Крикун Ярослав Викторович

Факультет Компьютерных Информационных Технологий и Автоматики

Кафедра Электронной Техники

Специальность: Электронные системы

Научный руководитель: к.т.н., доц. Коренев Валентин Дмитриевич

Обоснование и исследование структуры электронной системы измерения расхода питьевой воды в напорных трубопроводах большого диаметра

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3. Technologie des débitmètres électromagnétiques

Авторы: Jean-Noël Staub, Laurence Bergougnoux

Источник: http://www.techniques-ingenieur.fr/book/r2275/debitmetres-electromagnetiques.html

2.1 Éléments constitutifs
2.2 Capteur
2.2.1 Débitmètre électromagnétique avec tube de mesure
2.2.2 Sondes à insertion
2.3 Compensation des variations du courant d’excitation
2.4 Élimination des signaux parasites
2.4.1 Origine et nature des signaux parasites
2.4.2 Démodulateur synchrone (pour l’excitation AC)
2.4.3 Systèmes à champ continu pulsé
2.4.4 Système à excitation double fréquence
2.4.5 Tensions parasites de mode commun. Effets de salissure des électrodes
2.4.6 Débitmètres à électrodes capacitives
2.5 Adaptation du capteur au convertisseur

2.1 Éléments constitutifs

Le capteur est l’élément essentiel, mais il ne peut être utilisé seul pour plusieurs raisons : la tension de débit aux électrodes est faible (elle se mesure en microvolts), il faut d’abord l’amplifier ; en outre, elle doit être débarrassée de signaux parasites qui causeraient une erreur insupportable ; il faut aussi élaborer, à partir de cette tension, un signal représentatif du débit en tenant compte de la valeur du champ dans le tube de mesurage. Ce signal doit être mis sous une forme acceptable pour les instruments indicateurs et enregistreurs. D’autre part, il faut dans certains cas produire le courant d’alimentation des inducteurs aux caractéristiques voulues.

Tous ces éléments ont le caractère commun d’être purement électriques et constituent l’ensemble appelé élément secondaire. Il peut arriver que certains éléments, ou même la totalité du convertisseur, soient fixés sur le capteur, mais cela ne change en rien la nature des choses.

2.2 Capteur

2.2.1 Débitmètre électromagnétique avec tube de mesure

Le corps de l’élément primaire (figure 2) est constitué le plus souvent par un tube en matériau non magnétique, revêtu, s’il en est besoin, d’un isolant intérieur. Ce revêtement intérieur ne doit pas être détérioré par le fluide qui circule dans le tube 3.1

Figure 2 - Vue éclatée d’un débitmètre à champ uniforme constant ; montage à brides

Le champ électromagnétique est engendré par des inducteurs placés en général de part et d’autre du tube. Une culasse en matériau ferromagnétique est souvent disposée autour des inducteurs, tant pour diminuer la réluctance que pour éviter toute perturbation du champ inducteur par des masses ferromagnétiques voisines, et peut-être pour concevoir un champ magnétique produisant le vecteur de valence W souhaité. Une disposition quelquefois employée consiste à utiliser le corps de la conduite en acier comme culasse et à disposer les inducteurs entre le corps de la conduite et le revêtement isolant.

Les électrodes, généralement au nombre de deux, sont situées dans un plan perpendiculaire à l’orientation moyenne des lignes de force du champ magnétique.

Les connexions aux électrodes et le circuit de mesure de la tension aux électrodes sont disposés de manière que la résultante des auto-inductions du champ électromagnétique alternatif sur le circuit des électrodes soit globalement nulle. Un dispositif mécanique ou électrique approprié permet de minimiser la valeur de cette auto-induction en minimisant la surface du circuit électrique projeté sur un plan perpendiculaire à l’induction B (on minimise le flux).

Des électrodes supplémentaires sont quelquefois ajoutées ; elles sont placées assez loin de la zone de mesurage et servent soit à la validation de la mesure 6.2.2, soit à la fixation du potentiel du fluide, afin de minimiser les tensions parasites de mode commun 2.4.5.

2.2.2 Sondes à insertion

Ne nécessitant pas de tube de mesure à revêtement isolant dans le même diamètre que celui de la tuyauterie, les sondes à insertion sont intéressantes, car elles peuvent être utilisées pour une conduite déjà existante, avec un diamètre supérieur à 50 mm.

