Amélioration de la précision des capteurs de fluides pour la mesure précise des processus industriels

Démarrez votre voiture, remplissez un verre d'eau du robinet, ou mélangez de l'huile de cuisson dans votre pâte à brownies, et vous utilisez un liquide qui a été soigneusement extrait, traité et évalué pour sa qualité. La réflexion et la technologie considérables qui entrent dans la fabrication de tels fluides utilisables par les consommateurs sont souvent hors de vue, mais nécessitent une mesure et une surveillance précises.

Lors du traitement de produits pharmaceutiques, comment savoir si un fluide est de haute qualité ? Si vous travaillez avec du pétrole brut, comment savez-vous combien vous en extrayez ? Si vous transportez de l'eau, comment connaissez-vous le débit ?

Des questions comme celles-ci, qui impactent la confiance et les résultats financiers des entreprises d'eau, d'alimentation, de sciences de la vie et de pétrole et gaz, sont abordées par les fabricants de débitmètres installés dans les pipelines et autres équipements. Chez Endress+Hauser, les équipes de développement de produits travaillent à développer et maintenir des capteurs précis pour une variété de substances qui nécessitent différentes méthodes de mesure.

Mesure des forces de Coriolis

Pour déterminer les propriétés d'un fluide circulant dans un tuyau, les capteurs conçus chez Endress+Hauser mesurent les effets de la force de Coriolis dans un dispositif inséré dans le pipeline constitué d'un ou plusieurs tubes de mesure oscillants.

Le tube est excité avant l'entrée de tout fluide dans le dispositif. Lorsqu'un fluide au repos remplit le dispositif, le tube oscille uniformément. Dès que le fluide commence à circuler à travers le tube oscillant, le fluide commence à exercer une force sur ses parois. L'oscillation du tube de mesure est vue comme une rotation autour d'un axe par les particules de fluide. Puisque les particules de fluide se déplacent dans un référentiel en mouvement, elles subissent une force d'inertie agissant perpendiculairement à leur direction de mouvement et à l'axe de rotation — la force de Coriolis. Puisque la vitesse d'écoulement par rapport à l'axe de rotation a des directions opposées dans les sections d'entrée et de sortie, les forces induites agissent pour dévier le tube de manière asymétrique, causant un déphasage ou un retard temporel le long du tube.

Différentes sections du tube commencent à osciller avec un retard temporel ou un déphasage causé par la composante de torsion dans le mouvement du tuyau. Ce déphasage et la nouvelle fréquence d'oscillation du tube sont une fonction du débit massique dans les tubes et de la densité du fluide, respectivement. Ainsi, les signaux du débitmètre peuvent être interprétés pour mesurer le débit massique ou volumique et s'assurer que la quantité désirée de fluide est transportée.

De même, une augmentation de la viscosité du fluide entraîne une augmentation de l'amortissement des oscillations. La fréquence d'oscillation est principalement une mesure directe de la densité du fluide. Par exemple, les oscillations seront plus rapides mais plus amorties avec une substance comme l'huile (densité plus faible et viscosité plus élevée) qu'avec un fluide comme l'eau (densité plus élevée et viscosité plus faible). La mesure de la fréquence et de l'amortissement des oscillations permet de déterminer la densité et la viscosité, et de surveiller la qualité du processus liée à l'écoulement du fluide. Les mêmes effets physiques s'appliqueraient à un objet, tel qu'un porte-à-faux, oscillant dans un fluide en mouvement.

Exemple viscoacoustique

Figure 1. Débitmètre Coriolis conçu chez Endress+Hauser. (Image : COMSOL)

Le Dr Vivek Kumar, Expert senior en simulation numérique chez Endress+Hauser Flow, la branche d'Endress+Hauser qui fabrique ces débitmètres (Figure 1), travaille à améliorer la performance des capteurs. Son travail de modélisation a aidé son équipe à comprendre les effets acoustiques, structuraux et d'écoulement de fluide dans leurs débitmètres à un niveau profond. Comprendre comment l'interaction fluide-structure et la vibroacoustique affectent la performance d'un capteur leur a permis de faire divers ajustements de conception pour améliorer la performance et la qualité du débitmètre.

L'équipe a commencé leur analyse numérique avec un modèle viscoacoustique pour comprendre l'amortissement visqueux complexe qui se produit lorsqu'un fluide visqueux circule à travers le tube oscillant.

