Les débitmètres à effet Vortex

Le 01/06/2015 à 13:30  

L'essentiel

Bien qu'elle soit connue depuis des dizaines d'années, la technologie à effet Vortex ne représente qu'une toute petite part de marché de la débitmétrie industrielle.

Ces dernières années, le segment de marché connaît une croissance liée notamment à l'intérêt grandissant des industriels pour l'efficacité énergétique.

Les débitmètres à effet Vortex sont aussi «universels » que les autres technologies, compte tenu de leur principal point faible dans les faibles débits.

Parmi les évolutions, les efforts ont porté sur le développement d'appareils multi-paramètres, une électronique améliorée pour le diagnostic, l'IHM…

Le marché de la débitmétrie industrielle est l'un des secteurs où il se passe toujours quelque chose… Pour preuve encore, dans le domaine des débitmètres à effet Vortex cette fois, pas moins de quatre fabricants ont lancé ces derniers mois une nouvelle série d'appareils : l'helvético-suédois ABB avec les gammes FSS/FSV4x0, les allemands ifm electronic (séries SV) et Krohne (Optiswirl 4200), ainsi que le suisse Endress+Hauser avec le Proline Prowirl F 200. Sans compter par ailleurs que l'américain Badger Meter a renommé sa ligne de produits, où l'on retrouve des débitmètres à effet Vortex, en Flow Instrumentation –il s'agissait en fait d'unifier l'ensemble des gammes de produits (Blancett, Cox, Data Industrial, Dynasonics, Flo-tech, Flow Dynamics, Hedland, Preso et Research Control Valves ou RCV) acquises notamment ces dernières années. Et, en 2013, l'américain Onicon a été racheté par son compatriote Harbour Group, pour un montant non dévoilé. Créé en 1987, Onicon est spécialisé dans les débitmètres électromagnétiques, thermiques, à ultrasons, à effet Vortex et à turbines, ainsi que dans les mesureurs BTU ( British Thermal Unit ).

Si cette certaine effervescence traduit un segment de marché assez actif, il n'en demeure pas moins que ce serait plutôt l'arbre qui cache la forêt. L'une des particularités de la mesure de débit industrielle est la variété des technologies susceptibles d'être mises en œuvre: l'effet Coriolis, l'électromagnétique, les organes déprimogènes, les turbines, les ultrasons, le thermique massique, l'effet Vortex, les ondes acoustiques de surface, etc. Si l'on entend parler en général plus souvent des débitmètres électromagnétiques, à effet Coriolis, à pression différentielle ( P), par exemple, chacun avec ses avantages et ses limitations selon les applications, d'autres technologies peuvent être perçues comme les parents pauvres de la débitmétrie, à l'image de l'effetVortex encore maintenant. Bien souvent associés (cantonnés ?) aux applications de vapeur, ces débitmètres se révèlent pourtant être une solution bien adaptée pour la mesure sur des liquides ou des gaz.

Petit retour dans le temps pour mieux comprendre la situation actuelle. « Yokogawa Electric est l'inventeur de ce principe de mesure à la fin des années 1960 (1968 pour être plus précis). Il s'agissait de trouver une alternative à la mesure de débit par des organes déprimogènes (plaque à orifices, tube de Venturi, etc.), évitant ainsi des montages compliqués et augmentant par la même occasion la rangeabilité, pour les applications de comptage vapeur notamment » ,rappelle Stéphane Gromada, responsable produit Débitmètre Instrumentation chez Yokogawa France. « Les fabricants furent confrontés à des réticences normales de la part des industriels, parce que les premiers débitmètres à effet Vortex souffraient beaucoup des problèmes de vibrations des tuyauteries, des pompes. Les mesures étaient alors perturbées, d'où une mauvaise réputation, comme pour les débitmètres à ultrasons à montage externe d'ailleurs », poursuit David Cohen, directeur du distributeur Engineering Mesures.

