Comment optimiser son système d’écoulement

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Optimiser son système d’écoulement

Les appareils ALICAT, permettant la mesure et le contrôle du débit massique et de la pression, proposent des solutions personnalisées pour toute une panoplie de matériaux et sous des conditions variées. Afin de pouvoir optimiser son système d’écoulement, il est nécessaire de prendre en compte certains facteurs et de bien les comprendre. Voici les principaux :

  • La plage de débit
  • Le fluide
  • Le dimensionnement de la vanne
  • Le réglage PID
  • Le temps de réponse
  • Les conditions environnementales
  • Les différentiels de pression

Cet article détaille chacun de ces éléments et propose et donne des solutions afin d’ajuster chacune de ces variables. Le meilleur moyen de s’assurer que votre appareil ALICAT soit correctement configuré et optimisé et de contacter l’un de nos ingénieurs d’application.

 

Plage de débit: la limite de vitesse

Les appareils à débit massique ALICAT proposent différentes plages de débit en fonction de votre application. Le fait de connaître la plage de débit adéquate pour votre application vous permettra de sélectionner le meilleur débitmètre ou régulateur pour votre système. Ceci s’applique à toutes les appareils pour gaz et liquide, mais aussi aux régulateurs de pression pour le choix du dimensionnement adéquat de la vanne.

Idéalement, la plage de mesure pleine échelle du débit ou de la pression de votre appareil devrait correspondre au débit le plus important que vous devez être capable de mesurer.  ALICAT offre une plage de débit personnalisable lors de l’achat de votre appareil pour vous doter de la meilleure précision et du meilleur contrôle sur la pleine échelle de mesure de l’appareil. Si votre appareil est réglé sur une plage supérieure ou inférieure à ce qui est requis par votre système, vous serez incapable d’effectuer une mesure adéquate.

Dans certaines applications le débit est trop large pour un seul appareil. C’est un problème peu fréquent pour les appareils ALICAT qui offre une dynamique de mesure de l’ordre de 200:1.C’est 4 fois plus que des appareils industriels standards présentant une dynamique de mesure de l’ordre de 50:1.

Par exemple, imaginez que vous ayez besoin d’un débitmètre massique de 50 Nlpm (litres normaux par minute) pour mesurer vos débits les plus élevés. Néanmoins, votre application nécessite également que vous soyez capable de mesurer un débit de 0,30 lnpm (300 cm3/mn) comme limite inférieure. Cela signifie que l’appareil devrait être capable de mesurer un débit 150 fois plus petit que la plage de mesure pleine échelle. En-dessous (ou au-dessus) de la plage de débit spécifiée, votre appareil pourrait détecter le débit, mais puisqu’il se trouve en-dehors des spécifications, les chiffres obtenus ne pourraient pas être scientifiquement validés.

Avec une dynamique de mesure de l’ordre de 50:1 tels que sur les appareils classiques, afin de couvrir l’ensemble des nécessités de mesure de votre application, vous seriez obligé d’acheter deux débitmètres En revanche, seul appareil ALICAT présentant un taux de 200:1 est capable de couvrir l’ensemble de votre plage de débit tout en demeurant conforme aux spécifications. La spécification de précision standard pour un appareil de débit de gaz ALICAT est de ± (0,8% du relevé + 0,2% de la plage de mesure pleine échelle). Un étalonnage de grande précision est également disponible. Les deux plages de précision offrent une dynamique de mesure de l’ordre de 200:1, ce qui vous permet d’économiser du temps sur l’installation et de réduire vos coûts.

Si vous avez besoin de bénéficier d’une dynamique de mesure plus élevée, tel que 1000:1, vous pouvez raccorder en chaîne deux ou trois débitmètres ALICAT pour couvrir totalement la plage de débits que vous mesurez.

DÉTERMINATION DU DÉBIT

Que se passe-t-il si vous ne connaissez pas le débit de votre système?

Faites appel à la loi des gaz parfaits:

PV=nRT

Vous pouvez obtenir l’équation suivante pour calculer le débit volumique à partir d’un test de perte de charge:

Formula for calculating volumetric flow rate

Où:

Q = Débit volumique
V = Volume du système sous pression
Pdifferential = Différence de pression en PSI
t = Temps
Patm = Pression atmosphérique standard [14.696 PSIA]

Pour réaliser ce test, vous devez pressuriser votre système à votre pression de test, et observer combien de temps est nécessaire pour faire baisser la pression d’une quantité donnée. Assurez-vous que vos relevés de pression soient réalisés dans les mêmes unités de mesure, et que vos unités de volume et de temps soient exprimées dans les mêmes que celles exprimées pour le débit volumique que vous souhaitez obtenir.

