Le débitmètre Coriolis fait du dosage de plus en plus vite - Mesures

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MESURES PHYSIQUES
Le débitmètre Coriolis fait
du dosage de plus en plus vite
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Hormis le prix, le débitmètre Coriolis a les meilleurs atouts pour s’installer sur les machines de conditionnement ou d’emplissage. Il grignote
ainsi petit à petit des parts de marché aux autres techniques de dosage : système à piston, mesure par pesée et même mesure
par débitmétrie électromagnétique. Le gain de productivité est le premier argument mis en avant par les fournisseurs grâce à la réduction
des temps d’arrêt (maintenance, nettoyage) et à l’augmentation des cadences. Pour cela, les fournisseurs se tournent vers un traitement
numérique du signal qui améliore le temps de réponse.
Endress + Hauser
Les débitmètres Coriolis ont encore des parts de marché à gagner dans le domaine du conditionnement ou du dosage.
La tendance se confirme. Depuis
plusieurs années déjà, les débitmètres
à effet Coriolis s’installent
sur des machines de conditionnement.
Dans l’atelier de peinture
de l’usine Xylochimie à Albi, ils remplacent
depuis 1997 un système pondéral
pour le dosage des pâtes pigmentaires.
Ils permettent ainsi des dosages allant
de 200 grammes à plusieurs tonnes de
produit. La société Pam basée à Saint-
Rémy de Provence les utilise sur ses
lignes d’emplissage de bouteilles de GPL.
Plusieurs sites notamment au Portugal,
au Chili ou aux Etats-Unis ont adopté
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une solution de Pam avec débitmètres
Coriolis. Ceux-ci mesurent la quantité de
GPL introduite dans les bouteilles et
envoient l’information pour la fermeture
de la vanne d’alimentation. Aujourd’hui,
la société Pack’Co, fabricant français
de machines pour dosage, remplace
progressivement ses systèmes pondéraux
par les débitmètres massiques. « Ils peuvent
encore prendre des parts de marché surtout pour remplacer
les systèmes par pesée », souligne Alain
Coué, directeur général de Pack’Co,même
s’il ne souscrit pas à tous les arguments
« marketing » des fournisseurs.
Pour Jean Yvert, responsable des produits
Micro Motion au sein d’Emerson Process
Management, le premier intérêt du
Coriolis est l’absence de maintenance
mécanique du système. « C’est un avantage
majeur par rapport aux systèmes à piston
pour lesquels il faut régulièrement contrôler la
course ». Pour M. Coué, il s’agit également
d’un avantage par rapport au
peson qui est un organe dynamique et
qui n’est donc pas insensible aux chocs.
L’absence de pièces en mouvement facilite
les procédures de nettoyage et de
maintenance. « Le débitmètre peut être nettoyé
en ligne sans avoir à le démonter, indique
Christian Knecht, chef produit chez
Endress + Hauser ». Il peut répondre ainsi
aux conditions d’hygiène imposées
par le secteur de l’agroalimentaire. « Les
machines deviennent plus polyvalentes, ajoute
M. Coué. Il est beaucoup plus facile de passer
d’un produit à un autre ».
Par rapport à une méthode par pesée,
la gamme de débit est
également plus large.
« Avec un Coriolis, on peut
aller vers de petites quantités,
alors qu’avec un système
pondéral il est difficile
de descendre en dessous de
100 g », poursuit
M. Coué qui teste justement
en ce moment
une machine pour un
dosage de 50 ml.
Capable de mesurer
des débits aussi
faibles que 2 000 g/h
à des cadences de
dosage de 0,8 seconde,
le Coriolis peut en
théorie prétendre
En résumé
Le premier intérêt du débitmètre
Coriolis est l’absence
de maintenance mécanique
du système.
Il offre aussi une plus large
gamme de mesure.