Au contraire des débitmètres électromagnétiques à manchette où le champ est réparti sur toute la section du tube, les sondes sont à installer sur une section où la vitesse est le reflet de la réalité (figure 3).

Le champ magnétique est concentré sur la section K symétriquement vers la droite et la gauche. La tension V m induite perpendiculairement au champ B, est proportionnelle à la vitesse d’écoulement, et est recueillie par les 2 électrodes E1 et E2.

La mesure de débit peut se faire avec plusieurs sondes (figure 4), pour améliorer la précision :

• dans le cas de longueur droite de tuyauterie insuffisante ; pour ce type de débitmètre, le montage recommandé est : 10 fois le diamètre nominal (DN) en amont, et 5 fois le diamètre nominal en aval ;
• dans le cas de fluides peu homogènes, très chargés, où la vitesse d’écoulement peut varier dans la tuyauterie.

La linéarité d’un tel système est moins bonne que celle d’un débitmètre électromagnétique avec tube de mesure, mais permet néanmoins une mesure de débit dans des conduites de grand diamètre avec un coût beaucoup plus faible que celui des débitmètres à manchette. La meilleure linéarité est obtenue pour un enfoncement de la sonde à D /6 (avec D le diamètre de la conduite).

2.3 Compensation des variations du courant d’excitation

Ainsi qu’il a été exposé au 1.1, le signal de débit est proportionnel au champ magnétique inducteur ; il faut donc soit rendre ce dernier constant en module, soit tenir compte de son intensité dans l’élaboration du signal analogique traduisant la valeur du débit. Dans l’un et l’autre cas, il faut mesurer ou tout au moins repérer la valeur du champ inducteur. Pour ce faire, un signal de référence proportionnel au champ magnétique est engendré soit dans le capteur, soit dans le convertisseur.

Figure 3 - Sonde à insertion

Figure 4 - Installation de plusieurs sondes sur la conduite

Pour obtenir ce signal, le procédé idéal consisterait à installer un capteur de champ parfait à l’intérieur de la zone de mesurage. Cela est impossible, et il faut se contenter des solutions approchées suivantes : mesure du courant par l’intermédiaire d’une résistance ou d’un transformateur d’intensité. Le courant inducteur n’est représentatif du champ que si la réluctance du dispositif de mesurage reste constante.

Par ailleurs, il faut tenir compte du déphasage entre courant inducteur et champ dans la zone de mesurage 2.4.2. La valeur de ce déphasage dépend des caractéristiques du matériau amagnétique utilisé pour le tube et de son épaisseur, des caractéristiques du circuit magnétique lorsqu’il en est employé un, ainsi que des autres éléments de la structure (en particulier des enveloppes, si celles-ci sont en matériau conducteur). Ce déphasage varie donc légèrement avec le type de capteur. Il augmente assez nettement lorsque l’on utilise un tube plus épais pour résister à une pression de service plus élevée.

Ce déphasage dépend bien entendu de la fréquence d’excitation, mais cette variation est peu sensible.

2.4 Élimination des signaux parasites

2.4.1 Origine et nature des signaux parasites

Nous touchons là le cœur du problème en matière de mesure de débit par débitmètre électromagnétique.

Ces tensions ont des origines différentes ; elles peuvent être liées à la technologie du capteur ou de l’élément convertisseur et présenter alors un caractère irréductible ou dont la réductibilité est conditionnée par un progrès technologique non encore acquis, ou bien provenir de l’environnement (tensions appliquées au fluide ou aux instruments, inductions électromagnétiques à fort niveau, inductions radioélectriques, etc.).

Mais, plus que leur origine, leur nature est importante ; il faut distinguer :

• les tensions périodiques synchrones du champ inducteur, tensions qui se décomposent en tensions en phase avec le signal de débit et tensions en quadrature avec lui ;
• les tensions périodiques non synchrones du champ inducteur ; le degré de nuisance de ces tensions est lié à leur fréquence ;
• les transitoires à spectre de fréquence large.

Les possibilités d’élimination dépendent bien évidemment du niveau des tensions parasites.

En ce qui concerne les tensions parasites qui ont leur origine dans le site sur lequel l’appareil est installé, on pourra définir une valeur de niveau du parasite au-dessus de laquelle le fonctionnement de l’instrument est compromis. On ne sera donc pas surpris que parmi les moyens figurent des règles d’installation 6.2 qui ont pour but de ramener le niveau des nuisances au-dessous de ce seuil.

