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1-01 PRINCIPES DE MESURES, DE CONTROLE ET DE REGULATION

Date

21/03/2002 24/04/2001

Révision Auteur 3 2 1 DPC A.M. 0 DPC A.M.

Description de la révision

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TABLE DES MATIERES

Introduction.......................................................................................................................................... 5 1.1

Rôle de la régulation........................................................................................................................... 5

1.2

Principe et constitution d’une boucle de régulation ........................................................................ 6

1.2.1

Différente fonction dans une boucle de régulation .......................................................................................6

1.1 On peut imaginer une expérience de régulation relative au maintien à une hauteur déterminée du niveau de la phase liquide dans un ballon. ............................................................................................ 6 1.2.2

1.3 1.3.1 1.3.2

Composition d'une boucle de régulation.......................................................................................................7

Généralités des appareils de mesures ............................................................................................... 7 Qualité d’un appareil de mesure ...................................................................................................................8 Caractéristiques liées à l’étalonnage de l’appareil ........................................................................................8

Température ....................................................................................................................................... 10 1.4

Généralité .......................................................................................................................................... 10

1.5

Mesure des températures................................................................................................................. 10

1.5.1 1.5.2

Thermomètres utilisant les phénomènes de dilatation et de tension de vapeur...........................................10 Thermomètres à mesure électrique .............................................................................................................13

Débits .................................................................................................................................................. 20 1.6 1.6.1 1.6.2 1.6.3

1.7 1.7.1 1.7.2 1.7.3 3.2.4

1.3 1.1.1 1.1.2 1.1.3

1.2 1.2.1 1.2.2

1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.3.5

Généralité .......................................................................................................................................... 20 Débits..........................................................................................................................................................20 Vitesse moyenne d'écoulement...................................................................................................................20 Charge totale d'un liquide en écoulement ...................................................................................................21

Mesure par organe déprimogène .................................................................................................... 24 Principe.......................................................................................................................................................24 Principe de mesure du débit par organe déprimogène ................................................................................25 Echelle de lecture de débit ..........................................................................................................................27 Différents types d'organes déprimogènes ...................................................................................................28

Autres principes de mesure de débits ............................................................................................. 29 Autres débitmètres mesurant la pression dynamique du fluide...................................................................29 Rotamètre ou débitmètre à section variable...........................................................................................30 Les turbines et les compteurs...................................................................................................................31

Facteurs de correction...................................................................................................................... 32 Application aux liquides .............................................................................................................................33 Application aux gaz ....................................................................................................................................33

Divers types de débitmètres............................................................................................................. 36 Débitmètres électromagnétiques.................................................................................................................36 Sonde de débit (FLOBAR, ANNUBAR, ...)...............................................................................................39 Débitmètre à effet CORIOLIS.................................................................................................................40 Les débitmètres à ultra-sons ....................................................................................................................42 Les débitmètres à effet VORTEX............................................................................................................44

Niveau................................................................................................................................................. 55 1.8 1.8.1

Mesure de hauteur de liquide et de niveau à glace........................................................................ 55 Mesures directes de hauteurs ......................................................................................................................55

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1.8.2

1.9

Niveaux à glace...........................................................................................................................................55

Niveau à flotteur et à plongeur........................................................................................................ 56

1.9.1 1.9.2 1.9.3

Les flotteurs à déplacement vertical............................................................................................................56 Détecteur de niveau à flotteur articulé ........................................................................................................57 Les niveaux à plongeur et tube de torsion...................................................................................................58

1.10

Utilisation de cellule à pression différentielle ............................................................................. 61

1.11

Système radar................................................................................................................................ 62

1.12

Détecteur de niveau à résonance ................................................................................................. 63

Pression .............................................................................................................................................. 64 1.13

Généralité ...................................................................................................................................... 64

1.13.1 1.13.2 1.13.3 1.13.4 1.13.5

1.14

Définition de la pression .............................................................................................................................64 Unités..........................................................................................................................................................64 Différence de pression entre 2 niveaux dans un fluide (principe de l'hydrostatique)..................................65 Existence et mesure de la pression atmosphérique .....................................................................................66 Pression absolue & relative.........................................................................................................................67

Appareils pour lecture local......................................................................................................... 67

1.14.1 1.14.2

Le manomètre à tube de Bourdon...............................................................................................................68 Autres manomètres métalliques..................................................................................................................69

1.15

Appareils pour transmission de pression.................................................................................... 69

1.16

Appareils pour transmission de signal électrique ...................................................................... 71

1.4

INSTALLATION DES MANOMETRES ...................................................................................... 72

1.4.1 1.4.2 1.4.3

Installation du capteur.................................................................................................................................72 Installation du manomètre ..........................................................................................................................72 Dispositifs de protection .............................................................................................................................72

1.5

PRESSOSTATS................................................................................................................................ 74

1.6

VALIDITE DE LA MESURE ......................................................................................................... 75

Transmetteur pneumatique................................................................................................................ 77 1.7

Généralités ........................................................................................................................................ 77

1.8

ALIMENTATION D'UN APPAREIL PNEUMATIQUE ............................................................ 77

1.8.1 1.8.2

1.9

Principe.......................................................................................................................................................77 Fonctionnement ..........................................................................................................................................77

TRANSFORMATION D'UNE FORCE EN UN SIGNAL PNEUMATIQUE ............................ 78

1.9.1

1.10 1.10.1 1.10.2

1.11 1.11.1 1.11.2 1.11.3

1.12 1.12.1 1.12.2 1.12.3

Principe.......................................................................................................................................................79

AMPLIFICATION DU SIGNAL PNEUMATIQUE................................................................. 79 Schéma de principe :...................................................................................................................................79 Fonctionnement ..........................................................................................................................................79

LES TRANSMETTEURS PNEUMATIQUES .......................................................................... 80 Principe de fonctionnement ........................................................................................................................80 Réglages d'un transmetteur pneumatique....................................................................................................81 Indication ....................................................................................................................................................82

LES APPAREILS DE MESURE................................................................................................. 83 TRANSMETTEUR PNEUMATIQUE DE PRESSION DIFFERENTIELLE ...........................................84 TRANSMETTEUR PNEUMATIQUE DE PRESSION ABSOLUE .........................................................85 TRANSMETTEUR PNEUMATIQUE DE TEMPERATURE...................................................................86

Régulation .......................................................................................................................................... 87 1-01 Principes de mesures, de contrôle et de régulation

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1.13 1.13.1 1.13.2 1.13.3 1.13.4 1.13.5 1.13.6

FONCTION DE LA REGULATION.......................................................................................... 87 Définitions des grandeurs utilisées en régulation...................................................................................89 Les quatre phases de la régulation ..........................................................................................................90 Régulation automatique ...........................................................................................................................91 Eléments d'une chaîne de régulation.......................................................................................................92 Boucle fermée ............................................................................................................................................93 Boucle ouverte...........................................................................................................................................94

Action de la régulation....................................................................................................................... 96 1.14 1.14.1 1.14.2 1.14.3

Le GAIN du procédé..................................................................................................................... 96 Techniquement, on parle de GAIN du procédé......................................................................................97 Techniquement, on parle de GAIN du régulateur .................................................................................97 Bande proportionnelle et réglage du gain...............................................................................................98

1.15

Temps de réponse et temps mort............................................................................................... 101

1.16

Les actions du régulateur ........................................................................................................... 104

1.16.1 1.16.2 1.16.3 1.16.4 1.16.5 1.16.6 1.16.7 1.16.8 1.16.9

L'action TOUT OU RIEN ......................................................................................................................105 L'action PROPORTIONNELLE...........................................................................................................107 L'action PROPORTIONNELLE ET INTEGRALE............................................................................111 L'action PROPORTIONNELLE, INTEGRALE ET DERIVEE........................................................117 Passage en automatique..........................................................................................................................123 Passage en manuel ..................................................................................................................................123 Sens d'action d'un régulateur ................................................................................................................123 Régulation en CASCADE ......................................................................................................................124 Commande en "SPLIT-RANGE" .........................................................................................................126

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Introduction 1.1 Rôle de la régulation Le raffinage et la pétrochimie sont des industries dans lesquelles la plupart des unités de fabrication fonctionnent en continu. Pour que la marche de ces installations soit aussi stable que possible il est nécessaire de contrôler ou de réguler un certain nombre de paramètres de fonctionnement qui sont le plus souvent :

• • • •

des Pressions des Niveaux des Températures des Débits

Ainsi : ¾ Dans une colonne de distillation, la pression doit être maintenue à une valeur déterminée. ¾ Dans un ballon, le niveau qui sépare phase liquide et phase gazeuse doit être régulée. Il y aurait les plus grands dangers à envoyer le liquide dans les conduites de vapeur et inversement. ¾ Certains produits sont réchauffés ou vaporisés dans des fours. Leur température de sortie ne doit être ni trop haute (augmentation de la dépense d'énergie et risques éventuels), ni trop basse (pour des raisons de procédé). ¾ Pour connaître les quantités de produits qui circulent dans les unités, il est nécessaire de les mesurer et certaines d'entre elles doivent être maintenues à des valeurs bien précises. On pourrait citer bien d'autres exemples de grandeurs qui doivent être régulées à une valeur donnée. Pour satisfaire cet impératif, on utilise le plus souvent une chaîne ou boucle de régulation pour chaque paramètre à contrôler.

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1.2 Principe et constitution d’une boucle de régulation 1.2.1 Différente fonction dans une boucle de régulation

1.7 On peut imaginer une expérience de régulation relative au maintien à une hauteur déterminée du niveau de la phase liquide dans un ballon. Le maintien du niveau est assuré par un opérateur agissant sur la vanne de soutirage liquide.

Figure 1 Principe de régulation.

En fonction du débit de liquide entrant dans le ballon, et pour effectuer son travail, l'opérateur doit : •

Connaître le niveau à maintenir: c'est la CONSIGNE

•

Apprécier le niveau réel: c'est la MESURE, assurée par l’œil qui sert de CAPTEUR.

•

L'appréciation du niveau est transformée par la rétine et transmise au cerveau par le nerf optique qui sert de TRANSMETTEUR.

•

Le cerveau compare le niveau réel à la consigne ; s'il existe un ECART entre les deux, il en déduit une ACTION qui est transmise au bras par l'intermédiaire des nerfs.

•

Le cerveau joue le rôle du REGULATEUR, le bras celui du SERVO-MOTEUR organe de commande de la vanne.

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1.2.2 Composition d'une boucle de régulation Toutes les fonctions observées dans le réglage manuel précédent vont se retrouver dans une boucle de régulation, laquelle pourra être constituée des éléments ci-après.

Figure 2 Technique de régulation

La mesure de niveau est assurée par le capteur et dirigée vers le transmetteur. Celui-ci transforme la mesure en un signal et le transmet au régulateur qui, par ailleurs, a reçu une consigne de hauteur de niveau. Le régulateur compare la mesure à la consigne et, s'il existe un écart, agit sur la vanne dans le sens voulu pour ramener la grandeur réglée à la valeur de consigne. Les différents appareils sont reliés entre eux et les informations circulent le plus souvent : •

Soit sous forme de pression d’air : signal pneumatique pouvant varier de 200 à 1000 mbar (anciennement 3 à 15 PSI).

•

Soit sous forme de courant électrique dont l'intensité pourra varier de 4 à 20 mA par exemple.

Certaines chaînes peuvent éventuellement être mixtes, une partie des appareils et des liaisons étant pneumatique, l'autre électrique.

1.3 Généralités des appareils de mesures Dans le cas général, un appareil de mesure est constitué : •

D'un capteur installé à l'endroit où se fait la mesure,

•

D’un transmetteur qui transforme la grandeur mesurée en un signal pneumatique ou électrique qui sera utilisé dans un autre instrument : indicateur, enregistreur, régulateur, relais, convertisseur, alarme visuelle ou sonore, lequel sera situé à plus ou moins longue distance (le plus souvent en salle de contrôle),

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•

D’un système de transmission, mécanique le plus souvent, entre les deux éléments précédents.

L'ensemble de ces éléments peut éventuellement être regroupé dans un même appareil dont les qualités et les caractéristiques d'étalonnage sont les suivantes : 1.3.1 Qualité d’un appareil de mesure ¾ La PRECISION caractérise l'écart maximum entre la valeur réelle de la grandeur mesurée et l'indication de l'appareil.

Ecart entre indication et valeur réelle PRECISION (en %) =

Etendue de mesure de l’appareil

X 100

Elle représente normalement la valeur maximale des erreurs fortuites telles que frottements, variations de température ou vibrations. Ce qui explique que la précision des appareils industriels est médiocre (de l'ordre de 1 à 2 % en général).

Exemple: Un manomètre gradué de 0 à 10 bars relatifs (étendue de mesure : 10 bars) possède une précision à mi-échelle de 2 %. L'écart maximum entre la valeur de la pression et la valeur lue est donc de :

2 × 10 = 0.2bar 100 ¾ La FIDELITE : un appareil est fidèle lorsqu'il donne toujours la même indication pour des mesures successives d'une même valeur de la grandeur considérée. La plupart des appareils industriels ont une fidélité satisfaisante mais certains d'entre eux peuvent présenter une dérive, c'est-à-dire une variation lente dans le temps de l'indication correspondant à une valeur donnée de la grandeur mesurée. Un nouvel étalonnage de l'appareil peut être nécessaire (voir ci-dessous). ¾ La SENSIBILITE : caractérise la relation entre les variations de la grandeur mesurée et celles de l'indication. Un appareil est d'autant plus sensible qu'une faible variation de la grandeur mesurée se traduit par une grande variation de l'indication. 1.3.2 Caractéristiques liées à l’étalonnage de l’appareil Procéder à l'étalonnage d'un appareil, c'est agir sur les caractéristiques suivantes : • ZERO : Le zéro d'un appareil correspond à la valeur inférieure de l'indication de l'appareil. Il doit être réglé pour correspondre à la valeur minimale de la grandeur à mesurer.

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Exemple 1: On doit mesurer un niveau dont la hauteur sera comprise entre 0 et 10 m. Le zéro de l'appareil sera réglé afin que l'indication soit minimale pour une hauteur nulle. Exemple 2: Le niveau à mesurer a une hauteur comprise entre 5 et 15 m. Le zéro doit être réglé afin que l'indication de l'appareil soit minimale pour une hauteur de 5 m. • ETENDUE DE MESURE OU ECHELLE DE MESURE : L'étendue de mesure d'un appareil est la différence entre les indications maximale et minimale de l'appareil. Ces indications doivent correspondre aux valeurs minimale et maximale de la grandeur à mesurer. Ainsi dans les deux exemples précédents on utilisera deux appareils de même étendue de mesure mais de zéros décalés. La plupart des appareils de mesure possèdent un dispositif permettant le réglage de l'échelle de mesure et du zéro. Nota: Un étalonnage faux conduira à une erreur de mesure systématique qui viendra s'ajouter à l'incertitude due à la précision intrinsèque de l’appareil.

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Température 1.4 Généralité Les températures sont repérées grâce à des ECHELLES de températures qui sont : • • •

L’échelle CELSIUS ou Centigrade. L’échelle FAHRENHEIT (système anglo-saxon). L’échelle KELVIN (absolue).

Conversion : 0°C = 32°F 100°C = 212°F t en °F = 1.8 x t en °C + 32 0°C = 273.15°K -273.15°C = 0°K (Zéro absolu)

1.5 Mesure des températures La mesure des températures utilise deux principes essentiels : • •

Les phénomènes de dilatation et de tension de vapeur Les phénomènes de thermoélectricité et de thermorésistance

1.5.1 Thermomètres utilisant les phénomènes de dilatation et de tension de vapeur On trouve principalement : 1.5.1.1 Des thermomètres à dilatation de liquide (mercure ou alcool) Placés dans des puits thermométriques disposés le long des lignes, ils permettent d'effectuer des mesures de température lors de circonstances exceptionnelles (tests d'appareils, défaillance d'autres systèmes de mesure, etc..). On notera que l'indication de l'appareil dépend beaucoup de sa disposition (colonne émergente, puits rempli d'huile ou non) et qu'il faut se garder de toute erreur de parallaxe. Les domaines d'utilisation des liquides les plus couramment utilisés sont : ¾ -35°C à + 500°C pour le mercure. ¾ -80°C à + 70°C pour l'alcool.

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¾ -200°C à + 30°C pour le pentane. 1.5.1.2 Des indicateurs de températures à dilatation de métal ¾ Dilatation d'une tige métallique La variation de longueur d'une tige métallique sous l'influence de la température est transmise à un système indicateur. ¾ Dilatation d'un bilame Un bilame est constitué de 2 feuilles de métaux différents soudées entre elles, par exemple cuivre et invar (acier à 36% de nickel). Ces métaux se dilatant de manière différente sous l'influence de la température, il est possible d'établir une relation entre celle-ci et la position de l'extrémité libre du bilame, comme le montre le schéma ci-dessous.

Figure 3 Indicateur bilame

Afin d'obtenir une bonne sensibilité les appareils industriels utilisent des bilames enroulés en hélice. La jonction entre le bilame et le dispositif indicateur se fait à l'aide d'une tige métallique présentant un coefficient de dilatation pratiquement nul à la température où elle est portée. Les appareils à dilatation de métaux sont des appareils généralement robustes mais assez peu précis.

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1.5.1.3 Appareils à bulbe permettant la transmission Ces appareils sont constitués : ¾ D'un bulbe placé à l'endroit de la mesure de température ¾ D'un tube capillaire très fin ¾ D'un dispositif de mesure de la pression qui règne dans l'ensemble Bulbe + Capillaire.

