Pourquoi mesurer le débit ?
Dans de nombreux processus industriels actuels, il est essentiel de mesurer avec précision le débit d’un fluide dans un système dans son ensemble ou en partie. Cela s’applique aussi bien aux gaz et aux liquides (par exemple, le dioxyde de carbone, l’azote, les liqueurs, etc.) qui font partie intégrante du processus, qu’à l’air comprimé, à l’eau ou à la vapeur qui sont fondamentaux pour le fonctionnement de l’usine. L’installation de tout débitmètre peut être justifiée de deux façons :
1. Contrôle du processus
Ici, le débitmètre est utilisé pour mesurer le débit de fluide ou d’énergie afin de permettre le contrôle du processus et ainsi garantir que le produit final est de la qualité requise. Un exemple courant serait dans les systèmes d’injection de vapeur pour l’industrie des aliments pour animaux… trop de vapeur et le produit ne sera pas granulé… trop peu de vapeur et les matières premières ne seront pas traitées et risquent d’endommager les machines de production.
2. Répartition des coûts
Lorsque l’énergie est utilisée pour fournir un processus ou un chauffage des locaux, il est fondamental de savoir où les coûts associés à l’énergie sont réellement engagés. Le débitmètre permet d’attribuer les coûts énergétiques à un produit, un service ou un autre utilisateur particulier ce qui entraîne généralement une réduction significative des coûts énergétiques totaux.
Comprendre le débit d’un tuyau
Le terme débit d’un tuyau est souvent utilisé pour désigner le débit de tout écoulement dans un conduit fermé sous pression. Le conduit fermé est souvent circulaire, mais peut aussi être carré ou rectangulaire, comme un conduit de chauffage. L’autre grande catégorie d’écoulement est l’écoulement en canal ouvert, qui se produit lorsqu’il y a une surface liquide libre ouverte à la pression atmosphérique.
La mesure du débit d’un fluide s’écoulant sous pression est effectuée à des fins diverses, comme la facturation de l’approvisionnement en eau des maisons ou des entreprises, ou pour la surveillance ou le contrôle de processus d’une grande variété de processus industriels qui impliquent des fluides en écoulement.
La mesure du débit d’une canalisation se fait souvent à l’aide d’un débitmètre à pression différentielle comme le compteur à orifice, à buse d’écoulement et à venturi ; les compteurs à venturi sont abordés dans cet article.
Pour chaque type, une constriction dans le chemin d’écoulement provoque une chute de pression à travers le compteur. La chute de pression peut être mesurée et corrélée avec le débit.
Le principe de Venturi et l’équation de Bernoulli
Le débitmètre à production différentielle ou Venturi a une longue histoire d’utilisations dans de nombreuses applications. En raison de sa simplicité et de sa fiabilité, le Venturi fait partie des débitmètres les plus courants. Sans pièces mobiles ni restrictions abruptes de débit, le Venturi peut mesurer les débits de fluide avec une perte de pression totale minimale.
Le principe de fonctionnement du débitmètre Venturi est l’effet Bernoulli. Le Venturi mesure le débit d’un fluide en réduisant la section transversale d’écoulement dans le chemin d’écoulement et en générant une différence de pression. Une fois la différence de pression générée, le fluide passe par une section de sortie de récupération de pression où l’on récupère jusqu’à 80 % de la pression différentielle générée au niveau du col.
Daniel Bernoulli
Équation de Bernoulli
Le principe de Venturi
Une augmentation de la vitesse du fluide entraîne une diminution de la pression interne.
Dans l’image ci-dessus, le fluide, liquide ou gazeux, entre dans le Venturi à l’endroit avec une surface de section transversale A1, une pression P1 et une vitesse v1. Ces propriétés forment l’énergie potentielle et cinétique du fluide à un endroit. L’énergie est conservée dans un système fermé, c’est-à-dire que la somme de l’énergie potentielle et cinétique à un endroit doit être égale à la somme de l’énergie potentielle et cinétique à tout autre endroit du système.
