Instrumentation industrielle
Spécification et installation des capteurs et vannes de régulation
Michel Grout
Patrick Salaün
L'usine nouvelle
Dunod
Avant-propos1
Chapitre 1 - L'instrumentation dans les processus industriels3
1.1 Mission d'une entreprise3
1.2 Activités dans une entreprise3
1.3 Procédé industriel5
1.4 Processus industriel5
1.5 Schéma de tuyauterie et d'instrumentation6
1.6 Hiérarchie des systèmes de contrôle7
1.7 Grandeurs à contrôler9
1.8 Régulation : terminologie et concepts9
1.9 Actions correctives des régulateurs12
1.10 Symbolisation16
1.11 Repères d'identification16
Chapitre 2 - Capteurs et actionneurs : généralités21
2.1 Schéma fonctionnel d'une boucle de régulation21
2.2 Capteurs et transmetteurs22
2.2.1 Définitions22
2.2.2 Échelle et étendue23
2.2.3 Gammes de réglage et rangeabilité24
2.2.4 Qualités métrologiques25
2.2.5 Transmetteur intelligent25
2.2.6 Signaux de sortie des transmetteurs électroniques29
2.2.7 Protocole HART30
2.2.8 Réseaux de terrain31
2.3 Les communications sans fil34
2.3.1 Les standards35
2.3.2 L'instrumentation sans fil36
2.3.3 Les réseaux38
2.4 Actionneurs39
2.4.1 Définition39
2.4.2 Exemples39
2.4.3 Rôle du relais d'asservissement39
2.4.4 Qualités intrinsèques des vannes de régulation40
2.4.5 Vanne régulatrice intelligente41
2.5 Autres qualités requises des transmetteurs et des vannes régulatrices42
2.6 Adaptation au processus43
2.6.1 Conditions de service et conditions d'étude43
2.6.2 Corrosion44
2.7 Adaptation à l'environnement climatique et industriel46
2.7.1 Degrès de protection procurés par les enveloppes des matériels électriques46
2.7.2 Appareils électriques utilisables en atmosphère explosible48
2.7.3 Équivalences des terminologies entre normes européennes et américaines51
2.7.4 Norme américaine NEMA 25051
2.7.5 Compatibilité électromagnétique (CEM)58
2.7.6 Résistance aux radiations65
2.8 Qualité de l'air ambiant des locaux techniques65
2.8.1 Justification d'un système de conditionnement de l'air65
2.8.2 Teneur en poussières66
2.8.3 Teneurs en composés corrosifs gazeux67
2.8.4 Température68
2.8.5 Humidité relative68
2.9 Sécurité fonctionnelle - Normes CEI 61508 et 6151169
2.9.1 Norme CEI 6150869
2.9.2 Norme CEI 6151171
Chapitre 3 - Mesure de la pression73
3.1 Définition73
3.2 Unités pratiques de pression - Table de conversion73
3.3 Pression relative et pression absolue73
3.4 Pression différentielle76
3.5 Manomètres à colonne de liquide77
3.5.1 Principe77
3.5.2 Manomètre à tube en U78
3.5.3 Manomètre à colonne79
3.6 Manomètres à déformation mécanique82
3.6.1 Manomètre à tube de Bourdon82
3.6.2 Autres manomètres métalliques82
3.7 Transmetteurs pneumatiques à déviation85
3.7.1 Système buse-palette85
3.7.2 Relais amplificateur86
3.7.3 Principe du transmetteur à déviation86
3.8 Transmetteurs pneumatiques à balance de forces87
3.8.1 Capteur à membrane87
3.8.2 Principe du transmetteur à balance de forces88
3.9 Transmetteurs électroniques à microdéformation88
3.9.1 Capteur à membranes90
3.9.2 Principe du transmetteur électronique intelligent91
3.9.3 Réalisation pratique91
3.10 Séparateurs à membrane93
3.10.1 Description93
3.10.2 Applications94
3.10.3 Influence du séparateur à membrane sur la mesure96
