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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R 2 280 − 1 Débitmètres à turbine pour liquides par Dominique MÉTIVIER Ingénieur de l’Industrie et des Mines Attaché à la Sous-Direction de la Métrologie du Ministère chargé de l’Industrie 1. Généralités................................................................................................. R 2 280 - 2 1.1 Principe de fonctionnement........................................................................ — 2 1.2 Caractères communs à tous les appareils................................................. — 2 2. Théorie succincte..................................................................................... — 3 2.1 Mesureur idéal............................................................................................. — 3 2.2 Mesureur réel............................................................................................... — 3 2.3 Mesure des débits variables....................................................................... — 4 3. Mesureurs................................................................................................... — 5 3.1 Caractères généraux.................................................................................... — 5 3.2 Dispositions particulières............................................................................ — 6 3.3 Ajustage des débitmètres et compteurs à turbine.................................... — 7 4. Transducteurs ........................................................................................... — 8 4.1 Transducteur mécanique ............................................................................ — 8 4.2 Transducteur électrique .............................................................................. — 8 5. Équipements récepteurs ........................................................................ — 8 5.1 Ampliﬁcation................................................................................................ — 8 5.2 Mise en forme.............................................................................................. — 9 5.3 Mise à l’échelle. Correction......................................................................... — 9 5.4 Expression des résultats ............................................................................. — 9 6. Caractéristiques fonctionnelles........................................................... — 9 6.1 Pression maximale ...................................................................................... — 9 6.2 Pression minimale....................................................................................... — 10 6.3 Débit maximal.............................................................................................. — 10 6.4 Double sens d’écoulement ......................................................................... — 10 6.5 Perte de charge maximale .......................................................................... — 11 6.6 Exactitude et étendue de mesure............................................................... — 11 6.7 Fidélité et écart de linéarité......................................................................... — 11 6.8 Résolution .................................................................................................... — 11 6.9 Temps de réponse ....................................................................................... — 11 6.10 Température................................................................................................. — 12 6.11 Courbes types .............................................................................................. — 12 7. Appareils pour liquides particuliers ................................................... — 13 7.1 Liquides chargés.......................................................................................... — 13 7.2 Produits pétroliers ....................................................................................... — 14 7.3 Liquides alimentaires ou pharmaceutiques et liquides corrosifs............ — 14 7.4 Liquides cryogéniques ................................................................................ — 14 8. Installation................................................................................................. — 14 9. Étalonnage ................................................................................................. — 16 9.1 Jauges .......................................................................................................... — 16 9.2 Tubes étalons ............................................................................................... — 16 9.3 Étalons de débit secondaires...................................................................... — 17 9.4 Pesée............................................................................................................. — 17 10. Comparaison avec d’autres types de débitmètres......................... — 17 Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. R 2 280 DÉBITMÈTRES À TURBINE POUR LIQUIDES __________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. R 2 280 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle es débitmètres à rotor hélicoïdal sont utilisés à des ﬁns industrielles et commerciales sur quasiment tous les liquides dans des plages de tempé- rature et de pression très étendues. Cette polyvalence, résultat d’efforts des fabricants depuis une trentaine d’années, a été obtenue sans que les caractéristiques métrologiques de ces instruments ne soient pour autant dégradées. Si la mesure des débits contribue aujourd’hui de manière importante à une meilleure maîtrise des procédés de fabrication et de manutention, la première application, dans le temps et par la taille, de la mesure des liquides est le mesurage (ou comptage) des volumes. À cette occasion, les compteurs à rotor hélicoïdal (ou à hélice) ont reçu des noms particuliers selon la nature des liquides mesurés : — compteur Woltmann pour l’eau ; — compteur turbine