Figure 4 Transmetteur à bulbe

Selon les cas l'ensemble Bulbe + Capillaire + Soufflet peut contenir : ¾ Un liquide (mercure) ou un gaz (Hélium, Azote) qui, en se dilatant engendre une pression P en fonction de la température. Avec un liquide, on trouve des longueurs de capillaire allant jusqu'à 10 m et avec des gaz, jusqu'à 25 m. ¾ Un liquide en équilibre avec sa vapeur. La pression dans le système est la tension de vapeur du liquide à la température du bulbe. On pourra ainsi utiliser par exemple : • L'ammoniac de - 20°C à + 60°C • Le butane de + 20°C à + 140°C • Le benzène de + 80°C à + 280°C La non linéarité des courbes de tension de vapeur des corps purs vient limiter l'étendue de mesure et la précision de tels appareils. Dans la pratique il est nécessaire de corriger l'influence de la température extérieure sur le capillaire. Cette correction est réalisée au niveau du transmetteur.

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1.5.2 Thermomètres à mesure électrique La mesure électrique des températures s'effectue le plus souvent au moyen de thermocouples et de résistances thermométriques. 1.5.2.1 Les thermocouples Principe de la mesure des températures par thermocouple (90% à 95% des utilisations) : Un thermocouple est constitué par : •

Deux conducteurs de natures différentes, par exemple du cuivre et du constantan (Alliage à 55 % de cuivre et 45 % de nickel).

•

De deux soudures entre ces deux conducteurs une soudure chaude à la température t à mesurer une soudure froide que l'on peut supposer être à 0°C pour l'instant.

•

Un système de mesure de différence de potentiel électrique (tension).

PRINCIPE DE LA MESURE DES TEMPERATURES PAR THERMOCOUPLE

Figure 5 Principe du thermocouple

On constate que lorsque soudure froide et soudure chaude sont soumises à des températures différentes, il apparaît entre les conducteurs une différence de potentiel (ou tension) que l'on peut mesurer avec un millivoltmètre. Cette tension dépend de la température de la soudure chaude (si la soudure froide est à 0°C) et de la nature des métaux. Lorsque cette dernière est connue on peut graduer directement les indications du millivoltmètre en température.

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Réalisation pratique des thermocouples et montage. Les couples de métaux les plus utilisés en raffinerie sont : ¾ cuivre - constantan (55% cuivre, 45% nickel) : convient de - 100 à 350°C ¾ Fer - constantan : 0 à 600°C ¾ Chromel (90% nickel, 10% chrome) – Alumel (97% Nickel, 3% aluminium) : 300 à 1000°C. ¾ Plus rarement : platine - platine Rhodié (alliage de platine et de rhodium) : hautes températures.

Identification des thermocouples : Code ANSI B E J K N* R S T

Pôles + Pt – 30%Rh Chromel Ni – Cr Fe Chromel Ni – Cr Nicrosil Ni – Cr – Si Pt – 13%Rh Pt – 10%Rh Cu

Pôles Pt – 6%Rh Constantan Cu – Ni Constantan Cu – Ni Alumel Ni – Al NISIL Ni – Si – Mg Pt Pt Constantan Cu – Ni

Code des couleurs Non établi + Pourpre / - Rouge + Blanc / - Rouge + Jaune / - Rouge + Orange / - Rouge Non établi Non établi + Bleu / - Rouge

*Symbole ou standard non officiel

Pratiquement les thermocouples sont constitués par 2 conducteurs extrêmement purs (99.999 % de pureté) qui peuvent être reliés entre eux par torsade ou par soudure. Ils sont disposés dans des gaines en acier inoxydables et protégés de tout contact électrique à l'intérieur de la gaine par des isolateurs (bâtonnets ou perles en matière réfractaire) . La soudure froide est constituée par l'appareil de mesure de la différence de potentiel qui se trouve en salle de contrôle parfois très loin du point de mesure. La liaison entre le thermocouple et la salle de contrôle est réalisée par des fils de compensation (99.98% de pureté) moins coûteux que les fils constituant le thermocouple, et dont la nature ne perturbe pas la mesure.

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La figure ci-dessous donne le principe de montage d'un thermocouple :

Figure 6 Montage de thermocouple

Précision Pour obtenir une précision de ± 1%, il est nécessaire : ¾ Que les conducteurs soient constitués de matériaux très purs (moins de 1 millionième d'impuretés). ¾ Que la soudure chaude ne touche pas le fond de la gaine. ¾ Que la compensation de température de soudure froide soit correctement réalisée (par exemple par adjonction dans le circuit d'une résistance très sensible à cette variation de température). Cette compensation automatique permet un affichage direct de la température.

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1.5.2.2 Les thermorésistances Principe Un conducteur oppose au courant électrique une résistance qui augmente avec sa température (cas le plus général). Si un conducteur se dilate sous l'influence d'une augmentation de température sa longueur augmente ainsi que sa résistance électrique. Mesurer cette résistance électrique revient alors à mesurer une température. Réalisation Pratiquement l'élément sensible est constitué par un fil de platine formant résistance enroulé et disposé à l'intérieur d'une gaine identique à celles utilisées pour les thermocouples. Sensibilité Le temps de réponse de ces capteurs est déterminé par la rapidité des échanges thermiques entre l'élément sensible et le milieu de mesure, il dépend donc : ¾ De la nature du milieu ¾ De sa turbulence ¾ De la conception de la gaine et de la sonde et est en général, plus grand que celui des couples thermoélectriques.

Gamme d'utilisation 200°C à + 750°C avec une sonde au platine. Exemple : Résistance thermoélectrique PT100. Cet élément possède une résistance au passage du courant électrique de 100 ohms à 0°C. Si la température vient à augmenter, la résistance de la PT100 augmentera de quelques dixièmes d'ohms par °C. Inversement, si la température diminue, la résistance diminue ( < 100 ohms ). La table de correspondance résistance / température permet de déterminer chaque valeur de résistance dans une plage allant de -200°C à 840°C.

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Schémas de montage • Montage 2 fils : Schéma de principe

Schéma équivalent

Si la température ambiante change, les résistances de lignes vont être modifiées et ainsi créer une erreur dans la mesure. • Montage 3 fils : Schéma de principe

Schéma équivalent

Si la température ambiante change, les résistances de ligne vont être modifiées mais seul la résistance de retour de ligne va influencer la mesure, celle-ci étant prise directement sur la PT100 avec un voltmètre à haute impédance (I = 0).

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• Montage 4 fils : Schéma de principe

Schéma équivalent

Si la température ambiante change, les résistances de ligne vont être modifiées mais dans ce cas, l’erreur sera négligeable car la mesure est prise directement sur la PT100 par les 2 fils (+ et -) du voltmètre à haute impédance. 1.5.2.3 Système de configuration d’un transmetteur de température Rosemount. L’interface de configuration. Le modèle d’interface de configuration proposé par la firme ROSEMOUNT est un instrument entièrement portable, autonome assurant la liaison entre l’ordinateur personnel et le transmetteur. Ce modèle est branché au port de l’ordinateur personnel avec une fiche à 9 broches standard (SUB-D). Il est également alimenté par une pile jetable de 9 V. Un adaptateur de courant alternatif peut également être utilisé avec ce type d’interface.

Le logiciel de configuration. Le logiciel de configuration des modèles proposés est un progiciel pour ordinateur personnel permettant la configuration complète des transmetteurs. Utilisé en conjonction avec l’interface de configuration, le logiciel assure les moyens nécessaires à la configuration complète des transmetteurs de températures pour différents modèles proposés par la maison ROSEMOUNT. Le logiciel assure les paramètres de configuration suivants : • Type de capteur • Nombre de fils du capteur • Réglage du filtre électronique • Choix des unités scientifiques • Valeurs des plages hautes et basses

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• Valeur de l’amortissement • Adresse électronique du transmetteur Le logiciel est disponible en anglais, français, allemand, italien, espagnol, chinois, japonais et coréen. La configuration nécessaire. Afin d’obtenir toutes les fonctions du logiciel de configuration, l’équipement en ordinateur et logiciels minimum recommandé est : • Un ordinateur personnel utilisant un microprocesseur 386 ou supérieur • 1 Mo de libre sur le disque • Un lecteur de disquettes de 3,5 pouces • Une souris ou tout autre pointeur • Un écran d’ordinateur avec définition de 1 024 3 768 (1) • Microsoft Windows 3.1, Windows pour Workgroups ® 3.11 ou Windows ® 95

Figure 7 Transmetteur avec interface de configuration

Figure 8 Système de configuration du transmetteur

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Débits 1.6 Généralité 1.6.1 Débits Dans la pratique, on distingue deux catégories de débits : •

Le débit masse d'un produit reste constant le long d'un circuit (à conditions opératoires constantes)

•

Le débit volume est lié au débit masse par l'intermédiaire de la densité du liquide.

débit masse (t / h) d 4t ou Débit masse = Débit volume x d t 4° C 3 ( t / h) ( m / h) Débit volume =

On voit donc que dans un écoulement le débit volume d'un produit varie si sa change. Cela est le cas en particulier quand le produit est réchauffé ou refroidi.

densité

1.6.2 Vitesse moyenne d'écoulement Au sein d'une tuyauterie, toutes les particules d'un liquide ne se déplacent pas à la même vitesse. On définit pourtant une vitesse moyenne d'écoulement qui est celle qu'auraient toutes les particules du liquide si elles se déplaçaient à la même vitesse parallèlement aux parois de la conduite. Cette vitesse moyenne dépend de 2 paramètres : • •

Le débit volume du liquide La section (ou le diamètre) de la tuyauterie

On a alors :

Vitesse moyenne =

Débit volume Section

Pratiquement le calcul s'effectue par la formule suivante :

Vitesse moyenne = 3,54 x Débit volume (m 3 /h) (m/s) ∅ intérieur 2 ( cm )

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Cette formule montre que : •

Dans une conduite donnée, la vitesse varie comme le débit volume

•

A débit volume donné la vitesse varie rapidement si la tuyauterie change de diamètre (elle est multipliée par 4 si le diamètre est divisé par 2).

1.6.3 Charge totale d'un liquide en écoulement

Pression statique - pression totale - énergie cinétique

1.6.3.1 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 (voir schéma page suivante). 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 près à la même hauteur que le point de mesure. Il est à noter que les pressions mesurées sont en fait des différences de pression entre pression statique du liquide et pression atmosphérique. Il s'agit donc de pressions relatives.

Figure 3 Pression statique dans un écoulement

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1.6.3.2 Pression totale ou Energie cinétique 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 enregistre une pression plus élevée que celle mesurée précédemment.

Figure 4 Les différentes pressions dans une conduite

Dans le cas d'un écoulement sans dégradation d'énergie cette pression totale correspond rigoureusement à la pression observée au même endroit à débit nul. Cela signifie que la pression diminue lors de la mise en vitesse du liquide, cette diminution de pression s'accompagne de l'apparition d'une ENERGIE CINETIQUE ou énergie de vitesse. La pression totale enregistrée par le tube de PITOT répond donc a l'égalité:

PRESSION TOTALE = PRESSION STATIQUE + ENERGIE CINETIQUE

L'énergie cinétique d'un liquide en écoulement peut comme une pression s'exprimer en mètres de liquide ou en bars. Par rapport à la pression totale, sa valeur est généralement très faible : inférieure à 1 % de la pression totale pour les vitesses habituelles d'écoulement. Toutefois, dans le cas d'une importante mise en vitesse d'un liquide dans un convergent on peut observer un accroissement très important de l'énergie cinétique et par conséquent une diminution équivalente de la pression statique. Cette dernière peut devenir très faible et même inférieure à la pression atmosphérique, ce phénomène est d'ailleurs utilisé dans les éjecteurs.

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Le schéma ci-après représente un convergent divergent dans lequel la pression est transformée en énergie cinétique dans le convergent et l'énergie cinétique en pression dans le divergent. La pression totale est représentée comme restant constante ce qui n'est vrai que pour un écoulement sans frottements (fluide non visqueux).

Energie cinétique

Energie cinétique

Figure 5 Les différentes pressions au passage d’une restriction

1.6.3.3 Charge totale d'un liquide en écoulement La charge totale d'un liquide au repos est la somme de l'altitude à laquelle se trouve le fluide par rapport à un niveau de référence et de la pression qui règne au sein du fluide. La même définition reste valable lorsqu'il s'agit d'un écoulement à cela près que la pression est la pression totale qui se décompose en pression statique et énergie cinétique. On a alors : PRESSION TOTALE

ou CHARGE TOTALE = ALTITUDE + PRESSION STATIQUE + ENERGIE CINETIQUE

avec : Pression totale = Pression statique + Energie cinétique La somme de ces trois termes représente l'énergie possédée par un fluide en mouvement. Toutes les transformations entre ces formes d'énergie sont possibles. Par exemple : • Transformation d'altitude en pression • Transformation de pression en vitesse • Transformation de vitesse en pression

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Lors d'un écoulement d'un liquide réel visqueux, on constate dans la pratique que la charge totale ou énergie possédée par le fluide diminue. Cela est dû aux frottements entre fluide et tuyauterie et aux frottements internes au fluide qui sont liés à sa viscosité. Il en résulte donc une dégradation de l'énergie du fluide sous forme de chaleur que l'on désigne généralement par l'appellation perte (ou diminution) de charge. Comme on va le voir ci-après de nombreux appareils de mesure de débits utilisent plus ou moins directement l'énergie cinétique. Il s'agit principalement : • Des organes déprimogènes • Des débitmètres à cible • Des rotamètres

1.7 Mesure par organe déprimogène C'est à cette méthode que l'on fait pratiquement toujours appel pour mesurer dans les unités un débit de fluide procédé. 1.7.1 Principe La figure (page suivante) illustre le principe de fonctionnement d'un débitmètre utilisant comme organe déprimogène une plaque munie d'un orifice central. Au passage de la plaque les filets de fluide se rapprochent, ce qui provoque une mise en vitesse et une variation de la pression statique. Celle-ci peut être mesurée sur une ligne expérimentale par la hauteur du liquide dans des tubes ouverts et se représenter sous forme d'une courbe. La pression statique décroît loin en amont de la plaque (influence des pertes de charge en ligne pour augmenter un peu juste avant la plaque (mesure de pression statique dans une zone morte où la vitesse du fluide est nulle). La pression statique chute de manière importante à la traversée de l'orifice, le minimum se situant juste après la plaque. En aval de celle-ci la vitesse du fluide diminue, entraînant une augmentation de la pression statique. Celle-ci ne se rétablit pas tout à fait à sa valeur d'origine par suite de la perte de charge subie à la traversée de la plaque.

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Figure 6 Graphique de la pression au passage d’une restriction

1.7.2 Principe de mesure du débit par organe déprimogène La chute de pression statique à la traversée de l'organe déprimogène dépend du débit du fluide. En particulier la différence de pression dP constatée de part et d'autre de l'orifice qui peut être mesurée par la dénivellation H d'un tube en U est reliée par une loi unique au débit.

Cette loi s’écrit :

Avec : Q

Q = k ΔP

(1)

débit du fluide (exprimé en masse ou en volume)

ΔP

chute de pression mesurée de part et d'autre de l'orifice (correspond à la dénivellation H)

k

coefficient de débit qui dépend : des unités utilisées dans la formule ; du diamètre de la ligne, de la forme de l'organe déprimogène; de la nature du fluide (liquide ou gaz, densité, viscosité) et de sa température.

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La relation précédente montre que pour mesurer un débit il suffit de savoir mesurer une différence de pression, le coefficient k étant considéré constant. Un débitmètre est donc un appareil de mesure de pression différentielle. Les systèmes les plus utilisés permettent la transmission à distance et sont donc du type vu précédemment. Leurs étendues de mesure s'expriment généralement en mm d'eau et sont comprises entre 500 et 5000 mm d'eau (0,05 bar à 0,5 bar). REMARQUES IMPORTANTES :

Q2 k2 Supposons que le débit maximal de produit dans une ligne soit de 100 m 3 / h.

1° La relation (1) peut aussi s' écrire : ΔP =

On aura pour cette valeur, la chute de presssion ΔP

maxi

telle que :

Q 2 maxi 100 2 10 000 = 2 = k2 k2 k A débit moitié soit 50 m 3 / h la pression différentielle vaudra ΔP50 telle que : ΔPmaxi =

50 2 2500 = 2 k2 k ΔPmaxi Donc : = 0,25 ΔPmaxi ΔP50 = 4 De même : à 10% du débit maximal on aura : ΔP50 =

10 2 100 = 2 k2 k ΔP et ΔP10 = maxi = 0,01 ΔPmaxi 100 L' indication de pression différentielle du débimètre n' est donc pas ΔP10 =

proportionnelle au débit mais varie selon une loi dite " parabolique" ou " quadratique".

Sur la plupart des appareils la lecture du débit s'effectuera donc sur une échelle particulière.

Figure 7 Echelle de débit en fonction de la DP

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1.7.3 Echelle de lecture de débit Précision : En supposant qu'on puisse faire la lecture sur l'indicateur ou l'enregistreur avec une précision égale à 0.5 % de la pleine échelle (c'est à dire à 0.5 mm près pour une échelle de 100 mm) cette précision exprimée en pourcentage du débit mesuré sera très variable selon la zone de lecture comme le montre la courbe ci-contre du fait de l'utilisation d'une échelle quadratique.

Figure 8 Précision de la lecture

• • •

Précision inférieure à ± 1 % si index supérieur à 60. Précision comprise entre 1 et 5 % pour un index compris entre 22 et 60. Précision supérieure à 5 % pour un index inférieur à 22.