Il est important de connaître le fluide que vous faites circulez

Bien que cela ne soit pas le cas avec les débitmètres et les régulateurs ALICAT, de nombreux dispositifs de mesure de débit massique sont étalonnés pour un seul gaz et une seule condition de température et de pression (STP). Dans de tels cas, l’incertitude quant à la précision augmente si l’on doit modifié le gaz étalonné ou les conditions de fonctionnement. Si certains appareils offrent effectivement une sélection de gaz, le résultat n’est pas toujours équivalent à un réétalonnage à part entière: en effet ces appareils ne fournissent généralement qu’un seul point (facteur K), qui ne tient pas compte de l’ensemble des variations de viscosité, de densité et de compressibilité pour le débit volumétrique des gaz soumis à des températures et pressions variables. Prenez soin de lire les spécifications des appareils pour prendre en compte l’introduction d’un degré d’incertitude de mesure supplémentaire lors d’un changement de fluide, ou lorsque les conditions de température et de pression s’éloignent des conditions normales ou standards.

En revanche, les appareils ALICAT sont beaucoup plus flexibles et offrent la possibilité de changer le gaz qui circule sans que cela réduise la précision des mesures. Les dispositifs ALICAT stockent les modèles internes pour les propriétés physiques (viscosité, compressibilité et densité) de chaque gaz en fonction d’à la fois la température et la pression.

Vous pouvez facilement changer le gaz étalonné depuis  le panneau d’affichage en sélectionnant le gaz ou le mélange de gaz personnalisé que vous utilisez (sans que cela fasse intervenir de facteurs K).

La condensation liquide ou toute autre infiltration entraînerait des dommages voir détruirait la plupart des appareils à débit massique de gaz. Bien que ce ne soit pas fatal pour un appareil ALICAT de par sa construction robuste, ce n’est tout de même pas une situation idéale. Mais, parfois c’est inévitable. Si la condensation ou l’infiltration de liquide est en effet un risque important dans votre système d’écoulement, la série MS / MCS d’ALICAT reste le choix idéal, laquelle est équipée d’un capteur en acier inoxydable 316 capable d’absorber l’humidité et les gaz agressifs tels que l’ammoniac, l’hydrogène sulfuré et les gaz réfrigérants, et bien plus encore. Si vous constatez que le gaz se concentre dans votre application, notre équipe d’assistance peut vous conseiller sur les mesures à prendre pour minimiser la condensation dans le débitmètre ou le régulateur.

SÉLECTION DU GAZ ET CONSERVATION DE LA PRÉCISION

Au travers du firmware GAS SELECT™, nous avons préchargé les étalonnages des gaz les plus couramment utilisés dans de nombreuses applications:

  • 21 gaz purs
  • 19 mélanges de gaz de bioréacteur
  • 14 gaz corrosifs purs
  • 15 gaz respiratoires
  • 12 mélanges de gaz combustible
  • 18 réfrigérants
  • 2 gaz de chromatographie
  • 3 mélanges de concentrateur d’oxygène
  • 14 mélanges de gaz de soudage
  • 6 mélanges de gaz de combustion/cheminée
  • 6 mélanges de gaz laser

Et si le gaz que je fais circuler ne figure pas sur la liste de gaz préchargée?

Veuillez nous contacter afin que l’on puisse savoir si nous possédons des données sur votre gaz spécifique, le cas échéant, nous pourrions être en mesure d’ajouter ce gaz à la liste préchargée. Nous cherchons constamment à élargir la liste des gaz que nos appareils peuvent faire circuler, à condition qu’ils soient compatibles avec les matériaux en contact avec le fluide présents sur nos appareils.

Floodgates: Dimensionnement de la vanne

Il est possible de sélectionner la vanne de régulation proportionnelle sur nos régulateurs de débit massique et de pression ALICAT vous dotant ainsi du maximum de contrôle sur votre appareil. La vanne contrôle activement la valeur de consigne soumise à l’appareil.

Étant donné qu’une taille inadéquate de vanne peut conduire à l’inefficacité de votre processus, il est important de déterminer la taille idéale de la vanne selon votre application. Si une vanne est trop petite, votre processus ne se stabilisera pas rapidement, et le débit saturera peu importe la pression d’alimentation que vous cherchiez à donner. Avec une vanne trop grande, le moindre ajustement de la position de la vanne affectera la stabilité et le contrôle de votre système. En fournissant à notre équipe d’assistance les conditions de pression d’entrée et de sortie ainsi que le débit attendu, vous pouvez nous aider à sélectionner la vanne la plus appropriée pour votre régulateur de débit massique ou votre régulateur de pression à même de vous offrir la meilleur comportement pour votre système. Nous proposons toute une panoplie de tailles de vannes afin de s’adapter aux conditions de plage de débit et de pression les plus variées.

