C omme il lui arrive assez régulièrement (détecteurs PID [ voir Mesures n° 854 ], caméras thermographiques [ voir Mesures n° 842 ], détecteurs H2 S [ voir Mesures n° 815 ]…), l'association des Exploitants d'équipements de mesure, de régulation et d'automatisme (Exera) organise des campagnes d'évaluation de matériels, à la demande des industriels membres. Il s'agit d'obtenir des informations plus détaillées que celles mentionnées dans les fiches techniques des équipements, dans des conditions d'utilisation plus proches de celles où sont déployés les transmetteurs, les analyseurs et autres détecteurs, ou encore pour évaluer de nouvelles technologies. « Les évaluations sont conduites selon les besoins des utilisateurs en association avec les constructeurs.Pour garan-tir une grande objectivité, chaque campagne suit la même procédure : élaboration du protocole d'essais en commission technique, réalisation des essais dans des laboratoires de référence, débats des conclusions avec les constructeurs concernés, et disponibilité du rapport complet sur notre site Internet pour les membres de l'association », rappelle José Veau (EDF R&D), animateur de la Commission technique Débitmétrie au sein de l'Exera.
C'est ainsi qu'à l'automne 2014, dans le cadre d'une journée technique «Débitmétrie», l'Exera a présenté les résultats de deux campagnes d'évaluation menées respectivement en 2010 et 2012 sur les débitmètres à ultrasons intrusifs et les débitmètres à effet vortex ( voir encadré page 40 ).Avant de s'intéresser à la campagne d'évaluation des débitmètres à ultrasons, un rappel technique s'impose. Le principe de mesure de cette technologie repose sur la différence de temps de trajet de signaux ultrasoniques entre deux transducteurs émetteurs/récepteurs installés de part et d'autre d'une canalisation. La vitesse moyenne du fluide s'écoulant dans la canalisation entre les deux transducteurs (trajet AB) est déterminée selon l'expression suivante: tB A– t V = K x A B t + t A B B A
où K est un facteur dépendant de la distance entre les deux transducteurs. Quant au programme d'évaluation, l'Exera a choisi de mesurer, dans un premier temps, les performances métrologiques des débitmètres dans des conditions de référence. « Les conditions d'essais sont les débits Qmin ,0,1 x Q max, 0,25 x Q max ,0,4 x Q max ,0,7 x Q max et Qmax, ainsi que des longueurs droites amont/aval minimales de 25D/5D. Nous avons réalisé les évaluations en eau à une température proche de + 20 °C, en hydrocarbure (huile) et en air avec une pression amont de 1 bar absolu », précise Isabelle Caré, chargée d'affaires au sein de la direction des études et de la formation du Centre technique des industries aérauliques et thermiques (Cetiat). Dans un deuxième temps, les essais ont porté sur l'étude de l'influence de paramètres spécifiques. En eau, il s'agissait des conditions d'installation et du profil d'écoulement, de la perte d'une corde, de la température fluide et de l'écoulement diphasique (présence de gaz dans l'eau). En air, il s'agissait des conditions d'installation et du profil d'écoulement.
Quatre laboratoires ont participé aux essais
Pour les essais diphasiques, une manchette au niveau de laquelle on peut régler le débit d'air a été développée. L'écoulement vertical ascendant dans une canalisation de DN100 se caractérisait par un débit d'eau de 40 m 3 /h et un débit d'air de 15 à 150 kg/h. Un débit de 60 kg/h équivaut à une fraction volumique de 30 % (voir photographie en médaillon).
DR
Pour mener à bien les différents essais en eau et en air, l'Exera s'est appuyée sur quatre laboratoires différents. On retrouve ainsi le laboratoire Eau de Paris, le laboratoireTrapil, celui du Cetiat et le laboratoire Cesame-Exadébit. Le banc volumétrique accrédité Cofrac n°2.1895 du laboratoire Eau de Paris a permis de réunir les conditions d'essais suivantes: l'eau comme fluide, des débits de 0,005 à 2500m 3 /h, une température comprise entre +15 et +25°C et une pression de ligne inférieure à 2 bar. ChezTrapil, le banc volu-métrique accrédité Cofrac n°2.1194 a permis de mettre des produits pétroliers raffinés, des produits bruts et de l'huile, en plus de l'eau, selon des débits de 10 à 2500m 3 /h, une température de +5 à +35°C et une pression de ligne de moins de 12 bar. « Les essais réalisés sur notre banc gravimétrique (accréditation Cofrac associé au LNE [Laboratoire national de métrologie et d'essais, ndlr] n°2.57) sont les suivants : mesure en eau, selon des débits de 0,008 à 36 m 3 /h (une étendue de mesure relativement limitée,certes), une température de + 15 à + 90 °C et une pression de ligne inférieure à 3 bar » , ajoute Isabelle Caré.