La précision d'ensemble de l'appareil de mesure va dépendre : • •

De la précision du capteur ± 1% par exemple pour une plaque à orifice De la précision du transmetteur analogique donnée par la courbe précédente.

¾ Le coefficient de débit dépend de la nature du fluide et de sa température. Au moment de l'étalonnage de l'appareil, un fluide de référence et une température de référence ont été choisis. Au cours de la vie de l'unité il se peut que la qualité du fluide ou sa température s’écarte sensiblement des conditions de référence. Une correction du coefficient de débit est alors nécessaire (voir ci-après). ¾ Si la pression totale est peu supérieure à la pression atmosphérique, ou si les vitesses d'écoulement sont élevées, la pression statique peut devenir inférieure à la pression atmosphérique : l'installation est localement sous vide.

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1.7.4 Différents types d'organes déprimogènes Plusieurs types d'organes déprimogènes répondant au principe énoncé précédemment peuvent être utilisés. En raffinerie on rencontre essentiellement : • Des venturis Le venturi produit un différentiel relativement important au prix d’une perte de charge relativement faible. On se sert souvent de cet élément lorsque le fluide du procédé contient de grandes quantités de solides en suspension, ou bien si de fortes pertes de charge sont inacceptables. •

Segmentaire

Excentrique

• Des tuyères Une tuyère est, en un sens, un orifice avec une section d’approche évasée. La perte de pression dans la conduite se situe entre celle d’un orifice calibré et celle d’un venturi, et il en va généralement de même pour ce qui concerne le coût. On se sert souvent des tuyères à l’extrémité d’un tuyau, pour une décharge directe à l’atmosphère, dans une cuve, etc…

Concentrique

Des plaques à orifice (encore appelées diaphragmes ou orifices calibrés) Les orifices calibrés sont largement utilisés dans les applications industrielles. Ils sont mis en œuvre avec le plus d’efficacité aux fins d’une mesure « propre » de débit du fluide et lorsque les pertes de pression dans la conduite ou les coûts de pompage ne constituent pas des données critiques. VENTURI Ces plaques peuvent être munies ou non d'une queue permettant l'identification de l'orifice (indications côté amont) et peuvent comporter ou non des trous d'évent (évacuation de poches de gaz) ou de purge ORIFICE CALIBRE (évacuation de condensas).

TUYERE

TUBE PITOT Figure 9 Divers organes déprimogènes

• Des tubes pitots Les tubes pitot sont utilisés lorsque la vitesse du fluide constitue la principale préoccupation. Ils ne font encourir que de très faibles pertes de pression et ils sont relativement peu coûteux, mais ils ont une très forte propension au colmatage dans les procédés dont le fluide contient des matières solides.

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1.2 Autres principes de mesure de débits Bien que l’essentiel des mesures de débits soit réalisé à l’aide d’organes déprimogènes, on trouve de nombreux autres appareils utilisant des principes variés. 1.7.5 Autres débitmètres mesurant la pression dynamique du fluide La pression dynamique ou énergie cinétique d’un dluide est la différence entre la pression totale et la pression statique. Du fait qu’elle est proportionnelle à la masse volumique du fluide et au carré de sa vitesse, la loi qui relie la ΔP mesurée au débit volume est analogue à celle déjà vue pour les organes déprimogènes soit :

QV =

ΔP

ρ

Les remarques faites pour les organes déprimogènes sont donc aussi valables pour ces appareils : • • •

Lecture sur échelle quadratique. Précision correcte pour un index supérieur à 50. Corrections de débits analogues à celles déjà établies pour les liquides et pour les gaz.

1.7.5.1 Le tube de pitot Symbolisé ci-dessous, il peut se présenter sous la forme d’un tube concentrique. La prise de pression A mesure la pression totale du fluide (pression statique + pression dynamique). La prise de pression B mesure la pression statique uniquement. Une cellule à pression différentielle permet de faire la différence entre les deux pressions mesurées pour avoir une image de la variation de la pression dynamique et donc du débit. Figure 10 Tube de pitot

Cet appareil qui se présente sous la forme d’une double tube concentrique n’introduit aucune perte de charge mais reste d’une précision médiocre (5 à 10 %). Il est utilisé en particulier pour la mesure des débits d’air ou de gaz divers (fours, torches, etc…).

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1.7.5.2 Débitmètre à cible Un débitmètre à cible comprend un disque ou "cible", centré dans une conduite (Figure 20). La surface de la cible est placée à 90° par rapport à l'écoulement du fluide. La force exercée par le fluide sur la cible permet une mesure directe du débit de fluide. Utilisés avec les fluides chargés ou corrosifs, les débitmètres à cible n'exigent aucun raccordement extérieur, joint ou système de purge. De nombreux paramètres sont cependant nécessaires pour déterminer la taille optimale de la cible et un étalonnage est essentiel au bon fonctionnement.

Figure 11 Débitmètre à cible

1.7.6 Rotamètre ou débitmètre à section variable Les débitmètres à section variable (également appelés rotamètres) sont habituellement constitués d'un tube en verre conique, disposé verticalement dans l'écoulement du fluide (Figure 21). Un flotteur de même diamètre que la base du tube en verre s'élève en fonction de l'ampleur du débit. Le diamètre du tube en verre étant plus important en haut qu'en bas, le flotteur reste en suspension au point où la différence de pression entre les surfaces supérieure et inférieure en équilibre le poids. Dans la plupart des utilisations des rotamètres, le débit est affiché directement sur une échelle graduée, sur le verre. Dans certains cas, un système de détection automatique mesure le niveau du flotteur et transmet un signal de débit. Ces "rotamètres transmetteurs" sont souvent réalisés en acier inoxydable ou autres matériaux permettant de les utiliser avec différents fluides et à des pressions plus élevées. Le diamètre des rotamètres peut aller de 6 mm à plus de 15 cm. Ils mesurent une gamme de débits plus importante (10 à 1) qu'un diaphragme, avec une incertitude de ±2 pour cent et une pression de service maximale de 20 bar, pour les modèles en verre. On utilise souvent des rotamètres pour les niveaux et débits de purge. 1-01 Principes de mesures, de contrôle et de régulation

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Figure 12 Rotamètre ou débitmètre à section variable

1.7.7 Les turbines et les compteurs 1.7.7.1 Les turbines Un débitmètre à turbine utilise un rotor à plusieurs ailettes, reposant sur des paliers, dans une section d'une conduite perpendiculaire à l'écoulement (Figure 22). Le fluide entraîne le rotor à une vitesse proportionnelle à celle du fluide et, par conséquent, au débit volumique total. Un bobinage magnétique extérieur au débitmètre engendre une tension alternative à chaque fois qu'une des ailettes coupe les lignes de flux magnétique du bobinage. Chaque impulsion représente donc un volume de liquide distinct. Le rotor étant habituellement réalisé en acier inoxydable, il est compatible avec de nombreux fluides. Les paliers nécessaires au soutien du rotor, qui doivent lui permettre de tourner librement à haute vitesse, exigent cependant une grande propreté du fluide du procédé. Figure 13 Turbine

1.7.7.2 Les compteurs volumétriques Les compteurs volumétrique permettent de mesurer avec précision des débits volume de produits (pour l’expédition par exemple). Il en existe de nombreux modèles qui tous, permettent de compter dans l’unité de temps le nombre de remplissage d’un volume connu auquel correspond le débit de fluide.

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Figure 14 Compteur « BRODIE »

1.8 Facteurs de correction Les facteurs de correction établis ci-après sont valables pour toute mesure de débit par organe déprimogène tel que plaque à orifice, tuyère ou venturi. En installation, pour une ligne et un organe déprimogène donnés, l'influence des conditions opératoires sur la mesure de débit pourra être prise en compte par la variation de masse volumique du fluide. La loi qui relie la différentielle de pression mesurée ΔP (chute de pression statique) au débit volume réel Qv s'exprime par :

Qv = k k ρ

ΔP

ρ

étant une constante en 1ère approximation la masse volumique réelle du fluide.

Le produit du débit-volume réel par la masse volumique permet d'obtenir le débit-masse Q soit :

ΔP

Qm = ρ x Q v = k

x ρ

ρ

Qm = k ΔP x

ρ

Pour un même signal de mesure venant du transmetteur et donc une même ΔP sur l'organe déprimogène : •

Le débit-masse réel est

•

Le débit-masse lu est :

:

Qm = k x

Q m LU = k x

Le rapport de ces 2 expressions montre que

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:

ρ

ΔP x

ΔP x

Qm Q m LU

=

ρe ρ ρe

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Le débit-masse réel s'obtient donc en multipliant le débit-masse lu par un facteur de correction K :

Qm

avec

= K x Qm LU K =

ρ ρe

1.8.3 Application aux liquides L'application de la formule de correction précédente nécessite la connaissance des variations de la masse volumique d'un liquide avec la température. L'utilisation de la courbe «Variation de la masse volumique de l'eau liquide avec la température» et de l'abaque donnant la variation de densité en fonction de la température des coupes pétrolières permet de résoudre ce problème dans le cas de l’eau et des hydrocarbures. 1.8.4 Application aux gaz La masse volumique, exprimée en kg/m3 d'un gaz contenu dans une portion de tuyauterie de longueur et donc de volume déterminés est fonction de la masse de gaz dans la tuyauterie.

Celle-ci dépend : • •

Du nombre de molécules de gaz De la masse de chacune de ces molécules

Il y a d'autant plus de molécules dans la tuyauterie que celles-ci sont proches les unes des autres ce qui peut être obtenu : •

A température constante, par une pression plus forte :

Il y a 2 fois plus de molécules dans le tuyau de droite qui est à une pression ABSOLUE 2 fois plus forte. •

A pression constante par une température plus basse qui se traduit par une moindre agitation de chacune des molécules :

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Il y a 2 fois plus de molécules dans le tuyau de droite qui est à une température ABSOLUE 2 fois plus faible. On en déduit que la masse volumique d'un gaz est : • •

Proportionnelle à la pression absolue, Inversement proportionnelle à la température absolue.

La masse de chacune des molécules de gaz dépend de la nature de celui-ci, qui peut être caractérisée par la densité par rapport à l'air ou densité Schilling (du nom de l'appareil qui sert à la mesurer). Plus la densité Schilling est forte, plus la masse de chaque molécule est élevée. On en déduit que la masse volumique d'un gaz est proportionnelle à sa densité par rapport à l'air. Globalement, la relation entre la masse volumique et les 3 paramètres ci-dessus, s'exprime par la loi :

ρ = c x où d P T c

d x p T

La densité par rapport à l'air La pression absolue La température absolue Une constante dont la valeur dépend des unités employées.

Par exemple :

si P est exprimée en bars absolus : " " atm. absolues :

c = 348,5 c = 353

L'étalonnage au débitmètre a été réalisé à une pression Pe et une température te avec un gaz de densité par rapport à l'air de. En pratique, le gaz dont on mesure le débit est à une pression opératoire P, une température t et d une densité par rapport à l'air d. D'après l'expression ci-dessus, la masse volumique du gaz étalon est :

ρe = c x

d e Pe Te

Et celle du gaz dont on mesure le débit : 1-01 Principes de mesures, de contrôle et de régulation

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ρ = c x

d xP T

où de et d sont des densités par rapport à l'air Pe et P des pressions absolues Te et T des températures absolues La valeur du coefficient de correction K est alors :

K =

Appelons :

ρ Pe

=

d x de

P x Pe

Te T

K1 =

d de

la correction de densité

K2 =

P Pe

la correction de pression

K3 =

Te T

la correction de température

Ceci donne :

K = K1 x K 2 x K 3 et Q m = K x Q m LU

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1.9 Divers types de débitmètres 1.9.3 Débitmètres électromagnétiques Leur principe est basé sur la loi de Faraday selon laquelle : si un conducteur de longueur traverse perpendiculairement un champ magnétique B avec une vitesse v , une force électromotrice U = Blv est induite dans ce conducteur. U = force électromotrice v = vitesse moyenne du fluide électromagnétique Q = débit volumétrique

D = diamètre conduite B = induction

Figure 15 Débitmètre électromagnétique (principe de base)

Un liquide qui s'écoule dans une canalisation peut être assimilé à un tel conducteur électrique en mouvement disposé à suivant le diamètre de celle-ci, à la condition; de conduire l'électricité; ce principe n'est donc pas applicable aux hydrocarbures purs.

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La f.e.m. U peut alors être mesurée à l'aide d'une paire d'électrodes disposées sur la paroi isolante de la canalisation aux extrémités de ce diamètre.

U=B x D x v Le champ d'induction B est créé à l'aide de bobines disposées de part et d'autre de la conduite et alimentées en courant alternatif 50 HZ, ce qui permet d'éliminer les f.e.m. parasites. Le signal alternatif obtenu est amplifié pour transmission. A B C D E F

Bobines Electrodes Tube de mesure Préamplificateur Transformateur de séparation en série avec les bobines Alimentation pour préamplificateur / convertisseur d’impédance

Bornes 1, 2, 3 Bornes 7, 8

Tension signal Alimentation (par convertisseur de mesure)

Figure 16 Débitmètre électromagnétique (principe électronique)

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La mesure linéaire, est indépendante :

•

De la pression

•

De la température

•

De la densité

•

De la concentration

•

De la viscosité

•

Et de la présence de particules solides.

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Presse-étoupe Boîtier Electrode de mesure Joint de bride Boîtier de raccordement Joint Bobines magnétique Tôle magnétique Tube de mesure en corindon fritté

Figure 17 Débit mètre électromagnétique en coupe

Précision de l'ensemble capteur + convertisseur :

±0,5% de l'échelle plus 0,5% de la valeur lue

Les modèles les plus récents comportent les améliorations suivantes :

•

Champ électromagnétique particulier compensant le gradient de répartition de tension et rendant la mesure de débit indépendante du profil des vitesses d'écoulement.

•

Stabilité absolue de zéro.

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•

Transmission de la f.e.m. mesurée à l'électronique afférente par liaison capacitive permettant l'utilisation du système sur liquides très faiblement conducteurs.

•

Echelle de sortie adaptable à 100 % pour toute vitesse depuis 1 m/s jusqu'à 10 m/s

•

Encombrement réduit : appareils se présentant sous formes de manchettes qui supportent un bloc électronique de petite taille.

•

Brides acier au carbone ou acier inox.

1.9.4 Sonde de débit (FLOBAR, ANNUBAR, ...) Pour mesure directe de l'énergie de vitesse du fluide.

• • •

Fluide propre sans particules solides. Faible perte de charge. Moyenne de la pression dynamique amont par 4 points de mesure.

Figure 18 Sonde de débit (FLOBAR, ANNUBAR) 1-01 Principes de mesures, de contrôle et de régulation

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1.9.5 Débitmètre à effet CORIOLIS Les débitmètres à effet Coriolis sont de nos jours de plus en plus important dans le monde de la régulation industriel, ils restent d’une grande simplicité au montage (s’incère facilement dans une ligne de procédé). La précision de se genre d’appareil est très bonne (± 0.4 % de l’échelle) malgré un coût relativement élevé. Ils s’utilisent dans des conduites à basse pression et de petit diamètre (max. : 6 in.). 1.9.5.1 Principe de mesure Un tube en boucle situé dans le plan x/z est mis en oscillation autour de l’axe de rotation z. Les parties rectilignes AB et CD ont donc un mouvement de va-et-vient. Sans débit, ces tubes restent parallèles entre eux lors de l’oscillation.

Figure 19 Principe du débitmètre à effet Coriolis

Quand le fluide s’écoule dans le tube de mesure, suivant le sens de la flèche, il circule dans le tube AB, d’une zone à vitesse tangentielle peu élevée vers une zone à vitesse tangentielle plus importante. Inversement, dans le tube CD, le déplacement se fait d’une zone à vitesse tangentielle importante vers une zone à vitesse tangentielle peu élevée. Compte tenu de ces variations de vitesse, le fluide subit une accélération dans le tube AB, où l’énergie ainsi restituée va donner de l’avance à l’oscillation. Par conséquent, le mouvement du tube AB est retardé par rapport au mouvement oscillatoire sans circulation de liquide, le mouvement du tube CD est par contre en avance et la boucle est déformée. Ces forces de même intensité mais de sens opposés sure les deux sections de tubes AB et CD se nomment « forces de Coriolis ». Si v est la vitesse du fluide dans le tube de mesure, ω la vitesse angulaire instantanée du mouvement circulaire et m la masse de fluide dans les tubes AB et CD, la force de Coriolis sur les deux tubes est alors :

[ ]

FC = −2 ⋅ m ⋅ ω ⋅ v

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Si ω et la longueur du tube sont connus, on peut calculer le débit-masse (m/t). A partir de la distorsion de la boucle, on mesure la force de Coriolis, et par suite le débitmasse, indépendamment de tout autre paramètre physique du liquide à mesurer. Comme les tubes ne décrivent pas des cercles complets, mais oscillent avec une faible amplitude, la force de Coriolis oscille également. Les illustrations ci-contre, montrent, à gauche le mouvement du tube de mesure sans débit, à droite le mouvement du tube avec débit et la distorsion de la boucle résultant de la circulation du fluide. 1.9.5.2 Fonctionnement Le transducteur comporte un système d’excitation qui crée l’oscillation. Des capteurs délivrent des signaux, qui permettent de calculer dans le convertisseur la force de Coriolis et le débitmasse.

