High performance ceramics
Electromagnetic flowmeters with zirconium oxide-sintered ceramic measuring tubes

Polyvalence des applications

Les débitmètres électromagnétiques dotés de tubes de mesure en céramique frittée à base d'oxyde de zirconium allient remarquablement différentes propriétés de matériaux : qualité et dureté de surface, stabilité mécanique et résistance à la corrosion et aux variations de température. Parmi les avantages dont bénéficie  l’utilisateur, on retient une excellente précision et une très bonne stabilité dans le temps, ainsi qu'une résistance au vide et une résistance à la diffusion. En combinant polyvalence et grande précision, ces débitmètres peuvent être utilisés dans tous les secteurs de l'industrie, de la fabrication du papier à l'industrie pharmaceutique, en passant par la filière agroalimentaire, l'industrie minière, la fabrication des matériaux de construction et l'industrie chimique.

Les débitmètres électromagnétiques ne pouvaient être plus polyvalents : les appareils OPTIFLUX sont équipés de tubes de mesure en céramique et existent en version sandwich ou en version à bride. Sur demande, vous pouvez ainsi choisir un instrument de type sandwich, pour réduire vos coûts d'investissement, ou un instrument à bride, pour accroître la fiabilité de votre process.

 

The capacitive pick-ups are fully integrated into the ceramic tube using LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic) technology.
Capacitive signal pick-up

Détection capacitive du signal

Au lieu d'utiliser des électrodes classiques qui entrent en contact direct avec le liquide à mesurer, le tube de mesure en céramique qui équipe OPTIFLUX 7300 assure une détection capacitive du signal, sans contact avec le produit. Les électrodes se présentent sous la forme de grandes plaques capacitives, installées juste derrière le revêtement céramique.
 
Même si une couche de produit non conductrice se forme sur les électrodes métalliques, la détection capacitive permettra toujours de capter un signal net (ex. : émulsion de latex ou de bitume).

Le fait que les électrodes n'entrent pas en contact avec le produit permet d'éviter toute action catalytique indésirable avec les parties métalliques. Cela permet également de minimiser le bruit.

Dans le cas d'OPTIFLUX 7300, le bruit est non seulement limité grâce à la grande surface des électrodes capacitives, mais également grâce à leur rigidité. Tous les composants électroniques sont parfaitement intégrés au tube céramique au moyen de la technologie LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic – céramique co-frittée à basse température). Les électrodes capacitives, le blindage et les préamplificateurs sont frittés avec le tube céramique, en trois couches de microruban LTCC.

La construction ainsi obtenue est ferme et extrêmement rigide, ce qui permet d'éliminer les mouvements relatifs de ces pièces.

L'emploi de matériaux non piézoélectriques permet d'éviter les bruits piézoélectriques qui peuvent se produire en cas d'utilisation d'isolants en plastique. Parmi les avantages de cette structure ultra-rigide, on compte une forte insensibilité aux bruits et aux vibrations. Nettement plus grande qu'avec les électrodes métalliques conductrices, la surface de détection contribue également à la haute qualité du signal.

 

Electron microscope shot of the fused-in-place cermet electrode: left, the light points (platinum) are the only way to recognise that there are two different materials.
Gap-free fused-in-place platinum electrodes

Electrodes en platine sans interstice, insérées au moment du frittage

L'électrode d'OPTIFLUX 5300 est insérée au moment du frittage, sans interstice. Toute fuite à cet endroit peut, selon le produit, constituer un risque pour la sécurité et donner lieu à des coûts supplémentaires non souhaités. C'est pour cette raison que d'importants efforts ont été déployés pour élaborer la solution suivante :

 Dans la forme brute de céramique, les électrodes sont intégrées sous la forme d'un goujon plein ou d'une électrode cermet. Une électrode cermet est un élément composite constitué de céramique et de métal, dans ce cas du platine. Au cours du frittage ultérieur, la partie céramique de l'électrode cermet se lie à la céramique qui l'entoure, tandis que la partie platine s'intègre parfaitement en matière de propriétés thermiques et électriques. On obtient une zone de liaison céramique homogène, entièrement dépourvue d'interstices, entre le tube de mesure et l'électrode. L'homogénéité de cette zone de liaison a été démontrée au cours d'essais destructifs (essais d'éclatement). De plus, les deux matériaux différents sont liés de telle sorte que la survenue de chocs de température ne provoque aucune détérioration.

 

Helium leak testing
Wear-resistant and diffusion proof

Résistance à l'usure et à la diffusion

Le fait que la céramique soit dépourvue de pores ouverts et présente une structure cristalline relativement fine permet d'obtenir des surfaces extrêmement lisses et, avec OPTIFLUX, d'atteindre des valeurs de rugosité (Ra) de 0,8 µm. Cela permet en outre d'obtenir un très faible débit de fuite, généralement inférieur à 10 -10 mbar * L/s sous une pression d'essai de 60 bar (hélium).

Hormis les cas où ils sont utilisés avec des acides et des bases dans l'industrie chimique, par exemple pour les tireuses dans l'industrie des boissons, ces débitmètres sont presque exclusivement équipés de tubes de mesure en céramique. La très faible rugosité de surface décrite ci-dessus, et donc les bonnes aptitudes à l'hygiène, revêtent une grande importance dans les applications sanitaires.

 

[Translate to French:] Extraordinary hardness (almost adamantine) is one of the properties responsible for the extreme wear resistance of this ceramic. Plastic coatings, on the other hand, are malleable, exhibit vacuum sensitivity and are much less resistant to wear.

Cleaning tanks and pipelines with high-pressure water jets is a proven way to assure productivity, safety, environmental responsibility and low costs. Obviously plastic lined electromagnetic flow meters are quickly damaged by the water jet, whereas a ceramic tubed meter is not harmed.

