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TECHNIQUES DE MESURES INDUSTRIELLES

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

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

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GENERALITES SUR LES CAPTEURS a. Définitions et caractéristiques générales 

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

•

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

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

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•

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

• Capteurs passifs :

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

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

Capteurs Actifs :

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•

Effet Thermoélectrique :

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

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

•

Effet Pyroélectrique :

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

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•

Effet Photoémissif :

•

Effet Photovoltaïque :

•

Effet Photo-électromagnétique :

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

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

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•

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

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

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•

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

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•

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

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

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

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Capteurs Passifs :

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

Capteurs Passifs :

•

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

•



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

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•

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

•

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

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

Corps d'épreuve - Capteurs Composites

Exemples: Jauge de contrainte, Détecteur gamma

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Exemples de corps d’épreuve

•

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

•

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

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

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Exemples de corps d’épreuve x

x

x

P Membrane plane encastrée

P Membrane ondulée

P Capsule manométrique fermée

x

P Capsule manométrique ouverte

x x

x

P Tube de Bourdon

x

P Piston agissant sur un matériau piézo électrique

x

P Soufflet

P Capsule manométrique ouverte

α

x

x r

P Capsule biconique " Diabolo "

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r

P Tube borgne

P Tube vrillé

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P Tube hélicoide

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P Piston avec ressort ou étrier

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•

Capteurs intégrés

Exemples : jauges extensométriques, photocapacités

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

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∆X

∆α

∆R

∆X

∆X

∆R

R Fils tendus

Jauge métallique collée

∆α

∆R

∆X

R

∆R

∆X X

∆X

∆X Amplification mécanique d'un déplacement

∆X

Variation de résistance

F

Q

Bilame piézo-électrique

∆X

Q

Rondelles piézo-électriques P

F

∆X

Variation relative de résistance

Variation de résistance

∆X

Q

∆M

Noyau

Diélectrique P ∆X

Q

∆V

∆X

V

∆V Q

∆X Variation de charge électrique

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Variation de charge électrique

Variation de charge électrique

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Transformateur différentiel

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∆X

∆f

∆M

F

E ∆f

∆M

∆E

Rayons lumineux

∆X Corde ou lame vibrante ∆X ∆Q

∆t

∆X

Récepteur photo-électrique

F

Matériau à biréfringence modifiable Variation de polarisation

F Variation de perméabilite magnétique ∆X ∆t

∆P

∆X

∆X

Volet mobile

Rayons lumineux

∆X

∆R

Variation de lumière ∆F ∆i

R

Jauges à film deposé sous vide

∆t = k∆X

∆ i ou ∆ R

∆X

Récepteur photo-électrique F

Magnéto-électricité F

∆ i ou ∆ R

∆X

Piézo-transistor à effet de champ

Jauges diffusées dans une membrane de silicium

N

P

P

P

N

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

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Emetteur d'ultra-sons Variation de durée

Variation de résistivité

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Variation d'intensité d'un courant

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∆

∆X

L

ρ

∆R R

∆X

∆X

∆R

∆C

∆X

∆L

Magnétorésistance

∆X ∆X

∆X

∆X

∆X Semi-conducteur ( Jauge piezo résistive )

N

S

E

∆E

∆X

Variation de résistivité 01/04/2014

Variation de résistance IAP-CU/Boumerdes R. BOUDERBALA

Variation de capacité Msc.

Variation d'inductance 22

• Capteurs intelligents

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Transmetteurs

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Transmetteur de température

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

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

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

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

Paramétrage d'un transmetteur

Transmetteur de pression

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 Raccordement électrique Trois types de transmetteur :

• • •

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

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Fig.1 Transmetteur 4 fils

Fig.2 Transmetteur 3 fils

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Fig.3 Transmetteur 2 fils

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 Schéma de principe d'une boucle de courant

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

Boucle de courant

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 Mise en oeuvre pratique

Exemple de câblage - Boucle de régulation de débit

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 Mise en • • • • • • •

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oeuvre pratique

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

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

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

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 Structure

d'un transmetteur "intelligent "

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

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• Le module de communication permet : • •

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

• Le microcontrôleur permet : • •

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

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

•

• • • •

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

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

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

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

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

•

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

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• Températures •

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

•

•

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

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

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•

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

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

• • • •

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

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

exerce par unité de surface, perpendiculairement à cette surface.

