chapitre iii_mesure des debits.pdf

7/26/2019 Chapitre III_Mesure des debits.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/chapitre-iiimesure-des-debitspdf 1/28

Institut Algérien du PétroleEcole de Skikda

Département G.R.PGroupes : TSS Raffinage-Pétrochimie 1 & 2

Préparé par : Mr. F. TACHI

Février 2013

Chapitre :

Mesure des débits



Mesure de P, Q, L et T Chapitre III : Mesure des débits

Réalisé par : Mr. F.Tachi IAP / Skikda2

Chapitre III: Mesure des débits III.1. Définitions:Un débit est la quantité de matières en masse, en poids ou en volume d’un fluide (liquide, gaz ouvapeur) s’écoulant dans l’unité de temps. Autrement, c’est la quantité de fluide qui s'écoule ou quiest fournie par unité de temps.

Exemple : débit d'un cours d'eau, d'une pompe, etc.

Soit une tuyauterie de section S dans laquelle un fluide s’écoule en régime stable, après un temps t,le fluide a avancé de la longueur L.

Le volume qui s’est écoulé dans l’unité de temps est :

Qv = L . S / t = L . S / ( t0 – t1 ) = V. SDonc :

Qv = V . S

Où V = L / t vitesse d’écoulement du fluide.

Cette formule est fondamentale dans la mesure des débits.

Qv est appelé le débit volumique.

On définit, en plus du débit volumique, deux autres types de débits : le débit massique, Qm, et ledébit en poids, Qp.

Le débit massique, Qm, est donné par :

Qm = ρ . Qvρ masse volumique du fluide considéré.De la même façon on peut trouver le débit en poids :

Qp = Ps . Qv = ρ . g . Qv = g . Qm

Ps poids volumique du fluideg accélération de la pesanteur

III.2. Unités de mesure :

On utilise le plus souvent les unités suivantes :

L

S

t1t0





Pour les débits importants on utilise aussi :

Unité Symbole

Mètre cube par jour m3 / j

Tonne par heure t / h

Tonne par jour t / j

Kilogramme par heure Kg / h

Kilogramme par minute Kg / mnRemarque :

Dans la pratique, on utilise souvent les unités de volume pour les gaz et les unités de poids pour les liquides. Mais ceci n’est pas une règle absolue.

Systeme anglo-saxon

Unité Symbole Equivalent en m3 / h

Gallon par minute USGPM 0.227000

Gallon par heure USGPH 0.003785

Cubic foot par minute CFM 1.700000

Cubic foot par heure CFH 0.028000

Barrel par heure BPH 0.159000

Barrel par jour BPD 0.006620

Avec : 1 gallon US = 3.785 litre, 1 Barrel = 159 litres.

Remarque :Les unités de débit sont exprimées dans des conditions dites normales, c'est-à-dire enconsidérant le débit ramené à une pression et température de référence. Ces deux derniers

paramètres sont définis selon la norme adoptée. Par exemple dans les normes françaises, on préconise des températures de 15 oC et pression de 1 BAR.

III.3. Méthodes de mesure des débits : En partant de l’équation du débit volumique :

Qv = V . SOn peut constater que pour connaître Qv il y a plusieurs méthodes possibles :

Unité Symbole

Mètre cube par heure m3 / h

Litre par heure l / h

Litre par minute l / mn





On peut mesurer la vitesse V tout en gardant la section S constante en utilisant lesdébitmètres à pression différentielle

On peut mesurer la section S tout en maintenant V constante en utilisant les débitmètres àorifices variables ou à vitesse constante (rotamètres)

On peut mesurer directement le débit volumique Qv en utilisant les compteursvolumétriques

III.4. Les débitmètres à pression différentielle (à P) :

III.4.1. Principe de la mesure :Les débitmètres à pression différentielle exploitent directement la loi de conservation de l'énergietotale d'après la loi de Bernoulli. En effet, ils mesurent la différence de pression, DP, entre l'amontet l'aval d'un organe déprimogène placé à l'intérieur de la conduite.

a. Cas des fluides incompressibles :On considère comme incompressible un fluide dont la masse volumique ne varie pas de façonsensible sous l’effet de la dépression mise en oeuvre pour mesurer sa vitesse d’écoulement.L’équation de conservation de l’énergie, établie en 1738 par Daniel Bernoulli pour un fluide

incompressible est:

avec V : moyenne sur une section droite de la vitesse d’écoulement du fluide, z : hauteur (cote) par rapport à un plan horizontal de référence, arbitraire, g : accélération de la pesanteur, P : pression statique (absolue) du fluide, ρ : masse volumique du fluide.





