Mesure de la densité dans les débitmètres à gaz

Mesure de la densité dans les débitmètres à gaz

by | Wednesday, 1 July, 2020 | Oil & Gas

La consommation de gaz est calculée par des compteurs à gaz qui mesurent le volume écoulé. Étant donné que la densité du gaz, et par-là même son volume, dépendent de la pression et de la température, la quantité mesurée peut varier en fonction de la pression ou de la température qui prévaut à un moment donné. Le volume de gaz, qui dépend de la pression et de la température, peut être décrit par la formule suivante : P x V/T = Constante (où P est la pression, V le volume et T la température).

Tandis que la pression à laquelle le gaz circule dans les canalisations peut être facilement contrôlée et surveillée, ce n’est pas le cas de la température. Les différences qui en résultent sur la densité ont une influence sur la valeur de débit mesurée. Ce qui reste un facteur négligeable pour les consommateurs ordinaires dont la consommation reste faible devient un facteur de coût important pour les gros consommateurs.

La Directive sur les instruments de mesure (DIM), une réglementation de l’Union européenne portant sur les instruments de mesure, a été publiée pour établir une procédure d’homologation harmonisée au niveau de tous les États de l’UE et de certains autres pays. Les objectifs supplémentaires de cette directive incluent un test harmonisé, effectué une seule fois, pour l’homologation des instruments de mesure, ainsi qu’une réglementation harmonisée et transnationale de l’étalonnage initial. Avec ces réglementations transnationales spécifiques, la qualité des produits est encore améliorée, et des conditions équitables entre les concurrents sont garanties. Dix types d’instruments de mesure sont couverts par la DIM dans le domaine de la métrologie légale, les exigences portant sur les compteurs à gaz et les convertisseurs de volume sont énoncées dans l’annexe IM-002.

La pression et la température doivent être prises en compte lors du calcul des quantités exactes de gaz. Et cela nécessite que les compteurs à gaz soient équipés de capteurs appropriés. Plutôt que le volume, c’est la masse du gaz qui doit être indiquée, car il s’agit là d’une mesure plus précise au regard des fluctuations de densité. Pour déterminer des valeurs fiables, il est nécessaire de mesurer à la fois la pression et la température pour en déduire la densité.

Une précision élevée grâce à une compensation computationnelle

Il existe deux types de capteurs de pression et de température à fixer sur les compteurs à gaz. Dans la première variante, le transmetteur de pression est vissé sur le tuyau de distribution de gaz et raccordé au compteur par le biais d’un câble. Dans la deuxième variante, le capteur est au contraire installé directement dans l’appareil (l’exemple donné ci-dessous décrit la variante numéro deux).

Les plages de pression utilisées pour les compteurs à gaz sont généralement comprises entre 0,8 et 3,5 bars (valeurs absolues) et 2,5 et 10 bars (valeurs absolues). Les exigences en termes de précision sont énormes : il est demandé que la précision soit de l’ordre de 0,2 % de la valeur mesurée à des températures comprises entre -20 °C et 60 °C. Ce chiffre ne peut néanmoins pas être atteint avec des capteurs de pression conventionnels. Pour assurer ce haut niveau de précision, une compensation computationnelle doit être appliquée. Pour cette raison, STS fournit des transmetteurs de pression et de température dont le fonctionnement a non seulement été testé, mais dont le paramétrage a également été effectué (coefficients de compensation polynomiale).

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L’intégrité anti-fuite est synonyme de sécurité: Mesure de la pression des pipelines

L’intégrité anti-fuite est synonyme de sécurité: Mesure de la pression des pipelines

by | Wednesday, 1 July, 2020 | Leak Testing

Sous nos pieds se trouve une vaste infrastructure aux nombreuses ramifications permettant à notre société de fonctionner. Des millions de kilomètres de pipelines transportent, des producteurs aux consommateurs, du gaz naturel, du biogaz, de l’eau douce et des eaux usées. Et tout particulièrement pour les produits les plus dangereux comme le gaz, la sécurité est primordiale. Des fuites dans les conduites peuvent conduire aussi bien à des pertes en ressources qu’à des pollutions environnementales. UNION Instruments a mis au point, avec les cellules de mesures de pression fabriquées par STS,  un kit de tests en pression qui simplifie la détection de fuites.