Si l’énergie potentielle diminue à un endroit, l’énergie cinétique doit proportionnellement augmenter à cet endroit. Le fluide entre maintenant dans le col du Venturi avec une nouvelle surface A2, qui est plus petite que A1. Dans un système fermé, la masse ne peut être ni créée ni détruite (loi de conservation de la masse, simplement, ce qui entre, doit sortir), et en tant que tel, le débit volumétrique à l’endroit A1 doit être égal au débit volumétrique à l’endroit A2.
Si la surface à l’endroit A2 est plus petite que A1, le fluide doit se déplacer plus rapidement pour maintenir le même débit volumétrique. Cette augmentation de la vitesse entraîne une diminution de la pression qui suit l’équation de Bernoulli. Résultat : en connaissant la pression et la section transversale à deux endroits, on peut calculer la vitesse du fluide. Avec la vitesse du fluide et sa densité, on peut calculer le débit.
Un Venturi nécessite deux mesures de pression et une de température pour déterminer précisément le débit. La première pression est mesurée à l’emplacement amont du Venturi, P1. Elle est utilisée pour le calcul de la densité et l’entrée côté haute de la mesure de la pression différentielle.
Les compteurs Venturi
Le principe de ce dispositif de mesure du débit a été documenté pour la première fois par J.B. Venturi en 1797 en Italie. Le principe selon lequel ces dispositifs fonctionnent est qu’une certaine hauteur de pression est convertie en hauteur de vitesse lorsque la surface de la section transversale de l’écoulement diminue (équation de Bernoulli).
Donc, la différence de hauteur peut être mesurée entre la section amont et la section de gorge pour donner une estimation de la vitesse d’écoulement, et celle-ci peut être multipliée par la surface d’écoulement pour arriver à une valeur de débit. La section convergente est généralement d’environ 21°, et la section divergente est généralement de 5° à 7°.
Débitmètre Venturi
Où C est un coefficient sans dimension d’environ 0.935 (petite vitesse et diamètre de la gorge) à 0.988 (grande vitesse de gorge et grand diamètre) ; β est le rapport D2 / D1 ; D1 & D2 sont les diamètres intérieurs aux sections amont et de gorge, respectivement ; A2 est la surface de la section de gorge ; Δh est le différentiel de tête ; et « sg » est la gravité spécifique du liquide du manomètre.
Le coefficient de décharge, C, est une valeur constante pour des dimensions de venturi données. Notez que si D2 = D1, alors β = 1, et Q est indéfini ; si D2 > D1, vous obtenez la racine carrée d’un nombre négatif (mais aucune de ces deux conditions ne s’applique à un venturi). Le coefficient, C doit être ajusté pour tenir compte des variations de la température de l’eau. La valeur de β est généralement comprise entre 0,25 et 0,50, mais peut atteindre 0,75.
Des ailettes de redressement peuvent être nécessaires en amont du venturi pour éviter un écoulement tourbillonnaire, qui peut affecter de manière significative l’étalonnage. Il est généralement recommandé de prévoir une distance d’au moins 10xD1 de tuyau droit en amont du venturi.
La perte de charge à travers un compteur venturi est généralement comprise entre 10% et 20% de Δh. Ce pourcentage diminue pour les venturis plus grands et lorsque le débit augmente. L’erreur de mesure du débit du venturi est souvent comprise entre ±0,5 % et ±1 % de la valeur réelle du débit.
Les venturis ont été fabriqués en acier, en fer, en béton, en bois, en plastique, en laiton, en bronze et dans d’autres matériaux et de nombreux venturis commerciaux ont des caractéristiques brevetées.
Débitmètre venturi à bride
Normes pour les buses d’écoulement, les venturis et les orifices
ISO 5167-3 :2003 spécifie la géométrie et la méthode d’utilisation (conditions d’installation et de fonctionnement) des buses et des venturis lorsqu’ils sont insérés dans un conduit courant plein pour déterminer le débit du fluide s’écoulant dans le conduit.
L’ISO 5167-3:2003 fournit également des informations de base pour le calcul du débit et est applicable conjointement avec les exigences données dans l’ISO 5167-1.
