FR2850457A1

FR2850457A1 - Volume determination of ethyl alcohol by Coriolis mass effect, useful for control of alcohol in distilleries and factory synthesis of alcohol

Info

Publication number: FR2850457A1
Application number: FR0300748A
Authority: FR
Inventors: Jean Yvert
Original assignee: Emerson Process Management SAS
Current assignee: Emerson Process Management SAS
Priority date: 2003-01-23
Filing date: 2003-01-23
Publication date: 2004-07-30
Anticipated expiration: 2023-01-23
Also published as: FR2850457B1

Abstract

Volume determination of ethyl alcohol contained in a water/ethyl alcohol mixture at a measuring temperature T which comprises a direct mass counter (Coriolis effect) giving mass measurements, M, and density rhoT as signals, a temperature sensor, and counter calculator providing a calculation of the apparent volume VT of the water/alcohol mixture at T and volume of pure ethyl alcohol VAP,20 degrees C, expressed at the reference temperature, 20 degrees C. An Independent claim is also included for the verification process of the counter.

Description

La présente invention concerne un compteur de volume d'alcool éthyliqueThe present invention relates to a volume meter of ethyl alcohol

basé sur un compteurbased on a counter

massique direct à effet Coriolis, et vérifiable avec les mêmes étalons que ceux couramment utilisés pour la vérification métrologique des compteurs de volume d'alcool utilisant un principe de mesure volumétrique: jauge, aréomètre et thermomètre étalons. direct mass with Coriolis effect, and verifiable with the same standards as those commonly used for metrological verification of alcohol volume meters using a volumetric measuring principle: gauge, hydrometer and standard thermometer.

Les compteurs de volume d'alcool éthylique sont utilisés sur les écoulements de mélanges hydroalcooliques (eau / alcool éthylique) pour mesurer la production d'alcool dans les distilleries (de marc, de vins, de lies, de fruits), dans les sucreries et dans les usines de production d'alcool de synthèse. Ils sont également utilisés pour la mesure des quantités d'alcool expédiées ou transférées à partir de sites de stockage et chargées en camions ou wagons citernes. The ethyl alcohol volume counters are used on the flows of hydroalcoholic mixtures (water / ethyl alcohol) to measure the production of alcohol in distilleries (marc, wine, lees, fruit), in sweets and in factories producing synthetic alcohol. They are also used to measure the quantities of alcohol shipped or transferred from storage sites and loaded in trucks or tank cars.

Un compteur massique direct à effet Coriolis s'installe en série sur une conduite fermée dans laquelle s'écoule un liquide, et délivre des mesures primaires de masse du liquide, d'une part, et de masse volumique de ce liquide aux conditions d'écoulement d'autre part. Son utilisation en tant que compteur de volume d'alcool éthylique pose le problème de sa vérification sur site. Cette vérification est destinée à contrôler périodiquement l'exactitude du compteur d'alcool et peut être 15 exigée par la réglementation suivant l'exploitation qui en est faite. A direct mass counter with Coriolis effect is installed in series on a closed pipe in which a liquid flows, and delivers primary measurements of liquid mass, on the one hand, and density of this liquid under the conditions of flow on the other hand. Its use as a volume meter of ethyl alcohol poses the problem of its verification on site. This verification is intended to periodically check the accuracy of the alcohol meter and may be required by regulations depending on the use made of it.

