ISO 24460:2023

NORME ISO
INTERNATIONALE 24460
Première édition
2023-09
Mesure du débit des fluides dans des
conduites fermées — Méthodes par
traceur radioactif
Measurement of fluid flow rate in closed conduits — Radioactive
tracer methods
Numéro de référence
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Publié en Suisse
ii
Sommaire Page
Avant-propos .v
Introduction . vi
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives .1
3 Termes et définitions . 1
4 Principes des méthodes par traceur radioactif . 1
4.1 Généralités . 1
4.2 Méthode du temps de transit . 2
4.2.1 Principe. 2
4.2.2 Recommandation spéciale pour la méthode du temps de transit . 4
4.2.3 Avantages de la méthode du temps de transit . 4
4.3 Méthode d’injection à débit constant . 4
4.3.1 Principe. 4
4.3.2 Durée d’injection . 5
4.3.3 Avantages de la méthode d’injection à débit constant . 6
4.4 Méthode d’intégration . 7
4.4.1 Principe. 7
4.4.2 Avantages de la méthode d’intégration . 8
5 Choix du traceur radioactif .8
5.1 Généralités . 8
5.1.1 Exigences . 8
5.1.2 Traceurs radioactifs. 8
5.2 Avantages des traceurs radioactifs . 9
5.3 Avantages particuliers des générateurs de radionucléides . 9
5.4 Choix du traceur radioactif . . 10
5.4.1 Type de rayonnements émis . 10
5.4.2 Demi-vie . 10
6 Choix de la longueur de mélange adaptée .10
6.1 Généralités . 10
6.2 Considération sur la longueur de mélange . 10
6.2.1 Généralités . 10
6.2.2 Exemples de techniques d’injection pour réduire la longueur de mélange . 11
7 Détection du traceur radioactif .13
7.1 Généralités . 13
7.2 Détecteur de rayonnement gamma . 13
7.3 Disposition des détecteurs . 13
7.4 Système d’acquisition de données . 14
8 Procédures d’application des méthodes par traceur radioactif .14
8.1 Méthode du temps de transit . 14
8.1.1 Emplacement de la section transversale d’injection . 14
8.1.2 Injection par impulsion du traceur radioactif . 14
8.1.3 Estimation de l’activité à injecter . 16
8.1.4 Choix de la longueur de mesurage . 17
8.1.5 Calcul du temps de transit . 18
8.2 Méthode d’injection à débit constant . 19
8.2.1 Préparation du traceur radioactif à injecter . 19
8.2.2 Injection du traceur radioactif . 19
8.2.3 Mesure du taux d’injection . 19
8.3 Méthode d’intégration . 19
9 Incertitude .20
9.1 Généralités . 20
iii
9.1.1 Évaluation de l’incertitude . 20
9.1.2 Procédures d’évaluation de l’incertitude d’un débit mesuré .20
9.1.3 Formule de propagation de l’incertitude . 20
9.2 Incertitude du débit mesuré à l’aide de la méthode du temps de transit . 21
9.3 Incertitude du débit mesuré à l’aide de la méthode d’injection à débit constant .22
9.4 Incertitude du débit mesuré à l’aide de la méthode d’intégration . 25
Annexe A (informative) Calcul du temps de transit et de son incertitude-type .28
Annexe B (informative) Considérations relatives à la dose de rayonnement.34
Bibliographie .35
iv
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux.
L'ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier, de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a
été rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir
www.iso.org/directives).
L’ISO attire l’attention sur le fait que la mise en application du présent document peut entraîner
l’utilisation d’un ou de plusieurs brevets. L’ISO ne prend pas position quant à la preuve, à la validité
et à l’applicabilité de tout droit de brevet revendiqué à cet égard. À la date de publication du présent
document, l’ISO n’avait pas reçu notification qu’un ou plusieurs brevets pouvaient être nécessaires à sa
mise en application. Toutefois, il y a lieu d’avertir les responsables de la mise en application du présent
document que des informations plus récentes sont susceptibles de figurer dans la base de données de
brevets, disponible à l'adresse www.iso.org/brevets. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié tout ou partie de tels droits de propriété.