3.11 Représentation symbolique des capteurs de pression98
3.12 Étalonnage des capteurs de pression98
3.12.1 Étalons fondamentaux ou primaires98
3.12.2 Étalons secondaires99
3.12.3 Balance manométrique100
3.13 Annexes101
3.13.1 Manomètres indicateurs normalisés101
3.13.2 Feuilles de spécifications103
Chapitre 4 - Débitmètres à élément primaire et manomètre différentiel sur conduites cylindriques107
4.1 Définitions108
4.1.1 Débit d'un fluide à travers une section de conduite108
4.1.2 Débit masse qm à travers une section de conduite108
4.1.3 Débit volume qv à travers une section de conduite108
4.2 Paramètres d'écoulement dans les conduites cylindriques108
4.2.1 Nombre de Reynolds108
4.2.2 Régimes d'écoulement108
4.2.3 Expression du débit volume dans une conduite109
4.3 Mesure du débit par mesure de la vitesse d'écoulement111
4.3.1 Principe111
4.3.2 Rappel sur le théorème de Bernoulli111
4.3.3 Mesure de la pression dynamique par tube de Pitot111
4.3.4 Relation entre vitesse et pression dynamique111
4.3.5 Formule pratique de calcul du débit111
4.3.6 Sonde Annubar113
4.3.7 Guide pour l'utilisation d'un tube de Pitot ou d'une sonde Annubar115
4.4 Mesure du débit par élément déprimogène116
4.4.1 Principe d'un élément déprimogène116
4.4.2 Formule de calcul118
4.4.3 À propos des étendues standardisées des transmetteurs118
4.5 Éléments déprimogènes normalisés120
4.5.1 Norme ISO 5167-1120
4.5.2 Diaphragme à bord droit120
4.5.3 Tuyères125
4.5.4 Tubes de Venturi127
4.5.5 Limites d'emploi des éléments déprimogènes130
4.5.6 Perte de charge dans les éléments déprimogènes131
4.5.7 Longueurs droites minimales en amont et en aval de l'élément déprimogène132
4.6 Autres éléments déprimogènes132
4.6.1 Diaphragme à bord arrondi132
4.6.2 Diaphragme intégré135
4.6.3 Élément déprimogène « en coin » (wedge element)135
4.7 Coefficient d'un débitmètre137
4.8 Débit exprimé en volume aux conditions de référence138
4.9 Incertitude sur la mesure du débit par élément déprimogène138
4.10 Coefficient de dilatation de l'orifice139
4.11 Représentation symbolique des capteurs de débit140
4.12 Annexes140
4.12.1 Formule de calcul du débit avec un élément déprimogène - Démonstration140
4.12.2 Calculs d'installations débitmétriques à diaphragme et manomètre différentiel141
4.12.3 Calculs de portées de débitmètres à diaphragme et manomètre différentiel149
4.12.4 Feuille de spécification155
Chapitre 5 - Autres débitmètres sur conduites cylindriques
Comparaisons entre débitmètres157
5.1 Méthodes de mesure du débit volume dans les conduites cylindriques157
5.2 Mesure du débit volume par mesure de U connaissant S157
5.2.1 Débitmètre à turbine158
5.2.2 Débitmètre électromagnétique161
5.2.3 Débitmètres à ultrasons163
5.2.4 Débitmètre à effet vortex168
5.3 Mesure du débit volume par mesure de S connaissant U169
5.3.1 Principe169
5.3.2 Réalisations pratiques172
5.3.3 Ensembles indicateurs - régulateurs de débit175
5.4 Mesure directe du débit volume176
5.4.1 Débitmètre volumétrique étanche176
5.4.2 Débitmètre à roues ovales à engrenages177
5.5 Débitmètre massique178
5.5.1 Principe178
5.5.2 Réalisation pratique181
5.6 Utilisation des débitmètres en fonction du diamètre de la conduite et de la phase du fluide182
5.7 Précision des débitmètres183