Figure 2. Résultats de simulation montrant le changement de fréquence d'oscillation du tube pour différentes viscosités de fluide et le déplacement mécanique résultant (gauche). Un exemple visuel de la déformation du tube due au mouvement oscillatoire (droite). (Image : COMSOL)

En utilisant le logiciel COMSOL Multiphysics®, ils ont analysé les effets de la viscosité du fluide sur la fréquence d'oscillation du tube. La Figure 2 montre leurs résultats de simulation prédisant la fréquence ainsi que le déplacement du tube pour des fluides de différentes viscosités. Avec la capacité de simuler et de mieux comprendre les effets physiques qui causent un décalage dans la sortie de fréquence du débitmètre, l'équipe est capable d'exploiter ces effets pour améliorer la performance du débitmètre. Dans ce cas, la variation de l'amortissement du tube est utilisée pour compenser les effets de la viscosité sur l'erreur de densité mesurée.

« Nous voulions comprendre comment différents fluides affecteraient la performance du capteur », a déclaré Kumar. « En utilisant la simulation, nous avons pu analyser différents cas et finalement optimiser la conception de notre dispositif pour aider nos clients à caractériser les propriétés des matériaux pour les fluides qu'ils utilisent ou extraient. »

Exemple à l'échelle microscopique (MEMS)

Figure 3. Puce Coriolis MEMS utilisée pour la mesure de densité et viscosité. À gauche, le capteur complet tenu par une pince. À droite, la disposition de la puce à l'intérieur du dispositif. (Image : COMSOL)

Figure 4. Deux modes propres du microcanal oscillant. La couleur désigne les niveaux de déplacement relatifs des différentes régions du canal. (Image : COMSOL)

TrueDyne Sensors AG, une filiale d'Endress+Hauser Flow, développe des dispositifs MEMS basés sur un concept similaire. Ils conçoivent et testent des capteurs oscillants pour mesurer les propriétés thermophysiques des fluides pour de nombreuses utilisations différentes. L'équipe développe des capteurs pour des solutions clients spécifiques, il est donc essentiel qu'ils sachent quel type d'oscillateurs fournirait la meilleure sensibilité pour des cas uniques.

La puce Coriolis MEMS (Figure 3) utilise un microcanal vibrant autoportant qui fonctionne sur le même principe que le capteur de débit Coriolis plus grand. Comme dans le cas des simulations Coriolis, une analyse des vibrations doit être effectuée sur le microcanal afin de déterminer les modes propres fondamentaux et les taux d'oscillation des différentes extrémités du canal d'écoulement (Figure 4). Ce capteur particulier est utilisé pour évaluer la densité et la viscosité des fluides, tels que les gaz inertes, le gaz de pétrole liquéfié (GPL), les carburants hydrocarbures ou les lubrifiants de refroidissement. En raison de ses dimensions, le capteur est adapté pour mesurer de très petites quantités de fluide.

Figure 5. Résultats thermiques montrant la température dans la puce Coriolis MEMS en 2D (haut) et 3D (bas). (Image : COMSOL)

Figure 6. Un débitmètre électromagnétique Promag W 400 sans tronçon d'entrée ou de sortie (0 x DN) conçu chez Endress+Hauser. Les électrodes sont visibles à l'intérieur du tuyau. Un revêtement en polyuréthane fournit une isolation électrique entre le tuyau et le liquide. (Image : COMSOL)

Un défi spécifique dans un si petit dispositif est que la haute tension utilisée pour piloter les excitations pourrait provoquer un échauffement du dispositif en cas de défaillance électrique. Compte tenu de ce risque de sécurité, ils ont effectué une analyse thermique (Figure 5) pour déterminer où la chaleur était dissipée dans la puce et si le fluide devenait trop chaud. Il a été confirmé que la température ne dépassait pas la limite grâce à la chambre à vide entourant le canal d'écoulement qui minimisait le transfert de chaleur entre les électrodes et le fluide.