Le kit de test en pression PMS3000 de UNION Instruments GmbH a été développé pour mettre en œuvre toutes les étapes essentielles au contrôle des pipelines afin de repérer la présence de fuites éventuelles

Les champs d’application sont divers et variés:

  • Alimentation en gaz selon DVGW G469-(A) A2, B2, B3, C3 et D2
  • Alimentation en eau potable selon DVGW W400-2, Part 16
  • Technologie, industrie, technologie des procédés
  • Pipelines de chauffage local
  • Capteurs géothermiques
  • Conduites de câbles
  • Canalisation d’égouts

Figure 1: Kit de test de pression PMS3000
Source: UNION Instruments

À ce stade, nous allons nous concentrer sur la détection de fuites sur les pipelines d’alimentation en eau potable au moyen du processus dit de contraction (également appelé « test de pression de contraction »).

Le processus de contraction dans l’approvisionnement en eau potable

L’approvisionnement en eau potable est souvent réalisé au moyen de conduites en plastique. Si une pression de test élevée est appliquée, cela va entraîner une augmentation du volume. Cette dilatation va à son tour entraîner une chute de pression, qui rend la détection des fuites plus difficile. En outre, il est nécessaire de s’assurer que le pipeline à tester est suffisamment exempt d’air. La procédure de contraction spécialisée permet d’obtenir dans ce cas une évaluation correcte des fuites. Les normes de cette procédure sont énoncées dans la fiche de travail DVGW W400-2, Part 16.

Pour effectuer le processus de contraction conformément à W400-2, Part 16, en plus du kit de test de pression PMS3000, le kit de dépressurisation DAK2000 est également nécessaire, de sorte que le volume d’eau qui sera libéré soit enregistré de façon centralisée indépendamment du volume de sortie, puis relayé au kit PMS3000. C’est grâce à cette liaison directe que les opérations manuelles peuvent être réduites et que les erreurs de transmission peuvent être évitées. Pour mettre la conduite sous pression, une pompe est également nécessaire. À ce titre également, UNION Instruments propose diverses solutions compatibles avec le PMS3000.

Figure 2:  Processus de contraction selon W400-2, Part 16
Source :UNION instruments

Le processus de contraction (voir Fig. 2) est relativement complexe et se déroule en plusieurs phases. Le test de détection de fuite en tant que tel prend 3 à 4 heures. En utilisant le PMS3000, le processus est divisé en sept phases. Au cours de la première phase, la phase de relaxation, la pression de l’eau statique et les températures de la conduite sont mesurées. Ensuite commence la phase de pressurisation. À ce moment la pression de test est atteinte. Elle est environ quatre bars plus élevée que la pression de fonctionnement. Cette phase prend moins de 10 minutes. La vitesse de la montée en pression peut être observée avec le PMS3000, ce qui permet une évaluation initiale de l’absence d’air.

Une fois la pression de test atteinte, la phase de stabilisation de la pression commence. Ce maintient en pression est assurée par un re-pompage continu. Dans la phase de repos qui suit, la chute de pression, et par là même la réduction de pression, est observée sous la forme d’un pourcentage de la pression de test : Dans ce cas, la pression ne peut pas chuter de plus de 20 %.

Ensuite vient la réduction de pression visant à tester l’absence d’air. À ce moment, de l’eau est libérée, et l’on mesure le volume du débit, qui est relayé au PMS3000. Ce volume d’eau libérée doit s’accompagner d’une certaine chute de pression. Si ce n’est pas le cas, c’est qu’il y avait trop d’air présent dans le pipeline testé.

Une fois cette phase terminée, le test principal, d’une durée de 30 minutes, peut commencer. À ce stade, une pression est appliquée une fois encore à la canalisation. Si une chute de pression se produit à ce stade, le test principal sera alors étendu à 90 minutes. Durant ce laps de temps, la pression dans la canalisation ne peut pas baisser de plus de 0,25 bar. Dans le cas contraire il sera estimé que la canalisation fuit.