Les utilisateurs devaient mettre en œuvre différentes astuces pour s'affranchir de ces problèmes de vibrations, tels que des systèmes d'amortissements, des outils électroniques, le travail dans une plage de mesure donnée, etc. « Nous n'étions pas forcément conscients de certains des problèmes, comme les coups de bélier dans les circuits de vapeur, par exemple. Un autre fait qui a freiné l'adoption des débitmètres à effet Vortex est que la vapeur est un fluide un peu mystérieux pour beaucoup de personnes », ajoute Claude Schelcher, chef de marché Energie chez Endress+Hauser France. Ce qu'approuve d'ailleurs Sandrine Guychard, chef de produits Mesure de pression et Débit au sein de l'activitéAnalyse et Instrumentation d'ABB France: « Si un client a essuyé des déconvenues, il nous faut faire deux fois plus de travail pour le convaincre,d'autant que les clients ont du mal à entendre que ce n'est pas la technologie qui est en cause, mais plutôt l'application ».

Un tout petit marché, mais plutôt en croissance

Qui dit débitmètre à effet Vortex ne dit pas uniquement mesure de débit sur de la vapeur. La technologie peut aussi bien être mise en œuvre sur des applications faisant intervenir des liquides (l'eau déminéralisée, en particulier) ou des gaz. D'où l'éventail potentiel très grand des industries concernées : énergie, agroalimentaire, pétrole et gaz…

EndressHauser

« Il est maintenant exceptionnel d'avoir des sources de vibrations susceptibles de réellement perturber un débitmètre à effet Vortex, et l'instrumentiste doit aussi faire confiance à la mesure délivrée comme avec un débitmètre électromagnétique », confirme Jean-François Vittu, responsable produits Débit, Densité et Viscosité chez Emerson Process Management France. « S'ils étaient encore frileux, du fait qu'ils connaissaient et maîtrisaient bien mieux les plaques à orifices que l'effet Vortex, les industriels mettent en œuvre, depuis bientôt deux ans, des débitmètres à effet Vortex dans des sites pilotes sur l'efficacité énergétique », indique Romuald Brienne, responsable Produits et Marchés chez Krohne France. Dans l'Hexagone, le marché croît en effet depuis ces dix dernières années, avec une accélération liée à la mise en place de la directive européenne 2012/27/UE sur l'efficacité énergétique et à la certification selon la norme NF EN ISO 50001. « Les industriels ont découvert qu'il y avait pas mal d'économies à faire dans ce domaine-là », ajoute-t-il. D'autres fabricants s'accordent à dire que le marché des débitmètres à effet Vortex connaît actuellement une embellie. Pour EdilAlvarez, chef produits chez ifm electronic France, « Sur les huit dernières années, le marché français a doublé, grâce à l'efficacité énergétique bien sûr, avec des appareils intégrant à la fois les mesures de débit et de température et donc très intéressants pour la mesure de la consommation.» Mais le segment de marché, où l'on retrouve également des fabricants comme Grundfos, Huba Control, Kobold, Sika ou SMC, ne représente que 1% du poids global de l'instrumentation. Même constat dans le domaine des procédés industriels : « Le marché des débitmètres à effetVortex continue de croître, mais à un rythme moindre que ceux des technologies à effet Coriolis et à ultrasons. Et les principaux acteurs demeurent les mêmes depuis de nombreuses années », précise Gérard Bottino, chef des ventes mondiales Débitmétrie chez GE Measurement & Control.

Principe de fonctionnement d'un débitmètre à effet Vortex

Comme son nom l'indique, le principe de mesure d'un débitmètre à effet Vortex s'appuie sur la création de tourbillons (vortex en anglais) au moyen d'un élément perturbateur au sein même de la canalisation (un barreau). Un capteur piézoélectrique situé en aval mesure la fréquence de formation des tourbillons, la fréquence d'oscillation du capteur piézoélectrique étant une fonction directe de l'écoulement pour une largeur du barreau et une section de canalisation connues, d'où la détermination du débit volumique. Il s'agit en fait de l'exploitation de l'allée de tourbillons de Karman. Mais, pour que des tourbillons puissent se former, il faut que l'écoulement du fluide à mesurer soit dans un régime turbulent, ce qui correspond à un nombre de Reynolds (Re) supérieur à 5 000. Rappelons que le nombre de Reynolds (Re) est un nombre sans dimension défini par la vitesse caractéristique du fluide V multipliée par la dimension caractéristique L et divisée par la viscosité cinématique du fluide (qui est le rapport entre la masse volumique du fluide et sa viscosité dynamique µ) qui caractérise un écoulement, en particulier la nature de son régime.

