Mesures et Instrumentations - Université Virtuelle de Tunis

 Ministère de l’Enseignement Supérieur de la Recherche Scientifique Université Virtuelle de Tunis Mesures et Instrumentations
Mesure de Débit
Amor Gharsalli
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Mesure de débit Mesure de Débit
I. NOTIONS DE BASE
1. Vitesse
C’est la distance parcourue par un fluide en écoulement par unité de temps. Elle est
exprimée généralement en m/s.
2. Débit volumique
C’est le volume de fluide traversant une section de passage connue par unité de
temps. Dans le S. I. Il est exprimé en m3/s :
Q = ∆∆vt
v
3. Principe de mesure des débits
En général, la mesure d’un débit est déduite de la vitesse d’écoulement du fluide à
travers une section de passage connue.
Qv = V * S
Avec :
Qv
: débit volumique en m3/s
V
: vitesse du fluide en m/s
S
: section de passage en m²
S
Par conséquent, les instruments destinés à la mesure d’un débit permettent de connaître
la vitesse.
II- LES DIFFERENTS TYPES DE DEBITMETRES
1. Débitmètres électromagnétiques ( D.E.M. )
1.1 Principe de fonctionnement (Fig.1)
Le principe est basé sur la loi d’induction électromagnétique de Faraday. Le fluide
qui traverse le débitmètre constitue un élément conducteur qui génère une tension induite par
le champ magnétique produit par deux bobines d’induction alimentées en courant alternatif.
Cette tension est linéairement proportionnelle à la vitesse du passage du fluide.
U = K* V * D * B
Avec :
U : tension induite ( Volt )
B : champs magnétique ( Torr )
D : diamètre de la conduite (m)
V : vitesse du fluide
K : constante du capteur.
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Mesure de débit V=
U
K. D . B
q
V
= V. S =
U .D π
.
K. B 4
Figure IV.1 : Débitmètre électromagnétique
L’induction magnétique B ( 10-3 à 10-2 Torr ) est produite par deux bobines placées de
part et d’autre de la conduite de mesure. Celle-ci est réalisée en matériau amagnétique et elle
est revêtue sur sa surface intérieure d’une couche isolante. Le signal de tension induite est
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Mesure de débit capté par deux électrodes en contact conductif avec le fluide, soit par système capacitif, sans
contact. Un convertisseur de mesure amplifie le signal et le transforme en un signal
conventionnel (4-20 mA).
1.2 Avantages
¾ La mesure ne dépend pas des caractéristiques physiques du fluides (pression ,
température,
densité,
viscosité,
conductivité
électrique,
encrassement
des
électrodes…) ce qui permet de mesurer les débits des liquides chargés en particules
solides de pulpes, de pâtes ou de boues dans presque tous les secteurs industriels. La
seule condition pour leur mise œuvre est que le produit à mesurer présente une
certaine conductivité électrique minimale de l'ordre de quelques S/cm;
¾ La mesure indépendante de la répartition des vitesses dans la canalisation (donc on
peut le placer en cas de coude, vanne …) ;
¾ Pas de perte de charge ;
¾ Absence de pièces mobiles ;
¾ Grande précision et répétabilité;
¾ Résistance à la corrosion.
2. Débitmètres mécaniques avec traduction électrique
2.1 Principe de fonctionnement
Un corps d’épreuve placé dans la conduite de mesure est mis soit en rotation (rotor de
turbine) soit en déplacement (flotteur de rotamètre, palette) sous l’effet de la vitesse du fluide.
Un capteur approprié, tachymètrique dans le premier cas, de position dans le second cas,
délivre un signal électrique qui est proportionnel au débit.
2.2. Débitmètre à turbine (Fig.2)
L’écoulement du fluide entraîne la mise en rotation d’une turbine placée dans l’axe de
la conduite de mesure. Sa vitesse de rotation qui est mesurée par un tachymètre, est
proportionnelle à la vitesse d’écoulement du fluide. La vitesse de rotation de la turbine peut
être mesurée par l’intermédiaire d’un capteur inductif. Le passage de chaque pale devant le
capteur influe sur le champ magnétique, la variation de flux dans la bobine réceptrice
engendre une impulsion à chaque passage. Le nombre d’impulsion par unités de temps
(fréquence) est proportionnel au débit instantané :
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Mesure de débit q
V
= 3600.
f
K
Avec :
qv
: débit (m3/h)
f
: impulsion par seconde (fréquence)
K
: coefficient d’étalonnage.
