Les articles de blog sur la régulation du débit les plus populaires en 2019

Quel article de notre blog a été le plus amusant, le plus utile, le plus captivant ou le plus intéressant en 2019 ? Lynn nous dévoile le top 5 des articles les plus populaires.

Lynn Woerts
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Quelques jours après le début de la nouvelle année, les projets et objectifs pour cette année commencent à prendre forme. Dans cette optique, il est temps de faire un bref bilan de l’année dernière. Par exemple, quels objectifs avons-nous atteints ? Quel article de blog a été le plus amusant, le plus utile, le plus captivant ou le plus intéressant pour vous ? D’ailleurs, soyez assurés que nous partagerons avec vous tout ce que nous savons sur les faibles débits, le débit massique et les débitmètres encore plus souvent au cours de la nouvelle année. D’après les données présentées dans les statistiques de 2019, nous avons compilé un top 5 des articles de blog les plus populaires. Les gagnants sont :

  1. Que faire en cas de vibrations lors de l’utilisation de débitmètres massiques Coriolis ?
  2. Savez-vous pourquoi les conditions de référence de débit massique sont importantes ?
  3. Compensation de la pression et de la température en temps réel pour optimiser la régulation du débit.
  4. Précision et répétabilité d’un débitmètre.
  5. La vanne de régulation de débit, l’accessoire le plus utilisé dans la régulation de débit

Top 5 des articles de blog les plus populaires en 2019 :

1. Que faire en cas de vibrations lors de l’utilisation de débitmètres massiques Coriolis ?

Vibration et débitmètre Coriolis

Instrument connu pour sa grande précision, le débitmètre massique Coriolis présente de nombreux avantages. Il n’est donc pas étonnant que cet article de blog ait atteint la première place. Dans les applications industrielles, toutes sortes de vibrations avec différentes amplitudes sont très courantes. Toutefois, la question est de savoir si ces vibrations ont une influence sur la précision de mesure d’un débitmètre massique Coriolis. Ferdinand Luimes, responsable de produits pour les technologies de débit de liquides, parle des avantages et des inconvénients de ces débitmètres et donne quelques conseils pratiques pour utiliser ces instruments.

2. Savez-vous pourquoi les conditions de référence pression/température des unités de mesure de débit massique sont importantes ?

Différence entre conditions standard et normales

Le monde de la mesure de débit applique des conditions de référence, qui peuvent être divisées en conditions standards et en conditions normales. Il existe également une distinction entre le style européen et le style américain. Chris King, Directeur général de Bronkhorst USA, nous éclaire sur cette construction apparemment compliquée dans son article de blog, en détaillant exactement les différences et en expliquant pourquoi ces conditions de référence sont importantes.

3. Compensation de la pression et de la température en temps réel pour optimiser la régulation du débit

Régulateur de débit insensible aux variations de pression

Cet article de blog a eu le plus grand succès en 2018 et est toujours dans le top 5 aujourd’hui, prouvant une fois de plus la pertinence de ce sujet. Il s’avère que divers facteurs externes peuvent avoir une influence sur la précision de mesure et la stabilité de régulation des régulateurs de débit massique. Vincent Hengeveld, responsable de produits pour le débit de gaz, explique le principe de la compensation de la pression et de la température en temps réel.

4. Justesse et répétabilité d’un débitmètre

Débitmètre-répétabilité et justesse de mesure

Choisir le bon débitmètre adapté à votre application est un élément essentiel pour la réussite du projet. En général, les deux caratéristiques clés sont la justesse et la répétabilité du débitmètre. Dans son article de blog, Chris King explique ce que ces deux paramètres signifient et pourquoi ils sont d’une importance fondamentale.

5. La vanne de régulation : l’outil le plus utilisé dans la régulation de débit

Vanne de régulation

Pour terminer la liste, un article de blog sur les vannes de régulation, probablement l’outil le plus utilisé dans la régulation de débit. Utilisée pour réguler un débit, une vanne de régulation fait varier la capacité de passage de débit. Savez-vous quelle vanne est la plus appropriée pour votre débitmètre ? Stefan von Kann, ingénieur expert en physique appliquée, présente un certain nombre de conseils et d’astuces sur les points les plus importants.

Les blogueurs invités en 2019

Nous tenons à remercier vivement nos blogueurs invités pour leurs études fascinantes et leurs histoires captivantes. Nous sommes ravis que vous ayez contribué au contenu de notre site en 2019.

  • Roland Snijder, physicien médical au centre Hospitalier de Haaglanden Medisch (Pays-Bas), a travaillé comme chercheur sur le projet de multi-perfusions au service de Technologie médicale et de physique clinique du Centre médical universitaire d’Utrecht. Dans son article de blog, il se concentre sur l’étude des causes physiques des erreurs de dosage dans les systèmes de multi-perfusions.
  • Jean-François Lamonier (Université de Lille) est un expert dans le traitement catalytique des composés organiques volatils. Dans cet article de blog, il explique comment son équipe utilise des débitmètres à cet effet.
  • Jornt Spit, chercheur au sein du groupe de recherche Radius à l’Université des Sciences Appliquées Thomas More en Belgique, a une formation en biochimie et en biotechnologie. Il travaille sur la biomasse renouvelable. Lisez son article de blog sur l’apport de CO2 contrôlé pour l’algoculture et sa précieuse contribution en tant que source alternative de carbone.
  • La Prof. Michaela Aufderheide (Cultex Technology GmbH) travaille depuis plus de 30 ans dans le domaine des méthodes analytiques alternatives à base de cellules vivantes, notamment sur la toxicologie par inhalation. La pollution croissante de l’air ambiant extérieur et du lieu de travail rend nécessaire de nouvelles méthodes d’essai. Lisez son article de blog : « La cigarette électronique – Bonne ou mauvaise ? »

Vous cherchez encore plus d’inspiration ? Tous les articles de blog sont accessibles sur notre site.