La tension parasite synchrone en phase avec la tension de débit présente les mêmes caractères que celle‐ci et ne peut en être distinguée.

La tension en quadrature est éliminée en se servant d’un critère de phase.

Indépendamment de leur nature, le mode d’introduction des tensions parasites est important. Le progrès décisif qui a permis l’utilisation pratique du débitmètre électromagnétique est l’utilisation d’une structure électrique symétrique pour le capteur et pour l’entrée de l’amplificateur.

L’amplificateur n’amplifie normalement que la tension appliquée entre les deux entrées (cette tension est dite de mode série ou encore différentielle) et rejette les tensions appliquées entre la terre et l’une ou l’autre entrée (ces tensions sont dites de mode commun ou parallèle). La réjection des tensions parasites de mode commun n’est pas infinie : on caractérise la réjection de mode commun par le rapport des signaux de modes commun et série qui produisent le même signal en sortie. Cette réjection peut atteindre 120 dB par l’utilisation d’amplificateur d’instrumentation intégré présentant une forte impédance d’entrée.

2.4.2 Démodulateur synchrone (pour l’excitation AC)

Il existe dans tout débitmètre un organe qui transforme le signal de débit alternatif en signal continu, de manière que ce signal continu soit proportionnel au signal de débit à tous les niveaux depuis le zéro jusqu’au niveau maximal. La tension recueillie aux électrodes est de la forme :

U = - dФ/dt = - S•dB/dt - B•dS/dt

avec Φ flux magnétique à travers la surface S (S étant le vecteur surface, S = Sn où n est la normale orientée à la surface). B•dS/dt = B•D•V est le signal utile et le terme - S•dB/dt est un signal parasite éliminé par l’utilisation d’un démodulateur synchrone.

Le fonctionnement du démodulateur peut se réduire à une inversion de polarité commandée par la polarité d’un signal de contrôle.

Pour profiter de l’avantage du débitmètre électromagnétique d’être sensible au signal de débit, il faut que le démodulateur soit sensible à la différence de phase entre le signal recueilli et le champ inducteur. Comme la phase du signal de référence 2.3 est en relation constante avec le champ inducteur, c’est la phase du signal de référence qui définit celle du signal de contrôle.

Le redressement peut être réalisé par un démodulateur synchrone ou échantillonneur-additionneur.

Les démodulateurs modernes sont intégrés au sein du convertisseur et pilotés par le microprocesseur qui permet un choix optimal de la fréquence du champ et un filtrage numérique. L’introduction du microprocesseur a permis une amélioration considérable des performances des débitmètres électromagnétiques. Le système de redressement est complété par un filtre qui élimine, ou tout du moins réduit, les composantes alternatives présentes dans le signal redressé. C’est ce filtre qui définit la constante de temps minimale de l’instrument. La nécessité d’avoir un filtre efficace conduit à une constante de temps nettement supérieure à la période du champ.

Le démodulateur synchrone élimine donc les tensions d’auto-induction en provenance directe du champ inducteur.

Le démodulateur n’apporte que peu de protection à l’égard des signaux parasites transitoires, tels que ceux résultant du passage de bulles au droit des électrodes ou d’actions électrochimiques violentes au niveau des électrodes.

On retiendra de cette analyse que le démodulateur synchrone peut, en dépit de ses qualités, être pris en défaut et qu’il est essentiel de minimiser les tensions parasites appliquées à celle-ci.

2.4.3 Systèmes à champ continu pulsé

On a représenté (figure 5a ) une forme de champ inducteur dit à courant continu pulsé, qu’il est assez facile de produire, constitué par des paliers reliés par des parcours ascendants et descendants.

La fenêtre d’échantillonnage (figure 5b ) est ouverte pendant des fractions de la période au cours desquelles le champ est constant. On escompte que lorsque le champ est constant il n’y a pas d’induction parasite. Ce n’est pas tout à fait vrai parce que le régime transitoire n’est pas tout à fait éteint. Ces systèmes de mesure sont généralement utilisés dans des convertisseurs à microprocesseur et la conversion de la tension analogique en numérique se fait par le comptage des impulsions émises par un convertisseur tension-fréquence dans la fenêtre d’échantillonnage.