5.8 Caractéristiques diverses des débitmètres183
5.9 Guide de sélection d'un débitmètre184
5.10 Unités pratiques de débit187
5.11 Représentation symbolique des capteurs de débit187
5.12 Annexes189
5.12.1 Formules de correction pour rotamètres indicateurs189
5.12.2 Feuilles de spécification191
Chapitre 6 - Mesure du niveau197
6.1 Définitions197
6.2 Détection et mesure du niveau198
6.3 Unités de niveau198
6.4 Méthodes de détection et de mesure usuelles pour liquides198
6.4.1 Niveaux optiques200
6.4.2 Niveaux à flotteur203
6.4.3 Niveaux hydrostatiques208
6.4.4 Niveaux électriques220
6.4.5 Niveaux à écho225
6.4.6 Niveaux à absorption de rayonnement gamma228
6.5 Méthodes de détection et de mesure usuelles pour pulvérulents229
6.5.1 Niveaux électromécaniques229
6.5.2 Niveau pour catalyseur fluidisé231
6.5.3 Autres méthodes233
6.6 Système ATG pour stockages233
6.6.1 Comparaison avec les jauges mécaniques233
6.6.2 Principe HTG pour un réservoir ouvert234
6.6.3 Principe HTG pour un réservoir sous pression234
6.6.4 Principe Radar237
6.6.5 Masse volumique et volume de stockage ramenés à 15 °C237
6.7 Représentation symbolique des niveaux238
6.8 Annexes239
6.8.1 Feuilles de spécification239
6.8.2 Étalonnage des niveaux à plongeur241
Chapitre 7 - Mesure de la température245
7.1 Définitions245
7.1.1 Température245
7.1.2 Thermomètre et pyromètre245
7.1.3 Thermomètres à contact et sans contact245
7.2 Échelles conventionnelles usuelles246
7.2.1 Échelle Celsius246
7.2.2 Échelle Kelvin246
7.2.3 Échelle Fahrenheit246
7.2.4 Températures des référence248
7.3 Méthodes de mesure usuelles248
7.4 Thermomètres en verre à remplissage liquide250
7.4.1 Thermomètres de laboratoire250
7.4.2 Thermomètres industriels250
7.5 Thermomètres à bulbe et manomètre251
7.5.1 Thermomètre à dilatation de liquide252
7.5.2 Thermomètre à tension de vapeur253
7.5.3 Thermomètre à dilatation de gaz253
7.6 Thermomètre à bilame254
7.7 Couples thermoélectriques255
7.7.1 Principe et utilisation pratique d'un couple thermoélectrique255
7.7.2 Couples thermoélectriques normalisés263
7.7.3 Mesure de la température de peau des tubes de four267
7.7.4 Mesure d'une différence de température267
7.8 Résistances thermoélectriques270
7.8.1 Principe et définitions270
7.8.2 Résistance de platine (Pt) normalisée271
7.8.3 Réalisation d'une sonde à résistance271
7.8.4 Installation d'une sonde dans une canne thermométrique271
7.8.5 Résistance de platine pour enroulements statoriques271
7.8.6 Raccordement électrique d'une résistance thermo-électrique272
7.9 Transmetteurs de température277
7.9.1 Transmetteur à montage direct277
7.9.2 Transmetteur à montage sur rail279
7.10 Gaine thermométrique280
7.10.1 Utilisation280
7.10.2 Réalisations281
7.10.3 Exemples de réalisations283
7.10.4 Calcul de résistance mécanique284
7.11 Temps de réponse d'un capteur de température285
7.11.1 Définitions285
7.11.2 Temps de réponse des thermocouples285
7.11.3 Temps de réponse des thermorésistances287
7.11.4 Temps de réponse des sondes dans une gaine287
7.12 Choix entre thermocouple et résistance thermométrique287
7.13 Thermomètres optiques IR288
7.13.1 Applications288
7.13.2 Principes fondamentaux289
7.13.3 Thermomètres à infrarouge monochromatique292
