Principe de mesure du débit Coriolis

Dans de nombreux secteurs de l'industrie, c'est le débit massique plutôt que le débit volumique qui doit être mesuré. Dans le traitement des denrées alimentaires, par exemple, les produits tels que les pâtes, les pulpes et les yaourts sont généralement traités au poids, et non en volume. Par conséquent, l'étiquette sur l'emballage indique au consommateur le poids du produit au lieu du volume. Une raison à cela est que le volume de la plupart des fluides peut varier largement sous des influences physiques telles que la pression, la température et la densité. La masse d’un fluide n’est pas affectée par ces influences – la mesure du débit massique présente donc certains avantages que la mesure volumique ne peut tout simplement pas égaler. Il s’agit d’un aspect particulièrement important pour le comptage transactionnel dans le dosage et le mesurage des fluides.

La masse d'un corps est généralement déterminée par la pesée. Du point de vue technique, cependant, il existe des difficultés majeures à surmonter lors de la pesée directe d'une masse qui circule continuellement dans un système de canalisation. C'est la raison pour laquelle ces dernières décennies ont vu l'émergence d'un principe de mesure permettant de mesurer directement et en continu le débit massique dans les conduites - la mesure du débit massique par le principe de Coriolis. Dans certaines applications, il est plus judicieux d'appliquer ce principe de Coriolis que de déterminer la masse indirectement en mesurant le débit volumique et la masse volumique (volume × masse volumique = masse).

La première description de ce principe est généralement attribuée au physicien et mathématicien français dont il porte aujourd’hui le nom, Gaspard-Gustave de Coriolis (1792 – 1843).

L'effet se produit uniquement dans les systèmes rotatifs, par exemple sur les manèges de fête foraine ou sur notre planète en rotation, mais il ne faut pas le confondre avec la force centrifuge. Bien que le terme « force de Coriolis » soit largement utilisé, il est souvent difficile de décrire cette force, et encore moins de l’expliquer. Son apparition est toujours observée lorsque le mouvement rectiligne et l'action rotative se superposent dans un système.

Un exemple pratique est illustré dans la figure 1 : une personne debout immobile sur un plateau tournant n'a qu'à se pencher légèrement vers l'intérieur pour contrer la force centrifuge (à gauche). Cependant, une personne se déplaçant du centre de rotation vers le bord du plateau tournant rencontre une vitesse de rotation en constante augmentation et, comme l'inertie entre en jeu, doit surmonter une force connue sous le nom de force de Coriolis. Cette force de Coriolis agit pour dévier la personne du chemin le plus court à travers la plaque tournante (tout droit le long du rayon). Plus la personne est lourde, plus la vitesse de rotation est rapide et plus la personne marche vite vers la circonférence (« flux de masse »), plus l’inertie est perceptible et plus l’effet de la force de Coriolis est puissant.

En termes mathématiques, la force de Coriolis (F_C) est donc proportionnelle à la masse en mouvement (_m^· ), la vitesse de rotation (ω) et la vitesse radiale (v_r) dans le système de rotation :

F_c = 2 ⋅ m ⋅ ω ⋅ v_r

Les forces de Coriolis sont toujours présentes lorsque le mouvement linéaire et l'action rotative se superposent dans un système (fig. 1, droite). En l'absence de mouvement linéaire (fig. 1, à gauche, personne immobile), seules des forces centrifuges se produisent.

Dans un débitmètre massique Coriolis (voir Fig. 2), les particules de masse individuelles sont influencées de la même manière que le corps de la personne sur le plateau tournant dans l'illustration ci-dessus. Le mouvement rotatif décrit ci-dessus qui génère la force de Coriolis est remplacé dans le débitmètre en excitant le tube de mesure pour qu'il oscille à sa fréquence de résonance.

a  =  débit nul : état d'oscillation des tubes de mesure à débit nul
b  =  débit → état d'oscillation des tubes de mesure à l'intervalle de temps 1
c  =  débit → état d'oscillation des tubes de mesure à l'intervalle de temps 2

Au débit nul, lorsque le fluide est à l'arrêt, il n'y a pas de mouvement linéaire (a). Par conséquent, aucune force de Coriolis ne se produit. Une fois la masse écoulée, le mouvement induit par l'oscillation (= rotation) dans le tube de mesure se superpose au mouvement linéaire du fluide. La force de Coriolis provoque le « déphasage » des tubes de mesure (b, c). Les capteurs (A, B) à l'entrée et à la sortie enregistrent la différence de temps dans ce mouvement, en d'autres termes, ils enregistrent la différence de phase. Plus le débit massique est élevé, plus la différence de phase est grande (voir fig. 3).

