Le carnet du régleur Mesures et régulation PDF

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I Jean-Marie Valance Michel Feuillent Jacques Guinet Bernard Poussery Le carnet du régleur Mesures et régulation 17e édition Illustration de couverture : © creativenature.nl – Fotolia.com © Dunod, Paris, 2007, 2009, 2011, 2014 © Valance pour les 13 premières éditions 978-2-10-071684-5 T ABLE DES MAT...

Description

9782100716845-livre.fm Page I Vendredi, 1. août 2014 2:54 14

I

Jean-Marie Valance Jacques Guinet

Michel Feuillent Bernard Poussery

Le carnet du régleur Mesures et régulation

17e édition

9782100716845-livre.fm Page II Vendredi, 1. août 2014 2:54 14

Illustration de couverture : © creativenature.nl – Fotolia.com

© Dunod, Paris, 2007, 2009, 2011, 2014 © Valance pour les 13 premières éditions 978-2-10-071684-5

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T ABLE DES MATIÈRES AVANT-PROPOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

CHAPITRE 1 - PRÉLIMINAIRES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

1.1

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

1.2 1.3

1.4 1.5

1.6

Un peu de calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1 Les unités composées et le changement d’unités 1.1.2 La règle de trois . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.3 Fonction linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.4 Construction graphique . . . . . . . . . . . . . . . . . Le rappel indispensable des unités . . . . . . . . . . . . . . . Un peu de physique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1 Forces et moments de force . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2 L’atome et les rayonnements . . . . . . . . . . . . . . Un peu d’électricité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Notions de métrologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.1 Grandeurs et unités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.2 Mesurages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.3 Résultats de mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.4 Instruments de mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.5 Caractéristiques des instruments de mesure . . . 1.5.6 Étalons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Incertitudes de mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6.1 Évaluation des incertitudes de mesures . . . . . .

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7 7 8 12 13 16 18 18 21 23 25 25 26 27 29 29 31 31 32

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IV

TABLES

1.7

DES MATIÈRES

Démarches de l’instrumentiste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7.1 Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7.2 Précision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7.3 Calculs d’erreur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7.4 Application à une chaîne de mesurage . . . . . . . . . . . . 1.7.5 Niveau de confiance – Limites de confiance – Probabilités 1.7.6 Cause d’erreur dans les mesurages . . . . . . . . . . . . . . . 1.7.7 Exemples d’application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34 34 35 35 36 37 37 38

CHAPITRE 2 - PRESSION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

2.1 2.2 2.3

Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mécanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hydrostatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 La pression s’exerce perpendiculairement aux surfaces . 2.3.2 Sur la même horizontale, il y a la même pression (dans un liquide qui ne circule pas) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3 Théorème de Pascal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Les instruments de mesurage des pressions . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 Les colonnes de liquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2 Les instruments métalliques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.3 Unité de pression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Les moyens d’ajustage en mesurage de pression . . . . . . . . . . . 2.5.1 Implantation des capteurs de pression . . . . . . . . . . . . . 2.5.2 Pressostats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.3 Cas du vide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.4 Manomètres électroniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43 44 44 44

CHAPITRE 3 - TRANSMETTEURS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

57

3.1

57 57 58 59 59 60 64 64 64 66

2.4

2.5

3.2

3.3

Mesurage et transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Capteurs-transmetteurs . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transmetteurs pneumatiques . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Technologie des instruments pneumatiques 3.2.2 Détection et amplification pneumatique . . Systèmes asservis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Fonction de transfert . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Boucle de réaction . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.3 Les transmetteurs à balance de forces . . .

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45 45 48 48 50 50 51 54 54 55 55

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TABLES

3.4

Instrumentation électronique (4 - 20 mA et numérique) 3.4.1 Ajustage des instruments électroniques . . . . . 3.4.2 Mesure du signal 4 - 20 mA . . . . . . . . . . . . . 3.4.3 Contrôle de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . 3.4.4 Réparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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68 69 69 70 71

3.5

Transmetteur numérique « intelligent » ou « smart » 3.5.1 Interface HART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.2 Le protocole Profibus . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.3 L’interface Fieldbus Foundation . . . . . . . . 3.5.4 Les transmetteurs sans fils . . . . . . . . . . . .

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71 72 78 79 82

DES FLUIDES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

83

4.1

Écoulement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

84

4.2

Viscosité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Viscosité dynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Viscosité cinématique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

85 85 85

4.3

Perte de charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

86

4.4

Mesurage des débits . . . . . . . . . . . . 4.4.1 Classification des méthodes . 4.4.2 Compteurs volumétriques . . . 4.4.3 Mesure de vitesse . . . . . . . . 4.4.4 Mesure de vitesse indirecte . 4.4.5 Débitmètre à section variable

4.5

Calculs relatifs aux débits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.1 Calcul du diamètre d’une conduite . . . . . . . . . . 4.5.2 Calculs usuels sur les débits mesurés par organes déprimogènes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.3 Calcul des organes déprimogènes . . . . . . . . . .

CHAPITRE 4 - DÉBITS

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V

DES MATIÈRES

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87 87 88 88 98 106

.... ....

115 115

.... ....

115 118

4.6

Débit de gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6.1 Quantité de gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6.2 Masse volumique des gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

118 118 121

4.7

Correction des débits en fonction de la pression et de la température . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.1 Schéma de montage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.2 Calcul des paramètres des modules de correction . . . .