Enfin, le quatrième et dernier participant à la campagne d'évaluation, le laboratoire Cesame-Exadébit, a mis à disposition son banc gravimétrique, accrédité Cofrac associé au LNE n°2.59. Ce banc a permis de travailler dans les conditions d'essais suivantes: de l'air sec, des débits de 1 à 80000m 3 /h et une pression comprise entre 1 et 50 bar. « Pour cette campagne d'évaluation, nous avons pu disposer de quatre débitmètres à ultrasons intrusifs différents, fournis gracieusement par trois fabricants dis-tincts.Mais nous n'avons pas l'habitude de dévoiler les modèles exacts qui ont été évalués… sauf aux membres de l'Exera, évidemment », rappelle Isabelle Caré. Les enseignements que l'on peut tirer des résultats de cette campagne d'évaluation éclairent un peu plus sur les débitmètres à ultrasons intrusifs. « Nous avons constaté des résultats disparates par rapport aux spécifications fournies par les constructeurs », affirme Isabelle Caré.
La campagne d'évaluation de débitmètres à effet vortex
l Lors de la même journée technique (voir ci-contre ), l'association des Exploitants d'équipements de mesure, de régulation et d'automatisme (Exera) a présenté les résultats d'une autre campagne d'évaluation, portant celle-là sur des débitmètres à effet vortex. Pour rappel, le principe de mesure de cette technologie repose sur une formation de tourbillons en aval d'un obstacle (allée de Bénard Karman). La fréquence des tourbillons ainsi générés f est proportionnelle à la vitesse v d'écoulement v: f = St x d où St est le nombre de Strouhal qui est fonction du nombre de Reynolds et d la largeur de l'obstacle. Lors de cette campagne, cinq modèles de trois fabricants différents ont été évalués selon un programme bien défini. Pour les performances métrologiques, les conditions d'essais sont les débits visés Qmin ,0,25xQ max ,0,5xQ max, 0,75xQmax et Qmax (écoulement horizontal), ainsi que des longueurs droites amont/aval de 30D/10D. L'évaluation en eau a été faite à la température de +20°C et l'évaluation en air à une pression amont de 6 bar absolus.
l Pour l'influence de paramètres spécifiques (en air), l'étude s'est intéressée aux vibrations mécaniques parasites, à l'érosion de l'arête vive du barreau et aux conditions d'installation et de profil d'écoulement. En ce qui concerne les vibrations parasites, les essais ont été réalisés à 0,75xQ max et 6 bar absolus, les vibrations mécaniques ayant été appliquées via un pot vibrant. Les fréquences imposées sont celle du réseau (50Hz), celles des vortex à (0,75xQ max –e), à 0,75xQ max ,à (0,75xQ max +e), à deux fois la fréquence des tourbillons à 0,75xQmax et à la fréquence des vortex à 0,75xQ max divisée par deux. L'accélération imposée, quant à elle, est proche de 1g.
Pour l'effet d'un dépôt, les essais réalisés en air et à 6 bar absolus ont porté sur la modification de l'arête vive du barreau, à savoir le dépôt d'une couche de vernis avec une épaisseur comprise entre 100 et 120mm mesurée par contrôle dimensionnel. Enfin, pour évaluer les conditions de montage, deux types de singularités (coude simple à 90° et deux coudes à 90° dans des plans différents) et trois couples de longueurs droites en amont et en aval du débitmètre (10D/10D, 20D/10D et 30D/10D).
l La conclusion générale de la campagne d'évaluation des débitmètres à effet vortex est la même que celle des débitmètres à ultrasons intrusifs: les résultats sont disparates par rapport aux spécifications fournies par les constructeurs. «Nous avons d'ailleurs constaté une composante d'incertitude de mesure supplémentaire (pour certains modèles) au niveau de la sortie courant.Il est également possible de mesurer (en air) un débit exprimé en Nm 3 /h et/ou un débit massique,si le débitmètre intègre un capteur de pression et une sonde de température», explique Isabelle Caré, chargée d'affaires au sein de la direction des études et de la formation du Centre technique des industries aérauliques et thermiques (Cetiat). Parmi les autres résultats, citons des comportements en air et en eau différents, un décalage de la réponse du débitmètre quelle que soit la fréquence de vibration (en débit) –même si les fréquences de test ne sont pas représentatives de celles des réseaux, cela montre néanmoins que les débitmètres fonctionnent - ou la génération d'une réponse fictive du débitmètre (à débit nul) en présence de vibrations parasites ( voir figure 4 ), et un décalage de la réponse du débitmètre lorsqu'un dépôt se trouve sur l'arête vive. On constate par contre une influence limitée des conditions de montage.
