Matériaux et conception des électrodes des compteurs magnétiques pour la mesure des liquides
conception d'un débitmètre magnétique liquide
L'électrode traverse généralement le revêtement intérieur de la canalisation et entre en contact avec le liquide. Il s'agit généralement d'un boulon à tête sphérique traversant le revêtement intérieur et relié au boulon par un câble électrique. En raison du contact entre les électrodes et les liquides, les matériaux utilisés doivent être soigneusement sélectionnés. Parmi les matériaux utilisés, on trouve l'acier inoxydable non magnétique (liquides corrosifs), l'alliage platine-iridium, le Monel, le tantale, le titane, le zirconium (pour les liquides corrosifs) et l'Hastelloy-C. L'acier inoxydable est également recommandé pour la mesure des boues, ainsi que pour les combinaisons revêtement céramique-électrode.
Électrodes pour débitmètre magnétique dans l'industrie de la pâte à papier
Dans les applications de pâte à papier et autres, le papier ou d'autres matériaux peuvent entrer en collision avec les électrodes et provoquer du bruit. Selon un fabricant, recouvrir les électrodes de céramique poreuse pourrait réduire cet effet.
Des débitmètres à boues sont nécessaires. En raison du contact entre les électrodes et les liquides, diverses méthodes ont été utilisées pour les nettoyer. Parmi celles-ci :
• Essuyage (un grattoir ou une brosse peut passer au centre de l’électrode pour essuyer la surface) (Rose et Vass, 1995) ;
• Fusion (déconnexion d’autres connexions électroniques et élimination des dépôts sur la surface de l’électrode avec un courant suffisamment important) ;
• Nettoyage par ultrasons (utilisation d’ondes ultrasonores pour faire vibrer les électrodes et provoquer une cavitation locale afin d’atteindre des objectifs de nettoyage) ;
• Électrodes mobiles ;
• Électrodes en forme de balle.
La méthode de sélection d'électrodes propres doit être déterminée en fonction des caractéristiques du sédiment. Dans de nombreux cas, les électrodes ont tendance à s'auto-nettoyer : lorsque le fluide les traverse, le sédiment est restreint et la conductivité du revêtement de la surface interne de l'instrument peut être inférieure à celle de la plupart des liquides. Dans les systèmes CC modernes, l'impédance d'entrée peut être suffisamment élevée pour ignorer l'influence du sédiment. Cependant, une impédance élevée peut entraîner un bruit thermique dans le signal de l'électrode. Ainsi, même si une impédance élevée signifie l'absence d'erreur systématique, la répétabilité de l'instrument diminue.
Un champ magnétique est généralement généré par un ensemble de bobines et de culasses magnétiques empilées. Sa consommation électrique typique, autrefois de 10 à 100 W, peut désormais descendre jusqu'à 0,5 W. Grâce à l'utilisation de batteries longue durée, la consommation minimale peut être bien inférieure à 0,5 W.
L'utilisation d'une excitation alternative génère un signal d'inductance mutuelle dû à la variation du champ magnétique dans la boucle formée par la combinaison d'un fil d'électrode et d'un fluide. La figure 7 illustre un fil mal configuré et la zone résultante liée à la variation du flux magnétique. Cette zone n'a pas besoin d'être très étendue pour générer un signal comparable à celui d'un feu de circulation. Son signal est orthogonal (avec un déphasage de 90° par rapport au signal de flux), soit une tension orthogonale d'environ 2πfBA.
Parmi elles, f est la fréquence, B l'intensité de l'induction magnétique et A l'aire de la boucle d'action projetée dans la direction du champ magnétique. Par exemple, si f est de 50 Hz, B de 0,02 T et A de 1 cm², la tension orthogonale est d'environ 0,6 mV. Cependant, le signal généré par un déplacement à une vitesse de 5 m/s dans une canalisation de 0,1 m de diamètre est de 10 mV. L'angle de phase de la tension orthogonale dévie de 90 ° et est consommé sous forme de pertes fer dans le circuit magnétique, ce qui ne peut être réduit ni par la conception mécanique ni par les circuits électroniques. L'utilisation d'une excitation CC peut résoudre ce problème en mesurant directement le signal de débit lorsque le champ magnétique reste constant pendant un certain temps. Cependant, d'autres problèmes nécessitent une tension élevée pour surmonter rapidement l'inductance de la bobine et établir un champ magnétique, puis maintenir la stabilité pour la mesure du débit.