Le processus de test dans son intégralité est conservé sur la carte SD du kit de test de pression. Il sera disponible sous forme de rapport PDF et ne nécessite aucun autre logiciel d’évaluation de la part de l’utilisateur.

Pour ses mesures de pression, le PMS3000 est équipé d’un transducteur de pression piézorésistif STS. Comme ce kit de test de pression est utilisé dans de nombreuses applications, les exigences sont très élevées pour ces cellules de mesure. Elles doivent être capables de mesurer une plage de pression allant de quelques millibars jusqu’à 1000 bars (pour le test de détection des fuites sur les systèmes hydrauliques, par exemple), tout en offrant une très grande précision de mesure. Dans le cahier des charges communiqué à STS par UNION Instruments, on retrouve notamment une stabilité de 5 mbar sur des changements de température de l’air ambiant de 15 °K à des pressions de test allant de 20 à 25 bars. Pour plus d’informations sur l’intégration de cellules de mesure piézorésistives dans des applications existantes, veuillez vous reporter ici.

Caractéristiques du système PMS3000, en bref :

  • Kit de test de pression robuste, étanche et prêt à l’utilisation sur le terrain
  • Imprimante intégrée pour l’impression des rapports
  • Écran tactile avec graphiques en couleurs
  • Carte mémoire SD de 32 Go, avec lecture mobile par USB
  • Divers connecteurs externes
  • Procédures de test des consignes de DVGW G469 (A) : 2010 et W400-2 : 2004 stockées sur le dispositif
  • Éventail complet de composants de connexion et de pompes de test pour la mise sous pression disponible
  • Transducteur piézorésistif STS intégré, avec une plage de pression de 100 mbar à 1000 bar (précision : ≤ ± 0,50 / 0,25 % FS)
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Test fiable de détection de fuite par la mesure de pression relative et absolue

Test fiable de détection de fuite par la mesure de pression relative et absolue

by | Wednesday, 1 July, 2020 | Leak Testing

Les fuites peuvent avoir des conséquences dramatiques. Pour concevoir les procédés de production de façon efficace et pour prévenir des rappels coûteux et nuisibles à l’image de la marque, les composants doivent être testés très en amont dans le processus de fabrication. Pour cette raison, les tests de fuite jouent un rôle important dans la gestion de la qualité.

La vérification de l’étanchéité et la détection des fuites sont une composante intégrale du processus d’assurance qualité dans de nombreux secteurs. En outre, une détection précoce des pièces défectueuses au cours du processus de fabrication peut épargner des coûts inutiles. Dans ce cadre, les zones d’application comprennent le test des composants individuels, ainsi que le test des systèmes complets, soit lors de la production en série, soit en laboratoire. Les secteurs en question vont de l’industrie automobile (têtes de cylindre, transmissions, soupapes, etc.) à l’ingénierie médicale en passant par les industries des plastiques, des emballages et des cosmétiques.

L’entreprise allemande ZELTWANGER Dichtheits- und Funktionsprüfsysteme GmbH est l’un des fabricants les plus réputés de testeurs de fuite haute performance. En fonction de l’application considérée, il existe un éventail de procédures facultatives pour tester les fuites, notamment les méthodes de mesure de la pression relative et absolue.

Test de fuite au moyen des méthodes de pression relative et absolue

Les procédés de mesure de la pression relative ou absolue offrent les avantages importants suivants :

  • configuration de test compacte pour un faible volume de tarage
  • sécurité opérationnelle élevée
  • plage de mesure étendue
  • automatisation optionnelle

Au cours de ces procédures, la pièce testée est soumise à une pression définie. Le différentiel de pression résultant d’une fuite est mesuré et analysé sur un laps de temps défini. Dans la méthode de la pression relative, la différence de pression avec la pression ambiante est décisive. Lorsque la pression du test est plus élevée que la pression ambiante, on parle alors de test de surpression. Les termes de pression négative ou de test sous vide s’appliquent quant à eux lorsque les pressions de test sont inférieures à la pression ambiante. Avec la méthode de mesure de la pression absolue, la pression est déterminée par rapport au vide absolu.

