Débimètre à effet Coriolis, Compteur massique Coriolis

Quel est le principe d’un débitmètre massique Coriolis ?

La plus ancienne description de ce principe est généralement attribuée au physicien et mathématicien français dont il porte aujourd'hui le nom, Gaspar Gustave de Coriolis (1792-1843). L'effet ne se produit que dans les systèmes en rotation, par exemple sur les manèges de foire ou sur notre planète, mais il ne doit pas être confondu avec la force centrifuge.

Bien que le terme "force de Coriolis" soit largement utilisé, il est souvent difficile de décrire cette force, et encore moins de l'expliquer. Son apparition doit toujours être observée lorsque le mouvement droit et l'action rotative se superposent dans un système.

Un exemple pratique est illustré à la figure 1 :

Une personne qui se tient immobile sur un plateau tournant n'a qu'à se pencher légèrement vers l'intérieur pour contrer la force centrifuge (à gauche). Une personne qui se déplace du centre de rotation vers le bord de la platine, cependant, rencontre une vitesse de rotation en constante augmentation et, à mesure que l'inertie entre en jeu, doit surmonter une force connue sous le nom de force de Coriolis. Cette force de Coriolis agit pour dévier la personne du chemin le plus court à travers la platine (tout droit le long du rayon).

Plus la personne est lourde, plus la vitesse de rotation est rapide, et plus la personne marche vite vers la circonférence ("flux de masse"), plus l'inertie est perceptible et plus l'effet de la force de Coriolis est puissant.

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

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

En savoir plus sur les débitmètres Coriolis

Comment fonctionne un débitmètre à effet Coriolis ?

Dans un débitmètre massique Coriolis (voir la figure 2), les particules de masse individuelles sont influencées de la même manière que le corps de la personne sur la platine de l'illustration ci-dessus. Le mouvement rotatif décrit ci-dessus qui génère la force de Coriolis est remplacé dans le débitmètre en excitant le tube de mesure pour qu'il oscille à sa fréquence de résonance.

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

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

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

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

Débitmètre à effet Coriolis massique ou électromagnétique ?

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

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

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

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

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

Pour en savoir plus sur le débitmètre électromagnétique.

Contraintes d’installation d’un débitmètre massique à effet Coriolis

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

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

Quelle maintenance pour un débitmètre massique à effet Coriolis ?

La maintenance de ces débitmètres est réduite. En effet, l’absence de pièce en mouvement simplifie considérablement les choses. Le nettoyage en place (NEP) et la stérilisation en place (SEP) est possible. Avec la technologie Heartbeat, les appareils s’autocontrôlent en permanence. Elle vous permet également d’effectuer des diagnostics et des contrôles de bon fonctionnement à la demande pour vos opérations de maintenance préventive . Afin de s’assurer de la précision de la mesure dans le temps, les débitmètres peuvent être étalonnés sur un banc d’étalonnage, en laboratoire ou sur site.

Dans quelles conditions la mesure est-elle affectée par le gaz dans le fluide?

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

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

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