Figure 20 Fonctionnement du débitmètre à effet Coriolis

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1.9.6 Les débitmètres à ultra-sons Le débitmètre à ultra-sons est précis et relativement bon marché. Par contre, il est utilisable uniquement dans des conduites à faible pression. Il peut être installé dans toutes les grandeurs de conduites (0.1 à 118 in.). 1.9.6.1 Principe de fonctionnement La durée de parcours d’une onde sonore qui se propage d’un point donné à un autre, dans le sens d’écoulement du fluide, est inférieure à celle de l’onde se déplaçant en sens inverse. La mesure de débit par ultra-sons est basée sur ce principe. Des temps de parcours différents fournissent une indication sur la vitesse d’écoulement du fluide de mesure. Le type « ALTOSONIC UL50 » présente deux émetteurs d’ultra-sons disposés sur les deux faces opposées du tube de mesure, en formant un angle ϕ avec l’axe du tube. Les deux sondes émettent et captent des ultra-sons.

Figure 21 Principe du débitmètre à ultra-sons

Les ultra-sons se propagent des points A à B à la vitesse :

v AB = c0 + v m ⋅ cos ϕ

Et inversement, des points B à A, à la vitesse :

v BA = c0 − vm ⋅ cos ϕ

On obtient pour les différents temps de parcours des points A à B :

t AB =

L c0 + v m ⋅ cos ϕ

t BA =

L c0 − vm ⋅ cos ϕ

Et des points B à A :

A B L vm

Emetteur et récepteur Emetteur et récepteur Longueur de mesure Vitesse d’écoulement moyenne du fluide de mesure

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vAB (tAB) vBA (tBA) c0

Vitesse de propagation (temps de parcours) des ondes sonores des points A à B Vitesse de propagation (temps de parcours) des ondes sonores des points B à A Vitesse de l’onde dans le fluide de mesure

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1.9.7 Les débitmètres à effet VORTEX Lorsqu'un obstacle (générateur de tourbillons ) se trouve interposé dans une conduite, il engendre au sein du flux aval des mouvements tourbillonnaires. Ces mouvements tourbillonnaires sont appelés tourbillons de KARMAN. L'équation suivante s'applique aux tourbillons de KARMAN:

F

=

St

x

v/d

F

= Fréquence des tourbillons de KARMAN.

St

= Constante (nombre de Strouhal).

v

=Vitesse d'écoulement du fluide.

D

= Largeur du générateur de tourbillons.

La fréquence des tourbillons de KARMAN est proportionnelle à la vitesse d’écoulement du fluide v. Par conséquent, il est possible de mesurer la valeur du débit en mesurant la fréquence des tourbillons de KARMAN.

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f V D St K Q

= Fréquence de génération des tourbillons (VORTEX). =Vitesse moyenne du fluide. =Largeur du générateur de tourbillons =Nombre Strouhal =Constante =Débit volumique du liquide

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Qu'est-ce que le nombre de Strouhal ? Le nombre de Strouhal est défini comme le rapport existant entre l'intervalle entre deux tourbillons (a) et la largeur du générateur de tourbillons (b). Habituellement, l'intervalle du tourbillon de Karman est six fois plus grande que la largeur du générateur de tourbillons. On peut donc dire que la valeur du nombre de Strouhal est une constante et vaut environ 0.17 (1/6 ). En affirmant cela, la vitesse d'un fluide peut être mesuré uniquement en comptant le nombre de tourbillons durant une unité de temps.

En réalité, le nombre de Strouhal peut être considéré comme une constante uniquement dans une certaine plage de valeurs du "nombre de Reynolds" (Re). Mais comme cette plage est relativement grande, on peut considérer le nombre de Strouhal comme étant constant.

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Qu'est ce que le nombre de Reynolds ? Le nombre de Reynolds est défini comme étant la relation entre la vitesse du fluide, sa viscosité ainsi que sa densité et représente l’état d’un liquide (turbulent ou laminaire)

- Quand Re est grand, le fluide s'écoule uniformément le long de la tuyauterie. - Quand Re est petit, la vitesse du fluide est plus grande au centre que contre les parois de la tuyauterie. Dans le débitmètre VORTEX de type YEWFLO, le nombre de Strouhal est constant pour des valeurs de Re allant de 2xl04 à 7x106. Aussi longtemps que Re reste dans ces valeurs limites, la fréquence des tourbillons de KARMAN ne sera pas affectée par la viscosité du fluide, sa densité, sa température ainsi que sa pression.

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La vibration transmise à la barre de mesure engendre une charge électrique aux bornes des capteurs piézo-électriques. Ce signal est de type sinusoidal.

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La vibration créée par la pulsation éventuelle du fluide engendre des charges électriques s'annulant aux bornes des capteurs piézo-électriques. Le signal est nul, l'influence de telles vibrations l'est donc aussi.

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La vibration parasite engendre des charges électriques s'annulant aux bornes de capteurs piézo-électriques. Le signal est nul, l'influence de telles vibrations l'est donc aussi.

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Applications: Le débitmètre à effet VORTEX est un très bon transmetteur lorsqu'il est utilisé pour la bonne application. Il peut être, au contraire, une source à problèmes si on l'utilise dans une mauvaise application.

Voici la liste de quelques bonnes applications:

-Acide ascétique.

-Essence avion.

-Acétone.

-Kérosène.

- Air.

-Méthane.

-Alcool.

-Essence lourde.

-Ammoniaque.

-Gaznaturel.

-Argon.

-Azote.

-Benzène.

-Oxygène.

-Butane.

-Propane.

-Gaz carbonique.

-Vapeur.

-Ethane.

-Toluène.

-Acétate d'éthyle.

-Trichloro-éthane.

-Ethylebenzène.

-Eau.

-Oxyde d'éthylène.

-Eaudésionisée.

-Heptane.

-Xylène.

-Essence.

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Voici la liste de quelques applications marginales:

-Produits modérément visqueux. -Acides modérément corrosifs. -Boues lourdes. -Aminobenzène.

-Hydrogène.

-Créosote.

-Soufre fondu.

- Glycol.

-Acide sulfurique.

-Dyphényl.

-Boues, résidus.

-Chlore sec.

Voici la liste de quelques mauvaises applications :

-Produits très visqueux. - Acides très corrosifs. -Boues très lourdes. -Fluides multi-phases. -Huile lourde. -Chlore humide. - Glycérine. -Acide de nicotine. -Goudron de houille. –Pulpe de papier.

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Niveau Les principes physiques utilisés pour les mesures de niveaux sont très variés. Mais seuls quelques uns d'entre eux sont d'un usage suffisamment fréquent pour les décrire ici.

Ce sont : • Les mesures directes de hauteurs utilisées surtout pour le jaugeage des bacs. • Le principe des vases communicants pour les niveaux à glace. • Le principe d'Archimède pour les flotteurs et plongeurs. • Le principe de l'hydrostatique pour les mesures par cellule à pression différentielle.

1.8 Mesure de hauteur de liquide et de niveau à glace 1.8.1 Mesures directes de hauteurs C'est une méthode qui est encore souvent utilisée pour le jaugeage des bacs. Les piges à ruban sont constituées d'un lest qui entraîne un ruban gradué, celui-ci pouvant être enduit d'une pâte permettant la mesure précise du niveau sur des produits tels que les essences et les kérosènes. 1.8.2 Niveaux à glace Principe Dans plusieurs vases communicants entre eux, quelle que soit leur forme, les surfaces libres d'un même liquide au repos sont au même niveau. Application Dans le cas de liquides propres, ils permettent le repérage visuel de la position du niveau. Voir ci-dessous un niveau à glace équipé de ses deux robinets à bille de sécurité. Ceux-ci ont pour rôle d'isoler le niveau en cas de rupture de la glace, ce qui ne peut se faire que si le robinet est totalement ouvert permettant aux 2 billes de se plaquer sur leur siège respectif. Niveau à vue

Figure 22 Niveau à vue

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1.9 Niveau à flotteur et à plongeur Principe Tout corps plongé dans un liquide est soumis à une poussée de bas en haut égale au poids de liquide déplacé. Cette poussée est proportionnelle: • Au volume immergé du corps V • A la masse volumique du liquide ρ • A l'accélération de la pesanteur g elle peut s'exprimer par

:

F = ρ x V x g

Application Ce principe est utilisé dans 2 types d'appareils faisant appel :

• •

Soit à un flotteur se déplaçant avec le niveau de liquide Soit à un plongeur pratiquement immobile.

1.9.1 Les flotteurs à déplacement vertical

Figure 23 Principe du flotteur à déplacement vertical

A l'équilibre, le flotteur est immergé dans le liquide d'une hauteur telle que la poussée créée soit exactement égale à son poids. Il s'enfoncera donc plus ou moins suivant la densité du liquide.

• •

En indication locale, les mouvements du flotteur sont transmis par un câble tendu par un contrepoids, le flotteur lui-même étant guidé par des tiges assurant des déplacements bien verticaux. En transmission à distance, divers principes sont utilisés pour transformer le déplacement du flotteur en un signal donnant la position du niveau.

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Dans le niveau à flotteur ou palpeur ci-dessous, un moteur d'asservissement positionne le flotteur de façon à ce que la force résultant de la tension du câble équilibre exactement celle résultant de la tension du ressort. En cas de variation du niveau, le sens de rotation du moteur est commandé par le contact que vient toucher le support solidaire du mouvement du flotteur.

Figure 24 Principe du transmetteur de niveau à palpeur

1.9.2 Détecteur de niveau à flotteur articulé Un flotteur articulé dans une chape fait se déplacer un aimant qui commande au travers une paroi ; un interrupteur à lames souples, un détecteur inductif, un micro contact ou une micro vanne pneumatique. Le montage se fait latéralement ou au sommet du réservoir

Figure 25 Détecteurs de niveau à flotteur articulé

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1.9.3 Les niveaux à plongeur et tube de torsion Ils représentent une grande partie des capteurs utilisés en régulation de niveau simple ou d'interface liquide- liquide. Le plongeur, un cylindre de volume et poids donnés, est immergé partiellement dans le liquide dont on souhaite mesurer le niveau. Le plongeur reçoit de la part du liquide une poussée (poussée d'Archimède) qui dépend du niveau et qui soulage son propre poids. Le plongeur est quasi immobile et accroché à un système qui mesure le poids apparent du flotteur, c'est-à-dire la différence entre le poids réel P du flotteur (fixe) et la poussée d'Archimède F (qui augmente avec le niveau). Le poids apparent du plongeur s'exerce à l'une des extrémités d'un levier articulé sur un couteau. La force appliquée est transmise à l'autre extrémité de celui-ci à un cylindre creux travaillant en torsion (tube de torsion).

Figure 26 Principe du niveau à plongeur

Le tube de torsion a pour rôle de convertir la variation de poids apparent du plongeur en un mouvement de rotation d'une tige de transmission solidaire de l'extrémité libre du tube et directement utilisable pour : • L'indication • La transmission à distance après conversion en un signal pneumatique ou électronique par un mécanisme approprié. Carter

Atmosphère extérieure

Tube de torsion Tige de transmission

Bras de torsion

Enceinte en relation avec le liquide dont on mesure le niveau (éventuellement sous pression)

Figure 27 Tube de torsion

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L'ensemble plongeur + tube de torsion + transmetteur-régulateur se présente de la façon ci-dessous :

Figure 28 Niveau à plongeur

Etalonnage Tout niveau à plongeur est étalonné pour un liquide de densité donnée à la température réelle où il se trouve. Si la nature du produit change ou si sa température varie, ceci entraînera un changement de densité qui faussera la mesure et pourra causer des ennuis divers (perte de niveau, désamorçage de pompe, débordement de capacité, etc ...).

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1.9.7.1 Transmetteur pneumatique de niveau

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Boîtier Manifold Pilote Support de mécanique Manomètre d’alimentation Manomètre de sortie Segment inverseur Aiguille indicatrice de niveau Tubulure de la buse Tubulure du soufflet

1 2 3 4 5 6 7 8 9 14 15 16

Boîtier Manifold Pilote Support de mécanique Manomètre d’alimentation Manomètre de sortie Segment inverseur Aiguille indicatrice de niveau Tubulure de la buse Barre de flexion Tubulure de soufflet Plaque indicatrice

Figure 29 Transmetteur de niveau

1.9.7.2 Régulateur de niveau à action « Tout ou rien »

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Figure 30 Régulateur de niveau « TOR »

1.10 Utilisation de cellule à pression différentielle Principe Comme on l'a vu précédemment, la pression P équivalente à une hauteur H de liquide peut s'exprimer par :

P = ρ x g x H avec : ρ masse volumique en [kg/m3] g accélération de la pesanteur (9,8 [m/s2]) H hauteur de liquide en m P pression en Pascal [Pa] Application • Mesure de niveau par pression différentielle seule

Figure 31 Mesure de niveau hydrostatique

Deux pressions captées côté haut et côté bas de la capacité sont amenées de chaque côté de la membrane d'une cellule à pression différentielle de principe analogue à elle utilisé pour les mesures de débits. La différence de pression mesurée est proportionnelle à la différence des hauteurs de liquide dans les 2 colonnes de mesure. CAS PARTICULIERS • Si le réservoir est à la pression atmosphérique, la prise BP du transmetteur est à l'atmosphère. • S'il s'agit d'une capacité contenant des vapeurs condensables (colonne de distillation par exemple) celles ci en se condensant dans la ligne de référence, fausseraient la mesure. Plusieurs possibilités existent pour s'affranchir de cette contrainte : ¾ Utiliser un pot de condensation alimenté ou non par une ligne de retour d'une petite partie du produit soutiré. ¾ Utiliser une ligne de référence non connectée au réservoir et remplie d'un liquide auxiliaire de densité connue (ex :glycol).

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1.11 Système radar Le système radar permet la mesure de niveau sans contact, par ondes électromagnétiques, (hyperfréquence). Il est fait appel pour ce type de mesure à la méthode des ondes entretenues modulées en fréquence.

Un signal d’hyperfréquence à modulation de fréquence linéaire, et d’amplitude constante est émis par l’intermédiaire d’une antenne, puis réfléchi sur un objet. Le signal d’hyperfréquence réfléchi est reçu de nouveau après une temporisation tø, et mélangé à une partie du signal d’émission. La fréquence du signal de sortie du mélangeur est directement proportionnelle à la temporisation tø ce qui donne la mesure exacte de la distance à la surface du fluide (niveau). L’appareil comporte un contrôle de vraisemblance du signal mesuré et un système d'auto-surveillance. L’électronique incorporée permet de disposer d’un signal analogique 4-20 mA.

Figure 32 Système radar

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1.12 Détecteur de niveau à résonance Les appareils à résonance permettent de détecter les liquides et certains pulvérulents.

Réalisés en différentes configurations, ils sont universels. La commutation se fait par l’électronique incorporée. La sonde est constituée d’un circuit d’excitation, d’un oscillateur et d’un résonateur. Lorsque la sonde est au contact du produit à détecter, la fréquence de résonance est modifiée et le circuit électronique de commande commute.

Figure 33 Détecteur de niveau à résonance

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Pression 1.13 Généralité 1.13.1 Définition de la pression La pression exercée par un solide sur une surface s'exprime par le quotient de l'intensité de la force pressante par l'aire de la surface pressée.

Pression =

Force pressante Aire de la surface pressée

ou P =

F S

1.13.2 Unités Système SI : Les forces étant exprimées en newtons et les surfaces en mètres carrés, l'unité de pression est le newton par mètre carré (symbole : N/m²) qui a’appelle le PASCAL (symbole : Pa).

F S F en N P=

S en m P en Pa Certains multiples du pascal sont également utilisés, en particulier : ƒ Le BAR (symbole : bar) unité de mesure industrielle 1 bar = 100 000 Pa Autres unités : ƒ

Dans le système anglo-saxon l'unité de pression est la "Pound per square inch" ou lbf (symbole : PSI), ce qui se traduit par livre force par pouce carré (1 "pound" ou livre in 2 = 454g ; 1 "inch" ou pouce = 2,54 cm)

1 PSI = 0,069 bar

1 bar = 14,5 PSI

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1.13.3 Différence de pression entre 2 niveaux dans un fluide (principe de l'hydrostatique). La différence des pressions en 2 points situés à des niveaux différents d'un fluide en équilibre et distants d'une hauteur h s'exprime par :

PA - PB = h x ρ x g = 9,8 h x ρ h

ρ PA

[m] ⎡kg/m 3 ⎤ ⎢⎣ ⎥⎦ PB [Pa ]

Dans la pratique industrielle, on utilise plutôt le bar et, POUR LES LIQUIDES,la densité de préférence à la masse volumique, ce qui conduit à la formule ci-contre permettant le calcul de ΔP lorsque hauteur bars et densité sont connues.

ΔP = PA − PB =

h x densité 10,2

La lettre grecque Δ (delta) signifie "différence de". Inversement, toute pression ou bar différence de pression peut être exprimée en hauteur de liquide.

h=

10,2 P (ou ΔP) densité

Application :

•

Une différence de niveau de 1 m d'eau à 4°C de masse volumique 1000 kg/m3 (ou densité = 1) correspond à une différence de pression de :

ΔP = h ρ g = 1 x 1000 x 9,8 = 9 800 pascal soit 0,098 bar 1mm d'eau correspond alors à 9,8 pascal ou 0,98 décapascal. 1 mm d'eau ≅ 1daPa Le daPa est maintenant utilisé en remplacement du mm d'eau pour exprimer les faibles différences de pression telles que les dépressions mesurées sur les fours.