Lors des tests de fuite au moyen des procédures relative ou absolue, ZELTWANGER emploie également des cellules de mesure de la pression fabriquées par STS. Les demandes sur les technologies appliquées sont rigoureuses, et essentielles dans les cas suivants :

  • traitement du signal exceptionnel
  • plages de pression flexibles
  • méthodes de mesure variables (pressions différentielle, relative et absolue)
  • fiabilité exceptionnelle

Le capteur de pression ATM de STS répond à ces spécifications obligatoires avec une plage de pression large, comprise entre 100 mbar et 1000 bar, et une précision de ≤ ± 0,10 % FS. Mais en dehors de ces chiffres, sa capacité de sûreté intégrée et son excellent traitement des signaux représentent également des points cruciaux. La modularité des capteurs STS offre même aux fabricants l’option d’une intégration facile à leurs propres applications internes.

Les transmetteurs de pression STS, ainsi que les capteurs développés en interne par ZELTWANGER, font déjà partie intégrante des dispositifs de la série ZED. Ils excellent tous par leur polyvalence et leur précision. Par exemple, le dispositif ZEDbase+ mesure de façon fiable les pressions relative et différentielle, ainsi que le flux de masse. Les températures enregistrées lors des tests, en fonction de la méthode de test, se sont échelonnées du vide à 16 bars. Avec la pression relative, même des changements de pression très faibles allant de 0,5 à 4 Pa peuvent être détectés. Au-delà de ces prérequis techniques, il existe d’autres arguments importants en faveur de STS : un approvisionnement fiable, complété par une assistance client caractérisée par sa facilité et sa souplesse, sans parler des importants points communs entre les deux entreprises impliquées. Notre objectif collectif consiste à fournir à nos clients des solutions personnalisées qui répondent parfaitement à leurs cahiers des charges les plus exigeants.

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Les moteurs à hydrogène à injection directe peuvent-il remplacer les moteurs turbo-diesel?

Les moteurs à hydrogène à injection directe peuvent-il remplacer les moteurs turbo-diesel?

by | Wednesday, 1 July, 2020 | Hydrogen Applications

Jadis emblématique, le moteur Diesel est aujourd’hui tombé en disgrâce et semble être parvenu au terme de son histoire. Même les grandes villes comme Paris, qui auparavant incitaient l’utilisation du diesel, demandent aux constructeurs l’arrêt de la production des moteurs Diesel d’ici à l’horizon 2025. Bien que cet échéancier semble peu probable, cela témoigne des préoccupations grandissantes des nations face aux problèmes de réchauffement climatique et de pollution atmosphérique.

Pour répondre aux réglementations de plus en plus strictes en matière d’émissions, les constructeurs étudient de nouvelles formes de propulsion, souvent inédites: du tout électrique à l’hybride, en passant par les piles à combustible à l’hydrogène; toutes les solutions sont envisagées.

Les technologies à l’hydrogène suscitent tout particulièrement l’intérêt des chercheurs du monde entier. L’hydrogène est considéré comme un carburant propre qui pourrait bien alimenter les transports de demain.

La principale différence entre l’hydrogène et les hydrocarbures classiques réside dans la grande capacité stœchiométrique de l’hydrogène, allant de 4 à 75 % en volume d’hydrogène dans l’air. Dans des conditions idéales, la vitesse de combustion de l’hydrogène peut atteindre quelques centaines de mètres par seconde. Ces caractéristiques le rendent très efficace lors de la combustion de mélanges pauvres à faibles émissions de NOx.

Quarante ans d’injection à hydrogène

L’injection à hydrogène existe depuis les années 1970 et consiste à injecter de l’hydrogène dans un moteur à combustion interne modifié. Cela permet d’obtenir une combustion plus propre, avec plus de puissance et moins d’émissions.

Les anciens systèmes à basse pression, qui sont encore utilisés de nos jours, injectaient l’hydrogène dans l’air avant de l’introduire dans la chambre de combustion. Mais étant donné que l’hydrogène brûle 10 fois plus vite que le diesel, plusieurs problèmes ont été rencontrés pour augmenter le taux de combustion. Voici les principaux problèmes:

  • Retours de gaz dans le collecteur.
  • Préallumage et/ou auto-inflammation.

