Les étalonneurs de petit volume ont un grand impact dans les petites

Jul 06, 2023

Au cours des dernières années, les États-Unis ont importé (et exporté) environ 8,5 millions de barils de pétrole par jour[1]. En supposant qu'un baril vaut 75 dollars (le prix du baril de pétrole brut au 1er mars 2023), la quantité de pétrole échangée par les États-Unis représente un total d'environ 230 milliards de dollars par an. En supposant ces chiffres, une erreur de 1 % dans la mesure des produits pétroliers équivaut à 2,3 milliards de dollars sur une base annuelle. Il est assez évident que la précision de ces mesures est donc cruciale.

Pour mesurer le débit continu de liquide qui circule dans un pipeline de production, un compteur est installé dans ce pipeline. Mais comment vérifier régulièrement la précision du compteur sans retirer le compteur, interrompre le flux de produit ou interrompre le processus de dosage ? La réponse est un prouveur de déplacement de volume.

De nombreuses installations pétrochimiques contiennent un tube étalon permanent. Un tube étalon est un étalon volumétrique utilisant une sphère comme plongeur au lieu d'un piston. En général, les étalonneurs de tuyaux ont besoin d'un segment de tuyau relativement grand pour produire des résultats de mesure précis, et sont donc de grandes installations, non adaptées à une utilisation mobile. Mais en raison du développement de la technologie, les étalons de petit volume constituent désormais une alternative viable. Ils sont plus petits que les tubes étalons et peuvent donc être utilisés dans une configuration mobile. Cela rend le Small Volume Prover (SVP) adapté à une utilisation par les bureaux de poids et mesures locaux.

En février 2023, le personnel du NIST OWM a été invité à observer un étalonnage d'un étalon de petit volume par le laboratoire de métrologie d'État EC Heffron du ministère de l'Agriculture du Michigan. L'objectif était d'en savoir plus sur les procédures d'étalonnage déployées dans les laboratoires de métrologie de l'État et de déterminer les facteurs critiques qui jouent un rôle dans ces procédures. Le laboratoire de métrologie de l'État du Michigan étalonne environ 15 SVP par an dont la capacité varie de 5 gallons à 30 gallons. Ces étalons sont principalement utilisés par l'industrie pétrochimique.

Un SVP est appelé « étalonneur de déplacement de volume ». Le principe d'un prouveur à déplacement volumique est assez simple. Un étalon volumétrique se compose d'un tuyau d'une capacité connue, d'un dispositif pour déplacer le fluide à travers le tuyau et de capteurs qui détectent le moment où le fluide a atteint le début et la fin de son parcours dans le tuyau.

Le SVP comprend une barre équipée de deux capteurs, comme illustré à la figure 1 par « A » et « B ». Le volume exact entre les deux capteurs est vérifié lors de l'étalonnage du SVP en laboratoire. Le compteur testé génère une impulsion pour chaque unité de volume qui passe à travers le compteur. L'étalon est installé en ligne avec le compteur, de sorte qu'ils mesurent tous les deux la même quantité de liquide. À l'intérieur de l'étalon, un plongeur se déplace avec le liquide à travers le tuyau. Lorsque le plongeur passe un certain point de départ dans le tuyau, le point A, un déclencheur est donné pour démarrer une mesure. A partir de ce moment, le système de mesure relié au prouveur commence à compter les impulsions générées par le compteur. Lorsque le plongeur passe un deuxième point dans le tuyau, le point B, un autre déclencheur est généré pour arrêter le comptage des impulsions. Le liquide se déplaçant à travers le compteur n'est pas exactement le même liquide que celui mesuré simultanément par le SVP. Cependant, les quantités de liquide sont les mêmes. C'est-à-dire que la quantité de liquide qui a voyagé du point A au point B est la même que la quantité de liquide qui a traversé le compteur pendant le temps qu'il a fallu au plongeur pour se déplacer du point A au point B. Étant donné que le volume exact de la section entre le point A et le point B est connue, ce volume prédéterminé doit correspondre au nombre d'impulsions reçues du compteur multiplié par le volume par impulsion du compteur.

