Les transmetteurs de pression différentielle sont largement utilisés dans les industries de transformation pour effectuer des mesures de pression, de débit et de niveau. En mesure de débit, les transmetteurs de pression différentielle (DP) sont utilisés pour mesurer la différence de pression à travers une restriction, telle qu’un diaphragme ou un tube Venturi.
Dans les applications liées au débit, les deux côtés du transmetteur sont exposés à la pression du procédé, souvent appelée pression de fluide ou pression statique, tandis que la pression différentielle réelle dépend du débit. Dans de nombreuses applications transactionnelles (transfert fiscal) de pétrole et de gaz, la pression de fluide peut être très élevée, tandis que la pression différentielle mesurée peut être relativement faible.
Dans des conditions de terrain, ces transmetteurs de pression différentielle sont normalement étalonnés sans pression de fluide pour des raisons pratiques. Cependant, cela peut introduire de petites erreurs par rapport à leur comportement en fonctionnement en présence de la pression de fluide du procédé. Pour éliminer cette erreur, on peut utiliser la méthode de mesure de l’empreinte.
Dans ce post de blog, nous examinerons de plus près ce qui se passe lorsqu’un transmetteur de pression différentielle fonctionne sous une pression de fluide élevée, comment cela peut influencer les résultats de l’étalonnage, en quoi consiste la méthode de mesure de l’empreinte et comment elle contribue à garantir la précision sur le terrain.
Un transmetteur de pression différentielle mesure la différence entre deux points de pression, communément appelés côté haute pression (HP) et côté basse pression (BP). Le transmetteur convertit cette différence de pression en un signal électrique en mA (ou un signal numérique tel que HART ou Fieldbus) qui représente une variable de procédé telle que le débit, le niveau ou la pression.
Lorsqu'on mesure un débit, le transmetteur est connecté à travers un élément primaire tel qu’un diaphragme, un tube Venturi ou un débitmètre à tuyère. Ces éléments primaires créent une chute de pression qui augmente avec le débit. Le transmetteur de pression différentielle détecte la pression différentielle et, comme le débit est proportionnel à la racine carrée de la pression différentielle, on peut utiliser le signal pour calculer le débit.
Un transmetteur de pression différentielle peut également être utilisé pour mesurer un niveau, par exemple dans une cuve fermée ou sous pression, où il mesure la différence de pression hydrostatique entre le haut et le bas de la cuve. Dans cet article, nous nous concentrerons sur la mesure du débit, qui est l’une des utilisations les plus courantes des transmetteurs de pression différentielle.
Dans de nombreuses applications industrielles liées au débit, les deux côtés du transmetteur sont exposés à la pression de fluide du procédé, souvent appelée pression statique. La pression de fluide peut être de quelques dizaines de bars, ou jusqu’à environ 100 bars (1 450 psi), voire plus de 200 bars (2 900 psi), tandis que la pression différentielle réelle mesurée peut être de dizaines de millibars à quelques centaines de millibars (quelques dizaines à centaines de inH2O), voire jusqu’à 5 bars (2 000 inH2O).
De nos jours, les applications pétrolières et gazières sous-marines les plus extrêmes peuvent avoir une pression de fluide supérieure à 1 000 bars (14 500 psi) !
La combinaison d’une pression statique élevée et d’une pression différentielle relativement faible est typique dans les applications pétrolières et gazières, de raffinage et de production d’énergie. La précision est essentielle dans les mesures transactionnelles. C’est également ce qui rend l’étalonnage de ces transmetteurs plus difficile et le concept de mesure de l’empreinte si important.
Le schéma ci-dessus montre comment un transmetteur de pression différentielle est utilisé pour mesurer le débit avec un diaphragme. La restriction entraîne une accélération du débit et une chute de la pression statique en aval de l’orifice. En mesurant la pression en amont au niveau du robinet haute pression (+) et la pression en aval au niveau du robinet basse pression (-), le transmetteur produit un signal de pression différentielle. L’ampleur de cette chute de pression est liée au débit à travers la conduite selon la relation racine carrée.
Même si un transmetteur de pression différentielle est conçu pour mesurer la différence entre deux pressions sous différentes pressions statiques, la pression statique (de fluide) agissant de manière égale des deux côtés peut tout de même influencer la mesure. Généralement, plus la pression de fluide est élevée, plus elle affecte la mesure.
