquisition et des capteurs. Il désigne le rapport entre la plus grande échelle et la plus petite que l’on puisse régler.

Exemple: Capteur de pression 4-20 mA qui peut mesurer jusqu’à 620 mbar (portée limite supérieure). Si ce capteur est spécifié avec une Rangeabilité de 100, cela veut dire que l’on peut régler le 20 mA entre 620 mbar et 620/100 = 62 mbar.

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Msc.

421

Avantages • • • • • • • •

Un tube clair fournit un moyen fondamental de mesurer le débit massique. Pas de pièce mobile et exige moins d'entretien. Résistant aux matières Corrosives. Etalonnage indépendant de la viscosité et profil d'écoulement. Immunisé contre les tourbillons et écoulements asymétriques Sortie linéaire avec débit de masse. Rangeabilité élevée (High turn down ratio) Très répétable

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Msc.

422

Désavantages

• • • • • • • • •

Exactitude dégradable à faibles débits dû aux décalages du zéro ( Zéro shift). Performance affectée par les poches d'air/gaz. Sensible aux vibrations. Exige une installation attentive/parcimonieuse Difficile à vérifier sur (prouver) site Chute de pression élevée à plein débit Volumineux dans quelques applications. limitation en dimension Coûteux.

 01/04/2014


Msc.

423

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Msc.

424



Principe

Basé sur la définition de la chaleur thermique d'un liquide. (Quantité de chaleur pour élever de 1 °C l'unité de masse de ce fluide). 

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Msc.

425



• • •


Deux capteurs de température sont placés aux points A et B, de part et d'autre d'un élément chauffant. La différence de température, est proportionnelle au débit massique. Le capteur fonctionne correctement dans un intervalle de débit bien déterminé.

• Si le débit réel dépasse le débit maximal, un circuit dérivateur est utiliser, prenant en charge une partie du débit.

01/04/2014


Msc.

426




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Msc.

427



• • •

Principe de mesure Mesure selon le principe thermique, méthode largement répandue en débitmètre massique. Repose sur le contrôle des effets de refroidissement du gaz au passage sur un élément chauffant. Deux thermo-résistances Pt 100 L’une pour la mesure de température du gaz L’autre sert d’élément chauffant

01/04/2014


Msc.

428

•

Régulation du courant de chauffage pour maintenir un écart de température constant entre l’élément de mesure et l’élément chauffant. ΔT ~ Qm (débit massique).

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Msc.

429



Principe de mesure thermique

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Msc.

430



•

Principe de mesure thermique Trois types de mesure Par capacité thermique Par convection Par Mesure du temps de transfert (ou « temps de vol ») : méthode impulsionnelle

01/04/2014


Msc.

431

1. Mesure du débit de capacité thermique • Puissance thermique nécessaire pour augmenter la température du fluide en écoulement d’une faible valeur prédéterminée (quelques degrés); W = M Cp δT ….. (1)

avec :  W puissance thermique mise en oeuvre,  M débit-masse mesuré,  Cp capacité thermique massique du fluide à pression constante,  δT élévation de température du fluide. 01/04/2014


Msc.

432

•

•

Application de ce principe • si toute la masse du fluide est uniformément chauffée • et se trouve en équilibre avec les détecteurs thermiques. Réalisable que pour de faibles débits :  quelques grammes ou dizaines (centaines) de grammes par heure.

01/04/2014


Msc.

433

2. Mesure par convection • A partir de la puissance thermique W prélevée à un élément chauffé, par convection forcée ou fluide en écoulement : W = a S δT ……. (2)

avec : • S surface de l’élément chauffé, • δT surchauffe de l’élément par rapport à la température du fluide loin de la zone d’échange (pratiquement température du fluide entrant), • a coefficient de convection, qui varie fortement avec le débit

01/04/2014


Msc.

434

•

Lorsque le nombre de Reynolds >5 000 environ, on observe : W = k M0,8 δT …….. (3)

Avec:

• •

k constante de construction, M débit-masse

L’appareil n’est pas utilisable à faible débit (faible nombre de Reynolds).

01/04/2014


Msc.

435

3. Mesure du temps de transfert ou temps de vol : Méthode impulsionnelle • Canalisation comportant une source thermique de petite dimension et un détecteur situé en aval de la source. • La source, alimentée de façon discontinue, émet des impulsions de faible durée détectées en aval • Le débit est déduit du temps de transfert entre la source et le détecteur.

01/04/2014


Msc.

436



•

•

Installation Longueurs droites d'entrée : Minimum 15 x DN pour la version à bride (65F) Minimum 20 x DN pour la version à insertion (65I) Longueurs droites de sortie : Minimum 2 x DN pour la version à bride (65F) Minimum 5 x DN pour la version à insertion (65I)

01/04/2014


Msc.

437



Installation

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Msc.

438



•

Sortie avec prises de pression éviter toute influence potentielle du raccord process du transmetteur de pression sur le profil d’écoulement du gaz

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Msc.

439



Non respect des longueurs droites d'entrée recommandées Installer un tranquiliseur de débit à plaque perforée.

1 = Tranquiliseur de débit en version à bride 2 = tranquiliseur de débit en version à insertion

01/04/2014


Msc.

440



•

Tranquiliseurs 35 trous pour capteurs à insertion • Applications pour DN 80 mm (3") à DN 300 mm (12"), • Prévoir une longueur droite d'entrée en amont du tranquiliseur: 5xDN de la conduite

 il est recommandé de choisir une

construction du type "Mitsubishi".

01/04/2014


Msc.

441

•

19 trous pour capteurs à bride • Exécution spéciale du constructeur • Application pour DN 25…100/1" à 4"). • Prévoir une longueur droite d'entrée en amont du tranquiliseur: 5xDN de la conduite • Performance optimale

•

01/04/2014

il est recommandé de monter en même temps le capteur et le tranquiliseur de débit afin qu'ils puissent être étalonnés ensemble


Msc.

442



Montage du tranquiliseur

1 = Tranquiliseur de débit à plaque perforée 2 = Joint; 3 = Encoche

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Msc.

443



• • • • • • • • • •

Applications : Mesure le débit massique d’une large gamme de gaz : Gaz naturel pour l’alimentation des chaudières et des sécheurs Biogaz provenant de digesteurs de station d’épuration Surveillance du gaz de décharge Dioxyde de carbone dans les brasseries et l’industrie des boissons Air instrument dans les usines de process Débit d’azote, d’oxygène et d’argon dans les aciéries Débit argon/hélium dans la production de gaz Débit d’hydrogène dans l’industrie chimique détection de fuite

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Msc.

444



Système de mesure

01/04/2014


Msc.

445



Bilan

• • •

liquides et de gaz; Précision de l'ordre de ± 1 % à ± 2 %; É.M. de 0.5 gr/m à 20 000 kg/h; Rangeabilité de 20:1.

• Mesure de débit massique de

01/04/2014


Msc.

446

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Msc.

447



Pourquoi mesurer le débit ?

• Efficacité de l’installation •

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Le compteur de débit démontrera  l’efficacité du processus en cours.  Il indiquera par exemple si l’installation fonctionne selon sa capacité nominale et si l’exploitation est satisfaisante.  Il indiquera également l’usure de l’installation dans le temps, ce qui permettra de déterminer le moment de l’entretien.


Msc.

448

• •

•

Utilisation efficace de l’énergie

 Le compteur de débit peut servir : contrôler les résultats et à comparer la rentabilité d’une installation.

Contrôle de processus :

 Les compteurs de débit peuvent indiquer qu’une quantité de vapeur adéquate est fournie à un process et cela : une pression et température correctes.

Evaluation des coûts :

 Les compteurs de dé bit permettent de mesurer la consommation du fluide utilisé et donc son coût.

01/04/2014


Msc.

449

 Mesure

de Débit de gaz et fluides

 Mesure plus complexe pour le gaz en raison de sa compressibilité



Les débits peuvent s’exprimer de deux manières:  Débit massiques, kg/s (surtout pour les débits 

gazeux) Débits volumiques, m3/s ou L/s (surtout pour les fluides incompressibles

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Msc.

450

 Désavantages:(suite) • • • •

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Le plus coûteux des débitmètres par pression différentielles (fabrication plus complexe, géométrie très précise), Encombrants Exigent Re >150 000 Pour des faibles débits (10% du débit max) la différence de pression devient très faible (1% de DP max) donc plus difficilement mesurable


Msc.

451

 Tuyères Seul le facteur C est différent (β=D1/D2)

Le débit est obtenu à l’aide de la même

équation que celle utilisée pour le tube Venturi

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Msc.

452

 Tuyères • Économique, installation simple • Utilisées dans des conduites de 25 à 1500

• • • •

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mm; Fluides avec matières en suspension; Gaz et vapeurs; Précision jusqu'à ± 0.7 %; Exigent Re > 50 000.


Msc.

453

 Diaphragme ou plaque à orifice

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Msc.

454

 Ce type de débitmètre est le plus fréquemment utilisé

Peu coûteux Installation très simple On peut facilement interchanger l’orifice

 Il engendre cependant une perte de charge relativement importante de 40 à 70%

01/04/2014


Msc.

455

Différents types de diaphragmes ou orifices  Plaques à orifices 

Plaques comportant un trou dans lequel le liquide est forcé de passer; sont classés selon la forme et place du trou:

• Concentrique • Conique • Excentrique • Intégrale • Quadrant • Segmental

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Msc.

456

 Types • •

de plaques à arête vive(a); à arête arrondie(b)..

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Msc.

457

Concentrique (Arête vive ou bord droit): L’orifice et le biseau est le niveau de limitation de l'épaisseur du bord de la plaque.  Le biseau est usiné à un angle de 45 à l'épaisseur de bord désirée. À moins que spécifié autrement, les plaques seront biseautées à 1/50 de la ligne I.D ou 1/8 du diamètre de l'Orifice 

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Msc.

458

Caractéristiques :

L’état de la surface de la face amont de cette plaque doit avoir une rugosité inférieure à 0.0003 d (arête vive).  L’orifice peut être chanfreiné en aval de 30˚ à 45˚.  L’épaisseur e est comprise entre 0,005.D et 0,02.D  L’épaisseur E est comprise entre e et 0,05.D  Le diamètre d doit être supérieur à 12,5 mm.  Le rapport d’ouverture doit rester compris entre 0,20 et 0,75. Remarque : Si la plaque est destinée à mesurer le débit dans les deux sens, il n’y a pas de chanfrein et l’état de la surface des deux faces doit être conforme à la face amont précédente. 

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459

Arête vive ou à bord droit E

Épaisseur de l’orifice e

D

d

Axe de symétrie de révolution

Sens de l’écoulement

Arête aval H et I Arêtes Avant G

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460

Quadrant Bored Orifice : Arête arrondie (à bord amont) Pour de faibles valeurs du nombre de Reynolds, on préfère utiliser des diaphragmes à bord amont en quart de cercle, ceux-ci sont alors beaucoup moins sensibles aux variations de la viscosité.

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Msc.

461

Quadrant Bored Orifice: (Arête arrondie) BUT: Conçu pour mesurer les débits de fluides de haute viscosité , et est recommandé pour Re <10,000.  



Maintient un coefficient constant pour un flot laminaire Le rayon “R” est une fonction du ratio. L'épaisseur de l'orifice est égal au quadrant rayon “R. L'épaisseur de l'orifice de la plaque est égale à “R” arrondi à 1/8” . Exemple: si R = 0.899, l’épaisseur = 1’’. Dû à l'épaisseur et du bord arrondi, la plaque est très solide.

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Msc.

462

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463

Eccentric 

Le diamètre extérieur du biseau de l'Orifice Excentrique est tangent à 98% du ID de la ligne afin que les solides ou déchets puissent passer à travers. Placé en haut de la ligne, les gaz entraînées par le liquide passent à travers l’orifice



Utilisé dans beaucoup d'industries:  produits chimiques lourds et légers, acier, papier, atomique et produits pétrochimiques.

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465

Segmental Cas des solides entraînés dans un gaz ou liquide L'Orifice Segmentaire est conçu pour liquides contenant de lourd sédiments. Le diamètre” D” est égal à 98% de la ligne I.D. “H” est la hauteur du segment circulaire. Le ratio est égal à l'équivalent diamètre circulaire du segment divisé par la ligne ID. Sa fabrication est la plus difficile de tous les orifices, exige une finition à la main. L'ouverture segmentaire peut ou être placée au sommet ou au fond du pipe. Utilisé dans les industries :  traitement des eaux d’assainissement, acier, produit chimique, conditionnement de l'eau, papier, et pétrochimique 









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Msc.

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Msc.

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Restriction orifice

BUT: réduire la vitesse de passage (taux de débit) ou créer une chute de pression. L’orifice à Restriction est placé en aval d'un débitmètre à turbine pour protection contre une sur-rotation. Un orifice à Restriction est dénoté par “RO” ou “FO.” En spécifiant l'orifice à restriction, l'épaisseur « E » de la plaque devrait être assez épaisse pour réduire la déviation de la plaque à un minimum. Comme règle, la chute de pression maximale à travers un orifice pour un gaz est de 50%. Pour de plus grandes chutes de pression, plusieurs orifices peuvent être utilisés. La cavitation et le bruit excessif peuvent être un problème.

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469



Prises de pression

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470



Prises de pression normalisées

Le diaphragme peut être utilisé avec tous les types de prises de pression normalisés représentées par les figures qui suivent : • Prises de pression dans les angles (corner taps ) • Prises de pression à la bride ( flange taps ) • Prises de pression à D et D/2.

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471



Prises de pression dans les angles

→ La pression est prise contre la plaque en amont et en aval. → La distance des prises de pression à la plaque est égale au demi diamètre des prises elles mêmes. → Ces prises sont, soit des fentes annulaires (bagues piézométriques) soit des prises individuelles et l’ensemble est à serrer entre deux brides soudées sur la canalisation.

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Prises de pression dans les angles

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473

Limites d’emploi :

• • • •

Pression : 100 bar (possible 200 bar). Température : 350˚c (possible 500˚). Diamètre : 50 mm < D < 1000 mm. Perte de charge résiduelle de 30 à 40%Δp

Un tel mode de construction relativement coûteux (chambres annulaires usinées) sera réservé pour les diamètres relativement faibles (< 400 mm).

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

Prise de pression dans les brides :

Diaphragme à chambre annulaire pour D < 40 mm. Ce mode de réalisation n’est pas couvert par la norme ISO 5167-1 qui s’arrête à 50 mm. Néanmoins, il est possible de calculer les organes déprimogènes de diamètres inférieurs au moyen de la norme américaine ASME.

Fig.b 01/04/2014


Msc.

475



Prise de pression dans les brides :

Diaphragme à chambre annulaire pour D < 40 mm. Ce mode de réalisation n’est pas couvert par la norme ISO 5167-1 qui s’arrête à 50 mm. Néanmoins, il est possible de calculer les organes déprimogènes de diamètres inférieurs au moyen de la norme américaine ASME.