dans l’industrie pétrolière, cette dernière dénomination ayant été étendue au mesurage de tous les liquides autres que l’eau. Par souci de simplicité, le vocable rigoureux de débitmètre (ou compteur) à rotor hélicoïdal a été remplacé par celui de débitmètre (ou compteur) à turbine chaque fois que cela a été possible. L 1. Généralités 1.1 Principe de fonctionnement Lorsqu’un moulinet hélicoïdal est disposé dans l’axe d’une conduite où circule un liquide sous pression (ﬁgure 1), son hélice tourne à une vitesse qui dépend directement du débit du liquide. L’expérience montre que, sous certaines conditions et entre certaines limites qui seront précisées plus loin (§ 2), la vitesse angulaire de l’hélice est proportionnelle à la vitesse moyenne d’écoulement du liquide, c’est-à-dire au débit-volume. On peut écrire : q = k ω et avec q débit-volume instantané, V volume de liquide écoulé pendant l’intervalle de temps (t 2 – t1), ω vitesse angulaire de l’hélice à l’instant t, k constante. Il est donc possible de construire sur ce principe des débitmètres et des compteurs de volume pour les liquides en circulation dans des conduites fermées. 1.2 Caractères communs à tous les appareils Ces appareils se composent toujours des trois organes principaux suivants : — un capteur (souvent appelé mesureur ) constitué essentielle- ment par un rotor à pales hélicoïdales placé à l’intérieur d’un corps cylindrique parcouru par le liquide considéré ; — un transducteur (souvent appelé sortie ou émetteur ) trans- formant la rotation du rotor en un signal exploitable par l’indicateur ; — un indicateur de débit (ou de volume écoulé ) du liquide en circulation. Un même capteur peut être utilisé indifféremment pour déterminer un débit ou un volume. Selon les cas, le rotor peut avoir une forme d’hélice, de roue de turbine ou de moulinet. Dans la plupart des réalisations, les éléments moteurs sont de forme hélicoïdale. Différents accessoires peuvent être adjoints à l’indicateur, pour remplir des fonctions complémentaires telles que : l’enregistrement, la sommation positive ou négative des résultats fournis par plusieurs appareils, la commande de divers organes d’une installation, la régulation automatique d’un processus industriel, l’aide à l’étalon- nage et au réglage, etc. Enﬁn, certains fabricants proposent des débitmètres dont le rotor présente des pales planes. Ces appareils peuvent être assimilés à des débitmètres à rotor hélicoïdal si et seulement si chaque pale plane présente une surface petite par rapport à la section de passage du liquide au droit du rotor (et non de la section de raccordement). V k t 1 t 2 ω dt = Figure 1 – Organes d’un débitmètre à turbine _________________________________________________________________________________________________ DÉBITMÈTRES À TURBINE POUR LIQUIDES Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R 2 280 − 3 2. Théorie succincte 2.1 Mesureur idéal Considérons tout d’abord un mesureur tel que celui représenté schématiquement sur la ﬁgure 2 et plaçons-nous dans les hypothèses suivantes : ailettes sans épaisseur, rotor sans masse, c’est-à-dire que son mouvement ne demande aucune énergie, ﬂuide sans viscosité dont l’écoulement s’effectue sans turbulence. Désignons par : q le débit-volume instantané du liquide ; A la section de passage au droit des ailettes ; v la vitesse moyenne du liquide ; ρ la masse volumique du liquide ; r le rayon d’un petit élément d’ailette ; α l’angle des ailettes par rapport à l’axe ; ω la vitesse angulaire du rotor à l’instant t ; Ωi sa vitesse angulaire de régime (mesureur idéal). On démontre que le couple moteur vaut : Cm = Kρ (v tan α – ωr )2 (1) et que, en régime stable : (2) Si le rotor présente une surface hélicoïdale, le rapport (tan α)/r est une constante. A étant également une constante, la vitesse angulaire de ce mesureur idéal sera donc rigoureusement propor- tionnelle au débit-volume q du liquide le traversant. Si le rotor était muni de pales planes, aux petits rayons, l’incidence des pales étant positive, le rotor serait moteur et aux grands rayons, l’incidence étant négative, le rotor freinerait. Le rapport (tan α)/r n’étant pas constant, la théorie ci-dessus ne s’appliquerait plus. 2.2 Mesureur réel En réalité, diverses causes de perturbation interviennent pour modiﬁer le fonctionnement du mesureur. a ) Le rotor a une masse non nulle ; pour cette raison, la vitesse angulaire du rotor suit les variations du débit-volume avec un certain retard, en particulier au démarrage et à l’arrêt. b ) L’épaisseur des ailettes n’étant pas nulle, il se produit une légère turbulence sur les bords d’attaque et de fuite de celles-ci. c ) Le liquide possède une certaine viscosité ; en conséquence, le jet pénétrant entre deux ailettes voisines éprouve une petite résis- tance à circuler ; tous les ﬁlets liquides n’ont plus la même vitesse ; il s’ensuit une légère perte de charge et une réduction de la force faisant tourner le rotor. d ) Les différentes parties du rotor tournent dans le ﬂuide, certaines en regard de pièces ﬁxes très voisines telles que fonds de déﬂecteurs, supports de paliers, enveloppes, etc. ; or, la viscosité du liquide tend à s’opposer au mouvement du rotor ; il en est de même des tur- bulences, aux endroits où il s’en produit. Ces perturbations b c d créent un couple résistant Ch s’opposant au couple moteur. L’expérience a montré que l’expression de Ch pouvait prendre trois formes différentes, selon le type d’écoule- ment caractérisé par le nombre de Reynolds Re (Re = ρvD/µ, avec D diamètre de la conduite et µ viscosité dynamique du liquide) : — pour les faibles valeurs de Re (< 2 500), l’écoulement est laminaire et le couple résistant est proportionnel à µq ; — pour les fortes valeurs de Re (> 4 000), l’écoulement est tur- bulent et le couple résistant est proportionnel à ρq 2 ; — dans la zone des valeurs intermédiaires de Re, le couple résistant est une combinaison des deux. En pratique, le régime turbulent est toujours atteint dans les forts débits ; par contre, selon la valeur de la viscosité, il est possible que uploads/Industriel/ r-2280.pdf