Cela est dû au fait que les membranes de détection du transmetteur, le fluide de remplissage et la structure mécanique interne sont exposés à la pression de fluide. Lorsque la pression de fluide augmente, les membranes et les composants internes se déforment légèrement, même si la pression différentielle reste la même. Cette petite déformation peut entraîner un décalage de la sortie de l’émetteur.
Concrètement, cela signifie qu’un transmetteur de pression différentielle qui mesure avec précision lorsqu’il est testé à la pression atmosphérique peut présenter une erreur lorsque la pression différentielle est appliquée à une pression de fluide élevée. La différence peut être significative et, dans le cadre d’une mesure transactionnelle très précise du débit, cela peut s'avérer critique.
La valeur et la direction de ce décalage dépendent de la conception du transmetteur, des matériaux, de la plage et même du fluide de remplissage utilisé à l’intérieur des modules de détection. Certains transmetteurs sont également plus sensibles à la pression statique que d’autres.
Par exemple, sous une pression de fluide de 100 bar (1 450 psi), un transmetteur de pression différentielle peut afficher un léger décalage du zéro ou un léger changement d'intervalle de mesure par rapport à son étalonnage dans des conditions atmosphériques. Lorsque ce transmetteur est utilisé ultérieurement dans un procédé où la pression de fluide varie constamment, l’effet de la pression statique peut apparaître comme une petite, mais constante, erreur de mesure.
C’est pourquoi il est important de comprendre comment un transmetteur particulier se comporte dans les deux conditions, avec et sans pression de fluide. C’est là que le concept de mesure de l’empreinte devient précieux, car il vous permet de caractériser et de compenser ultérieurement cet effet.
Dans un monde idéal, l’étalonnage devrait toujours être effectué dans les mêmes conditions que celles dans lesquelles le transmetteur fonctionne. Pour un transmetteur de pression différentielle utilisé dans un procédé avec une pression de fluide élevée et variable, cela signifierait appliquer à la fois la pression de fluide et la pression différentielle pendant l’étalonnage.
Dans la pratique, c'est rarement possible sur le terrain. La plupart des calibrateurs de pression portables ne sont pas conçus pour gérer la pression totale de fluide du procédé des deux côtés du transmetteur en même temps. Pour générer simultanément la pression statique et la pression différentielle, un appareil d'essai à contre-poids différentiel est généralement nécessaire. Ces équipements sont volumineux, lourds et ne conviennent pas à une utilisation sur le terrain, en particulier dans des environnements exigeants tels que les plateformes pétrolières et gazières offshore.
Par conséquent, l’étalonnage sur le terrain est presque toujours effectué sans pression de fluide, ce qui signifie que le côté négatif du transmetteur est mis à l’atmosphère tandis que la pression est appliquée au côté positif pour générer la pression différentielle souhaitée.
Pratique, sûre et rapide, cette méthode fournit des résultats suffisamment précis pour de nombreuses applications. Cependant, pour les transmetteurs fonctionnant sous une pression statique élevée, cela peut entraîner de petites différences entre l’étalonnage effectué sur le terrain et le comportement réel du transmetteur dans le procédé.
Comme nous l’avons vu précédemment, la pression statique peut entraîner de petits changements dans la sortie du transmetteur. Ainsi, lorsque vous l’étalonnez à une pression de fluide nulle, vous ne reproduisez pas les conditions réelles du procédé. Par conséquent, le transmetteur peut sembler précis pendant l’étalonnage, mais il peut présenter des erreurs une fois installé et sous pression dans le procédé.
C’est pourquoi il est utile de comprendre comment le transmetteur se comporte dans les deux conditions. Cette compréhension est acquise grâce à la mesure de l'empreinte, qui fournit une référence permettant l’étalonnage sur le terrain sans pression de fluide pour produire des résultats précis sous pression de fonctionnement réelle.
Pour comprendre comment un transmetteur de pression différentielle se comporte sous la pression de fluide, il doit être testé dans des conditions de laboratoire contrôlées.
L’objectif de ce test est de déterminer comment la sortie du transmetteur change lorsqu’il est exposé à une pression statique (de fluide) élevée par rapport à l’étalonnage à la pression atmosphérique. En d’autres termes, ces tests vous indiquent comment le transmetteur « se comporte » dans des conditions de procédé réelles.
Cette opération est généralement effectuée dans un laboratoire d’etalonnage accrédité équipé d’un appareil d'essai à contre-poids différentiel précis ou d’une autre configuration de haute précision capable d’appliquer simultanément une pression statique et une pression différentielle. L'appareil d'essai à contre-poids permet un contrôle précis des pressions des deux côtés du transmetteur, afin que l’effet de la pression statique puisse être mesuré avec précision.