Au nom de toute l’équipe Bronkhorst, je vous souhaite une année 2020 saine, merveilleuse et innovante !

PS : Quels sujets d’articles aimeriez-vous que nous écrivions sur notre blog en 2020 ? Partagez avec nous vos idées !

Quel rôle jouent les débitmètres dans la transformation des betteraves à sucre ?

Quel rôle jouent les débitmètres Coriolis dans la transformation de la betterave à sucre ?

Erwin Broekman
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Pourquoi aimons-nous tous (du moins la plupart d’entre nous) les bonbons, le soda, les biscuits et les gâteaux ? Tous ces produits contiennent du sucre qui leur donne un très bon goût. Mais d’où vient ce sucre ? Toutes les plantes vertes produisent du sucre par photosynthèse. De tous les végétaux, la betterave à sucre et la canne à sucre sont ceux qui contiennent les plus grandes quantités de sucre, c’est la raison pour laquelle nous utilisons généralement ces deux plantes pour extraire du sucre. Dans cet article de blog, nous nous concentrons sur la transformation des betteraves à sucre et sur le rôle que jouent les débitmètres Bronkhorst dans ce procédé.

La société Convergence Industry B.V. fournit des systèmes de mesure et de régulation sur mesure pour les liquides et les gaz. Dans le procédé d’obtention de sucre à partir de betteraves à sucre, l’un des clients de Convergence a découvert qu’en utilisant la filtration membranaire, il était possible d’extraire de la betterave à sucre plus de composants que le sucre seul. Un système de laboratoire dédié pour la nanofiltration a été utilisé à cet effet.

Filtration membranaire

La filtration membranaire est un procédé de purification de haute qualité utilisant des techniques sophistiquées. Comment ça marche ? Une explication simple de la filtration membranaire consiste à la comparer à la préparation d’un café. Si vous versez de l’eau dans un filtre à café rempli de grains de café, vous voulez avoir comme résultat le café sans l’enveloppe du grain de café. C’est à cela que sert le filtre. À un autre niveau, ceci est similaire à la filtration d’eau par laquelle vous voulez filtrer les ions afin de pouvoir fabriquer de l’eau potable à partir de l’eau de mer. C’est aussi simple que cela !

Collaboration avec Convergence pour la filtration membranaire

Pour la filtration membranaire, un système « Convergence inspector Colossus » peut être utilisé. Il s’agit d’un équipement de laboratoire dédié totalement automatisé pour la nanofiltration, ce qui le rend attrayant pour les utilisateurs. Felix Broens (Directeur de la technologie de Convergence Industry B.V.) explique comment ce système fonctionne :

"Le système de nanofiltration est alimenté par de l'eau dans laquelle est dosé un agent antitartre exempt de phosphate. Le système est mis sous pression à l’aide d’une pompe haute pression, ce qui conduit une partie de l’eau à traverser la membrane (perméat). La partie de l'eau qui ne peut pas traverser la membrane (rétentat) est redirigée vers l’endroit d’où provient l’eau. Une seconde pompe dans le conduit de recirculation provoque une vitesse supérieure à travers la surface de la membrane, ce qui réduit la pollution sur la membrane même. Le perméat peut être éventuellement utilisé en tant qu’eau propre pour différentes applications."

"L’agent antitartre est utilisé pour prévenir l’entartrage de la membrane, en formant un complexe d’ions contenant des métaux, ce qui les maintient dans le flux de rétentat afin qu’ils puissent être évacués du système. Du fait de l’utilisation d’un agent antitartre exempt de phosphate et biodégradable, ceci n’a aucun effet nocif sur l’environnement."

Système de filtration membranaire et débitmètre Coriolis - Convergence

Les débitmètres Bronkhorst dans la filtration membranaire

Le cœur du système de nanofiltration est constitué par un débitmètre massique Coriolis de Bronkhorst, permettant de réguler le procédé. Un débitmètre Coriolis est utilisé, car celui-ci mesure également la densité, ce qui est important dans le cas de solutions sucrées. Le débitmètre est placé du côté « propre » du procédé, donc derrière la membrane où s’effectue l’écoulement de perméat (l’écoulement de produit purifié). Le degré de séparation de la membrane peut être influencé à la fois par le débit et par la pression. Et donc, un débitmètre Coriolis avec un large spectre constitue la meilleure option pour couvrir une large plage d’essai.