Appliquons cette relation aux deux sections en amont et en aval de l’organe déprimogène. Noussupposons que la conduite est horizontale, de sorte que le terme gz soit constant, il vient :

Comme le fluide est supposé incompressible, alors ρ1 = ρ2 = ρ. D’où :

Où :V1 vitesse d’écoulement dans la conduite,V2 vitesse d’écoulement dans la section de l’orifice,P1 pression avant l’orifice,P2 pression après l’orifice.

D’autre part, on sait que le débit peut être exprimé par :

Qv = V1. S1 = V2. S2 Où :

S1 section de la veine fluide avant contraction (on suppose qu’elle est égale à la section de laconduite, c'est-à-dire nous avons un écoulement à plein diamètre),

S2 section de la veine fluide dans l’orifice.

Le débit est le même a la sortie qu’a l’entrée de l’orifice.Comme S1 > S2 , alors V2 > V1 (augmentation de la vitesse au passage de l’orifice).

Ainsi, l'équation du débit volumique Qv s'écrit comme suit :

Avec a = S2,C est le coefficient de décharge.

D’après la formule ci-dessus, on déduit que le débit est proportionnel à la racine carrée de ΔP.Il est assez facile d’avoir la valeur de la perte de charge ΔP = P1-P2 en plaçant un instrument demesure de la pression différentielle tel qu’un tube en U. Si le liquide manométrique (le mercuredans la figure ci-dessus) a une masse volumique ρ’, alors la ΔP peut être exprimée par la formule :

ΔP = ρ’.g .hdans laquelle h exprime la différence de hauteur entre les surface libre du liquide manométriquedans le tube en U.





Posons:

E est le coefficient de vitesse d’approche, plus généralement exprimé par la formule :

E =dans laquelle β est le rapport d’ouverture, appelé aussi rapport des diamètres (diameter ratio), quiest le quotient du diamètre de l’orifice à celui de la canalisation. On voit que ce coefficient exprimeen réalité l’effet géométrique de contraction de la veine fluide.

β = d / DOù d diamètre de l’orifice et D diamètre de la conduite.

Remarque :

Dans la pratique, on évite que β soit trop proche de 1 afin d’éviter d’introduire de grandes

erreurs de calcul de débit. Les valeurs adoptées sont généralement comprises entre 0.3 et0.8.

b. Cas des fluides compressibles (réels) : Dans ces cas, il n’est pas évident d’ignorer la diminution de sa masse volumique du fluide au

passage de la constriction (c’est le cas général des gaz et de la vapeur).Pour déterminer le débit, on utilisera la formule précédente à laquelle on doit ajouter un coefficientde correction appelé coefficient d’expansion ε, déterminé au moyen d’une formule théorique (casde la tuyère et le venturi) ou empirique (cas des autres types d’appareils déprimogènes).

L’équation du débit apparaît alors comme suit :

III.4.2. Les différents types d’appareils déprimogènes : Les appareils déprimogènes sont les éléments qui créent la perte de charge. Il existe quatre sortes :

- Le diaphragme,- La tuyère,- le venturi,- le venturi-tuyère.

a. Diaphragme ou plaque à orifice :Il est constitué par une plaque circulaire métallique percée d’un orifice, placée dans une conduite etintercalée entre deux brides.





Le diamètre de l’orifice doit être tel que le rapport d’ouverture β soit compris entre 0.3 et 0.8 et ne jamais être inférieur à 5 mm.Trois types de diaphragmes sont les plus utilisés :

- concentrique,- excentrique,- segmental.

Le type concentrique est celui décrit par la norme ISO 5167.Pour les trois types de diaphragmes, les prises de pressions sont soit :

- sur les faces de la plaque ou (0 - 0)

- symétriques à une distance de 25.4 mm, c’est-à-dire 1’’ (norme 25 – 25 ou 1’’– ’’),





- asymétriques (D – D/2, 2.5D – 8D, …)La figure suivante représente les différentes dispositions des prises de pressions adoptées dans lecas du diaphragme.

Le diaphragme porte une queue sur laquelle sont gravées les indications donnant le diamètreintérieur de la conduite, le diamètre de l’orifice, et No de repère. Ces indications sontconventionnellement placées du cote amont (en regard du sens de l’écoulement).





Les diaphragmes présentent les caractéristiques suivantes :- Réalisation simple et peu coûteuse,- Facilité de montage et interchangeabilité,- Peu coûteux,- Perte de charge à 6D aval et D amont assez importante.

b.

Tuyère et venturi:Les tuyères et les venturis sont des appareils qui moulent plus ou moins bien la veine fluide, ens’efforçant de suivre la configuration naturelle des lignes d’écoulement, tout en restant relativementfaciles à réaliser. Nous nous limiterons aux dispositifs décrits par la norme européenne - normefrançaise ; « Mesure de débit des fluides au moyen d’appareils déprimogènes » ; NF EN ISO 5167-1, novembre 1995 ; amendement 1, oct. 1998 ; Association Française de Normalisation, AFNOR.