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion
de l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir www.iso.org/avant-propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 30, Mesure de débit des fluides dans
les conduites fermées, sous-comité SC 5, Méthodes de vitesse et massiques.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www.iso.org/fr/members.html.
v
Introduction
La connaissance précise des débits de fluides (liquides et gaz) dans les systèmes industriels est une
exigence essentielle des industries de transformation. La mesure du débit des fluides est généralement
nécessaire pour diverses raisons, à savoir l’étalonnage des débitmètres installés, l’équilibre des
fluides, la mesure de l’efficacité des pompes ou des turbines, la répartition du débit dans un réseau de
canalisations, etc. Généralement, les systèmes industriels où les débits sont à mesurer sont classés en
deux catégories, à savoir les canaux ouverts et les conduites fermées. Les conduites fermées sont des
systèmes de transport où le flux de fluide est confiné sur toutes les limites (c’est-à-dire les systèmes de
canalisations), tandis que les canaux ouverts sont des systèmes où le flux a une surface libre ouverte à
l’atmosphère, tels que les canaux, les rivières, les ruisseaux, les conduites d’égout, les canaux d’effluents
et les conduites partiellement remplies.
Le présent document traite uniquement de la mesure du débit des fluides monophasiques dans des
conduites fermées, en utilisant la méthode par traceur radioactif. L’écoulement dans les conduites
fermées est dû à une différence de pression axiale. Divers types de débitmètres, tels que les débitmètres
à ultrasons, électromagnétiques, acoustiques, à Venturi, à tube de Pitot ou à transmission gamma, sont
couramment utilisés pour les mesures de débit dans des conduites fermées dans l’industrie. Le choix
d’une méthode appropriée pour une application particulière dépend du type et de la nature du système,
des propriétés physiques du fluide qui s’écoule, des schémas d’écoulement du fluide, des limitations
imposées par la conception et par les conditions de fonctionnement de l’usine, du coût et de l’installation
de l’équipement. L’un des avantages des méthodes par traceur radioactif est que la mesure peut être
effectuée en ligne dans un environnement industriel difficile, depuis l’extérieur des conduites pendant
le fonctionnement du procédé, sans interruption et avec une grande précision. Le présent document
traite uniquement des méthodes par traceur radioactif.
L’utilisation de méthodes par traceur radioactif pour la mesure des débits de fluides dans des conduites
fermées est l’une des applications les plus courantes et les mieux établies de la technologie des traceurs
radioactifs dans l’industrie. Les principales méthodes qui se sont avérées particulièrement applicables
pour la mesure en ligne du débit et l’étalonnage des débitmètres comprennent la méthode de la vitesse
de propagation d’une impulsion ou du temps de transit, ainsi que les méthodes de dilution, appelées
méthode d’injection à débit constant et méthode d’intégration.
Le présent document est élaboré pour répondre au besoin d’une référence généralisée basée sur des
principes fondamentaux pour mesurer le débit de fluide à l’aide de méthodes par traceur radioactif.
Pour un écoulement monophasique en régime permanent de fluide dans une conduite fermée, le débit
volumétrique peut être mesuré à l’aide de ces méthodes. Si la masse volumique est connue, le débit
massique peut être déduit du débit volumique.
La précision de la mesure du débit avec les méthodes par traceur radioactif dépend de la façon dont
le matériau traceur injecté se mélange avec le fluide en circulation avant la section de mesurage. Elle
dépend de la quantité de traceur injecté et de la précision des appareils de mesure.
vi
NORME INTERNATIONALE ISO 24460:2023(F)
Mesure du débit des fluides dans des conduites fermées —
Méthodes par traceur radioactif
1 Domaine d’application
Le présent document définit le mesurage du débit d’un fluide monophasique dans des conduites fermées
à l’aide de méthodes par traceur radioactif.
2 Références normatives
Le présent document ne contient aucune référence normative.