PID: Correcteur « proportionnel, intégral, dérivé »

Que vous attribuiez pour la premier fois une valeur de consigne à votre nouveau régulateur de débit massique ALICAT ou que vous intégriez un régulateur de pression ALICAT dans un nouveau système (le régulateur PID ne s’applique pas aux débitmètres), votre appareil peut avoir besoin de quelques ajustements afin d’atteindre la plus grande stabilité de contrôle. Dans nos laboratoires, nous sommes en mesure de permettre ses ajustements selon les conditions d’application que vous nous énoncez afin que l’appareil puisse offrir un contrôle optimal lors de sa mise en service. Si votre appareil est utilisé pour une autre application, les profils du régulateur PID des appareils ALICAT sont également modifiables par l’utilisateur, il devient donc inutile de le renvoyer en usine pour optimiser le comportement de la vanne de régulation.

Nos régulateurs à double vanne, les séries MCD et PCD, utilisent les actions PID (proportionnelle, intégrale, dérivée), mais ils les utilisent différemment que dans un algorithme traditionnel. Nous utilisons un algorithme spécial PD2I créé par ALICAT qui incorpore une fonction prédictive dans l’algorithme. C’est pourquoi les méthodes standard de réglage PID ne fonctionneront pas pour ces appareils. L’algorithme PD2I est plus complexe et les régulateurs à mono-vanne n’en bénéficient généralement pas. Nous vous recommandons de rentrer en contact avec l’un de nos ingénieurs d’application ALICAT si vous rencontriez des difficultés à régler un régulateur de la série PCD ou MCD.

Lorsque vous nous fournissez les pressions d’entrée et de sortie que vous souhaitez lors de la commande, nos techniciens adaptent l’appareil de manière à ce qu’il puisse répondre de manière optimale à ces conditions, vous dotant ainsi d’un appareil entièrement personnalisé dès sa mise en service.

AJUSTER VOS PARAMÈTRES PID

Les problèmes les plus courants rencontrés par les utilisateurs sont les oscillations autour du point de consigne. Ceci est dû à une correction excessive imputable aux actions P et D.

Le correctif typique est:

  • Ne touchez pas à l’action D et diminuez l’action P.
  • Si les deux actions sont bien équilibrées, la variable du processus convergera rapidement vers la valeur de consigne.
  • Vous pouvez réduire l’action P au delà de ce qui est nécessaire, entraînant de nouvelles oscillations, c’est à dire dans un état où les actions P et D sont déséquilibrées.

Deux types de vitesse de réponse

Temps de réponse

Comme cela est indiqué sur les spécifications de nos notices techniques, nos débitmètres massiques ont un temps de réponse de 10 millisecondes. Le temps de réponse (ou temps de latence) correspond  au temps nécessaire pour un dispositif de mesure afin de détecter un changement de débit. Nos appareils disposent donc d’un temps de réponse bien plus rapide que la plupart des débitmètres communément proposés sur le marché, lesquels proposent des temps de réponses situés entre 100 ms à 500 ms. Sur nos appareils ALICAT, les changements de débit sont signalés à l’écran à la vitesse du bus totale, soit 10 ms.

Si vous utilisez le protocole de communication RS-232 ou RS-485, vous pouvez transmettre les données recueillies depuis l’appareil. Le temps de transmission de ces données et supérieur au temps de réponse, mais elles s’actualisent à vitesse constante d’environ 50 millisecondes par paquet. Ce taux de rafraîchissement peut quelque peu varier selon votre configuration matérielle et logicielle. Si vous le souhaitez, vous pouvez également ajuster vous-même le débit en modifiant les registres internes sur le périphérique ou en supprimant des champs de la trame de données reportée, comme illustré ci-dessous.

Optimisation de votre flux de données pour des mises à jours plus rapides

Alicat serial data frame for 5v and 6v

Ci dessus est ce qu’indique typiquement la trame de données, soit une instance de données reportée, à partir d’un appareil ALICAT. Chaque champ (le paramètre associé à la pression absolue correspond à un champ, le paramètre de température est un champ, etc) augmente la durée nécessaire à la transmission de la trame. En supprimant les paramètres inutiles, vous pouvez accélérer la vitesse à laquelle l’appareil transmet les trames de données d’environ 5 ms par champ supprimé. Nous proposons un guide plus détaillé à ce sujet dans le jeu de commandes et les fonctions de registre, lesquels sont disponibles sur demande.

Le temps de réponse de contrôle

Le temps de réponse de contrôle correspond au temps nécessaire à un régulateur de débit massique ou à un régulateur de pression pour atteindre une valeur de consigne donnée ou pour récupérer le contrôle suite à des changements de débit ou de pression produits en amont. Un régulateur ALICAT atteindra typiquement votre valeur de consigne en moins de 50 ms avec un réglage approprié, ce qui est très performant face à des produits similaires présentant des temps de réponse de contrôle pouvant aller jusqu’à 3 secondes.