Dans la pratique, on peut rencontrer :- la tuyère ISA 1932 se caractérise par (figure ci-après):

un convergent dont le plan méridien est une suite de deux arcs de cercle derayon différent ;

un col cylindrique.

Les prises de pression sont dans les angles (norme 0 -0), pour la tuyère ISA 1932.

- La tuyère à long rayon (figure ci-après), dont le convergent est profilé suivant unquart d’ellipse.

Les prises de pression sont à la bride ou D-D/2 pour la tuyère à long rayon.





- Le venturi classique (figure ci-après), composé successivement : d’un convergent tronc-conique ; d’un col cylindrique ; d’un divergent tronc-conique.

Le convergent du venturi peut être réalisé : brut de fonderie ;

usiné, ou en tôle soudée brute.

Les prises de pression sont au milieu du cylindre d’entrée (amont) et du col (aval) pour le venturiclassique.

-

venturi-tuyère (figure ci-après), plus court que le venturi classique, et comprenantsuccessivement : un convergent aux spécifications de la tuyère ISA 1932 ; un col cylindrique, et un divergent identique à celui du venturi classique, éventuellement tronqué.

Les prises de pression dans l’angle amont et, en aval, au milieu du col pour le venturi-tuyère.

Les caractéristiques fondamentales des tuyères, venturis et des venturis-tuyères sont :

Tuyère : Réalisation très délicate et coûteuse, Montage assez facile,





Interchangeabilité délicate, Perte de charge à 6D aval et D amont plus faible que pour les diaphragmes.

Venturi : Réalisation délicate et coûteuse, Interchangeabilité très difficile,

Perte de charge à 6D aval et D amont très faible.

Venturi-tuyère : Réalisation très délicate et coûteuse, Montage délicat, Interchangeabilité délicate, Perte de charge à 6D aval et D amont plus faible que pour les tuyères.

III.4.3. Choix de l’organe déprimogène :Le choix est principalement basé sur les critères suivants :

a.

Géométrie de l’écoulement définie par le rapport d’ouverture : si par exemple β est plusgrand que 0.7 on prendra la tuyère.

b. Nature de l’écoulement (laminaire ou turbulent) : ceci dépend du nombre de Reynolds Re.Si Re < 2000 l’écoulement est dit laminaire, si Re > 2000 il est dit turbulent. La figure ci-dessous illustre les limites d’utilisation des organes déprimogènes selon ce coefficient.

c. Perte de charge engendrée : par exemple si la ΔP disponible est grande et si on n’y attacheque peu d’importance on utilise les diaphragmes. Par contre, si on attache de l’importance àla ΔP on prendra un venturi ou un venturi-tuyère.

d. Nature du fluide s’écoulant dans la conduite :

si le fluide est un liquide contenant beaucoup de solides en suspension, on préfère unélément profilé tel qu’un venturi, ou une tuyère sur conduite verticale avec écoulement





vers le bas, à moins que ce montage ne suffise, en lui-même, au bon fonctionnementd’un diaphragme à orifice concentrique normalisé, préférable car plus précis.

Les orifices excentré et segmental à montage horizontal avec ouverture basseconviennent tout spécialement aux fluides assez peu chargés en solides denses, degranulométrie grossière ; l’orifice segmental procurant un meilleur balayage.

Si le fluide est un gaz ou une vapeur contenant beaucoup de condensats, les solutions

précédentes sont applicables, à l’exception du venturi en montage horizontal. Si le fluide est un liquide chargé de solides de densité voisine de la sienne, ayant

tendance à « coller » aux parois, on n’aura pas avantage à utiliser des plaques à orificeexcentré ou segmental ; mais le débitmètre à cible pourra convenir. La tuyère, dontl’entrée épouse au mieux le profil des lignes de courant, est également envisageable.

Si le fluide est un liquide contenant des bulles de gaz, on peut utiliser une plaque àorifice concentrique ou une tuyère, l’un et l’autre sur conduite verticale avec écoulementvers le haut, ou bien un orifice excentré ou segmental à ouverture haute, ou encore undébitmètre à cible.

Dans le cas d’un fluide corrosif, ou alimentaire, des précautions sont à prendre au niveaudes matériaux au contact du fluide ; en ce qui concerne les prises de pression il pourraêtre fait usage de séparateurs.