Par rapport à un débitmètre
électromagnétique, le débitmètre
Coriolis offre une mesure
massique, une meilleure
incertitude et peut aller sur
des liquides conducteurs.
Le traitement numérique du
signal réduit le temps de
réponse et améliore le rapport
signal/bruit.
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Solutions
ABB
Sur les nouveaux débitmètres,la fréquence
d’échantillonnage des signaux primaires est augmentée.
Principe du débitmètre Coriolis
doser des quantités aussi petites que
500 mg. En pratique et pour l’instant
encore, le marché des faibles quantités
reste très largement dominé par les
solutions volumétriques avec pompes
doseuses.
La technologie Coriolis se présente également
en concurrence avec les débitmètres
électromagnétiques, sur lesquels
elle présente l’avantage d’offrir une
mesure massique. Là encore, l’argument
est intéressant pour les machines de
conditionnement : sur les étiquettes des
yaourts ou de la confiture, c’est-à-dire
des produits plus ou moins pâteux, la
quantité est exprimée usuellement en
masse (alors que pour les liquides elle
est exprimée en volume). Autre restriction
pour le débitmètre électromagnétique
: la conductivité électrique
des fluides. En dessous de 1 µs/cm, le
débitmètre Coriolis a toutes ses
chances. « Généralement, nous proposons des
systèmes électromagnétiques pour le remplissage
des bouteilles d’eau, de bière, de vin, indique
M. Knecht. Pour les produits issus de la pétrochimie,
nous recommandons les débitmètres Coriolis
». La précision joue également en
faveur du Coriolis. « Classiquement, une
incertitude de ± 0,25 % est donnée pour un
débitmètre électromagnétique contre ± 0,1 %
pour un débitmètre Coriolis », souligne Eric
Balcon, chef produit chez Danfoss. La
précision peut être rédhibitoire, pour
des aspects économiques particulièrement
dans le cas de produits à forte
valeur ajoutée.
Un traitement numérique
du signal
Que demander de plus ? Depuis un ou
deux ans, les fournisseurs développent
un traitement numérique du
signal qui améliore “encore” les performances
de leurs capteurs. Ils
annoncent ainsi des temps de réponse
au moins deux fois plus courts.
« Nous augmentons ainsi le gain de productivité,
explique M. Balcon (Danfoss). Le
Coriolis devient plus compétitif surtout vis-àvis
des systèmes de pesée pour lesquels il faut
attendre à chaque fois la stabilisation de la
mesure ».
Ce temps gagné vient du traitement
du signal. Les constructeurs utilisent
soit un microprocesseur DSP (Digital
Signal Processing) ou un Asic (voir encadré)
qui numérise et traite les signaux primaires
juste à la sortie des capteurs.
Parler d’innovation pour l’utilisation
d’un DSP fera sourire ceux qui n’ignorent
pas que le traitement numérique
du signal existe depuis des décennies
et que les microprocesseurs DSP sont
nés dans les années 90 avec la microélectronique.
Ils sont aujourd’hui largement
utilisés dans tous les domaines
industriel, militaire ou médical.
Dans celui de l’instrumentation où les
signaux sont encore très souvent véhiculés
sous forme analogique, l’idée de
numériser les signaux bruts uniquement
pour les traiter avant de les reconvertir
en analogique ne s’est pas répandue
aussi vite. Pourtant, le traitement
numérique des signaux primaires offre
un filtrage qui diminue le rapport
signal sur bruit de ces signaux. La stabilité
et la sensibilité s’en trouvent ainsi
augmentées, élargissant le champ
d’application vers les faibles débits et
les dosages de petites quantités.
Le DSP améliore également la caden-
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Traitement numérique du signal à la source
ce d’acquisition des signaux primaires.