Un SVP utilise un piston comme plongeur. Le piston est relié à un arbre qui se termine à l'extérieur de l'enceinte. Sur l'arbre du piston se trouve une gâchette montée qui active les capteurs sur la barre de capteur adjacente, lorsque le piston se déplace le long de l'arbre. La distance (d) entre les capteurs définit le volume calibré à l'intérieur de l'enceinte (Figure 2).

Le piston a un joint pour s'assurer qu'aucun liquide ne passe involontairement dans le piston (pendant que le piston se déplace à travers le volume calibré). Le piston a une soupape à champignon qui s'ouvre lorsque le piston est rétracté en position de départ. De cette façon, le flux de liquide n'est pas interrompu.

Le laboratoire de métrologie de l'État du Michigan applique la procédure d'exploitation standard 26 du NIST pour l'étalonnage de ses SVP. L'objectif est de calibrer le volume interne du petit étalon entre les deux points de déclenchement (le volume calibré). A la fin du processus d'étalonnage, le volume calibré est alors comparé au volume déterminé lors du dernier étalonnage pour détecter toute dérive qui pourrait indiquer un défaut de l'étalon. La tolérance appliquée pour la répétabilité est de 0,02 %.

Il est important que le débit et la consistance du fluide utilisé pendant le processus d'étalonnage soient cohérents tout au long de la mesure. Pour la procédure d'étalonnage, le laboratoire de l'État du Michigan utilise de l'eau déminéralisée qui est stockée dans un réservoir de 2 000 gallons (7 500 litres) pour fournir une pression suffisamment constante. Avant l'étalonnage proprement dit, l'étalon est rempli d'eau et tout l'air est purgé. Voir un SVP mobile monté sur une remorque de véhicule à la figure 3.

Avec l'aimable autorisation du laboratoire de métrologie de l'État du Michigan

Au démarrage de la mesure, l'eau circule dans le système, poussant lentement le piston vers l'avant. Au début, la gâchette du capteur sur l'arbre du piston n'a pas encore atteint le capteur de démarrage et l'eau sortant du système est évacuée. Lorsque la gâchette atteint le premier capteur (c'est-à-dire que le piston a atteint le début du volume calibré), l'eau sortant du système est automatiquement déviée vers un réservoir où elle est collectée. Lorsque la gâchette atteint le deuxième capteur (c'est-à-dire que le piston a atteint la fin du volume calibré), l'eau sortante est automatiquement redirigée vers le drain. Avec un débit constant, la quantité d'eau recueillie dans le réservoir est exactement la même que la quantité d'eau retenue dans le volume calibré à l'intérieur de l'étalon.

Le laboratoire utilise une méthode gravimétrique pour déterminer la quantité d'eau dans le réservoir. Le réservoir est pesé sur une balance avant et après avoir été rempli d'eau. Une balance de 600 kg x 0,1 g est utilisée comme comparateur de masse pour la procédure d'étalonnage afin de garantir la plus grande précision possible (Figure 4).

Avec l'aimable autorisation du laboratoire de métrologie du Michigan

La différence entre les deux pesées est le poids de l'eau dans le réservoir. Le poids de l'eau est converti en volume selon les calculs fournis dans le NIST SOP 26. Des corrections sont appliquées pour la température et la pression de l'eau à l'intérieur de l'étalon. À cette fin, le laboratoire a fixé un capteur de pression calibré sur un point d'accès sur le prouveur et placé un capteur de température calibré dans un doigt de gant dans l'enceinte du prouveur.