Système de filtration membranaire et débitmètre Coriolis - Convergence 2

Ce système de Convergence a permis à leur client d’améliorer considérablement son procédé. Avant l’utilisation du système de Convergence, il s’agissait d’un procédé manuel qui était plutôt chronophage et pas toujours précis. Aujourd’hui, l’ensemble du procédé est automatisé grâce à un logiciel de Convergence spécifique au client, ce qui permet de commander de manière précise le débitmètre massique Coriolis avec la pompe et, par conséquent, l’écoulement de perméat peut à présent être régulé rapidement et de manière précise. Ceci se traduit par un bon niveau de reproductibilité, de fiabilité, d’enregistrement de données et des délais d’exécution plus courts pour l’expérimentation, comparé à ce qu’ils étaient auparavant. Ce système personnalisé permet de générer une quantité suffisante de résidus pour faire des essais, sans qu’il soit nécessaire d’augmenter l'échelle du procédé jusqu'à la taille d'une installation pilote.

Consultez les débitmètres Coriolis disponibles pour cette application : débitmètres massiques Coriolis

Pour d’autres informations concernant la filtration membranaire, veuillez contacter la société Convergence.

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Utilisation de la débitmètrie massique pour améliorer le traitement de l’eau et préserver la santé publique

Comment le dosage de l'acide orthophosphorique à l'aide de la technologie du débit massique Coriolis peut entraîner une diminution des coûts de dosage chimique.

James Walton
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La société Anglian Water Services traite l’eau potable selon les normes les plus strictes, la fournit à des millions de foyers et la gère avec soins pour s’assurer qu’elle ne vienne jamais à manquer dans chaque région du Royaume-Uni. Elle a lancé un projet visant à optimiser et accentuer le contrôle du dosage de phosphates dans le réseau public d’alimentation d’eau.

Fonction de l’acide orthophosphorique dans le réseau public d’alimentation d’eau

Les exploitants des réseaux publics d’alimentation d’eau ajoutent généralement des phosphates à l'eau potable en tant qu’inhibiteurs de corrosion pour passiver les surfaces et ainsi éviter le lessivage du plomb et du cuivre dans les tuyauteries. Des phosphates inorganiques (p.ex. acide phosphorique, phosphate de zinc et phosphate de sodium) sont ajoutés à l’eau afin de créer une couche d’orthophosphate qui forme un revêtement de protection insoluble à l’intérieur des conduites d’eau et des circuits de plomberie domestique. Cette couche agit comme un inhibiteur, qui empêche les éléments de corrosion présents dans l'eau de dissoudre certains métaux dans le réseau d’eau potable. En conséquence, les taux de plomb et de cuivre dans l’eau restent bas et dans les limites des normes visant à protéger la santé publique.

Quel était le procédé d’origine ?

Dans le procédé d’origine, un analyseur en ligne était placé en aval de l’injection pour mesurer la concentration d’acide orthophosphorique dans le débit principal. Les résultats des mesures étaient comparés à la concentration requise et utilisés pour ajuster le taux d’acide orthophosphorique dans le flux principal en réglant la vitesse de la pompe de dosage. Avec ce processus, Anglian Water Services peut maîtriser les taux de concentration de cuivre et de plomb dans l’eau dans les limites fixées pour la protection de la santé publique. Néanmoins, le procédé était perfectible, ce qui va être évoqué dans cet article de blog.

Système initial de dosage d'acide phosphorique

Système initial de dosage d’acide phosphorique

Quelles sont les limites du procédé d’origine ?

Le dispositif de la boucle de régulation sur l’injection du réactif par la mesure de la concentration des phosphates n’est pas le meilleur. Sa réaction pour ajuster l’injection n’est pas assez rapide par rapport aux variations du débit principal. Nous devions nous assurer que nous dosions bien une concentration répondant aux exigences légales, en supposant que la station traitait un débit maximum. Des coûts secondaires sont à ajouter au dispositif du fait de la nécessité d’une redondance sur l’analyseur de mesure de concentration, afin de garantir la continuité de la mesure des taux d’acide orthophosphorique, ce qui impose la présence d’un second analyseur.

Objectifs du projet

  1. Réduire la concentration de phosphates.
  2. Réduire le coût de la mise en conformité avec les normes environnementales légales pour l’entreprise.
  3. Retirer l’analyseur aval et celui de secours pour la redondance de l’analyse en continu et l’enregistrement des données.

Deux technologies de capteurs de débit ont été évaluées pour améliorer le disposif : la mesure de pression différentielle et la débitmétrie massique Coriolis. Le débitmètre à pression différentielle est le plus économique et permet de mesurer le débit volumique d’acide orthophosphorique; le régulateur reçoit un signal analogique du débit principal et injecte un débit d’acide proportionnel au débit principal d’eau. Le débitmètre massique Coriolis donne une mesure de débit massique direct, plus précise et reproductible qu’une mesure de débit volumétrique pour cette application mais elle est également plus onéreuse. Avec cette technique de mesure, le régulateur reçoit aussi un signal analogique du débit principal et injecte un débit d’acide proportionnel au débit principal d’eau.

Couplage du débitmètre Coriolis mini CORI-FLOW avec pompe Tuthill

Le choix du principe de mesure s’est articulé autour du temps nécessaire au retour sur investissement. Cependant, durant la démonstration du débitmètre massique Coriolis, nous avons appris quelque chose de nouveau qui allait changer l’orientation de la prise de décision. Le débitmètre massique Coriolis peut mesurer aussi la densité du fluide et la transmettre sur une sortie de mesure enregistrable.

