Tout savoir sur la mesure de débit avec un débitmètre électromagnétique

Les débitmètres électromagnétiques (magmeters) existent depuis 1939. Le père Bonaventura Thürlemann (1909-1997), ecclésiastique et inventeur suisse, a été le pionnier de l'utilisation industrielle de ce principe de mesure. Le phénomène physique sur lequel repose la technique est cependant connu depuis bien longtemps. Le physicien anglais Michael Faraday (1791-1867) a réalisé que des charges électriques sont induites dans une tige métallique conductrice de longueur (L) déplacée à une vitesse (v) à travers un champ magnétique (B) et, par conséquent, une tension (Ue) de quelques millivolts est générée entre les extrémités de la tige (Fig. 1).

Faraday a également découvert que l'amplitude de la tension ainsi induite est directement proportionnelle à la vitesse (v) du mouvement et à l'intensité (B) du champ magnétique.

©Endress+Hauser

Ue : Tension induite
B : Intensité du champ magnétique
L : Longueur du conducteur électrique (correspond à l'espacement des électrodes dans le tube de mesure)
v : Vitesse de déplacement du conducteur (correspond à la vitesse du fluide dans le tube de mesure)

Dans un débitmètre électromagnétique, DEM, (magmeters) (Fig. 2), le fluide conducteur qui circule à l'intérieur du tube de mesure correspond à la tige métallique de l'expérience de Faraday. Le champ magnétique d'intensité constante est généré par deux bobines, une de chaque côté du tube de mesure. Deux électrodes situées sur la paroi intérieure du tube détectent la tension générée lorsque le fluide circule dans ce champ. Le tube de mesure et les électrodes sont isolés électriquement du fluide par un revêtement non conducteur (par exemple en caoutchouc, téflon, etc.).

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Étant donné un champ magnétique d'intensité constante (B), l'équation suivante montre que la tension de mesure induite (Ue) est directement proportionnelle à la vitesse d'écoulement (v). La section de la conduite (A) est connue, ce qui permet de calculer facilement le débit volumétrique (QV)

Les débitmètres électromagnétiques ont un bon rapport précision de mesure / prix d’achat. Ils ne fonctionnent qu’avec des fluides conducteurs, comme l'eau, les acides, les bases, les boues, etc. Ils sont installés pour la surveillance des liquides, le remplissage, le dosage volumique. Ils sont la meilleure solution dans le cas de fluides très chargés ou très abrasifs comme les boues de minerai, les mélanges sable-eau, les produits destinés à la construction (béton, bitume).

Les débitmètres massiques Coriolis peuvent être utilisés pour tous les fluides conducteurs ou non. Ils sont plus précis et également plus chers. Ils permettent des mesures multi-paramètres comme : le débit massique, le débit volumique, la densité, les concentrations dans des fluides bi-phasiques, les valeurs de masses volumiques spécifiques telles que la masse volumique de référence, degré Brix, °Baumé, °API, °Balling, °Plato, etc.

Pour en savoir plus sur les débitmètres massiques Coriolis

La nouvelle génération de débitmètre 0 DN ou sans longueur droite amont permet de s’affranchir des contraintes habituelles. Si vous choisissez un appareil standard, il vous faudra vous assurer que la tuyauterie est remplie. En effet, si le tuyau est vide, les électrodes de mesure ne sont pas mouillées par le fluide, de sorte que la mesure n'est plus possible. Si le tuyau est partiellement rempli et que les électrodes sont encore mouillées par le fluide, l'erreur mesurée est proportionnelle à la teneur en air.

La meilleure solution est d’implanter le débitmètre sur une conduite verticale fluide montant. Il est toujours déconseillé d’installer le capteur au point le plus élevé d'une tuyauterie (risque d'accumulation de gaz) ou en amont d'un écoulement libre (où des bulles pourraient remonter). Dans les tuyauteries où le risque d’avoir un remplissage partiel existe, le compteur doit être installé dans un siphon afin que le fluide remplisse toujours le tube de mesure (Fig. 3).

