Débimètres volumiques à mesure indirecte de la vitesse

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4.2.2 DEBIMETRES VOLUMIQUES A MESURE INDIRECTE DE LA VITESSE

Ces débitmètres de type manométrique sont les plus utilisés pour la mesure des débits de fluide. Ils exploitent la loi de Bernouilli qui indique la relation existant ente le débit et la perte de charge résultant d'un changement de section de la conduite. Ces dispositifs ne sont utilisables que si l'écoulement est turbulent. En partant de l'équation Qv = S . v et en supposant une masse volumique constante ( fluide incompressibles ), on peut écrire l'équation de continuité Qv = S1 . v1 = S2 . v2 qui montre qu'avec un écoulement régulier et uniforme une réduction de diamètre de la canalisation entraîne une augmentation de la vitesse du fluide, donc de l'énergie potentielle ou de la pression ou de la pression dans la canalisation. La pression différentielle est convertie en débit volumique à l'aide du coefficient de conversion, selon le type de débimètre manométrique utilisé et du diamètre de la conduite.

1. Diaphragme


Il s'agit d'un disque percé en son centre, réalisé dans le matériau compatible avec le liquide utilisé. Le diaphragme concentrique comprime l'écoulement du fluide, ce qui engendre une pression différentielle de part et d'autre de celui-ci. Il en résulte une haute pression en amont et une basse pression en aval proportionnelle au carré de la vitesse d'écoulement. C'est le dispositif le moins encombrant et le moins coûteux.

Valeurs courantes de Δp : 60, 120, 240, 480 mba

Remarque : Le diaphragme doit être installé dans une tuyauterie horizontale et loin de tout organe perturbateur ( vanne, coudes,. ). En général, on adopte une longueur de 20 dn après un organe perturbateur et 10 dn avant.

Principe d'installation des diaphragmes( Fig 1-212 )

Attention, il y a un ordre à respecter lors de l'utilisation du manifold d'isolation ou de mise en service du transmetteur de Δp. On pensera également :

- A la protection des conduites extérieures contre le gel ( calorifugeage, traçage vapeur )
- A la mise en place de fluide tampon entre 0-D et transmetteur de Δp ( avec addition de glycol comme antigel par exemple ).
- A l'inversion des entrées Hp et Bp si le débit est à double sens. Dans ce cas le diaphragme n'aura pas de chanfrein.




Caractéristiques du diaphragme ( Fig 1-213 )

L'épaisseur e est comprise entre 0,005D et 0,02D
L'épaisseur E est, elle, comprise entre e et 0,05D
L'arrête amont ne doit présenter aucune bavure ( arrête vive )
De plus, le diamètre d doit être supérieur à 12,5 mm, tandis que le le rapport d'ouverture
doit rester compris entre 0,2 et 0,75

Avantages

Réalisation simple et économique
Encombrement réduit

Inconvénients

Perte de pression importante pour une bonne sensibilité
Risque d'accrochage de matières sur les arêtes
Toute la section de passage doit être " baignée " du fluide véhiculé.

Mesure du débit dans les conduites

Partant de l'équation de continuité S . v1 = s . v2

S = section de la conduite de diamètre D ( m² )
s = section de passage du diaphragme de diamètre d ( m² )
v1 = vitesse du fluide dans la conduite ( m/s )
v2 = vitesse du fluide dans l'orifice ( m/s )

Δp = p1 – p2 = ½ δ (
) = N/m² ( Pa ) Equation tirée de l'équation de Bernouilli avec z1 = z2

et δ = masse volumique du fluide ( kg/m³ )

Soit v2 =
si on pose
= K ( généralement compris entre 0,6 et 0,8, sa valeur est renseignée dans les normes telle que l'ISO 5167-1 )

Puisque Qv = S . v1 = s . v2 = m³/s , nous pouvons écrire : Qv = K . s
= m³/s

Connaissant Qv, on peut en déduire s et par là le diamètre d =
= m

Exemple numérique

Débit volumique Qv = 0,0165 m³/h ; Δp = 31125,25 Pa ; δ = 612 kg/m³ et v1 = 2 m/s On adoptera K = 0,66.

Qv = S . v1 => S =
=
= 0,0083 m²

D =
=
= 0,1025 m ( tube dn 100 )

Qv = K . s
soit s =
=
= 0,0025 m² ; d =
= 0,0564 m

2. Tubes de Venturi

Ils engendrent une perte de charge réduite vis-à-vis des autres débitmètres manométriques à pression différentielle, mais ils sont très encombrant et très coûteux. Ils fonctionnent en réduisant progressivement le diamètre de la conduite ( Fig 1-214 ) et en mesurant la perte de charge résultante.


Une section évasée ( divergente ) rétablit ensuite plus ou moins la pression d'origine de l'écoulement. Comme pour le diaphragme, lesmesures de Δp sont converties en un débit
correspondant. Les applications du tube de Venturi se limite généralement à celles exigeant une perte de charge réduite et un relevé de haute incertitude.

Les tubes de Venturi sont utilisés généralement sur des conduites de grand diamètre, tels ceux utilisés dans les usines de traitement des eaux usée, car leur forme à pente progressive permet aux solides de les traverser.

Le calcul est basé sur le m^me principe que le diaphragme en adoptant un coefficient K = +/- 0,95 ( consulter évidemment les normes à ce sujet ).