Fig.b 01/04/2014


Msc.

476

01/04/2014


Msc.

477

Limites d’emploi :  Idem au prise de pression dans les angles.  Diamètre : D ≤ 40 mm.  Nécessite des sections droites amont et aval de 20 et 10 D.

01/04/2014


Msc.

478

Brides à orifice





Les prises de pression à la bride sont les plus utilisées car faciles à réaliser. une bride porte diaphragme adaptée étant définie par une norme (ANSI B 16.36 et B 16.36 a) est disponible comme accessoire de tuyauterie

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Msc.

479

Brides à orifice

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Msc.

480

Vue éclatée

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Msc.

481

Brides série 300 



Les brides à orifice sont normalisées à partir de la série 300 de 1 à 24’’. En série 300, les raccordements de la bride à la tuyauterie sont normalisés selon trois modes distincts :  Type « welding neck »  Type «threaded »  Type « slip on »

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Msc.

482

Brides série 300 





Type « welding neck » : la bride est raccordée bout à bout à la tuyauterie , par soudure ; Type «threaded » : la bride est vissée tuyauterie ( de 1 à 8’’ seulement )

sur la

Type « slip on » : la bride s’emboîte sur la tuyauterie puis elle est soudée aux deux extrémités ( interne , externe ).

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Msc.

483



Prise de pression en « Vena Contracta » :

L’élément primaire se compose d’une simple plaque à orifice serrée entre deux brides soudée sur la canalisation. Les prises de pression se font directement sur la canalisation pour l’une ; à une distance égale au diamètre D en amont de la plaque et pour l’autre à une distance d’environ 0.5D.

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Msc.

484

Limites d’emploi :

• • •

Pression : limitée par la pression nominale de la canalisation. Température : limitée par les possibilités de la canalisation. Diamètre : 50 mm < D < 760 mm.

→ Principalement réservé pour des canalisations de grandes dimensions (solution économique).

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Msc.

485

Bilan: • Importante ΔP générée • Pas de limite de diamètre; • Précision jusqu'à ± 0.2 %; • Très reproductibles et fidèles; • Moins couteux et Installation fort simple; • Trés simple remplacement • Valeurs recommandées pour β: • de 0.2 à 0.7. • Perte de charge de 40 à 70 %; •  Cout élevé de pompage • Fluides sans matières en suspension ( dechets, liquide corrosif, vapeur etc…)  changement de la ΔP generéé par l’orifice

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Msc.

486



Orifice & Transmetteurs-Installation

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Msc.

487



Exigent Re > 10 000



Conduites rectilignes amont-aval très longues.  

Amont: 20D à 50D Aval: 10 D .

Amortisseur de turbulences =

01/04/2014

réduire la distance.


Msc.

488

Amortisseurs de turbulence

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Msc.

489

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Msc.

490

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Msc.

491

Longueurs droites minimales 





Afin de respecter la précision annoncée dans la norme relative aux éléments déprimogène ; il importe que ces éléments soient installés entre deux longueurs droites de conduite cylindrique de section constante ne comportant aucun obstacle ni aucune dérivation. Les longueurs droites amont et aval à prévoir sont définies dans la norme NF ISO 5167-1. Quelques valeurs sont données dans le tableau qui suit.

01/04/2014


Msc.

492

β = 0,25

Accessoires

En amont β = 0,60

β = 0,75

Coude simple à 90°

10

(06) 18

(09) 36

(18)

Deux coudes ou plus dans le même plan

14

(07) 26

(13) 42

(21)

Deux coudes ou plus dans des plans différents

34

(17) 48

(24) 70

(35)

09

(05) 22

(11)

Réduction de 2D à D sur une longueur de 1,5 à 3D

5

Evasement de 0,5D à D sur une longueur de D à 2D

16

(08) 22

(11) 38

(19)

Robinet à soupape grand ouvert

18

(09) 26

(13) 36

(18)

Robinet sphérique ou à opercule grand ouvert

12

(06) 14

(07) 24

(12)

4

(2)

En aval, quel que soit l’accessoire

7

(3,5)

8

(4)

Les valeurs sans parenthèses sont des valeurs pour « une incertitude supplémentaire nulle » Les valeurs entre parenthèses sont des valeurs pour « une incertitude supplémentaire de 0,5%

01/04/2014


Msc.

493

Longueurs droites minimales 

On remarquera que les longueurs droites à respecter augmentent avec le rapport :

En conséquence : 



β =d D

pour une installation nouvelle, afin de permettre éventuellement le plus grand β possible, on prévoira les longueurs droites maximales correspondant à β=0,75, pour une tuyauterie existante, les longueurs droites minimales acceptables seront celles déterminées pour la valeur de β choisie pour l’application considérée.

01/04/2014


Msc.

494



Perte de charge dans les diaphragmes

01/04/2014


Msc.

495

 Perte •

de charge dans les diaphragmes

Les diaphragmes présentent une perte de charge (ou perte de pression statique) qu’il ne faut pas confondre avec la pression différentielle mesurée, mais qui en dépend.

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Msc.

496

Evolution de la pression d’un fluide à travers un diaphragme

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Msc.

497

Evolution de la pression d’un fluide à travers un diaphragme • Augmentation légère de la pression statique du liquide

• •

en amont de l’étranglement, puis, au passage de l’ouverture, une diminution brusque de la pression qui atteint son minium à un point appelé « section contractée » ou vena contracta où le débit est maximum. À partir de ce point, la valeur de la pression statique commence à remonter et le débit ralentit. Toutefois, à cause du diaphragme, la pression statique en aval est toujours inférieure à celle en amont. Une partie de l’énergie associée à la pression est transformée en ondes sonores et en chaleur, à cause de la friction et de la turbulence causées par le diaphragme.

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Msc.

498

P

L

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Msc.

499

La perte de pression statique est la différence entre : 



la pression statique mesurée en amont de l’élément déprimogène, en un point où la pression d’impact d’approche au voisinage du diaphragme est encore négligeable (environ 1D à l’amont), la pression statique mesurée en aval de cet élément primaire, en un point où la récupération de pression statique par expansion du jet peut être considérée comme juste terminée (approximativement 6D en aval).

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Msc.

500



La perte de charge ainsi créée par l’élément déprimogène provient des tourbillons qui se forment en amont et en aval du diaphragme.

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Msc.

501



Lorsque l’on recherche une perte de charge faible, on est conduit à utiliser des éléments déprimogènes qui réduisent les tourbillons en épousant le mieux possible la forme de la veine fluide, comme les tuyères et les tubes de Venturi.

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Msc.

502

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Msc.

503

Tubes DE VENTURI Il existe deux types de VENTURI :  Tube de VENTURI classique : Ce type de déprimogènes se compose d’un cylindre d’entrée suivi d’un convergent tronconique d’angle au sommet de 21˚, d’un col cylindrique et d’un divergent tronconique d’angle au sommet de 7˚ à 15˚. Par contre la longueur du VENTURI étant directement influencée par le rapport:

d B = D

avec : d :Diamètre du col. D :Diamètre de la canalisation. 01/04/2014


Msc.

504



Tube de VENTURI classique :

01/04/2014


Msc.

505

Limites d’emploi : Les VENTURI sont utilisés avec des canalisations en acier et ils ont les mêmes limites d’emploi que ces canalisations. Les caractéristiques varient suivant le mode de construction : 

Tube à convergence en fonderie :   



Tube à convergence usinée :  



Seul le col est usiné. Diamètre : 100 mm < D < 800 mm. Le col a une longueur supérieure à 0,33 d. Diamètre : 50 < D < 250 mm. La longueur du col est supérieure à 0,55 d.

Tube en tôle soudée brute :  

Diamètre : 200 mm < D < 1200 mm. Fabriqué par soudage et non usiné, seul le col est usiné pour les petites dimensions.

01/04/2014


Msc.

506

 VENTURI

– TUYERE : Se compose d’une partie à profil arrondi, d’un col cylindrique et d’un divergent tronconique d’angle au sommet de 15˚. Ce dispositif permet une perte de charge résiduelle inférieur aux systèmes tuyère ou diaphragme et résistant à l’usure. Les prises de pression au col sont des prises individuelles débouchant dans une chambre annulaire et elles sont au nombre de quatre. Limites d’emploi :  Idem au venturi classique  Diamètre : 65 mm < D < 500 mm.

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Msc.

507

Avantages et inconvénient des tubes VENTURI Avantages :  Perte de charge très faible (~ 5 % de la Δp).  Bonne précision = ± 0.5 %;  Conduites de 25 à 3000 mm;  Fluides avec matières en suspension  Longueurs droites faibles.  Admet des fluides chargés.  Peu sensible à l’usure. Inconvénients :  ΔP générée < à celle de l’orifice → transmetteur de pression très sensible  Encombrement important (sa taille peut aller à plus de 6D, sans compter la longueur nécessaire en amont)  Exigent Re > 150 000  Modification impossible.  Coût élevé.

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Msc.

508

Tuyère ( nozzle ):

Elle est considérée comme une variante du tube de VENTURI, est un «diaphragme amélioré ». L'orifice de la tuyère constitue un obstacle dont le diamètre diminue progressivement jusqu’à un minimum. En Europe, c’est la norme ISA 1932 qui est la plus utilisée pour le dimensionnement des tuyères, alors qu’aux Etats-Unis, c’est l’ASME

fig.

Caractéristique:  Prises de pression à D et 0.5D.  Perte de charge de 5% de la Δp. La partie arrondie a généralement un profil en « quart d’ellipse », excepté pour les faibles debits où on utilise un profil en « quart de cercle ». 01/04/2014


fig.f

Msc.

509

Limites d’emploi: 



    

Pression : limitée par la pression nominale de la canalisation. Température : limitée par les possibilité de la canalisation. Diamètre: 25 mm < D < 1500 mm. Fluides avec matières en suspension; Gaz et vapeurs; Précision jusqu'à ± 0.7 %; Exigent Re > 50 000

01/04/2014


Msc.

510



Utilisées principalement pour: 



   



Vitesse élevée, liquide corrosif et non visqueux,

Utilisé quelquefois comme une alternative aux diaphragmes; → corrosion, cavitation = dégât du diaphragme Offre une excellente exactitude à long terme Moins coûteux que le venturi Plus résistant à la corrosion que l’orifice Perte de pression < à celle de l’orifice mais > à celle du venturi ΔP < à celle de l’orifice mais > à celle du venturi

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Msc.

511

Comparaison des organes déprimogènes 

Tableau et graphique résumant les domaines d’emploi et les pertes de charge engendrées.

Performances

Rangea - bilité

Diamètre Canalisation (mm)

Perte De charge

± 2%

3:1

10-1000

±5%

3:1

±7%

3:1

Précisio n

Applications

Coût

Gaz propr e

Gaz chargé

Liquide propre

Boue

Vapeur

Forte

Faible

Oui

Oui

Oui

Non

Oui

25-500

Faible

Fort

Oui

Possible

Oui

Non

Possibe

25-250

Forte

Moyenne

Oui

Possible

Oui

Non

Oui

Diaphragme

Venturi

Tuyere

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Msc.

512

type d’élément primaire Diaphragme

Diamètre de la canalisatio n D(mm) Rapport des diamètres β Nombre de Reynolds Re

01/04/2014

Prise de pression dans les angles

Venturi classique

Venturituyère

Tuyère

Véna contracta

Prise de pression à la bride

Fonderie

Usiné

Tôle soudée

50-1000

50-760

50-760

100-800

50-250

200-1200

65-500

25-1500

0,22-0,80

0,10-0,80

0,10-0,75

0,30-0,75

0,40-0,75

0,40-0,70

0,32-0,77

0,30-0,80

2.105-

2.105-106

2.105 2.106

3.104 2.105

>5.104

5.103-107

6.103-107

8.103-107

2.106


Msc.

513



Perte de charge résiduelle engendrée, en fonction de β , par divers organes déprimogène:

fig.g

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Msc.

514

01/04/2014


Msc.

515

Tube de PITOT 

Notion de pression statique :

Dans un écoulement de liquide on appelle pression statique la pression mesurée à l’aide d’un manomètre à colonne de liquide dont l’extrémité est parallèle au sens de l’écoulement (tube 1). Pratiquement on obtient la valeur approximative de la pression statique grâce à un manomètre de type Bourdon placé sur la ligne. Il faut toutefois que la position de ce manomètre soit à peu prés à la même hauteur que le point de mesure. 01/04/2014


Msc.

516

01/04/2014


Msc.

517

01/04/2014


Msc.

518

Remarque : Il est à noter que les pressions sont en fait des différences de pression entre pression statique du liquide et pression atmosphérique. Il s’agit donc de pressions relatives. 

Notion de pression totale et pression dynamique :

Placé dans une tuyauterie véhiculant un liquide, un manomètre du type « tube de Pitot »dont l’orifice en contact avec le fluide est perpendiculaire au sens de l’écoulement (tube 2), enregistre une pression plus élevée que celle mesurée précédemment. Cette augmentation de la pression s’accompagne de l’apparition d’une énergie cinétique appelé aussi pression dynamique.

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Msc.

519

On note : S : section de la canalisation. ρ: la masse volumique du fluide. La pression totale = la pression statique + la pression dynamique. soit : la pression dynamique = la pression total – la pression statique = ΔP ce qui donne :

1 ρ v 2 = ∆Ρ 2

D’où la mesure de la vitesse du fluide :

v=

2

∆Ρ

ρ

Si on considère que la vitesse du fluide est uniforme sur toute la section S de la canalisation :

∆Ρ QV = S 2 ρ

Le tube de Pitot est l’un des capteurs les plus simples, utilisé dans une large gamme de mesure de débits : entrée d’air dans les voitures de course et les avions de combat. etc.….. 01/04/2014


Msc.

520

Sonde annubar ( Burton )

La formule

QV = S 2

∆Ρ ρ

n’est

applicable que si la vitesse mesurée par le tube de Pitot est quasi-constante sur la section, ce qui revient au même, que si la vitesse mesurée est bien la vitesse moyenne. L’idée est donc de placer, non pas un tube de Pitot, mais plusieurs le long d’une section. Cet ensemble de tubes de Pitot forment une sonde appelée «sonde annubar». Les tubes de prises de pression dynamique et statique ne portent plus une seule ouverture, mais plusieurs réparties afin de mesurer la pression dynamique et statique moyenne.

01/04/2014


Msc.

521



On peut trouver des ensembles de tubes de Pitot placés sur de grandes sections d’écoulement, afin d’avoir une mesure de la vitesse moyenne d’écoulement.

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Msc.