7.13.4 Thermomètres à infrarouge bichromatique295
7.14 Représentation symbolique des capteurs de température297
7.15 Annexe : tables de conversion (...)297
Chapitre 8 - Notions sur les analyseurs industriels301
8.1 Définitions301
8.2 Rôle et justification des analyseurs industriels302
8.3 Méthodes de classification des analyseurs industriels303
8.3.1 Classification en fonction de l'application303
8.3.2 Classification en fonction du principe de détection303
8.3.3 Classification en fonction de la grandeur mesurée304
8.4 Composition d'un système d'analyse en continu306
8.4.1 Analyseur306
8.4.2 Système d'analyse306
8.5 Système de prélèvement et de transport de l'échantillon309
8.5.1 Nécessité d'une boucle d'échantillonnage309
8.5.2 Exemple de réalisation309
8.5.3 Exigences relatives au prélèvement et au transport310
8.6 Système de préparation de l'échantillon314
8.6.1 Nécessité d'un système de préparation314
8.6.2 Exemple de réalisation315
8.6.3 Exigences relatives à la préparation de l'échantillon315
8.7 Système de contrôle de l'étalonnage316
8.8 Adaptation au processus et à l'environnement317
8.9 Bâtiment pour analyseurs317
Chapitre 9 - Vannes de régulation - Conceptions319
9.1 Classification des vannes de régulation319
9.2 Vannes de régulation à mouvement linéaire319
9.2.1 Types de corps321
9.2.2 Types de clapets pour corps droit réversible326
9.2.3 Types de clapets pour corps droit non réversible et vanne d'angle328
9.2.4 Types de servomoteurs pneumatiques à membrane329
9.2.5 Types de servomoteurs pneumatiques à double effet330
9.2.6 Position en cas de panne d'air selon les combinaisons des corps et des servomoteurs332
9.3 Vannes de régulation à clapet semi-rotatif excentré332
9.3.1 Conception du corps et du clapet332
9.3.2 Servomoteurs pneumatiques pour vanne à clapet semi-rotatif335
9.3.3 Position en cas de panne d'air336
9.4 Vannes de régulation à papillon337
9.4.1 Conception337
9.4.2 Montages sur conduite337
9.5 Vannes de régulation à double339
9.6 Vannes de régulation à trois voies340
9.6.1 Applications340
9.6.2 Vannes 3 voies à déplacement linéaire341
9.6.3 Vannes 3 voies papillon342
9.7 Vannes à faible Cv343
9.8 Accessoires344
9.8.1 Relais d'asservissement344
9.8.2 Commande manuelle346
9.8.3 Vannes pneumatiques de commutation347
Chapitre 10 - Vannes de régulation - Spécifications et calculs351
10.1 Spécifications d'une vanne de régulation351
10.2 Coefficient de débit352
10.2.1 Définition352
10.2.2 Coefficient de débit Cv352
10.2.3 Coefficient de débit Kv353
10.2.4 Relation entre Cv et Kv353
10.2.5 Exemple de calcul353
10.3 Caractéristiques de débit354
10.3.1 Définition et types de caractéristiques354
10.3.2 Caractéristique linéaire354
10.3.3 Caractéristique égal pourcentage354
10.3.4 Caractéristique tout ou rien355
10.3.5 Modification de caractéristique par relais d'asservissement356
10.3.6 Choix de la caractéristique de débit356
10.4 Coefficient de réglage357
10.5 Vitesses d'entrée et de sortie358
10.5.1 Vitesse d'entrée358
10.5.2 Vitesse de sortie359
10.6 Classes d'étanchéité359
10.7 Perte de charge maximale admissible360
10.8 Position de la vanne en cas de panne d'air361
10.8.1 Règle à suivre361
10.8.2 Réalisation361
10.9 Méthode de calcul du Cv nominal362