L'installation d'un composant ne doit pas entraîner de surpression dans la canalisation et il faut s'assurer que celle-ci est bien remplie de liquide. En règle générale, lors de l'installation de la section de conduite de mesure, le raccordement de l'électrode doit être horizontal afin d'éviter tout court-circuit lors de l'apparition de bulles en partie supérieure de la canalisation.
La plupart des tubes de mesure sont en acier inoxydable, laissant passer les champs magnétiques. La pression maximale supportée par le capteur est de 1 000 bars.
La conception doit également inclure des options d’utilisation dans des environnements difficiles et dangereux.
Figure 6 : Bobine de champ magnétique et culasse
Figure 7 : Relation entre le champ magnétique et les fils de signal
Transmetteurs de débitmètre Mangetic (composant secondaire)
Transmetteurs de débitmètres électromagnétiques
De nos jours, de nombreux types de transmetteurs de débit électromagnétiques permettent d'assurer les fonctions requises par
les débitmètres numériques . Le type de communication le plus durable est celui de 50 Hz ou 60 Hz. En effet, l'alimentation principale étant de 50 Hz ou 60 Hz, à cette fréquence, le champ magnétique et les signaux de débit sont également puissants. Cependant, certaines nouvelles conceptions courantes utilisent des ondes carrées basse fréquence avec différents modes, ce qui atténue le signal orthogonal avant la collecte du signal de débit. Le type d'excitation par onde carrée (excitation CC) mentionné ici peut porter des noms différents selon le fabricant (Brobeil et al., 1993). Le terme « type CC » doit être utilisé avec prudence, car les premiers instruments utilisaient le type CC, mais sans succès. En conception CC, l'intensité du champ magnétique est relativement faible, mais le bruit électronique et les effets électromécaniques dans la boue sont les mêmes qu'en conception CA. Par conséquent, les instruments CC les plus récents seront dotés d'un module d'alimentation haute puissance spécial pour résoudre ce problème.
Bonfig et al. (1975) ont décrit l'une des premières conceptions CC réussies, appelée champ CC clé. Hafner (1985) a décrit un autre système appelé CC commuté, qui présente des fonctions telles que la réduction du bruit (blindage actif et passif), l'activité électrochimique, la mise à zéro périodique de l'amplificateur, l'échantillonnage de signaux multiples, une fréquence d'acquisition plus élevée (jusqu'à 123 Hz), le filtrage numérique et l'utilisation de circuits d'analyse du bruit d'écoulement. L'utilisation d'une faible consommation d'énergie dans la conception (réduite à 1,5 W, avec une taille et un poids réduits) répond aux exigences de sécurité inhérente et d'alimentation par batterie. Le contrôle par microprocesseur offre également une autodétection, une compensation de température, des outils primaires et secondaires interchangeables et des fonctions interactives. De plus, l'électrode assure également des fonctions de mise à la terre et d'inspection des tubes d'air. Herzog et al. (1993) ont étudié des conceptions CC commutées avec un point de référence électronique en un cycle et ont discuté de l'utilisation d'une troisième électrode dans les canalisations partiellement pleines.
Figure 8 : Schéma du circuit de conversion du système CA
Le signal de sortie est généralement compris entre 0 et 10 mA ou 4 et 20 mA. Deux ou trois boutons de réglage permettent de mesurer la plage complète de débits de fluides compris entre 1 et 10 m/s. Aujourd'hui, ces boutons sont remplacés par la technologie des microprocesseurs. Grâce à des instruments intelligents permettant d'ajuster automatiquement la plage du signal de sortie, le capteur dispose d'une fonction de transmission numérique et d'une portée étendue.
La figure 8 présente un schéma fonctionnel typique d'un circuit CA. Le démodulateur élimine la tension orthogonale via le signal de référence, et le circuit CA obtient le rapport entre le signal de flux et le signal de référence.
Le schéma fonctionnel de la figure 9 (a) illustre une méthode courante utilisée dans les systèmes CC. Comme le montre la figure 9 (b), l'échantillonnage aux instants τn, τn+1 et τn+2 amplifie la dérive de la ligne de base du signal carré due à des effets électrochimiques et autres. Il est donc logique d'utiliser trois points d'échantillonnage.
Une dérive du zéro peut apparaître sur certains instruments, mais elle est généralement faible. Elle peut être due à l'incapacité à supprimer complètement les tensions inattendues, en particulier les tensions orthogonales. Bien que la méthode de coupure soit adoptée à faible débit, le système CC prétend résoudre le problème de dérive du zéro pour le moment, mais cela est difficile à confirmer. La coupure à faible trafic est généralement limitée à 1 % de la plage limite supérieure (Ginesi et Annarummo, 1994), voire moins.