Pourquoi est-ce important ?

L’acide phosphorique est vendu en concentrations diluées, généralement en solution à 80%. Ce que nous avons découvert, c’est qu’il existe des écarts dans la concentration réelle au point d’utilisation.

À ce stade, nous savions déjà que la pression différentielle ou la technologie Coriolis pouvait nous aider à améliorer le processus de suivi et d’enregistrement. À présent, nous avions la chance de passer au niveau supérieur en donnant un paramètre non disponible auparavant mais très important, et de l’utiliser pour ajuster réellement la proportion d’acide à injecter.

Le paramètre de densité supplémentaire, disponible avec le débitmètre massique Coriolis, a été décisif pour le choix technique. À présent, le dosage peut être contrôlé proportionnellement au flux principal et à la densité réelle (qualité) de l’acide phosphorique utilisé.

Nouveau système de dosage d'acide phosphorique Nouveau système de dosage d’acide phosphorique

Quels sont les avantages donnés par l’utilisation de la débitmètrie massique ?

Alors que les cinq premières installations avec cette technologie vont être lancées, voici les points clés retenus :

  1. La concentration stable de l'acide orthophosphorique dans le réseau public d’alimentation d’eau.
  2. Le maintien des engagements vis-à-vis de la règlementation de l’industrie de l’eau pour l’hygiène et la santé publique.
  3. La diminution significative de la quantité d’acide phosphorique injecté dans l’environnement
  4. Des réductions de coûts d’exploitation sur 2 points: l’élimination des analyseurs en aval et la réduction de la consommation d’acide phosphorique.

Aujourd’hui, l’entreprise Anglian Water Services adhère à un principe «Love Every Drop » (aimer chaque goutte). Cette approche est une vision de la manière dont une entreprise de services publics doit fonctionner. Cette vision induit que l’état développe les conditions pour améliorer la protection et la résistance de l’environnement, ce qui permet d’avoir une croissance durable, capable de supporter les contraintes du changement climatique. Ainsi, la création de solutions économiquement abordables et fiables, répond aux besoins des clients utilisateurs, des collectivités et de l’environnement. Nous voulons que nos populations et nos collectivités locales aient des solutions pérennes aussi. L’acide phosphorique est lié au concept de « limites planétaires », selon Rockström et al. 2009. La société Anglian Water Services est en mesure de réduire la consommation d’acide phosphorique dans ses processus, sans sacrifier pour autant la qualité de l’eau. Ceci est bien en phase avec leurs principes de bonne gestion de leurs activités et de développement durable.

Suite à cette expérience, les spécialistes du traitement de l'eau chez Bronkhorst seront plus qu’heureux de vous aider à relever vos défis en matière de traitement de l'eau. Envoyez-nous vos questions : nous contacter

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Que faire en cas de vibrations lors de l’utilisation de débitmètres massiques Coriolis ?

Le principe de mesure de Coriolis est sensible aux vibrations avec une fréquence proche de celle de résonance du tube du capteur ou une harmonique plus élevée de cette fréquence. Que pouvez-vous faire?

Ferdinand Luimes
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Instrument connu pour sa grande précision, un débitmètre massique Coriolis présente de nombreux avantages par rapport aux autres appareils de mesure. Chaque principe de mesure pose toutefois ses problèmes et le principe de Coriolis n’échappe pas à la règle. L’utilisation d’instruments Coriolis peut être un défi considérable pour les applications à bas débit de l’industrie lourde où l’on peut avoir affaire à toutes sortes de vibrations. Dans cette publication, j’aimerais partager avec vous mes expériences en la matière.

Le principe de Coriolis

Les débitmètres massiques Coriolis présentent de nombreux avantages sur les autres appareils de mesure. Tout d'abord, les instruments à effet Coriolis mesurent le débit massique direct. Il s’agit d’une caractéristique importante pour l’industrie, car elle élimine les imprécisions dues aux facteurs de correction calculés avec incertitudes des propriétés physiques du fluide. Autre avantage : les instruments à effet Coriolis sont très précis, offrent une excellente répétabilité, ne contiennent aucune pièce mobile et ont une plage dynamique élevée, etc.

Pour en savoir plus sur l’importance de la mesure de débit massique et la pertinence de la technologie Coriolis, lisez le précédent article de notre blog : l’importance de la mesure de débit massique et la pertinence de la technologie Coriolis.

Les vibrations influencent-elles la précision de mesure d’un débitmètre massique Coriolis ?

Dans les applications industrielles, toutes sortes de vibrations avec différentes fréquences sont très courantes. Un débitmètre Coriolis mesure un débit massique à l’aide d’un tube capteur vibrant, dont la fluctuation se déphase lorsque la masse du fluide s’écoule au travers de celui-ci, comme cela est expliqué dans la vidéo à la fin de cet article.

Cette technique de mesure est sensible aux vibrations non désirées ayant une fréquence proche de celle de résonance du tube capteur (cela dépend de la conception du tube capteur, par ex. 360 Hz) ou une harmonique plus élevée de cette fréquence (voir la photo ci-dessous).