•

1 bar correspond par ailleurs à une hauteur en eau de : h=

10,2 x 1 = 10,2 m 1

1 bar = 10,2 m d'eau

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1.13.4 Existence et mesure de la pression atmosphérique L'air qui constitue l'atmosphère est un fluide de masse volumique variable avec l'altitude et au sein duquel une différence de hauteur se traduit par une différence de pression. Par exemple : Une différence de niveau de 1 m d'air de masse volumique 1,293 kg/m3 correspond à une différence de pression de : P = 1 x 1,293 x 9.8 = 12,7 Pa soit 0,000127 bar On conçoit ainsi très facilement que la couche d'air qui entoure la terre sur plusieurs dizaines de kilomètres de hauteur va exercer une pression au niveau du sol, pression qui a été mise en évidence par l'expérience de Torricelli. Un tube de verre d'environ 1 m de long fermé à une extrémité est rempli de mercure; en le bouchant avec le pouce on le retourne en immergeant l'orifice dans une cuve à mercure. En enlevant le doigt on constate que le mercure descend et que son niveau se stabilise à une hauteur d'environ 76 cm en laissant le vide dans la partie supérieure.

Figure 34 Expérience de Torricelli

La hauteur de mercure dans le tube qui est donc par définition la pression atmosphérique est essentiellement variable en fonction des conditions météorologiques, de l'altitude, etc .. on a ainsi été amené à définir la PRESSION ATMOSPHERIQUE NORMALE :

•

C'est celle qui équilibre une colonne de 76 cm de mercure (symbole Hg) à 0°C (densité : 13,595) soumise à l'accélération normale de la pesanteur (g = 9,80665 m/s2).

En appliquant la relation P = h ρ g, on peut calculer cette pression.

Patm = 0,76 x 13595 x 9,80665 = 101 325 Pa ↓ m

↓ kg/m

↓ 3

m/s

ou 2

ou

1,013 bar 1013 mbar

Dans les calculs courants on se contente souvent de :

Pression atmosphérique = 1 bar

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1.13.5 Pression absolue & relative Suivant sa technologie un manomètre peut :

• •

Comparer la pression de mesure à la pression atmosphérique; il mesure alors une PRESSION RELATIVE. Ou mesurer la pression par rapport au vide absolu; il s'agit alors d'une PRESSION ABSOLUE.

Remarque : La pression atmosphérique étant essentiellement variable, ceci diminuera d'autant la précision de toute mesure de pression (ou vide) relatif. Parmi les appareils qui vont servir à réaliser ces mesures, on peut distinguer :

•

Les appareils qui permettent une lecture locale de la pression

•

Les appareils qui permettent de transmettre l'indication de pression à distance.

1.14 Appareils pour lecture local Ces appareils sont appelés manomètres. La plupart des manomètres utilisés ne font que mesurer la différence de pression qui existe entre l'intérieur d'une enceinte et l'atmosphère. Ils indiquent donc des pressions relatives ou des vides si la pression absolue dans l'enceinte est inférieure à la pression atmosphérique. Ces manomètres peuvent aussi servir à mesurer des différences de pression (pression différentielle). Haute

Basse

Haute pression Basse pression

Haute Basse pression pression

Haute pression Basse pression

Manomètre à tube en U

Manomètre à puits (à réservoir)

Manomètre incliné

Manomètre à mercure à flotteur

Figure 35 Manomètres

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1.14.1 Le manomètre à tube de Bourdon C'est le manomètre le plus utilisé dans l'industrie pétrolière. Son principe de fonctionnement est donné par la figure suivante.

Figure 36 Manomètre à tube de bourdon

A levier

Par secteur denté

A hélice

Figure 37 Divers moyens de transmission

La pression à mesurer est introduite dans un tube creux en forme de C et de section ovale, appelé tube de BOURDON. Ce tube est en métal de nature appropriée aux conditions de service (bronze, acier, monel) et tend à se redresser lorsqu'on lui applique une pression intérieure. L'extrémité du tube est reliée par un système de leviers réglable à un ensemble pignon crémaillère permettant de faire pivoter une aiguille indicatrice. Ce type de manomètre peut être utilisé dans toute la plage des pressions que l'on peut rencontrer en raffinerie. Pour certaines applications, on utilise parfois des manomètres à tube de Bourdon enroulé en spirale (basses pressions ou en hélice (hautes pressions), ces dispositions permettent une plus grande sensibilité de l'appareil. Par ailleurs, si la pression à mesurer est pulsée ou si la tuyauterie, sur laquelle le manomètre est branché, présente des vibrations, un certain nombre de précautions devront être prises afin d'éviter l'usure rapide de l'appareil (dispositif anti-pulsateur, robinet pointeau, etc ...).

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1.14.2 Autres manomètres métalliques Dans le domaine des faibles pressions (de quelques millibars à 10 bars) on peut utiliser d'autres manomètres métalliques ou l'élément sensible peut être :

• •

Un soufflet associé à un ressort Une ou plusieurs capsules présentant par elles-mêmes une certaine élasticité

Schéma de principe de ces deux appareils :

Figure 38 Autres manomètres

On trouve parfois des manomètres à membrane. Ceux-ci sont plutôt utilisés en appareils de transmission de pression à distance.

1.15 Appareils pour transmission de pression La plupart des appareils permettant la transmission à distance d'une pression ou d'une différence de pression utilisent comme élément sensible une membrane. Signal Alimentation En air comprimé

Barre de force et déflecteur Capsule à double membrane emplie de liquide

Haute pression

Basse pression

Figure 39 Transmetteur pneumatique

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Son fonctionnement est le suivant :

•

Les pressions P1 et P2 sont introduites de part et d'autre de la membrane de mesure. Eventuellement P1 est la pression atmosphérique, P2 sera mesurée alors en pression relative. Sinon l'appareil mesurera la différence ΔP entre P2 et P1.

Remarque : ΔP est appelée pression différentielle.

•

La membrane est soumise à une force F due à la différence de pression ΔP agissant sur la surface S :

F = ΔP x S •

Un levier articulé de manière étanche sur le boîtier transmet la force F à un dispositif de mesure électronique ou pneumatique qui émet un signal de sortie proportionnel à F et donc à ΔP. Ce signal de sortie peut être transmis à distance jusqu'en salle de contrôle.

L'ensemble de l'appareil s'appelle un transmetteur de pression différentielle. Outre les mesures de pression, il peut être utilisé pour mesurer les niveaux ou des débits. Le fonctionnement de l'ensemble de l'appareil sera étudié par ailleurs. Sur le même principe que ci-dessus on trouve les transmetteurs de pression utilisant la déformation :

•

De tubes de bourdon en C, en spirale ou en hélice

•

De soufflets (cellule "BARTON")

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1.16 Appareils pour transmission de signal électrique Dans certains cas, on utilise des capteurs de pression électriques qui peuvent être :

•

Piézo-électriques

On utilise ici le fait que certains cristaux de quartz comprimés gênèrent une différence de potentiel électrique qui dépend de la pression appliquée et qu'il est facile de mesurer.

•

A jauges de contrainte

Sous l'influence d'une pression qui lui est appliquée un élément métallique se déforme et étire des résistances électriques fixées sur lui (jauges). La mesure de la résistance électrique permet la détermination de la pression.

•

Capacitif

Ce type de transmetteur électronique. Ce type particulier fait appel à la technique capacitive à 2 fils. La pression du procédé est transmise au travers de membranes isolantes et d'un fluide de remplissage constitué d'huile de silicone à une membrane détectrice située au centre de la cellule. Cette membrane détectrice agit comme un ressort étiré qui fléchit en réponse à une pression différentielle qui la traverse. Le déplacement de la membrane détectrice est proportionnel à la pression différentielle. La position de la membrane détectrice est détectée par les plaques de condensateur qui sont situées de part et d'autre de la dite membrane. La différence de capacité entre la membrane détectrice et les plaques de condensateur est convertie électroniquement en un signal de 4 - 20 mA. Fils de liaison

Plaques de condensateur Membrane détectrice Isolant rigide Huile de siliconel

Membranes isolantes

Joints d’étanchéité soudés

Figure 40 Transmetteur électronique (capacitif)

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1.10 INSTALLATION DES MANOMETRES 1.10.3 Installation du capteur La mesure de pression statique se faisant le plus souvent sur un fluide en mouvement, pour éviter toute perturbation due aux effets dynamiques, il est nécessaire :

• •

Que l'ouverture soit disposée de façon exactement perpendiculaire à la conduite Qu'en cet endroit le fluide s'écoule sans turbulence et parallèlement à la conduite.

1.10.4 Installation du manomètre Pour éviter une fatigue anormale, le manomètre doit, autant que possible être isolé des vibrations. Ceci peut être réalisé :

•

Soit par une installation sur support fixe avec liaison à la tuyauterie par tube flexible .

•

Soit par un remplissage du boîtier par un fluide approprié (bain d'huile).

Figure 41 Montage d’un manomètre

1.10.5 Dispositifs de protection Des dispositifs particuliers de protection de l'élément de mesure sont nécessaires dans les cas suivants : ¾ Dans le cas de fluides sales ou corrosifs, on peut envisager :

•

Soit le remplissage de l'élément de mesure avec un liquide tampon propre et non corrosif.

•

Soit l'installation d'un séparateur à membrane tel que celui représenté ci-contre.

Figure 42 Protection contre fluides sales ou corrosifs

¾ Dans le cas de fluides chauds (vapeur d'eau en particulier) :

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Un siphon rempli de liquide limite l'échauffement du tube. Le même rôle peut être rempli par un simple parcours descendant qui, en fonctionnement, se rempli de condensats.

Figure 43 Protection contre fluides chauds

¾ S'il y a risque de montées en pression anormales, L'installation d'une soupape réglée juste au-dessus de l'échelle du manomètre permettra de protéger celui-ci par fermeture du conduit de liaison.

Figure 44 Protection contre montées de pression

¾ Si le circuit est soumis à des pulsations (refoulement de pompes alternatives, etc ...), différents dispositifs peuvent être utilisés :

•

Bouteilles anti-pulsatoires

•

Amortisseur de pulsations où un pointeau permet d'étrangler la liaison avec le manomètre (voir ci-contre).

•

Remplissage du boîtier par de l'huile. Figure 45 Protection contre pulsions (coups de bélier)

1-01 Principes de mesures, de contrôle et de régulation

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1.11 PRESSOSTATS Qu'il soit simple ou différentiel, un pressostat est un organe de contrôle fonctionnant en tout ou rien. Il peut être utilisé :

•

Soit comme simple alarme sonore ou visuelle,

•

Soit comme organe de mise en sécurité sur un appareil (compresseur...) ou sur une installation (réacteur, colonne, ...),

•

Soit comme organe de réglage, ouverture et fermeture automatique des clapets sur un compresseur d'air instrument par exemple.

L'action de commande pouvant provenir aussi bien d'une pression (ou d'une différentielle de pression) haute que basse.

Ils sont essentiellement constitués : ¾ Pour les thermostats : D'un bulbe sensible transformant la mesure de température en mesure de pression ; celleci étant reçue soit par une membrane. Soit par un soufflet ; ¾ Pour les pressostats : Par le (ou les) éléments de mesure de pression.

Fonctionnement : cas du contacteur différentiel à membrane La pression différentielle à contrôler est appliquée à une membrane dont la variation de hauteur agit sur un levier pivotant. Lorsqu'elle devient suffisante pour combattre l'action du ressort le mouvement du levier provoque le basculement du contacteur à mercure et celui-ci vient établir le contact électrique. La tension du ressort est réglable pour permettre l'ajustement du point de consigne.

Remarque : Le contacteur à soufflet présenté plus bas est équipé d'un dispositif de réglage d'écart. L'écart fixant la pression minimale à laquelle il est nécessaire de descendre pour provoquer le basculement inverse.

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1.12 VALIDITE DE LA MESURE La validité d'une mesure de pression est fonction :

• •

De la précision intrinsèque de l'appareil De ses conditions d'utilisation.

¾ La précision intrinsèque des manomètres industriels est en général de ± 1% ou ± 2 % de l'étendue d'échelle. ¾ La température d'étalonnage étant de 20°C, une température d'utilisation différente se traduit par un écart qui est de 1/2500e de la valeur lue par °C. La correction est négative quand la température est supérieure à 20°C

Exemple : Manomètre, précision ± 2%, gradué de 0 à 10 bars, dans un local où la température est 70°C Lecture : 5,2 bars relatifs. ƒ

Correction de température : 5,2 x (70 - 20) = 0,1 bar 2500

ƒ

Lecture réelle

ƒ

Précision :

:

5,2 - 0.1 = 5.1 bars

10 x

2 = 0,2 bar 100

La pression réelle est comprise entre : 5,1 - 0,2 = 4,9 bars relatifs 5,1 + 0,2 = 5,3 bars relatifs

¾ Influence de la pression atmosphérique Une variation de pression atmosphérique de 10 mm de mercure se même pression régnant dans la capacité par un écart de lecture de :

1013 x

1-01 Principes de mesures, de contrôle et de régulation

traduit par une

10 = 13 mbars 760

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Ceci sera surtout sensible pour les capacités sous-vide si la mesure est une mesure de pression relative.

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Transmetteur pneumatique 1.13 Généralités Parmi les capteurs couramment utilisés en raffinerie seuls les thermocouples et thermistances donnent un signal électrique directement exploitable sans une boucle de régulation. Les autres (tubes de Bourdon, soufflets, cellules à pression différentielle, niveaux à plongeur, débitmètres à cible, bulbes sensibles, flotteurs) transforment les variations de la grandeur mesurée en une force ou en un déplacement. Le rôle du transmetteur est de transformer cette force ou ce déplacement en un signal pneumatique ou électrique qui pourra être transmis à un autre appareil le plus souvent situé en salle de contrôle pour y être exploité. Ce signal devra avoir une puissance suffisante, laquelle sera obtenue par un amplificateur intégré au transmetteur. On s'intéressera essentiellement dans ce qui suit aux appareils pneumatiques dont le bon fonctionnement requiert une parfaite alimentation en fluide moteur c'est-à-dire en air.

1.14 ALIMENTATION D'UN APPAREIL PNEUMATIQUE A partir du réseau Air-Instrument, l'alimentation en air d'un appareil pneumatique est assurée par un filtre détendeur dont le rôle est de maintenir une pression constante quelle que soit la consommation de l'appareil en question. 1.14.3 Principe Un filtre-détendeur est constitué:

• D'une partie filtre Le réseau Air-Instrument délivre de l'air normalement sec et dépoussiéré à une pression pouvant être de l'ordre de 4 bars relatifs. Celui-ci alimente le détendeur à travers une cartouche cylindrique creuse en bronze fritté (filtre GENISOLLEH) ou en pierre poreuse (filtre MASONEILAN) et dont le rôle est de retenir l'eau et les impuretés qui n'auraient pas été éliminées précédemment. Celles-ci se déposent alors au fond du godet et peuvent être purgées.

•

D'une partie détendeur

Au travers d'un orifice dont l'ouverture est commandée par un clapet. L'air ainsi dépoussiéré vient agir sur l'une des faces d'une membrane déformable dont l'autre face est soumise à l'action d'un ressort. La tension de ce ressort est réglable à l'aide d'une vis et va déterminer la pression de sortie de l'air qui sera en général de 1,4 bar relatif.

1.14.4 Fonctionnement A l'équilibre la tension du ressort est égale à la force exercée par la pression d'air sur la membrane.

•

Si la consommation d'air de l'appareil augmente, la pression côté clapet diminue, la force exercée par le ressort provoque l'abaissement de celui-ci, ce qui laisse passer l'air

1-01 Principes de mesures, de contrôle et de régulation

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et ramène rapidement la membrane en position d'équilibre, le clapet se repose sur son siège.

•

Si la pression d'air devient supérieure à la pression d'équilibre la force côté clapet devient supérieure à la tension du ressort, le déplacement de la membrane vers le haut libère l'ouverture ménagée en son centre, permettant ainsi l'échappement vers l'extérieur à travers une ouverture ménagée dans le chapeau. Les pressions s'égalisent, la membrane redescend. L'ensemble est assez sensible pour que l'on n'observe aucune variation de la pression de sortie pour un débit de l'ordre du m3/h.

1.15 TRANSFORMATION D'UNE FORCE EN UN SIGNAL PNEUMATIQUE Que ce soit dans : • • • •

un transmetteur un régulateur un convertisseur intensité – pression un positionneur électro-pneumatique

La transformation d'une force en une pression d'air variable (qui va constituer le signal pneumatique) est réalisée par un système buse - palette, dont les schémas ci-dessous illustrent le principe de fonctionnement.

Figure 46 Système buse - palette

Figure 47 Graphique Pression en fonction de l’écart buse -palette

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1.15.3 Principe Une palette solidaire du déplacement à mesurer est placée devant une buse alimentée en air à travers une restriction. Quand la palette est éloignée de la buse, le signal est nul ; il augmente jusqu'à une valeur maximale égale à la pression d'alimentation quand le déplacement à convertir rapproche la palette de la buse.

Sur la courbe précédente qui donne la variation de la pression de sortie de la buse en fonction de la distance buse-palette, on remarque que seule la zone AB est utilisable; elle correspond à une variation de pression de 800 mbars pour un déplacement de la palette de 56 microns. La buse, dont le diamètre est de 1.3 à 1.2 mm, laisse passer un débit d'air de 30 à 60 l/h, limité par le diamètre de la restriction.