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s’appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse https:// www .electropedia .org/
3.1
conduite fermée
système de transport où le flux de fluide est confiné sur toutes les limites (c’est-à-dire les systèmes de
canalisations)
3.2
longueur de mélange
l
m
distance la plus courte à laquelle la variation de concentration du traceur sur la section transversale est
inférieure à une valeur prédéterminée (par exemple 0,5 %)
4 Principes des méthodes par traceur radioactif
4.1 Généralités
Trois méthodes par traceur radioactif pour la mesure du débit ont été utilisées:
— méthode du temps de transit;
— méthode d’injection à débit constant;
— méthode d’intégration.
La méthode d’injection à débit constant et la méthode d’intégration font toutes deux partie des méthodes
de dilution. Des considérations relatives à la dose de rayonnement figurent à l’Annexe B.
4.2 Méthode du temps de transit
4.2.1 Principe
Dans la méthode du temps de transit, une quantité d’un traceur radioactif est injectée instantanément
dans un flux en circulation. Deux sections transversales de détection en aval de la section transversale
d’injection sont couramment utilisées pour enregistrer le rayonnement gamma émis par le traceur
radioactif dans l’écoulement. Les deux sections transversales sont suffisamment éloignées de la section
transversale d’injection pour permettre un mélange adéquat (homogène) du traceur avec le débit de
fluide. Chaque détecteur enregistre une courbe de réponse lorsque le nuage de traceur traverse la
section transversale de détection. Les deux courbes de réponse sont comparées pour fournir le temps de
transit du traceur ou du fluide entre les deux sections transversales de détection. Dans ces conditions,
le débit volumétrique Q est donné par la Formule (1):
V
Q= (1)
t
où
Q est le débit volumétrique;
V est le volume de la conduite entre les sections transversales de détection;
t
est le temps de transit du traceur entre les deux sections transversales de détection.
La valeur de t est obtenue en mesurant la différence du centre de gravité, à savoir le premier moment
des deux courbes de réponse, comme indiqué à la Figure 1.
Légende
1 courbe de réponse du premier détecteur
2 courbe de réponse du second détecteur
t temps
temps de transit du traceur entre les deux sections transversales de détection
t
Q débit volumétrique
DAQ système d’acquisition de données
S aire de la section transversale
RI injecteur du traceur radioactif
RD détecteur de rayonnement
l longueur de mélange
m
l distance entre les deux sections transversales de détection
d diamètre intérieur de la conduite
N(t) mesure du taux de comptage des rayonnements
Figure 1 — Principe de la méthode du temps de transit
Le volume de la section de mesurage, V, et le débit volumétrique, Q, sont respectivement donnés par la
Formule (2) et la Formule (3):
VS=⋅l (2)
V Sl⋅
Q == (3)
t t
où
V est le volume de la conduite entre les sections transversales de détection;
S est la section transversale du fluide dans la conduite fermée;
l est la distance entre les deux sections transversales de détection;
t
est le temps de transit du traceur entre les deux sections transversales de détection.
Le temps de transit, t , est calculé par la différence des temps de résidence moyens (premiers moments)
entre les deux courbes de réponse et est donné par la Formule (4):
∑tn ∑tn
22ii 11ii
t =−ττ = − (4)
∑n ∑n
2i 1i
où
t
est le temps de transit du traceur entre les deux sections transversales de détection;
τ
est le temps de résidence moyen, et les indices 1 et 2 font référence au premier et au second dé-
tecteur, respectivement;
n est le comptage corrigé par temps de comptage, et les indices 1 et 2 font référence au premier
et au second détecteur, respectivement.
4.2.2 Recommandation spéciale pour la méthode du temps de transit
Pour cette méthode, il convient de garantir une longueur de conduite de section transversale constante
entre les deux sections transversales de détection, de sorte que les paramètres d’écoulement soient
constants sur la longueur de mesurage. Le volume interne de la section de mesurage doit être déterminé
avec une précision suffisante.
4.2.3 Avantages de la méthode du temps de transit
La méthode du temps de transit du traceur radioactif semble fournir la méthode d’étalonnage sur le
terrain la plus efficace pour mesurer le débit dans des conduites fermées. Elle convient à la fois aux flux
de liquide et de gaz et couvre une large gamme de débits avec une faible incertitude (voir Annexe A).
