Bancs d'essai de compteurs de gaz à positions multiples : pourquoi le même compteur peut donner des résultats différents

L'équipement de vérification de compteurs de gaz à positions multiples permet de vérifier simultanément plusieurs compteurs de gaz connectés en série, ce qui améliore l'efficacité des tests. Cependant, des différences liées à la position peuvent affecter la précision des résultats de vérification. S'appuyant sur l'expérience pratique, les auteurs ont combiné analyse théorique et expérimentations pour étudier trois sources de différences liées à la position : la perte de charge, les caractéristiques d'erreur des compteurs et la distribution du champ d'écoulement. Les résultats identifient des mesures susceptibles de réduire ces différences et d'améliorer la fiabilité de la vérification des compteurs de gaz en série.

Mots-clés : compteur de gaz ; équipement de vérification ; dispersion de position ; exactitude

Le gaz naturel joue un rôle important dans le système énergétique. Avec l'expansion des villes et des réseaux de distribution de gaz en Chine, la demande de compteurs de gaz et la charge de travail de vérification correspondante ont augmenté. Le raccordement des compteurs en série permet à un banc multi-positions de tester plusieurs unités en une seule exécution. Les auteurs ont observé qu'un même compteur pouvait donner des résultats de vérification différents selon les positions du banc. Ces différences peuvent affecter la manière dont la performance métrologique d'un compteur est évaluée. L'étude examine leurs causes et les remèdes possibles afin d'éclairer l'utilisation et la conception des bancs multi-positions.

Le banc à six buses soniques utilisé dans l'étude avait une plage de débit de 0,04 à 65 m³/h et une incertitude élargie relative de Uᵣ = 0,36 % (k = 2). Il comprenait un système de buses soniques de référence, des instruments de mesure de température et de pression, une tuyauterie et un système d'entraînement, des positions de montage et un système d'échantillonnage, ainsi qu'un système de contrôle informatique. Lorsque le rapport entre la pression statique au col de la buse et la pression totale en amont atteint sa valeur critique, le débit massique à travers la buse atteint son maximum pour les conditions amont données. Une réduction supplémentaire du rapport de contre-pression ne modifie pas le débit dans la buse. Le système d'échantillonnage enregistre les volumes cumulés par le compteur en essai et par la buse de référence. L'erreur d'indication est obtenue en comparant le volume du compteur au volume de référence corrigé en température et en pression. Les compteurs d'essai étaient des compteurs de gaz à ultrasons de classe 1,5 G25 avec une plage de débit de 0,25 à 40 m³/h.

Un même compteur de gaz peut-il produire des écarts d'indication différents lorsqu'il est monté à différentes positions sur le même banc de vérification en série ? L'étude examine comment la perte de charge, les caractéristiques d'erreur du compteur et la distribution du débit d'entrée contribuent à la dispersion observée, et si une modification de la tuyauterie peut la réduire dans les conditions testées.

Les auteurs ont combiné une analyse de la pression d'entrée et du débit avec deux comparaisons expérimentales. Un banc à six positions équipé de tuyères soniques a été utilisé pour comparer les erreurs d'indication entre les positions pour six compteurs de classe 1,5. Un banc séparé à trois positions a été utilisé pour comparer le même compteur ultrasonique à 40 m³/h avant et après l'ajout d'une section de tuyau droit, tout en maintenant les conditions environnementales déclarées inchangées. Les trois mécanismes et les données d'essai respectives sont présentés ci-dessous dans l'ordre de l'article source.

La perte de pression est la chute de pression moyenne entre l'entrée et la sortie d'un compteur de gaz à un débit spécifié. L'article la relie au frottement à l'intérieur du compteur, y compris le frottement associé à ses passages d'écoulement et à ses composants mobiles. Les auteurs citent la réglementation Jiangsu alors applicable JJG (Su) 206–2018, qui spécifiait une perte de pression maximale de 300 Pa pour les compteurs avec 16 m³/h ≤ Qₘₐₓ ≤ 65 m³/h. Ils estiment que la différence de pression d'entrée entre la première et la sixième position d'un banc à six positions peut dépasser 1 000 Pa et affecter la comparaison.

L'analyse considère que les entrées du compteur sont à la même altitude et approxime l'air comme un gaz parfait. L'article applique la relation de Bernoulli suivante aux entrées :

p + ½ρv² + ρgh = C　(1)

p = pression à l'entrée (Pa) ; ρ = masse volumique du gaz (kg/m³) ; v = vitesse (m/s) ; g = accélération gravitationnelle (m/s²) ; h = altitude de l'entrée (m) ; C = constante.

v = √[2(C − p − ρgh)/ρ]　(2)

Dans l'analyse des auteurs, en considérant C comme constant, l'équation (2) associe une pression d'entrée p plus faible à une vitesse d'entrée v plus élevée. Pour une section transversale s fixe, Q = v × s, de sorte que les variations de vitesse modifient le débit volumique local. Les auteurs soutiennent que les pertes de charge dans les compteurs connectés en série peuvent donc modifier les conditions d'écoulement à différentes positions et affecter leurs résultats de vérification. Ils proposent de réduire le frottement à l'intérieur du compteur, d'améliorer la tuyauterie entre les positions et d'évaluer la perte de charge cumulée lors de la fixation d'un écart de position admissible et du choix du nombre de positions d'essai.