522

Avantages et inconvénients du tube de Pitot Avantages :       

Relativement Peu coûteux Très faible perte de charge. Mise en place simple. Mesure de débits liquides et de gaz; Mesure de débit dans les conduites industrielles ouvertes ou fermées. Peut être placé dans des canalisations déjà existantes sans interruption du processus. Peut être adapté à des conditions extérieures extrêmes.

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Msc.

523

Inconvénients :   

 



Précision médiocre (5 à 10 %) Rangeabilité modeste. Utilisation pour des régimes hautement turbulents ( Re > 20 000 ). Ne convient pas aux fluides visqueux Sensible à l’usure et forte propension de colmatage dans les procédés dont le fluide contient des matières solides. Conduite linéaire sur 10D en amont et 5D en aval.

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Msc.

524

MESURE DE DEBIT PAR ELEMENT DEPRIMOGENE

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Msc.

525



Mesures par pressions différentielles

 Diaphragme

- Principe physique

P1 A 1 Z1 V1

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P2 A2 V2

Msc.

Z2

526

•

Principe de conservation de masse :

Qm = ρ v1 A1 = ρ v2 A2

•

Equation de Bernouilli:

ρv

2 1

2

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+ ρ gz1 + p1 =

ρv 2

2 2

+ ρ gz2 + p2


Msc.

527

• Les termes d'élévation sont négligeables. • Il se produit un changement de pression statique:

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Msc.

528

Donc le débit volumique est donné par:

La

mesure est non-linéaire... E: Cœfficient de vitesse d’approche



β =

donne une correction pour le changement de la forme de la veine du fluide

Diamètre de l’orifice/Diamètre de la canalisation

01/04/2014


Msc.

529

Le débit volumique en fonction de v2 est donc égale à :

qv = v2 A2 = E (2 ∆p ρ )

0,5

πd 2

[2]

4

= 1,11 E d (∆p ρ ) 2

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0,5

Msc.

( unités SI )

530

Pour passer des unités SI aux unités pratiques, il convient de modifier le coefficient numérique en exprimant : -

le temps en heure ( 3600 s) ; le diamètre d en mm ( 1,00 E -3 m) la pression ΔP en mbar ( 1,00 E +2 Pa)

D’où le coefficient numérique :

1,11× 3600 × 1,00 E − 6 × (1,00 E + 2 )

0,5

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Msc.

= 0,04

531

Formule de calcul  Introduction d’un Coefficient de décharge C

• Qui permet de corriger l’erreur due à la perte de • •

charge introduite par l’organe déprimogène Égal au produit Cc x Cv Varie de 0.6 (plaque à orifice) à 0.99 (Venturi)

01/04/2014


Msc.

532

Coefficient de décharge 





Pour un type d’élément déprimogène donné, le coefficient de décharge C est fonction du nombre de Reynolds. Pour chaque type d’élément déprimogène, le cœfficient de décharge est donné dans la norme par une équation spécifique ou sous forme de tableaux . En première approche, pour un diaphragme, on recommande de prendre C=0,6 .

01/04/2014


Msc.

533

 Coefficient de contraction - Cc • Cc < 1 Dépend:

 du nombre de Reynolds  de β  du type et de l’emplacement des prises de pression  du capteur de pression

01/04/2014


Msc.

534

 Coefficient de vitesse – Cv

 Cv < 1 (perte de charge)  Dépend: • du nombre de Reynolds • de β • de la rugosité de la conduite • du capteur de pression

01/04/2014


Msc.

535

Coefficient de vitesse d’approche 

Le coefficient de vitesse d’approche E est défini par la relation suivante :

(

E = 1− β  

)

4 0,5

Le produit CE = α est appelé coefficient de débit. Avec: β = d/D

01/04/2014


Msc.

536

Coefficient de détente 





Fluide incompressible: ε1 =1, Fluide compressible: ε1 < 1. Pour un élément primaire donné, le coefficient de détente est donné dans la norme par une équation spécifique ou sous forme de tableaux. Pour un diaphragme, il dépend de β, de la pression différentielle, de la pression statique et de l’exposant isentropique κ .

01/04/2014


Msc.

537

La masse volumique 



La masse volumique ρ doit être calculée en fonction des conditions d’écoulement (pression statique et température ). Pour les fluides compressibles il est recommandé une correction automatique sur la mesure de la pression amont P

01/04/2014


Msc.

538

La pression différentielle 

La pression différentielle doit être choisie de préférence sur une étendue standardisée (48, 60, 240 ou 480 mbar).

01/04/2014


Msc.

539

 Nouvelle

formule pour le débit:

D’où les formules pratiques suivantes : 0,5 Débit volumique: q v = 0,04CEεd 2 (∆p ρ )

Débit masse:

q m = 0,04CEεd 2 (∆pρ )

0,5

Les coefficients C et E sont donnés, pour une géométrie donnée, dans la norme ISO 5167-1 ou API 2530 (aux USA). 01/04/2014


Msc.

540

 Équation utilisée en pratique

01/04/2014


Msc.

541

 Table de facteurs de calibrage

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Msc.

542

 Nouvelle formule pour le débit  Elle s’applique aux débitmètres suivants  Orifice ou Diaphragme  Tube Venturi  Tuyère NB: seul le coefficient C qui change selon le type de débitmètre:

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Msc.

543

01/04/2014


Msc.

544

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Msc.

545

Mesure de faible pression par un transmetteur de pression différentielle très sensible, on doit installer une claviature à trois vannes pour la protéger des surpressions

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Msc.

546



• •

Conditions du procédé La mesure du débit est dérivée du signal d’une cellule à pression différentielle. Instruments sont affectes par: T°,P 

Température du liquide = effet considérable sur la mesure

Liquide

Evaporation= production de poches de gaz et turbulences Solidification = blocage et perturbations au point de captation de la mesure

Problèmes de débitmétrie dus à la T° = lectures instables 01/04/2014


Msc.

547

•

Des poches de gaz → apparition de basses pressions dans la conduite de détection à haute pression = fluctuations vers le bas du débit mesuré.

 Problèmes plus fréquents avec les diaphragmes et les tuyères.

01/04/2014


Msc.

548



•

Pression des liquides Le débit volumique s’accroît avec la pression et ceci affecte tous les types de débitmètres à pression différentielle. Pour obtenir la mesure correcte du flot volumique, on doit utiliser un débitmètre à compensation de masse volumique .

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Msc.

549

Les erreurs de débitmétrie les diaphragmes sont facilement endommagés par les particules en suspension ou la vapeur saturée. Érosion 

Solides, particules et débris en suspension





Bouchent les conduites de détection Erosion de l’instrument

Avec son biseau fin et aigu, le diaphragme y est particulièrement sensible. La tuyère et même le venturi sont également affecté, mais de façon moindre.

01/04/2014


Msc.

550



Avec l’usure de l’appareil, la pression différentielle des deux côtés du capteur diminuera et le débitmètre donnera des lectures trop basses.

Usure de l’appareil

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Lecture trop basse

ΔP Cotés HP et BP


Msc.

551

Surpression des cellules à pression différentielle  Pressions de fonctionnement beaucoup plus élevées que les pressions différentielles.  Utiliser correctement la claviature à trois vannes.

01/04/2014


Msc.

552

Formation de vapeur dans l’ouverture

• •

Fonctionnement des débitmètres à pression différentielle repose sur une relation entre la vitesse et la pression. Puisqu’il faut moins de pression pour comprimer un gaz, la ΔP de part et d’autre de la cellule à pression différentielle sera plus élevée si le gaz prend de l’expansion (Volume) sur la branche basse pression du capteur.

 Le débitmètre donnera une mesure supérieure au débit réel.

•

Présence de turbulence côté BP du capteur → mesure instable.

01/04/2014


Msc.

553

•

Présence de petite quantité de gaz ou vapeur peut grandement affecter la lecture du débit

•

Phénomène inverse peut se produire (côté HP du capteur) : Apparition de poches de gaz à cause de la cavitation ou se former dans un liquide près de son point d’ébullition

→ les fluctuations vers le bas de la pression dans

la cellule se traduiront par une indication fausse, trop basse (ou même négative) de ΔP.

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Msc.

554

Le blocage de l’ouverture • Impacts à haute vitesse des particules ou les solides en suspension = dégât du débitmètre. • Accumulation de matière dans l’ouverture du capteur = augmente la ΔP dans la cellule. • L’erreur de lecture du débit est fonction de l’importance du débit

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Msc.

555

Obturation ou fuite des conduites de détection

• • • • •

Effets plus prononcés pour les BP différentielles → purger et entretenir les conduites de détection. L’erreur instrumentale dépend de l’emplacement de l’obturation ou de la fuite. Si la conduite côté HP est bloquée ou percée = lecture résultante plus basse. Aberrante si pression côté BP ≥ pression côté HP Conduite bouchée ou percée côté BP → lecture trop élevée.

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Msc.

556

Mesure de Niveau

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Msc.

557

 

   

Mesure du niveau d’un fluide Il est assez fréquent qu’on doive connaître le niveau dans un réservoir Usines de traitement Stations de pompage Niveau d’un réservoir (barrage) Niveau d’une nappe phréatique

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Msc.

558

Contexte industriel: • Mesure continue et précise du volume d’un liquide dans un réservoir → difficile. • Plus difficile dans une centrale nucléaire : liquides très dangereux dont la T° et P très élevées. Dans cette partie nous discutons de la:

• •

Mesure de la hauteur des liquides dans des réservoirs et l’effet de la température, de la pression et de l’environnement sur cette mesure. Egalement les divers modes de défaillance

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Msc.

559



Capteurs et détecteurs de niveau

 Le choix dépend de:

Type d’installation: • Cuve, Réservoir, Extérieur. Nature du produit: • Fluide, Solide. Mode de liaison avec le liquide: • Avec ou sans contacts.

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Msc.

560



Capteurs et détecteurs de niveau

 Visuelle / optique • Tube de verre

 Hydrostatique: • • • • •

Flotteur Plongeur Palpeur électromécanique Capteur de pression Capteur par bullage

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Msc.

561

 Électrique:

• Sonde conductrice • Sonde capacitive

 Calorique:

• Thermistance

 Rayonnement: • • • •

Capteur par rayons gamma Capteur ultrasonique Détecteur optique Capteur par hyperfréquences

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Msc.

562



Unité de mesure des liquides

• 1 gallon canadien ? 1 gallon US.  1.2009 gal. US • 1 gallon = 4 pintes = 8 chopines • 1 litre = 0.264 gallon US = 0.220 gallon canadien • 1 m3 = 1000 litres • 1 pi3 = 7.48 gal. US = 6.23 gal.can. • 1 po3 = 16.387 mm3 = 16.387 ml

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Msc.

563



Densité de certains liquides

À 60 °F: • Eau: 8.334 livres/gallon US • Acide acétique : 8.751 livres/gallon US • Acide citrique: 12.834 livres/gallon US • Chlore: 11.834 livres/gallons US • Mercure: 113.34 livres/gallon US • Bière: 8.417 livres/gallon US

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Msc.

564

 

• • •

Mesure du niveau d’un fluide Il existe trois grandes familles de systèmes pour mesurer le niveau d’un fluide Systèmes à flotteur Systèmes à pression différentielle Autres systèmes

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Msc.

565

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Msc.

566



Mesure de niveau par flotteur Il s'agit d'une mesure directe du niveau car on mesure une hauteur ou un déplacement. C'est le plus ancien principe utilisé mais il arrive encore en troisième position.

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Msc.

567

 

Systèmes à flotteur

Cette familles regroupe plusieurs variantes: 



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Un flotteur est relié à un potentiomètre angulaire par un bras rigide La variation du niveau engendre une rotation (non linéaire !) du potentiomètre → La variation de tension de sortie est corrélée au niveau du fluide


Msc.

568

Mesure de niveau par flotteur Les schémas ci-dessus montrent une réalisation simple mais classique :

•

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La graduation de la règle est inversée, le niveau bas correspondant à la graduation la plus haute et le niveau haut à la graduation la plus basse.


Msc.

569



Systèmes à flotteur

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Msc.

570

 

Systèmes à flotteur Les systèmes avec flotteur et câbles conviennent mieux aux réservoirs plus étroits → Mieux adaptés aux plus

grandes variations de niveau,

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Msc.

571



Systèmes à flotteur 

Le câble est enroulé autour d’une poulie retenue par un ressort La poulie est reliée à un potentiomètre angulaire Relation linéaire entre la variation de niveau et la tension de sortie du potentiomètre

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Msc.

572



Systèmes à flotteur 

Cette configuration convient bien aux réservoirs avec une grande surface et pour de faibles variations de niveau

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Msc.

573

Mesure de niveau par flotteur

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Msc.

574


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Msc.

575

 Mesure de niveau par flotteur Le déplacement du flotteur, donc celui du câble, peut être traduit en un signal de sortie standard 4..20 mA par un capteur/transmetteur électrique de déplacement. Le schéma ci-dessous montre une réalisation plus sophistiquée. Il en existe de nombreuses autres.

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Msc.

576

 Mesure de niveau par flotteur

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Msc.

577


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Msc.

578


• Le flotteur équipé d'un couple •

d'aimants coulisse le long d'un tube étanche qui laisse passer le champ magnétique. A l'intérieur du tube

•

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Déplacement du noyau formé d'un groupe d'aimants accouplés magnétiquement au flotteur en le suivant fidèlement.


Msc.

579

Ce déplacement angulaire peut être traduit en un signal analogique standard 4...20 mA au moyen d'un convertisseur électronique monté dans la tête indicatrice au bout du tambour.

•

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Utilisation avec les liquides corrosifs, sous haute pression ou haute température.


Msc.

580



    

Bilan Disponible en capteur ou détecteur; Grande plage de mesure (de 10 mm à 30 m); Précision de (±0.5 à 5 %); Mesure par contact; Problème avec les liquides visqueux. • Les dépôts font couler le flotteur... • Nettoyer le flotteur régulièrement.

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Msc.

581

 Autre exemple: l'indicateur local ou le transmetteur à relais "reed".

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Msc.

582

Autre exemple: l'indicateur local ou le transmetteur à relais "reed".

• constitué d'un tube de guidage avec •

une chaîne de résistances électriques et une chaîne de relais reed associées. flotteur équipé d'un aimant permanent commute sans contact mécanique avec les contacts électriques bistables type "reed" situés dans le tube.

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Msc.

583

Fonctionnement: • Le déplacement du flotteur fait basculer les contacts des relais reed à la montée, ceux-ci reprenant leur position initiale à la descente • A partir d'une tension fixe, la variation de résistance obtenue permet de fournir une tension proportionnelle au niveau, au pas (espacement vertical) des relais près. • Ce pas peut être de 10 mm ce qui fait une résolution de 1 % sur une étendue de mesure de 1 m. • La tension prélevée sur la chaîne de résistances est traduite en un signal analogique standard (ex: 4..20 mA) proportionnel au niveau par un transmetteur. 01/04/2014


Msc.

584



Transmetteur à relais "reed".