Le temps de réponse de contrôle dépend de quelques facteurs importants, notamment le temps de la vitesse du temps de réponse du capteur, de la vanne et du réglage PID (régulateur proportionnel, intégral, dérivé). Le temps de réponse du capteur est simplement la vitesse à laquelle le capteur détecte un changement. Le temps de réponse de la vanne est la vitesse à laquelle la vanne réagit, ce qui dépend des propriétés électromécaniques de la vanne avec laquelle vous travaillez. Le réglage PID est un facteur qui peut être optimisé par ALICAT avant l’achat et facilement personnalisable comme cela est indiqué dans la section « Réglage PID ».

Cette vidéo montre le temps de réponse de contrôle d’un régulateur de débit massique ALICAT en exercice:

 

L’impact environnemental sur votre processus

De nombreux constructeurs de dispositifs à débit massique permettent la mesure du débit et de la densité en assumant qu’il existe des conditions standards de pression et de température. Cependant, si ces facteurs environnementaux, que sont la pression et la température, ne sont pas pris en compte et si aucun  ajustement adéquate n’est pris en conséquence, ceux-ci peuvent avoir des effets indésirables sur les résultats de votre processus d’écoulement. La pression ambiante peut ainsi affecter votre procédé: par exemple, lors d’un test d’étanchéité pour détecter de possibles fuites vers l’atmosphère dans un laboratoire, si quelqu’un ouvre une porte ou si l’air conditionné s’arrête, alors un débitmètre massique, un régulateur de débit ou de pression ne détectera pas donc ne compensera pas les changements de pression à moins de recevoir les corrections d’information de pression appropriées en boucle fermée. De même, un appareil en cours de test peut être affecté par des changements de température dans une pièce, le débitmètre ou régulateur de pression ne sera alors pas « conscient » des changements de ce facteur externe.

Il est parfois possible d’apporter des ajustements au processus d’écoulement pour prendre en compte les effets environnementaux. Par exemple lors de la mesure de débits très faibles, l’appareil de débit pourra enregistré ces changements d’environnement lors de leur apparition. Vous pourriez également chercher à  isoler le processus pour réduire l’impact de ces variations. Si vous constatez l’introduction d’erreurs liées à la température, vous pouvez placer un boîtier d’isolation à température contrôlée autour de l’appareil testé afin d’annuler les changements de température dans la pièce ou les changements de température dits «fuites fantômes».

Par défaut sur un appareil ALICAT, le STP (les conditions de température et de pression standards) est réglé sur 25 °C et 14.696 PSIA à moins que vous demandiez une configuration personnalisée. L’appareil supporte également les réglages aux conditions normales de température et de pression (NTP). Si vos conditions standards ou normales venaient à différées de celles attendues, vous pouvez facilement modifier votre STP ou votre NTP via les menus du panneau d’affichage.

Pour obtenir le débit massique, nous utilisons l’équation suivante, et la température est exprimée en degré Kelvin.

Formula for calculating mass flow

 

Il est toujours judicieux de travailler aussi près que possible des conditions de température et de pression standards (STP) afin de s’assurer que la mesure du débit soit la plus précise possible. Cependant, en choisissant un appareil ALICAT, ce problème se pose beaucoup moins car les variables environnementales sont plus facilement contrôlées.

Entrée VS sortie: les différentiels de pression

La différence de pression entre le point d’entrée et le point de sortie est ce qui conduit votre flux au travers de votre appareil. C’est donc l’un des paramètres les plus déterminants dans un dispositif de débit massique. En effet, nos dispositifs de débit massique se basent sur la mesure de la pression différentielle afin de déterminer le débit.

Il est important que le différentiel de pression ne soit pas trop important pour ne pas endommager le capteur: Si vous deviez faire circuler votre fluide avec une différence de pression entre l’entrée et la sortie de l’appareil supérieure à 75 PSID, nous vous recommandons d’installer un orifice calibré au niveau du point de sortie du dispositif de débit massique. Une autre technique d’atténuation de cette différence de pression consiste à programmer votre système pour qu’il atteigne la pression souhaitée (et puis qu’il dépressurise) par palier de 15 à 20 PSIG.

À l’inverse, si votre pression différentielle est faible, vous pouvez utiliser un débitmètre ou régulateur à faible perte de charge comme nos appareils de la série Whisper.

Nos régulateurs de débit massique possèdent une vanne de régulation proportionnelle qui réduit la pression nécessaire pour maintenir le valeur de consigne donnée. Les différentiels de pression sont donc moins critiques dans le cas des régulateurs. Dans la plupart des cas, la vanne sera sensible aux pertes de charge plus que le capteur lui-même. Cela permet donc de contribuer à atténuer les différences de pression qui peuvent endommager un capteur.

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