III.4.4. Conditions de montages des organes déprimogènes :Afin de pouvoir obtenir une mesure assez précise, il est impératif de respecter certaine condition demontage de l’organe déprimogènes. En effet, il faut avoir :

L’élément déprimogène selon les normes, Les brides et prises de pression à la norme, Le centrage parfait de l’élément primaire sur la conduite, Un état de surface parfait, Un emplacement où les turbulences sont normales ; des longueurs rectilignes en amont et en

aval de l’orifice conformément aux normes, sinon il faudra monter des correcteurs de jets.Longueurs avant 50 D, longueur après 10 D, sauf cas exceptionnels,

Les prises de pression au dessus de la bride s’il s’agit d’un gaz, l’appareil de mesure plushaut que les prises, les lignes avec une inclinaison régulière de l’appareil de mesure vers les

prises (voir figure ci-dessous).Dans le cas de la vapeur d’eau on place en dessous des prises, avec des pots de condensation(voir figure ci-dessous).





Dans le cas d’un liquide, les prises en dessous à 45o de part et d’autre de l’axe vertical (voirfigure ci-dessous). L’appareil en dessous des prises de pression. Ici aussi on fera attention àl’inclinaison des lignes.

La figure ci-dessous donne les montages particuliers pour un gaz appareil en dessous et pourun liquide appareil en dessous.





Remarque :Avant de procéder au montage d’un appareil déprimogène, il est impératif de se reporter auxnormes et aux spécifications particulières à chaque fournisseur.

III.4.5. tube de Pitot :C’est un appareil qui mesure la vitesse d’écoulement en évaluant la pression dynamique due à lavitesse. Il s’apparente un peu aux appareils déprimogènes.Son schéma de principe est donné par figure ci-dessous. Il se compose d’un tube dont la sectionouverte placée dans la conduite perpendiculaire au sens du courant de la veine fluide. Un deuxièmetube permet de prendre la pression dans la tuyauterie. Ces deux tubes constituent les prises de

pression et sont branchés sur un instrument de mesure de la ΔP (un tube en U par exemple).

Le tube placé au centre (tube de gauche sur la figure) de la conduite mesure la pression totale Pt quiest la somme de la pression dynamique Pd due à la vitesse d’écoulement et la pression statique Psdans la veine fluide.Le tube de droite mesure la pression statique Ps dans la veine fluide.La relation suivante peut être écrite :





ΔP = Pt – Ps = PdAussi :

ΔP = 1/2. ρ . V2

La vitesse d’écoulement peut être alors exprimée comme :

V = [ ΔP . 2/ρ ]1/2

La relation ci-dessus n’est vraie que pour un fluide parfait (non visqueux et incompressible). Dansla pratique, il faut introduire des coefficients de correction que l’on détermine expérimentalementde la même manière que les organes déprimogènes.Le débit est déterminé en utilisant l’expression suivante :

Qv = S. V

Où S est la différence entre la section de la ligne et la section du tube de Pitot.

Les caractéristiques fondamentales d’un tube de Pitot sont :

Peut être utilisé dans le cas des débits très importants donnant des ΔP importantes, Il est d’une réalisation très simple, Peut mesurer jusqu’au débit maxi de la conduite, Il ne créé pas de perte de charge, Ne peut mesurer sur les faibles débits (pas assez sensible), Ne peut mesurer sur les fluides visqueux ou sales (risque de bouchage).

III.5. Les débitmètres à section variable (ou Rotametres) :

Ces débitmètres sont constitués par un tube en verre ou en métal tronconique (très faible angle deconicité) monté verticalement la section la plus faible vers le bas (voir figure ci-dessous).

A l’intérieur du tube un flotteur de forme cylindrique prolongé par un cône à sa partie inférieure est placé selon l’axe vertical du tube de verre. Le flotteur peut glisser sur une tige tout le long del'instrument.

Des butées sont placées à chaque extrémité du tube sont placées pour empêcher le flotteur des’échapper dans les conduites.

Le tube de verre est gradué à partir du bas permettant ainsi de donner une mesure.

L’ensemble est raccordé par des brides sur les lignes.

Le fluide s’écoule dans le tube de verre du bas en haut et sort par la partie supérieure.





Ce débitmètre exploite la même loi de Bernoulli. Son principe de fonctionnement consiste à varierla section de passage du fluide en fonction de la variation du débit d'écoulement tout en maintenantconstante la perte de pression le long de l'instrument.

Sous l’action de la pression dynamique due à la vitesse le flotteur se soulève dans le tube jusqu'àune position d’équilibre sous l’action de son propre poids d’une part et de la force due à la vitessed’écoulement d’autre part.La figure ci-dessous illustre une position d’équilibre du flotteur.