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Msc.

585

Mesure de niveau par plongeur

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Msc.

586

Mesure de niveau par plongeur Basé sur le principe d'Archimède, ce dispositif de mesure a eu un grand succès dans le passé. Il est encore présent dans de nombreuses installations industrielles, mais en perdant du terrain par rapport aux systèmes de mesure hydrostatique ou sans contact comme le radar. 01/04/2014


Msc.

587



Principe d’Archimède

• Tout corps partiellement ou complètement

plongé dans un liquide reçoit, de la part de ce fluide, une poussée verticale, orientée de bas en haut et dont l’intensité est égale au poids du fluide déplacé:

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Msc.

588

 

Systèmes à plongeur

Les systèmes avec plongeur conviennent pour les variations de niveau relativement faibles

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Msc.

589



Systèmes à plongeur 

Le plongeur est relié à une cellule de charge les variations du niveau d’eau engendrent une variation de la poussée d’Archimède sur le plongeur



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Ces variations sont captées par la cellule de charge puis transformées (par calibrage) en une variation de hauteur


Msc.

590

Les variations de niveau engendrent une variation de hauteur du plongeur La variation de hauteur du plongeur est directement captée par le LVDT À partir des caractéristiques du plongeur, du ressort et de la lecture du LVDT, on peut déduire le niveau du fluide Note: la variation de hauteur du plongeur est bien inférieur à la variation de hauteur du liquide

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Msc.

591





Systèmes à Plongeurs Principe

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Msc.

592

Mesure de niveau par plongeur

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Msc.

593

•

•

Niveau du liquide à mesurer est bas:  le plongeur n'est pas immergé et le poids mesuré (la force FPA représentée par la flèche bleue sur l'animation) est égal au poids propre du plongeur Po. Quand le liquide immerge le plongeur  la force mesurée FPA (poids apparent du plongeur) : FPA = P o – PA

diminue lorsque le niveau d'immersion H

01/04/2014

augmente.


Msc.

594

Soit: L : hauteur du plongeur (immergé partiellement) ρ : masse volumique du liquide H: niveau à mesurer . M: masse du plongeur Po : poids du plongeur Po = M.g.

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Msc.

595

• Poussée d'Archimède PA poids Po.

s'opposant au

PA = ρ.g.Vi = ρ.g.S.H = ρ.g.(p.D2/4).H Le poids apparent du plongeur est la force FPA dirigée vers le bas comme Po et de module:

FPA = Po - PA = M.g - ρ.g.S.H

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Msc.

596

•

A condition que la masse volumique du liquide ρ soit constante, le poids apparent a donc un module FPA = a - b.H.

(a et b sont des constantes)

La courbe correspondante est une droite de pente négative car quand H augmente, FPA diminue.

Un dispositif électromécanique traduit le poids

apparent mesuré FPA (d'abord mis sous forme d'un déplacement d par le ressort) en un signal électrique proportionnel au niveau H.

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Msc.

597



Systèmes à plongeur

 Avec cette autre variante,le plongeur est relié à un ressort

01/04/2014


Msc.

598

 Principaux avantages et inconvénients - mesure directe de la hauteur de liquide, indépendante de la masse volumique du liquide

- mesure ne convenant qu'aux liquides

- mesure précise d'un niveau "calme" sur une grande étendue de mesure (plusieurs mètres). Par exemple, précision de quelques mm sur une étendue de mesure de 1 m, soit de l'ordre de ± 0,5 %

- contact avec le liquide (flotteur) et avec d'éventuelles vapeurs ce qui pose problème avec les produits corrosifs ou chargés (dépôts)

- dispositif simple et d'un coût très raisonnable

- sensibilité aux vagues et remous à la surface du liquide (oscillations du flotteur) - entretien nécessaire (mécanique, usure car déplacements, corrosion ou dépôts dus au contact avec le liquide).

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Msc.

599

Exemples de dispositifs de traduction du poids apparent en un signal électrique: • Mesure dynamométrique

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Msc.

600

Descriptif: • Transmetteur monté sur un tube communicant avec le réservoir. Ce tube est parfois appelé "bouteille" de niveau. • Cette "bouteille" peut être raccordée au

•

réservoir avec deux robinets d'isolement et un robinet de purge • Pour permettre une intervention sur le dispositif de mesure sans que cela nécessite l'arrêt de l'installation et la vidange du réservoir.

Un dispositif électronique traduit ensuite la valeur de cette inductance en un signal de mesure électrique standard.

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Msc.

601

 Transmetteur à tube de torsion:

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Msc.

602



Mesure du poids apparent

01/04/2014


Msc.

603

 Transmetteur à tube de torsion:

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Msc.

604

 Transmetteur à tube de torsion: • Les variations du poids apparent du

•

01/04/2014

plongeur font tourner l'extrémité libre de ce tube dans un mouvement de torsion ⇒ un petit déplacement angulaire (de quelques degrés seulement) est transmis à un dispositif électrique de traduction du déplacement en un signal standard 4..20 mA. Le tube de torsion est donc un ressort traduisant le poids apparent du plongeur (force) en un déplacement proportionnel


Msc.

605

•

étanchéité parfaite entre l'intérieur du réservoir et l'intérieur du boîtier du transmetteur. ⇒ C'est pourquoi ce dispositif est très bien adapté aux mesures du niveau d'un réservoir fermé sous haute pression.

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Msc.

606



Équilibre de force

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Msc.

607



    

Bilan Bonne précision (mieux que ±0.5 %); Mesure par contact; Plage de mesure réduite: 30 cm à 6 m; Convient aux liquides visqueux. Permet la mesure du niveau de l’interface de deux liquides de densité différente.

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Msc.

608

Palpeurs Électromécaniques

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Msc.

609

Autres principes de mesure d'un



niveau

Mesure de niveau par palpeur électromécanique • Principe encore utilisé. • Mesure discontinue: l'information sur le niveau n'étant pas instantanée mais remise à jour périodiquement.

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Msc.

610



Principe

• Le palpeur est

descendu jusqu'à ce que l'on touche le produit, puis on mesure la longueur de câble déroulé.

01/04/2014


Msc.

611



Mesure de niveau par palpeur électromécanique

01/04/2014


Msc.

612

 Descriptif:

Un poids (le palpeur) est suspendu à un câble (ou

une bande) passant sur une poulie suspendue à un ressort. Un moteur à deux sens de marche fait descendre ou monter le poids en enroulant ou déroulant le câble sur un tambour.

Le déplacement du câble, donc du poids est

mesuré avec précision au niveau du tambour.

01/04/2014


Msc.

613

 Principe:

Le moteur déroule le câble pour faire descendre le palpeur. Lorsque celui-ci atteint le liquide, la poussée d'Archimède l'allège, ce qui diminue la tension du câble et fait remonter la poulie, d'où le changement d'état du contact électrique qui arrête le moteur et commande la prise en compte de la mesure du niveau .  Après cela, commande de la remontée du poids pour terminer le cycle. Un transmetteur mesurant la rotation du tambour permet d'obtenir un signal analogique standard 4..20 mA.

01/04/2014


Msc.

614

Cette mesure périodique , précise, mais discontinue. Avec un palpeur de forme adaptée, elle peut aussi être utilisée pour la mesure de niveau:

 de solides en poudre,  en grains (ex: silo de blé)  ou en vrac (ex: pierres), • E.M pouvant atteindre 70 mètres.

Ne pas placer le palpeur dans la zone de remplissage du réservoir.

01/04/2014


Msc.

615

 Principaux

avantages et inconvénients

- mesure directe de la hauteur de liquide, donc simple et par conséquent fiable (comme le serait un jaugeage manuel à l'aide d'une pige)

- contact avec le liquide et sa vapeur corrosion, dépôts,...) pouvant détériorer le palpeur et le câble en particulier, et nécessiter un entretien important donc coûteux (corrosion, dépôts,... s'ajoutant à l'usure mécanique des parties en mouvement)

- mesure convenant à presque tous les produits: liquides (visqueux ou non, sauf corrosion importante) ou solides quelque soit leur granulométrie

- mesure périodique, incapable de suivre un niveau évoluant rapidement

- étendue de mesure pouvant aller du mètre à 70 mètres (silos) - mesure très précise d'un niveau "calme". Par exemple, précision de 1 mm sur une étendue de mesure de 1 m, soit de l'ordre de ± 0,1 %

- ne convient pas en cas de pression élevée (au dessus de quelques bars) ou de température élevée (ex: au dessus de 150°C) de la phase gazeuse au dessus du liquide

- mesure très peu dépendante de la masse volumique du liquide et indépendante des autres caractéristiques physiques ou électriques du produit IAP-CU/Boumerdes

01/04/2014

- trou (bride) nécessaire en haut du réservoir

R. BOUDERBALA

Msc.

616



Installation

01/04/2014


Msc.

617



Types de palpeurs

01/04/2014


Msc.

618



Bilan

     

Grande plage de mesure (jusqu'à 70 m) Mesure de niveau liquide et solide; Très bonne précision (± 1 cm); Mesure par contact; Éviter de mesurer pendant le remplissage. Coûteux.

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Msc.

619

MESURE DE NIVEAU Par Capteurs de pression

01/04/2014


Msc.

620

MESURE DE NIVEAU Par Capteurs de pression

•

On peut trouver la hauteur d’un liquide dans un réservoir en mesurant la pression, si le poids volumique est constant.

ρ: masse volumique (kg/m3) h: hauteur g: accélération gravitationnelle= 9.81 m/s2 01/04/2014


Msc.

621

• Les capsules à pression différentielle sont •

les dispositifs les plus souvent utilisés pour mesurer la pression à la base du réservoir. Pour maximiser la sensibilité  utiliser une capsule dont la sensibilité est la plus proche possible des pressions prévues pour le liquide.

01/04/2014


Msc.

622

• Toutefois, les pression de systèmes sont •

souvent beaucoup plus élevées que la pression hydrostatique que l’on doit mesurer. Installation ou enlèvement: 

Application accidentelle de la pression du procédé à un seul côté de la capsule → Risque de surpression et elle pourrait être endommagée = mesures erronées.

01/04/2014


Msc.

623

La claviature à trois vannes ( manifold) • Pour prévenir l’application d’une surpression sur la capsule. • Isoler le transmetteur de la boucle du procédé. Formée : • de deux vannes de coupure, pour les pressions haute et basse • et d’une vanne d’équilibrage des pressions.

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Msc.

624

La claviature à trois vannes ( manifold)

01/04/2014


Msc.

625

Activités normales : • Vanne d’équilibrage fermée (OFF) • et les deux vannes de coupure ouvertes (ON). Isolation ou Remise en Service • Actionner les vannes de façon à ne pas exposer un seul côté de la capsule à pression différentielle à une pression élevée. Actionnement de la claviature à trois valves Mise en service du transmetteur de pression • Actions à effectuer pour brancher le transmetteur de pression différentielle au reste du réseau: 01/04/2014


Msc.

626

A/ Contrôler que toutes les vannes sont fermées. 1. Ouvrir la vanne d’équilibrage = pression identique sera appliquée aux deux côtés du transmetteur → la pression différentielle sera nulle. 2. Ouvrez lentement la vanne de coupure du côté HP. Contrôlez la présence de fuite aux côtés HP et BP du transmetteur. 3. Fermez la vanne d’égalisation = stabilisation la pression des deux côtés du transmetteur. 4. Ouvrez la vanne de coupure de la BP afin d’appliquer la pression du procédé sur le côté BP du transmetteur et créer la différence de pression normale. 5. Le transmetteur est maintenant en service.

Nota : Il pourrait être nécessaire de purger l’air emprisonné dans le boîtier de la capsule. 01/04/2014


Msc.

627

B/ Isoler le transmetteur du réseau Pour retirer le transmetteur du service, il suffit d’inverser la procédure exposée ci-dessus. 1. Fermer la vanne de coupure du côté basse pression. 2. Ouvrir la vanne d’équilibrage. 3. Fermer la vanne de coupure du côté haute pression. Le transmetteur est maintenant isolé. Nota : L’intérieur du boîtier de la capsule du transmetteur est encore à la pression du procédé. Il faudra la purger.

01/04/2014


Msc.

628



Systèmes à pression différentielle

 La différence (∆P) entre la pression à la surface d’un liquide et la pression à une profondeur h est:

 Lorsque la masse volumique du liquide est

connue, la mesure du différentiel de pression (∆P) permet de déduire le niveau du liquide

01/04/2014


Msc.

629



RÉSERVOIR OUVERT:

01/04/2014


Msc.

630



RÉSERVOIR OUVERT:

01/04/2014


Msc.

631



Le transmetteur de niveau fonctionne comme un simple transmetteur de pression. Il suffit simplement de mesurer la pression hydrostatique (P2) ou HP au fond du réservoir

Ce qui s’exprime comme :

PHP = Patm + S.H PBP = Patm ΔP = PHP – PBP = S.H

•

•

S :poids volumique du liquide mesuré en N/m3 et H : hauteur de la colonne de liquide en mètres.

01/04/2014


Msc.

632

Le poids volumique, est défini comme :

S=g⋅ρ

où: ρ :masse volumique mesurée en kg/m3 g :accélération gravitationnelle (9,81 m/s2). ΔP = g ⋅ ρ .H

On peut étalonner le transmetteur de niveau pour qu’il émette un signal de 4 mA lorsque la cuve est vide et de 20 mA lorsqu’elle est pleine.

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Msc.

633

Attention: La pression BP de l’autre côté du capteur doit correspondre à la pression atmosphérique Il existe des appareils de mesure de la pression différentielle qui peuvent être fixés directement contre la paroi du réservoir Pas de risque de blocage du conduit aval du capteur de pression 

A condition que la masse volumique du liquide ρ soit constante, la pression P mesurée est proportionnelle au niveau de liquide H. 01/04/2014


Msc.

634



Cas 1 : Le réservoir est ouvert et le transmetteur de pression est au même niveau que le niveau mini à mesurer.

• Échelle du transmetteur

P=h. d soit P=2. 1 =2m CE  pas de décalage du zéro.

01/04/2014


Msc.

635



• • •

Cas 2 : Le réservoir est ouvert et le transmetteur de pression est décalé par rapport au niveau mini à mesurer.

Étendue d'échelle du transmetteur P=h.d soit P=2.1=2mCE Décalage du zéro P mini =1,2. 1 =1,2mCE Échelle du transmetteur 1,2 à (1,2 + 2) =1,2 à 3,2mCE

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Msc.

636



Cas 2 (suite):

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Msc.

637



Schéma de montage du transmetteur

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Msc.

638

 Transmetteur de niveau à membrane arasante (affleurante)

•

Présence dans le liquide de dépôts solides en fond de réservoir: cristallisant, très visqueux Risque de bouchage de la prise de pression du capteur

Pose problème.

01/04/2014


Msc.

