Tout savoir sur la mesure de débit avec un débitmètre à effet Coriolis

La plus ancienne description de ce principe est généralement attribuée au physicien et mathématicien français dont il porte aujourd'hui le nom, Gaspar Gustave de Coriolis (1792-1843). L'effet ne se produit que dans les systèmes en rotation, par exemple sur les manèges de foire ou sur notre planète, mais il ne doit pas être confondu 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 doit toujours être observée lorsque le mouvement droit et l'action rotative se superposent dans un système.

Un exemple pratique est illustré à la figure 1 :

Une personne qui se tient immobile sur un plateau tournant n'a qu'à se pencher légèrement vers l'intérieur pour contrer la force centrifuge (à gauche). Une personne qui se déplace du centre de rotation vers le bord de la platine, cependant, rencontre une vitesse de rotation en constante augmentation et, à mesure que 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 platine (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.

©Endress+Hauser

En termes mathématiques, la force de Coriolis (FC) est donc proportionnelle à la masse en mouvement (m), à la vitesse de rotation (ω) et à la vitesse radiale (v_r) dans le système en rotation.

Les forces de Coriolis sont toujours présentes lorsque le mouvement linéaire et l'action rotative se superposent au sein d'un système (à droite). En l'absence de mouvement linéaire (à gauche, personne immobile), seules les forces centrifuges sont présentes.

En savoir plus sur les débitmètres Coriolis

Dans un débitmètre massique Coriolis (voir la figure 2), les particules de masse individuelles sont influencées de la même manière que le corps de la personne sur la platine de 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.

• À 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 que la masse s'écoule, le mouvement induit par l'oscillation (= rotation) dans le tube de mesure se superpose au mouvement linéaire du fluide qui s'écoule. La force de Coriolis provoque une "torsion" des tubes de mesure (b, c). Les capteurs (A, B) à l'entrée et à la sortie enregistrent la différence de temps de ce mouvement, en d'autres termes, ils enregistrent la différence de phase. Plus le débit massique est élevé, plus la différence de phase est importante (voir figure 3).

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

Lorsque le fluide s'écoule, les particules de masse se déplacent dans le tube de mesure et sont soumises à une accélération latérale superposée aux forces de Coriolis (FC). Lorsqu'elles entrent dans le tube, les particules de masse (m) s'éloignent du centre de rotation (Z₁) et reviennent vers le centre (Z₂) en s'approchant de l'extrémité de sortie.

En conséquence, les forces de Coriolis agissent dans des directions opposées à l'entrée et à la sortie et le tube de mesure commence à "tourner". Cette modification de la géométrie du tube de mesure, induite par l'oscillation, est enregistrée comme une différence de phase par les capteurs (A, B) à chaque extrémité du tube. Cette différence de phase (Δϕ) est directement proportionnelle à la masse du fluide et à la vitesse d'écoulement (v), et donc aussi au débit massique.

Dans de nombreux secteurs de l'industrie, c'est la masse plutôt que le volume du flux qui doit être mesurée. Dans l’agroalimentaire, par exemple, les produits tels que les pâtes, les pulpes et les yaourts sont généralement dosés en fonction du poids et non du volume. Cela s'explique notamment par le fait que le volume de la plupart des liquides peut varier considérablement sous l'effet d'influences physiques telles que la pression et température. La masse d'un fluide n'est pas affectée par ces paramètres - la mesure du débit massique présente donc certains avantages que la mesure volumétrique ne peut tout simplement pas égaler.

C'est un aspect particulièrement important dans le cas de transaction commerciale. Les débitmètres massiques Coriolis peuvent être utilisés pour presque tous les fluides : produits de nettoyage, solvants, carburants, pétrole brut, huiles végétales, graisses animales, latex, huiles de silicone, alcool, jus de fruits, dentifrice, vinaigre, ketchup, mayonnaise, gaz ou gaz liquéfiés. Ils possèdent la meilleure précision de mesure avec des incertitudes pouvant aller jusqu’à ±0,05%.

Ces débitmètres permettent des mesures multi-paramètres comme : le débit volumique, le débit massique, la densité, la température, la viscosité, la teneur en particules solides dans un fluide, les concentrations dans des fluides multiphasiques, les valeurs de masse volumique spécifiques telles que la masse volumique de référence, degré Brix, °Baumé, °API, °Balling, °Plato, etc.

La gamme de diamètres nominaux actuellement disponibles chez Endress+Hauser s'étend de DN 1 à 400 (1/24 à 16"). L'utilisation peut donc aller du dosage de très petites quantités dans des applications pharmaceutiques jusqu'au chargement et au déchargement de cargaisons de navires. Le choix des modèles est donc très large.

Les débitmètres électromagnétiques ne fonctionnent qu’avec des fluides conducteurs. Ils sont connus pour avoir un bon rapport précision de mesure / prix d’achat. Ils sont utilisés aussi bien dans le process que dans les utilités. Dans le cas de fluides très chargés ou très abrasifs, ils sont la meilleure alternative.