Où P1 : pression avant le flotteurP2 : pression après le flotteurV1 : vitesse avant le flotteurV2 : vitesse à la sortieZ1 : altitude du bas du flotteurZ2 : altitude du haut du flotteurρf : Masse spécifique du flotteur





Sf : section du flotteurSt : section du tube

En considérant que le flotteur est de faible longueur (Z1 = Z2).

Qv = St . V1 = S . V2

Où :S : section de passage S = St – Sf

En faisant les transformations mathématiques nécessaires on peut obtenir l’expression du débitsuivante :

Qv = K .S . ( 2 . ΔP / ρ ) 1/2

Avec:K = 1 / (1 – m) 1/2 m = S 2 / St 2

Le coefficient K dépend de la viscosité, de la forme du flotteur et du nombre de Reynolds Re.Le flotteur peut avoir l’une des trios formes suivantes: Plumb bob float (1), Stable vis float (2), Ultra stable vis float (3).

On choisira parmi ces trois types de flotteurs celui qui permet d’avoir K le plus stable possible.

Installation :

Placer l’appareil dans un endroit accessible, Le protéger des vibrations, Effectuer le montage comme le montre la figure ci-dessous,





III.6. Le débitmètre à Vortex :Son principe de fonctionnement est basé sur l’effet de génération de tourbillons au sein d’un fluideen plaçant un obstacle perpendiculairement à l’écoulement (voir figure ci-dessous).Des capteurs appropriés servent à détecter ces tourbillons dont la fréquence de détachement, f , estlinéairement proportionnelle à la vitesse d’écoulement, V, donc au débit volumique Qv.La relation donnant ce dernier est la suivante :

Qv = f . d . S / Sr , V = f . d / Sr Où

S : section amont de la conduiteSr : nombre de Strouhald : largeur de l ’obstacle

Remarque :Le débitmètre à Vortex ne présente aucune partie mobile. Il doit être minutieusement centrédans la conduite pour avoir une mesure meilleure. Le capteur de tourbillons doit être choisisuivant la nature du fluide.

Les performances offertes par ce type de débitmètre peuvent se résumer comme suit :





coût relativement moyen ; caractéristique linéaire du débit ; rangeabilité de l’ordre de 8:1 (pouvant atteindre 10:1) ; précision de 0.75 à 1.5% du débit mesuré ; utilisé pour les liquides propres et les gaz propres et dans certaines limites pour les liquides

chargés, visqueux ou corrosifs ainsi que pour la vapeur ;

Perte de pression variant de 60 à 80% de celle du diaphragme à orifice concentré normaliséde rangeabilité 3:1 ;

Température de service de -200 à +400°C ; Pression de service jusqu’à 300 bars ; Etendue de mesure :

- 1 à 103 m3/h pour les liquides- 5 à 104 m3/h pour les gaz

Diamètre toléré : 0.015 à 0.3 m ; Longueur droite amont exigée : 15 D à 30 D ; Nombre de Reynolds : Re > 104 ; Sensibilité aux vibrations de la conduite et aux pulsations de l’écoulement

III.7. Débitmètre électromagnétique :Il permet de mesurer le débit volumique d’un fluide électriquement conducteur s’écoulant le longd’une conduite fermée en utilisant le principe de Faraday. Ce dernier stipule que si un liquideconducteur, s’écoulant à une vitesse V le long d’une conduite de diamètre D électriquement isolé,coupe perpendiculairement un champ magnétique B, une tension E est induite dont l’amplitude estdirectement proportionnelle à la vitesse d’écoulement et par conséquent pour une section de passageconstante, au débit.

Un débitmètre électromagnétique industriel est constitué par un tube en matériau non magnétique,revêtu intérieurement d’un revêtement isolant. Deux bobines d’induction sont disposées de part etd’autre de la conduite.

Lorsqu’on emploie un champ magnétique continu, la tension induite est continue ; or, entre deuxélectrodes plongées dans un électrolyte, il apparaît toujours une tension continue dite de

polarisation. Cette tension apparaît même entre deux électrodes de même métal, car les états de

surface peuvent être différents ou le devenir. Cette tension est de l’ordre du volt et varie dans letemps (formation des électrodes) ; elle dépend de la température, de la composition et de laconcentration de l’électrolyte. Cette tension se superpose au signal de débit, et ses variations

peuvent être de même grandeur que le signal de débit ou même plus grandes encore.

On emploie donc un champ alternatif ; le signal de débit change de sens à chaque alternance, et on peut alors le distinguer de la tension de polarisation, qui est continue. Même si cette tension de polarisation varie quelque peu, sa variation est lente comparée à celle du signal alternatif.

En fait, on élimine la tension de polarisation en utilisant un amplificateur qui n’amplifie que lacomposante alternative du signal et ne transmet pas la fréquence zéro, c’est-à-dire le courant

continu.L’emploi d’un champ alternatif n’est pas sans inconvénients, car tout champ alternatif induit dans lecircuit des électrodes des tensions alternatives.