639

 Transmetteur de niveau à membrane arasante

01/04/2014


Msc.

640

Première solution envisageable:

• un capteur hydrostatique de niveau

spécial avec une membrane de grand diamètre.

L'appareil est monté directement sur une

bride en bas du réservoir. Il n'y a donc pas de prise de pression ni de robinet d'isolement, ce qui évite le risque de bouchage à ce niveau. Nettoyage périodique de la membrane sur place (sans démonter le capteur, avec un jet d'eau par exemple) lorsque le réservoir est vide.

01/04/2014


Msc.

641

Deuxième solution • Protection du capteur par liquide tampon

ou par insufflation de gaz neutre • Pour éviter tout contact entre le liquide du réservoir et le transmetteur lorsque ce fluide est très corrosif ou a une température élevée,

⇒ Liquide neutre chimiquement, plus dense que le liquide contenu dans le réservoir dont il va prendre la place dans le tuyau de prise de pression du capteur. ⇒Le capteur étant monté plus bas que la prise de pression sur le réservoir (piquage). 01/04/2014


Msc.

642



En résumé:

 Cette méthode de mesure est très   

répandue; Sensible aux variations de densité et de température; Bonne précision (± 0.2 %); Si capteurs à membrane, prendre des précautions avec: • Liquides corrosifs et particules en suspension (usure).

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Msc.

643



RÉSERVOIR FERMÉ:

01/04/2014


Msc.

644

Mesure en réservoir fermé • Formation de gaz ou de la vapeur audessus du liquide → compenser pour la pression supplémentaire du gaz. • Tout changement de la pression du gaz se traduira par une variation dans le signal du transmetteur. Dans certains cas, la pression exercée par la phase gazeuse peut être si élevée que la pression hydrostatique de la phase liquide soit négligeable. 01/04/2014


Msc.

645

•

Par exemple: la pression hydrostatique d’un générateur de vapeur d’une centrale CANDU pourrait n’être que de 30 kPa (trois mètres), alors que la pression de vapeur atteint habituellement 5 MPa. On peut compenser cette différence en appliquant la Pgaz aux deux côtés du LT. On utilise alors la Pgaz comme Pref sur le côté BP de la cellule à pression différentielle. On comprend facilement l’utilité de la claviature à trois vannes pour protéger la cellule de ces surpressions. 01/04/2014


Msc.

646



Réservoir fermé 

La mesure du niveau dans une cuve fermée, exige un arrangement différent des conduites de pression,

Attention : au blocage des conduits par des matières en suspension

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Msc.

647



Réservoir fermé

01/04/2014


Msc.

648

Nous avons :

• La pression due au gaz est éliminée, •

seule la pression causée par la hauteur du liquide est mesurée. Lorsque la conduite de BP est connectée directement à la phase gazeuse au-dessus du liquide, on parle de conduite sèche.

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Msc.

649

Conduite sèche

Installation avec une conduite sèche et une claviature à trois vannes 01/04/2014


Msc.

650

•

Si le gaz peut se condenser (Ex : vapeur d’eau )  Formation de colonne de liquide dans conduite à BP → Laquelle exercera une pression supplémentaire dans la moitié BP du transmetteur. Solution envisageable : • Résoudre cette difficulté en installant un pot de condensation sous le transmetteur, du côté BP • Purger régulièrement le liquide du pot de condensation, pour s’assurer que la conduite de pression ne contient que du gaz.

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Msc.

651

Schéma de montage du transmetteur de niveau

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Msc.

652

• En pratique, •

conduite sèche rarement utilisée à cause de la fréquence des opérations d’entretien nécessaires. Utilisation de conduite humide ou noyée pour mesurer les niveaux dans les cuves fermées.

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Msc.

653

Conduite noyée • Dans ce type de système, la conduite de basse pression est complètement remplie de liquide (normalement le même liquide que le procédé), d’où son nom de « conduite noyée ». • Le transmetteur de niveau et sa claviature à trois vannes remplissent les mêmes rôles que dans le système à conduite sèche.

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Msc.

654

Montage avec une conduite noyée

Pot de Référence

Vannes de purge et remplissage de conduite HP et conduite humide

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Msc.

655

• Dans ce type de système, la conduite de BP •

est complètement remplie de liquide (même liquide que le procédé), d’où son nom de « conduite noyée ». Le transmetteur de niveau et sa claviature à trois vannes remplissent les mêmes rôles que dans le système à conduite sèche..

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Msc.

656

Compensation pour la hauteur • Difficulté de placer les cellules à pression différentielle exactement au fond des cuves. • Le système de mesure doit donc tenir compte la pression hydrostatique du liquide dans les conduite de détection. • Deux compensations sont nécessaires.

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Msc.

657

1. Déplacement du zéro vers le bas

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Msc.

658

Dans la cuve, le liquide exerce une pression variant en fonction de sa hauteur, H, sur la moitié HP du LT. Le liquide dans la conduite de détection à HP exerce également une pression sur le côté HP. PHP = ρ.g.H + ρ.g.X + Patm PBP = Patm ΔP = ρg(H-X)= ρ.g.H – ρ.g.X

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Msc.

659

• • • •

Dans la cuve, le liquide exerce une pression variant en fonction de sa hauteur, H, sur la moitié HP du LT. Le liquide dans la conduite de détection à HP exerce également une pression sur le côté HP.. À cause de cette pression constante = ρ.g.X le signal de sortie sera supérieur :

• •

A 4 mA si la cuve et vide et à 20 mA si elle est pleine.

Il faut tarer le transmetteur par une valeur égale à – ρ.g.X pour que son signal soit purement proportionnel à ρ.g· H

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Msc.

660

• cette procédure

effectuée lors de l’étalonnage du transmetteur est appelée :

• •

« tarage à zéro vers le bas » Ou « déplacement du zéro vers le bas »

• On peut installer dans le transmetteur un accessoire de déplacement du zéro.

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Msc.

661

 Cas

d'un réservoir fermé sous pression de gaz ou de vapeur

ρG ρ1 ρ2

ρ2

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Msc.

662



Soit HP :haute pression BP : basse pression Appelons : • ρ1 : masse volumique du liquide dans le réservoir, • ρ2 :masse volumique de la vapeur condensée (côté BP) égale à la masse volumique du liquide dans l'autre prise de pression (côté HP). Mais c'est une simplification car ces deux masses volumiques sont souvent différentes du fait d'une température différente. • ρG ;masse volumique de la vapeur

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Msc.

663

Nous pouvons donc écrire: HP = ρ2.g.H1+ ρ1.g.H + ρG.g.(H2-H) + Pg BP = ρ2.g.(H1+H3) + Pg D'où : soit :

∆P = HP - BP ∆P = ρ2.g.H1+ ρ1.g.H + ρG.g.(H2-H) +Pg - [ρ2.g.(H1+H3)+Pg]

Après simplification : ∆ P = (ρ1 - ρG).g.H + ρG.g.H2 - ρ2.g.H3

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Msc.

664

Si les masses volumiques ρ1, ρ2, et ρG sont constantes,  ∆P = k.H + Cte. Les variations du signal de sortie du transmetteur sont donc bien proportionnelles aux variations du niveau H. La courbe représentative est une droite. La pression différentielle mesurée (∆P) ne dépend plus de la pression de la phase gazeuse Pg. 01/04/2014


Msc.

665

•

L'étendue d'échelle est ici égale à : (ρ1 - ρG).g.(Hmax - Hmin), Hmax et Hmin étant les valeurs maximale et minimale du niveau H mesuré. En général, Hmin = 0 et Hmax = H2.

•

Le décalage de zéro du transmetteur est ici égal à : ρG.g.H2 - ρ2.g.H3. Cette valeur est négative car lorsque H=0, la haute pression HP est inférieure à la basse pression BP.

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Msc.

666

2. Déplacement du zéro vers le haut

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Msc.

667

2. Déplacement du zéro vers le haut La moitié BP du LT sera toujours soumise à une pression supérieure à la moitié HP. Cette situation s’explique par le fait que la hauteur de la conduite noyée: X ≥ Hmax (liquide) Donc : PHP = Pgaz + ρgH PBP = Pgaz + ρgX ΔP = PHP – PBP = ρgH – ρgX = ρg ( X – H)

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Msc.

668

•

• •

La différence de pression, ΔP, exercée sur le transmetteur est toujours négative ( car PHP < PBP c.a.d X >H)

• •

Si la cuve est vide, ΔP = – ρ.g · X et, si elle est pleine, à ΔP = – ρ.g · (X – H).

Corriger à l’étalonnage cette erreur négative constante, égale à ρ.g · X → SINON le LT donnera toujours des valeurs trop basses. Pour étalonner correctement le LT on doit donc lui donner un biais positif constant égal à + ρ.g · X Cette technique de tarage est appelée déplacement du zéro vers le haut.

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Msc.

669



Autres méthodes de mesure du niveau d’un fluide: Capteurs par bullage (Bubblers)

Pm = Pi = ρ. g.H 01/04/2014


Msc.

670



Utilisation d’un limnimètre à bulles dans une cuve ouverte

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Msc.

671

Principe: On injecte un gaz inerte dans un tube. La pression nécessaire pour faire sortir le gaz du tube est proportionnel à la hauteur de liquide.

•

La pression Pm mesurée par le transmetteur est donc quasiment égale à la pression Pi du gaz insufflé à l'extrémité de l'insufflation Pm = Pi = ρ.g.H

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Msc.

672

Le débit d'insufflation est faible et maintenu

constant par un micro-régulateur de débit dont la consigne est ajustable. Ce régulateur maintient constante la ΔP aux bornes d'un orifice de section réglable (réglage de la consigne du débit) par une membrane soumise à cette ΔP et agissant sur l'ouverture d'un orifice d'admission du gaz. Ainsi, la perte de charge due à l'écoulement du gaz dans la conduite et la canne d'insufflation est constante et négligeable. NB: Le capteur de pression n'est en contact qu'avec le gaz insufflé, pas avec le liquide du réservoir. 01/04/2014


Msc.

673

En résumé: • Sensible aux variations de densité et de température; • Le capteur de pression ne touche pas au liquide; • Très bonne précision (± 2 mm); • Très simple et économique; • Consommation d'air d'environ 0.015 m3/h; • Plage de 60 m.

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Msc.

674

Effet de la température sur la mesure du niveau • Les mesures du niveau à partir de la ΔP, sont par définition affectées par la température et la pression. On se rappelle que : la pression à la base de la colonne de liquide, P, dépend directement de sa hauteur, H, et de la masse volumique du liquide, ρ. On peur récrire cette relation,: P ∝ Hρ , en fonction de la hauteur : H ∝ P/ρ

•

Or, la masse volumique d’un liquide ou d’un gaz est inversement proportionnelle à sa température : ρ ∝ 1/ T Donc pour une quantité fixe de liquide dans une cuve, la pression, P, exercée à la base sera constante, mais H, la hauteur variera directement avec la température : H∝T.

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Msc.

675

Une quantité donnée liquide est, à la figure (b), soumise à une température plus élevée :

(a) Température basse du Procédé

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(b) Température haute du Procédé


Msc.

676

•

La masse reste inchangée en passant de (a) à (b), la pression exercée à la base de la cuve n’aura pas changé. → l’indication de la hauteur du liquide restera la même. • Toutefois, puisque le volume qu’occupe le liquide a augmenté, sa hauteur s’est accrue.

•

Scénario fréquent en contexte industriel.

•

Supposons que l’on ait étalonné un transmetteur de niveau pour qu’il donne une Indication exacte à 75 ºC.  Si la température du procédé monte à 90 ºC, comme à la figure (b), le niveau réel sera supérieur au niveau indiqué. → Une telle erreur due à la température est également possible dans les appareil dotés d’une conduite noyée

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Msc.

677

Effet de la température sur un appareil à conduite noyée

T2

T2, température conduite de référence

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Msc.

678

• Si: • •

T1 (procédé) = T2 (conduite ref.) = T3 (étalonnage LT) → une indication exacte du niveau. Cependant, si :la température du T1 augmente, H (hauteur liquide) augmentera, sans → → indication inchangée du niveau D’autres erreurs sont possibles : 

si T1 ≠ T2 les températures du liquide dans la conduite de référence et la conduite de mesure sont différentes. 

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T2 > T1 → indication (lecture) plus haute que la réalité (erreur positive) IAP-CU/Boumerdes R. BOUDERBALA

Msc.

679

Exemple : • considérons les variations de la température de l’environnement d’une cuve de liquide dotée d’une conduite noyée.

•

• •

Si T° Chute et que la conduite noyée refroidit,

→ ρL augmentera. → Par contre, TProcédé en variera pas (à cause de son grand volume et son contact avec le procédé). Conséquemment, P augmentera dans la conduite de référence → et l’appareil indiquera un niveau plus bas. Si un tel refroidissement affecte la mesure du niveau dans le générateur de vapeur, → l’indication trop basse de niveau dans le système d’arrêt pourrait déclencher inutilement une chute de puissance contrôlée.

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Msc.

680

•

Toutefois on peut dans ces situations, éviter les chutes de puissance contrôlées dues à des niveaux trop élevés.

•

Dans une situation extrême, la conduite noyée pourrait geler, rendant inopérant le système de mesure  éviter cette éventualité en enroulant la conduite avec un fil chauffant

• •

augmentation de T°, la présence de bulles de gaz ou de vapeur, ou encore l’assèchement de la conduite noyée : → indication faussement haute du niveau. indication artificiellement élevée du niveau ( alors que le niveau réel est dangereusement bas) → Inactivation d’un système de sécurité ajusté pour réagir à une valeur basse d’un paramètre d’arrêt.

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Msc.

681

•

Niveau réel si bas: → phénomène de cavitation dans les pompes aspirant le liquide du réservoir ou la diffusion de gaz dans les pompes;

•

Deux éventualités menant à leur blocage, par le gaz, et la réduction ou la fin de leur débit.

Si les pompes sont reliés à un système de sécurité( système d’injection dans le coeur du réacteur ou un système connexe comme le circuit caloporteur primaire) → cette erreur de lecture pourrait conduire à une dégradation du système de protection et augmenter la probabilité d’un endommagement du combustible. 01/04/2014


Msc.

682

L’effet de la pression sur la mesure du niveau Aussi, la pression affecte (comme la T°) les indications des systèmes de mesure de niveau basés sur la ΔP. → Toutefois ces effets sont moindres . • On se rappellera que la pression à la base d’une colonne de liquide, PL, dépend directement de sa hauteur, H, et de sa masse volumique ρ On peut récrire cette relation , P ∝ HρL en fonction de la hauteur: H ∝ P/ρL 01/04/2014


Msc.