Often the cause of failures of plastic lined electromagnetic flowmeters is either mechanical wear or chemicals or corrosive components penetrating the liner.

Subsequent research into root causes underlines the great advantage of ceramic measuring tubes: outstanding long-term stability and operating safety whereby production continues without stops or potential environmental contamination. In many cases, several of the properties of this high performance ceramic are required at the same time, e.g. when measuring nitric acid or hydrochloric acid. The PFA or PTFE coatings typical to EMFs are not sufficient in this case as they are not suitably diffusion resistant. For this reason, EMFs with measuring tubes or measuring tube liners made of ceramic material have been available for decades for this type of application. KROHNE Messtechnik was and is the pioneer in this area, introducing the first ceramic device as early as 1982. In close cooperation with Mannheim based FRIATEC AG, ceramic measuring tubes continue to be the state-of-the art for a wide range of applications.

Long-term drift EMF DN 15
Unrivalled long-term measuring accuracy

Précision dans le temps inégalée

Outre les propriétés des composants électriques et mécaniques, la stabilité dimensionnelle du tube de mesure, sous contrainte de température et de compression, est primordiale pour la reproductibilité du signal électrique d'un débitmètre électromagnétique, car elle affecte considérablement la distance de part et d'autre des électrodes, et donc, la précision de mesure. Le choix des matériaux du tube de mesure et des électrodes, ainsi que la bonne technique de liaison des électrodes au tube de mesure jouent donc un rôle clé pour la fiabilité dans le temps des débitmètres électromagnétiques.
 
La stabilité dans le temps des appareils céramiques a fait l'objet d'études scientifiques menées en collaboration avec l'Institut allemand de métrologie (PTB). Les essais réalisés sous contrainte de température ont démontré que les appareils céramiques présentaient une incertitude de mesure moyenne de seulement 0,05 % par rapport aux appareils neufs. Pour les appareils PFA, l'incertitude de mesure s'est révélée huit fois supérieure. Ces essais ont consisté à faire varier la température du produit de 81°C à 18°C toutes les 5 minutes. Cette simulation a été réalisée pendant 600 cycles successifs. Avec les mêmes éprouvettes, 60 cycles ont ensuite été réalisés afin de simuler une stérilisation à la vapeur surchauffée (SEP), en basculant à chaque fois entre de l'eau à température ambiante et de la vapeur d'eau chauffée à 134°C pendant 30 minutes.

À nouveau, la stabilité dans le temps (à savoir, la précision au cours de nombreux cycles de mesure) du tube de mesure est assurée grâce à l'extraordinaire stabilité dimensionnelle de la céramique. La grande stabilité géométrique est l'une des principales raisons pour lesquelles OPTIFLUX 5300 est tellement utilisé et est considéré comme un appareil de référence/appareil étalon dans les installations de mesure de débit des instituts nationaux, des bureaux de métrologie, des organismes d'essais accrédités et des organismes notifiés. Parmi les autres applications possibles, on retient le dosage ultra-précis de produits concentrés comme les agents floculants, les acides ou les catalyseurs.

 

Process reliability, resistance to fire

Fiabilité des process, résistance au feu

Les performances des installations de production chimique dépendent non seulement de la taille de l'installation, mais également de facteurs tels que la qualité, le rendement, la disponibilité et la sécurité. La fiabilité d'un process et de ses systèmes techniques est influencée, entre autres, par le process lui-même ainsi que par le choix des matériaux.

Un principe de base consiste à créer une fiabilité inhérente en choisissant la conception la plus appropriée, par exemple une résistance à la pression ou à la corrosion même en cas de défaillance. Ce principe de fiabilité inhérente doit être appliqué dès les premières phases de développement du produit et du process, avant même le choix des équipements de process et des systèmes concernés par la sécurité. Les appareils disposant de réserves dans l'application permettent d'éviter les arrêts de production ainsi que les déversements de produit, grâce à l'extension de leurs limites techniques. Les appareils OPTIFLUX à tube de mesure en céramique existent en deux versions : sandwich ou à bride. Grâce à ses vis courtes, la version à bride offre une plus grande sécurité vis-à-vis des déversements de produit, même en cas d'incendie à l'extérieur de l'appareil.

De nos jours, il n'est pas rare d'exploiter une installation en régime partiel au début de son cycle de vie, pour la faire ensuite basculer en régime complet, à un certain moment déterminé en fonction de la situation économique. Dans ce cas, les niveaux de température et la composition des produits (par exemple, la concentration des acides et des bases) peuvent varier énormément. Il en résulte un large spectre d'exigences – s'appliquant même à la technologie de mesure installée. Dans ce type de cas, les appareils OPTIFLUX à tube de mesure en céramique constituent une solution intelligente, car ils offrent une grande réserve de performances. Il en va de même pour certaines installations polyvalentes dont les profils matériels doivent être conçus pour satisfaire le plus grand nombre d'exigences possible.

Contrairement aux appareils  avec revêtement revêtus de plastique, une utilisation ponctuelle sous vide ou en dessous de la pression ambiante ne pose aucun problème. La précision de mesure n'est pas affectée et le décollement du revêtement par cloquage se révèle impossible. L'industrie chimique et l'industrie papetière, tout comme l'industrie minière et l'industrie de fabrication des matériaux de construction, reposent sur des technologies d'avant-garde qui doivent être extrêmement robustes et durables. En plus des essais réalisés en laboratoires spécifiques (par exemple, avec des membres du groupement NAMUR) ou en pratique, sur le terrain, les appareils sont également testés par les utilisateurs pour leur adaptation à l'application.