Lorsqu’un transmetteur de pression différentielle est envoyé à un laboratoire pour mesure de l'empreinte, il est généralement envoyé avec son bloc raccord ou son collecteur raccordé. Le retrait et la réinstallation du bloc peuvent avoir un léger effet sur l’étalonnage. Le fait de maintenir le bloc en place garantit que l’encombrement reflète l’installation réelle du transmetteur et offre la meilleure répétabilité possible une fois qu’il est remis en service.
La procédure comprend généralement les étapes suivantes :
À partir de ces résultats, le laboratoire peut déterminer si la pression de fluide affecte le zéro, l'intervalle de mesure ou la linéarité du transmetteur – ou parfois les trois.
Par exemple, un transmetteur peut afficher un léger décalage du zéro lorsque la pression statique est appliquée, tandis qu’un autre peut également présenter un changement d'intervalle de mesure. Chaque modèle de transmetteur a tendance à avoir sa propre « signature », ou empreinte, soit la manière dont il réagit à la pression de fluide. Selon certains clients de Beamex, même des transmetteurs de la même marque et du même modèle peuvent se comporter différemment.
Une fois cette empreinte connue, il devient possible de prédire le comportement du transmetteur dans ses conditions de fonctionnement. Ces informations peuvent ensuite être utilisées plus tard, lors de l’étalonnage sur le terrain, pour s’assurer que même un étalonnage effectué sans pression de fluide sera précis lorsque le transmetteur sera réinstallé dans le procédé.
Cette photo montre une configuration avec un appareil d'essai à contre-poids différentiel utilisé pour générer à la fois la pression statique et la pression différentielle nécessaires pour mesurer l’empreinte du transmetteur dans un environnement contrôlé.
Photo de Trescal Norway AS. Utilisée avec autorisation.
L’exemple ci-dessus illustre comment un transmetteur de pression différentielle peut se comporter différemment lorsqu’il est étalonné à la pression atmosphérique par rapport à lorsqu'il est étalonné à la pression de fluide avec une pression différentielle identique dans les deux cas. Les deux courbes montrent l’écart par rapport à la valeur idéale dans chaque cas. La différence entre les deux courbes est l'« empreinte » du transmetteur, qui doit être prise en compte lors d’un étalonnage sur site sans pression de fluide. En réalité, il y a généralement aussi une certaine hystérésis dans les résultats, mais pour simplifier, elle n’est pas montrée dans ce graphique.
Une fois que le comportement du transmetteur sous la pression de fluide est connu à partir des tests en laboratoire, ces informations peuvent être utilisées pour améliorer la précision des étalonnages sur le terrain effectués sans pression de fluide. C’est là que les tests en laboratoire effectués antérieurement deviennent vraiment précieux.
Les résultats du laboratoire révèlent comment la sortie du transmetteur change lorsque la pression statique est appliquée. Par exemple, cela peut montrer qu’en dessous de 100 bar (1 450 psi) de pression de fluide, la sortie du transmetteur augmente légèrement, ce qui fait qu’elle est légèrement plus élevée qu’en cas de test à la pression atmosphérique. Un autre modèle de transmetteur peut présenter l’effet inverse ou une combinaison de modification de zéro et d'intervalle de mesure.
Une fois que vous connaissez ce comportement, vous pouvez l’utiliser pour interpréter et ajuster les résultats d’étalonnage sur le terrain. En pratique, cela signifie que lorsque vous étalonnez le transmetteur sur le terrain, vous l’ajustez intentionnellement pour qu’il affiche une valeur légèrement différente de la valeur « parfaite » à une pression de fluide nulle. Ainsi, une fois le transmetteur installé et exposé à la pression de fluide du procédé, sa lecture sera précise.
En d’autres termes, vous l’ajustez/étalonnez pour qu’elle soit légèrement « erronée » afin qu’elle soit correcte dans le procédé.
Dans certains cas, il peut même être nécessaire de régler le transmetteur pour qu’il soit « hors spécifications » sans pression de fluide, afin de s’assurer qu’il sera précis avec la pression de fluide.
Par exemple, si l’empreinte mesurée au laboratoire indique que le transmetteur affiche une valeur 0,05 % trop élevée lorsque la pression statique est inférieure à 100 bar (1 450 psi), l’étalonnage sur le terrain peut être ajusté de sorte qu’il affiche 0,05 % de valeur en moins lorsqu’il est étalonné sans pression de fluide. Après l’installation et la mise sous pression, le transmetteur fournira la valeur correcte dans ses conditions opératoires de fonctionnement.