Description de l’image les débitmètres Coriolis ne sont sensibles qu’à la fréquence de résonance ou à une harmonique plus élevée de cette fréquence

La probabilité de présence de ces vibrations non désirées est plus grande dans un environnement industriel. Aussi les fabricants de débitmètres Coriolis font de leur mieux pour réduire l’influence des vibrations sur la valeur mesurée par l’utilisation de solutions techniques courantes, à savoir :

  • des fréquences plus élevées
  • des tubes à double capteur
  • différentes formes de capteur
  • l'utilisation de lest (ex.: des blocs massiques)
  • la compensation passive et active des vibrations
  • des compensateurs de dilatation

Donc oui, les vibrations peuvent influencer la précision de mesure de votre débitmètre Coriolis, mais seulement si elles ont une fréquence proche de la fréquence de résonance. Que pouvez-vous y faire ? Cela dépend du type de vibration.

Quels types de vibrations existent-t-il ?

Dans un environnement industriel, les fréquences peuvent être générées par :

  • les sources de vibration liées à l’environnement (transport routier, les voies ferrée, activités industrielles)
  • les sources de vibration liées au bâtiment (installations mécaniques et électriques, comme la climatisation)
  • les sources de vibration liées à l’usage (équipement et machines installés, par ex. les pompes, les convoyeurs).

Ces vibrations traversent les éléments comme le sol, l’air, des tuyaux ou le fluide en tant que tel. Si ces vibrations perturbent la fréquence de Coriolis, le débit mesuré pourrait dans une certaine mesure être erronnée.

Afin d’atténuer les effets des vibrations, il est utile d’identifier ces causes. Parfois, il est possible de déplacer juste un peu le débitmètre, de le tourner (les débitmètres Coriolis sont dans la plupart des cas moins sensibles aux vibrations s’ils sont tournés de 90 degrés), d’utiliser un bloc massif lourd (ou plus important), d’utiliser des tubes souples ou des tubes métalliques en U ou des alternatives pour la suspension.

Comment pouvez-vous vérifier la performance d’un débitmètre Coriolis ?

Un débitmètre et un régulateur qui fonctionnent bien donneront les meilleurs résultats au procédé. Avant de leur faire entièrement confiance, il est donc conseillé de tester les instruments Coriolis dans votre application, si vous vous attendez à des vibrations équivalentes à celles de l’industrie lourde. Faites attention lors de la filtration du signal de mesure. Dans certains cas, cela semble judicieux (par ex. quand une réponse rapide n’est pas requise), mais si vous voulez évaluer le emps de réponse d’un débitmètre, la filtration pourrait fausser votre jugement.

Panneau de dosage Coriolis

Si, dans des circonstances spécifiques, le débitmètre Coriolis ne fonctionne pas comme il le devrait, l’opérateur constatera un changement à la sortie du procédé. Ainisi, par exemple, dans une application de dosage de la couleur d’un détergent, cela peut provoquer des différences de couleur du produit dues à un dosage incorrect et/ou à un comportement inattendu du signal de mesure. Dans ces cas-là, vérifier le signal de mesure brute (sans filtres !) est justifié, puisque cela vous donnera une bonne indication de la performance du débitmètre. Demandez au fabricant de votre débitmètre comment annuler la filtration de tous les signaux.

Normes relatives aux vibrations

Étonnamment, l’influence des vibrations externes n’est pas clairement définie dans une norme relative aux débitmètres Coriolis. Plusieurs normes portent sur les vibrations, mais aucune sur la précision des mesures en relation avec les vibrations. Il existe toutefois deux normes utiles relatives aux vibrations :

  • IEC60068-2, Essais d’environnement de l’équipement électronique concernant la sécurité
  • MIL STD 810, Considérations de génie écologique concernant les chocs, le transport et l’utilisation

En tant qu’utilisateur de débitmètres Coriolis, il est important de bien appréhender l’environnement de votre application, surtout en ce qui concerne les sources de vibrations externes potentielles. Spécialistes de l’effet Coriolis à bas débit, nous travaillons en collaboration avec des partenaires comme l’Université de Twente et le TNO (un organisme néerlandais de recherche scientifique appliquée) afin d’approfondir constamment notre compréhension de ces phénomènes et de leurs effets.

Dotés d’installations de tests en interne, nous sommes en mesure de réaliser des tests de vibrations spéciales. Forts de l’expérience acquise grâce aux applications de nos clients et à des solutions sur mesure, nous n’avons de cesse d’améliorer nos débitmètres Coriolis afin qu’ils donnent encore plus satisfaction à nos clients.

Regardez notre vidéo sur le principe de Coriolis :

En savoir plus sur le principe de mesure de Coriolis

Consultez notre cas d’utilisation des régulateurs de débit massique Coriolis pour l’odorisation de notre gaz naturel.

Mesure et contrôle du NO2 – Un défi réalisable

Le Dr Christian Monsé est membre du centre de médecine de l'IPA (Institut de prévention et de médecine du travail de l'assurance-accidents sociale allemande de l'Université de la Ruhr à Bochum). Dans ce projet, un dosage très précis de NO2 est absolument nécessaire pour développer une procédure standard pour un test de type Round-Robin avec des analyseurs de NOx

Dr. Christian Monse (IPA)
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Les émissions d’oxydes d’azote (p.ex. NO2) dans notre atmosphère sont désormais devenues une problématique mondiale. Partout, les chercheurs et les développeurs travaillent sur des méthodes de simulation et de mesure qui soient meilleures et plus précises ainsi qu’à l’amélioration des catalyseurs. Ces recherches visent à la fois les procédés de combustions fixes (centrales électriques, production d’acier, matériaux à base chimique…) et les applications mobiles du secteur de l’automobile dans le but de réduire le NO2 par réduction catalytique sélective (Selective Catalytic Reduction - SCR). L’ammoniac ou les composés formant de l’ammoniac (urée) sont ajoutés pour former de l’azote pur et de l’eau.