Le meilleur moyen de surmonter ces problèmes consiste à installer un système d’injection directe à haute pression qui assure l’injection de carburant dans la course de compression.

 

L’optimisation du processus de combustion grâce à des mesures précises de la pression

Pour ce faire, la caractérisation de l’injection doit être fidèle aux besoins du moteur. Cela ne peut être accompli qu’en collectant les données de test concernant la température (collecteur, gaz d’échappement et liquide de refroidissement), la pression (cylindres/suralimentation, conduite de carburant et injecteurs), les turbulences dans le collecteur et la chambre de combustion, et la composition du gaz.

La formation du mélange, l’allumage et le processus de combustion, sont généralement étudiés à travers deux séries de tests. Le but du premier test est d’obtenir des informations sur la concentration et la distribution transitoires de l’hydrogène au cours du processus d’injection.

Au cours de ce test, une fluorescence induite par laser est utilisée comme technique de mesure principale pour étudier le comportement de l’hydrogène sous compression et à l’allumage. En utilisant une chambre de combustion à volume constant ayant les mêmes dimensions que le moteur Diesel (ce qui implique que le volume dans la chambre de combustion à volume constant est égal au volume dans le cylindre au point mort haut), de l’hydrogène sous pression est injecté dans l’air à travers une soupape à pointeau à commande hydraulique.

En utilisant des capteurs de pression de haute qualité, il est possible d’étudier l’effet de différentes pressions d’injection sur le processus de combustion. L’observation du comportement et du volume des gaz non brûlés permet de réduire considérablement le temps nécessaire pour optimiser le sens et la pression d’injection de différentes buses d’injecteurs.

Et en utilisant un logiciel spécifique, il est possible de déterminer le délai d’allumage, qui dépend de la température et de la concentration d’hydrogène dans l’air à une pression donnée. Il est important que les lectures de pression soient enregistrées avec précision, dans une plage de pressions allant de 10 à 30 MPa.

En outre, cette méthode permet de définir les zones dans lesquelles les jets d’injection provoquent des conditions d’auto-inflammation, ce qui est utile à la mise au point de systèmes d’injection optimisés pour la conversion d’un moteur Diesel vers l’hydrogène.

Lors de récents essais menés par un grand constructeur automobile, la version optimisée d’un moteur à injection d’hydrogène haute pression a montré une augmentation prometteuse de la puissance, une réduction de la consommation de carburant, et un taux de rendement de 42 %. Ces valeurs correspondent à celles des meilleurs moteurs turbo-diesel.

Sur la base de ces résultats, il semble que les travaux d’optimisation de la pression des systèmes à 30 MPa seraient susceptibles d’offrir une source d’énergie propre pour les transports de demain.

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Optimisation de la durée de vie des transmetteurs de pression en contact avec l’hydrogène

Optimisation de la durée de vie des transmetteurs de pression en contact avec l’hydrogène

by | Wednesday, 1 July, 2020 | Hydrogen Applications

Les atomes d’hydrogène sont extrêmement petits. Cela leur permet de pénétrer les matériaux solides selon un processus appelé perméation. Au fil du temps, les transmetteurs de pression peuvent cesser de fonctionner en raison de ce phénomène. Néanmoins, leur durée de vie peut tout de même être optimisée.

Dans les transmetteurs de pression piézorésistifs, la puce du capteur est enveloppée dans un liquide, généralement une huile. Cette partie est à son tour recouverte d’une membrane d’acier très mince, de l’ordre de 15 à 50 µm d’épaisseur. Parce que l’hydrogène présente une dimension atomique minuscule, ce gaz peut se diffuser à travers un réseau cristallin composé de métaux (voir infographie). Petit à petit, cette pénétration du gaz conduit à un décalage du zéro et à une courbure vers l’extérieur de la membrane d’acier. Le capteur de pression devient inutilisable.