Un compteur massique direct est capable de fournir une mesure indirecte du volume aux conditions de température d'écoulement, en divisant la masse mesurée par la masse volumique instantanée mesurée. Toutefois, la comparaison directe de cette mesure de volume avec un étalon de volume ne permet pas de déterminer quelle mesure primaire peut être à l'origine d'une erreur 20 éventuelle: la mesure de masse, la mesure de masse volumique, ou encore les deux simultanément. Cette comparaison en volume ne permet donc pas d'ajuster convenablement le compteur en cas d'erreur. Des vérifications distinctes de la masse et de la masse volumique apparaissent nécessaires pour permettre un tel ajustage en toute connaissance de cause. Or, il n'existe pas à ce jour d'étalon de masse facilement utilisable. Par ailleurs, les systèmes étalons de 25 masse volumique permettant de vérifier un densimètre en ligne sont onéreux et très délicats à mettre en oeuvre. La combinaison de ces contraintes rend en pratique très improbable l'application industrielle des compteurs massiques directs à effet Coriolis pour la mesure de volume d'alcool. A direct mass counter is capable of providing an indirect measure of volume at flow temperature conditions, by dividing the measured mass by the measured instantaneous density. However, direct comparison of this volume measurement with a volume standard does not make it possible to determine which primary measurement may be the source of a possible error: the mass measurement, the density measurement, or even the two simultaneously. This volume comparison therefore does not allow the meter to be adjusted properly in the event of an error. Separate checks of mass and density appear necessary to allow such an adjustment with full knowledge of the facts. However, to date there is no easily usable mass standard. Furthermore, the standard density systems enabling an online densimeter to be checked are expensive and very difficult to implement. The combination of these constraints makes in practice very improbable the industrial application of direct mass meters with Coriolis effect for the measurement of alcohol volume.

Le compteur selon l'invention contourne ces difficultés en permettant de déterminer séparément l'exactitude en masse et l'exactitude en masse volumique du compteur massique direct à effet Coriolis, sans vérifier directement aucune de ces deux grandeurs, mais en s'appuyant uniquement sur des moyens d'étalonnage en volume. The counter according to the invention circumvents these difficulties by making it possible to separately determine the mass accuracy and the density accuracy of the direct mass counter with Coriolis effect, without directly checking either of these two quantities, but by relying solely on volume calibration means.

Le compteur de volume d'alcool éthylique objet de l'invention est constitué, suivant la figure 1, de: - un compteur massique direct à effet Coriolis, comportant lui-même: - un transducteur (1) de masse et de masse volumique à température de mesurage 35 du mélange hydroalcoolique - un transmetteur (2) délivrant les mesures ci-dessus sous forme de signaux électroniques (impulsions, courants analogiques et/ou communication numérique) - une sonde de température (3) - un calculateur de comptage (4) recevant les signaux de masse, de masse volumique et de 40 température, et assurant des fonctions de calcul et d'indication des grandeurs mesurées. The ethyl alcohol volume meter object of the invention consists, according to Figure 1, of: - a direct mass counter with Coriolis effect, itself comprising: - a transducer (1) for mass and density at measurement temperature 35 of the hydroalcoholic mixture - a transmitter (2) delivering the above measurements in the form of electronic signals (pulses, analog currents and / or digital communication) - a temperature probe (3) - a counting computer (4 ) receiving the mass, density and temperature 40 signals, and providing functions for calculating and indicating the quantities measured.

A l'effet de permettre sa vérification par les étalons couramment utilisés, le compteur de volume d'alcool éthylique à base de compteur massique direct à effet Coriolis utilise, selon une première caractéristique, un algorithme de calcul délivrant deux mesures différentes de volume: - le volume apparent du mélange hydroalcoolique à température T de mesurage (noté VT). In order to allow its verification by commonly used standards, the ethyl alcohol volume counter based on direct mass counter with Coriolis effect uses, according to a first characteristic, a calculation algorithm delivering two different volume measurements: - the apparent volume of the hydroalcoholic mixture at measurement temperature T (denoted VT).

- le volume d'alcool éthylique pur contenu dans le mélange hydroalcoolique, exprimé à la température de référence de 20OC (noté VAP, 20 C). - the volume of pure ethyl alcohol contained in the hydroalcoholic mixture, expressed at the reference temperature of 20OC (noted VAP, 20 C).

Ces deux mesures sont obtenues respectivement de la façon suivante: VT = M / P T O : VT = volume du mélange hydroalcoolique à température T de mesurage M = masse mesurée du mélange hydroalcoolique P T = masse volumique mesurée du mélange hydroalcoolique à température T de mesurage VAP,20oC = M * P(P T,T) / P A,200C O : VAP,200C = volume d'alcool éthylique pur à 200C p(p T,T) = titre massique d'alcool pur du mélange hydroalcoolique déterminé par le calculateur de comptage à partir de p T, de T, et des tables alcoométriques internationales (recommandation OIML R22), et exprimé en pourcentage en masse. These two measurements are obtained respectively as follows: VT = M / PTO: VT = volume of the hydroalcoholic mixture at measuring temperature T M = measured mass of the hydroalcoholic mixture PT = measured density of the hydroalcoholic mixture at measuring temperature T VAP, 20oC = M * P (PT, T) / PA, 200C O: VAP, 200C = volume of pure ethyl alcohol at 200C p (p T, T) = mass titer of pure alcohol of the hydroalcoholic mixture determined by the counting from p T, T, and international alcohol tables (OIML recommendation R22), and expressed as a percentage by mass.