Cette méthode permet un étalonnage précis et traçable sans avoir à reproduire des pressions de fluide élevées sur le terrain. Elle garantit également la cohérence entre les étalonnages en laboratoire et les étalonnages sur le terrain et garantit que les performances process du transmetteur répondent aux attentes.
Une fois que l’empreinte du transmetteur est connue grâce aux tests en laboratoire, la question suivante est de savoir comment utiliser ces informations dans la pratique.
En théorie, vous pouvez consulter les résultats de la mesure de l’empreinte sur un rapport papier ou une feuille de calcul et appliquer manuellement les décalages nécessaires pendant l’étalonnage. Par exemple, si l’empreinte indique qu’à une pression différentielle nulle, la sortie cible correcte du transmetteur doit être de 4,020 mA, vous devriez considérer 4,020 mA comme votre cible pendant l’étalonnage sur le terrain.
Cependant, dans la vie réelle, cela devient rapidement difficile et sujet aux erreurs. Les techniciens travaillent sous pression et l’ajustement manuel de ces petits décalages est à la fois peu pratique et risqué. Si vous oubliez d’appliquer le décalage ou si vous le calculez de manière incorrecte, le résultat de l’étalonnage ne représentera plus le comportement du transmetteur dans ses conditions de fonctionnement réelles.
Un autre défi est que les transmetteurs peuvent avoir différents types d’effets en fonction de la pression de fluide. Pour certains, l’effet est principalement un décalage du zéro ; pour d’autres, le zéro et l'intervalle de mesure changeront, et parfois la linéarité aussi. La correction requise peut également varier en fonction de la pression différentielle appliquée. Cela signifie qu’un seul décalage statique ne suffit pas, car la valeur correcte peut changer d’un point d’étalonnage à un autre.
C’est pourquoi votre solution d’étalonnage doit comprendre les données de mesure de l’empreinte et gérer ces décalages automatiquement. Idéalement, le logiciel de métrologie industrielle et le calibrateur doivent connaître le comportement attendu du transmetteur à la pression de fluide afin de pouvoir présenter les valeurs attendues correctes et calculer automatiquement l’erreur par rapport à ces valeurs, et non aux valeurs de pression atmosphérique « idéales ».
Par exemple, lors de « l'étalonnage sur le terrain » à une pression différentielle nulle, le calibrateur peut afficher que la valeur attendue est 4,020 mA, et non 4,000 mA. Il calcule ensuite l’erreur par rapport à 4,020 mA, car c’est ce que le transmetteur doit produire une fois qu’il est de nouveau en service sous pression de fluide.
Si vos outils d’étalonnage ne prennent pas en charge cette fonctionnalité, la seule alternative est manuelle : lire le décalage sur un document papier ou une feuille de calcul et l’appliquer vous-même. Cette approche est lente, non homogène et sujette aux erreurs, en particulier lorsqu’elle implique plusieurs transmetteurs ou des empreintes complexes.
L’automatisation de ce processus permet non seulement de gagner du temps, mais améliore également la précision, l’homogénéité et la traçabilité. Cela garantit que les données de mesure de l’empreinte collectées en laboratoire peuvent être utilisées efficacement sur le terrain, transformant la compréhension théorique en précision d’étalonnage pratique.
Dans certains cas d'applications de débit à haute précision, le transmetteur de pression différentielle n’est pas lu à travers sa sortie analogique 4–20 mA mais à travers son signal HART numérique. L’une des raisons à cela est d’éviter des conversions de signaux inutiles. Lors de l’utilisation de la sortie analogique, le transmetteur convertit d’abord sa mesure numérique interne en courant analogique (D/A), puis le système de commande convertit ce courant en valeur numérique (A/D). Chaque conversion ajoute une petite incertitude.
En lisant la mesure du transmetteur sous forme numérique via le protocole HART, ces deux étapes de conversion sont supprimées. Cela réduit l’incertitude globale dans le trajet du signal et aide à préserver la précision du transmetteur, en particulier dans les applications de transfert fiscal ou d’autres situations où même de très petites erreurs dans le signal de débit peuvent avoir un impact financier.
