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CHAPITRE 2 Technique de mesure des débits des fluides industriels 8 Techniques

CHAPITRE 2 Technique de mesure des débits des fluides industriels 8 Techniques de mesure des débits des fluides industriels 2 – 1 ° / Introduction : Le transport des fluides industriel dans les conduites et les mesures de leurs débit sont nécessaires pour la plus part des opérations de la production et de la commercialisation. Comme les fluides industriels sont corrosives ou érosives, leurs nature peut être modifiée en causant des variations dans la composition ou dans les paramètres de ces derniers(la température, la pression ou la vitesse). Pour ces raisons les fluides influent sur les conduites et les instruments de mesure de débits. En pratique, les débitmètres à pression différentielle sont soumis à des pressions considérables qui peut être exercer des déformations élastiques et même des déformations plastiques en cas où les pressions dépasse les contraintes admissibles des matériaux des débitmètres. L’objectif de ce chapitre est de mentionner les débitmètres les plus utilisés dans l’industrie et les conditions de ces installations dont le but d’assurer les bonnes performances. 2 – 2 ° / Mesure des débits : Le débit est la quantité de matière ou de fluide, liquide ou gazeux, qui s’écoule par unité de temps. En pratique on distingue deux débits : • Débit-masse ou débit massique Qm qui s’exprime en kg/s • Débit-volume ou débit volumique Qv qui s’exprime en m3/s Si ρ est la masse volumique du fluide (kg/ m3) on a la relation liant le débit-masse au débit- volume : Qm = ρ . Qv (1 – 1) Les appareils mesurant le débit s’appellent débitmètres. Les appareils mesurant le volume de fluide (quelle que soit la durée) ou la masse écoulée s’appellent des compteurs. CHAPITRE 2 Technique de mesure des débits des fluides industriels 9 Les mesures des débits des fluides industriels ont une grande importance, car elles sont toujours présentés dans les opérations de commercialisation de ces produits soit en liquide ou en état gazeuse. Pour assurer le transport et la distribution de ces fluides sans une grande perte, des appareils de mesure de débit sont nécessaires afin de minimiser ces pertes. Les débitmètres sont classés suivant des principes très divers, certains sont des appareils de laboratoire ( à fil chaud, à laser, à effet Doppler) assurent les mesures de petit débit. La figure (2 – 1) présente la répartition des différents types de débitmètres dans l’industrie. Figure 2 – 1 : Répartition des débitmètres dans l’industrie (Baker 1988) 17% 15% 15% 3% 50% Débitmètre à pression différentielle Débitmètre volumétrique Débitmètre à Turbine Débitmètre à mesure de vitesse Autres débitmètre CHAPITRE 2 Technique de mesure des débits des fluides industriels 10 2 – 3 ° / Classification des principaux débitmètres : 2 – 3 – 1 ° / Débitmètres à pression différentielle : 2 – 3 – 1 – 1 ° / Principe et théorie : Le principe est basé sur un système perturbateur statique constitué d’un organe d’étranglement ou organe déprimogène qui provoque une chute de pression dont la valeur est fonction du débit de l’écoulement et des caractéristiques thermodynamiques du fluide à mesurer. A – Cas des fluides incompressibles : La théorie de l’organe déprimogène repose sur l’application des équations de Bernoulli et de continuité de conservation de l’énergie et de la masse. L’écoulement dans un organe déprimogène est schématisé dans la figure (2 – 2) ; L’application des deux principes de conservation de la masse et de l’énergie, pour un écoulement de fluide incompressible, entre les sections de l’écoulement (1) et (2) permet d’écrire : Cte S V S V Qv = = = 2 2 1 1 . . . . (1 - 2) Cte g V Z g P g V Z g P = + + = + + 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 ρ ρ (1 - 3) Avec : P: est la pression statique du fluide ; Z : est la hauteur (cote) par rapport à un plan de référence ; V : est la vitesse de l’écoulement ; ρ : est la masse volumique du fluide ; g : est l’accélération de la pesanteur ; S1 : Aire de section de la conduite. A : L’aire de section de l’orifice A=S2 CHAPITRE 2 Technique de mesure des débits des fluides