Le problème pratique est donc de retenir seulement le signal de débit et d’éliminer les signaux parasites.

Analytiquement, la loi de Faraday s’écrit comme suit :

E = B. V. DOù

E : tension induiteB : Intensité du champ magnétiqueV : vitesse d’écoulement du fluideD : diamètre de la conduite

Les performances offertes par ce type de débitmètre peuvent se résumer comme suit : coût relativement élevé ; caractéristique linéaire du débit ; rangeabilité de l’ordre de 10:1 (pouvant atteindre 100:1 pour certains cas particuliers) ;

précision de 0.5 à 1% du débit mesuré ;

utilisé pratiquement pour tous les liquides ; Perte de pression négligeable ; Température de service de -30 à +180°C ; Pression de service jusqu’à 250 bars ; Etendue de mesure : 5.10-3 à 2.105 m3/h dans le cas des liquides conducteurs ; Diamètre disponible : 0.002 à 2.6 m ; Longueur droite amont exigée : 5 D ; Nombre de Reynolds : Re > 25 ; Mesure bidirectionnelle ; Sensibilité au champ électrique.

III.8. Débitmètre à effet de Coriolis :La mesure du débit massique par effet de Coriolis est l’une des récentes technologies industrielles.Pour développer la force de Coriolis, on combine deux mouvements de rotation et de translation.Soit un mobile de masse m se déplaçant suivant une droite à une vitesse constante V sur un plateautournant avec une vitesse angulaire ω (voir figure ci-dessous). La force de Coriolis, Fc, développéeest telle que :

Fc = 2 . m . ω . V





III.9. Débitmètre thermique :Dans ce type de débitmètre, on exploite l’un des deux principes suivants :

Mesure du taux de refroidissement d’une sonde chauffante dans le fluide ; Augmentation de la température d’un fluide au contact d’une sonde chauffante

Deux capteurs de température sont placés aux points A et B (voir figure ci-dessous), de part etd'autre d'un élément chauffant. La différence de température, T b - Ta est proportionnelle au débitmassique. Le capteur fonctionne correctement dans un intervalle de débit. Si le débit réel dépasse ledébit maximal, on peut utiliser un circuit dérivateur, prenant en charge une partie du débit.

Les performances offertes par ce type de débitmètre peuvent se résumer comme suit : coût global moyen ; caractéristique linéaire du débit ; rangeabilité de l’ordre de 10:1 ; précision 1% du débit mesuré ; conçus exclusivement pour les gaz mais peuvent être utilisés dans certains cas pour les

liquides propres e non visqueux ; Perte de pression faible ; Température de service de -20 à +180°C ;

Pression de service jusqu’à 400 bars ; Etendue de mesure : 0.016 à 17 Kg/min ; Diamètre disponible : 0.003 à 0.12 m ; Longueur droite amont exigée : nulle ; Nombre de Reynolds : Re > 25 ; Sensibilité aux fluides corrosifs.

III.10. Débitmètre à ultrasons :Le principe fondamental de fonctionnement de ce type de débitmètres repose essentiellement surl’exploitation des effets de propagation du son dans un fluide s’écoulant dans une conduite. Ils

peuvent être répartis en deux grandes familles :

Débitmètre à ultrasons à effet Doppler ; Débitmètre à temps de transit.





Un émetteur et un récepteur sont montés en opposition de manière à ce que les ondes acoustiquesallant de l’un à l’autre soient à 45 ° par rapport au sens d’écoulement dans la conduite. La vitesse duson allant de l’émetteur au récepteur constitue la vitesse intrinsèque du son, plus un apport dû à lavitesse du fluide. La mesure du temps t mis par le signal pour parcourir la distance L permet deconnaître la vitesse du fluide et d’en déduire le débit.

C : vitesse de propagation du son dans le fluideV : vitesse du fluideL : distance entre émetteur et récepteurα : angle entre V et la direction définie par le couple émetteur / récepteur

Il est primordial que le fluide ne véhicule pas de gaz ou de solides, pour éviter la dispersion desondes acoustiques entre les deux transducteurs. L’ensemble du dispositif, à l’extérieur de laconduite, est insensible à l’agressivité du fluide et n’entraîne aucune perte de charge.