P A,20C = masse volumique de l'alcool éthylique pur à 20'C = 789,24 kg/m3 20 Détails de l'algorithme de calcul: L'algorithme de calcul de volume d'alcool utilise l'équation polynomiale définie dans la recommandation R22 de l'OIML (1973), également connue sous la dénomination de " tables alcoométriques internationales ", pour calculer le titre massique p(p T,T) et le titre volumique à 20 C q(p T,T). Une éventuelle révision ou actualisation de ces tables internationales ne pourrait apporter que des modifications mineures des valeurs de référence et n'est donc pas susceptible de remettre en cause l'invention dans son principe. Le titre massique p(p T,T) et le titre volumique à 200C q(p T,T) sont calculés à partir des valeurs mesurées de masse volumique et de température du mélange hydroalcoolique (eau/alcool éthylique). Ces valeurs calculées sont utilisées pour calculer deux coefficients " v " et " w " liant le volume d'alcool éthylique pur à 200C, 30 respectivement à la masse du mélange hydroalcoolique et à son volume. PA, 20C = density of pure ethyl alcohol at 20'C = 789.24 kg / m3 20 Details of the calculation algorithm: The alcohol volume calculation algorithm uses the polynomial equation defined in the OIML Recommendation R22 (1973), also known as "international alcohol tables", for calculating the mass titer p (p T, T) and the volume titer at 20 C q (p T, T). A possible revision or updating of these international tables could only bring minor modifications to the reference values and is therefore not likely to call into question the invention in principle. The mass titer p (p T, T) and the volume titer at 200C q (p T, T) are calculated from the measured values of density and temperature of the hydroalcoholic mixture (water / ethyl alcohol). These calculated values are used to calculate two coefficients "v" and "w" relating the volume of pure ethyl alcohol to 200C, respectively to the mass of the hydroalcoholic mixture and to its volume.

Ces quatre valeurs, p(p T,T), q(p T,T), " v " et " w " sont ensuite utilisées dans un module de totalisation pour calculer le volume du mélange hydroalcoolique à température T de mesurage noté VT et le volume d'alcool éthylique pur à 200C noté VAP,20 C Les valeurs d'entrée de l'algorithme sont la masse volumique et la température. Le principe de 35 l'algorithme consiste à calculer le titre massique d'alcool en calculant tout d'abord une masse volumique résultant d'une valeur initiale de titre massique fixée arbitrairement d'une part et de la température mesurée d'autre part, puis à appliquer une méthode d'itération. These four values, p (p T, T), q (p T, T), "v" and "w" are then used in a totalization module to calculate the volume of the hydroalcoholic mixture at measuring temperature T denoted VT and the volume of pure ethyl alcohol at 200C denoted VAP, 20 C The input values of the algorithm are the density and the temperature. The principle of the algorithm consists in calculating the mass titer of alcohol by first calculating a density resulting from an initial value of mass titer fixed arbitrarily on the one hand and of the temperature measured on the other hand, then apply an iteration method.

Les unités utilisées en interne pour les calculs sont le kg/m3 pour la masse volumique et le OC pour la température. The units used internally for the calculations are kg / m3 for density and OC for temperature.

Les valeurs limites de température sont- 10 C et + 40 C. Les valeurs limites de masse volumique sont 771,90 kg/m3 et 1000,0 kg/m3. The temperature limit values are -10 C and + 40 C. The density limit values are 771.90 kg / m3 and 1000.0 kg / m3.

