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Réussites

March 14, 2022

L’hydromètre

Un nouveau capteur souple qui améliore considérablement le processus de traitement de l’eau potable
potable

Vue de l’intérieur d’un réservoir d’eau potable

Aux Pays-Bas, plus de 400 millions de m³ (100 milliards de gallons) d’eau sont adoucis chaque année dans les usines de traitement de l’eau potable. L’adoucissement est un processus physique et chimique complexe dans les réacteurs à lit fluidisé. Dans un lit fluidisé, des particules d’environ 1 mm sont élevées à l’aide d’un courant d’eau ascendant, ce qui crée une grande surface. Le maintien de conditions de traitement optimales nécessite des informations en temps réel sur l’état du lit fluidisé. Jusqu’à récemment, il était impossible de saisir pleinement la dynamique du lit fluidisé depuis l’extérieur du réacteur. Waternet, la société d’approvisionnement en eau d’Amsterdam et de ses environs, avait pour objectif de développer un capteur souple innovant (1) – l’hydromètre – capable de surveiller en permanence l’état du lit fluidisé à l’intérieur du réacteur. Cette recherche est le fruit d’une collaboration avec l’Université des sciences appliquées d’Utrecht, l’Université Queen Mary de Londres, l’Université technique de Delft, Bienfait et Gantner Instruments.

Optimisation du processus d’adoucissement de l’eau

Le processus d’adoucissement se déroule dans des réacteurs à lit fluidisé, partiellement remplis de matériaux d’ensemencement tels que du sable, du grenat et des granulés de calcite. L’eau est pompée vers le haut, maintenant le lit de granules dans un état fluidisé. De la soude caustique est ajoutée comme réactif pour la cristallisation du carbonate de calcium à la surface des granules de calcite. La cristallisation entraîne la croissance des boulettes et leur descente vers le fond du réacteur. Des pastilles plus grandes réduisent la surface disponible, ce qui nuit à l’efficacité de la cristallisation. Le maintien de conditions de traitement optimales nécessite des informations en temps réel sur l’état de fluidisation du lit de boulettes afin de déterminer la quantité de soude caustique nécessaire pour un processus de cristallisation optimal. Ces informations en temps réel permettent également d’éviter les surdoses de soude caustique, ce qui a des répercussions négatives sur la qualité de l’eau, la durabilité du processus et le coût. Le capteur souple Hydrometer vise à obtenir des informations longitudinales dans un réacteur à lit fluidisé et à déterminer ensuite le profil de vide longitudinal (2) et de diamètre des particules à l’aide d’un modèle empirique.

Preuve de concept de l’Hydromètre

Le capteur souple Hydrometer est basé sur la méthode de pesée sous-marine, également connue sous le nom de principe d’Archimède. Archimède a découvert que la force de flottaison ascendante sur un corps immergé était égale à la masse du liquide déplacé. Le volume déplacé est égal au volume du corps immergé dans le liquide. L’hydromètre est conçu pour laisser un objet flottant immergé pendre à différentes hauteurs dans un lit fluidisé de boulettes de calcite et mesurer la force de flottaison à ces positions.

Aperçu théorique du capteur souple de l’hydromètre

Pour démontrer la faisabilité de l’hydromètre, Waternet et l’Université des sciences appliquées d’Utrecht ont conçu un dispositif de test expérimental utilisant un cylindre transparent rempli de billes de verre et de pastilles de calcite pour simuler le réacteur d’adoucissement. Un capteur à poulie intelligente conçu par Bienfait est monté au-dessus du cylindre pour déplacer verticalement un objet flottant commandé par un moteur pas à pas à travers le lit fluidisé. Une cellule de charge de poulie (P100/3W, Gicam) et un encodeur rotatif incrémental (Rotapulse I28, Lika Electronics) mesurent le poids et la position de l’objet flottant à l’intérieur du cylindre. Le moteur pas à pas, l’encodeur et la cellule de charge sont connectés à un système d’acquisition de données et de contrôle de la série Q.composé d’un contrôleur Q.monixx et d’un module d’entrée numérique Q.bloxx D101.