Les principaux avantages de cette méthode sont les suivants:
— il suffit de déterminer la courbe de réponse à deux sections transversales de détection;
— il n’est pas nécessaire de connaître l’activité, le volume ou les débits du traceur radioactif injecté;
— il n’est pas nécessaire de prélever des échantillons;
— l’activité du traceur radioactif utilisé dans cette méthode est considérablement plus faible que celle
nécessaire pour d’autres méthodes.
4.3 Méthode d’injection à débit constant
4.3.1 Principe
La méthode d’injection à débit constant repose sur le principe de conservation de l’activité du traceur.
Un traceur d’activité volumique c est injecté à débit volumique constant q dans le flux principal de
débit volumétrique Q. Étant donné qu’il n’y a ni gain ni perte de traceur dans la section de mesurage,
le traceur injecté doit finalement apparaître avec la même activité totale (mais avec une activité
volumique C différente en raison de la dilution dans le flux principal) en tous points de détection en
aval, conformément à la Formule (5):
qc⋅=QC⋅ (5)
La Figure 2 présente le principe de la méthode d’injection à débit constant.
Légende
1 pompe d’injection à débit constant
Q débit volumétrique dans une conduite fermée
q débit volumétrique de la solution de traceur
l longueur de mélange
m
c activité volumique de la solution de traceur
C activité volumique de l’échantillon prélevé
Figure 2 — Principe de la méthode d’injection à débit constant
Le débit volumétrique du flux principal peut être calculé par la Formule (6):
c
Qq= (6)
C
4.3.2 Durée d’injection
La durée d’injection doit être telle que des conditions de concentration stables soient établies en
tous points de la section transversale de prélèvement pendant un laps de temps suffisant. Une durée
d’injection appropriée peut être déterminée par une étude préliminaire impliquant l’injection d’une
impulsion d’un traceur radioactif. La courbe de réponse (courbe 2 de la Figure 3) de l’injection d’une
impulsion de traceur radioactif est obtenue au niveau de la section transversale d’échantillonnage.
La courbe commence au temps t après l’injection et la durée de la courbe est t .
1 2
Légende
1 courbe d’impulsion injectée
2 courbe de réponse de l’impulsion injectée
3 courbe d’injection à débit constant imaginaire
4 courbe de réponse de l’injection à débit constant imaginaire
Q débit volumétrique
t temps
t temps d’échantillonnage
s
N(t) mesure du taux de comptage des rayonnements
RI injecteur du traceur radioactif
RD détecteur de rayonnement
l longueur de mélange
m
a
Courbes d’injection du traceur au point d’injection.
b
Courbes de réponse du traceur au point de mesurage.
Figure 3 — Détermination de la durée d’injection
Dans la méthode d’injection à débit constant, s’il est nécessaire d’atteindre des conditions stables
pendant un laps de temps t dans une section transversale d’échantillonnage sélectionnée, il est
s
impératif de maintenir l’injection à débit constant pendant un laps de temps t + t . Ensuite, la mesure
2 s
(détection ou échantillonnage) peut être effectuée du temps t + t au temps t + t + t , après le début
1 2 1 2 s
de l’injection à débit constant.
4.3.3 Avantages de la méthode d’injection à débit constant
Le principal avantage de cette méthode est le suivant:
— il n’est pas nécessaire de connaître les caractéristiques géométriques de la conduite.
4.4 Méthode d’intégration
4.4.1 Principe
Dans la méthode d’intégration (ou de comptage total), on suppose qu’en cas d’injection d’une activité A
de traceur, cette quantité — étant donné qu’il n’y a pas de gain ou de perte de traceur dans la section de
mesurage — doit finalement passer dans toute section transversale de détection en aval.
L’injection d’une impulsion de traceur dans une conduite fermée est appliquée. Le débit est déterminé
à partir de la réponse cumulée d’un détecteur situé à l’extérieur sur la conduite fermée. La Figure 4
présente le principe de la méthode d’intégration.