Valeurs d'entrée: Masse volumique du mélange hydroalcoolique Température du mélange hydroalcoolique Valeurs de sortie: Titre massique d'alcool éthylique dans le mélange hydroalcoolique: p(p T,T) Titre volumique d'alcool éthylique dans le mélange hydroalcoolique à 20 C: q(p T,T) Coefficient de volume d'alcool éthylique pur à 20 C par rapport à la masse: v 10 Coefficient de volume d'alcool éthylique pur à 20 C par rapport au volume: w Calculs: Calcul de la masse volumique par l'équation polynomiale définie dans la recommandation R22 de l'OIML, avec p(p T,T) = valeur précédemment calculée (valeur de départ = 1,0) et T = température mesurée. Input values: Density of the hydroalcoholic mixture Temperature of the hydroalcoholic mixture Output values: Mass titer of ethyl alcohol in the hydroalcoholic mixture: p (p T, T) Density of ethyl alcohol in the hydroalcoholic mixture at 20 C: q (p T, T) Volume coefficient of pure ethyl alcohol at 20 C relative to mass: v 10 Volume coefficient of pure ethyl alcohol at 20 C relative to volume: w Calculations: Calculation of density by the polynomial equation defined in OIML recommendation R22, with p (p T, T) = previously calculated value (starting value = 1.0) and T = measured temperature.

Calcul de la masse volumique par l'équation polynomiale définie dans la recommandation R22 de l'OIML, avec p(p T,T) = p(p T,T) - 0,01 et T = température mesurée. Calculation of the density by the polynomial equation defined in the OIML recommendation R22, with p (p T, T) = p (p T, T) - 0.01 and T = measured temperature.

Calcul de la valeur de p(p T,T) correspondant à la dernière valeur mesurée de masse volumique. Calculation of the value of p (p T, T) corresponding to the last measured density value.

Application d'une itération linéaire pour aboutir à une valeur de p(p T,T) correspondant à la 20 valeur de masse volumique mesurée (p T). Application of a linear iteration to arrive at a value of p (p T, T) corresponding to the value of density measured (p T).

Calcul de la masse volumique à 20 C du mélange hydroalcoolique, notée MV20oc, par l'équation polynomiale définie dans la recommandation R22 de l'OIML, avec la valeur précédemment calculée de p(p T,T) et T = 20 C. Calculation of the density at 20 C of the hydroalcoholic mixture, noted MV20oc, by the polynomial equation defined in recommendation R22 of the OIML, with the previously calculated value of p (p T, T) and T = 20 C.

Calcul de q(p T,T) = p(p T,T) * MV20-C / p A,20oC Calcul du coefficient v = p(p T,T) * 1000,0 / p A,20oC Calcul du coefficient w = p(p T,T) * p T / P A,20 C Calculs finaux: Volume VT = M / P T Volume VAp,20oc = M À v Soit: Volume VAP,2o0cC = VT. W Application à la vérification métrologique du compteur de volume d'alcool: Ces deux mesures de volume, VT et VAP, 2o0c, sont obtenues à partir des mêmes mesures primaires M et p T délivrées par le compteur massique direct à effet Coriolis. Le calcul du volume d'alcool éthylique pur à 20 C nécessite de disposer de l'information complémentaire de température T fournie par la sonde correspondante. Cette sonde - du type sonde à résistance platine 100 Q à 0 C - peut être vérifiée indépendamment. En considérant cette vérification effectuée, et la température T exacte, on peut établir comment la vérification de l'exactitude de VT et de VAP,20oc suffit à déterminer les erreurs éventuelles du compteur massique direct sur ses mesures primaires de masse M et de masse volumique p T à température de mesurage. Calculation of q (p T, T) = p (p T, T) * MV20-C / p A, 20oC Calculation of the coefficient v = p (p T, T) * 1000.0 / p A, 20oC Calculation of the coefficient w = p (p T, T) * p T / PA, 20 C Final calculations: Volume VT = M / PT Volume VAp, 20oc = M À v Or: Volume VAP, 2o0cC = VT. W Application to the metrological verification of the alcohol volume counter: These two volume measurements, VT and VAP, 2o0c, are obtained from the same primary measurements M and p T delivered by the direct mass counter with Coriolis effect. The calculation of the volume of pure ethyl alcohol at 20 C requires additional temperature information T provided by the corresponding probe. This probe - of the 100 Q platinum resistance probe type at 0 C - can be independently verified. By considering this verification carried out, and the exact temperature T, we can establish how the verification of the accuracy of VT and VAP, 20oc suffices to determine the possible errors of the direct mass counter on its primary mass and density measurements. p T at measurement temperature.