Lorsque le fluide s'écoule, les particules de masse se déplacent à travers le tube de mesure et sont soumises à une accélération latérale superposée par les forces de Coriolis (F_C ). Lorsqu'elles pénètrent dans le tube, les particules de masse (m) s'éloignent du centre de rotation (Z₁) et reviennent vers le centre (Z₂) lorsqu'elles s'approchent de l'extrémité de sortie. Par conséquent, les forces de Coriolis agissent dans des directions opposées à l’entrée et à la sortie et le tube de mesure commence à « vriller ». Ce changement dans la géométrie du tube de mesure induite par les oscillations est enregistré comme une différence de phase par des capteurs (A, B) à chaque extrémité du tube de mesure. Cette différence de phase (∆ϕ) est directement proportionnelle à la masse du fluide et à la vitesse d'écoulement (v), et donc également au débit massique.

La plage de diamètres nominaux actuellement disponible s'étend de DN 1 à 300. L'utilisation peut donc s'étendre du dosage de très petites quantités dans des applications pharmaceutiques jusqu'au chargement et au déchargement de cargaisons de navires. Le choix de modèles est donc large.

Les tubes de mesure sont continuellement excités à leur fréquence de résonance. Dès que la masse volumique du fluide change, et par conséquent la masse du système oscillant (tube de mesure plus fluide), la fréquence d'excitation est ajustée en conséquence. Ainsi, la fréquence de résonance est fonction de la masse volumique du fluide et peut être utilisée comme signal de sortie supplémentaire.

La température des tubes de mesure est déterminée afin de calculer le facteur de compensation dû aux effets de la température. Ce signal correspond à la température de process et est également disponible comme signal de sortie.

Des conceptions de tubes de mesure simples, doubles et quadruples dans une vaste gamme de formes et de rayons de courbure sont disponibles pour répondre de manière optimale aux différentes applications possibles dans l'industrie.

Dans la plupart des compteurs bi-tube, les tubes de mesure sont excités de manière à osciller en contre-phase, une disposition qui découple efficacement l'ensemble du débitmètre des influences des vibrations externes. Il existe différents types de compteurs bi-tube. Concernant les propriétés géométriques, les tubes de mesure varient d'un fabricant à l'autre et on peut trouver des modèles droits, en boucle ou légèrement courbés. Les tubes droits ou légèrement courbés utilisés par Endress+Hauser permettent la réalisation de capteurs compacts et peu encombrants.

Les systèmes de mesure monotubes présentent un certain nombre d'avantages par rapport à leurs homologues bi-tube :

• Plus faciles à nettoyer
• Pertes de charge inférieures
• Moins de contraintes imposées au fluide car il n'y a pas besoin d'un séparateur pour diviser le débit entre deux tubes de mesure

L'avantage de cette conception, à savoir qu'il n'y a qu'un seul tube de mesure oscillant, signifie inévitablement que le découplage, caractéristique des compteurs bi-tubes, n'est pas réalisé automatiquement. Il faut donc veiller, dès la phase de développement, à intégrer des caractéristiques qui découpleront efficacement le système des influences externes.

Le système "Torsion Mode Balancing" » :
Endress+Hauser réalise ce découplage en combinant la fréquence de résonance élevée caractéristique avec son système breveté Torsion Mode Balancing (TMB). Dans le cas du capteur monotube Proline Promass I, l'équilibre du système nécessaire à une mesure exacte est obtenu au moyen d'une masse pendulaire contre-oscillante disposée de manière excentrique sur le tube de mesure (action de torsion) (fig. 5). Grâce à cet équilibre du système intégré, Promass I est tout aussi simple à installer que le compteur bi-tube. Il n’est pas nécessaire d’utiliser des supports spéciaux antivibratoires en amont ou en aval du débitmètre.

Avec le système de mesure Promass I, même la viscosité peut être déterminée « en ligne » comme paramètre de processus supplémentaire.

ω = vitesse angulaire
m₁ = tube de mesure et masse de fluide
m₂ = masse pendulaire
v₁ = vitesse de m₁
v₂ = vitesse de m₂
p = impulsion

Les systèmes de mesure à quatre tubes présentent des similitudes avec les systèmes à deux tubes dans la mesure où ils intègrent une oscillation en contre-phase qui découple efficacement le débitmètre de l'environnement d'installation. De plus, ils présentent l'avantage de permettre une rangeabilité de débit comparativement plus élevée et un débit plus élevé avec une perte de charge plus faible par rapport aux compteurs bi-tube de taille nominale similaire. Ceci est particulièrement utile pour les applications en "pipeline" et de chargement.