Les fabricants de systèmes à courant continu pulsé l’appellent quelquefois système à zéro compensé (car il est possible de mesurer la tension aux électrodes lorsque le courant d’excitation est nul). Cette appellation ne doit pas induire en erreur : ce procédé a permis d’améliorer remarquablement la stabilité du zéro, ce qui a fait de lui le système le plus utilisé des principes d’excitation. Mais il reste toujours sensible aux bruits électrochimiques qui apparaissent occasionnellement à la surface des électrodes dans un fluide contenant des particules solides qui n’ont pas la même conductivité que le fluide.

Figure 5 - Excitation à courant continu pulsé

2.4.4 Système à excitation double fréquence

La technique d’excitation à courant continu pulsé réalise une bonne stabilité de zéro grâce à un long temps de réponse qui compense les bruits de l’alimentation et les parasites.

L’excitation double fréquence a été développée pour résoudre les problèmes rencontrés par les excitations AC et courant continu pulsé. Dans ce type d’excitation, le champ magnétique a une composante haute fréquence (75 Hz) superposée à une basse fréquence (6 Hz), figure 6a. Le signal ne subit donc pas l’influence du bruit à basse fréquence produit par les réactions électrochimiques, les viscosités élevées et/ou les liquides à faible conductivité.

Le signal induit, qui est fonction linéaire du débit, a les mêmes composantes en fréquence (figure 6b ). Les deux composantes du signal sont traitées par deux modules différents avec des filtres passe-haut et passe-bas. L’addition de ces deux signaux permet d’obtenir un signal de débit exempt de bruit introduit par les fluides tendant à se solidifier ou à adhérer, avec une excellente stabilité du zéro et une grande rapidité de réponse aux variations de débits. Le traitement du signal s’effectue selon la figure 6c.

Sur la voie fréquence basse, le signal d’entrée est démodulé comme un signal basse fréquence, puis passe dans un filtre passe‐bas ayant une constante de temps longue, ce qui permet d’obtenir un signal de débit stable et régulier. Sur la voie haute fréquence, le signal est conditionné par un échantillonnage haute fréquence, puis est introduit dans un filtre passe-haut présentant la même constante de temps que le filtre passe-bas.

Le bruit de salissure des électrodes a une fréquence basse, puisque le potentiel électrochimique des électrodes varie très lentement. Ce bruit est supprimé par une grande constante de temps du filtre passe-bas. L’immunité aux bruits du fluide est un des avantages de l’excitation double fréquence, dont on peut dire aussi qu’elle présente une bonne stabilité du zéro et un temps de réponse court.

L’excitation double fréquence associée à un revêtement céramique du tube de mesure et à des électrodes constituées d’un cermet de platine-alumine permettent que la précision (0,5 % du débit) demeure très élevée sur une large étendue de mesure.

2.4.5 Tensions parasites de mode commun. Effets de salissure des électrodes

Si les impédances du circuit des électrodes sont bien égales, la symétrie est parfaite, et c’est seulement à cause de l’imperfection de l’amplificateur que les tensions parasites de mode commun apparaissent dans le signal de sortie. Une protection de 80 dB est chose commune et une protection de 120 dB est possible 2.4.1.

On est amené, pour vérifier l’insensibilité de l’amplificateur aux tensions externes, à employer des tensions d’essai assez élevées ; une valeur maximale de 50 V (valeur efficace) est assez communément spécifiée (quelquefois plus). Il faut toutefois prendre garde à ce qu’un amplificateur à grand gain conçu pour amplifier des tensions faibles ne perde ses qualités si la tension qui lui est appliquée, fût-ce en mode commun, dépasse un certain niveau (de l’ordre de quelques volts). C’est la raison pour laquelle il faut, par des dispositions adéquates d’installation, minimiser les tensions de mode commun appliquées.

La réjection de mode commun peut être gravement détérioriée si les impédances du circuit des électrodes cessent d’être symétriques. Si les électrodes se salissent, leurs impédances risquent de devenir différentes et les courants de mode commun s’écoulant vers l’amplificateur deviennent différents ; il apparaît alors à l’entrée de l’amplificateur une tension de mode série proportionnelle au déséquilibre des courants.

Il ne faudrait pas conclure de cette investigation des causes d’erreur que le débitmètre électromagnétique est un instrument instable. Dans la mesure où les causes sont connues, elles peuvent être minimisées. C’est ainsi que l’on sait réaliser des débitmètres à basse fréquence suffisamment affranchis de dérive de zéro pour que le réglage de zéro fait en usine se conserve sur le site d’installation, à condition toutefois que les liquides mesurés dans l’un et l’autre cas n’aient pas de trop grandes disparités.