industriels 11 Figure 1 – principe d’un organe déprimogène Figure 2 – 2 : principe d’un organe déprimogène. La combinaison des équations (2) et (3) permet d’obtenir une relation pour le débit volumique Qv : ( ) ρ 2 1 2 2 1 2 2 1 1 P P A V V C Qv −      − = (1 - 4) C est le coefficient de décharge du débitmètre On définit le rapport d’ouverture ou rapport des diamètres β = d/D (1 - 5) Le coefficient de vitesse d’approche E : 4 2 2 1 2 1 1 1 1 β − =       − = V V E (1 - 6) La relation (1 - 4) fait apparaître que le signal primaire de la pression différentielle (∆P=P1-P2) et par conséquent les erreurs de mesure sur le débit se trouvent multipliées par (1) (2) CHAPITRE 2 Technique de mesure des débits des fluides industriels 12 le coefficient de vitesse d’approche E ; Donc, et afin de réduire cette erreur on doit éviter que le coefficient β ne soit proche de 1, c’est à dire V1 proche de V2. Il faut noter encore qu’on appelait coefficient de débit : Cd = C.E. Le coefficient de décharge C dépend de la géométrie de la conduite et du débitmètre, donc du coefficient β, et du nombre de Reynolds, Re. Le nombre de Reynolds caractérise la nature du régime de l’écoulement et permet de voir si l’écoulement est laminaire ou turbulent. Il est important de noter que les débitmètres à organe déprimogène sont beaucoup plus adaptés pour mesurer les écoulements turbulents. Leur précision devient moins bonne au régime laminaire. Les valeurs du coefficient de décharge C des divers éléments primaires ont été obtenues par expérimentation sur banc d’essai et sont disponible dans la norme ISO 5167. Des formules empiriques telles que la formule de Stolz ou de celle de Reader- Harris/Galagher qui a été adoptée récemment par la norme ISO 5167 (1998) permettent le calcul du coefficient C. B – Cas des fluides compressibles : Dans le cas où le fluide est compressible, cas des gaz et de la vapeur d’eau, au passage de l’étranglement l’augmentation de la vitesse est accompagnée d’une diminution de la masse volumique avec la pression. On suppose que le fluide s’écoulant de (1) à (2) subit une transformation adiabatique, c’est à dire sans échange significatif de chaleur avec le milieu extérieur ; Ceci se traduit par la relation : te Cons P tan =       γ ρ (1 - 7) Avec γ est le coefficient isentropique définit comme la rapport des variations relatives de la pression et de la masse volumique dans une transformation adiabatique réversible élémentaire (ISO 5167). Pour les gaz parfaits : γ est le rapport des capacités thermiques massiques à pression et à volume constant, C’est à dire : γ = Cp/Cv. (1 - 8) CHAPITRE 2 Technique de mesure des débits des fluides industriels 13 Le débit volume sera corrigé par un coefficient d’expansion ε : ( ) ρ ε 2 1 2 2 1 2 2 . . 1 1 P P A V V C Qv −      − = (1 - 9) On peut facilement montrer que le débit-masse est déterminé par la relation : ( ) 1 2 . . 2 . 4 . . . ρ π ε P d E C Qm ∆ = (1 - 10) avec ρ1 est la masse volumique du fluide en amont de la restriction. ∆P est la différence de pression mesurée entre les prises amont et avale. Dans le cas de fluide incompressible, le coefficient de détente ε = 1. 2 – 3 – 1 – 2 ° / Description technique et normative: Les normes internationales ISO 5167 et ISO 5168 de 1980, révisées en 1995 et amendées en 1999 définissent les spécifications de construction et les conditions d’utilisation de ces débitmètres ainsi que les procédures de calcul. Les principaux types d’organes déprimogènes décrits par la norme sont : • Les diaphragme ou plaque à orifice concentrique • Les orifices profilés (tuyères, tubes de Venturi et les Venturi-tuyères) La figure (2 - 3 ) montre une schématisation de ces débitmètres. Figure 2 – 3 : Les principaux débitmètres à organes déprimogènes CHAPITRE 2 Technique de mesure des débits des fluides industriels 14 D’autres types de débitmètres à pression différentielle non normalisés sont disponibles : • Débitmètre à cible, Débitmètre à coude, Elément déprimogène en V, Diaphragme à orifice à entrée conique ou en quart de cercle, Diaphragme ou plaque à orifice excentrique ou segmental. • Sonde de Pitot et Sonde multi-Pitot (Sonde annubar) • Pitot-Venturi uploads/Industriel/ chap-2 3 .pdf