683

•

La masse volumique d’un liquide ou d’un gaz est directement proportionnelle à la pression du procédé, ou pression de système, Ps : ρ ∝ Ps . → Donc, PL (pression du liquide) exercée à la base de la cuve demeurera constante,  mais sa hauteur variera en fonction inverse de la température du procédé ou du système : H ∝1/ Ps • Puisque la plupart des liquides sont quasi incompressibles, la pression du procédé n’affectera pas le niveau, sauf s’il y a une grande quantité de vapeur 01/04/2014


Msc.

684

Les erreurs de mesure de niveau • Techniques de mesures décrites sont indirectes • Indication du niveau repose sur la pression exercée par la hauteur du liquide contenu dans une cuve sur une cellule de pression différentielle. • Les problèmes provenant de l’environnement ont un impact considérable sur la précision de ces mesures indirectes.

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Msc.

685

Branchement • une source d’erreurs fréquentes est l’inversion des conduites de détection vers la cellule de pression différentielle.  faute plus facile à commettre lorsque la pression de fonctionnement est élevée relativement à la pression hydrostatique due à la hauteur du liquide, notamment pour les cuves fermées. • Si Branchement incorrecte de la cellule ΔP → l’indication de niveau descendra quand la hauteur du liquide s’élèvera. 

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Msc.

686

Surpressions • Les cellules de ΔP sont munis d’une claviature à trois vannes pour éviter les surpression et faciliter l’enlèvement des cellules pour l’entretien. → Une utilisation incorrecte peut provoquer une surpression accidentelle de la cellule. Conséquences :

• •

se brisera sur le coup dans d’autres, le diaphragme interne peut être tordu.

→ Selon la nature de la défaillance, la mesure pourrait être trop haute ou trop basse. Note : si l’on ouvre accidentellement la vanne d’équilibrage de la claviature, → l’indication du niveau tombera à zéro puisque la pression sera égale sur les deux moitiés de la cellule. 01/04/2014


Msc.

687

Conduites de détection • Veines et les artères des cellules de pression différentielle, elles doivent remplir correctement leurs fonctions. • Problèmes les plus fréquents :

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Msc.

688

1. Obstruction des conduites de détection • Conduites de détection de petit calibre sont sujettes au blocage par des particules en suspension, → mesures imprécises.  Il est nécessaire de purger et de rincer périodiquement les conduites de détection.

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Msc.

689

2. La purge des conduites de détection • Purger les conduites pour retirer les débris ou les particules qui peuvent se déposer au fond de la cuve et dans les conduites. • Dans les cuves fermées avec des conduites sèches :

•

éliminer périodiquement le condensât des gaz et vapeurs

→ pour empêcher l’apparition d’une pression due à ces liquides dans la conduite basse pression.  Négliger cet entretien résultera en une indication trop basse du niveau par rapport à la réalité. 01/04/2014


Msc.

690

Lors des purges:

→ suivre les procédures à la lettre pour protéger les

cellules de pression différentielle de la surpression. Une telle éventualité pourrait survenir si :

•

Avant de procéder, on ne ferme pas les vannes d’isolation et l’on n’ouvre pas la vanne d’équilibrage.

•

Perte de liquide dans une conduite noyée (de référence), causée par une fuite ou une purge → provoquera une indication anormalement élevée du niveau.

•

Une fuite dans la conduite du procédé (de mesure) → donnera une indication anormalement basse du niveau.

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Msc.

691

Autres méthodes de mesure du niveau d’un fluide 

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Msc.

692



•

Principe

Il suffit simplement que le liquide conducteur ferme le circuit électrique pour détecter le niveau.

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Msc.

693



Un conditionneur de signal (pont Wheatstone) permet de mesurer cette résistance Le système est calibré en fonction du type de liquide conducteur Ce système est bien adapté à la mesure des grandes variations de niveau

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

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Montages typiques


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695



• • • • • • •

Bilan Détection tout-où-rien; Usage limité aux liquides conducteurs; Sensible aux liquides corrosifs; Sensible aux liquides visqueux laissant des dépôts isolant; Peut détecter le niveau de charbon en poudre; Températures de -200 à +400 °C; Point de commutation à prix minimum.

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

Autres méthodes de mesure du niveau d’un fluide

Sonde capacitive

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Sonde capacitive

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698



Principe de la mesure capacitive du niveau d'un liquide isolant

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699



Principe



Mesurer la capacitance du circuit pour connaître le niveau. e en F/m

•

• (eo = 8.854x10-12 F/m)

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700



•

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Application: liquide isolant Réservoir métallique ou non.


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701

 Principe • Niveau très bas : tige non immergée dans le

•

liquide  mesure la capacité C d'un condensateur dont le diélectrique est le gaz (ou la vapeur). Niveau est à son maximum: tige complètement immergée dans le liquide, ⇒ mesure la capacité C d'un condensateur dont le diélectrique est le liquide.

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702

⇒Cette capacité est donc égale au

double de la précédente compte tenu des valeurs respectives des permittivités relatives du gaz (vapeur) et du liquide.

• Niveau a une valeur intermédiaire: tige

partiellement immergée dans le liquide,

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703

on mesure une capacité C = C1 + C2 de deux condensateurs reliés en parallèle dont le diélectrique est le gaz (vapeur) pour C1 et le liquide pour C2.

H est le niveau de liquide mesuré par rapport à l'extrémité inférieure de la tige et non pas par rapport au fond du réservoir. C'est donc la hauteur d'immersion de la tige dans le liquide.

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704

• • • • • •

l : hauteur maximale d'immersion de la tige dans le liquide H: hauteur d'immersion de la tige dans le liquide. εrL : permittivité relative du liquide εrG : permittivité relative du gaz (ou de la vapeur). r1 : rayon intérieur du réservoir r2 : rayon de la tige. .

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C2= εrL. ε0.2π.H / ln(r1/r2) C1= εrG. ε0.2 π .(l-H) / ln(r1/r2) C= C1+C2 Soit : C= ε0 . 2 π .[(εrL - εrG ).H+ εrG .l] /ln(r1/r2) Donc, si εrL et εrG sont constantes,

C=a x H+b

La relation est alors linéaire. 01/04/2014


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706

Transmetteur : Capacité  signal standard (analogique 4..20 mA Remarques: en réalité, le fond et le haut du réservoir modifient la valeur de la capacité mesurée. Un réglage du zéro sur le site permet de ne pas s'en soucier.

si εrL

≠ cte, ⇒ compensation automatique avec mesure en permanence de la capacité d'un condensateur de référence toujours entièrement immergé dans ce même liquide.

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707

 Applications (réalisations et montages) • Réservoir métallique ( armature du condensateur)

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708

•

Réservoir métallique ( armature du condensateur)

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709

•

Réservoir non métallique (par exemple en PVC ou en béton)

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710



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Application: liquide conducteur

•

Réservoir métallique ou non.


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711

• Réservoir non métallique (par exemple en PVC ou en béton)

Le condensateur est constitué de la tige verticale autour de laquelle un tube cylindrique métallique (percé de quelques petits trous à sa partie supérieure) joue le rôle de la seconde armature. La distance entre les deux armatures du condensateur étant beaucoup plus petite, cela augmente la valeur de la capacité mesurée donc améliore la mesure mais en contrepartie cela facilite le colmatage. Il est aussi possible de disposer une large feuille métallique contre la paroi extérieure du réservoir. Cette feuille sera la seconde armature du condensateur.

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712

 Cas d'un liquide conducteur (ex: eau du robinet, acide)

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 Cas d'un liquide conducteur (ex: eau du robinet, acide)

Le condensateur est constitué par une tige métallique obligatoirement entourée entièrement d'une gaine assez mince en matière plastique isolante (ex: P.T.F.E.) et le liquide. • La tige est la première armature du condensateur, • le diélectrique est constitué que de la gaine isolante, • le liquide conducteur est la seconde armature. Ce liquide est en contact avec le métal du réservoir (ou avec une autre électrode métallique si le réservoir est en plastique) qui assure la liaison de masse

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714

 •

Cas d'un liquide conducteur (ex: eau du robinet, acide) Sonde non immergée dans le liquide:  le condensateur est constitué par la tige et le réservoir,  le diélectrique étant principalement la phase gazeuse qui les sépare d'où une faible capacité C0.  Lorsque le niveau atteint la sonde et monte,  la capacité C0 du condensateur précédent diminue mais s'y additionne la capacité C1 du condensateur constitué par la tige, la gaine et le liquide. C1 est prépondérante car la distance entre armatures e est faible car égale à l'épaisseur de la gaine isolante.

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715

Cette gaine isolante ayant une épaisseur et une permittivité relative constantes, C1 varie proportionnellement au niveau H d'immersion de la sonde dans le liquide. ⇒ Donc, la capacité totale mesurée C est là aussi liée à H par la relation :

C=a.H+b. Avantage: elle n'est pas influencée par les caractéristiques électriques du liquide qui doit toutefois posséder une conductivité minimale.

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716



Montage de la sonde

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

Détection de niveau

 Détecteurs tout ou rien  Détecteurs de proximité capacitive

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 Avantages

et inconvénients

- utilisable dans un grand nombre d'applications (liquide conducteur ou non conducteur électrique, solide isolant, pulvérulent, granuleux, en vrac, liquide agité ou moussant, basses ou hautes pressions, basses ou hautes températures, zone explosive, )

- sonde en contact avec le produit (risque de corrosion avec une sonde métallique non gainée, de dépôts, de colmatage, ...)

- bonne robustesse.

- mesure dépendant de la valeur des constantes diélectriques du produit lorsqu'il est isolant et de la phase gazeuse. Par exemple, les variations de la température peuvent avoir une influence.

- mesure indépendante de la masse volumique du liquide, et dans de nombreux cas, mesure indépendante de la pression et de la température

- inutilisable avec les produits colmatants s'accrochant à la sonde ou aux parois du réservoir et faussant la mesure, mais une mesure de la résistance électrique du produit en plus de la capacité (sonde par admittance) peut parfois résoudre le problème.

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719

 Avantages et inconvénients (suite) - avec un liquide conducteur, seule la gaine plastique isolante de la sonde est en contact avec le produit, donc le fluide peut aussi être corrosif

- du fait de la faible valeur de la capacité mesurée, la mesure est délicate, sensible aux parasites électriques (orages, ondes électromagnétiques, ...) et à la présence de masses métalliques (par exemple, un camion stationné près du réservoir) qui changent la valeur de cette capacité

- mesure linéaire et d'assez bonne précision si les constantes diélectriques du produit isolant (eL) et du gaz (eG) ne varient pas ou avec un liquide conducteur. L'incertitude globale peut être inférieure à ±1%. Remarque: une compensation des variations de la valeur de eL est possible avec un condensateur de référence constamment immergé dans le produit

- contraintes mécaniques du produit sur la sonde possibles (ex: produit en vrac, agitation)

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720

 Avantages

et inconvénients (suite)

- étendue de mesure pouvant aller de quelques dizaines de cm à plus de 10 mètres (silo à blé par exemple)

- dispositif de mesure nécessitant une ouverture en haut du réservoir ou deux "piquages" sur le côté du réservoir pour une mesure en dérivation

- peu d'entretien nécessaire. Pas de pièce en mouvement.

- nécessite un étalonnage sur site avec vidange de la cuve

- coût global souvent intéressant

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Autres méthodes de mesure du niveau d’un fluide Capteurs ultrasoniques 

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Mesure de niveau sans contact (mesure non "intrusive") Ce type de mesure consiste à mesurer le niveau: soit avec un dispositif d'émission et de réception d'une onde sonore, ultrasonore ou électromagnétique, soit avec un dispositif de pesage du réservoir. L'émetteur et le récepteur de l'onde ou les capteurs de poids (pesons) n'ont aucun contact avec le produit contenu dans le réservoir. 01/04/2014


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 Mesure de niveau par ondes acoustiques ou •

par ultrasons Sons et ultrasons L'onde sonore ou ultrasonore est une onde mécanique due à une vibration des molécules de la matière.  Elle se propage dans toutes les directions, donc de manière sphérique, grâce à un support matériel. Ce support peut être solide comme une structure métallique qui vibre, liquide, ou gazeux (ex: air atmosphérique, vapeur).

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Cette onde ne peut donc pas se propager dans le vide, contrairement à une onde électromagnétique. De plus, il faut la guider pour qu'elle se propage dans une direction donnée. En dessous de 16000 Hertz (Hz), ces ondes sont dites sonores, audibles au dessus de quelques dizaines d'Hertz.  Au dessus de 16000 à 20000 Hz (20 kHz), se situe le domaine des ultrasons, inaudibles par l'homme mais audibles par certains animaux (ex: chiens, chauvesouris). 01/04/2014


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725

Exemple de propagation du son:  dans un solide de l'ordre du km/s (ex: 5 km/s dans l'acier),  dans un liquide (ex: 1435 m/s dans l'eau à 8°C) quelques centaines de m/s dans les gaz (ex: 331 m/s dans l'air à 0°C). Mais dans un gaz, cette vitesse dépend fortement du milieu (composition, pression, température; par exemple une élévation de température de 1°C augmente la vitesse de propagation du son dans l'air de 0,6 m/s). 01/04/2014


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726

•

•

Réflexion de l'onde sonore ou ultrasonore (rayon lumineux) par les surfaces solides et liquides. cas d'un liquide : une partie de l'onde est absorbée, l’autre réfléchie:  c'est l'écho Nombreuses applications civiles ou militaires, par exemple: Le sonar: L'échographie.

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 Principe

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de la mesure du niveau par ultrasons


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728



Principe • Une onde sonore à haute fréquence est émise vers la surface sous forme de brèves impulsions ultrasonores à intervalles de temps constants (ex: 25 fois par seconde). • Mesure du temps de parcours aller et retour t = 2.(Hmax - H) / C Calcul de la la hauteur de creux H c = Hmax-H, d'où H = Hmax - (C.t / 2)

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Msc.

729



Principe

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Msc.

730

•

Réalisation de la mesure du niveau par ultrasons

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Msc.

731

•

Montage combiné: Elément piézo-céramique commandé par de courtes impulsions électriques. Cet élément entre en oscillation et vibre à la fréquence du courant qui l'excite, générant ou modulant un courant électrique alternatif de même fréquence  La sonde de température permet de corriger les variations de la vitesse de propagation dues aux variations de la température de la phase gazeuse. La membrane peut être réalisée en matériau résistant à la corrosion ou revêtue de cette matière (ex: P.T.F.E, P.V.D.F). IAP-CU/Boumerdes Msc.

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R. BOUDERBALA

732

 Avantages et inconvénients de la mesure de niveau par ultrasons - mesure sans contact, utilisable avec des produits très corrosifs, visqueux, et même parfois solides en vrac, pulvérulents, granuleux, ou colmatants (si la granulométrie du produit ou le "talus" formé ne posent pas de problème au niveau de l'écho renvoyé vers la sonde).