NOx est le terme générique qui sert à désigner les principaux oxydes d’azote présents dans la pollution atmosphérique. Il englobe différents oxydes d’azote : le monoxyde d’azote (NO) et le dioxyde d’azote (NO2). Ici, nous nous intéressons surtout aux radicaux du NO2 et à son dimère le peroxyde d’azote N2O4. Le dioxyde d’azote NO2 est toxique et ses émissions dans notre environnement devraient être maintenues au plus bas. Toutefois, le NO2 est un sous-produit de nombreux procédés de combustion, de sorte que les développeurs techniques industriels tout comme les développeurs de la médecine préventive et du travail sont confrontés à cette substance.

Cependant, cet équilibre pose également le problème de mesure et du contrôle des flux gazeux qui contiennent du NO2 en plus fortes concentrations. C’est notammment le cas lorsqu’on utilise du NO2 à l’état pur, lequel est en équilibre avec sa forme dimérique N2O4, lui-même dépendant de la température et de la pression et, en outre, sensible aux conditions de lumière et de surface (à 27°C seulement 20% de NO2, pour 80% de dimère N2O4). Le mélange est très sensible à l’humidité et, en présence d’humidité, il est susceptible de réagir en acide nitrique (HNO3) et en acide nitreux (HNO2), lesquels sont extrêmement corrosifs.

Mélanges de gaz comportant du NO2

Pour les recherches sur les procédés de combustion produisant des émissions de NO2 ou pour tester / développer de nouveaux catalyseurs, il faut être capable de calculer avec précision le débit de mélanges gazeux comportant du NO2. Ceci s’applique non seulement à la catalyse mais également aux effets du NO2 sur l’organisme et sur l’environnement, dans la mesure où le NO2 , par sa réactivité, est extrêmement toxique.

Logo IPA

Un de nos projets comprend la construction d’un système comportant une bouteille de gaz, une vanne à aiguille, une unité de lavage à contre-courant, des lignes de transfert et un régulateur de débit massique permettant de doser le dioxyde d’azote (NO2) dans une gamme de 0- 6 g/h à pression atmosphérique.

Défis du débit massique thermique

Habituellement, les débitmètres massiques et les régulateurs de débit massique fonctionnent sur des principes de mesure thermique (avec un capteur à bypass, ou selon le principe d’anémométrie de température constante (Constant Temperature Anemometry - CTA). Les capteurs thermiques fonctionnent sur le principe de transfert de chaleur dans le capteur. Cette méthode dépend du type de gaz, puisque le transfert de chaleur dépend directement de la capacité thermique et de la conductivité thermique du gaz à mesurer. Comme l’équilibre NO2 / N2O4 dépend de la température et de la pression, les paramètres du capteur sont susceptibles de varier en permanence. Prendre en compte l’équilibre en utilisant un seul facteur de conversion d’un gaz de référence ne suffit pas, notamment dans le cas de NO2 ou N2O4 à l’état pur. En utilisant des tests gravimétriques, nous avons pu déterminer qu’un sous-dosage massif peut survenir pour un dosage de NO2 pur (environ 10 % de la valeur-cible).

Un autre défi avec l’utilisation d’un régulateur de débit massique à l’état fermé, autrement dit dont le débit est de 0 ml/min, est qu’il peut produire des pseudo-signaux pouvant atteindre 10% de la gamme du dosage maximum. Cela s’explique par le fait que le capteur contient un mélange de NO2 et de N2O4 qui est influencé en permanence par la chauffe active du capteur. En conséquence, il se produit un faux transfert de chaleur dans le dispositif et un débit est relevé.

La solution : l’utilisation d’un régulateur de débit massique Coriolis

La solution consiste ici à choisir un régulateur de débit massique Coriolis plutôt qu’un régulateur de débit massique thermique car ses principes de fonctionnement sont différents. Peu importe que l’équilibre de NO2 et de N2O4 soit plus ou moins d’un côté ou de l’autre, puisque c’est la masse transportée qui compte. Cependant, lorsqu’on utilise un régulateur de débit massique Coriolis, il y a lieu de s’assurer que le médium à mesurer est dans un état physique défini, c’est-à-dire dans un état soit complètement liquide soit complètement gazeux.

Le point d’ébullition de NO2 à pression atmosphérique se situe à 21 °C, de sorte qu’il est possible de réchauffer ici le système de dosage complet, qui comporte une bouteille de gaz, la vanne à aiguille et l’ unité de lavage à contre-courant, les lignes de transfert et le régulateur de débit massique. Puisque le refroidissement par évaporation survient à l’intérieur du régulateur de débit massique lorsqu’on dose le NO2 au point de relâchement de la pression, la température à cet endroit doit être bien plus haute que 21 °C. Il faut au moins atteindre une température de 45 °C pour être sûr que le dosage fonctionne dans la gamme de 0-6 g/h en évitant les fluctuations causées par la condensation et la ré-évaporation du NO2. Dans cette configuration, le mini CORI-FLOW ML120 (lien vers la page produit) de Bronkhorst a été utilisé, c’est l’instrument Coriolis qui présente la plage de régulation de débit la plus faible au niveau mondial. Même ces très faibles quantités de gaz NO2 peuvent être mesurées grâce à cet instrument.

