Débitmètre cryogénique

Mesurer le débit de liquides cryogéniques comme l'azote liquide (LN₂) ou le gaz naturel liquéfié (GNL) est l'une des tâches les plus exigeantes dans l'instrumentation industrielle. Définis comme des liquides en dessous de -150°C (-238°F), ces fluides présentent un ensemble unique de défis qui peuvent entraîner la défaillance des débitmètres standards. Pour les applications où la précision et la sécurité sont non négociables, le débitmètre Coriolis massique est apparu comme la solution définitive.

Ce guide explique les défis de la mesure cryogénique, détaille la conception spécialisée des débitmètres Coriolis pour ces applications, et fournit des conseils essentiels d'installation.

Les Défis Uniques de la Mesure Cryogénique des Débits

Pourquoi si peu de débitmètres fonctionnent de manière fiable à ces températures ultra-basses ? Les raisons sont liées à la physique :

×  Saisie Mécanique : Les débitmètres à pièces mobiles sont particulièrement vulnérables à la défaillance. Le froid extrême peut entraîner la contraction, le blocage ou le gel des composants tels que les roulements dans un débitmètre à turbine ou les rotors dans un débitmètre à roues ovales, à cause de traces d'humidité, ce qui arrête complètement la mesure.

×  Fragilité des Matériaux : Les métaux standards et les élastomères deviennent fragiles et peuvent se fracturer lorsqu'ils sont exposés au froid extrême.

×  Vaporisation du Fluide : Les liquides cryogéniques se trouvent près de leur point d'ébullition. Toute chute de pression dans le débitmètre peut provoquer la vaporisation instantanée ou la "vaporisation", ce qui entraîne des lectures inexactes du débit en deux phases.

×  Changements Drastiques de Densité : La densité d'un liquide cryogénique change considérablement même avec un léger changement de température. Cela pose un problème majeur pour les débitmètres volumétriques (comme les turbines ou les débitmètres à zone variable), car leurs lectures peuvent devenir très inexactes.

Le Débitmètre Coriolis : La Solution Ultime pour les Applications Cryogéniques

Un débitmètre Coriolis massique est la technologie idéale car elle mesure directement la masse. La masse d'un fluide ne change pas, qu'il soit liquide ou gazeux. Ce principe fondamental rend sa mesure insensible aux variations de densité et de phase qui perturbent d'autres technologies.

Conçu pour l'Extrême : Caractéristiques Spéciales de Conception

Les débitmètres Coriolis pour service cryogénique ne sont pas des instruments standards ; ils sont conçus spécialement avec des caractéristiques adaptées pour supporter le froid extrême :

√  Matériaux Spécialisés : Les pièces en contact avec le fluide, en particulier les tubes de mesure, sont fabriquées en acier inoxydable de qualité spécifique (316L) qui maintient sa résistance et sa ductilité à des températures aussi basses que -200°C (-328°F).

√  Boîtier du Capteur Isolé sous Vide : Une caractéristique clé est la veste sous vide qui entoure le capteur. Elle agit comme une barrière thermique, empêchant la formation de glace et de givre sur l'extérieur du capteur. Cela garantit que les tubes vibrants ne se gèlent pas et peuvent osciller librement, ce qui est crucial pour une mesure précise. Cette isolation thermique efficace empêche la chaleur ambiante de pénétrer dans le fluide, minimisant ainsi la vaporisation indésirable et empêchant la formation d'une couche de glace épaisse sur le capteur, ce qui interférerait avec les vibrations nécessaires à la mesure.

√  Construction Résistante au Stress : L'ensemble du capteur est conçu pour supporter les contraintes thermiques causées par la contraction du métal pendant le processus de refroidissement.

√  Ces instruments avancés offrent plus que la mesure du débit massique. Ils affichent également la température en temps réel directement sur le débitmètre, fournissant ainsi une autre variable vitale sans nécessiter de capteur de température séparé.

Applications Clés Cryogéniques

• La précision et la fiabilité de ces débitmètres spécialisés les rendent essentiels pour une large gamme d'industries :
• Gaz industriels : Mesure de l'azote liquide (LN₂), de l'oxygène liquide (LOX), de l'argon liquide (Ar), et du CO₂ liquide pour la production, la distribution et l'utilisation dans les processus industriels.
• Énergie : Transfert de propriété et surveillance des processus du Gaz Naturel Liquéfié (GNL) et du Gaz de Pétrole Liquéfié (GPL).
• Aérospatiale : Mesure précise des propulseurs cryogéniques comme l'hydrogène liquide et le LOX.
• Alimentaire et médical : Dosage du LN₂ pour la surgélation dans l'industrie alimentaire et pour la cryopréservation dans les applications médicales.