Figure 6 - Excitation double fréquence (doc. Yokogawa)

2.4.6 Débitmètres à électrodes capacitives

Le vecteur de valence W d’un débitmètre électromagnétique peut être considérablement amélioré par l’utilisation d’électrodes larges. Des électrodes de grandes surfaces de contact ne peuvent être utilisées pour des produits industriels parce qu’il se pose des problèmes de salissure. Les avantages d’électrodes de grande taille sans problème de salissure peuvent être obtenus avec des électrodes capacitives.

Considérons le cas d’une ligne électrodes-amplificateur de longueur nulle. Lorsque l’impédance d’entrée de l’amplificateur est très élevée, on peut disposer une impédance en série sur chaque électrode sans changer le résultat de la mesure. Si l’électrode est isolée par une pellicule assez mince, celle‐ci constitue un condensateur de capacité suffisamment forte pour que l’impédance série ainsi introduite ne soit pas la cause d’une erreur d’adaptation. Un débitmètre électromagnétique peut donc fonctionner dans ces conditions.

La capacité de l’électrode elle-même par rapport à la masse du capteur est de l’ordre de grandeur de la capacité série et serait une cause d’erreur si des dispositions spéciales n’étaient pas prises pour annuler son effet.

Un tel système est plus complexe qu’un dispositif à électrodes nues. Il est plus délicat à protéger de certaines tensions parasites. Par contre, il présente l’avantage de ne pas mettre le métal des électrodes en contact avec le fluide. Il peut s’employer en milieu chimiquement agressif et supprime les tensions parasites nées de l’attaque des électrodes.

Les électrodes capacitives sont employées aussi pour se prémunir contre les effets de la salissure des électrodes.

Les électrodes capacitives présentent indiscutablement l’avantage de supprimer la période de formation électrolytique des électrodes métalliques, période au cours de laquelle des tensions fluctuantes de grande amplitude sont superposées au signal d’électrodes et peuvent saturer l’amplificateur.

2.5 Adaptation du capteur au convertisseur

Même si le capteur et le convertisseur ont été conçus pour fonctionner ensemble, le fonctionnement correct nécessite un certain nombre d’adaptations ou de réglages. Le signal de référence est de même nature pour tous les capteurs destinés au même type de convertisseur, mais il n’est pas forcément de même grandeur ; il faut donc :

• ajuster l’amplitude du signal de référence à ce qui peut être accepté par le convertisseur ;
• ajuster la phase du signal de référence par rapport à celui du débit, de manière que la démodulation du signal de débit soit parfaitement synchrone dans le cas d’une excitation AC et réduire la surface du circuit des électrodes pour minimiser la tension d’auto-induction dans le cas d’une excitation à courant continu pulsé ;
• ajuster le gain du convertisseur en fonction de la sensibilité propre du capteur pour l’étendue d’échelle désirée ; en effet, deux capteurs de même type et de même diamètre n’ont jamais des coefficients identiques : la différence peut être de 1 à 5 % suivant les précautions prises et le type de capteur.

Pour éviter des adaptations individuelles, l’ajustage de phase et l’ajustage d’amplitude peuvent être logés dans chaque capteur et faits une fois pour toutes en usine, de manière que l’élément secondaire n’ait à traiter qu’un seul type de signal normalisé en phase et en amplitude. Cela n’empêche pas de conserver dans l’élément secondaire un réglage de l’étendue d’échelle.

Il faut retenir, en résumé, que le remplacement de l’élément primaire ou d’un élément secondaire dans un ensemble de mesure nécessite, si l’on veut conserver une certaine précision, un ajustage d’amplitude et éventuellement de phase en fonction d’une mesure de quotient en courant alternatif. L’opération se simplifie lorsque l’élément remplacé est de même type que le précédent. Même dans ce cas favorable, un tel remplacement conduit à une perte de précision, car l’incertitude de la mesure électrique lors de l’ajustage vient augmenter l’erreur. Il est donc préférable, dans un tel cas, de procéder à un réétalonnage lorsqu’on en a la possibilité.

C’est la raison pour laquelle les organes d’ajustage du gain sont très souvent logés dans l’élément secondaire, car lors d’un réétalonnage leur retouche est plus aisée.