Présentation des propriétés de l’hydrogène

Infographie: malachy120///AdobeStock

Les capteurs de pression entrent en contact avec l’hydrogène dans un large éventail d’applications, que ce soit dans la surveillance des réservoirs d’hydrogène, dans les sous-marins ou dans le secteur automobile. Dans ce dernier cas en particulier, l’hydrogène est de plus en plus utilisé dans le développement de systèmes d’entraînement alternatifs. De nombreux fabricants travaillent depuis plusieurs années à la conception de modèles intégrant des piles à combustible, et certaines villes ont d’ores et déjà opté pour des bus à hydrogène dans les transports en commun. Les avantages ne sont pas négligeables, étant donné que seuls l’hydrogène et l’oxygène entrent dans le processus de combustion. Au cours d’une réaction chimique, de l’énergie est produite sous forme d’électricité, avec une production nulle de gaz d’échappement (le produit de la combustion étant de la simple vapeur d’eau). En outre, l’hydrogène, à l’inverse des combustibles fossiles, est accessible en quantités inépuisables. Le développement a déjà fait des progrès importants, et il existe maintenant des modèles qui ne consomment que trois litres d’hydrogène aux 100 kilomètres, tandis qu’il est déjà possible, dans certains cas, de couvrir des distances d’environ 700 kilomètres avec un simple plein de gaz.

Dans cette branche, des transmetteurs de pression de haute précision, capables de contrôler les réservoirs à hydrogène des véhicules, s’avèrent nécessaires. Plus spécifiquement, la pression et la température qui règnent à l’intérieur du réservoir à hydrogène du véhicule doivent être contrôlées. En effet, les pressions peuvent aller jusqu’à 700 bars, et ce sur une large plage de température. Il est bien évidemment impératif que les transmetteurs de pression utilisés assurent leur fonction avec précision pendant une durée longue. Afin d’optimiser la durée de vie des capteurs dans les applications faisant intervenir l’hydrogène, plusieurs facteurs susceptibles d’exercer une influence doivent être pris en compte :

  • Plage de pression: Le débit de gaz qui traverse la membrane du capteur est proportionnel à la racine carrée de la pression de gaz. Une pression 10 fois plus faible va multiplier la durée de vie du capteur d’environ 3 fois.
  • Température: Le débit de gaz qui traverse la membrane du capteur augmente à des températures élevées, et dépend de la constante du matériau.
  • Épaisseur de la membrane: Le débit de gaz est inversement proportionnel à l’épaisseur de la membrane. L’utilisation d’une membrane de 100 µm au lieu de 50 µm d’épaisseur va doubler la durée de vie du capteur.
  • Superficie de la membrane: Le débit de gaz est directement proportionnel à la superficie de la membrane (le carré du diamètre de la membrane). Avec une membrane de Ø 13 mm au lieu de Ø 18,5 mm, la durée de vie du capteur est doublée.

Étant donné que des fluctuations de pression et de température importantes peuvent se produire à l’intérieur des réservoirs à hydrogène des véhicules, la durée de vie des capteurs ne peut pas être influencée par ces deux facteurs. Les facteurs que sont l’épaisseur et la superficie de la membrane ne peuvent également constituer qu’une solution limitée. Bien que la durée de vie puisse être améliorée par ces deux facteurs, l’amélioration n’est cependant pas encore optimale.

Revêtement en or : La solution la plus efficace

La perméabilité de l’or est 10 000 fois plus faible que celle de l’acier inoxydable. Avec le revêtement en or (0,1 à 1 μm) d’une membrane en acier inoxydable de 50 μm, la perméation peut être réduite sensiblement plus efficacement qu’avec un doublement de l’épaisseur de la membrane à 100 µm. Dans le premier scénario, le temps que va mettre un volume critique d’hydrogène gazeux à s’accumuler à l’intérieur du capteur de pression peut être augmenté d’un facteur de 10 à 100, tandis que dans le second cas, ce facteur n’est que de deux. Le pré requis pour cela repose sur des soudures optimisées et sans espaces, ainsi que sur un revêtement le plus exempt possible de défaut.

Image 1: Exemple d’un transmetteur de pression avec revêtement en or

En raison des propriétés de l’or face à la perméabilité de l’hydrogène, STS utilise en standard des membranes d’acier inoxydable revêtu d’or.

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