- mesure faussée par les modifications de la phase gazeuse changeant la vitesse de propagation de l'onde ultrasonique. La composition de la phase gazeuse peut varier (par exemple présence de vapeur, de gouttelettes d'eau ou de poussière en suspension), de même que sa masse volumique, sa pression (peu influente), sa température (forte influence, pouvant être corrigée par une sonde, mais celle-ci doit être située dans la phase gazeuse et la température doit y être homogène, ce qui pose problème)

- mesure insensible aux changements de caractéristiques du produit dont on mesure le niveau (densité, conductivité, constante diélectrique, ...)

- mesure faussée par une surface du liquide agitée (vagues) ou recouverte de mousse épaisse, ce qui modifie l'absorption ou la réflexion de l'onde ultrasonore.

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Msc.

733

- montage facile, en haut de réservoir sans perçage du fond ou de sa paroi latérale

- mesure inutilisable lorsque le réservoir est sous pression élevée ( > 10 bars) ou sous vide (propagation impossible), ou lorsque la sonde est à une température supérieure à 100°C

- prix intéressant (à partir de 300 Euros en 2003)

- pour un montage combiné, plage morte c'est à dire distance minimale nécessaire entre la tête d'émission/réception et la surface du produit dont on mesure le niveau.

- pratiquement aucune maintenance nécessaire

- précautions nécessaires pour éviter les échos parasites sur les obstacles autres que la surface du liquide et qui ne peuvent être éliminés par l'électronique. Exemple: le déversement de liquide dans le réservoir. Les chocs intempestifs ou les vibrations des parois du réservoir peuvent aussi générer des ondes sonores et ultrasonores parasites.

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Msc.

734

- grande gamme d'étendues de mesure (variations de niveau de quelques dizaines de centimètres à plus de 60 mètres) . - élimination d'échos parasites à caractère systématique (ex: passage des pales d'un agitateur, obstacle fixe) et calcul du volume en fonction d'une géométrie particulière du réservoir (ex: fond conique) par un microprocesseur analysant et traitant le signal temps t reçu. - Bonne précision (par exemple ± 3 mm, soit ± 0,3% sur une étendue de mesure de 1 m) si la surface du produit est calme et sans mousse - réglage et étalonnage pouvant se faire en dehors du site , sans vidanger ou remplir le réservoir

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Msc.

735



Cette technique convient bien pour la mesure du niveau des liquides corrosifs qui risquent d’attaquer les capteurs conventionnels Attention !! 

 

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La vitesse du son est fonction de la composition chimique, de la température et de la pression de la vapeur Ce type de système doit être calibré en fonction des conditions particulières d’utilisation Le calibrage peut être complexe ou imprécis si la composition de la vapeur et/ou la température sont variables


Msc.

736





Vitesse du son Elle dépend de plusieurs paramètres: Normalement (à 20 °C) • Rm = 8314,3 J/kmol/°K (cte des gaz parfaits); • M = 28,9 kg/kmol; (poids molaire); • X = 1,40 (Coefficient adiabatique).



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Msc.

737



Capteurs ultrasoniques

 Paramètres importants: • Étendue de mesure • Répétabilité • Compensation de température • Temps de réponse • Pression maximale

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Msc.

738

 Grandeurs d’influence: •

La température: 0.17 %/°C

•

Le type de gaz:

•

L’hygrométrie de l’air:

 De -20°C à 80°C implique 17% d’erreur.  Le CO2 change la vitesse du son de 15 %.  Les gaz ne sont pas reproductibles.  À 20 °C, un taux d’humidité variant de 0 à 100 % modifie la vitesse de 0.3 % (on néglige).

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Msc.

739

•

La pression:

•

Absorption du son:



Une variation de pression de 30 bar (435.12 psi ou 3 MPa) modifie la vitesse de 0.3 % (on néglige).

 Le son est absorbé par le milieu porteur.  L’absorption dépend de la fréquence.

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Msc.

740

Capteurs Hyperfréquences

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Msc.

741



Principe

Emission d'un signal micro-ondes, et mesure du temps avant retour du signal.

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Msc.

742



Principe de mesure

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Msc.

743



Montage

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Msc.

744



Montage

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Msc.

745



Portée maximale du capteur

 Dépend du liquide:

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Msc.

746



Portée maximale du capteur

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Msc.

747



Portée maximale du capteur (2)

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Msc.

748



Portée maximale du capteur (3)

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Msc.

749

 Détection de niveau par pesée

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Msc.

750



Principe

•

Mesure de la masse par balance à jauges de contrainte Implique de bien connaître la densité

•

M = Vxρ = S.H.ρ

•

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Msc.

751



Bilan

• Correction nécessaire pour obtenir

Volume si la densité change; • Précision=celle des jauges(+/0.1%) • Applicable aux solides:

 Donne

volume si granulométrie et composition constante.

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Msc.

752

Capteurs de Température

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Msc.

753



Capteurs et détecteurs de température

 La température est une grandeur non directement mesurable, mais repérable par la variation d’une grandeur associée (résistance, dilatation).

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Msc.

754



Critères de sélection

   

Gamme de température Précision souhaité Temps de réponse Accessibilité/Environnement

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Msc.

755



Avec contact:

 Analogique: • Couples thermoélectriques (Thermocouples); • Thermomètre à résistance métallique; • Thermomètres à semi-conducteur; • Thermomètres à quartz; • Thermomètres à dilatation de fluide.

 Logique: • Thermostat à dilatation de solide.

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Msc.

756



Sans contact:

 Analogique: • Pyromètres optiques; • Pyromètres optiques à dilatation de solide.  Logique: • Thermostat à dilatation de solide.

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Msc.

757



Unités de mesure thermiques

 Échelle Celsius (1742): •

Échelle relative: •

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Références:  Fusion de la glace à 0 °C;  Ébullition de l'eau distillée à 100 °C.


Msc.

758



Échelle Kelvin (1848):  Échelle absolue: • Références:  

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Zéro thermodynamique: 0 °K; Point triple de l'eau (0.01 °C): 273.16 °K.


Msc.

759

Échelle Fahrenheit (1707):  Échelle relative: 

• Références:  T. minimun solution aqueuse de NaCl: 0 °F;  Température du corps humain: 96 °F.

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Msc.

760



Échelle Rankine:

 Échelle absolue du Fahrenheit: • Références:  Zéro thermodynamique: 0 °R;  Point triple de l'eau (0.01 °C): 459.7 °F.

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Msc.

761



Températures de référence

• -182,97 °C:

• équilibre vapeur-liquide - oxygène; • 0,00 °C: • équilibre solide-liquide - eau; • 0,01 °C: • point triple de l'eau; • 100,00 °C: • équilibre vapeur-liquide - eau;

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Msc.

762



Températures de référence

• 419,58 °C: • équilibre solide-liquide - zinc;

• 444,67 °C: • équilibre vapeur-liquide - soufre;

• 961,62 °C: • équilibre solide-liquide - argent;

• 1064,43 °C: • équilibre solide-liquide - or.

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Msc.

763



Transmission d’énergie thermique

 Équilibre thermique • La mesure de la température implique qu’il

y ait un équilibre thermique entre l’objet et le capteur.

 La température mesurée n’est pas celle de l’objet, mais celle du capteur.

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Msc.

764

Dans le contact thermique entre le capteur et l’objet, 3 phénomènes entrent en jeu:  La conduction  La convection  Le rayonnement 

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Msc.

765



Mesure de la température

Thermocouples

• Principe physique, principaux types, précision • Connexion et acquisition

Détecteur résistifs (RTD) Principe physique, principaux types, précision Connexion et acquisition

Thermistor 01/04/2014


Msc.

766

 Autres types d’appareils de mesure de la température

Thermomètre à liquide Bilames Thermomètres à pression Pyromètres

 Principales sources d’erreurs associées à la mesure de la température

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Msc.

767



Principaux types d’appareils pour la mesure de la température:

• Systèmes électriques conventionnels -Thermocouples

- RTD (Résistance Température Detector)

• Capteurs à semi-conducteur • Thermomètres conventionnels • Capteurs sans contact (pyromètres)

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Msc.

768

Couples thermoélectriques

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Msc.

769



Thermocouples

 Principe

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Msc.

770

 Principe

• Effet Seebeck (en 1821 par Thomas Seebeck) Lorsque deux conducteurs de métaux différents sont connectés ensembles en 2 points, et que ces jonctions sont à des températures différentes, une F.E.M. apparaît, dont l’intensité est fonction de la température.

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Msc.

771

•

Comme la F.E.M. dépend de la différence de température entre les 2 jonctions, il faut s'assurer de connaître la température de l'une d'entre elle pour déduire la température de l'autre.

•

La jonction dont la température est connue est dite "jonction de référence".

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Msc.

772



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Thermocouples (suite)


Msc.

773



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Msc.

774



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Msc.

775

• Les thermocouples sont des capteurs très

utilisés en pratique en raison de leur simplicité et leur bonne fiabilité • Ils comportent cependant certaines particularités:  La mesure de la tension ne doit pas générer de courant (chargement de la source)  Les connections à l’appareil de mesure de la tension engendrent des jonctions supplémentaires



La tension générée est fonction de la composition des métaux utilisés pour la jonction

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Msc.

776



Erreur de charge

• La génération d’un courant, lors de la

mesure de la tension, génère une chute de tension (perturbation de la source) et affecte aussi les tensions thermoélectriques générées par l’effet Seebeck • Cependant, les voltmètres actuels peuvent être utilisés sans problèmes en raison de leur très grande impédance d’entrée (> 1 MW) qui produit un courant de boucle négligeable.

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Msc.

777



Jonctions froides

• Le branchement du thermocouples aux bornes du voltmètre engendre deux jonctions supplémentaires (jonctions froides)

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Msc.

778

• L’effet Seebeck engendre aussi une

tensions due à ces deux jonctions • La tension mesurée (aux bornes du voltmètre) sera la somme des tensions générées par les trois jonctions → Pour contourner ce problème, on utilise deux thermocouples:

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Msc.

779

 1- Jonction principale Pour capter la température qui doit être mesurée.

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Msc.

780

 2- Jonction de référence

• Cette jonction est maintenue à une

température connue et bien contrôlée

généralement à 0°C  glace fondante à 1 atm) • Des composantes électroniques sont disponibles pour générer une tension équivalente a celle générée par une jonction de référence à 0 °C (glace pas nécessaire)

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Msc.

781



Pourquoi doit-on utiliser une jonction de référence ?

• Les deux connexions (jonctions) aux deux

bornes du voltmètre sont faites avec les mêmes métaux • Les tensions générées par ces jonctions secondaires s’annulent si les deux bornes du voltmètres sont maintenues à la même température (facilement réalisable en pratique) • On peut choisir la température de référence pour simplifier les courbes de calibrage (0 °F ou 0 °C)

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Msc.

782



•

Types de métaux couramment utilisés Les métaux entrant dans la fabrication des thermocouples sont maintenant bien normalisés (NIST) • Il existe 7 principaux types de thermocouples:

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Msc.

783

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Msc.

784



Description des alliages

 Chromel : Nickel + Chrome  Alumel: Nickel + Aluminium  Constantan: Nickel + Cuivre 

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Des courbes de calibrage normalisées sont disponibles pour chacune de ces paires de métaux


Msc.

785

• La tension de sortie est généralement non

linéaire en fonction de la température • Des tableaux, des graphiques, est des équations polynomiales sont utilisées pour interpréter les mesures de tension (en fonction des paires de métaux) • Ces tableaux, figures, courbes, sont généralement valides pour une jonction de référence à 0 °C

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Msc.

786

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Msc.

787

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Msc.

788



L’exactitude d’un thermocouple dépend du type de thermocouple, de la qualité de l’alliage (différents niveaux de qualités sont disponibles) et de la plage de température

• Le système de mesure peut aussi introduire des erreurs

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Msc.

789



    

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Quelques facteurs à considérer Sensibilité (mV/°C) Linéarité Résistance à la corrosion Plage Coût


Msc.

790

Choix du type de thermocouple  Types R et S • Très dispendieux • Pas très sensibles • Conviennent aux très hautes températures • Très résistants à la corrosion 

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Msc.

791

 Type C

Conviennent aux très hautes températures Relativement dispendieux Ne peuvent pas être utilisés dans en environnement oxydant

 Type T

Peu dispendieux Très sensibles Corrosion importante pour des températures > 400 °C

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Msc.

792

 Type K

Parmi les plus utilisés Coût modéré Résistance à la corrosion moyenne Utilisables jusqu’à une température de 1370 °C La tension de sortie est relativement linéaire en fonction de la température Simple à utiliser lorsqu’une grande précision n’est pas nécessaire Þ On peut simplement supposer une relation linéaire entre le T° et la tension de sortie

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Msc.

793



Disponibilité

 On peut acheter les paires de fils puis les relier mécaniquement (ou les souder) ensemble Des fils comportant des jonctions fabriquées en usine sont aussi disponibles La dimension des jonctions peut être très petite (< 0,1 mm)

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Msc.

794

Des lecteurs de température à base de thermocouples sont disponibles  Faible coût  Utilisation simple  Rapide  La jonction est placée dans un tube protecteur en acier inoxydable. Un isolant en céramique (MgO) est placé entre la jonction et le tube protecteur. 

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Msc.

795

Les systèmes d’acquisition actuels sont maintenant conçus pour permettre une utilisation très simple des thermocouples Normalisés.





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Un module de traitement mathématique intégré au système permet de corriger les tensions lues en fonction de la température de la jonction de référence (simulée électriquement)


Msc.

796

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Msc.

797



Un transmetteur est nécessaire pour convertir la FEM produite par le thermocouple au signal normalisé 4-20 mA. On l’appelle transmetteur de température.

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Msc.

798



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Méthode de mesure (type T)


Msc.

799



Méthode de mesure (type T)

• La jonction 2 ne génère pas de tension. • La jonction 3 sera la jonction de référence. • Donc Vmesurée = V1-V3

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Msc.

800



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Méthode de mesure (type J)


Msc.

801




• Les 3 jonctions génèrent une tension. • Donc Vmesurée = V1 +V3 - V2 • Rien ne garanti que les jonctions 2 et 3 sont à la même température.

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Msc.

802



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Msc.

803




• Le bloc isothermique maintient les jonctions 2 et 3 à la même température. • Loi des métaux intermédiaires. → Vmesurée = V1-VREF avec VREF =V2 -V3

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Msc.

804



Loi des métaux intermédiaires

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Msc.

805

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Msc.

806



Compensations des thermocouples

 Pour s’assurer que la mesure est de qualité, deux types de compensations de la jonction de référence existent: • Compensation "software« • Compensation "hardware"

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Msc.

807



Compensation « software »

• Mesure de la température du bloc isothermique par une sonde RTD (ou une Thermistance). ⇒ Correction logicielle

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Msc.

808

Procédure: 1) Mesurer le RTD et obtenir TREF; 2) De TREF, déduire la tension VREF; 3) Mesurer la tension VM et soustraire VREF pour obtenir V1; 4) De V1, déduire T1.