L’ISO 5167-3:2003 est applicable aux buses et aux buses Venturi dans lesquelles l’écoulement reste subsonique dans toute la section de mesure et où le fluide peut être considéré comme monophasé. En outre, chacun des dispositifs ne peut être utilisé que dans les limites spécifiées de la taille du tuyau et du nombre de Reynolds. Elle n’est pas applicable à la mesure d’un écoulement pulsé. Elle ne couvre pas l’utilisation de buses et de buses Venturi dans des tailles de tuyaux inférieures à 50 mm ou supérieures à 630 mm, ou pour des nombres de Reynolds de tuyaux inférieurs à 10000.
L’ISO 5167-3:2003 traite de deux types de buses standard, la buse ISA 1932 et la buse à long rayon, ainsi que la buse Venturi.
Les deux types de buses standard sont fondamentalement différents et sont décrits séparément dans l’ISO 5167-3:2003. La buse Venturi a la même face amont que la buse ISA 1932, mais présente une section divergente et, par conséquent, un emplacement différent pour les prises de pression en aval, et est décrite séparément. Cette conception présente une perte de pression inférieure à celle d’une buse similaire.
Pour ces deux buses et pour la buse Venturi, des expériences d’étalonnage directes ont été réalisées, suffisantes en nombre, en étendue et en qualité pour permettre de fonder des systèmes d’application cohérents sur leurs résultats et de donner des coefficients avec certaines limites prévisibles d’incertitude.
La norme BS 1042-1-1.2 spécifie la mesure du débit des fluides dans les conduits fermés. Dispositifs de pression différentielle. Spécification des plaques à orifices à bords carrés et des buses (avec trous de vidange, dans les conduites de moins de 50 mm de diamètre, comme dispositifs d’entrée et de sortie) et autres plaques à orifices.
Géométrie et méthode d’utilisation des plaques à orifices d’entrée coniques, des plaques à orifices en quart de cercle et des plaques à orifices excentriques. Également les plaques à orifices à bords carrés et les buses en dehors du champ d’application de la norme BS 1042:Section 1.1.
La norme MFC-3M de l’ASME spécifie la géométrie et la méthode d’utilisation (installation et conditions d’écoulement) des plaques à orifices, des buses et des tubes Venturi lorsqu’ils sont insérés dans un conduit fonctionnant à plein régime, afin de déterminer le débit du fluide qui s’écoule. Elle donne également les informations nécessaires au calcul du débit et de son incertitude associée.
Elle s’applique uniquement aux dispositifs de différence de pression dans lesquels l’écoulement reste turbulent et subsonique dans toute la section de mesure est stable ou ne varie que lentement dans le temps et le fluide est considéré comme monophasé. En outre, les incertitudes sont indiquées dans les sections appropriées de la présente norme pour chacun de ces dispositifs, dans les limites de la taille du tuyau et du nombre de Reynolds qui sont spécifiées.
Elle traite des dispositifs pour lesquels des étalonnages suffisants ont été effectués pour permettre la spécification de systèmes d’application cohérents et pour permettre d’effectuer des calculs avec certaines limites prévisibles d’incertitude. Les dispositifs introduits dans la canalisation sont appelés dispositifs primaires. Le terme dispositif primaire comprend également les prises de pression et les tuyauteries amont et aval associées.
Tous les autres instruments ou dispositifs nécessaires à la mesure ou à la transmission des pressions différentielles sont appelés éléments secondaires, et leur combinaison est appelée dispositifs secondaires. Cette norme couvre les dispositifs primaires ; les dispositifs secondaires ne seront mentionnés qu’occasionnellement.
Cette norme ne concerne pas les tuyaux ou conduits de taille inférieure à 50 mm (2 po) nominal.
Cette norme ne s’applique pas aux mesures du code d’essai de performance de l’ASME.
Cette norme s’applique à la mesure du débit de tout fluide, (liquide, vapeur ou gaz).
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Baron Kelvin (William Thomson) a dit un jour :
« Lorsque vous pouvez mesurer ce dont vous parlez et l’exprimer en chiffres, vous en savez quelque chose ; mais lorsque vous ne pouvez pas le mesurer, lorsque vous ne pouvez pas l’exprimer en chiffres, votre connaissance est d’un genre maigre et insatisfaisant. »
Baron Kelvin
En d’autres termes, vous ne pouvez pas gérer ce que vous ne pouvez pas mesurer et nulle part cela n’est plus vrai que dans la mesure du débit.