125 126 127

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VI

TABLES

DES MATIÈRES

CHAPITRE 5 - TEMPÉRATURES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 5.1

5.2

5.3 5.4 5.5

Unités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 Étalons primaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.2 Contrôle des capteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.3 Principes physiques utilisés pour les capteurs de températures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Principes des thermocouples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Effets thermoélectriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2 Câbles de compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.3 Couples gainés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.4 Récepteurs associés aux couples thermo-électriques 5.2.5 Contrôle et ajustage des récepteurs . . . . . . . . . . . Sondes à résistances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mesurage optique des températures . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.1 Pyromètres optiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Corrigés des exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . 132 . . . 134 . . . 134 . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

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134 135 135 140 140 143 146 147 153 153 164

CHAPITRE 6 - NIVEAUX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 6.1 6.2

6.3

6.4

6.5 6.6

6.7

Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Présentation des techniques de mesurage . . . . . . . . . . . . 6.2.1 Mesurage de d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.2 Mesurage de h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.3 Plongeurs soumis à la poussée d’Archimède . . . . 6.2.4 Appareils utilisant des plongeurs . . . . . . . . . . . . Ajustage des niveaux à plongeurs . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.1 Ajustage sur place avec un liquide . . . . . . . . . . . 6.3.2 Ajustage avec des masses . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.3 Observations sur les niveaux à plongeurs . . . . . . Mesurages de niveaux par mesurage de pression . . . . . . 6.4.1 Mesurage direct . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.2 Mesurage par insufflation . . . . . . . . . . . . . . . . . Mesurage de niveaux par sonde capacitive . . . . . . . . . . Mesure de niveaux par rayons gamma (g) . . . . . . . . . . . 6.6.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.2 Quelques définitions qui ne sont pas toujours dans les notices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mesure de distance par sons et ultrasons . . . . . . . . . . . .

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165 166 166 166 167 169 171 171 171 171 172 172 175 180 181 181

. . . . 182 . . . . 183

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TABLES

6.8

Mesure de niveau radar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.8.1 Principe général de la mesure . . . . . . . . . . . . . . . . .

183 183

6.8.2

Les différents types d’antenne et de sondes . . . . . . . .

185

6.8.3

Problème de l’angle d’émission des antennes . . . . . . .

186

6.8.4

Avancées technologiques récentes . . . . . . . . . . . . . .

187

CHAPITRE 7 - ACCESSOIRES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

189

7.1

L’air comprimé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

189

7.1.1

Les compresseurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

189

7.1.2

Détendeurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

191

7.2

Alimentation et câblage électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

192

7.3

Atmosphères explosives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.1 Définition d’une ATEX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

193 193

7.3.2

Comment une ATEX peut-elle exploser ? . . . . . . . . . . .

194

7.3.3

Modes de protection des matériels ATEX . . . . . . . . . .

195

7.3.4

Directives européennes ATEX . . . . . . . . . . . . . . . . . .

197

Les sécurités instrumentées et le SIL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.1 Le risque industriel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

199 199

7.4.2

La norme IEC61511 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

200

7.4.3

L’approche probabiliste du risque (LOPA) . . . . . . . . . .

201

7.4.4

La conception de la fonction SIL . . . . . . . . . . . . . . . .

202

7.4.5

La mise en œuvre d’un système de sécurité instrumenté

204

7.4.6

La maintenance du système de sécurité instrumenté . . .

205

7.4.7

Avantages de l’approche IEC61511 pour les sécurités

206

7.4

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

VII

DES MATIÈRES

7.5

Les convertisseurs P/I et I/P (Pression/Intensité et Intensité/Pression) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

206

7.5.1

Rôle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

206

7.5.2

Schéma de principe d’un convertisseur P/I . . . . . . . . .

207

7.5.3

Schéma de principe d’un convertisseur I/P . . . . . . . . .

207

7.6

Les indicateurs et les enregistreurs de signaux standard . . . . . .

208

7.7

Les instruments de calcul (opérateurs analogiques ou numériques) . . . . . . . . . . . . . . . .

208

7.7.1

Règles d’écriture en « échelle normalisée » . . . . . . . .

209

7.7.2

Calcul en « échelle normalisée » . . . . . . . . . . . . . . . .

210

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VIII

TABLES

CHAPITRE 8 - IMPLANTATION 8.1

DES MATIÈRES

DES CAPTEURS . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Montage des transmetteurs . . . . . . 8.1.1 Sur les liquides . . . . . . . . . 8.1.2 Sur les gaz . . . . . . . . . . . 8.1.3 Sur la vapeur . . . . . . . . . . 8.1.4 Utilisation de bloc manifold

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213 214 214 214 214 215

CHAPITRE 9 - VANNES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 9.1

Calcul d’une vanne automatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1.1 Lois de variation du débit en fonction de la course du clapet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1.2 Caractéristiques de débit « intrinsèque » . . . . . . . 9.1.3 Caractéristiques de débit « vanne installée » ou « caractéristique réelle » . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . 219 . . . . 220 . . . . 221 . . . . 223

9.2

Entretien des vannes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 9.2.1 Réglages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 9.2.2 Mode opératoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231

9.3

Positionneur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3.1 Rôle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3.2 Positionneur pneumatique à balance de forces 9.3.3 Positionneur à came . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3.4 Positionneurs numériques . . . . . . . . . . . . . . .

9.4

Cavitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 9.4.1 Cas de la cavitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 9.4.2 Définition du Cf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235

9.5

Autres actionneurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 9.5.1 Commande de puissance par thyristors . . . . . . . . . . . . 238 9.5.2 Commande de vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

9.6

Communication avec les vannes . . 9.6.1 Communication locale . . . 9.6.2 Communication avec Hart 9.6.3 Communication par Bus .

9.7

Split Range ou échelle partagée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 9.7.1 Réacteur discontinu avec une réaction exothermique . . . 241 9.7.2 Une régulation dans un bac de neutralisation . . . . . . . . 242

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240 240 240 241

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