« Pour des transmetteurs classiques,
le mode analogique autorise 20 acquisitions
par seconde au maximum, explique
M. Yvert (Emerson Process Management).
Avec notre système MVD, le DSP traite
2 400 échantillons par seconde ». Ceci permet
de suivre les régimes transitoires
avec beaucoup plus de finesse. C’est
particulièrement intéressant sur les
machines de dosage ou de remplissage
à chaque ouverture et fermeture
des vannes. « La montée en débit (ouverture
de la vanne) et la descente (fermeture de la
vanne) prend en général un ou deux dixièmes
de seconde, poursuit M. Yvert. Pour des
batchs d’une ou deux secondes, ces temps transitoires
ne sont plus négligeables. Il est donc important
de suivre le profil instantané pour intégrer ces
phases transitoires ».
Pour en revenir au temps de réponse, il
peut être réduit en jouant sur le temps
du traitement numérique du signal
ainsi que sur le temps d’amortissement
(ou damping) qui représente la durée de
stabilisation du signal. Ainsi, Micromotion
utilise un algorithme de filtrage
numérique ajustable. En mode « normal
» le filtrage numérique DSP induit
un retard fixe de 235 ms. En mode
« spécial », le retard est limité à 50 ms.
« Dans les applications de dosage rapide, un temps
de réponse court est plus important qu’un signal
de mesure bien lissé », explique M. Yvert.
Avec notre solution MVD, nous le réduisons ainsi
d’un facteur cinq ».
La valse des temps
Les fournisseurs affichent des temps de
réponse pouvant aller de 20 à 150 ms
et se vantent tous d’avoir le débitmètre
le plus rapide du marché. Il n’est pas
facile de savoir où est la vérité et ce que
chacun inclut dans cette valeur : délai
de réponse des capteurs, temps de
réponse du traitement numérique,
durée de calcul du processeur, durée
des communications inter-processeurs…
En théorie, le temps de réponse englobe
tout cela. Il est défini, pour une
variation rapide de débit, par le temps
nécessaire au signal de sortie pour passer
de 10 à 90 % de la nouvelle valeur
finale. Si l’on s’en tient à cette définition,
il semblerait que la plupart des
débitmètres avec traitement numérique
offrent un temps de réponse d’environ
150 ms, là où un débitmètre classique
avoisine les 300 à 400 ms.
Quant au temps de remplissage compatible
avec une mesure par Coriolis, là
encore les chiffres varient ; certains assurent
une incertitude de ± 0,1 % dès un
temps de remplissage de 200 ms,
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d’autres, plus
Quelques
prudents, ne
fournisseurs s’avancent guère en
ABB
deçà de 5 secondes.
Tél. : 04 72 05 44 40 « En laboratoire, nous
avons pu réaliser des
Danfoss
Tél. : 01 30 62 50 00
dosages à 0,8 seconde,
indique M. Yvert,
Emerson Process
qui reconnaît toutefois
n’avoir pas
Management
Tél. : 04 72 15 98 22
pour l’instant d’applications
en des-
Endress + Hauser
Tél. : 03 89 69 67 68
sous de 3 secondes.
Honeywell
« Nous avons des
Tél. : 01 60 19 80 00
machines équipées de
Invensys Foxboro
débitmètres massiques
Tél. : 01 34 43 26 60
qui réalisent des dosages
Krohne
de 500 ml en 2 secondes,
Tél. : 04 75 05 44 34 souligne M. Coué
Yokogawa
(Pack’Co), et nous
Tél. : 01 39 26 10 00
pouvons descendre à
Rheonik
moins d’une seconde ».
Tél. : 06 80 20 88 27 Il reste néanmoins
circonspect sur les
temps de réponse annoncés et parle
plutôt de la demi-seconde. Pour lui, il
s’agit de toute façon d’un « temps perdu
» qu’il faut intégrer dans le temps
global d’un dosage. Derrière le débitmètre,
il y a en effet un contrôleur qui
recueille les informations en provenance
du capteur et gère les vannes et
les pompes. En fonction de la recette
mise en mémoire, ce contrôleur
intègre et calcule les erreurs, notamment
celle de queue de chute (la queue
de chute est la quantité de produit qui
“passe” après que l’ordre ait été donné
de fermer la vanne). Il envoie à la
vanne le signal d’ouverture ou de fermeture,
soit sous forme d’une impulsion
analogique soit sous forme numérique.