Légende
1 courbe de réponse du traceur radioactif injecté
RI injecteur du traceur radioactif
Q débit volumétrique
l longueur de mélange
m
DAQ système d’acquisition de données
N(t) mesure du taux de comptage des rayonnements
N nombre de rayonnements net intégré
t temps
Figure 4 — Principe de la méthode d’intégration
Le nombre de rayonnements net intégré, N, corrigé du bruit de fond et de la décroissance du
radionucléide, est enregistré, puis le débit Q est donné par la Formule (7):
A
QF= (7)
N
où
A est l’activité injectée totale [Bq];
F est le facteur d’étalonnage liant A à N [comptages par unité de temps par Bq/l];
N est le nombre de rayonnements net intégré.
Le facteur d’étalonnage, F [comptages par unité de temps par unité d’activité volumique], doit être
déterminé au préalable. Pour l’étalonnage d’un détecteur placé à l’extérieur d’une conduite fermée, une
section de conduite identique doit être mise en place. Cette section doit être plus longue que le champ
de vision du détecteur collimaté. Le taux de comptage des rayonnements net d’un détecteur situé de
manière identique à une activité volumique connue dans la conduite doit ensuite être mesurée.
4.4.2 Avantages de la méthode d’intégration
Les principaux avantages de la méthode d’intégration par rapport à la méthode d’injection à débit
constant sont les suivants:
— une quantité plus faible de traceur radioactif peut être utilisée;
— un temps opérationnel sur site moindre est nécessaire.
5 Choix du traceur radioactif
5.1 Généralités
5.1.1 Exigences
Le traceur radioactif doit satisfaire aux exigences suivantes:
— présenter un comportement d’écoulement identique à celui du fluide à tracer;
— se mélanger facilement et de manière homogène avec le fluide dans la conduite;
— être mesurable avec une sensibilité suffisante;
— avoir une demi-vie adaptée à l’examen;
— être suffisamment stable chimiquement dans les conditions d’utilisation;
— être abordable.
5.1.2 Traceurs radioactifs
Le Tableau 1 et le Tableau 2 présentent les traceurs radioactifs couramment utilisés pour la mesure du
débit de fluide. Seuls les traceurs émetteurs de rayons gamma sont considérés ici.
Tableau 1 — Traceurs marqués avec des radionucléides produits dans des réacteurs nucléaires
ou des accélérateurs de particules
Énergie gamma en
Forme chimique du traceur/
keV
Radionucléide Demi-vie Phase tracée
forme du composé porteur
(Probabilité en %)
24 +
Na /Carbonate de sodium,
1 368,6 (100)
Sodium-24
15 h Na CO ou Bicarbonate de sodium, Aqueuse
24 2 3
( Na)
2 754,0 (100)
NaHCO
82 -
554,5 (71,7) Br /Bromure d’ammonium,
Aqueuse
NH Br
619,1 (43,7)
P-dibromobenzène radiomarqué,
Organique
698,4 (28,4)
Bromine-82
C H Br /C H Br
6 4 2 6 4 2
36 h
( Br)
776,5 (83,6)
CH Br/Bromure de
1 044,0 (25,6)
Gaz
méthyle,CH Br
1 317,5 (26,9)
I/Iodure de potassium, KI ou
Aqueuse
iodure de sodium, NaI
Iodine-123 ( I) 13,2 h 159,0 (83,3)
Iodobenzène radiomarqué,
Organique
C H I/C H I
6 5 6 5
TTaabblleeaau 1 u 1 ((ssuuiitte)e)
Énergie gamma en
Forme chimique du traceur/
keV
Radionucléide Demi-vie Phase tracée
forme du composé porteur
(Probabilité en %)
131 -
I /Iodure de potassium, KI ou
Aqueuse
iodure de sodium, NaI
Iodine-131 ( I) 8,03 j 364,5 (81,5)
Iodobenzène radiomarqué,
Organique
C H I/C H I
6 5 6 5
45,0 (52,8)
Xénon-133
133 0
5,27 j Xe /Xénon Gaz
( Xe)
81,0 (36,9)
261,3 (12,7)
Krypton-79
79 0
35 h Kr /Krypton Gaz
( Kr)
511,0 (14,0)
41 41 0
Argon-41 ( Ar) 109,6 min 1 293,6 (99,22) Ar /Argon Gaz
Tableau 2 — Radiotraceurs produits à partir de radionucléides élués à partir de générateurs de
radionucléides
Énergie gamma en
Générateur de Demi-vie père/ Phase
keV a b c d e
Forme chimique du traceur
radionucléides demi-vie fils tracée
(Probabilité en %)
511,0 (177,8),
68 68 68 3+ 68 -
Ge → Ga 271 j/67,7 min Ga , Ga-[DOTA] Aqueuse
1 077,3 (3,2)
99m -
99 99m
Mo → Tc 66 h/6 h 140,5 (89,0) Aqueuse
TcO
113m 3+ 113m -
In , In-[EDTA] Aqueuse
113 113m
Sn → In 115 j/99,5 min 391,7 (64,9)
113m
In-[D2EHPA] Organique
137m 2+ 137m n-
Ba , Ba-[EDTA] Aqueuse
137 137m
Cs → Ba 30 ans/2,55 min 661,7 (89,9)
137m
Ba-[DC18C6][HDNNS] Organique
a
DOTA = acide 1,4,7,10-tétraazacyclododécane-1,4,7,10-tétraacétique.