Convertisseur f / I
f
Capteur
I prop. à f
V
Figure IV.2 : Débitmètre à turbine
2.3. Rotamètre (Fig.3)
Un rotamètre est constitué d’un petit flotteur placé dans une conduite verticale conique.
Le flotteur est en équilibre sous l’action des forces suivantes :
- poussée d’Archimède : ρ . V .g
- poids du flotteur : ρo . V .g = M .g
- force de traînée : ρ . So .Cx .U² / 2
avec :
g : accélération de la pesanteur
ρ : masse volumique du fluide
ρo : masse volumique du flotteur
V : volume du flotteur
Cx : coefficient de traînée
M : masse du flotteur
U : vitesse du fluide
Condition d’équilibre :
ρ . V .g + ρ . So .Cx .U² / 2 = ρo . V .g
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Mesure de débit On peut montrer que le débit est proportionnel au déplacement du flotteur.
Figure IV.3 : Débitmètre à flotteur
2.4. Débitmètre à palettes
La palette est soumise à la force exercée par l’écoulement du fluide, à son poids et
éventuellement à l’action d’un ressort de rappel.
La position d’équilibre de la palette est fonction du débit et peut être converti en signal
électrique à l’aide d’un potentiomètre dont l’axe est fixé à celui de la palette.
Fig. IV.4 : débitmètre à palettes
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Mesure de débit 3. Débitmètres à organes déprimogènes
3.1. Principe
Un resserrement de la conduite ou un changement de direction créent entre amont et
aval une différence de pression ∆p liée au débit par une relation de la forme :
Q = K . ( ∆p )1/2
Avec :
ρ : masse volumique du liquide
K : constante réelle
Q : débit volumique
3.2. Les différents types
Le débitmètre à pression différentielle est constitué de deux dispositifs mécaniques
réunis par des tubes de liaison :
un organe déprimogène ou élément primaire, créant la différence de pression
un appareil de mesure ou élément secondaire, pour mesurer en permanence cette
différence de pression et pour donner automatiquement la valeur du débit instantanée.
Les principaux organes déprimogènes sont :
7 ¾
le tube de Pitot
¾
le tube de Venturi ( Fig.IV.5 )
¾
le diaphragme ( Fig. IV.6 )
¾
la tuyère
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Mesure de débit Figure IV.5 : tube Venturi
Figure IV.6 : Diaphragme
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Mesure de débit 1. tube de Pitot
Figure IV.7 : tube de Pitot
La mesure des pressions statique et totale permet de connaître la vitesse du fluide.
V =
2.( P totale − P statique
ρ
2. Tube de Venturi
On crée un étranglement dans la canalisation et on mesure les deux pressions statiques. On en
déduit alors la mesure la vitesse et le débit.
Le théorème de Bernoulli pour un écoulement sans frottement s'écrit :
1
1
1
p A + ρ ⋅ v 2A = pB + ρ ⋅ v B2 = pC + ρ ⋅ v C2
2
2
2
D'après l'équation de continuité, v BSB = v A S A = qv et v B > v A donc p A > pB
1
1 1
P − P = ∆P = ρ.( − ).Q
2 S S
A
B
2
2
B
A
2
1 ⎛⎜ 1 1 ⎞⎟ 2
∆P = ρ ⎜ − ⎟ Q
2 ⎜⎝ S S ⎟⎠
2
B
9 2
A
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Mesure de débit La différence de pression aux bornes du tube de Venturi est proportionnelle au carré du débit.