Les performances offertes par ce type de débitmètre peuvent se résumer comme suit : coût global relativement faible ;

caractéristique linéaire du débit ; rangeabilité de l’ordre de 10:1 (pouvant atteindre 40:1 dans certains cas) ; précision 1 à 5% du débit mesuré ; les débitmètres à temps de transit sont utilisés pour les liquides propres et corrosifs (aussi

pour les liquides visqueux dans certaines limites); Les débitmètres à effet Doppler sont utilisé pour les liquides chargés et corrosifs (aussi pour

les liquides propres et visqueux dans certaines limites) ; les débitmètres à ultrasons ne sont utilisés en aucun cas pour les gaz et la vapeur ; Perte de pression négligeable ; Température de service de -200 à +200°C ; Pression de service jusqu’à 300 bars ;

Etendue de mesure :- à temps de transit 2.10-2 à 2.104 m3/h ;- à effet Doppler 0.1 à 10 m/s (vitesse) ;

Diamètre disponible : 0.025 à 4 m ; Longueur droite amont exigée : 5 à 20D ; Nombre de Reynolds : Re > 25 ; Mesure réversible ; Exige la présence de particules solides en suspension au sein du fluide.

III.11. Débitmètre à turbine :

Le principe de fonctionnement consiste à une hélice dans l’axe d’une conduite où circule un fluide.Sous l’effet de la vitesse d’écoulement du fluide, cette hélice tourne à une vitesse proportionnelle audébit volumique Qv. Ce dernier s’écrit comme suit :





Qv = k . ω

Oùk : constante de proportionnalité ;

ω : vitesse angulaire de l’hélice.La vitesse de rotation est mesurée en comptant la fréquence de passage des ailettes détectée à l'aide

d'un bobinage (un aimant permanent est parfois solidaire de l'hélice). Chaque impulsion représenteun volume de liquide distinct.

Les performances offertes par ce type de débitmètre peuvent se résumer comme suit : coût global moyen ;

caractéristique linéaire du débit ; rangeabilité variant de 10:1 à 35:1 selon les modèles ; précision 0.15 à 1% du débit mesuré ; utilisés dans le cas des liquides propres, des gaz et de la vapeur. Ils peuvent être utilisés dans

certaines limites pour les liquides visqueux et corrosifs ; Perte de pression identique à celle développée par un diaphragme concentrique normalisé de

rangeabilité 3:1 ; Température de service de -260 à +500°C ; Pression de service maximale 600 bars ; Etendue de mesure :

- 0.2 à 5.103 m3/h pour les liquides ;- 2 à 2.104 m3/h pour les gaz ;

Diamètre disponible : 0.003 à 0.12 m ; Longueur droite amont exigée : 10 à 20D ; Nombre de Reynolds : 25 < Re < 107 ; Très fragile ; Possibilité d’usure mécanique ; Sensible à la viscosité du fluide.

III.12. Les compteurs volumétriques :Leur principe de fonctionnement consiste à scinder l’écoulement en plusieurs éléments discrets de

volume. La mesure du débit volumique se fait en comptant ce nombre d’éléments en une unité detemps.Plusieurs variantes existent sur le marché. Nous nous limiterons uniquement à celles les plusutilisées à savoir :





compteur à roue à aubes ; compteur à roue ovale ; compteur à roue dentée ; compteur à piston rotatif ; compteur à piston alternatif ; compteur à deux roues en huit ;

disque à écrou.

Les performances offertes par ce type de débitmètre peuvent se résumer comme suit : coût global élevé ; caractéristique linéaire du débit ; rangeabilité variant de 20:1 à 50:1 selon les modèles ; précision 0.5 à 1% du débit mesuré ; utilisés pour les liquides propres, partiellement chargés ou de faible viscosité et des gaz

propres. Ils peuvent être utilisés dans certaines limites pour les liquides corrosifs. Ils ne sont jamais utilisés dans le cas de la vapeur ;

Perte de pression croit très rapidement avec le débit et la viscosité ;

Température de service de -30 à +300°C ; Pression de service maximale 400 bars ; Etendue de mesure : 2,5.10-5 à 8.102 m3/h pour les liquides ; Diamètre disponible : 0.003 à 0.3 m ; Longueur droite amont exigée : nulle ;

a. Compteurs à pistons rotatifs (ou à double roues en huit):Le principe est donné par la figure ci-dessous. Dans une chambre on place deux mobiles en formede huit. Ces deux mobiles sont constamment en contact entre eux et avec la paroi intérieure de lachambre. Les deux roues tournent ensemble en sens inverse autour d’axes horizontaux dans uneenveloppe métallique usinée, accouplées par deux engrenages, de même diamètre et nombre dedents, placés à l’extérieur.