b
EDTA = acide éthylène diamine tétra-acétique.
c
D2EHPA = acide di(2-éthylhexyl) phosphorique.
d
DC18C6 = di-cyclohexano-18-couronne-6 ou 2,3,11,12-dicyclohexano-1,4,7,10,13,16-hexaoxacyclo-octadécane.
e
HDNNS = acide di-nonyl naphtalène sulfonique.
5.2 Avantages des traceurs radioactifs
Les principaux avantages de l’utilisation des traceurs radioactifs sont les suivants:
— ceux-ci peuvent être détectés au moyen de détecteurs situés à l’extérieur de la conduite (pour les
traceurs émettant un rayonnement gamma suffisamment énergétique);
— avec les traceurs radioactifs à courte demi-vie, tout danger de contamination disparaît rapidement
et il n’y a pas de pollution permanente.
5.3 Avantages particuliers des générateurs de radionucléides
Le principal avantage de l’utilisation des générateurs de radionucléides est qu’une quantité utilisable
dans la pratique de traceur radioactif à courte demi-vie est disponible de manière répétée au point de
mesure.
5.4 Choix du traceur radioactif
5.4.1 Type de rayonnements émis
Les traceurs émettant des rayons gamma sont préférés aux traceurs émettant des rayons bêta,
car la mesure de ce type de rayonnement peut être effectuée à travers les parois des conduites et
l’autoabsorption du rayonnement par le fluide est diminuée.
5.4.2 Demi-vie
La méthode du temps de transit permet d’utiliser des traceurs radioactifs avec des demi-vies beaucoup
plus courtes que celles requises pour les méthodes d’injection et d’intégration à débit constant. Un
traceur radioactif doit être choisi avec la demi-vie la plus courte possible compatible avec les conditions
susmentionnées et avec les conditions d’approvisionnement, de stockage et de mesure du radionucléide,
afin de réduire le plus possible tout effet de contamination et d’exposition radiologique inutile associée
à la manipulation.
6 Choix de la longueur de mélange adaptée
6.1 Généralités
Lorsqu’un traceur radioactif est utilisé pour mesurer le débit d’un fluide dans une conduite, il convient
de prévoir une distance suffisante entre la section transversale d’injection et la section transversale de
détection ou d’échantillonnage.
La longueur de mélange est définie comme la distance au-delà de laquelle la variation de la concentration
du traceur dans la section transversale de la conduite est inférieure à une valeur choisie préalablement.
La longueur de mélange n’est donc pas une valeur fixe, mais change en fonction des variations de
concentration autorisées dans la section transversale de la conduite: plus la variation acceptable est
faible, plus la longueur de mélange est grande.
6.2 Considération sur la longueur de mélange
6.2.1 Généralités
La longueur de mélange varie avec le nombre de Reynolds Re, le frottement de la conduite et la
technique d’injection utilisée. La Figure 5 illustre la variation d’homogénéité du traceur dans la section
transversale en fonction de la longueur de mélange relative pour un nombre de Reynolds Re = 10 pour
un tuyau lisse.