Les compteurs peuvent présenter des écarts d'indication, de stabilité et de répétabilité différents en raison de différences de fabrication. Les auteurs identifient ces différences comme un contributeur important aux résultats obtenus aux différentes positions du banc. Ils définissent la dispersion de position Δ comme suit :

Δ = |Eₘₐₓ − Eₘᵢₙ|　(3)

Eₘₐₓ et Eₘᵢₙ sont les écarts d'indication les plus élevés et les plus faibles mesurés pour le même compteur d'essai aux différentes positions du banc.

En utilisant le critère cité dans l'article, la dispersion de position a été limitée à un quart de la classe de précision numérique du compteur en cours de test. Les auteurs ont testé six compteurs de classe 1,5 dans les mêmes conditions environnementales sur le banc à six positions, en appliquant un seuil de 0,375 %. Les données sont reproduites dans le tableau 1.

Deux des six compteurs ont dépassé le seuil de 0,375 % utilisé dans l'étude. Cela démontre que la dispersion de position mesurée peut différer entre des compteurs testés sur le même banc. Les auteurs recommandent d'améliorer la stabilité et la fiabilité des compteurs. Pour évaluer la cohérence de position sur un étalon de mesure, ils recommandent de sélectionner un compteur d'essai présentant des caractéristiques métrologiques stables.

Les coudes sont courants dans les bancs d'essai de compteurs de gaz et les installations sur site. L'article explique que les différences de vitesse et de force centrifuge à travers un coude peuvent générer un écoulement secondaire, augmentant la perturbation et réduisant l'uniformité du profil de vitesse. Cela peut influencer les résultats selon les positions sur le banc, en particulier pour les compteurs sensibles aux profils d'écoulement à l'entrée, tels que les compteurs de gaz à ultrasons et thermiques.

Pour étudier l'effet d'une section de tuyau droit ajoutée, les auteurs ont utilisé un banc à buse sonique à trois positions incorporant des coudes. Il avait une plage de débit de 0,04–65 m³/h et une incertitude élargie relative de Uᵣ = 0,34 % (k = 2). Ils ont testé le même compteur ultrasonique, numéro de série 35180824128, à 40 m³/h avec et sans la section ajoutée tout en maintenant les conditions environnementales inchangées. Le résultat du test de stabilité du compteur rapporté était de 0,23 %. Voir le tableau 3 original pour les mesures.

Après l'ajout de la section droite, la dispersion des positions mesurées est passée de 0,70 % à 0,28 %. Les auteurs interprètent ce résultat comme la preuve que la section droite ajoutée a amélioré la distribution de l'écoulement et la cohérence des positions dans leur installation. Ils suggèrent des longueurs droites de 8D–15D, où D est le diamètre intérieur du tuyau, et proposent des guides d'écoulement lorsque l'espace disponible est limité. Ils recommandent également de réduire le nombre de coudes dans la tuyauterie du banc.

Les résultats des six positions montrent que le choix du compteur d'essai a son importance lors de l'évaluation de la cohérence des positions du banc. Deux compteurs ont dépassé le critère de 0,375 % de l'étude, tandis que les quatre autres ne l'ont pas fait. Sur le banc séparé à trois positions, l'ajout d'une section droite a réduit la dispersion de 0,70 % à 0,28 % pour le compteur testé, soit une réduction de 0,42 point de pourcentage. Pris ensemble, les essais confirment la nécessité de vérifier à la fois la stabilité du compteur et la configuration de la tuyauterie d'admission lors du diagnostic d'un résultat dépendant de la position. La comparaison avec section droite couvre un compteur à un point de débit.

S'appuyant sur l'expérience de vérification pratique, l'analyse théorique et les expériences, l'article examine les causes des différences liées à la position et les remèdes potentiels en termes de perte de charge, de caractéristiques d'erreur du compteur et de distribution du champ d'écoulement. Les auteurs souhaitent que ces résultats aident les laboratoires de vérification et les fabricants de compteurs de gaz à améliorer la précision et la fiabilité des essais multi-positions.

Une étude de suivi pourrait répéter la comparaison de la section droite sur plusieurs points de débit, technologies de compteurs et configurations d'entrée. L'enregistrement de la pression et de la température spécifiques à chaque position, des lectures répétées et de l'incertitude de mesure aiderait à séparer l'effet de la tuyauterie de la variabilité du compteur et à établir dans quelle mesure l'amélioration observée se transpose à d'autres bancs.

Les équations (1)–(3) reproduisent l'analyse source. Sur un banc réel, les pertes entre les positions doivent être prises en compte avant d'utiliser la relation de Bernoulli pour prédire une différence de vitesse. Les critères historiques de l'étude, les lectures d'échantillons et les longueurs de tuyaux droits doivent être interprétés dans le contexte d'essai d'origine.

Xu Z., Zhao Z., Zhou Y. Analyse des causes et des contre-mesures des différences de position dans les équipements de vérification de compteurs de gaz à positions multiples [titre traduit]. 2022, 32(2), pp. 34–36. Enregistrement DOI.

Photo de couverture éditoriale : Betty Carrell, Département de l'Énergie des États-Unis. Œuvre du gouvernement américain selon la source. Recadrée pour la mise en page de la couverture avec superposition du titre. La photographie illustre un travail d'ingénierie.