De l’équation précédente on déduire le débit volumique :
Q=
2.∆P
⎛
⎞
ρ⎜ 12 − 12 ⎟
⎝ SB S A⎠
Q =k
∆p
● Etendues de mesure:
eau :
3 à 27...300 à 2300 l/min
air : 6 à 42...500 à 2800 Nm3/h
● pmax: PN 40
● tmax: 100°C
● Raccords:
G 1/2...G 3, 1/2 NPT...3 NPT
● Matière:
bronze d’aluminium et acier inox
Débitmètre/contrôleur de
01 / 1101 / Ko / 10
débit type venturi
(Société KOBOLD)
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Mesure de débit 3.3. Norme de construction et d’implantation
D
: diamètre de la conduite
d
: diamètre du voile ;
m
: rapport des sections ;
e
: épaisseur du voile ;
e’
: épaisseur de la portée cylindrique du
voile ;
e’’
: largeur de la fente annulaire de prise
de pression ;
α
: angle e chanfrein du voile
a,b
: dimension de la chambre annulaire
Figure IV.8 : Diaphragme à prise de pression
annulaire
2
si m =
d
D
2
≤ 0,45
on admet
∆d
< 10− 3
d
e ≤ 0,1 D
e’ ≤ 0,05 d
si m > 0,45
Si
m ≥ 0,5
∆d
< 5.10− 4
d
on admet
'
e =
e
3
1 ≤ e'' ≤ 5 mm
α > 30°
a.b ≥
11 Π. D. e''
Si D ≤ 200 mm
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Mesure de débit d1 < 0,02 D ; 4 mm ≤ d1 ≤ 15 mm
(de 8 à 15 mm dans le cas de la vapeur ou de gaz humide)
Figure IV.9 : Diaphragme à prise de pression individuelles
Les diaphragmes doivent être centrés exactement par rapport à la conduite et ils
doivent être implantés sur des parties rectilignes à une distance suffisante des coudes,
piquages, vannes, changement de section pour éviter les perturbations. En principe la droite
amont est supérieure à 20 D et la longueur droite aval est supérieure à 10xD.
Les diaphragmes ne doivent être jamais implantés sur des conduites horizontales.
En effet, tous les fluides industriels contiennent des impuretés qui se déposeraient à la partie
inférieure du diaphragme côté amont. Lorsque le liquide transporte du gaz, des bulles
viennent se former en à la partie supérieure. Au total, les résultats de la mesure sont
complètement faussés.
4. Débitmètres ultrasoniques
Un émetteur ultrasonique émet des ondes sonores, la mesure du temps mis par le signal
pour parcourir la distance L nous permet de connaître la vitesse du fluide.( Fig.IV.10 )
Le temps mis par l’onde ultrasonore pour aller de l’émetteur vers le récepteur est :
t=
12 L
C + U * cos α
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Mesure de débit C : vitesse de propagation du son dans le fluide au repos
U : vitesse du fluide
α : angle formé par la direction de l’écoulement et la direction définie par le couple
émetteur / récepteur.
La connaissance du temps t permet alors de déterminer la vitesse U, et par suite le débit Q
connaissant la section de la conduite.
Figure IV.10 : débitmètre ultrasonique
5. débitmètre de masse thermosensible
5.1. Principe de mesure
L’appareil comporte :
•
Un tube métallique à paroi mince horizontal dans lequel circule fluide
•
Deux résistances de chauffe à fort coefficient de température disposées
symétriquement. Ces résistances sont parcourues par un courant stabilisé.
•
Un récepteur type pont de Wheatstone mesure le déséquilibre des résistances
proportionnel à l’écart de température amont - aval.
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Mesure de débit S’il y a un mouvement de fluide, la résistance amont se refroidit et celle de l’aval s’échauffe ;
l’écart est proportionnel au débit.
Amplificateur
V
Figure IV.11 : débitmètre de masse thermosensible
5.2. Avantages
•
La linéarité ne dépend ni de la pression, ni de la température du gaz.
•
Fidélité si la composition est constante ;
•
Circuit simple et pas de mouvement ;
•
étanchéité absolue ;
•
perte de charge très faible ;
•
faible encombrement.
5.3. Inconvénients
•
Pas de possibilité de stabiliser les détecteurs.
•
Erreur due au changement de composition du gaz.
•
Température maximale admissible ne dépasse pas 120°C.
Bibliographie et media-graphie
1. http://btscira.perso.sfr.fr/
2. Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle (R 2 285, 2 275,2 300,2
270,2285)
3. Documents technologiques I T E C A SOCADEI Web site : www.iteca-socadei.com
4. Documentation Auxitrol
5. Documentation Foxboro
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