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Msc.

809

Compensation « hardware » (glace électronique) 

• Pont de résistances avec source de tension et RTD sur bloc isothermique.

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Msc.

810

Avantages et inconvénients des thermocouples

Avantages • On utilise des thermocouples sur la plupart des transformateurs. La jonction chaude est plongée dans l’huile du transformateur et la jonction froide est placée à l’extérieur près du transmetteur. Cette installation simple et robuste permet de détecter directement la montée de la température de l’huile par rapport à l’air ambiant. • Robustesse • faible coût. • Pas d'alimentation extérieure; • Mesure des températures dans un intervalle plus étendu que les résistances.  Très grande étendue de mesure de -270 à 2700 °C; • Précision de l'ordre de ± 0.2 %; 01/04/2014


Msc.

811

Inconvénients • Mesurer une température loin de l’emplacement du transmetteur et de la référence → fils d’extension de thermocouple ou des câbles de compensation. • Ne pas utiliser dans les zones de rayonnement intense.

•

• •

Rayonnement = FEM dans les fils du thermocouple.

→ la tension électrique induite provoquera une erreur dans l’indication de température. Réponse plus lente que les RTD. Défaillance du bloc d’alimentation du transmetteur de température (des transducteurs de millivolts à des milliampères), → lectures erronées.

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Msc.

812

Modes de défaillance • Circuit du thermocouple ouvert = pas de courant → lecture trop basse de la température ( en fait, sous l’échelle).

• court circuit dans le détecteur = un

courant de fuite dans le sol et donc à une FEM inférieure → lecture trop basse de la température

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Msc.

813

Les puits thermiques • Environnement hostile : T° élevée, pressurisé, corrosif, radioactif* • Montage des capteurs (résistance, thermocouples) dans des puits thermiques → enlèvement et inspection faciles et protection mécanique.

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Msc.

814

Montage typique d’un puits thermique

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Msc.

815

• Un puits thermique : un tube de métal dont

•

une extrémité est fermée. habituellement installé de façon permanente dans la tuyauterie. Le capteur est inséré dans le puits et touche le bout fermé. Inconvénients des puits thermiques :

•

Réponse lente (a chaleur doit traverser le mur pour atteindre le capteur).

→ réduire le temps de réponse en minimisant la quantité d’air séparant le capteur du mur.

01/04/2014


Msc.

816

Réponses comparées d’un thermomètre en contact direct et dans un puits thermique

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Msc.

817

Thermomètres à résistance métallique (RTD)

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Msc.

818

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Msc.

819



Détecteurs résistifs (RTD)

 La résistance électrique des métaux est fonction de leur température

 On peut mesurer une température à partir d’un fil de métal de longueur connue et d’un système de mesure de la résistance électrique.  Cette approche est appelée resistance

température detectors (RTD)

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Msc.

820

Principe La résistance d'un conducteur varie avec la T°. 

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Msc.

821



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Matériaux typiques


Msc.

822



La précision d’un RTD est bien supérieure à celle d’un thermocouple

• RTD en platine → exactitude pouvant • • • •

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atteindre ± 0,001 °C Réponse plus linéaire Donne une mesure directe de la température (pas de jonction de référence) Plus stable dans le temps L’extrémité sensible est cependant plus volumineuse que celle d’un thermocouple


Msc.

823

 En général, les RTD sont fabriqués à partir d’un fil ou d’un film de platine  Le nickel ou des alliages de nickel sont aussi utilisés  Pour le platine la relation température-résistance est obtenue à partir de l’équation Calendar -Van Dusen

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Msc.

824

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Msc.

825



De nombreuses configurations physiques sont disponibles

 Enroulement d’un fil de platine autour

d’une bobine • Une coque de céramique ou de verre protège l’ensemble

 Film de platine • Le film est placé sur un substrat en

céramique • puis scellé dans une coque en céramique • Nouvelle technologie moins coûteuse

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Msc.

826



De nombreuses configurations physiques sont disponibles

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827



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Un pont Wheatstone doit être utilisé pour conditionner le signal  Mesure plus précise de la variation de la résistance.  La résistance des fils porteur (Rlead) doit être prise en compte.  Deux configurations sont utilisées


Msc.

828



Montage et installation

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Msc.

829

 Montage et installation

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Msc.

830

Montage et installation

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Msc.

831



Configuration A

 Moins précise  On néglige la résistance des fils porteurs

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Msc.

832

Si on remplace le voltmètre par un transducteur de tension, on pourra générer un signal d’interface 4-20 mA, proportionnel à l’intervalle de température considéré.  Comme pour les thermocouples, on ne peut déporter le transmetteur loin de la thermosonde. Les fils de connexion étant longs, leur résistance électrique pourrait changer avec les fluctuations de la température ambiante. Ces variations introduiraient: → une erreur de mesure. Solution:  Montage à trois fils. 

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Msc.

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Msc.

834

•

Les fils de raccordement (w1, w2 et w3) ont la même longueur et donc la même résistance électrique. La source de tension est branchée à un bout de la résistance et au sommet du pont de Wheatstone.

•

On voit que la résistance électrique de la branche droite du pont est égale à: R1 + R2 + Rw2 .

•

La résistance électrique de la branche gauche est égale à: R3 + Rw3 + Rsonde .

•

Puisque Rw1 = Rw2 , les résistances électriques des fils s’annulent, ce qui élimine l’effet des fils de connexion.

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Msc.

835



Configuration B

 Plus précise car elle permet de prendre en compte la résistance des ils porteurs

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

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Courbe des RTD


Msc.

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Msc.

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Avantages et inconvénients des RTD Avantages

• Temps de réponse beaucoup plus court que celui des

thermocouples : de l’ordre d’une fraction de seconde (0.5 à 5 sec) • Pas de problèmes de dérive (puisque contrairement aux thermocouples, ils ne sont pas auto-alimentés) • Dans leur intervalle d’utilisation : - plus précis et plus sensibles que les thermocouples. • Ne nécessitent pas de câbles de rallonge particuliers. • Bonnes reproductibilité, stabilité et interchangeabilité; Peu sensibles au rayonnement (bêta, gamma et neutronique). • La quantité mesurée est la résistance et non la tension électrique. 01/04/2014


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Inconvénients • Le métal utilisé pour fabriquer les thermomètres à résistance doit être aussi pur que possible. • Plus chers que les thermocouples. • Intervalle de température mesuré plus restreint que celui d’un thermocouple. • Une défaillance de l’alimentation électrique peut fausser la mesure. • Puisque l’on mesure de petits changements de résistance, les joints doivent donc être petits, serrés et sans corrosion. • Influençable par l'humidité et les gaz corrosifs; • Effet Joule perturbant la mesure.

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Modes de défaillance • L’ouverture de la thermosonde ou du câblage la reliant au point de Wheatstone sera interprété comme une élévation de température. • Une chute de tension électrique ou un court-circuit dans la thermosonde sera interprété comme une baisse de température.

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Thermomètres à semiconducteurs

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

Thermistor

 Les thermistors sont des capteurs qui, comme les RTD, ont une résistance qui varie en fonction de la température

 Les thermistors sont des capteur a semiconducteur  La variation de résistance en fonction de T° est plus grande que celle des RTD

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

Principe

• Variation de la résistance d'un semiconducteur avec T, dû au fait que le nombre de couples électron-trou augmente, ce qui diminue la résistivité.

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

Thermistor

• La variation de Ω est de l’ordre de 4% par °C • En général, une augmentation de la température • produit une baisse de la résistance (l’inverse des RTD) • La relation résistance - température est nonlinéaire ( Équation de Steinhart-Hart)

Approximation de la courbe d’une thermistance:

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

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A coefficient de température positif (CTP)


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A coefficient de température négatif (CTN)

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

L’auto -échauffement ⇒ Peut mener à une destruction du capteur (CTN).

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• Courbe d’auto-échauffement

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





La plage des thermistors est relativement faible • En général inférieur à 100 °C • Il n’existe pas de thermistor permettant de mesurer des températures supérieures à 300 °C La dimension de la sonde peut être assez petite • Les plus petites: 2-3 mm L’exactitude peut être assez bonne • ± 0,1 °C au mieux • Plusieurs modèles sont cependant beaucoup moins précis

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

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Ces capteurs sont très fréquemment utilisés dans l’industrie pour mesurer des températures relativement faibles


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

Thermistor

 Configuration très simple  Pas ou peu de conditionnement du signal  Utilisés dans les voitures (température de l ’eau) et dans de nombreux types d’appareils électriques (température interne)

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

Thermistor

 La non linéarité de la relation

Ω - T° peut être prise en compte en utilisant un indicateur analogue possédant une échelle non linéaire  On peut produire une réponse quasi-linéaire en intégrant le thermistor à un circuit diviseur de tension

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

Bilan

• Étendues de mesure de -110 à +250 °C • Circuits miniatures, donc temps de réponse très courts; • précision de l'ordre de ± 0.1 %; • Échelle non-linéaire et étendue réduite; • Peu interchangeables; • Problème d'auto-échauffement.

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Autres types d’appareils de mesure de la température

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

Thermomètres à dilatation de fluide

 Thermomètres à dilatation de liquide à enveloppe de verre.  Thermomanomètres: •À dilatation de gaz. • À dilatation de liquide. • À tension de vapeur.

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Thermomètres à dilatation de fluide à enveloppe de verre 

 Principe: • Les liquides qui sont chauffés se dilatent, et la mesure de cette dilatation donne la température.

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 Liquides usuels: • Mercure: de -35 °C à 500 °C • Alcool: de -80 °C à 75 °C • Pentane: de -200 °C à 30 °C • Xylène: de -100 °C à 250 °C.

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

Thermomètres à liquide

 Le liquide généralement utilisé est le mercure  L’alcool et d’autres liquides organiques sont parfois utilisés en fonction de la plage de température

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Thermomètres

à liquide (suite)

 Appareils simples  Conservent leur exactitude sur une longue période  Utiles pour la calibrage des autres types d’appareils de mesure de la température

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On doit s’assurer qui n’y a pas de bulles d’air dans la colonne de liquide  Le tube capillaire ne doit pas être fissuré  L’exactitude des thermomètres à liquide peut être assez bonne ± 0,2 °C  Les meilleures exactitudes sont obtenues avec des thermomètres à immersion totale

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

Thermo. manométriques

À

dilatation de liquide.

• Principe: Un liquide sous pression soumis à un changement de température voit sa pression changer. Ainsi: 01/04/2014

pT = po (1 + bT) IAP-CU/Boumerdes R. BOUDERBALA

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

Bilan

• Liquide de remplissage:

• mercure ou liquide organique (xylène ou benzène) • Plages de mesure: • Mercure: de -38 °C à 650 °C; • Liquides organiques: de -200 °C à 250 °C. • Précision de ± 1 % et échelle linéaire. • Constante de temps de 4 à 7 secondes.

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 Thermomètres •

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à dilatation de gaz

Principe: Un gaz sous pression dans un volume fixe voit sa pression changer avec la température: P = kT avec: k = R/V (R=constante des gaz parfaits).


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

Bilan: • Plage de mesure de -200 °C à 600 °C. • Précision de l'ordre de ± 0.1 à ± 1 %. • Temps de réponse long.

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 Thermomètres •

à tension de vapeur

Principe: Le bulbe contient un liquide volatil en équilibre avec sa vapeur.  La tension de vapeur saturante dépend de la température: 

log p = a - b/T.

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

Bilan:

• Comportement logarithmique du capteur. • Plage de mesure de -60 °C à 400 °C. • Précision de ± 1 %.

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Les thermostats • Dispositifs à action directe. • Régulent directement la température d’un système en la gardant constante ou en limitant ses variations dans un intervalle précis. • Les deux types de thermostat les plus répandus sont : • les thermostats hydrauliques • les bilames

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Thermostats à dilatation de solide ou Bilames 

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• Principes identiques aux thermomètres à

dilatation de fluide, mais avec une détection de seuil. • Deux métaux ayant des coefficients de dilatation thermiques différents sont soudés ensemble. Le chauffage ou le refroidissement du bilame produit une déflexion de l’extrémité de la tige • Si l’on chauffe le bilame à une extrémité, le métal dont le coefficient de dilatation est plus élevé s’allongera davantage que l’autre et le bilame se pliera dans la direction du métal dont le coefficient est plus bas

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• En fixant des éléments de contact au •

bilame, on transforme celui-ci en un thermostat rapide, permettant de réguler la température de l’air Ces thermostats ont une limitation : ils ne peuvent être installés en présence de vapeurs inflammables, à cause des étincelles entre les contacts.

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• Un des grands avantages du bilame est qu’il

•

peut être utilisé sur un intervalle de température lorsqu’il est enroulé (ce qui accroît l’amplitude de son mouvement) et placé sur un pivot ajustable . Les thermostats domestiques sont généralement conçus de cette façon.

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Thermomètres à bilame • bilame enroulé • bilame avec bande bimétallique torsadée. → configuration amplifie l’amplitude de la réponse. • très robustes et requièrent peu d’entretien. • Utilisé pour la mesure de la température de pièces comme les pompes ou les paliers.

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Thermomètre à bilame torsadé

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 Le bilame peut produire un travail (force)

assez Important pour pouvoir actionner directement un système mécanique (valve, butée, etc)

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 Système fréquemment utilisé dans les petits appareils  électriques domestiques: • Grille-pain • thermostat résidentiel • etc.

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

Bilan

• Système de mesure simple et courant; • Mesure de -50°C à 500°C; • Volume réduit; • Précision de +/-1%.

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

Thermomètre à pression

• Le système peut être rempli d’un fluide ou d’un gaz • Dans le cas d’un liquide, la variation de pression est fonction de la dilatation thermique du liquide et du bulbe

• La dilatation du capillaire a aussi une légère influence sur la pression

• La précision n’est pas très bonne

Réfrigérateurs et fours domestiques Appareils simples (pas d’électricité)

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Autres types d’appareils de mesure de la température

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

Pyromètres Les mesures par contact sont très

difficiles à très haute température • Fusion du métal • Oxydation du métal Dans ces conditions, des capteurs sans contact (pyromètres) peuvent être utilisés

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 Principe  La température est mesurée en captant les ondes électromagnétiques générées par un corps chaud (radiation infrarouge) • L’interprétation de la température à partir de ces ondes est complexe (de nombreux paramètres entrent en jeux)

 Doivent être calibrés

en fonction des conditions particulières d’utilisation

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

Pyromètres à dilatation de solide  Existe en deux versions: • Pyromètre à tige (mesure de la dilatation d'une tige): ⇒ Mesure jusqu'à 1000 °C.

•

Pyromètre à bilame: (voir thermostat à bilame). ⇒ Mesure de -50 à +500 °C, précision de ± 1 %.

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Techniques de Mesures Industrielles2.pdf

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