Les trois premiers fabricants sont ainsi l'américain Emerson Process Management, Endress+Hauser (n°2 dans le monde et n°1 en France) et le japonaisYokogawa (n°1 en Asie), qui représentent à eux trois environ 75% des parts de marché mondiales. On peut ensuite citer ABB, Krohne, Foxboro (Invensys racheté par le groupe français Schneider Electric), GE Measurement & Control, Siemens, Spirax Sarco, etc. Selon les chiffres communiqués, le marché mondial s'élèverait entre 300 et 350 millions de dollars, en progression de 6 à 7%, tandis que le marché français atteindrait juste un chiffre d'affaires estimé de 3,8 millions d'euros (Me) en 2014. S'il y a eu une progression entre 2005 et 2010, passant de 2,2 à 3Me, le marché reste plus ou moins stable depuis 2011… « Même si le segment de marché des débitmètres à effet Vortex a connu une progression en France en 2009 et 2010, depuis cette période, la croissance est très faible, tous constructeurs confondus. Et, même si l'efficacité énergétique est un sujet à la mode, les parts de marché de la technologie Vortex sont inférieures à 5 % du marché français total. Nous ne voyons en effet pas les vecteurs de croissance que l'on constate ailleurs » , explique Cyrille Nolot, directeur commercial et marketing de l'activité Analyse et instrumentation d'ABB France.

Les débitmètres à effet Vortex sont en effet un petit marché –pour donner une idée, le marché européen de l'ordre de 30Me est plus petit que celui des débitmètres électromagnétiques en France. Pour Stéphane Gromada (Yokogawa France), « le nombre limité d'applications par rapport à celles des autres technologies de mesure de débit (effet Coriolis et ultrasons en tête) est l'une des raisons de la stabilité globale du secteur.» Jean-François Vittu (Emerson Process Management France), lui, voit toutefois deux raisons d'espérer: « Nous voyons frémir le marché du côté des débitmètres à effet Vortex d'entrée de gamme et des mesures très techniques (modèles haut de gamme répondant à des contraintes très strictes en termes de normes, de sécurité, de matériaux) pour l'énergie, le pétrole et gaz ».

Une technologie aussi « universelle » que les autres

Contrairement à ce que d'aucuns peuvent penser, qui dit Vortex ne dit pas forcément vapeur. Il est vrai que les applications dans lesquelles on retrouve des débitmètres à effet Vortex sont le plus souvent des installations mettant en œuvre de la vapeur, de la vapeur saturée ou de la vapeur surchauffée. Mais, comme on le verra également en s'intéressant de plus près aux avantages et limitations de la méthode de mesure, le spectre des applications d'un débitmètre à effet Vortex s'étend bien au-delà de la vapeur. « Pour les applications OEM (machines, petites applications, etc.), les principales applications concernent évidemment la vapeur, sous hautes pressions et/ou températures (groupes froid, échangeurs…), l'eau déminéralisée et, plus généralement, les liquides non visqueux. Comme l'eau déminée n'est pas conductrice, un débitmètre électromagnétique ne peut pas convenir », explique Jacques Marionneau, directeur général de Kobold Instrumentation, dont la maison mère allemande a racheté son compatriote Heinrichs Messtechnik en 2008. Par contre, pour la mesure de débit sur de l'eau « normale », un débitmètre électromagnétique restera toujours plus intéressant économiquement qu'un modèle à effetVortex.