1.16 AMPLIFICATION DU SIGNAL PNEUMATIQUE Comme l'air de sortie du système buse-palette alimente un appareil pouvant être situé à grande distance et que le débit d'air passant à travers la restriction est faible, il est nécessaire pour éviter un temps de mise en pression trop long de placer sur le circuit de sortie un amplificateur de débit appelé relais-pilote. 1.16.3 Schéma de principe :

Figure 48 Système d’amplification

Un relais-pilote est principalement constitué d'une (ou plusieurs) membrane commandant la position d'un double clapet entre 3 orifices. Ceux-ci sont respectivement en communication avec l’alimentation, l'atmosphère et le circuit de sortie. Il comprend 3 circuits distincts : • le circuit d'alimentation à partir du filtre détendeur • le circuit en liaison avec la buse • le circuit d'air modulé vers l'appareil récepteur 1.16.4 Fonctionnement Quand la palette se rapproche de la buse la pression buse augmente ce qui fait descendre la membrane et le double clapet fermant l'échappement vers l'atmosphère et ouvrant le clapet côté alimentation. Il en résulte une augmentation importante du débit de sortie d'air

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modulé et donc une transmission beaucoup plus rapide du signal de mesure vers l'appareil récepteur. Du fait de sa technologie le relais ci-dessus laisse échapper à l'atmosphère en position d'équilibre, un débit d'air relativement important (de l'ordre du m3/h). D'autres technologies permettent d'éviter cet inconvénient.

1.17 LES TRANSMETTEURS PNEUMATIQUES 1.17.3 Principe de fonctionnement Schéma représentant le principe de fonctionnement d'un transmetteur pneumatique :

Figure 49 Principe d’un transmetteur pneumatique

On y distingue :

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•

Un système BUSE-PALETTE qui transforme la force correspondant aux variations de la grandeur mesurée en un signal pneumatique.

•

Un RELAIS-PILOTE qui amplifie ce signal de façon à diminuer le temps de transmission de la mesure.

•

Un LEVIER mobile autour d'un axe et sur lequel est fixée la palette.

Ce levier est soumis à 3 forces :

•

une force proportionnelle à la grandeur mesurée (pression dans un soufflet par exemple) : F = k x M

•

une force proportionnelle au signal de sortie (pression modulée sortie relais amenée dans un soufflet de contre réaction). Ce soufflet oppose à la force précédente une réaction proportionnelle au signal de mesure et à la section du soufflet : Fs = S x Ps Il permet à la palette de trouver une position d'équilibre pour chaque valeur de la mesure M.

•

Une force FR due à un ressort dont la tension est réglable par action sur une vis. Du fait que la force de rappel du ressort et la force résultant de la mesure agissent dans le même sens l'équilibre du levier va se traduire par l'égalité suivante :

PS = K × B •

•

Figure 50 Principe des Forces

montre que la pression de sortie du transmetteur (ou signal) est proportionnelle à la mesure M. k l1 k le facteur de proportionnalité K est égal à , le rapport est fixé par la S l2 S construction alors que 11 12 peut varier. F xd Le facteur constant B est égal à R les 3 termes d, l2 et FR pouvant varier. S x 12

1.17.4 Réglages d'un transmetteur pneumatique La position du point de pivotement du levier détermine les valeurs de L1 et L2 et donc la valeur de k.

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L'étendue d'échelle étant la variation de la mesure M nécessaire pour passer du signal mini (Ps = 200 m bars) au signal maxi (Ps= 1000 m bars) on voit qu'elle sera d'autant plus grande que k sera faible et donc que l'axe de pivotement sera éloigné du ressort. A étendue d'échelle fixée ( l2 fixé ) le réglage de la tension du ressort détermine la force FR et donc la valeur de B. k et B étant fixées, il y a une valeur de la mesure M pour laquelle la pression de sortie PS est de 200 mbars. Cette valeur est par définition le zéro de l'échelle. Régler un transmetteur pneumatique consistera donc :

•

à régler l'étendue d'échelle par déplacement de la molette fixant le point de pivotement du levier.

• à fixer le zéro d'échelle par action sur la vis de réglage de tension du ressort. Exemple : Pour mesurer le niveau de liquide dans un ballon vertical de 6 m de hauteur, plusieurs échelles de mesure différant par leur zéro ou leur étendue sont envisageables, par exemple : • zéro : altitudes 0 ou 2 mètres • étendue : 1.2 ou 4 mètres Entre les valeurs extrême de 200 et 1000 mbars la variation du signal pneumatique correspondant à ces différents réglages est représentée ci-dessous :

Figure 51 Principe de réglage d’une échelle de transmetteur

1.17.5 Indication Le signal pneumatique provenant du transmetteur peut être amené à un indicateur local ou situé en salle de contrôle et dans lequel il va être transformé par un système souffletembiellage en un déplacement d'une aiguille devant un cadran. Le plus souvent les cadrans des appareils indicateurs sont gradués de 0 à 100 % :

• •

Le zéro correspondant à un signal de 200 mbars Le 100% correspondant à un signal de 1000 mbars

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Exemple : Dans le cas où le transmetteur précédent est étalonné pour une échelle dont le zéro est à une hauteur de 2 m et l'étendue de 1 m, on a les correspondances suivantes :

Figure 52 Indication de l’échelle

1.18 LES APPAREILS DE MESURE Un appareil de mesure est constitué de 2 parties :

• •

un capteur ou cellule de mesure un transmetteur

qui sont le plus souvent groupées dans le même appareil. Chacune de ces 2 fonctions peut être réalisée de façon classique (mécanique, pneumatique) ou faire appel à des principes électriques ou électroniques plus ou moins complexes.

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1.18.3 TRANSMETTEUR PNEUMATIQUE DE PRESSION DIFFERENTIELLE

•

le capteur est une membrane métallique de part et d'autre de laquelle s'exercent les 2 pressions dont on veut mesurer la différence.

•

le transmetteur est du type décrit précédemment.

L'étendue d'échelle est dans ce cas la différence entre la valeur maximale et la valeur minimale de la différence de pression qui s'exerce sur la capsule.

Figure 53 Transmetteur DP pneumatique

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1.18.4 TRANSMETTEUR PNEUMATIQUE DE PRESSION ABSOLUE Cet appareil peut être équipé de différentes cellules de mesure permettant la transmission de pressions absolues (2 soufflets en opposition dont l'un sous-vide) de pressions relatives (soufflet ou 1 tube de Bourdon) ou de pressions différentielles (capsule ou membrane).

Figure 54 Transmetteur à pression absolue pneumatique

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1.18.5 TRANSMETTEUR PNEUMATIQUE DE TEMPERATURE Le capteur est ici un tube Bourdon relié par un capillaire à un bulbe sensible contenant un liquide ou un gaz. Quand la température augmente, la dilatation ou l'augmentation de la tension de vapeur du fluide se traduisent par une augmentation de pression dans le tube, la déformation de celui-ci est transformée en signal pneumatique.

Figure 55 Transmetteur de température pneumatique

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Régulation 1.19 FONCTION DE LA REGULATION La régulation n'est pas seulement réservée aux procédés industriels, elle est présente dans notre environnement ainsi que dans notre corps. Chaque fois qu'une variable doit être maintenue constante, la régulation est nécessaire. Quand on parle de régulation, on retrouve trois notions fondamentales : ¾ La recherche du maintien d'une variable à une certaine valeur. ¾ Les circonstances extérieures qui peuvent perturber cette grandeur. ¾ L'action qui permet de rétablir la situation (neutralisation des effets de la perturbation).

Il y a des phénomènes sur lesquels nous n'avons aucun contrôle comme :

•

Le temps qu'il fait.

•

La rotation de la terre qui produit le jour et la nuit.

•

Le relief du sol, etc...

Il y par contre pas mal de choses que nous pouvons contrôler :

•

S'il fait froid, on peut mettre un pullover.

•

Allumer une lampe si la lumière ambiante diminue.

•

Appuyer sur l'accélérateur pour maintenir la vitesse une côte.

constante de la voiture dans

Certains contrôles sont automatiques :

•

La pupille de l'œil se dilate ou se contracte en fonction de la luminosité.

•

Notre cœur bat heureusement sans que nous devions y en donner l'ordre.

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Prenons le cas du maintien de la vitesse d'une voiture lors d'un changement de relief : ¾ Il y a tout d'abord une perturbation, la route monte. ¾ Il faut plus d'énergie pour maintenir la vitesse constante (compensation du poids de la voiture). ¾ Le conducteur ressent ce changement de vitesse et par l'intermédiaire de son cerveau, donne l'ordre à son pied de presser sur l'accélérateur. Le maintien de la vitesse se fait parce que le conducteur l'autorise. C'est une action manuelle.

Prenons maintenant le cas de la pupille de l'œil : ¾ La perturbation est créée par un changement de la luminosité. ¾ L'œil doit réagir pour maintenir une luminosité constante sur

sa rétine.

¾ Le cerveau commande directement l'œil sans que le propriétaire de celui-ci ne puisse faire quelque chose. La pupille se dilate ou se contracte inconsciemment. C'est une action automatique.

Les trois notions fondamentales de la régulation s'apparentent à trois grandeurs différentes que l'on rencontre dans tous les systèmes de régulation, qu'il soit simple ou complexe.

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1.19.3 Définitions des grandeurs utilisées en régulation ¾ GRANDEUR REGLEE Grandeur que l'on veut maintenir constante à une certaine valeur appelée CONSIGNE. ¾ GRANDEUR PERTURBATRICE Grandeur qui perturbe la grandeur réglée et sur laquelle on ne peut avoir d'action. Circonstances extérieures que l'on ne peut contrôler. ¾ GRANDEUR REGLANTE Grandeur sur laquelle on agit pour annuler les effets de la grandeur

perturbatrice.

Ex : Débit réglé par une vanne automatique.

En résumé : Chaque fois qu'une variable doit être maintenue constante, la régulation est nécessaire. Cette régulation est le maintien d'une GRANDEUR REGLEE malgré une GRANDEUR PERTURBATRICE et cela à l'aide d'une GRANDEUR REGLANTE

Exemple : Un opérateur doit maintenir le niveau d'un réservoir à une valeur constante prédéterminée alors qu'en aval plusieurs utilisateurs soutirent son contenu selon leurs besoins. L'opérateur a à sa disposition un niveau à vue et une vanne grâce à laquelle il peut augmenter ou diminuer le débit d'alimentation du réservoir. On peut donc dire que :

•

Grandeur réglée

=

Niveau du réservoir.

•

Grandeur perturbatrice

=

Soutirage selon besoin des utilisateurs.

•

Grandeur réglante

=

Débit d'alimentation du réservoir.

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1.19.4 Les quatre phases de la régulation Le réservoir précédemment décrit ne doit ni se vider ni déborder. Pour cela, on est amené à définir une CONSIGNE, c'est à dire une valeur de référence du niveau dont on devra s'écarter le moins possible. Pour l'opérateur, ce sera une indication spécifique du niveau à vue. La fonction de l'opérateur est de maintenir la consigne.

1°

Phase MESURE

L'opérateur lit la grandeur réglée (niveau) sur le niveau à vue de la manière la plus précise possible. Une mesure approximative se répercuterait sur le reste de la chaîne de régulation. 2°

Phase COMPARAISON

L'opérateur compare la valeur réglée avec sa valeur de consigne. Si les deux valeurs sont égales, il n'agit pas !!! Si, au contraire, les deux valeurs diffèrent, l'opérateur devra agir en fonction de l'importance de l'écart mesure/consigne. 3°

Phase CALCUL

L'opérateur doit réfléchir et définir de quelle manière il va agir sur le débit d'alimentation (ouvrir ou fermer la vanne, agir rapidement ou lentement, etc.). 4°

Phase ACTION

Une fois la phase calcul effectuée, il ne reste plus qu'à agir sur le procédé. L'opérateur, par l'intermédiaire de son cerveau, commande son bras qui va actionner la vanne. L'opérateur peut vérifier l'effet de son action grâce au niveau à vue, et ainsi ramener la grandeur réglée à la consigne. On a ainsi formé une boucle : MESURE => CERVEAU => BRAS => DEBIT => NIVEAU etc...

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Figure 56 Les 4 phases de la régulation

1.19.5 Régulation automatique Dans les procédés industriels, de nombreux paramètres doivent être maintenus constants, tels que:

Températures Débits Niveaux Pressions Etc...

On utilise une régulation automatique pour plusieurs raisons :

-

Assurer un déroulement correct du procédé. Eliminer l'erreur humaine. Efficacité, rapidité et précision dans le cas de procédés complexes. Prévention des accidents et sécurité du personnel. Meilleur contrôle de qualité. Economie d'énergie.

Pour toutes ces raisons, on utilise des instruments de régulation qui doivent remplir les mêmes fonctions que l'opérateur, c'est à dire :

-

Mesure. Comparaison. Calcul. Action.

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1.19.6 Eléments d'une chaîne de régulation 1° Le capteur Elément d'une boucle de régulation chargé de prendre la mesure. Il existe des capteurs de différentes sortes qui permettent de mesurer de nombreuses variables et de nombreux phénomènes différents. Ex

:

Thermocouple ou PT100 pour la température.

2° Le transmetteur C'est l'organe de transformation, d'adaptation et de transmission (électrique, pneumatique ou éventuellement hydraulique) du signal du capteur vers le maillon suivant de la chaîne qui est ...

3° Le régulateur Le régulateur se trouve en règle générale en salle de contrôle, c'est lui qui est chargé d'effectuer le calcul de l'action en fonction de l'écart mesure/consigne. Le résultat de cette opération produit un signal qui servira à commander le dernier maillon de cette chaîne.

4° L'organe de réglage C'est lui qui modifie la grandeur réglante, il est chargé de l'action finale portée au procédé. Il peut revêtir plusieurs formes tels que variateur de vitesse, vanne motorisée mais c'est le plus souvent une vanne automatique. L'organe de réglage exécute les ordres donnés par le régulateur.

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En résumé : Un système automatique de régulation se compose de : „

Un capteur pour la mesure.

„

Un transmetteur pour l'envoi du signal de

mesure. Un régulateur pour le traitement de l'information écart mesure/consigne. „

„

Un organe de réglage pour l'action sur le

procédé.

1.19.7 Boucle fermée En régulation, la plupart du temps, le système est conçu de manière à ce que non seulement la mesure agisse sur l'action mais que réciproquement l'action influence la mesure. On dit qu'il y a rétroaction de la l'action sur la mesure. Ce type de boucle de régulation est appelé BOUCLE FERMEE, en effet, la rétroaction ferme la boucle.

Figure 57 Boucle fermée

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1.19.8 Boucle ouverte Contrairement à la boucle fermée, la régulation en boucle ouverte n'a pas de rétroaction. Imaginons qu'au lieu de mesurer le niveau du réservoir, on mesure le débit de soutirage. Dans ce cas, la régulation aura pour but de maintenir un débit d'alimentation égal au débit de soutirage. La mesure va comme toujours influencer l'action. Le débit de soutirage est totalement indépendant de l'action et l'ouverture ou la fermeture de la vanne d'alimentation n'a aucun effet sur le soutirage.

TRC

Figure 58 Boucle ouverte

L'avantage de la boucle ouverte est sa rapidité, en effet, on n’attend pas les effets de la perturbation sur la grandeur réglée puisque l'on part de la perturbation en elle-même. Par contre, on ne peut pas compenser une erreur ou une dérive car on ne tient pas compte de la grandeur réglée. La boucle fermée est moins rapide puisqu'il faut attendre que les effets de la perturbation viennent faire varier la grandeur réglée pour agir. Mais la boucle de régulation est plus juste car on mesure ce que l'on veut régler. La grandeur de référence est celle que l'on veut maintenir égale à la consigne.

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On trouve souvent une boucle fermée associée à une boucle ouverte pour profiter de la rapidité de la boucle ouverte tout en ayant la précision de la boucle fermée.

TRC

FT

Figure 59 Boucle en cascade

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Action de la régulation C'est dans les industries fonctionnant en continu que l'on rencontre le plus souvent des systèmes de régulation automatique. En effet, le fait que ces industries fonctionnent 24 heures sur 24 impose le maintien de certains paramètres à certaines valeurs pour permettre la bonne marche du procédé. Le rôle des systèmes automatiques de régulation est de maintenir ces paramètres malgré les perturbations, et pour ce faire les systèmes de régulation vont agir sur le procédé luimême par l'intermédiaire d'organe de réglage qui sont le plus souvent des vannes automatiques. Le problème est : que tous les procédés ne réagissent pas de la même manière lorsqu'une perturbation ou une modification volontaire de certains paramètres survienne ! Au point de vue de la régulation, les trois grandes différences entre les procédés sont :

-

Le gain du procédé. Le temps de réponse. Le temps mort.

1.20 Le GAIN du procédé Lorsque l'on agit sur un procédé grâce à un organe de réglage, les modifications que subit le procédé sont plus ou moins importantes ou plus ou moins rapides. Appliqué à deux procédés différents, une action peut donner deux résultats très différents. Prenons un exemple de la vie courante : Il ne faut pas agir de la même manière si l'on veut maintenir un bain ou une douche à 38°C. Dans le cas du bain, si on ferme le robinet d'eau froide et qu'on ouvre l'eau chaude, il n'y aura pas de différence de température, tout du moins pendant un certain temps. A une grande différence de la grandeur réglante (température de l'alimentation d'eau), ne correspond qu'une petite différence de la grandeur réglée (température du bain). Le volume d'eau à réchauffer est important. Par contre, sous la douche, il suffit de tourner à peine d'un demi-tour un des robinets pour que la température de l'eau passe de froid à chaud. Une petite modification de la grandeur réglante correspond donc à une de la grandeur réglée.