Le principe de fonctionnement de cet appareil peut être décrit comme suit:

Deux pièces à deux pôles tournent dans une enveloppe formée de deux demi-cylindres de mêmediamètre et de même axe que les pistons. Ces deux demi-cylindres font partie du carter quicomprend également les tubulures d'entrée et de sortie du fluide. Les sections terminales du cartersont fermées par des plaques parfaitement dressées afin de réduire le jeu existant entre elles et les

pistons et par suite le passage du fluide non mesuré. Les mobiles sont conjugués entre eux, la





continuité du mouvement étant assurée par deux engrenages placés en bout d'arbre. Le profil des pistons est tel qu'ils restent constamment tangents l'un à l'autre d'une part, à l'enveloppe d'autre part, pour chaque tour complet d'une pale.Chaque rotation sous l’action de la pression du fluide entraîne un volume égal à 2 v. Comme il y adeux mobiles à chaque tour le volume compté est :

2 x 2 v = 4 v Le volume mesuré est sensiblement :

V = 4 n v + v f

Avec

v volume cyclique du compteur,n nombre de tours effectués,v f fuites entre les chambres.

Un dispositif d’intégration est entraîné par l’une des roues en huit permettant de donner directementle volume total V.À l’origine, ces compteurs étaient réalisés en fonte et utilisés en basse pression (4 bars aumaximum).Les très gros appareils ont pratiquement disparu des catalogues des constructeurs, mais de très petitscompteurs ont été mis sur le marché. Dans ces appareils, les pistons sont en alliage léger,l’enveloppe l’est parfois.Ces appareils ne seront justes que dans les conditions d’étalonnage, les fuites varient en fonction dela pression, de la température, etc.. mais il est pratiquement impossible de savoir dans quelles

proportions (dans certains montages on utilise des correcteurs thermomanométriques).

Remarque :Une autre réalisation presque identique au compteur à double roues en huit est le compteur à roueselliptiques dont le schéma est donné par la figure ci-après :

Les roues en huit sont remplacées par deux engrenages elliptiques, ce qui supprime du même coupl’accouplement extérieur par engrenages.

b. Compteurs à palettes :Le principe de ces appareils est donné par la figure ci-dessous. Ils se composent essentiellement :

- D’une chambre cylindrique portant une entrée et une sortie (sens des flèches) portant

les tuyauteries et brides de raccordement- D’un rotor monté excentriquement par rapport à la chambre





- Ce rotor porte des fentes radiales dans lesquelles sont placées des palettes. Ces

palettes sont constamment maintenues au contact de la paroi intérieure de la chambre par des ressorts au repos, et par la force centrifuge au cours de la rotation.

Sous l’action de la pression du fluide le volume de la chambre C tend à grandir en faisant tournerl’ensemble rotor palette dans le sens de la flèche.A chaque rotation on entraîne quatre (4) fois le volume v et le débit sera donc :

V = 4 n v + v f Avec

v volume de chaque chambre,n nombre de tours effectués,v f fuites entre les chambres.

Comme les compteurs à double roues en huit ces appareils ne seront justes que dans les conditionsd’étalonnage, les fuites varient en fonction de la pression, de la température, etc.. mais il est

pratiquement impossible de savoir dans quelles proportions (dans certains montages on utilise descorrecteurs thermomanométriques).L’arbre du rotor entraîne un dispositif d’intégration qui donne directement le volume total.

c. Compteur à volant pour gazLe principe de ce compteur est simple et est donné par la figure ci dessous.




Il comporte essentiellement un mobile à axe horizontal appelé volant, constitué par quatrecompartiments répartis autour de cet axe, l’ensemble étant placé dans une caisse cylindriqueétanche remplie d’eau jusqu’à un plan bien défini situé légèrement au-dessus de l’axe.

Le gaz à mesurer arrive successivement dans les compartiments par un siphon placé au centre. Ladifférence de pression qui existe entre les deux faces du compartiment en cours de remplissage tend

à faire tourner le volant. Les différents compartiments se remplissent successivement et se videntlorsque le gaz est chassé par l’eau.

Le volume de gaz transféré à chaque tour est donc défini par la somme des volumes émergés descompartiments au moment où chacun d’eux est isolé de l’entrée.

Si l’on appelle v cette somme de volumes émergés, n le nombre de tours effectués par le compteur,le volume l’ayant traversé est :

V = n v La nécessité de maintenir un niveau d’eau bien défini a toujours limité la vitesse de rotation à unevaleur très faible (actuellement 500 tr/h pour les petits compteurs de laboratoire, qui sont les plusrapides). Il en résulte que ces appareils sont très encombrants, ce qui a été un des motifs de leurélimination pour le comptage.

Remarque: PrécisionLorsque les conditions précisées précédemment sont remplies, ces compteurs permettent d’effectuerdes mesures avec une précision relative meilleure que ± 0,5 %.Mais pour obtenir les résultats les plus précis, il est bon de mesurer sur un nombre entier de tours,ce qui élimine totalement les irrégularités au cours du cycle.

chapitre iii_mesure des debits.pdf

Documents