Idéalement, la procédure d'étalonnage est effectuée à un débit similaire à celui de l'étalon lorsqu'il est utilisé sur le terrain. Mais cela n'est pas toujours possible pour de nombreuses opérations de laboratoire d'État. Un étalon de 20 gallons (semblable à l'étalon qui a été calibré lors de notre visite) a un débit de fonctionnement normal d'environ 500 gallons par minute. Avec la configuration de test dans le laboratoire de l'État du Michigan, le débit maximal réalisable est d'environ 3 gallons par minute.

Pour vérifier les performances des joints de piston, la procédure d'étalonnage est effectuée à un débit élevé (environ 3 gal/min) puis à un débit faible (environ 2 gal/min). Le test est effectué cinq fois dans la séquence de débit suivante : haut – bas – haut – bas – haut. La différence entre les résultats au haut et au bas débit est ensuite examinée de près car toute variation est souvent une indication de fluide suintant à travers les joints du piston. S'il y a un changement significatif du volume calibré après calibrage, alors le nouveau volume calibré est entré dans le logiciel de contrôle du système de mesure de l'étalon.

Les étalons de petit volume peuvent détecter avec précision une quantité prédéterminée de déplacement de fluide. Comme décrit dans cet article, plusieurs facteurs d'influence critiques doivent être pris en compte pendant le fonctionnement pour garantir des performances fiables.

Flux contrôlé. Il est essentiel qu'aucun liquide ne suinte du piston lorsqu'il se déplace le long du volume calibré dans l'étalon. Un joint autour du piston empêche le liquide de s'infiltrer entre le piston et l'enceinte. Un autre joint sur la soupape à clapet empêche le liquide de s'infiltrer à travers la soupape pendant la mesure. Les deux joints sont sujets à l'usure. Il est essentiel que les joints soient périodiquement remplacés pour assurer une mesure précise. Certains étalonneurs ont une fonction de détection de fuite qui détecte toute fuite dans les joints de piston. D'autres prouveurs fournissent un enregistrement automatique du nombre d'opérations comme indicateur de l'âge des joints, ce qui permet aux opérateurs de planifier un calendrier de remplacement approprié du cycle de vie.

Cohérence des flux. Un autre facteur qui joue un rôle dans la précision de la mesure est la cohérence du débit et la composition du fluide (c'est-à-dire que le fluide est exempt de bulles d'air et de contamination due à l'inhomogénéité). Étant donné que l'étalon de petit volume et le compteur sont installés à des positions différentes dans la canalisation, l'étalon ne mesure pas le même lot de fluide que le compteur mesure pendant la mesure. Par conséquent, les étalons de petit volume ne peuvent être utilisés que dans des situations où la composition du produit est relativement constante.

Température. Un troisième facteur qui a un impact majeur sur la mesure est la température. Lorsque la température augmente, l'enceinte de l'étalon se dilate, ainsi que le volume calibré. En réalité, la température de l'enceinte est principalement déterminée par la température du liquide traversant l'étalon. Un autre endroit où la température joue un rôle est la barre de capteur. Cette partie est située à l'extérieur du compartiment où le fluide s'écoule et donc plus sensible aux influences environnementales. La température de la barre de capteur est importante car si la température augmente, la barre de capteur se dilate et avec cela la distance entre les deux capteurs, et donc aussi le volume calibré. Le logiciel du prouveur compense à la fois la température du fluide et la température de la barre de détection lors de l'étalonnage d'un compteur.

Nous tenons à remercier l'État du Michigan, et en particulier les spécialistes du laboratoire de métrologie EC Heffron de l'État du Michigan, pour l'invitation, leur hospitalité et leur contribution à ce bulletin. Cliquez ici pour en savoir plus sur la Michigan Laboratory Division, qui comprend à la fois le laboratoire de métrologie et le laboratoire de sécurité alimentaire et d'analyse du bétail, ainsi que leurs poids et mesures, la qualité des carburants et les programmes de protection de l'environnement.

[1] Foire aux questions US Energy Information Administration (EIA)