Pour en savoir plus sur le débitmètre électromagnétique.

Le principe en tant que tel n'impose pas d'exigences majeures en matière d'installation ou de positionnement des appareils. Il est cependant important de respecter les préconisations du constructeur. Ces préconisations peuvent varier d'un fournisseur à l'autre, et même d'une conception à l'autre chez un même fournisseur. D'une manière générale, les débitmètres Coriolis d'Endress+Hauser ne nécessitent pas de mesures particulières pour l'installation sur les conduites.

Il n’est pas nécessaire de prévoir de longueurs droites amont / aval. Toutefois, selon la construction, certains modèles peuvent être fixés mécaniquement en deux points de la tuyauterie, en raison de leur poids et limiter l’effet des vibrations.

La maintenance de ces débitmètres est réduite. En effet, l’absence de pièce en mouvement simplifie considérablement les choses. Le nettoyage en place (NEP) et la stérilisation en place (SEP) est possible. 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 . Afin de s’assurer de la précision de la mesure dans le temps, les débitmètres peuvent être étalonnés sur un banc d’étalonnage, en laboratoire ou sur site.

Les liquides très visqueux, en particulier, contiennent souvent du gaz sous forme de bulles. Ces bulles de gaz ont un effet amortisseur sur les oscillations du tube de mesure. Une augmentation de la puissance d'excitation des tubes par l’appareil empêche cet effet d'amortissement, réduisant ainsi l'influence des bulles sur la mesure.

Les grandes inclusions de gaz ont un effet plus perceptible. Lorsqu'elles traversent le dispositif de mesure, ces inclusions peuvent perturber la stabilité du système oscillant et cela tend à limiter la précision de la mesure - dans les cas extrêmes, le tube de mesure peut même cesser d'osciller. Il convient donc de prendre des mesures pour éviter la formation de gaz chaque fois que cela est possible. On peut pour cela augmenter la pression process ou installer des séparateurs de gaz.

Le débitmètre Promass Q avec son design de tube et ses fréquences de vibration spécifiques permet des mesures fiables sur les liquides avec gaz entraîné.

Les vibrations sur les tuyauteries se situent généralement dans une plage de 50 à 150 Hz. Les débitmètres massiques Coriolis d'Endress+Hauser ont tous une fréquence de résonance plus élevée. Ils sont donc pratiquement insensibles aux vibrations induites. Cela signifie qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser des supports anti-vibrations spéciaux avec ces appareils de mesure.

Les solides ne posent pas de problème tant qu'ils sont mélangés de manière homogène, ce qui leur permet d'osciller de la même manière qu'un liquide, et ce faisant, ils ne font que contribuer au signal de débit. Le paramètre critique est le rapport entre la taille des particules (inertie) et les forces visqueuses (forces d'accélération).

Par conséquent, dans les fluides de faible viscosité, la proportion de particules solides doit être aussi faible que possible. Un compteur avec des tubes de mesure légèrement courbés peut être installé de manière à empêcher les solides de s'accumuler dans les tubes courbés (par exemple verticalement), en particulier lorsque le fluide ne s'écoule pas. Il convient également de s’assurer que ces solides en suspension n’ont pas un effet abrasif sur le tube de mesure.

La cavitation se produit dans un système rempli de fluide si la pression du système tombe en dessous de la pression de vapeur du fluide en question. Le logiciel de sélection et de configuration d'Endress+Hauser, Applicator intègre des fonctions permettant de déterminer quand la cavitation peut se produire dans certaines conditions de process et affiche un message d’avertissement.

Le débit ne peut pas être mesuré si le tuyau n'est que partiellement rempli. Dans ces circonstances, le système oscillant est incapable d'atteindre un état stable.

Le profil de débit n'a aucun effet sur la mesure avec un débitmètre Coriolis.

Les pompes à piston peuvent produire de fortes fluctuations cycliques du débit ou même un léger reflux, par exemple causé par le volume de fermeture, ou par des fuites minimales au niveau des soupapes et par le déplacement du volume. Les conditions de process de cette nature exigent des systèmes de dosage qui réagissent rapidement aux changements de débit dans le sens positif et négatif (bidirectionnel).

Les débitmètres massiques Coriolis d'Endress+Hauser ont des fonctions de compensation de ces fluctuations sur toute la plage de mesure, afin de permettre une mesure correcte du débit pulsé. Une pompe à piston produit des changements rythmiques de la densité des fluides compressibles tels que les liquides contenant du gaz. Une mesure précise peut être difficile dans de telles circonstances. Il est cependant possible de remédier à la situation en augmentant la pression statique du système ou en installant des amortisseurs de pulsation.

Les débitmètres 300 / 500 sont parfaitement adaptés à la mesure sur débit pulsé.

Les débitmètres Coriolis 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.