La méthode de mesure de l’empreinte s’applique de la même manière, que la mesure soit prise à partir de la sortie analogique ou de la sortie numérique HART. Cependant, lorsque la sortie numérique est utilisée, le système d’étalonnage doit également comparer la variable de procédé (PV) numérique du transmetteur aux valeurs cibles correctes ajustées à l’empreinte. Une solution d’étalonnage moderne peut gérer cela automatiquement, en guidant le technicien, que la lecture provienne du courant en mA ou de la variable de procédé numérique HART.
Voici quelques autres considérations :
Traçabilité – Comme toujours en métrologie, la traçabilité métrologique formelle de l'étalonnage est indispensable.
Précision – Étant donné que la précision est essentielle dans ces mesures, la haute précision des équipements d'étalonnage est non négociable.
Sécurité – Ces mesures se déroulent généralement dans des zones dangereuses, donc l’équipement d'étalonnage doit être adapté à cet environnement.
Documentation – Les étalonnages doivent être documentés, et au lieu de le faire de manière traditionnelle avec un stylo et du papier, il convient d’utiliser des logiciels de métrologie industrielle et des calibrateurs de documentation.
La mesure de l’empreinte n’est pas seulement un exercice de laboratoire ; c’est une méthode pratique qui aide les professionnels de l’étalonnage à obtenir des résultats précis, fiables et traçables dans des conditions de fonctionnement réelles.
En comprenant comment la pression statique (de fluide) affecte un transmetteur de pression différentielle, les techniciens et les ingénieurs peuvent s’assurer que les étalonnages effectués dans des conditions atmosphériques reflètent toujours le comportement du transmetteur dans le procédé. C'est particulièrement important dans les applications telles que la mesure de débit dans le pétrole et le gaz, le raffinage ou la production d’électricité, où même une petite erreur de mesure peut avoir des conséquences significatives.
L’application de la méthode de mesure de l’empreinte permet :
Lorsqu’elle est associé à des outils d’étalonnage digital modernes tels que ceux qui composent l’écosystème Beamex, l’empreinte devient un élément simple et fiable du processus d’étalonnage. Le technicien n’a plus besoin d’effectuer des corrections manuelles ou de deviner des décalages, et les étalonnages sur le terrain et en laboratoire s’alignent parfaitement.
Je me souviens avoir discuté de ce sujet avec des clients il y a quelques décennies, et il est intéressant que le même défi reste pertinent aujourd’hui. La différence réside dans le fait qu’aujourd’hui, nous disposons des bons outils pour y remédier. La mesure de l’empreinte peut sembler un petit détail, mais pour toute personne travaillant avec des transmetteurs de pression différentielle sous haute pression de fluide, elle peut faire une grande différence en termes de précision et de fiabilité des mesures.
Avec l’écosystème de métrologie Beamex, le concept de mesure de l’empreinte peut être appliqué efficacement et de manière entièrement traçable. L’écosystème Beamex combine des outils d'étalonnage avec un logiciel de métrologie industrielle, vous permettant de capturer, stocker et utiliser les informations de mesure de l'empreinte directement dans votre flux de travail.
Les résultats de mesure de l’empreinte provenant d'un laboratoire d’etalonnage accrédité peuvent être utilisés pour programmer une "fonction de transfert personnalisée" pour chaque transmetteur de pression. Cette fonction guide le calibrateur et l’utilisateur sur les décalages requis et les valeurs attendues pendant l’étalonnage.
En pratique, cela signifie que le technicien n’a plus besoin de vérifier manuellement une table de décalage papier ou d’effectuer des calculs. Le calibrateur et communicateur de terrain avancé Beamex MC6 ou le MC6-Ex (pour zones dangereuses) affiche ce que le transmetteur devrait lire à chaque point d'étalonnage, prenant automatiquement en compte la correction de l’empreinte individuelle. Par exemple, si la valeur attendue à pression différentielle nulle est de 4,020 mA, le calibrateur guide l’utilisateur en conséquence et évalue automatiquement le résultat.
L’écosystème Beamex garantit également que l’ensemble du processus d’étalonnage est entièrement digital et traçable. Les données d’empreinte, les résultats de l’étalonnage et les corrections appliquées sont tous stockés numériquement dans le calibrateur de documentation, d’où les résultats sont transférés au logiciel de métrologie industrielle. Cela garantit l’intégrité des données et aide à maintenir la conformité aux systèmes de qualité, aux normes et aux audits.
Cette combinaison de calibrateurs de haute précision, de logiciels intelligents et de services professionnels facilite la mise en application de la mesure de l’empreinte dans les environnements de laboratoire et de terrain, que vous travailliez dans un laboratoire d’étalonnage, une raffinerie ou même sur une plateforme offshore.
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