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grande variation

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1.20.3 Techniquement, on parle de GAIN du procédé Le gain du bain est très faible car une grande action correspond de petits effets. Le gain de la douche quant à lui est très grand car une faible action occasionne de grands effets. Etant donné que les gains des procédés ne sont pas les mêmes, les deux personnes vont agir différemment si elles doivent rattraper une chute de température de 2°C sur la mesure. Dans le cas du bain, il faudra une importante quantité d'eau pour compenser la perte calorifique. Pour une faible variation de mesure, il faut que la régulation ait une action importante. Sous la douche, la quantité d'eau à réchauffer est mois importante, de ce fait le même écart de mesure se traduit par une action bien plus faible que pour le bain. 1.20.4 Techniquement, on parle de GAIN du régulateur On peut chiffrer le gain régulateur. En effet, le gain régulateur est le rapport entre le signal de sortie et le signal écart mesure/consigne. L'action se mesure en pourcentage de l'action maximum de l'organe de réglage. L'écart s'exprime en pourcentage de la totalité de l'échelle de mesure :

Gain régulateur =

action écart

Si l'action est de 10% lorsque l'écart est aussi de 10%

=> Le gain

vaut 1 Si l'action est de 20% lorsque l'écart est de 10%

=>

Le gain vaut 2 Etc... Par contre, dans certains cas comme celui de la douche : Pour une action de 5%, il n'y aura un écart de 10%

=> Le gain

vaut 0.5.

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Graphique Ecart-Action pour différents gains

Figure 60 Ecart-action pour différent gains

1.20.5 Bande proportionnelle et réglage du gain Sur les systèmes de régulation automatiques, il est possible de régler le gain pour adapter la régulation au procédé.

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Différence entre Bande Proportionnelle (B.P.) et Gain : La bande proportionnelle est le pourcentage de l'échelle de mesure que la mesure doit parcourir pour que l'organe de réglage effectue la totalité de sa course. Si la mesure doit parcourir 100% de l'échelle pour que la vanne parcoure la totalité de sa course, c'est à dire de la fermeture à l'ouverture, la bande proportionnelle vaut 100%. Si, par contre la mesure ne doit parcourir que 50% de l'échelle pour que la vanne passe de l'ouverture à la fermeture, la bande proportionnelle est de 50%.

Figure 61 Principe de la bande proportionnelle

Certains procédés ont une faible action même pour de grandes variations de mesure. La bande proportionnelle est alors supérieur à 100%, car si la mesure effectue la totalité de sa course, la vanne, elle, ne le fait pas. On peut rencontrer des bandes proportionnelle allant jusqu'à 200% ou plus.

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Graphique Ecart-Action pour différentes bandes proportionnelles

Figure 62 Ecart-action pour différentes BP

Ce graphique est similaire au graphique des gains, car le gain régulateur et la bande proportionnelle sont des notions proches l'une de l'autre.

Relation liant Gain et B.P: B.P. =

100 Gain

La B.P. est donc cent fois l'inverse du gain.

Quelques exemples de correspondance : Valeur Gain 0.5 1 2

Valeur B.P. 200% 100% 50%

Dans ces deux notions, il y a l'idée de sensibilité de la régulation, plus le gain est grand, plus B.P. est petite et inversement.

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1.21 Temps de réponse et temps mort Chaque procédé possède un temps de réponse et parfois un temps mort. Ces deux temps peuvent être plus ou moins longs et la régulation doit en tenir compte. Exemple : Un four est chargé de réchauffer un produit. Une boucle de régulation doit maintenir la température du produit constante à la sortie du four. La régulation agit sur le débit de combustible vers le brûleur. Les perturbations peuvent être :

• •

Variation de la température à l'entrée du four. Variation du débit de produit dans le four.

Situation de départ :

• •

Température du produit réglée à 200°C. Vanne de combustible ouverte à 50%.

Si le débit augmente, le produit ne séjourne plus aussi longtemps dans le four et la température de sortie baisse. Supposons qu'elle chute brutalement de 30°C et passe donc à 170°C (ce qui ne serait pas vrai dans la réalité). Appelons ce temps défini par cette chute de température T1. Le régulateur détecte cette baisse subite de température et ordonne à la vanne de combustible de s'ouvrir, celle-ci s'ouvre de 20% supplémentaire (par ex.) et laisse passer plus de combustible vers le brûleur. Nous sommes toujours au temps T1. Le transfert de calories supplémentaires apporté par le brûleur vers le produit prend un certain temps. D'autre part l'apport de chaleur met également un certain temps avant d'être détecté par le capteur. La température mesurée ne bouge donc pas. Ce n'est qu'au temps T2 que la mesure commence à monter. Le temps qui s'est écoulé entre le moment de la chute de température et la mesure qui montre que celle-ci est entrain de remonter (de T1 à T2 ) est appelé temps mort. A partir de cette instant T2, la température va monter progressivement pour atteindre à nouveau le point de consigne. C'est là qu'apparaît la notion de temps de réponse. Si l'on divise l'écart de température 170°C à 200°C en 100 parties, on obtient une échelle de 0 à 100%. Le temps de réponse est le temps qu'il faut au procédé pour atteindre les 63% de cette échelle, on l'appellera T3.

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Dans notre cas, l'écart vaut 30°C, nous pouvons donc calculer les 63% de cet écart, nous obtenons 19°C. Si nous ajoutons ces 19°C aux 170°C, valeur au temps T1 et T2, nous obtenons 189°C. Le temps de réponse correspondra donc au temps qu'il faudra au procédé pour passer de 170°C à 189°C, c'est donc le différence entre T3 et T2.

T1 T2

T3

Figure 63 Exemple de temps mort et de temps de réponse

Nous avons donc

• •

:

De T1 à T2, le temps mort. De T2 à T3, le temps de réponse.

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Figure 64 Graphique du temps mort et temps de réponse

Il est donc évident que la régulation doit tenir compte des temps morts et des temps de réponse. Si un opérateur devait jouer le rôle du régulateur, ne voyant pas d'augmentation immédiate de la mesure de température, celui-ci ouvrirait encore plus la vanne de combustible et finalement verrait la température de sortie augmenter de façon exagérée. Il fermerait alors la vanne et le même manège se déroulerait mais cette fois-ci avec une chute de température.

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Le résultat de cette pseudo régulation sera une oscillation de la mesure autour de la consigne. La température du produit sera tantôt trop chaud, tantôt trop froid, ce qui peut causer certain problème dans la suite du procédé.

1.22 Les actions du régulateur Le rôle du régulateur est de maintenir une grandeur réglée à une certaine valeur de consigne, malgré une grandeur perturbatrice que l'on ne contrôle pas, ceci à l'aide d'une grandeur réglante sur laquelle on agit. Comme nous l'avons vu précédemment, les procédés sur lesquels s'applique une régulation peuvent être très différents les uns des autres. Chaque procédé impose une régulation différente qui peut être plus ou moins sensible, plus ou moins précis ou plus ou moins rapide. Dans la boucle de régulation, le choix du type du régulateur va permettre de d'obtenir la sensibilité, la précision et la rapidité requise par le procédé. Les quatre principaux types d'actions du régulateur sont : 1° 2° 3° 4°

L'action TOUT OU RIEN. TOR L'action PROPORTIONNELLE. P L'action PROPORTIONNELLE et INTEGRALE. PI L'action PROPORTIONNELLE, INTEGRALE et DERIVEE. PID

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1.22.3 L'action TOUT OU RIEN Comme son nom l'indique, agit sur le procédé de deux manières différentes. Dans ce type de système, l'organe réglant ne peut prendre que deux positions. Le moteur d'une pompe tourne ou ne tourne pas, la vanne est fermée ou ouverte. La régulation d'un four domestique travaille de cette façon. La cuisinière affiche sur le thermostat la valeur à atteindre. Tant que la température du four est inférieure à celle-ci, le thermostat laisse passer le courant électrique passer à travers les corps de chauffe. Dés que la température atteint le point de consigne du thermostat, celui-ci coupe le circuit électrique mais l'inertie thermique fait que la température continue à monter un peu. Finalement la température redescend et ce n'est que lorsqu'elle sera inférieure à nouveau au réglage du thermostat que celui-ci autorisera le courant à alimenter les corps de chauffe. Le cycle continue jusqu'à la cuisson du plat. Avec ce système, la température du four va osciller entre deux valeurs autour du point de consigne du thermostat (voir page suivante). La grandeur réglante, c'est à dire la quantité de courant passant dans les corps de chauffe sera, quant à elle, tantôt maximum (température du four inférieur à la consigne) ou tantôt nulle (température du four supérieur à la consigne). Ce genre de système possède une grande sensibilité car au moindre écart de mesure correspond une action ainsi qu'un haut gain car pour une petite variation de la mesure peut correspondre une action maximum.

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Graphique d’une régulation TOR : GRANDEUR REGLEE CONSIGN

Temps Courant

GRANDEUR

Temps

Figure 65 Graphique TOR

On utilise ce style de régulation pour réguler des niveaux ou des températures de bac de stockage, lorsque la précision n'est pas importante et lorsque l'oscillation du procédé n'est pas critique pour le procédé. On rencontre ce type de régulation TOUT OU RIEN dans les systèmes de sécurité car dans ce cas précis, on a besoin d'action rapide. Si la valeur minimale de la grandeur réglante n'est pas nulle, ce type de régulation prendra le nom de TOUT OU PEU. Rappel :

Le régulateur utilise deux signaux en entrée, la mesure venant d'un capteur via un transmetteur et la consigne qui est définie et choisie par l'opérateur. Ces signaux peuvent être soit de type électrique, pneumatique ou encore hydraulique. Le rôle d'un régulateur est de comparer le signal de mesure à celui de la consigne. Si un écart existe, le régulateur génère un signal de sortie qui sera appliqué à un organe de réglage dans le but de réduire cette écart et de ramener la valeur de la mesure à la consigne mémorisée par le régulateur. Le rapport qu'il y a entre le signal de sortie du régulateur et le signal résultant de la différence entre mesure et consigne est le résultat de l'action du régulateur. Cette action peut être simplement proportionnelle, proportionnelle et intégrale ou encore proportionnelle, intégrale et dérivée.

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1.22.4 L'action PROPORTIONNELLE C'est la forme la plus simple de régulation automatique. Elle consiste à proportionner aux variations de la grandeur à régler, la réaction sur la valeur de réglage.

Figure 66 Principe de l’action PROPORTIONNELLE

Elle s'applique surtout au réglage des niveaux, environ 10% du domaine où s'utilise la régulation automatique. 1.22.4.1 Le régulateur proportionnel L'écart de la mesure par rapport à la consigne est détecté par le comparateur du régulateur. Cet écart est utilisé en fonction de :

• • •

Son amplitude. Sa durée. Sa vitesse de transition...

Pour élaborer un signal qui sera envoyé à l'organe de réglage. Le signal de correction peut donc être lui-même d'amplitude, de durée ou de vitesse plus ou moins importantes en fonction de :

• •

L'écart lui-même. Du réglage des coefficients qui agissent sur chacun de ces mêmes paramètres.

1.22.4.2 Comportement du régulateur proportionnel Dans ce type de régulateur, le signal de correction - ou signal de signal de sortie voit son amplitude varier en fonction de l'amplitude de l'écart mesure consigne. En fait, il est préférable de s'exprimer par rapport aux variations des signaux, car il faut considérer que pour obtenir une certaine valeur de mesure de la grandeur réglée, il faut nécessairement que la vanne soit déjà en position d'ouverture quelconque.

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Ainsi, si un régulateur doit contrôler la température des gazes chauds à la sortie d'un four, et agir sur le débit de fuel aux brûleurs pour régler cette température, on imagine facilement que la vanne sera à moitié ouverte, par exemple, si on désire une mesure M de 100°C. Dans le mode de réglage à action proportionnel, les variations de l'organe correcteur sont proportionnelles à l'écart à corriger. La proportionnalité réside dans le fait que l'action correctrice, donc la variation du signal de sortie du régulateur, est égale à l'écart multiplié par 0.5, 1, 2, 3, 5, 10, etc...

Figure 67 Graphe E/S d’un régulateur P

Pour un écart donné, la vanne occupe une position donnée. Relation liant Entrée et Sortie du régulateur :

ΔE x K = ΔS ΔE est la variation de mesure par rapport à la consigne (+ ou - ) [%] K est coefficient de proportionnalité (réglable sur le régulateur) [-]

ΔS est la variation du signal de sortie correspondante [%] Reconsidérons le four, où la température réglée est de 100°C. Soit 0°C la plus petite valeur mesurable et 200°C la plus grande valeur mesurable => Echelle de mesure = 200°C. ΔM (variation de mesure) = 10% va représenter dans ce cas une variation de température de 20°C. Soit une variation de 100°C à 120 °C. La consigne reste fixe.

ΔE = 120°C - 100°C = 20°C ΔE = ΔM = 10%

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Dans ce cas, ΔS ou la variation de la vanne sera de : • Si K = 0.5 ΔS = 10% x 0.5 = 5% • Si K = 2 ΔS = 10% x 2 = 20% Etc... Autrement dit, pour K = 0.5, la vanne passera de la position milieu (50%) à 5% de plus vers la fermeture, donc 55%. Et pour K = 2, elle passera de 50% à 70% (+20%). 1.22.4.3

Le réglage de l'action proportionnelle

Le réglage de la proportionnalité est souvent représenté par le rapport inverse du gain ou BANDE PROPORTIONNELLE B.P. exprimée en %. La bande proportionnelle est le pourcentage de l'échelle de mesure que la variable doit parcourir pour que l'organe de réglage effectue la totalité de sa course. Ainsi, si la B.P. est réglée à 100%, la variable devra parcourir la totalité de son échelle pour que l'organe de réglage en fasse autant. Mais si celle-ci est réglée à 50%, la même variable ne devra parcourir que la moitié de l'échelle. Les termes B.P. et GAIN du régulateur sont liés. Plus B.P. est petite, plus le GAIN est grand et inversement.

BP =

100 GAIN

1.22.4.4 Les limites de l'action proportionnelle Le meilleur réglage, c'est à dire le choix de la valeur optimale de la B.P, est lié au processus sur lequel est bouclé le régulateur. Chaque élément de process a un gain propre. Aussi le réglage de la B.P. est-il avant tout lié à ce process. Mais, quel que soit le process, il n'existe qu'une seule position de vanne qui entraîne : Mesure = Consigne ou M = C Donc qu'une seule condition de service correspondante. Pour toute autre condition, la vanne prendra une position proportionnelle à l'amplitude de l'écart, mais la mesure ne reviendra pas à la valeur de consigne. C'est le défaut de l'action proportionnelle : elle n'annule pas "l'écart résiduel" qui existe en cas de variations dans le fonctionnement du process.

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Si l'on fait en sorte que la vanne soit en position milieu pour les conditions M = C, elle pourra corriger de façon symétrique les variations de mesure dues aux perturbations (variations de charge du process). Plus la B.P. est faible, plus le système sera sensible : la vanne s'ouvrira ou se fermera dans de plus grandes proportions que si la B.P. était affichée à 100%. Ce qui permettra à la mesure de revenir plus près de la consigne pour de nouvelles conditions de charge. Mais cette valeur faible de la B.P : peut entraîner une instabilité dans le processus, donc de la mesure. C'est le "pompage".

Il existe trois sortes de pompage : ¾ Le pompage amorti : après un certain nombre d'évolutions autour de sa valeur de stabilisation, la mesure converge vers cette valeur et s'y maintient aussi longtemps qu'il n'intervient pas de nouvelle perturbation. ¾ Le pompage entretenu : il correspond au gain critique. La mesure évolue (sous forme de sinusoïde) symétriquement autour de sa valeur de repos et ne se stabilise pas. ¾ Le pompage divergent : à chaque évolution, la valeur de la mesure s'accroît et s'éloigne davantage de sa valeur de repos.

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Pompage amorti

Pompage entretenu

Pompage divergent

Les premiers automaticiens à préconiser une méthode de réglage dite de "l'oscillation critique", MM Ziegler et Nichols (1943), recommandent de rechercher le pompage entretenu, en diminuant la B.P. jusqu'à trouver la B.P. critique. Le réglage recommandé est égal au double de la B.P. critique. Mais tous les processus ne peuvent accepter un pompage, et cette méthode est délicate à mettre en œuvre car elle présente le danger de placer le procédé en instabilité totale si l'on ne possède pas assez de doigté. 1.22.5 L'action PROPORTIONNELLE ET INTEGRALE Pour améliorer les imperfections que présente l'action PROPORTIONNELLE (écart résiduel), on peut combiner à cette action à une action INTEGRALE.

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1.22.5.1 Les caractéristiques de l'action INTEGRALE Le but recherché étant de ramener la grandeur réglée à sa valeur de consigne et de l'y maintenir, il est donc nécessaire d'annuler la variation qu'elle a subie.

Figure 68 Principe de l’action INTEGRALE

Figure 69 Graphe E/S d’un régulateur I

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Exemple : Soit un réservoir dont le débit de sortie Ds doit être maintenu égal à son débit d'entrée De, quelles que soient les perturbations du processus. On pourrait procéder en mesurant Ds et agir en fonction de ses variations sur De, mais le retard engendré par l'inertie du système n'est pas tolérable. Pour éviter les variations du niveau qui en résulterait, on va devoir prendre le niveau luimême pour grandeur d'asservissement (ou régulation) et réagir, selon les cas, soit sur De ou sur Ds. A toute variation de niveau, le régulateur va d'abord répondre en délivrant un signal d'action proportionnel à l'écart mesure-consigne détecté. Ainsi, si l'état d'équilibre réalisé entre De et Ds vient à être rompu à un moment "t", par exemple en raison d'un soutirage moins important, le niveau va monter jusqu'à ce que, à un moment "t'", une fois vaincue l'inertie du système, le régulateur envoie à l'organe de commande de De un signal propre à modifier ce dernier proportionnellement à la différence de niveau mesuré, puis à le stabiliser en fonction de la propre stabilisation du niveau. Variation des signaux De, Ds et niveau en fonction du temps

De = Ds De

Ds

Niveau Sortie N°2 de De

Sortie N°1 de De Figure 70 Graphe d’une régulation P

On voit sur ce schéma, que la stabilité du système est bien rétablie, que De et Ds sont à nouveaux égaux, mais que le niveau se stabilise à une valeur différente de sa valeur initiale, ce qui justement, si cet écart n'est pas tolérable, implique de recourir à l'action intégrale. Pour que le niveau revienne à sa valeur de consigne, il s'agit d'abord d'évacuer du réservoir la quantité de liquide qui s'y est introduite entre le temps "t" et "t''", c'est à dire entre le début de la perturbation et sa suppression. 1-01 Principes de mesures, de contrôle et de régulation

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Ce que le régulateur PI va faire en donnant à De une valeur inférieur à Ds.