Vérification du dosage d’oxydes d’azote (NO2)

On vérifie la quantité dosée de NO2 par prises de mesure gravimétrique. Le NO2 est transféré via une ligne de transfert chauffée vers un tube en U en verre équipé de robinets d’arrêt, où il est réfrigéré à -50 °C. Après fermeture des vannes d’arrêt, le condensat se réchauffe à la température ambiante et il est pesé. En tout, cinq débits massiques différents ont été testés. Le tableau montre le résultat de la vérification et confirme les très faibles écarts entre les quantités de dosage souhaitées et les quantités réelles. En outre, on voit que le régulateur de débit massique opère linéairement dans la plage testée de 0,1 et 4,0 g/h (points isolés : 0,1 ; 1,0 ; 2,5 et 4,0 g/h avec représentation des barres d’erreurs).

Dosage NO2 par un régulateur de débit Coriolis

Ceci prouve qu’il est possible de contrôler avec précision de petites quantités de NO2 même à des pressions d’admission très faibles. Comme cela a été dit, le dioxyde d’azote (NO2) est une substance provenant du mélange d’oxydes d’azote (NOx). Il est également possible de réduire le niveau de NOx par réduction catalytique sélective (Selective Catalytic Reduction - SCR). Avec cette réduction catalytique sélective (SCR), on ajoute de l’ammoniac ou des composés formant de l’ammoniac afin de former de l’eau et de l’azote pur.

Dans un post précédent, Chris King explique ce procédé et décrit comment la mesure des débits massiques contribue à contrôler l’ammoniac. Pour en savoir plus, cliquez sur ce lien : La mesure du débit massique dans le contrôle de l'ammoniac pour éviter les amendes

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Fabrication contrôlée de nanotubes de carbone : un matériau de l'avenir

L’université de Cambridge, en collaboration avec Bronkhorst, travaille sur un réacteur pour contrôler la fabrication des nanotubes de carbone. Découvrez ce fascinant projet.

John S. Bulmer (Université de Cambridge)
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En tant que scientifique à l'Université de Cambridge, je suis impliqué de très près dans un projet fascinant sur les nanotubes de carbone. En coopération avec Bronkhorst, nous travaillons sur un réacteur permettant de contrôler la fabrication de ce matériau exceptionnellement résistant et conducteur. Je vais vous en dire plus sur ce sujet et pourquoi je pense que les nanotubes de carbone sont un matériau de l'avenir.

Histoire et avenir des nanotubes de carbone (CNT)

Au départ, le carbone se présentait sous trois formes moléculaires :

  • diamant
  • graphite
  • carbone amorphe

Soudain, au milieu des années 80, une nouvelle forme moléculaire a fait surface dans la recherche et a enflammé le champ pluridisciplinaire de la nanotechnologie. Cette molécule tout carbone, le fullerène de Buckminster, est une cage d'atomes de carbone de taille nanométrique avec une structure moléculaire qui ressemble à un ballon de football.

Quelques années plus tard, un autre cousin du carbone moléculaire faisait son apparition : les nanotubes de carbone (CNT). Similaire au fullerène de Buckminster, la structure de ballon de foot est fortement allongée en un tube d'une largeur nanométrique et d'une longueur qui est des millions de fois plus grande que son diamètre. Fait scientifique captivant, les liaisons carbone puissantes du CNT avec sa structure moléculaire ordonnée en font le matériau le plus solide jamais construit. Les électrons, en tant que conducteurs unidimensionnels stables, glissent le long du CNT sans aucun effort, ce qui fait que la conductivité électrique du CNT est quatre fois plus grande que celle du cuivre avec une capacité de transport du courant maximale qui est 1000 fois supérieure à celle du cuivre.

Modèle 3D de fullerène de buckminster Photo : modèle 3D de fullerène de Buckminster

Au début des années 2000, les chercheurs ont créé des procédés pour fabriquer des textiles composés de CNT dotés d'une microstructure regroupée et alignée avec densité. Au départ, les propriétés générales des textiles en CNT étaient bien en-deçà des formidables propriétés de leurs molécules individuelles. Après une amélioration sans relâche, la fibre de CNT de pointe est tout aussi solide que la fibre de carbone conventionnelle et sa conductivité est multipliée par quatre environ. Grâce au développement continu, nous comptons obtenir des fibres de CNT qui soient significativement plus résistantes que la fibre de carbone conventionnelle avec une conductivité électrique et thermique supérieures aux métaux traditionnels comme le cuivre et l'aluminium.

Les fibres de nanotubes de carbone trouvent leur application dans les textiles résistants aux déformations (vêtements de protection, gilets pare-balles), les composites, les matériaux composés de construction (céramiques, carcasses de voiture plus légères) et les câbles du fait de leur résistance. L'utilisation des nanotubes de carbone pourrait avoir un impact énorme sur la vie quotidienne, similaire à la façon dont les plastiques ont changé le monde au milieu du 20ième siècle.