Domaine d'emploi: Liquide propre, gaz et vapeur

Précision : 0,5 à 3% selon les cas

Avantages

Perte de charge faible avec une bonne précision
Pas de risque d'accrochage de matières sur les arêtes
Réalisation moins délicate que la tuyère par exemple.

Inconvénients

Très encombrant
Réalisation plus délicate que pour le diaphragme
Très coûteux

Mise en place: Comme pour le diaphragme.

3. Tuyère

Elle est considérée comme une variante du tube de Venturi. L'orifice de la tuyère constitue un étranglement de l'écoulement sans section de sortie rétablissant la pression d'origine. Les prises de pression sont situées environ à ½ D en aval et 1 D en amont.



La perte de charge est située entre le tube de Venturi et le diaphragme.

Domaine d'utilisation: Pour des turbulences importantes ( Re > 50000 ), surtout dans l'écoulement de vapeur à haute température. Ce dispositif est inutilisable pour les boues.

Précision : De l'ordre de 1 à 3%

Avantages

Moins encombrant que le Venturi

Perte de charge moindre que le diaphragme avec une meilleure sensibilité. Pas de risque d'accrochage sur les arêtes.

Inconvénients

Perte de charge plus importante que le Venturi

4. Tube de Pitot – tube de Prandl

Constitué par deux tubes pouvant être montés séparément ou ensemble ( dans un boîtier )dans la conduite. L'un des tubes mesure la pression d'arrêt ou pression dynamique ( charge de vitesse + charge potentielle ) en un point d'écoulement. Le second tube mesure uniquement la pression statique ( charge potentielle ). La pression différentielle mesurée de part et autre du tube de Pitot est proportionnelle au carré de la vitesse.


PITOT ----> Δp = p stat + p dyn alors que PRANDTL ---> Δp = p dyn et v2 =


Exemple numérique

Dans une gaine de ventilateur, on place un tube de PITOT indiquant un Dp de 1 mm c.e. On demande de calculer la vitesse de l’air dans cette gaine sachant que la masse volumique de l’air est de 1,29 kg/m³( dans les conditions de mesure ).

1 mm c e = 10 Pa = 10 N / m² => v2 =
» 4 m/s

On peut donc calculer le débit ( m³/s en multipliant la vitesse par la section interne de la gaine ( Qv = S x v ).

Domaine d'utilisation : Pour des liquides propres ou visqueux, la mesure de débit de gaz, la variation de vitesse d'écoulement entre la moyenne et le centre n'étant pas aussi importante qu'avec les autres fluides. Ils sont facilement bouchés par des corps étrangers présents dans le fluide.

Diamètre de canalisation : A partir de dn 300 jusque dn = 3,8 m ( en Europe ) mais dn = 9,6 m aux USA.

Précision : De 1 à 2% de la valeur réelle

Avantages

Montage et démontage aisés
Faible encombrement
Perte de charge réduite

Inconvénients

Mesure ponctuelle de v
Nécessite un régime d'écoulement spécifique
Ne peut assurer une mesure sur une circulation de fluide à 2 sens
Réclame des longueurs droites de canalisation importantes, principalement en amont
Toujours en contact avec le fluide

5. Débimètre à cible



Il comprend un disque ( cible ) centré dans une conduite. La surface de la cible est placée à 90° par rapport à l'écoulement du fluide. La force exercée par le fluide sur la cible permet une mesure directe du débit de fluide, via un calculateur électronique. Comme précédemment ( tube de Pitot ), le signal de sortie est une pression différentielle.

Domaine d'utilisation : Fluides chargés ou corrosifs

Diamètre de canalisation : dn 15 à dn 1800

Précision: 1 à 2 % de la valeur réelle

Formulation: pdyn =
et F = pdyn . Sc

S = section de passage du tube
Sc = section de la cible

Avantages

Pas de régime particulier d'écoulement nécessaire
Peut être utilisé pour des fluides chargés ou visqueux avec des profils spéciaux de cibles.
Mesure moyenne de Qv ( fonction de la taille de la cible )

Inconvénients

Peu fiable pour la mesure continue
Perte de charge nécessaire à la mesure assez importante
Demande une modification de la conduite pour être mise en place
Cible en contact avec le produit
Prévu pour un seul sens d'écoulement
Pièces mobiles

6. Débimètre à effet vortex


Le principe est basé sur le phénomène de génération de tourbillons, appelés effet de Von Karman. Lorsque le fluide rencontre un corps non profilé, il se divise et engendre des tourbillons, de part et d'autre et en aval du corps non profilé. Le nombre de tourbillons formés en aval par unité de temps est proportionnel au débit moyen. Une vitesse précise d'écoulement du fluide est déterminée par le comptage des tourbillons. Cette vitesse est mesurée à l'aide d'un capteur sensible aux variations oscillatoires de pression.

Vitesse du fluide = fréquence des tourbillons / facteur K

Le facteur K dépend du nombre de Reynolds, mais est pratiquement constant sur une vaste plage de débit.

Domaine d'utilisation : Il est destiné au liquide propre gaz ou vapeur et non recommandé pour la mesure de faibles débits. Il entraîne une perte de charge faible et supporte des vitesses de fluides importantes

Diamètre de canalisation : dn 15 à dn 500

Précision : 1%

Avantages

Faible perte de charge due à la mesure
Sur tous types de fluide
Pas de pièces mobiles

Inconvénients

En contact avec le fluide
Réclame des longueurs droites en amont et en aval
Sensible aux variations de viscosité cinématique

 
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