On peut voir sur ce schéma :

Débits Ds

De Ds

De Action P Action I

Niveau t

t’’

t’’’

Figure 71 Graphe d’une régulation PI

¾ Qu'il se produit en "t’’", sous l'effet de l'action intégrale, une action inverse à l'action proportionnelle, qui a pour effet... ¾ De provoquer un soutirage qui permettra d'évacuer l'excédent de liquide qui s'était accumulé entre "t" et "t’’". ¾ La combinaison des deux actions P et I a donc permis de stabiliser la valeur réglée à sa valeur initiale de consigne. C'est parce que, dans la régulation par action intégrale, la position de l'organe de réglage n'est pas asservie à celle de l'appareil de mesure de la grandeur réglée, mais au contraire variable avec le temps, que l'on peut éliminé l'écart mesure-consigne que l'action proportionnelle ne pourrait supprimer. En effet, dans ce mode de régulation, la valeur de la grandeur réglante varie à une vitesse proportionnelle à l'écart mesure-consigne : Si, par exemple, l'écart double, la vitesse de réponse du régulateur double, ce qui veut dire que pour un même temps la sortie du régulateur sera le double de la sortie déterminé par un écart de référence.

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On appelle "temps d'intégration" ou Ti, la durée de la variation d'une unité de la grandeur réglante produite par une unité de variation de l'écart. En d'autres termes, Ti est le temps nécessaire à l'action intégrale pour réaliser une variation du signal de sortie égale à celle obtenue par l'action proportionnelle, c'est à dire pour réaliser une répétition de l'action P. 1.22.5.2

Caractéristiques de l’action PROPORTIONNELLE et INTEGRALE

Figure 72 Graphe de l’action PI

Figure 73 Graphe E/S d’un régulateur PI

Ainsi, Ti = 1mn, signifie qu'au bout d'une minute, le régulateur a répété la variation due à l'action P. Les unités : • Le temps Ti est exprimé en minutes par répétition (mn/rép).

•

La vitesse de variation, c'est à dire le nombre de répétitions par minute de l'action P, est exprimée en répétions par minute (rép/mn). C'est évidemment l'inverse de Ti !!!

Donc, nous avons : • A 1 mn/rép correspond 1 rép/mn. • A 2 mn/rép correspond 0.5 rép/mn. • etc... 1-01 Principes de mesures, de contrôle et de régulation

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Ce qui donne pour les valeurs usuelles, le tableau de correspondance suivant : Min./rép. 0.05 0.1 0.2 0.5 1 2 5 10 20

Rép./min. 20 10 5 2 1 0.5 0.2 0.1 0.05

C'est, en fait, une des caractéristiques essentielles de l'action intégrale que son rapport au temps. Le coefficient initial de régulation intégrale augmentant progressivement avec le temps (suivant une loi exponentielle), on obtient ainsi ce que l'on peut appeler un réglage flottant. On peut cependant reprocher à l'action intégrale sa lenteur. En effet, si la constante de temps Ti est importante, la lenteur de l'action devient préjudiciable à la précision du régulateur : il y a dépassement de la valeur de consigne et du même coup, sur certaines installations, risque de pompage. Enfin, si la cause perturbatrice est sujette à de rapides variations, les temps de correction nécessaires au régulateur PI le rendent pratiquement inopérant. La solution est de pouvoir accélérer l'effet au moyen d'une action complémentaire.

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1.22.6 L'action PROPORTIONNELLE, INTEGRALE ET DERIVEE C'est parce que la régulation par action intégrale ne permet d'annuler que très progressivement l'écart résiduel qui subsiste, après l'intervention de l'action proportionnelle, entre la valeur de la grandeur réglée et la consigne affichée, que l'on a recours (dans tous les cas où cela s'impose, c'est à dire en fait dans un petit pourcentage de cas) à l'action DERIVEE. 1.22.6.1

Caractéristique de l’action DERIVEE

Figure 74 Principe de l’action D

Figure 75 Graphe E/S d’un régulateur D

1.22.6.2 Utilité de l’action DERIVEE Effet, le temps nécessaire à la correction effectuée par une action PI est fonction de l'installation. Ce qui veut dire notamment qu'il est d'autant plus long que l'installation régulée a une grande inertie, et que la correction devient tout à fait prohibitive lorsque la perturbation est sujette à de rapides variations. Il faut donc, dans ce cas, pouvoir accélérer la correction recherchée en assujettissant le système de régulation : • Non plus à la valeur de l'écart mesure - consigne (action P). • Non plus à sa durée (action I). • Mais à la vitesse de variation de la grandeur réglée (action D). 1-01 Principes de mesures, de contrôle et de régulation

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C'est en effet sur ce dernier paramètre qu'il faut pouvoir agir si l'on veut protéger efficacement le procédé des perturbations rapides qui peuvent l'affecter, car une variation qui évolue vite et que rien ne vient contrer au plutôt a toutes les chances d'entraîner une déviation d'amplitude importante. Or, le propre de l'action dérivée est précisément d'agir d'autant plus vite que la grandeur réglée s'écarte rapidement de sa consigne. Mais, ne tenant compte que du sens et de la vitesse de variation de l'écart mesure consigne et ceci indépendamment de la position de la mesure et de la consigne, l'action dérivée se présente comme une action aveugle qui ne saurait être employée seule : ¾ Seule en effet, elle n'interviendrait pas face à un écart mesure – consigne constant car elle serait incapable de le percevoir, et elle ne pourrait au contraire émettre qu'un signal de commande maximum face à un écart soumis à une rapide évolution. C'est la raison pour laquelle l'action dérivée est toujours associée au moins à une action P, qu'elle fait agir par anticipation. En effet, l'action dérivée a pour caractéristique de provoquer un saut du signal de commande de la vanne automatique qui amène la correction au niveau où elle aurait dû être s'il n'y avait pas eu de temps mort. Son rôle est d'accélérer la vitesse de réponse du système de régulation d'un temps Td qui correspond à son coefficient de réglage. Ce temps différentiel Td est égal à la différence existant entre :

•

Le temps nécessaire à un régulateur P + D pour ouvrir la vanne d'une certaine valeur.

•

Le temps dont aurait besoin le régulateur P correspondant pour effectuer la même manœuvre.

Lorsqu'ils réagissent tous les deux à une variation de vitesse constante de la vitesse mesurée.

Définition : On appelle Td ou temps d'action dérivée, le coefficient de réglage que l'on choisit d'afficher lorsque l'on détermine le temps de réponse de l'élément dérivée du régulateur. Td correspond au laps de temps qui s'écoulera entre l'apparition des premiers effets d'une perturbation et le début de la correction effectué par l'action dérivée.

Le nom d'action dérivée vient de ce que le mode de régulation agit sur la grandeur de réglage en la faisant réagir proportionnell

ement à la dérivée par rapport au temps de l'écart mesure- consigne. Le terme anglais "ANTICIPATORY" est beaucoup plus suggestif, puisqu'il souligne ce qui fait l'avantage de l'action D sur les deux autres modes de régulation :

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Sa faculté d'agir par anticipation, en avance sur l'action P à laquelle on l'associe. Cette avance permet à l'action dérivée de réduire tout à la fois : • L'amplitude de la déviation engendrée par la perturbation. • Le temps de retour de la variable contrôlée à son point de consigne. Si bien que l'adjonction d'un élément de dérivation s'impose dans tous les cas où les procédés régulés ou les installations, ne sauraient tolérer sans dommages : • De trop grandes déviations des paramètres contrôlés par rapport à leur valeur de consigne. • Un temps de correction trop long en réponse à l'apparition d'une perturbation. Aussi l'action D est-elle utilisée principalement, et presque exclusivement sur les boucles de température, où les valeurs limites admissibles son comprises dans une plage assez étroite. Les critères qui interviennent dans le choix du ou des modes de régulation appropriés à un processus, sont : • L'écart résiduel maximum tolérable : on se contentera d'un régulateur P chaque fois la présence d'un écart sera compatible avec les conditions de service et le but recherché. • L'écart maximum admissible par rapport au point de consigne : on aura recours à un régulateur PI dans tous les cas où un simple régulateur P n'apporterait pas de garanties de sécurité suffisantes. • Le temps maximum admissible de retour du processus à l'état stable après l'apparition et la correction d'une perturbation : seul un régulateur PID pourra réduire efficacement ce temps en anticipant les deux actions P et I.

Figure 76 Principe de l’action PID

1.22.6.3 Utilisation de l'action DERIVEE L'action dérivée est utilisée chaque fois qu'une variable est susceptible de s'écarter rapidement de son point de consigne en risquant d'atteindre des valeurs inadmissibles parce que dangereuses, et cela, soit du fait de perturbations rapides, soit du fait de brusques variations de charge.

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Elle est également utile même si la variable n'a pas une réponse très rapide, car en devançant l'action P, elle permet un retour plus rapide à la stabilité. Elle n'a aucun intérêt, en revanche, lorsque le processus à une grande inertie, notamment lorsque le temps mort est égal ou supérieur à la constante de temps puisque dans ce cas, faute d'une variation de la mesure pendant ce temps mort, l'action dérivée reste sans effet. Enfin, l'action dérivée est franchement gênante dans le cas de processus "à parasites", c'est à dire lorsque la grandeur mesurée est soumise à de brèves, rapides et fréquentes impulsions, puisque, constamment sollicitée par les variations transmises au régulateur, l'action dérivée crée alors une sur-correction.

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1.22.6.4

Structures des régulateurs PID

Figure 77 Divers montage de régulateurs PID

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1.22.6.5

Autres structures de régulation dans les systèmes informatisés

Figure 78 Structure des divers régulateurs dans HONEYWELL (TDC3000)

On peut voir sur la figure ci-dessus les divers types d’équations pouvant être utilisées dans le système HONEYWELL. Ces différents montages permettent une régulation optimale pour chaque process. 1.22.6.6 Bons et mauvais réglages Le principal défaut à éviter est le phénomènes de pompage, la mesure oscille autour de la consigne. Voici des exemples de mauvais et de bons réglages.

Mauvais réglage

Bon réglage

Figure 79 Réglages d’une boucle de régulation

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Un mauvais réglage peut être dû à : ¾ Un réglage du gain trop élevé. ¾ Un réglage du temps d'intégrale trop court. ¾ Un réglage du temps de dérivée trop long. 1.22.7 Passage en automatique Le sens d'action d'un régulateur se détermine en fonction du choix effectué pour la vanne. Cette dernière est choisie "ouverte sans air" ou "fermée sans air" selon les conditions de sécurité. Il faut donc absolument, avant le passage en automatique réfléchir et vérifier le choix du sens d'action. Reprenons l'exemple du four : Les vannes sont prévues pour alimenter les brûleurs, elles sont donc vraisemblablement "fermée sans air". 0% = fermée. 100% = ouverte. Si la température mesurée augmente et vient à dépasser la consigne, il faudra que le régulateur ferme la vanne. Ce qui veut dire que si M augmente, S doit diminuer, le régulateur est donc à action inverse. En règle générale, le passage Manuel-Automatique doit se faire sans à-coup. Il faut donc, après stabilisation de la mesure en manuel, amener la consigne à la même valeur que la mesure, vérifier si le sens d'action est correct et que la B.P. n'est pas trop faible. 1.22.8 Passage en manuel Sur les régulateurs récents, le passage Auto-Manu ne pose pas de problèmes. Un système "suiveur automatique" permet à la valeur de sortie "manuelle" de suivre la valeur "auto" du régulateur. Ce qui permet à la vanne de garder sa position au moment du passage en manuel. Sur les régulateurs moins récents, il faut équilibré, en position intermédiaire, le signal "manuel" à la valeur "auto" puis effectuer le passage en manuel après équilibrage. Le même problème se pose si l'on utilise une consigne externe au régulateur (montage cascade). 1.22.9 Sens d'action d'un régulateur Un régulateur peut être à "action directe" ou à "action inverse". Lorsque le signal de sortie augmente quand la mesure augmente, le régulateur est à action directe. Par contre, lorsque le signal de sortie diminue quand l'entrée augmente, le régulateur a une action inverse.

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Pour définir le sens d'action du régulateur, il faut, bien entendu connaître l'action que doit avoir la régulation sur le processus, mais également le sens d'action de l'organe de réglage, qui peut lui aussi, être direct ou inverse. Par exemple, l'augmentation du signal de sortie du régulateur peut correspondre, soit à la fermeture d'une vanne automatique, soit à son ouverture.

Dans un four, si le produit à chauffer devient trop chaud, il faut fermer la vanne d'alimentation du brûleur. Si la vanne est action directe, c'est à dire qu'elle s'ouvre quand le signal du régulateur augmente. Le régulateur doit alors avoir une action inverse, ainsi lorsque la mesure augmente, le signal de sortie diminue et la vanne se ferme. Si par contre la vanne a une action inverse, le régulateur, lui, aura une action directe. 1.22.10 Régulation en CASCADE Une régulation en cascade est une régulation où deux régulateurs sont associés, et où le signal de sortie du premier ne commande pas un organe de réglage mais sert de point de consigne au deuxième. Avec une régulation conventionnelle, on constate un écart, puis on agit pour réduire et si possible annuler cet écart. Lors de l'apparition d'une perturbation, ce sont les effets de la perturbation sur la grandeur réglée qui sont mesurés, et qui servent de point de départ à la régulation. Avec une régulation en cascade, on mesure la perturbation elle-même, en plus de la grandeur réglée. Ceci permet lorsque l'inertie du système réglé est importante, d'éviter l'apparition d'écart permanent et variable. Prenons l'exemple d'un four dans lequel on doit réchauffer une certaine charge : Ce que l'on veut régler c'est la température de la charge à la sortie du four. Pour ce faire, on agit sur le débit (ou la pression) du combustible vers le brûleur par l'intermédiaire d'une vanne. Une régulation conventionnelle consiste à mesurer la température de la charge à la sortie du four, et par l'intermédiaire d'un régulateur de contrôler la vanne d'alimentation du brûleur. Mais ce schéma comporte un inconvénient : si la pression du combustible augmente en amont du brûleur, on aura pour la même ouverture de vanne, un débit plus important de combustible vers le brûleur et une chauffe plus importante.

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1.22.10.1

Régulation conventionnelle

Figure 80 Régulation conventionnelle

Le capteur de mesure de température de la charge à la sortie du four ne détectera l'augmentation de température qu'après un certain temps. Pour éviter cet inconvénient, on réalise le schéma de régulation en cascade suivant : La mesure de température à la sortie du four est réalisée, et cette mesure est toujours envoyée vers le régulateur de température, mais là où le schéma change, c'est que le régulateur envoie son signal de sortie sur un second régulateur qui régule la pression de combustible en amont du brûleur. Ce deuxième régulateur reçoit donc sa mesure du régulateur de température et sa mesure de pression captée en aval de la vanne d'alimentation. C'est ce régulateur qui commande la vanne de combustible. ¾ Le premier régulateur (température) est appelé "régulateur maître" : en effet, c'est lui qui reçoit l'information primordiale qui est la température de la charge à la sortie du four. ¾ Le deuxième régulateur (pression) est appelé "régulateur esclave" ou encore "régulateur secondaire". C'est lui qui subit les deux mesures (température et pression) et qui agit sur l'organe de réglage.

1-01 Principes de mesures, de contrôle et de régulation

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1.22.10.2

Régulation en cascade

Figure 81 Régulation en cascade

1.22.11 Commande en "SPLIT-RANGE" Textuellement, "SPLIT-RANGE" veut dire "échelle partagée". En fait, avec un tel système, le signal de sortie du régulateur peut commander deux organes de réglage (au minimum). Ce montage est utilisé : ¾ Lorsque la rangeabilité nécessaire pour une application donnée ne peut pas être obtenue avec une seule vanne.

Figure 82 Premier principe du « SPLIT-RANGE »

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¾ Lorsqu’il est nécessaire d’utiliser deux grandeurs réglantes ayant des effets opposés ou complémentaire sur le procédé.

Figure 83 Deuxième principe du « SPLIT-RANGE »

Exemple de SPLIT-RANGE à la Raffinerie : Soit un régulateur chargé de réguler la pression de tête d'une colonne de distillation. Pour ce faire, on peut agir sur un aéro à pâles variables et sur une vanne qui ouvre le circuit de tête vers le réseau fuel gaz de l'usine. Si la pression en tête de colonne dépasse le point de consigne, on agit tout d'abord sur l'incidence des pâles de l'aéro, la vanne reste fermée. Si, l'incidence des pâles de l'aéro étant maximale, la pression continue à monter, on agit alors sur l'ouverture de la vanne vers le réseau fuel gaz.

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Si le régulateur a un signal de sortie variant de 0 à 100%, les réglages peuvent être les suivants : 0% : Incidence minimale des pâles. Vanne fermée. 50%

100% :

:

-

Incidence maximale des pâles. Vanne fermée. incidence maximale des pâles. Vanne complètement ouverte.

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