Pression= Force ⇒P= F Surface A

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Exemple de pressions exercées

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

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 Pression statique :

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

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 Pression Statique:

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

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 Pression totale PT

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

Unités de mesure

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

P= ρgh

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

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 Les unités de pression

• • • • • •

• • •

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

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

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Généralités et définitions

 Principe de Pascal

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

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 Principe

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de Pascal- exemple

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

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

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

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

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

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

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

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

•

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

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

Pression relative :

•

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

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

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

Pression différentielle :

• C’est la différence entre deux pressions quelconques.

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

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

La mesure de la pression

Objectif :

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

• Le fonctionnement de la plupart des manomètres

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

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

Tube Boudon Membranes Soufflets Capsules manométriques.

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Choix des manomètres Le choix se base sur :

• Les principes de fonctionnement • L’étendue de mesure

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

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1. Manomètres hydrostatiques ou tube en U à lecture directe

• •

À section uniforme À réservoir (sections inégales)

2. Manomètres hydrostatiques à lecture indirecte

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

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

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Manomètres hydrostatiques

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



Manomètres à liquide

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

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

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

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 Manomètres

en U

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

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

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

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 Manomètres en U •

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

 L’eau est souvent utilisée comme fluide de

•

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référence

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

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

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

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

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

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Avantages des manomètres en U:

• Les manomètres sont des instruments •

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

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

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Désavantage des manomètres en U:

• Deux lectures (h1 et h2) sont

nécessaires pour obtenir la pression

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

Manomètres hydrostatiques à lecture directe

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

Manomètres hydrostatiques à lecture indirecte

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 Manomètre

à puits

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

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

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(

ρs >> 0)

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 Manomètre

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incliné

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 Manomètre

incliné

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

∆P = ∆hgρ = RgρSing

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Msc.

85

 Baromètre

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

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

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86

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

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87



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

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88

Manomètre Bourdon

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Manomètre Bourdon  Manomètre Bourdon

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

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90

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

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Manomètre Bourdon  Utilisation

• • •

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

Fluides ni hautement visqueux ni cristallisant

• Mesure de très basses pressions.

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92

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

• •

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

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93

Attention:

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

• • • •

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

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94

Manomètre Bourdon

• •

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

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

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95

Manomètre Bourdon

•

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

•

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

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 Avantages et • Avantages : •

inconvénients

précision, domaine d’emploi.

Inconvénients :

prix, complexité.

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

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Tube de bourdon en spirale

• Utilisé dans les

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

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Soufflets (Bellows)

• Elément sensible

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

 Imprécision = ± 0.5 %

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100

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101

Manomètres à membrane

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102

Manomètres à membrane Manomètres à

membrane

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

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103

Manomètres à membrane  Manomètres

membrane

à

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

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104

Manomètres à membrane

 Principe • •

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

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105



Manomètres à membrane

 Utilisation • • • •

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

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106

• • • • •

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

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107

Capsules aneroide  Variante de la membrane

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Manomètre à capsule

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Manomètre à capsule  Manomètre à capsule

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

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110

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

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Manomètre à capsule

 Principe •

• • 01/04/2014

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

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112

 Utilisation • • • • •

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

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113

Manomètre de Pression absolue

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114

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

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115

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

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116

 •

•

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

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

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117

Manomètres pour Pression Différentielle

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118

Manomètres pour pression différentielle Manomètres pour pression différentielle Fonctionnement

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

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Msc.

119

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

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120

Manomètre pour pression différentielle

 Utilisation •

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



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

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Msc.