En installant le débitmètre électromagnétique dans un siphon, on s'assure que le tube de mesure est toujours complètement rempli. L'ouverture de nettoyage (en bas) sert à éliminer les solides, au cas où ils s'accumuleraient dans le siphon et à effectuer des nettoyages périodiques.

De manière générale, les débitmètres électromagnétiques sont des appareils qui nécessitent peu d'entretien car il n’y a pas de pièce en mouvement contrairement aux débitmètres mécaniques. Les influences mécaniques telles que les dépôts dans le tube de mesure peuvent toutefois nécessiter un démontage pour le nettoyage.

Avec la technologie Heartbeat, les appareils s’autocontrôlent en permanence. Elle vous permet également d’effectuer des diagnostics et des contrôles de bon fonctionnement à la demande pour vos opérations de maintenance préventive. Les dépôts ou dysfonctionnements peuvent ainsi être détectés à un stade précoce. Pour s’assurer de la précision des mesures, les débitmètres électromagnétiques peuvent être étalonnés périodiquement sur un banc d’étalonnage en laboratoire ou sur site.

Chaque fabricant spécifie une conductivité minimale qui est fonction de la technologie de conception et de la taille du compteur. Tant que la conductivité reste au-dessus de ce seuil, les fluctuations n'ont aucun effet sur la mesure. Des problèmes surviennent lorsque les fluides à faible conductivité induisent de faibles tensions aux électrodes.

Cela signifie qu'il devient de plus en plus difficile de distinguer la tension du signal et le bruit lorsque la conductivité diminue. Le problème est aggravé dans la partie inférieure de la plage de mesure. Là, les signaux peuvent devenir inutilisables, car il devient impossible de distinguer le signal du bruit.

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Seule la conception physique du capteur, ainsi que le matériau de son revêtement, imposent des limites à sa gamme d'applications en ce qui concerne la pression et la température. Les effets de la pression, de la température et de la viscosité sur la mesure elle-même sont négligeables.

Les débitmètres électromagnétiques sont parfois affectés par les turbulences des vannes de régulation du débit, des pompes et des coudes par exemple. Les tourbillons affectent la plupart des types de débitmètres mais sont mieux gérés par les débitmètres électromagnétiques, car la taille du champ magnétique a tendance à faire la moyenne des effets tridimensionnels. Les longueurs en amont aident à réduire l'influence de ces perturbations.

Dans ce cas, il convient de suivre les conseils et préconisations des fournisseurs, car les différentes conceptions nécessitent des longueurs droites différentes. Il est préconisé que les profils d'écoulement soient aussi symétriques que possible pour la mesure.

Comment la mesure est-elle affectée si les débits d'entrée et de sortie recommandés ne sont pas respectés ?

Une erreur de mesure supplémentaire de 1 % ou plus peut se produire dans ces circonstances. Tant que les longueurs droites amont / aval spécifiées par le fabricant sont respectées, le profil d'écoulement n'a aucun effet sur la mesure. Les débitmètres électromagnétiques sont moins affectés que les compteurs à turbine, vortex, ultrasons et organes déprimogènes. Afin d’éviter les contraintes de montage, des versions sans longueurs droite amont / aval ont été développées pour répondre aux applications dans l’eau potable et les eaux usées.

Les dépôts à l'intérieur du tube de mesure doivent être évités dans la mesure du possible. Les dépôts conducteurs ont deux effets qui se produisent simultanément. Premièrement, les dépôts modifient la zone d'écoulement, augmentant la vitesse d'écoulement et surévaluant ainsi le débit réel. Deuxièmement, les dépôts conducteurs réduisent la sensibilité des électrodes, ce qui provoque des signaux à basse tension qui sous-estiment le débit réel. Dans quelques cas fortuits, ces deux effets peuvent s'annuler et la lecture du compteur est correct.