Comment Installer un Débitmètre Coriolis Cryogénique

Une installation correcte est essentielle pour assurer la précision et la sécurité du débitmètre.

Position d'installation pour la mesure des gaz

1. Orientation et emplacement de montage :

Le débitmètre doit être installé à un point bas de la canalisation pour s'assurer qu'il reste plein de liquide et ne piège pas de bulles de gaz. Il est crucial d'installer le débitmètre de manière à ce que les tubes de mesure se vident d'eux-mêmes pour éviter que tout liquide piégé ne s'évapore et ne provoque des pics de pression lorsque la ligne se réchauffe. Consultez toujours le manuel du fabricant pour connaître l'orientation recommandée.

2. L'isolation est essentielle :

L'ensemble du boîtier du capteur et des tuyauteries adjacentes doivent être soigneusement isolés avec une isolation cryogénique de haute qualité (par exemple, mousse de polyuréthane, tuyauteries isolées sous vide). Cela maintient l'état liquide du fluide et assure la stabilité de la mesure.

3. Procédure de refroidissement contrôlée :

Ne jamais introduire brusquement un liquide cryogénique dans un débitmètre chaud. Cela peut provoquer un "choc thermique" endommageant le capteur. Le système doit être refroidi lentement et de manière contrôlée en introduisant progressivement le liquide ou le gaz froid.

4. Protéger l'électronique :

Assurez-vous que le transmetteur (le boîtier électronique) est monté de manière à le protéger du froid extrême. Les modèles cryogéniques disposent souvent d'un col prolongé entre le capteur et le transmetteur pour offrir un tampon thermique.

Vue d'ensemble des spécifications techniques

Débitmètre d'azote liquide (LN₂)

• Température minimale du fluide : -200°C (-328°F / 73K)
• Précision : Typiquement ±0.2% de la lecture ou mieux
• Matériau des pièces en contact avec le fluide : Acier inoxydable 316L, option avec alliage hastelloy C, hastelloy B, titane, tantale et alliage 20, etc.
• Pression maximale : Jusqu'à 1000 bar
• Sortie : 4-20mA, Pulsation, RS485/HART
• Approbations : Zone dangereuse approuvée ATEX
• Tailles : De 1/8” à 8” (DN4 à DN200)
• Affichage numérique pour afficher le débit massique du liquide cryogénique, le débit total, la température du liquide
• Tableau des plages de débit pour les débitmètres cryogéniques avec différentes tailles de capteurs

(DN)	(Inch)	Débit (kg/h)	Plage de débit (lb/h)
DN1	(~1 mm)	0 ~ 10	~ 0 ~ 22.0
DN2	(~2 mm)	0 ~ 70	~ 0 ~ 154.3
DN3	(~1/8")	0 ~ 150	~ 0 ~ 330.7
DN6	(~1/4")	0 ~ 200	~ 0 ~ 440.9
DN10	(~3/8")	0 ~ 1,500	~ 0 ~ 3,307
DN15	(~1/2")	0 ~ 3,000	~ 0 ~ 6,614
DN20	(~3/4")	0 ~ 7,000	~ 0 ~ 15,432
DN25	(~1")	0 ~ 13 000	~ 0 ~ 28,660
DN40	(~1.5")	0 ~ 22,000	~ 0 ~ 48,502
DN50	(~2")	0 ~ 33,000	~ 0 ~ 72,752
DN65	(~2.5")	0 ~ 60,000	~ 0 ~ 132,277
DN80	(~3")	0 ~ 100,000	~ 0 ~ 220,462
DN100	(~4")	0 ~ 160,000	~ 0 ~ 352,740
DN125	(~5")	0 ~ 230,000	~ 0 ~ 507,063
DN150	(~6")	0 ~ 300,000	~ 0 ~ 661,387

En combinant une conception robuste et spécialement adaptée avec un principe de mesure fondamental, le débitmètre Coriolis fournit la solution la plus précise et la plus fiable pour maîtriser les défis de la mesure cryogénique des débits.