Légende
L longueur de mélange relative(rapport entre la longueur et le diamètre du tuyau)
rel
variation maximale de la concentration du traceur dans la section transversale de la conduite (%)
σ
max
Figure 5 — Effet de la variation d’homogénéité du traceur dans la section transversale sur la
longueur de mélange relative pour un tuyau lisse
La longueur de conduite entre l’injection et le premier détecteur doit être égale ou supérieure à la
longueur de mélange et il convient de préférence qu’aucun raccord ou tronçon de tuyauterie ne soit
susceptible d’augmenter sensiblement la dispersion longitudinale du traceur aux sections transversales
de détection.
6.2.2 Exemples de techniques d’injection pour réduire la longueur de mélange
6.2.2.1 Généralités
L’expérience a montré qu’un bon mélange dans la section transversale, pour une injection centrale,
peut nécessiter jusqu’à 100 diamètres de tuyau en aval de la section transversale d’injection pour être
atteint. Il n’est souvent pas possible d’injecter le traceur radioactif à une telle distance en amont de
la section de mesure. Il est donc nécessaire de réduire cette longueur en utilisant des techniques et
des dispositifs d’injection de traceurs radioactifs appropriés, ou d’accepter une moindre précision des
résultats de débit.
6.2.2.2 Injecteurs à orifices multiples
Une réduction substantielle de la longueur de mélange peut être obtenue en injectant le traceur à travers
plusieurs orifices uniformément répartis sur la paroi de la conduite ou (si possible) concentriquement
à l’intérieur de la conduite. La Figure 6 illustre la variation d’homogénéité du traceur dans la section
transversale en fonction de la longueur de mélange relative pour quatre types d’injection différents.
Légende
1 quatre orifices à r/R = 0,63
2 quatre orifices au niveau de la paroi
3 un orifice au centre du tuyau
4 un orifice au niveau de la paroi
L longueur de mélange relative(rapport entre la longueur et le diamètre du tuyau)
rel
variation maximale de la concentration du traceur dans la section transversale de la conduite (%)
σ
max
Figure 6 — Effet de la variation d’homogénéité du traceur dans la section transversale sur la
longueur de mélange relative pour quatre types d’injection différents
Si des injections à orifices multiples sont utilisées, le dispositif doit être conçu de manière à permettre
une injection simultanée avec un débit d’injection égal en chaque point.
6.2.2.3 Jets à grande vitesse
L’injection du traceur à contre-courant à une vitesse bien supérieure à la vitesse d’écoulement globale
du fluide induit un brassage important en bout de jet. La réduction de la longueur de bon mélange
dépend du nombre et de l’impulsion des jets et de leur angle par rapport à la direction d’écoulement
principale. Une disposition simple des jets peut entraîner une réduction d’environ 30 % de la longueur
de mélange par rapport au point d’injection central unique.
6.2.2.4 Mélange tourbillonnaire
L’incorporation d’obstacles dans la conduite, juste après la section transversale d’injection du traceur,
produit des turbulences qui améliorent le mélange et réduisent la longueur de mélange. Par exemple,
l’injection du traceur à travers trois plaques triangulaires, à un angle de 40° par rapport à la direction
d’écoulement principale, réduit la longueur de mélange d’un tiers par rapport à un seul point d’injection
central.
6.2.2.5 Pompes et turbines
Si le traceur est injecté en amont d’une pompe ou d’une turbine, la longueur de mélange est
considérablement réduite. Les pompes centrifuges réduisent la longueur de mélange d’environ
50 diamètres de conduite.
6.2.2.6 Coudes, vannes et autres obstacles
Chaque singularité dans la conduite favorise des turbulences qui tendent à diminuer la longueur de bon
mélange. Cependant, il est conseillé d’utiliser des longueurs droites de conduite sans obstacle lorsqu’il
s’agit de mesurer des temps de transit.
7 Détection du traceur radioactif
7.1 Généralités
Pour les applications de traceurs radioactifs en ligne, le système de détection se compose normalement
d’un ensemble de détecteurs de rayonnement gamma connectés à un système d’acquisition de données.