Ceci est cependant rare. Dans le pire des cas, des dépôts conducteurs pourraient court-circuiter les électrodes. Une solution consiste à nettoyer régulièrement le tube de mesure ou à installer un capteur avec un circuit ECC (Electrodes Cleaning Circuit) pour un nettoyage continu des électrodes. Le circuit ECC applique une tension entre 8 et 10 volts aux électrodes de mesure et de référence à intervalles réguliers. Seules de fines couches de matériau conducteur peuvent être enlevées de cette manière. Par conséquent, le cycle de nettoyage doit être préventif et doit être configuré en fonction de l'application.

Les dépôts non conducteurs (par exemple les graisses des produits laitiers) provoquent une isolation croissante des électrodes, ce qui entraîne des erreurs de mesure. Ceci s'ajoute aux changements de zone d'écoulement qui peuvent se produire comme décrit ci-dessus. En conséquence, la lecture du débit peut fluctuer, être faible ou même tomber à zéro. Les solutions suivantes peuvent être mises en œuvre :

• Nettoyer le tube de mesure à intervalles réguliers

• Augmenter la vitesse d'écoulement

• Utiliser des électrodes de mesure de forme spéciale, par exemple des électrodes en pointe dans le cas de dépôts de films huileux

Les gaz ou les solides produisent différents effets électrochimiques à la surface des électrodes. Ils affectent directement la tension induite telle que mesurée par le dispositif.

• Les solides qui passent à proximité de l'électrode peuvent perturber les mesures en raison d'interactions électrochimiques.

• Les bulles de gaz agissent comme des isolants à la surface des électrodes. Par conséquent, les inclusions de gaz produisent des erreurs qui sont proportionnelles à la teneur en gaz. Cela signifie que le fluide doit être exempt de gaz

• Lorsqu'il y a du gaz et du liquide, il est recommandé d'effectuer la mesure dans un tuyau vertical. De bons résultats ont été obtenus en utilisant des débitmètres électromagnétiques dans un écoulement bi-phasique, à condition que la teneur en gaz soit inférieure à 5 % en volume.

Le transmetteur enregistre tous ces effets sous forme de bruit accru (certains débitmètres électromagnétiques sont équipés d'algorithmes de réduction du bruit). Certains solides magnétiques, par exemple dans l'industrie minière, produisent des champs parasites suffisamment puissants pour perturber le champ magnétique au point de ne plus permettre de mesures reproductibles.

Les gaz et les solides ne sont pas les seuls à pouvoir influencer la reproductibilité d'une mesure, mais des facteurs qualitatifs tels que la forme et la longueur des particules solides peuvent également être gravement perturbateurs. Pour les fluides problématiques, une solution spécifique à l'application doit être élaborée entre le fabricant et l'utilisateur. C'est là qu'une connaissance approfondie de l'application et du principe de mesure devient plus importante.

La règle de base est qu'un fluide conducteur pouvent être pompé peut également être mesuré. Des capteurs spéciaux peuvent être nécessaires, ils pourront traiter l’influence des matières en suspension, de la cellulose, de la pulpe ou de la boue avec un degré de reproductibilité satisfaisant. Des débitmètres électromagnétiques à haute performance, comme le Proline Promag 55S, ont été utilisés avec succès pour mesurer les fluides suivants :

• Industrie minière : flux de boues avec des teneurs en solides allant jusqu'à 75 ou 80 % en poids

• Industrie du papier : pâte à papier avec des fibres de différentes longueurs, jusqu'à des teneurs en solides d'environ 20 % en volume

• Industrie de l'eau : boues déshydratées jusqu'à 25 % en volume

Oui, il est important de choisir un matériau de revêtement approprié pour le capteur, en particulier si le fluide est très abrasif. Les électrodes de type brosse ont été développées pour ce type d’application par exemple.

Les débitmètres électromagnétiques mesurent nativement dans les deux sens. Il convient de paramétrer les sorties et totalisateurs de l’appareil en fonction des besoins : comptage et totalisation dans le sens positif, dans le sens négatif, somme (positif + négatif), bilan (positif - négatif).
Le sens positif est représenté par une flèche sur le tube de l’appareil.