10.10 Écoulement en phase liquide364
10.10.1 Variation de la pression statique dans la vanne364
10.10.2 Cavitation et vaporisation365
10.10.3 Calcul de la pression différentielle critique367
10.10.4 Moyen pour éviter l'écoulement engorgé368
10.10.5 Calcul du Cv en régime non engorgé370
10.10.6 Influence de la viscosité sur le Cv370
10.10.7 Influence des convergents-divergents sur le Cv370
10.11 Écoulement en phase gazeuse371
10.11.1 Écoulement en régime non critique et en régime critique371
10.11.2 Calcul du Cv372
10.11.3 Utilisation en régime critique373
10.12 Écoulement biphasique374
10.13 Le bruit dans les vannes de régulation374
10.13.1 Niveau d'intensité acoustique374
10.13.2 Nocivité du bruit375
10.13.3 Origine du bruit des vannes376
10.13.4 Niveau sonore acceptable376
10.13.5 Calcul prédictif du bruit377
10.13.6 Moyens pour réduire le bruit377
10.14 Gamme des dimensions nominales des vannes de régulation378
10.15 Annexes380
10.15.1 Fiche de calcul d'une vanne de régulation pour liquide380
10.15.2 Fiche de calcul d'une vanne de régulation pour gaz383
10.15.3 Fiche de calcul d'une vanne de régulation pour vapeur386
10.15.4 Feuille de spécification pour vanne de régulation386
10.15.5 Paramètres pour calculs en écoulement biphasique390
Chapitre 11 - Schémas types d'installation des matériels (transmetteurs et vannes régulatrices)391
11.1 Introduction391
11.2 Installation des capteurs - Règles à suivre391
11.2.1 Prendre en compte les phénomènes physiques dans la liaison et le capteur394
11.2.2 Protéger le capteur394
11.2.3 Prévoir les facilités d'entretien394
11.2.4 Assurer la sécurité et la protection de l'environnement395
11.2.5 Penser à l'accessibilité395
11.2.6 Copier avec précaution395
11.3 Installation des capteurs - Types de montages396
11.3.1 Montages de débitmètres en ligne397
11.3.2 Montages de niveaux en direct sur les capacités397
11.3.3 Montages en dérivation398
11.3.4 Montages en thermocouples et sondes thermométriques403
11.4 Installation des vannes de régulation405
11.4.1 Tuyauterie405
11.4.2 Manifold406
11.4.3 Dimensions des vannes de sectionnement et de bipasse408
11.4.4 Vannes de purge408
11.4.5 Accessoires409
11.5 Annexes409
11.5.1 Manifolds et blocs manifolds pour transmetteurs montés en dérivation409
11.5.2 Liquides tampons413
11.5.3 Purges continues418
11.5.4 Réchauffage et calorifugeage426
11.5.5 Tubulures et raccords à compression pour tubulures435
Chapitre 12 - Alimentation en fluide de commande441
12.1 Commande pneumatique441
12.1.1 Exigences à respecter442
12.1.2 Système de production443
12.1.3 Système de distribution446
12.1.4 Annexe : teneur en eau dans les gaz449
12.2 Commande Hydraulique454
12.2.1 Fluide hydraulique de commande454
12.2.2 Système de production454
12.2.3 Système de distribution456
12.2.4 Annexe : classe de propreté456
Chapitre 13 - Alimentations électriques459
13.1 Exigences à respecter459
13.2 Conception de la distribution BT460
13.2.1 Principe460
13.2.2 Régimes de neutre460
13.2.3 Principe de la protection du personnel selon le régime de neutre462
13.2.4 Choix du régime de neutre463
13.2.5 Classification des charges463
13.2.6 Autres détails de conception464
13.3 Interfaces de conditionnement ou de protection465