L'incertitude globale du convertisseur est de 0,2 % pour une large gamme de tensions principales, de signaux orthogonaux, de fluctuations de température, etc. Il peut également mesurer des signaux de micro-débit avec une faible précision.
Figure 9 : Schéma du circuit émetteur pour système CC
(a) Route; (b) Signal de mesure
Les convertisseurs de débitmètres magnétiques commerciaux fourniront :
- Le temps de réponse de l'instruction est de 0,1 s ;
- Rapport de portée : maximum 1000:1 ;
- Plage de débit : intervalle de 0,005 à 113 000 m³/h ;
- Volume de surintensité d'impulsion unitaire : 0,01~10 L/impulsion.
Les caractéristiques fournies par le fabricant comprennent :
- Des câbles biphasés à sécurité inhérente sont utilisés pour l'alimentation électrique et la transmission des signaux des capteurs ;
- Réaliser la transmission de signaux numériques en modulant des signaux analogiques via la communication ;
- Protection entre composants, protection IP65 pour les convertisseurs ;
- La double fréquence (voir figure 10) est bénéfique pour les hautes et basses fréquences : le traitement des signaux séparément avant la fusion des fréquences entraînera une faible stabilité du flux et un faible bruit ;
Figure 10 : Schéma de principe d'un circuit de travail à double fréquence
(référence autorisée par Yokogawa Europe BV)
- Transmission sans interférence ;
- Auto-vérification ou augmentation des données de détection ;
- Détecteur de trafic aérien, utilisant des électrodes pour détecter l'état du trafic aérien et déclencher une alarme (Ginesi et Annarummo, 1994) ;
- Électrode de mise à la terre ;
- Détection de contamination de l'électrode principale ;
- Mesurer le fluide bidirectionnel à l'aide de circuits appropriés ;
- Réglage automatique de la portée.
Les circuits intégrés spécifiques à une application (ASIC) peuvent fournir des fonctions telles que des systèmes d'inspection automatique pour détecter le flux inverse du fluide et d'autres défauts, des alarmes, une double plage et certaines communications d'interface (Vass, 1996).
Étalonnage et fonctionnement du débitmètre magnétique
Atelier d'étalonnage des débitmètres électromagnétiques de la série SHD
En raison des différences entre les instruments lors de la fabrication des débitmètres, les débitmètres électromagnétiques doivent être étalonnés, généralement par le fabricant. Par exemple, un fabricant de débitmètre magnétique fournit un instrument standard avec 13 points d'étalonnage, communément appelé étalonnage humide. L'étalonnage à sec désigne l'étalonnage des débitmètres électromagnétiques par la mesure des champs magnétiques afin d'obtenir des signaux de fluide. La relation entre le champ magnétique en un point spécifique et toutes les plages de l'instrument n'est pas aussi simple que l'équation (12.2), ce qui signifie que tout étalonnage à sec actuel doit être traité avec prudence.
Le fonctionnement du débitmètre électromagnétique ne doit pas être affecté par la conductivité du fluide. Cette conductivité doit donc être uniforme sur toute la surface du débitmètre. En supposant que la conductivité soit suffisamment élevée pour que l'impédance de sortie du composant primaire soit inférieure d'au moins deux ordres de grandeur à l'impédance d'entrée du composant secondaire, des variations importantes de conductivité peuvent entraîner des erreurs de point zéro sur les débitmètres électromagnétiques CA. Bien que certains pensent que le débitmètre CC à impulsions n'est pas affecté par les variations de conductivité au-delà d'un certain seuil (Ginesi et Annarummo, 1994), un fabricant défend un point de vue opposé, estimant que le débitmètre CA devrait être utilisé pour mesurer les écoulements bidirectionnels, les boues, les fluides à faible conductivité et les écoulements non uniformes à conductivité variable. Quoi qu'il en soit, le développement continu du débitmètre CC garantira sa compatibilité avec les situations décrites ci-dessus.
L'impédance de sortie d'un composant peut être exprimée approximativement comme
R≈1/dσ（Ω）
Où d est le diamètre de l'électrode et σ est la conductivité.