122



Transducteurs de pression différentielle

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123



Fonctionnement:

• Une capsule à pression différentielle est montée dans un

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

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124



Application:

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125

Installation de manomètre  Connexion sur une conduite

Créé des turbulences

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126

Installation de manomètre  Robinet d’isolation/calibration

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127



Installation de manomètre

 Raccordement

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

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128

Installation de manomètre

Protection des manomètres

•Installation d’une

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

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Msc.

129



Installation de manomètre

Protection des

manomètres

•Système de purge

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

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130

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

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131

Installation de manomètre

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

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132



Configurations typiques

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133



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Configurations typiques

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134



Configurations typiques

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Msc.

135



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Configurations typiques

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136



Les effets de l’environnement

• Ces appareils sont très précis lorsqu’ils sont

•

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

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137



• •

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

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138



•



La température

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

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139



L’humidité

• Les masses volumiques dépassant la normale

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

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140

 

CONDITIONS DE FONTIONNEMENT Domaines d'Utilisation

Une mauvaise utilisation d'un capteur peut soit

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

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142

•

Domaine nominal d’emploi

•

Domaine de non détérioration

•

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

Domaine de non destruction

Modification des caractéristiques métrologiques, mais irreversibles.

peut

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être réutilisé après réétalonnage

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143

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

Domaine Température

Mesurande

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

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0°C à -20°C -50°C

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144



Défaillances et anomalies

Surpressions

• •

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

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145

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

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

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146

• Les tubes Bourdon sont très robustes et

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

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147

Conduites de détection défectueuses

• •

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

• Un manomètre au bout d’une conduite de détection

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

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148

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

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150

TECHNIQUES DE MESURES 

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

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

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

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151



  

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

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152



Statique (sortie analogique seulement)

      

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

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

Contrôleur de circulation



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

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

Caractéristiques

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

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155



Débit volumique:

 

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

•



•

Débit massique:

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

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Dynamique des fluides  Il existe deux classes de fluide:

 

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

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

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158

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

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

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161

Les pertes de charge



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

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

 Ce frottement dépend de la viscosité du liquide.

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162



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

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164



Rotametre

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

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165



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

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

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 Le débit est obtenu par:

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 Définition des variables

• • • • • • •

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

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 Bilan • • • • • • • • •

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

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 



Débitmètres mécaniques

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

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



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

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

Compteurs volumétriques

 Plusieurs techniques possibles: • • • • • •

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

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 Compteurs à piston oscillant

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

Bilan:

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

Débit max.: 40 m3/h

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

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 Compteurs à disque oscillant

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

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 Compteurs

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à double roue ovale

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

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 Compteurs

à double roue en huit

Débit max.:

1500 m3/h;

Rangeabilité 

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10:1.

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 Compteurs

à palette

 Précision: +/- 0.3 %

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 Bilan:

• Généralement montés sur des conduites • • • •

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

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

Compteurs volumétriques

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

Compteurs volumétriques

Débit important 01/04/2014

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Les débitmètres à turbine

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

Les débitmètres à turbine

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

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



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

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

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

Débitmètres à turbine

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

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DETECTION

Dans le lecteur à Reluctance, la bobine est un

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

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DETECTION

Dans le lecteur à inductance, l'aimant permanent

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

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

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

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

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

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

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

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

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203

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

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

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PERFORMANCE CHARACTERISTICS

Effet des tourbillons 

 





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

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

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Exactitude de la turbine

• L'exactitude • • •

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

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Caractéristique de la turbine Courbe d'étalonnage typique

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•

•

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

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

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

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

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

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•

La Viscosité du Fluide

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

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

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

• Le contraire, pour les gaz.

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

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

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

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

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A pressure drop across a meter stream

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INTEGRITE DES IMPULSIONS

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

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• • • •

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

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• • • •

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

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•

Généralement, les turbines fonctionnent bien si:

•

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

• •

• Re >4,000 et Re≤20,000.



doit être compenser ou contrôler. Gamme de température de service :200 à 450°C (-328 à 840°F). Les changements de la densité n'affectent pas considérablement la turbine . A une faible densité de fluides (SG