Nanotubes de carbone (CNT) à l'Université de Cambridge

Notre laboratoire a inventé un procédé de production qui crée non seulement des nanotubes de carbone dans des volumes compétitifs sur le plan industriel mais qui le fait avec une perfection graphitique inégalée pour obtenir un textile macroscopique à microstructure alignée, et ce en une seule étape de production. Ce procédé de production est intrinsèquement plus simple que les autres procédés de production de fibres comme la fibre de carbone conventionnelle et le Kevlar.

Le réacteur de dépôt chimique en phase vapeur à catalyseur flottant (F-CVD) employé dans ce procédé nécessite uniquement une source de carbone (toluène), une source de catalyseur (ferrocène) et un promoteur à base de soufre (thiophène) qui sont mélangés ensemble et alimentés dans un réacteur à tubes à 1300°C par un gaz porteur (hydrogène). Un nuage de CNT flottant est formé. L'extraction mécanique du nuage de CNT hors du réacteur à tubes condense le nuage en une fibre dense à microstructure alignée. C'est ce que l'on appelle le "CNT spinning" ou le "filage de CNT". Du personnel spécialement protégé, appelé également "fileur", extrait mécaniquement le nuage de CNT en formant une fibre.

La régulation constante du réacteur reste cependant un défi. Les propriétés du CNT varient considérablement entre les passes et le lien entre les paramètres d'entrée contrôlés et non contrôlés du réacteur n'est pas encore complètement élucidé à ce jour.

Contrôle du réacteur de nanotubes de carbone

Notre programme vise à mettre en œuvre une boucle de commande solide pour contrôler les propriétés de matériau du CNT du réacteur. Chaque variable d'entrée et de sortie du réacteur qui sont des propriétés de matériau de CNT spécifiquement sélectionnées, sont mesurées et enregistrées automatiquement dans une base de données ; cela va des conditions météorologiques extérieures, aux opérateurs, à l'âge du tube, aux concentrations de précurseur, aux flux gazeux, etc... La base de données est constamment explorée pour les corrélations, l’interaction des paramètres et les modèles de régression linéaire multidimensionnels qui fournissent des prédictions statistiques sur le comportement du réacteur à l'aide du logiciel exploratoire de données JMP™.

Par exemple, la figure 1 montre un modèle statistique pour le rapport G:D du matériau, soit le rapport entre le graphite (G) et les défauts graphitiques (D) par spectroscopie Raman, indiquant le degré de perfection graphitique. Le modèle est une fonction de différents paramètres d'entrée du réacteur que l'on a considéré comme étant les plus significatifs sur le plan statistique quant au rapport G:D. Sur l'axe horizontal du tracé ci-dessous, on peut voir les valeurs de prédiction de G:D du modèle et sur la verticale, les valeurs réelles mesurées. Dans un modèle parfait avec un contrôle parfait, on aurait une ligne droite à 45 degrés. On voit nettement que les points de données sont largement répandus le long de la ligne rouge, ce qui indique un bas niveau de régulation du réacteur.

GD ratio

Figure 1

Le paramétrage a consisté ici à simplement mélanger les précurseurs ensemble (toluène, ferrocène et thiophène) et à injecter la solution dans un gaz porteur hydrogène par le biais d'une simple pompe à engrenages. Il est apparu évident qu'un système plus sophistiqué était nécessaire pour une meilleure régulation du réacteur.

Solution de Bronkhorst pour la régulation du réacteur de nanotubes de carbone

La Figure 2 montre notre système amélioré. Les précurseurs liquides séparés sont désormais régulés indépendamment avec des instruments à effet Coriolis de Bronkhorst (gamme mini CORI-FLOW). Les débitmètres massiques à effet Coriolis fournissent des débits massiques précis sans devoir ré-étalonner entre des précurseurs différents, ce qui facilite grandement les essais de différentes recettes de CNT. Bronkhorst est le seul qui soit parvenu à appliquer le principe de l'effet Coriolis haute précision bien connu à une échelle extrêmement réduite en appliquant la technologie MEMS.

Schéma réacteur nanotubes de carbone

Figure 2

Les débits sont situés dans une plage allant jusqu'à 200 g/h pour le toluène et même en-dessous de 100 mg/h pour le thiophène. Les gaz porteurs hydrogène sont régulés par les régulateurs de débit massique robustes et prêts à l'utilisation de Bronkhorst. Enfin, les précurseurs dosés avec précision sont vaporisés et combinés aux gaz porteurs hydrogène régulés, par technologie de vaporisateur.

GD ratio

Figure 3

Avec cette nouvelle instrumentation plus sophistiquée, la modélisation statistique du réacteur de dépôt chimique en phase vapeur à catalyseur flottant est bien plus efficace. Ici, les valeurs réelles opposées à celles prévues pour la perfection graphitique sont beaucoup plus satisfaisantes, comme le montre la figure 3. Ce modèle a essentiellement moins de bruit, ce qui signifie que la réponse du réacteur est prévisible et reproductible. Jusqu'à présent, avec ce système de réacteur contrôlable et bien modélisé, nous avons plus que doublé les vitesses types de production de CNT et triplé le degré de cristallinité graphitique.

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