Capteur de poulie intelligent

Le capteur à poulie intelligente comprend quatre composants permettant de faire monter et descendre l’objet dans le cylindre et de mesurer son poids et sa position. L’objet flottant est attaché à une fine ligne de pêche tressée. La ligne est tendue sur la première poulie équipée du codeur rotatif qui transmet le nombre de pas à partir d’un point zéro défini au module de mesure Q.bloxx D101. La ligne tressée passe sous la deuxième poulie équipée d’une cellule de charge qui mesure la déformation en tension. Cette déformation mesurée a une corrélation linéaire avec la masse de l’objet flottant. La ligne tressée est enfilée sur la troisième poulie pour servir de support. Elle est reliée au moteur pas à pas, qui déplace l’objet flottant de haut en bas dans le cylindre.

La configuration du système d’essai et l’enregistrement des données sont effectués à l’aide du logiciel d’acquisition de données GI.bench. Le Q.monixx transmet en continu les données au logiciel GI.bench fonctionnant sur un PC. Grâce à la fonction de mise à l’échelle des capteurs de GI.bench, les données mesurées par le codeur et le capteur sont converties du nombre de pas [#] en position [m] et de la contrainte [V] en masse [kg]. Des tableaux de bord en ligne permettent aux opérateurs de suivre l’essai en temps réel et des enregistreurs de données configurables par l’utilisateur écrivent les données de mesure dans un fichier à la fréquence d’échantillonnage optimale.

Baie d’acquisition de données et de contrôle

Les ingénieurs de Waternet ont développé une routine test.con pour automatiser le test et garantir des résultats répétables et comparables. La routine déplace l’objet flottant par étapes prédéfinies à différentes hauteurs dans le cylindre pour la mesure. test.con est le langage de programmation visuel gratuit de Gantner permettant aux ingénieurs de créer des applications personnalisées pour l’automatisation et l’analyse des tests. Pour le montage expérimental de l’hydromètre, Waternet a réalisé 20 mesures par essai en 30 minutes environ.

Connaissances acquises

Le capteur souple Hydrometer nouvellement développé s’est avéré être une méthode plus efficace en termes de temps pour obtenir l’état hydraulique dans les réacteurs à lit fluidisé en grandeur réelle. Les avantages d’un capteur longitudinal pour le contrôle quotidien du processus sont l’accès en temps réel au comportement du lit de particules et une plus grande flexibilité face aux changements du débit d’eau et des conditions du processus.

Après les tests de validation de l’hydromètre, le vide a pu être estimé avec une erreur de 5 % et la taille des particules avec environ 10 % en combinaison avec un modèle basé sur des données. Pour améliorer encore la précision et la fiabilité de l’hydromètre, plusieurs aspects doivent encore être développés. Par exemple, l’optimisation de la précision des mesures dans les régions inférieures du lit fluidisé, l’ajout de capteurs de pression différentielle pour améliorer la validation du modèle et l’application de la CFD (dynamique des fluides computationnelle) pour mieux modéliser les interactions particules-fluide-objet.

La programmation d’une routine test.con dans le Q.monixx a considérablement amélioré les résultats des tests.

Waternet

Outre le nombre de points de données, l’intervalle optimal entre les mesures pourrait également être déterminé, améliorant ainsi l’efficacité temporelle des tests. Cela peut améliorer de manière significative les processus de traitement de l’eau, par exemple en rendant les opérations plus flexibles, en améliorant la qualité de l’eau, en réduisant les risques d’approche d’états de fluidisation indésirables et en diminuant l’utilisation de produits chimiques.

Vous souhaitez en savoir plus sur l’automatisation des tests et les nombreuses autres fonctionnalités de test.con ?

Plus d’informations

O.J.I. Kramer, C. van Schaik, J.J. Hangelbroek, P.J. de Moel, M.G. Colin, M. Amsing, E.S. Boek, W.P. Breugem, J.T. Padding, J.P. van der Hoek, A novel sensor measuring local voidage profile inside a fluidised bed reactor, Journal of Water Process Engineering 41C (2021), pp. 1-15, https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2021.102091

Regardez la vidéo ci-dessous pour voir le développement du capteur Hydromètre en action.

Note de bas de page :
(1) Un capteur souple est un modèle virtuel qui convertit diverses entrées provenant de capteurs simples et les combine pour imiter la sortie d’un capteur plus complexe.
(2) Le vide est la fraction du volume total du lit fluidisé, qui est l’espace libre disponible pour l’écoulement des fluides.

Author: Michiel Amsing

Sales Manager
Bienfait

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