Optimisation des débitmètres électromagnétiques

Un autre type de débitmètre est le débitmètre électromagnétique, qui utilise la force de Lorentz. La force de Lorentz agit sur des particules chargées se déplaçant à travers un champ magnétique (Figure 6). Pour ces débitmètres, les particules sont les ions d'un liquide conducteur, le mouvement vient du liquide s'écoulant dans le tuyau, et le champ magnétique est fourni par un ensemble de bobines qui sont au-dessus et au-dessous du tuyau. Le résultat est un potentiel électromagnétique à travers le tuyau, qui peut être mesuré avec une paire d'électrodes. Le signal est généralement de l'ordre de quelques centaines de mV par m/s ; si vous obtenez la conception juste, le potentiel mesuré est proportionnel à la vitesse d'écoulement et indépendant de la conductivité.

La simulation des débitmètres électromagnétiques nécessite un logiciel de modélisation multiphysique pour calculer le champ magnétique généré par les bobines et la distribution de vitesse d'écoulement dans le tuyau, et les combiner pour calculer le potentiel électrique (Figure 7). Les débitmètres électromagnétiques sont généralement spécifiés avec une précision de mesure de quelques fractions de pourcent, donc les simulations doivent être extrêmement précises. Chez Endress+Hauser Flow, les experts en simulation Dr. Simon Mariager et Dr. Simon Triebenbacher ont utilisé de telles simulations pour éliminer l'une des principales limitations des débitmètres électromagnétiques : la sensibilité au profil d'écoulement.

Figure 7. Un modèle multiphysique d'un dispositif électromagnétique. Le courant de la bobine est montré par des flèches rouges et les lignes de courant montrent la force du champ magnétique à l'intérieur du débitmètre. La tranche colorée montre la magnitude de la vitesse à l'entrée du débitmètre. Ce profil d'écoulement inhomogène a été généré par un coude à 90 degrés en amont (non montré). La demi-tranche au centre montre la fonction de poids beaucoup plus homogène du capteur 0 x DN plein passage, indiquant une conception indépendante du profil d'écoulement et des perturbations associées. (Image : COMSOL)

Bien que les débitmètres électromagnétiques conventionnels soient surprenamment robustes, les changements dans le profil d'écoulement — par exemple, ceux se produisant après un coude dans le pipeline — entraînent des erreurs de mesure. Pour cette raison, les fabricants recommandent que ces débitmètres aient une certaine longueur d'entrée de tuyau droit (généralement 10 fois la taille du diamètre nominal) avant le capteur. Cependant, cette conception recommandée peut rendre l'installation des débitmètres électromagnétiques difficile, car ils sont disponibles pour des tailles de tuyaux allant de quelques millimètres à plusieurs mètres. Se débarrasser de la longueur d'entrée était l'objectif d'un récent projet de développement chez Endress+Hauser Flow. Le travail consistait à optimiser la fonction de poids du débitmètre. Théoriquement, cela nécessite que le rotationnel de la fonction de poids soit nul partout, mais ce n'est pas mathématiquement possible avec des géométries réelles.

Au lieu de cela, des électrodes de mesure supplémentaires ont été utilisées pour fournir les degrés de liberté nécessaires. Avec cela, l'équipe devait encore déterminer combien d'électrodes étaient nécessaires et où elles devaient être placées. Ils ont utilisé des simulations de l'écoulement dans le tuyau après des perturbations d'écoulement, telles que des coudes et des vannes, pour prédire la performance des débitmètres électromagnétiques dans une variété d'applications réelles et optimiser leur conception à un degré où le nouveau débitmètre est devenu virtuellement indépendant du profil d'écoulement.

Servir les besoins de l'entreprise et des clients

Pour l'équipe de simulation d'Endress+Hauser, les fonctionnalités du logiciel COMSOL Multiphysics® ont été utiles dans leur travail quotidien de R&D pour optimiser et développer des dispositifs de mesure de débit. Les analyses multiphysiques leur fournissent des informations qui réduisent le temps et l'effort globaux consacrés aux tests et au prototypage et leur permettent de produire des capteurs de la plus haute qualité.

Le Dr Christof Huber, Expert principal en technologie de capteurs avancés chez Endress+Hauser Flow, se sent inspiré quand il voit comment ses modèles entraînent des changements dans les conceptions de dispositifs qui améliorent l'expérience des clients d'Endress+Hauser. « Ces outils sont utilisés pour résoudre les problèmes des clients ; nous voyons cela fonctionner sur le terrain, notre innovation en pratique ; nous voyons le retour, la raison pour laquelle nous faisons cela », a déclaré Huber.

Cet article a été rédigé par Rachel Keatley pour COMSOL (Burlington, MA). Pour plus d'informations, visitez ici.