VT et de VAP,200C sont tous deux proportionnels à la masse M. En conséquence une erreur relative donnée sur la mesure de M (notée s M) entraîne une erreur relative identique sur VT comme sur VAP,20 C. VT and VAP, 200C are both proportional to the mass M. Consequently, a relative error given on the measurement of M (denoted s M) leads to an identical relative error on VT as on VAP, 20 C.

Il en va différemment pour une erreur sur p T Le tableau de la figure 2 est directement extrait des tables alcoométriques internationales. Il donne pour des valeurs échelonnées de température T et de titre massique p les valeurs correspondantes de masse volumique p T* Il permet d'en déduire le tableau de la figure 3 qui donne la variation de p T en kg/m3 pour une variation de 1% de titre massique. It is different for an error on p T The table in Figure 2 is directly extracted from the international alcohol tables. It gives for scaled values of temperature T and mass titer p the corresponding density values p T * It makes it possible to deduce therefrom the table of FIG. 3 which gives the variation of p T in kg / m3 for a variation of 1% by mass.

Puis le tableau de la figure 4 qui donne, pour une erreur de + 1 kg/m3 sur la mesure primaire de masse volumique p T à température de mesurage T, les erreurs relatives résultantes sur VT (notée s VT) et sur VAP,20oC (notée ú VAP,20 C). On note que pour une même erreur sur la mesure primaire p T, E VAP,20oC est plus grande que s VT, d'un facteur de 3 à 7 suivant la valeur du titre p pris en considération. Then the table in Figure 4 which gives, for an error of + 1 kg / m3 on the primary density measurement p T at measurement temperature T, the resulting relative errors on VT (denoted s VT) and on VAP, 20oC (noted ú VAP, 20 C). It is noted that for the same error on the primary measurement p T, E VAP, 20oC is greater than s VT, by a factor of 3 to 7 depending on the value of the title p taken into account.

La figure 5 donne une représentation graphique des valeurs de E VT et de E VAP,20oC en fonction des erreurs s M et s PT sur les mesures primaires. Les courbes sont ici tracées pour une plage de titre massique p de 90% à 100%, un cas courant en distilleries, et qui correspond à la différence la plus faible observable entre ú VT et de E VAP,20 C. En effet le tableau de la figure 4 montre que l'écart entre ces deux erreurs augmente lorsque le titre massique diminue. Le graphique est par 20 ailleurs établi avec une erreur s M nulle sur la mesure primaire de masse. Dans ce cas particulier, les graduations de l'axe des ordonnées représentent directement les valeurs de PT en kg/m3. Figure 5 gives a graphic representation of the values of E VT and E VAP, 20oC as a function of the errors s M and s PT on the primary measurements. The curves are plotted here for a mass titer range p from 90% to 100%, a common case in distilleries, and which corresponds to the smallest observable difference between ú VT and E VAP, 20 C. Indeed the table in FIG. 4 shows that the difference between these two errors increases when the mass titer decreases. The graph is moreover established with an error s M zero on the primary mass measurement. In this particular case, the graduations of the ordinate axis directly represent the values of PT in kg / m3.

La figure 6 donne la même représentation graphique que la figure 5, à la seule différence que le graphique est établi avec une erreur s M de 1,0% sur la mesure primaire de masse. FIG. 6 gives the same graphical representation as FIG. 5, with the only difference that the graph is established with an error s M of 1.0% on the primary mass measurement.