Pour Emerson Process Management France, le marché frémit du côté des débitmètres à effet Vortex d'entrée de gamme et des mesures très techniques (modèles haut de gamme répondant à des contraintes très strictes en termes de normes, de sécurité, de matériaux) pour l'énergie, le pétrole et gaz.

Emerson Process Management

Yokogawa Electric est l'inventeur du principe de mesure à la fin des années 60. Il s'agissait à l'époque de trouver une alternative à la mesure de débit par des organes déprimogènes, évitant ainsi des montages compliqués.

Yokogawa

EdilAlvarez (ifm electronic France) fait d'ailleurs le même constat, ajoutant qu' « en plus de fonctionner sur tous les fluides - du moment que l'on choisisse le matériau le mieux adapté pour le capteur - , c'est le côté économique de la technologie Vortex qui permet de répondre aux applications mécaniques,un marché cible chez nous,et aux nombreuses applications où des débitmètresTOR étaient mis en œuvre.» Dans le domaine des procédés, et non plus du manufacturier, on retrouve par ailleurs des débitmètres à effet Vortex utilisés pour tous types de liquides, vapeur et gaz. « Parmi les très nombreux secteurs,on trouve bien entendu le pétrole et gaz, le raffinage et la pétrochimie, ainsi que tout ce qui touche aux utilités (cartographie du réseau vapeur ou d'air comprimé d'une usine, contrôle du rende-ment d'un compresseur, NDLR) et la sidérurgie (azote, hydrocarbures gazeux, fluides cryogéniques, méthane, gaz naturel…) », confirme Gérard Bottino (GE Measurement & Control France). Certains dérivés pétroliers ne sont toutefois pas adaptés aux débitmètres à effet Vortex, en raison d'une viscosité trop élevée, par exemple de l'huile à température ambiante.

« En fait, tous les fluides servant à faire tourner une usine, que les liquides soient chauds ou non, etc. Toutes les industries sont donc concernées en France : l'agroalimentaire, la pharmaceutique, l'énergie, la papeterie », renchérit Claude Schelcher (Endress+Hauser France). Il ne faudrait pas croire, au vu de ce que l'on vient de dire, que la méthode à effet Vortex soit la technologie universelle pour la mesure de débit. Comme toutes les autres méthodes existantes, elle se distingue par des avantages et quelques limitations. Avant d'aller plus loin, faisons un rappel sur le principe de mesure lui-même. Le concept d'un débitmètre à effet Vortex s'appuie sur la création de tourbillons ( vortex en anglais) au moyen d'un élément perturbateur au sein même de la canalisation (un barreau). Un capteur piézoélectrique situé en aval mesure la fréquence de formation des tourbillons, la fréquence d'oscillation du capteur piézoélectrique étant une fonction directe de l'écoulement pour une largeur du barreau et une section de canalisation connues, d'où la détermination du débit volumique (voir encadré page 42) . Il s'agit en fait de l'exploitation de l'allée de tourbillons de Karman.

Compte tenu du principe de mesure, le premier avantage d'un débitmètre à effet Vortex est donc, rappelons-le, la possibilité de travailler aussi bien sur des liquides, de la vapeur et des gaz, à des températures com-prises entre - 200 et +450°C et des pressions jusqu'à 250 bar, voire au-delà. « L'utilisation d'un barreau monobloc, intégrant deux capteurs piézoélectriques scellés hermétiquement et associé à un raccord process non soudé, mais usiné selon le besoin du client, assure une très bonne robustesse. Certains de nos appareils fonctionnent depuis 20 ans sans étalonnage », affirme Stéphane Gromada (Yokogawa France). Pour la mesure de la fréquence des tourbillons, Endress+Hauser a privilégié une autre technologie : « La particularité de nos modèles est la mise en œuvre d'une technologie capacitive équilibrée. Contrairement aux débitmètres concurrents, nos éléments de mesure sont ainsi moins sensibles aux vibrations et plus résistants aux coups de bélier, à l'encrassement, etc. Et les facteurs d'étalonnage sont garantis à vie », explique Claude Schelcher (Endress+Hauser France).

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