Et cela se traduit déjà au niveau de l'évaluation métrologique ( voir figure 1 ). Signalons que des ajustements ont été effectués par certains constructeurs avant les essais pour les évaluations métrologiques. Dans la figure 1a, le paramétrage de l'appareil (sortie 4-20mA réglée de 0 à 200 m 3 /h, le fluide étant de l'eau) a été fait par le constructeur lui-même, et un ajustage, à savoir la modification d'un facteur multiplicatif, a également été réalisé avant les essais. « L'erreur obtenue à un débit de 150 m 3 /h avant ajustage était de - 2,14 % sur la sortie 4-20 mA et de - 2,22 % pour la sortie à impulsions », précise Isabelle Caré. Dans la figure 1b, aucun ajustage n'a été réalisé avant les essais, le paramétrage réalisé chez Eau de Paris ayant été conservé. Dans la figure 1c, le paramétrage de l'appareil a été réalisé par le laboratoire (sortie 4-20mA réglée de 0 à 200 m 3 /h, le fluide étant de l'eau), et aucun ajustage n'a été réalisé avant les essais. Dans la figure 1d, il s'agit d'une huile ayant une viscosité de 41mm 2 /s, et un ajustage a été réalisé avant les essais.
Influence plus ou moins forte du montage
L'étude de l'influence de paramètres spécifiques a elle aussi été instructive. Au niveau de l'effet de la température, les résultats sont également disparates d'un débitmètre à ultrasons à l'autre. Le paramétrage de l'appareil (sortie 4-20mA réglée de 0 à 200 m 3 /h, le fluide étant de l'eau) correspondait à celui du laboratoire précédent (Eau de Paris), et aucun ajustage n'a été réalisé avant les essais. «L'effet de la température dépend en fait de la possibilité de compensation en température, mentionne Isabelle Caré . Il faut noter que les essais en température ont été réalisés au Cetiat, d'où des débits plus bas.» Autre paramètre, la perte d'une corde est dramatique pour l'un des débitmètres à ultrasons évalués, mais elle est sans effet sur d'autres. Evidemment, cela dépend du nombre de cordes, tous les modèles n'en ayant pas le même nombre. « Certains débitmètres à ultrasons ont même la possibilité de toujours fonctionner, certes avec une incertitude de mesure dégradée,en conservant une valeur figée», ajoute le représentant d'un fournisseur.
Le troisième paramètre dont l'influence a été étudiée fut la présence de bulles d'air dans l'eau. «Pour les essais diphasiques, un montage spécifique a été développé: il s'agit d'une manchette au niveau de laquelle on peut régler le débit d'air.L'écoulement vertical ascendant dans une canalisation de DN100 se caractérisait par un débit d'eau de 40m 3 /h et un débit d'air de 15, 30, 45, 60, 75, 90, 105, 120, 135 ou 150kg/h», rappelle Isabelle Caré. Pour bien fixer les idées, un débit de 60kg/h équivaut à une fraction volumique de 30% ( voir photographie page 37 ). Les graphiques représentés dans la figure 2 font dire que les débitmètres à ultrasons supportent finalement très bien la présence de bulles de gaz. Il faut vraiment que le taux de bulles soit très important pour observer un problème (perte de signal). Autre remarque concernant les essais diphasiques, le comportement des débitmètres est totalement différent les uns des autres, selon la taille des bulles. Cela est en effet notamment lié au nombre de cordes dont dispose chaque débitmètre.
Enfin, l'évaluation s'est intéressée à l'effet que pouvaient engendrer les conditions de montage ( voir figure 3 ). Pour cela, deux types de singularités ont été créés : un coude simple à 90° et deux coudes à 90° dans des plans différents. Dans les deux cas, les longueurs droites en amont et en aval du débitmètre étaient respectivement de 5D/5D, 10D/5D et 20D/5D. Que ce soit dans les conditions avec un coude ou avec deux coudes, on constate une influence plus ou moins forte du montage. Notons que, lorsque les longueurs droites amont augmentent, l'incertitude de mesure augmente elle aussi, ce qui n'est pas étonnant. En conclusion, l'évaluation menée par l'Exera permet donc d'observer une disparité entre débitmètres à ultrasons intrusifs, de confirmer certains points tels que des comportements en eau et en huile différents ou la présence d'un taux de bulles très élevé pour perdre le signal. « Sachant que l'objectif de ces campagnes reste l'évaluation des performances de produits dans certaines situations, et non de comparer les produits entre eux », réaffirme Isabelle Caré.
