Qu'est-ce qu'un débitmètre massique à effet Coriolis et comment fonctionne un débitmètre à effet Coriolis ?

La mesure du débit massique est à la base de nombreux éléments clés dans l'industrie, notamment la formulation de la plupart des recettes, les bilans matières et les opérations de facturation et de transfert de propriété. Ces mesures étant les plus critiques dans une usine de transformation, la fiabilité et la précision de la détection du débit massique sont primordiales.

Une (brève) histoire de la mesure du débit massique

Par le passé, le débit massique était souvent calculé à partir des données d'un débitmètre volumétrique et d'un densitomètre. Les variations de densité étaient soit mesurées directement, soit calculées à l'aide des données de température et de pression du procédé. En fin de compte, la relation entre la pression ou la température du procédé et la densité n'étant pas toujours connue avec précision, ces mesures manquaient de précision.

L'une des premières conceptions de débitmètres massiques autonomes fonctionnant à l'aide du moment angulaire– Il était équipé d'une turbine motorisée qui transmettait un moment angulaire (mouvement rotatif) en accélérant le fluide jusqu'à une vitesse angulaire constante. Plus la densité était élevée, plus le moment angulaire requis pour obtenir cette vitesse angulaire était important. En aval de la turbine entraînée, une turbine fixe maintenue par un ressort était soumise à ce moment angulaire. Le couple résultant (torsion du ressort) était une indication du débit massique. Cependant, en raison de leur conception mécanique complexe et de leurs coûts de maintenance élevés, ces types de compteurs ont été largement remplacés par des modèles plus robustes et moins exigeants en maintenance.

Le débitmètre massique à effet Coriolis est l'un de ces modèles. Considéré comme le plus précis, il est largement utilisé dans les applications industrielles pour des mesures précises. Les débitmètres à effet Coriolis sont dotés d'instruments fonctionnant selon le principe de l'effet débitmètre massique.– Phénomène remarquable (et étrange) par lequel une masse en mouvement dans un système rotatif subit une force agissant perpendiculairement à la direction du mouvement et à l'axe de rotation. Les premiers brevets industriels sur la force Coriolis remontent aux années 1950 et les premiers débitmètres massiques à effet Coriolis ont été construits dans les années 1970.

Le principe de fonctionnement du débitmètre Coriolis

C'est GG Coriolis, un ingénieur français, qui a été le premier à observer que tous les corps en mouvement à la surface de la Terre ont tendance à dériver latéralement en raison de la rotation de la planète vers l'est. Dans l'hémisphère nord, la déviation se fait vers la droite du mouvement ; dans l'hémisphère sud, elle se fait vers la gauche. Cette dérive joue un rôle majeur dans l'activité des marées des océans et dans le climat de la planète. Comme un point à l'équateur décrit un cercle plus grand chaque jour qu'un point plus proche des pôles, un corps se déplaçant vers l'un ou l'autre pôle sera orienté vers l'est, car il conserve sa vitesse de rotation plus élevée (vers l'est) lorsqu'il passe sur la surface terrestre, dont la rotation est plus lente. Cette dérive est appelée force de Coriolis.

Lorsqu'un fluide circulant dans une conduite est soumis à une accélération de Coriolis par l'introduction mécanique d'une rotation apparente dans la conduite, la force de déviation générée par l'effet d'inertie de Coriolis dépend du débit massique du fluide. Si une conduite tourne autour d'un point pendant que le liquide s'écoule (vers ou depuis le centre de rotation), ce fluide génère une force d'inertie (agissant sur la conduite) perpendiculaire à la direction de l'écoulement.

En se référant à la figure 1, une particule (dm) se déplace à une vitesse (V) dans un tube (T). Le tube tourne autour d'un point fixe (P), et la particule se trouve à une distance d'un rayon (R) de ce point fixe. La particule se déplace à une vitesse angulaire (w) sous l'effet de deux composantes d'accélération : une accélération centripète dirigée vers P et une accélération de Coriolis agissant perpendiculairement à ar.

ar (centripète) = w2r

à (Coriolis) = 2wv

Pour transmettre l'accélération du Coriolismètre (at) à la particule de fluide, une force at (dm) doit être générée par le tube. La particule de fluide réagit à cette force avec une force de Coriolis égale et opposée :

Fc = à(dm) = 2wv(dm)

Alors, si le fluide de procédé a une densité (D) et s'écoule à vitesse constante à l'intérieur d'un tube rotatif de section transversale A, un segment du tube de longueur X subira une force de Coriolis d'intensité :

Fc = 2wvDAx

Parce que le débit massique est dm = DvA, la force de Coriolis Fc = 2w(dm)x et, enfin :

Débit massique = Fc / (2wx)

C'est ainsi que la mesure de la force de Coriolis exercée par le fluide en écoulement sur le tube en rotation peut fournir une indication du débit massique. Bien que la rotation d'un tube ne soit pas nécessairement une procédure standard pratique lors de la construction d'un débitmètre commercial, l'oscillation ou la vibration du tube– ce qui est pratique– peut obtenir le même effet.