Les avantages de la mesure du débit massique Coriolis sont évidents : ce principe de mesure n'est pas affecté par des facteurs physiques tels que la conductivité, la pression, la température, la densité et la viscosité. Les conduites d'entrée et de sortie droites ne sont pas nécessaires, ce qui peut être extrêmement avantageux lorsque l'espace est limité. Il n’est donc pas surprenant que les débitmètres Coriolis soient présents dans des applications et des secteurs industriels très divers, notamment dans les secteurs chimique et pharmaceutique.

Pratiquement tous les fluides peuvent être mesurés : détergents et solvants, fioul et carburants, huiles végétales, graisses animales, latex, huiles de silicone, toluène, benzène, alcool, méthane, jus de fruits, dentifrice, huiles de cuisson, vinaigre, ketchup, mayonnaise, gaz, gaz liquéfiés (butane, propane, gaz naturel), etc.

Les débitmètres Coriolis mesurent simultanément la masse volumique du fluide ainsi que le débit massique et, à l'aide de capteurs de température, ils peuvent également surveiller la température du fluide. Par conséquent, ce type de mesure peut véritablement être qualifié de « mesure multivariable ». Les principales variables mesurées, à savoir le débit massique, la masse volumique du fluide et la température, peuvent être utilisées pour calculer et afficher d'autres variables telles que le débit volumique, la teneur en solides entraînés, la concentration ou les valeurs de densité dérivées (par ex. densité standard, °Brix, °Baumé, °API, °Balling, °Plato). Les systèmes de mesure modernes sont équipés pour calculer et transmettre ces variables mesurées secondaires directement via le transmetteur.

Les caractéristiques exceptionnelles de ces appareils Coriolis en font un excellent choix pour un large éventail d'applications :

• Mélange et dosage de différentes matières premières
• Contrôle des processus
• Mesure des fluides avec variation rapide de la densité
• Contrôle et surveillance de la qualité du produit
• Transactions commerciales de liquides et gaz

Voici quelques-unes des raisons pour lesquelles le principe de Coriolis s'est imposé comme une technique de mesure éprouvée au cours des 25 dernières années. Les débitmètres Coriolis sont fréquemment utilisés dans les procédés chimiques, principalement pour les raisons suivantes :

• Méthode directe de mesure de masse avec une grande précision (généralement ± 0,1 %)
• Grande polyvalence grâce à une large gamme de matériaux de tubes de mesure

L'industrie alimentaire compte de nombreuses applications, par ex. le dosage de quantités minimales d'ingrédients et le remplissage (fig. 6). Les compteurs Coriolis sont également de plus en plus répandus dans les applications de comptage de gaz à basse et haute pression (fig. 7), par ex. avec le gaz naturel comprimé (GNC). Des compteurs adaptés aux transactions commerciales sont également disponibles sur le marché pour de nombreuses applications.

Depuis quelque temps, les avantages décrits précédemment ouvrent sans cesse de nouveaux champs aux débitmètres basés sur le principe de Coriolis. Par conséquent, tout indique que le marché des compteurs Coriolis continuera de croître au rythme actuel, voire de se développer davantage dans les années à venir.

Les caractéristiques de la mesure Coriolis sont particulièrement attrayantes et prometteuses pour les applications qui, par le passé, étaient réalisées par des techniques de mesure « traditionnelles ». Le coût de possession est l’un des nombreux facteurs qui entrent en jeu à cet égard. Il comprend non seulement le coût initial d'acquisition, mais également les dépenses et les frais généraux engagés tout au long du cycle de vie de l'appareil. Les compteurs Coriolis présentent des coûts de cycle de vie étonnamment faibles car ils nécessitent relativement peu d'entretien et présentent un niveau élevé de flexibilité dans des conditions de processus très variables.

Dans l'application représentée sur la figure 7, l'éthylène est mesuré avec une pression comprise entre 75 et 95 bars et un débit de 10 à 40 t/h. Malgré les vibrations de la canalisation, le débitmètre Promass ne nécessite absolument aucun moyen de support ou de fixation supplémentaire.

• Principe applicable universellement pour mesurer le débit des liquides et des gaz
• Mesure directe du débit massique (pas besoin de compensation de pression et de température)
• Le principe de mesure est indépendant de la densité et de la viscosité du fluide
• Précision de mesure très élevée (normalement ±0,1 % v.m.)
• Concept de capteur multivariable : mesure simultanée du débit massique, de la masse volumique et de la température
• Non affecté par le profil d'écoulement
• Aucune longueur droite d'entrée et de sortie nécessaire
• Aucune pièce mobile à l'intérieur du tube de mesure
• Pas besoin de filtres
• Pas besoin de mesure de densité séparée

• Investissement initial relativement élevé
• La plupart des conceptions introduisent une perte de charge
• Utilisation restreinte si la teneur en gaz du fluide est élevée et dans le cas de fluides multiphasiques