Amélioration de la précision des capteurs de fluide pour une mesure précise des processus industriels

Démarrez votre voiture, remplissez un verre d'eau du robinet ou mélangez de l'huile de cuisson à votre pâte à brownie, et vous utilisez un liquide qui a été soigneusement extrait, traité et évalué pour sa qualité. La prévoyance et la technologie stupéfiantes nécessaires pour rendre ces fluides utilisables par les consommateurs sont souvent invisibles, mais nécessitent des mesures 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 savoir quelle quantité vous extrayez ? Si vous transportez de l'eau, comment connaître le débit ?

Des questions comme celles-ci, qui ont un impact sur la confiance et les résultats des sociétés de l'eau, de l'alimentation, des sciences de la vie, ainsi que du pétrole et du 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 au développement et à la maintenance de capteurs précis pour une variété de substances nécessitant différentes méthodes de mesure.

Mesure des forces de Coriolis

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

Le tube est excité avant que tout fluide ne pénètre dans le dispositif. Lorsqu'un fluide au repos remplit l'appareil, 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 perçue comme une rotation autour d'un axe des particules de fluide. Étant donné que les particules fluides 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. Étant donné que 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, provoquant un déphasage ou un décalage temporel le long du tube.

Différentes sections du tube commencent à osciller avec un décalage temporel ou un déphasage provoqué par la composante de torsion du mouvement du tuyau. Ce déphasage et la nouvelle fréquence d'oscillation du tube sont fonction respectivement du débit massique dans les tubes et de la densité du fluide. Ainsi, les signaux du compteur peuvent être interprétés pour mesurer le débit massique ou volumique et garantir que la quantité souhaitée 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 process 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 principal en simulation numérique chez Endress+Hauser Flow, la branche d'Endress+Hauser qui fabrique ces débitmètres (Figure 1), s'efforce d'améliorer les performances des capteurs. Son travail de modélisation a aidé son équipe à comprendre en profondeur les effets acoustiques, structurels et d'écoulement des fluides dans leurs débitmètres. Comprendre comment l'interaction fluide-structure et la vibroacoustique affectent les performances d'un capteur leur a permis d'effectuer divers ajustements de conception pour améliorer les performances et la qualité du compteur.

L'équipe a commencé son analyse numérique avec un modèle viscoacoustique pour comprendre l'amortissement visqueux complexe qui se produit lorsqu'un fluide visqueux s'écoule 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 qui en résulte (à gauche). Un exemple visuel de déformation d'un tube due au mouvement oscillant (à droite). (Image :COMSOL)

A l'aide du 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. Grâce à la capacité de simuler et de mieux comprendre les effets physiques qui provoquent un changement dans la fréquence de sortie du compteur, l'équipe est en mesure d'exploiter ces effets pour améliorer les performances du compteur. Dans ce cas, la variation de l'amortissement du tube est utilisée pour compenser les effets de viscosité sur l'erreur de densité mesurée.

"Nous voulions comprendre comment différents fluides affecteraient les performances du capteur", a déclaré Kumar. "Grâce à la simulation, nous avons pu analyser différents cas et finalement optimiser la conception de nos appareils pour aider nos clients à caractériser les propriétés des matériaux pour les fluides qu'ils utilisent ou extraient."

Exemple à l'échelle micrométrique

Figure 3. Puce MEMS Coriolis utilisée pour la mesure de la densité et de la viscosité. A gauche se trouve le capteur complet maintenu par une pince. À droite se trouve la disposition des puces à l’intérieur de l’appareil. (Image :COMSOL) Figure 4. Deux modes propres du microcanal oscillant. La couleur indique 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 offrirait la meilleure sensibilité pour des cas uniques.

La puce MEMS Coriolis (Figure 3) utilise un microcanal vibrant autonome qui fonctionne sur le même principe que le plus grand capteur de débit Coriolis. Comme dans le cas des simulations de Coriolis, une analyse vibratoire 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 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 MEMS Coriolis en 2D (en haut) et 3D (en bas). (Image :COMSOL) Figure 6. Un débitmètre électromagnétique Promag W 400 sans course 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 assure l'isolation électrique entre le tuyau et le liquide. (Image :COMSOL)

Un défi spécifique dans un si petit appareil est que la haute tension utilisée pour piloter les excitations pourrait provoquer un échauffement de l’appareil en cas de panne électrique. Compte tenu de ce risque pour la sécurité, ils ont effectué une analyse thermique (Figure 5) pour déterminer où la chaleur était dissipée dans la puce et si le fluide deviendrait 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 les particules chargées se déplaçant dans un champ magnétique (Figure 6). Pour ces débitmètres, les particules sont les ions d'un liquide conducteur, le mouvement provient du liquide circulant dans le tuyau et le champ magnétique est fourni par un ensemble de bobines situées au-dessus et en dessous du tuyau. Le résultat est un potentiel électromagnétique à travers le tuyau, qui peut être mesuré avec une paire d'électrodes. Le signal n'est généralement que de l'ordre de quelques centaines de mV par m/s ; si la conception est parfaite, le potentiel mesuré est proportionnel à la vitesse d'écoulement et indépendant de la conductivité.

La simulation des débitmètres électromagnétiques fait appel à un logiciel de modélisation multiphysique pour calculer le champ magnétique généré par les bobines et la distribution de la vitesse d'écoulement dans la canalisation, 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 pour cent, les simulations doivent donc être extrêmement précises. Chez Endress+Hauser Flow, les experts en simulation Dr Simon Mariager et Dr Simon Triebenbacher ont utilisé de telles simulations pour supprimer l'une des principales limites des débitmètres électromagnétiques :la sensibilité au profil d'écoulement.

Figure 7. Un modèle multiphysique d'un dispositif électromagnétique. Le courant de la bobine est représenté par des flèches rouges et les lignes droites montrent l'intensité du champ magnétique à l'intérieur du débitmètre. Le tracé en tranches colorées montre l'amplitude 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 représenté). La demi-tranche au centre montre la fonction de poids beaucoup plus homogène du capteur à passage intégral 0 x DN, indiquant une conception indépendante du profil d'écoulement et des perturbations associées. (Image :COMSOL)

Bien que les débitmètres électromagnétiques conventionnels soient étonnamment robustes, les modifications du profil d'écoulement, par exemple celles qui se produisent après un coude dans la canalisation, 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 de débitmètres électromagnétiques un processus 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 la courbure de la fonction de poids soit nulle partout, mais cela n'est mathématiquement pas possible avec les géométries du monde réel.

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 des canalisations après des perturbations d'écoulement, telles que des coudes et des vannes, pour prédire les performances des débitmètres électromagnétiques dans diverses applications réelles et optimiser leur conception à un degré tel que le nouveau débitmètre est devenu pratiquement indépendant du profil d'écoulement.

Au service des besoins de l'entreprise et des clients

Pour l'équipe de simulation Endress+Hauser, les fonctionnalités du logiciel COMSOL Multiphysics® ont été utiles dans leur travail quotidien de R&D pour optimiser et développer des appareils de mesure de débit. Les analyses multiphysiques leur fournissent des informations qui réduisent le temps et les efforts 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 capteur avancée chez Endress+Hauser Flow, se sent inspiré lorsqu'il voit comment ses modèles entraînent des modifications dans la conception des appareils 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 dans la 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  .