« Avec un traitement du signal réalisé
au niveau du tube de mesure, les données peuvent
être directement transférées au contrôleur (un
automate par exemple), par communication Modbus,
souligne M. Yvert (Emerson Process
Management). On élimine ainsi les retards associés
aux communications entre le capteur et le
transmetteur, puisqu’il n’y a plus de transmetteur.
Et ceci que le signal soit véhiculé sous forme
analogique ou numérique ».
Le débitmètre s’intègre dans la machine d’injection de pâte génoise pour la fabrication de gâteaux roulés.
Un contrôleur plus ou moins
centralisé
Les fournisseurs proposent aussi au
niveau de leur transmetteur une fonction
« batch » (ou dosage) qui intègre
l’électronique nécessaire et peut ainsi
piloter directement la vanne. Il faut
donc autant de transmetteurs que de
têtes de remplissage. « Le pilotage peut se
faire aussi au niveau d’une électronique centrale
dédiée qui reçoit les signaux de différents capteurs,
explique M. Knecht (Endress + Hauser).
Dans ce cas-là,il
faut tenir compte du
temps de scrutation de
tous les capteurs ».
Pack’Co ne s’est pas
satisfait des solutions
existantes sur
le marché. « Selon le
type de pompe utilisée,
selon les spécificités des
dosages, elles ne peuvent
pas répondre à tous nos
besoins », explique
M. Coué. Pour ses
propres machines,
la société a donc
développé une électronique,
le Debipack,
qui gère jusqu’à
4 capteurs en
simultané (6 pour
des applications de process).
Danfoss
De la courbure des tubes
Enfin, il est difficile de terminer une
discussion sur la débitmétrie Coriolis
sans aborder la forme du tube de
mesure. Mono-tube, bi-tube, courbe
ou droit, chaque constructeur cherche
à “privilégier” sa forme favorite. Pour
des applications de dosage, il n’y a pas
a priori d’arguments techniques en
faveur des unes ou des autres. « Intrinsèquement,
un tube droit a un temps de réponse
plus court qu’un tube coudé puisqu’il travaille
à plus hautes fréquences, explique
M. Kripiler, chef produit chez Krohne,
mais avec un même algorithme pour le traitement
du signal, le temps de réponse sera identique
avec un tube
courbe ». « Reste que
l’absence de perte de
charge avec les tubes
droits est particulièrement
intéressante pour
les liquides visqueux
», souligne
M. Balcon (Danfoss)
Ils sont plus
faciles à nettoyer,
moins encombrants
aussi. Pourtant,
M. Coué n’y
voit pas un avantage
majeur. Certains
disent aussi
qu’un tube droit
est moins sensible
aux vibrations
de la
machine. La fréquence d’oscillation
d’un tube est déterminée en fonction
de la nature du matériau et de la longueur
du tube. Les tubes droits, généralement
en titane, ont ainsi des fréquences
d’oscillation aux alentours de
500 ou 600 Hz. Celle des tubes courbes
ou des bi-tubes se situe vers 100 Hz et
serait plus facilement parasitée par les
vibrations extérieures. Tout le monde
n’est pas d’accord. Pour M. Yvert, les
considérations sur les vibrations relèvent
davantage d’arguments marketing :
« De toute façon, on ne connaît pas exactement les
fréquences de vibration des machines. C’est un
faux procès ».
Avec un traitement numérique du signal,le capteur prend en compte les
changements transitoires de débits au moment de l’ouverture et de la
fermeture de la vanne.
Emerson Process Management
Marie-Pierre Vivarat-Perrin
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