Ces deux graphiques illustrent que, lors d'une vérification, il suffit de déterminer l'exactitude de VT 25 et de VAP,20oC. Toute différence entre les valeurs d'erreur ú VT et s VAP,20oC sera due à une erreur sur la mesure primaire p T. Après ajustage éventuel de la mesure de p T, l'erreur relative résiduelle sera identique sur VT et sur VAP,200C et aura pour origine une erreur relative de même valeur sur la mesure primaire de masse, qui pourra être à son tour ajustée. These two graphs illustrate that, during a verification, it is sufficient to determine the accuracy of VT 25 and VAP, 20oC. Any difference between the error values ú VT and s VAP, 20oC will be due to an error on the primary measurement p T. After possible adjustment of the measurement of p T, the residual relative error will be identical on VT and on VAP, 200C and will originate from a relative error of the same value on the primary mass measurement, which can in turn be adjusted.

Selon une deuxième caractéristique, le compteur de volume d'alcool éthylique basé sur un compteur massique direct à effet Coriolis fournit une mesure instantanée du titre volumique à 200C (noté q) du mélange hydroalcoolique. Cette mesure est disponible sur l'indicateur du calculateur de comptage (4) et sous forme de signal électronique permettant son utilisation pour la régulation du fonctionnement d'une colonne de distillation d'alcool. Cette possibilité n'est aujourd'hui offerte par aucun des compteurs d'alcool à principe volumétrique existants. According to a second characteristic, the ethyl alcohol volume counter based on a direct mass counter with Coriolis effect provides an instantaneous measurement of the volume titer at 200C (denoted q) of the hydroalcoholic mixture. This measurement is available on the indicator of the counting calculator (4) and in the form of an electronic signal allowing its use for regulating the operation of an alcohol distillation column. This possibility is not offered today by any of the existing volumetric alcohol counters.

Claims

1 - Volume meter of ethyl alcohol contained in a hydroalcoholic water / ethyl alcohol mixture at a measurement temperature T, characterized in that it consists of: - a direct mass counter with Coriolis effect, delivering mass measurements M and of density PT IN THE form of signals, - a temperature probe (3) giving the measurement temperature T, - a counting computer (4) receiving the signals of mass M, density PT and temperature T and ensuring functions for calculating and indicating the following quantities: the apparent volume VT of the hydroalcoholic mixture at the measurement temperature T, the volume of pure ethyl alcohol VAP, 20 C contained in the hydroalcoholic mixture, expressed at the reference temperature 15 of 20'C.

2 - Ethyl alcohol volume meter according to claim 1, characterized in that the direct mass counter with Coriolis effect comprises: * a transducer (1) of mass M and density PT at the measurement temperature T of the hydroalcoholic mixture , 20 * a transmitter (2) delivering the above measurements in the form of signals.

3 - ethyl alcohol volume meter according to claim 2, characterized in that the transmitter delivers the mass measurements M and density PT in the form of electronic signals, of the pulse type, analog currents and / or digital communication.

4 - Ethyl alcohol volume meter according to one of claims 1 to 3, characterized in that the counting calculator (4) also provides an instantaneous measurement of the volume titer q at 20'C of the hydroalcoholic mixture.

- Ethyl alcohol volume meter according to claim 4, characterized in that the counting calculator (4) provides the measurement of the volume titer q under the basis of an electronic signal usable for regulating the operation of a column alcohol distillation.

6- Verification method of the volume meter according to one of claims 1 to 5, characterized in that the temperature measurement T is verified beforehand and independently, then the mass measurements M and of density PT delivered by the 5 Coriolis effect mass counter, from the relative errors 8VT and FVAPM2ooc of the values VT and VAp, 20 c delivered by the counting computer (4), errors obtained by means of volume calibration .

7 - Verification method according to claim 6, characterized in that one determines the possible relative errors SVT and EVAp, 200c of the values of VT and 10 VAp, 2 c delivered by the counting computer (4), thanks to volume calibration means, and * if identical relative errors VT and EVAP, 20 C are obtained, the measurement of the mass M is adjusted, or, * if relative errors P1VT and EVAp, 20oc different are obtained, we adjust the density measurement PT, then adjust the mass measurement M if necessary, in case of residual FVT and EVAp, 20oC identical errors.

8 - Verification method according to claim 7, characterized in that the adjustment of the measurement of the mass M and / or of the density PT is carried out thanks to the international alcoholometric tables of recommendation R22 20 of OIML which give the mass volume of a hydroalcoholic mixture as a function of its temperature and of its alcoholic strength by mass.