L'impédance typique d'un instrument avec un diamètre d'électrode de 0,01 m peut être obtenue à partir de l'équation (3), comme indiqué dans le tableau 2.
|
Table2
Output resistance of instrument measuring tube
with electrode diameter of 0.01m
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Liquid conductivity
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Resistance
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S/m
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μS/ cm
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Ω
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The best electrolyte
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About 10²
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About 10⁶
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1
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Seawater
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About 4
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About 4×10⁴
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25
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Tap-water
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About 10⁻²
|
About 10²
|
10000
|
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Pure water
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4×10⁻⁶
|
4×10⁻²
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25 000 000
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Un composant secondaire typique avec une impédance d'entrée de 20 × 10⁶/Ω peut égaler la conductivité des trois premiers fluides du tableau 2, mais pas celle du dernier. Les fabricants limitent la valeur minimale de conductivité pour des instruments de taille spécifique. Par exemple, pour des électrodes d'un diamètre de 25 à 100 mm, une conductivité aussi faible que 20 μS/cm est acceptable, mais au moins un fabricant peut proposer une réduction de conductivité de 0,05 μS/cm.
En raison de la perturbation de la continuité électrique et de l'uniformité de la conductivité, ainsi que de l'incertitude de l'objet mesuré, la présence de gaz dans le fluide peut entraîner des erreurs. Les débitmètres doivent fonctionner dans des conditions permettant d'ignorer ces facteurs.
Le débitmètre magnétique mesure le débit de l'eau de mer
Où est utilisé le débitmètre électromagnétique ?
Les débitmètres électromagnétiques sont largement utilisés pour la mesure du débit des liquides. Ils conviennent parfaitement à tout liquide conducteur et sont presque toujours performants. Un expert industriel a déclaré un jour que le seul problème qu'il avait rencontré concernait la mesure de sucre en poudre cristallisé, et que l'échec pouvait être dû à des problèmes de fluide ou à une incompatibilité. S'ils sont utilisés pour mesurer des écoulements diphasiques ou polyphasiques, où les composants continus doivent être conducteurs, le signal est généré par la vitesse de ce composant. S'ils sont appliqués aux métaux liquides, leurs principes physiques deviennent plus complexes.
Le débitmètre électromagnétique est parfaitement adapté à tout liquide conducteur
Les applications des débitmètres électromagnétiques incluent les fluides visqueux, les produits chimiques corrosifs, les boues abrasives et les fluides de fonctionnement avec fonctions de démarrage et d'arrêt. Cependant, le tube de mesure doit être plein (certains fabricants proposent des modèles permettant de mesurer un débit non plein) et les électrodes ne doivent pas être court-circuitées par des bulles (Ginesi et Annarummo, 1994). Si possible, la conduite de mesure doit alors s'écouler vers le haut. S'il s'agit d'une conduite horizontale, l'électrode doit être orientée dans le sens du diamètre horizontal. Si l'instrument est installé plus bas dans la conduite, il faut surveiller l'adhérence de boues ou d'autres fluides aux électrodes. Les accessoires ont une conductivité différente de celle du fluide et peuvent former une couche partiellement conductrice modifiant le diamètre interne et la longueur de l'instrument. Si la vitesse de l'instrument est maintenue au-dessus de 2 à 3 m/s, le risque de sédimentation diminue. Des électrodes coniques peuvent également réduire la sédimentation et des systèmes de nettoyage des électrodes peuvent être utilisés. Les fluides non newtoniens peuvent altérer la réponse. Les boues résistantes à l'usure peuvent entraîner une usure du revêtement au niveau des coudes des canalisations, et la protection des canalisations peut réduire cette usure. Le fluide utilisé pour le nettoyage doit être compatible avec le fluide de travail. Les additifs peuvent également entraîner une conductivité irrégulière.
Le débitmètre magnétique mesure un liquide corrosif La technologie d'incitation à la communication s'est à nouveau avérée adaptée à la mesure de l'application de boues chargées de gaz. Ces boues sont irrégulières, contiennent une grande quantité de particules solides de taille irrégulière ou ont tendance à former des grumeaux, et sont accompagnées d'un écoulement pulsé. Environ 15 % des écoulements industriels présentent cette situation, notamment dans les industries de la pâte et du mortier. Dans ces applications, la technologie à impulsions CC est progressivement devenue un choix important pour remplacer la technologie CA.