13.3.1 Perturbations sur le réseau de distribution465
13.3.2 Principales interfaces utilisées466
13.4 Mises à la terre468
13.4.1 Utilité des mises à la terre468
13.4.2 Mise à la terre des installations électriques469
13.4.3 Mise à la terre des équipements électroniques472
13.5 Vérifications initiale et périodique d'une installation473
Chapitre 14 - Appareils électriques pour atmosphères explosibles utilisés en instrumentation475
14.1 Rappels475
14.2 Surpression interne « p »476
14.2.1 Définition476
14.2.2 Principe476
14.2.3 Réalisations couvertes par la norme ATEX477
14.2.4 Règles pour les enveloppes à surpression interne478
14.2.5 Dispositifs de sécurité et dispositions de sécurité478
14.2.6 Exemple de réalisation avec débit continu du gaz de protection479
14.3 Enveloppe antidéflagrante « d »479
14.3.1 Définition479
14.3.2 Principe481
14.3.3 Précautions d'installation482
14.4 Sécurité augmentée « e »482
14.4.1 Définition482
14.4.2 Principe482
14.5 Sécurité intrinsèque « i »482
14.5.1 Définition482
14.5.2 Principe482
14.5.3 Barrières de sécurité intrinsèque485
14.5.4 Catégories de matériels électriques de sûreté « i »488
14.5.5 Document descriptif et validité d'un système de sécurité intrinsèque489
14.5.6 Câbles et câblages490
Chapitre 15 - Câblages des instruments491
15.1 Liaisons entre capteurs, actionneurs et moyens de contrôle491
15.1.1 Architecture générale491
15.1.2 Conception des liaisons491
15.2 Câbles normalisés494
15.3 Câbles d'extension et de compensation pour thermocouples495
15.3.1 Spécifications495
15.3.2 Protection contre les parasites495
15.4 Câbles d'instrumentation499
15.4.1 Spécifications499
15.4.2 Protection contre les parasites499
15.5 Réalisation « classique » des liaisons entre site et local technique499
15.5.1 Schéma général499
15.5.2 Boîtes de jonction503
15.5.3 Borniers en local technique505
15.5.4 Cheminements506
15.5.5 Mise à la terre des écrans et des armures508
15.5.6 Protection contre les effets indirects de la foudre511
15.6 Câbles et câblages en sécurité intrinsèque513
15.6.1 Intégrité du système513
15.6.2 Borniers514
15.6.3 Câbles à utiliser514
15.6.4 Pose des câbles514
15.6.5 Repérage des matériels et des câbles SI515
15.6.6 Cas des réseaux de terrain516
15.6.7 Cas des réseaux sans fil (wireless)517
Chapitre 16 - Annexes519
A.1 Alphabet grec (symboles)519
A.2 Principales unités SI et unités pratiques520
A.3 Propriétés de quelques éléments et corps composés521
A.4 Viscosité dynamique de quelques gaz522
A.5 Propriétés de l'eau523
A.5.1 Masse volumique de l'eau523
A.5.2 Viscosité dynamique de l'eau524
A.5.3 Pression absolue de la vapeur525
A.5.4 Masse volumique de la vapeur saturée526
A.5.5 Masse volumique de la vapeur surchauffée527
A.5.6 Viscosité dynamique de la vapeur surchauffée531
A.6 Propriété des hydrocarbures532
A.6.1 Masse volumique des hydrocarbures liquides532
A.6.2 Correction de la masse volumique des produits pétroliers selon ASTM D 1250533
A.6.3 Viscosité cinématique des hydrocarbures liquides - Calcul535
A.6.4 Viscosité dynamique de quelques hydrocarbures gazeux536
A.7 Masse volumique des gaz - Facteur de compressibilité537
A.8 Dimensions des tubes en acier sans soudure540
A.9 Calcul des pertes de charge dans les conduites cylindriques541
Index549