7.2 Détecteur de rayonnement gamma
Les détecteurs gamma doivent être efficaces et renforcés pour les environnements industriels difficiles.
Les scintillateurs inorganiques solides répondent à la plupart des exigences. Deux types de détecteurs à
scintillation, NaI(Tl) et Bi Ge O (BGO), sont courants.
3 4 12
Les détecteurs NaI(Tl) de 2” × 2” (longueur × diamètre) sont principalement utilisés dans les mesures
sur le terrain. Les mesures peuvent être effectuées à l’aide d’analyseurs à canal unique où toutes les
énergies gamma entre une limite inférieure et une limite supérieure sont enregistrées.
Si l’espace est limité, des cristaux de BGO de plus petite taille, soit 1” × 1”, mais d’une efficacité de
détection d’environ la moitié des détecteurs NaI(Tl) de 2” × 2”, peuvent être utilisés. Leur plus petite
taille nécessite également moins de poids de collimateur; ils sont donc plus faciles à monter et à
manipuler, mais un peu plus onéreux.
7.3 Disposition des détecteurs
Généralement, la détection de l’activité gamma dans une section transversale de détection peut être
effectuée avec un seul détecteur, en supposant une concentration de traceur suffisamment homogène
dans la section transversale de détection du conduit, comme illustré à la Figure 7 (à gauche).
Figure 7 — Dispositions types des détecteurs gamma
Afin de vérifier l’homogénéité de la distribution du traceur dans l’écoulement, plusieurs détecteurs
peuvent être ajoutés, par exemple dans une géométrie comme celle suggérée à la Figure 7 (à droite).
Pour une distribution de traceur parfaitement homogène, il convient que tous les détecteurs donnent la
même mesure lorsqu’ils sont corrigés de leur éventuelle différence d’efficacité de comptage totale.
7.4 Système d’acquisition de données
Des détecteurs de rayonnement sont reliés à un système d’acquisition de données (DAQ). Un, deux
ou plusieurs détecteurs de rayonnement sont utilisés pour la mesure du débit dans les conduites
fermées. Le système d’acquisition de données (voir Figure 8), qui collecte les signaux des détecteurs
de rayonnement, est l’équipement de base pour les mesures de traceurs radioactifs en ligne. Il assure la
collecte, le traitement et la visualisation des données en temps réel.
Figure 8 — Exemple de système d’acquisition de données
8 Procédures d’application des méthodes par traceur radioactif
8.1 Méthode du temps de transit
8.1.1 Emplacement de la section transversale d’injection
L’emplacement de la section transversale d’injection dépend principalement de la longueur de conduite
disponible entre la section transversale d’injection et la première section transversale de détection. La
longueur de conduite entre la section transversale d’injection et la première section transversale de
détection doit être supérieure ou égale à la longueur théorique de mélange.
Lorsque la longueur de conduite disponible entre la section transversale d’injection et la première
section transversale de détection est inférieure à la longueur théorique de mélange, il est recommandé
d’injecter le traceur en amont d’un ventilateur, d’une pompe ou d’autres dispositifs générateurs de
turbulences.
8.1.2 Injection par impulsion du traceur radioactif
L’injection par impulsion de traceur radioactif s’applique dans la méthode du temps de transit. Afin
de réduire le plus possible la dispersion des distributions intensité/temps mesurées, le traceur doit
être injecté le plus rapidement possible, sans «résidus» du traceur injecté depuis les tubes d’injection à
l’intérieur de la conduite. Cet objectif peut être atteint par l’un des moyens suivants:
— en veillant à ce que le traceur injecté soit chassé dans la conduite par un flux de matière exempte de
traceur radioactif;
— en cassant, à l’aide d’un dispositif approprié, une ampoule contenant le traceur radioactif à injecter
dans la conduite.
Les systèmes d’injection sont généralement de conception artisanale, construits et adaptés pour des
applications et des conditions de terrain spécifiques. Leur conception varie considérablement, du
plus simple (une seringue) au plus complexe (dispositifs d’injection à distance dans des récipients
sous pression). La Figure 9 présente un exemple de système d’injection de traceur gazeux radioactif
pour conduites fermées et l
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