Le nouveau débitmètre éliminera les effets des interférences radioélectriques (RFI). Conformément aux instructions du fabricant, les câbles de signal doivent être blindés et mis à la terre. Rose et Vass (1995) ont étudié l'application de la technologie des débitmètres électromagnétiques à des procédés industriels plus complexes :
Chimique:
· solution acide,
alcaline ,
polymère , lotion et caoutchouc
Pharmaceutique:
· revêtement par pulvérisation, assaisonnement, produits médicaux et de santé
Exploitation minière et minérale :
· boue de minerai de fer, pyrite, magnétite, pyrite, cuivre, alumine
Nourriture et boissons :
· bière, soda, dentifrice, lait, glace, sucre,
jus Eau et déchets :
· eau,
eaux usées , eaux d'égout, boues, sucs digestifs
Débit des eaux usées mesuré par débitmètre magnétique
Pâte et papier :
· liquides noirs et blancs, matières premières brunes, produits chimiques de blanchiment, additifs
Usine de traitement du combustible nucléaire :
·fluides radioactifs et non radioactifs (Finlayson, 1992)
Les rapports de littérature récents sur les applications comprennent :
·Peut être utilisé pour traiter les problèmes d’écoulement du plomb-bismuth liquide (Kondo et Takahashi, 2005) ;
·Surveiller les performances de la pompe (Anon, 2002) ;
·Mesure du débit de boue à l’aide d’électrodes capacitives (Okada et al., 2003) ;
·Surveillance des eaux usées (Kwietniewski et Mizstka Kruk, 2005) ;
·Élimination continue des déchets : tuyaux de raffinage, tuyaux de soufflage et tuyaux de recyclage (Okada et Nishimura, 2000) ;
·Écoulement de forage (Arnold et Molz, 2000);
·Mesure de précision de la production d’alkylat et d’acide sulfurique (Dunn et al., 2003).
Pour cette liste, il peut également être nécessaire d'ajouter des scories, du ciment, des boues (abrasives), des réactifs de charge de four et des applications spéciales telles que la vitesse ultra-basse, le transport transactionnel, les liquides avec traçage à la vapeur, les fluides de haut fourneau, le dosage et les liquides corrosifs.
Dans des conditions de mesure à haute fréquence (120 mesures par seconde), les débitmètres AC peuvent mesurer le débit d'impulsion des pompes.
Certains fabricants proposent des débitmètres électromagnétiques de 2 à 25 mm pour mesurer le lait. Ils proposent également des instruments de taille spécifique pour les produits d'hygiène et les produits chimiques courants, utilisables dans des processus de production de masse à grande vitesse avec un taux de répétabilité allant jusqu'à 0,2 %.
Quels sont les avantages de l’utilisation de débitmètres électromagnétiques ?
1. La théorie suggère que la réponse des débitmètres électromagnétiques est linéaire (hormis l'influence des différentes distributions de vitesse d'écoulement), et que la seule raison pour laquelle l'instrument ne peut pas afficher le débit nul est la dérive du zéro. Cet instrument est l'un des rares à pouvoir assurer une telle fonction, mais il a également été jugé injustement car une dérive du zéro peut encore être observée. Les conceptions modernes utilisent souvent une troncature de plage de débit faible pour éviter ce problème.
2. Un débit ininterrompu est le plus précieux, en particulier lorsque le fluide contient des solides ou lorsque le passage à travers des obstacles peut endommager le canal d'écoulement.
Débitmètre magnétique La conception à passage intégral garantit un débit imparable
3. Il n'y a pas de pièces mobiles.
4. La sensibilité des composants des tuyaux en amont est comparable à celle des autres débitmètres, mais plus faible que celle des débitmètres volumétriques,
des débitmètres Coriolis ou
des débitmètres à ultrasons avec deux faisceaux sonores ou plus.
Quels sont les inconvénients de l’utilisation de débitmètres électromagnétiques ?
Son principal inconvénient est sa limitation à la mesure des liquides conducteurs. Bien que le laboratoire dispose de modèles pour les liquides non conducteurs (huile de transformateur ou diesel), seuls un ou deux modèles commerciaux ont été testés dans ce domaine.
Pendant un temps, certains ont cru que la sensibilité aux perturbations en amont était une faiblesse, mais cela pourrait être l'un de ses atouts. Comparés aux débitmètres électromagnétiques, seuls quelques débitmètres sont moins affectés par la distribution de la vitesse d'écoulement en amont pendant leur fonctionnement. Un autre inconvénient fréquemment mentionné est la dérive du zéro, car les premiers modèles produisaient des erreurs importantes à des débits extrêmement faibles. Il convient de noter qu'aucun débitmètre ne peut être utilisé en dehors de la plage de mesure ou à des débits inférieurs à la plage de mesure. En fait, au moins un débitmètre électromagnétique commercial revendique un rapport de plage de mesure de 1 000:1.
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