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"Perfectionnements relatifs à des dispositifs de mesure de débit de fluide."
La présente invention concerne des perfectionnements relatifs à des dispositifs de mesure de débit de fluide de l'espèce, appelée ci-dessous l'espèce spécifiée, comprenant un orifice étran- glé dans une paroi transversale située dans une conduite, et une o plusieurs prises de pression permettant de mesurer la différence des pressions, créée par l'orifice étranglé.
L'invention concerne particulièrement des perfectionnements relatifs à des' dispositifs comprenant des plaques à orifice, et analogues, employées pour les
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mesures de débit dans des conduites fermées, telles que les tuyaux, mais elle s'applique aussi à des dispositifs' à canalisation ouver- te, aux plaques de déversoir et analogues, employés dans des con- duites ouvertes. - ..
Pour les mesures de débit dans des conduites fermées, les mérites des dispositifs comprenant des plaques à orifice, d'une part, et des tuyères ou des tubes Venturi, d'autre part, ont fait l'objet de recherches très poussées, particulièrement en ce qui concerne les caractéristiques du coefficient de portée et des per- tes de charge non récupérables. Lesdites caractéristiques ne dépen. dent pas seulement de la forme du dispositif, mais aussi de la gam- me des nombres de Reynolds à considérer et du profil des vitesses, c'est-à-dire, de la distribution des vitesses dans le courant de fluide qui approche, qui, à son tour, dépend des conditions régnant dans la couche limite.
Dans les dispositifs comportant une tuyère ou un ven- turi, il ß a une section d'entrée façonnée, entre les prises de pression amont et de gorge, qui amène le fluide progressivement dans la gorge, ce qui donne un coefficient de contraction très voi- sin de l'unité. Toutefois, des problèmes se posent en ce qui con- cerne la stabilité ou la sûreté du fonctionnement, du fait de l'in- fluence variable,que le contour de-la section d'entrée et le'contact entre le fluide et la paroi de cette section exercent sur le coeffi- cient de portée. En outre,le fait que la prise de gorge 'se trouve effectivement dans ladite paroi en augmente sa sensibilité aux étale variables de la paroi, dus, par exemple, au "vieillissement". En outre, de tels dispositifs sont sensibles en ce qui concerne la grandeur des prises de pression.
Finalement, les dispositifs à tuyère et à venturi sont relativement complexes du point de vue de la fabrication.
La plaque à orifice normale, qui fait en général usag de prises de pression disposées dans la paroi de la conduite, n'a
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pas une telle section amont façonnée et est en général moins sujet. te à une instabilité imprévisible. La plaque à orifice constitue un barrage qui produit des modifications brusques de la,vitesse et de la direction du courant. Un jet de grande vitesse est formé qui présente un plan de contraction minimum, la veine ou section con- tractée où les filets sont parallèles, immédiatement en aval de la plaque. La position de ce plan varie avec le rapport des aires de l'orifice et de la conduite et avec le débit.
L'aire du jet au plan de la face aval de la plaque et la pression à une prise dans ce plan varient donc aussi, en produisant ainsi des modifications de la valeur et des caractéristiques du coefficient de portée.
En outre, la contraction.rapide produite par l'orifice diminue fortement la valeur moyenne du coefficient de portée par rapport à celle d'une tuyère ou d'un venturi. Le coefficient de con traction pour un orifice est de l'ordre de 0,63 et, pour une tuyère ou un venturi, il est quasi égal à l'unité. L'autre composante du coefficient de portée, à savoir le coefficient de vitesse, est grosso modo la même dans les deux cas.
D'un point de vue pratique, cela signifie que, pour un jeu donné de conditions d'écoulement, un orifice a besoin d'un dis- positif de mesure comportant une charge différentielle plus grande qu'une tuyère ou un tube venturi. De même, la perte de charge non récupérable, exprimée en pour cent de la charge différentielle, est plus grande.
Dans le cas d'un venturi, un diffuseur contribue à la retransformation de l'énergie cinétique en énergie potentielle.
Dans le/cas d'une plaque à orifice sans diffuseur, le jet à grande vitesse commence à se dilater au-delà du plan de la section contrac tée, et ce faisant, crée des aires secondaires turbulentes de cou- rant derrière la plaque. En fait, c'est la "morsure" de cette turbu lence dans le jet qui le ralentit finalement et effectue ainsi la retransformation de l'énergie cinétique en énergie potentielle.
L'altération du jet est donc effectuée d'une manière inefficace,
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une partie de l'énergie disponible étant perdue sous forme de cha- leur, et la perte de charge non récupérable est élevée.
Un des buts de la présente.-invention est,de proposer un dispositif qui combine les propriétés des plaques à orifice, à savoir la stabilité ou la sûreté de fonctionnement et la simplici- té, en particulier la.linéarité de la courbe du coefficient de por- tée, avec les propriétés inhérentes aux dispositifs tuyère et à venturi, particulièrement en ce qui concerne la récupération de la pression.
Selon l'invention, dans un dispositif de mesure de débit de l'espèce spécifiée ci-dessus, en particulier mais non exclusive-. ment, une plaque à orifice, un élément de barrière entourant l'ou- verture, mais espacé, transversalement par rapport à la conduite, de cette ouverture et de la paroi de conduite saillit vers l'amont à partir de la face amont de la paroi transversale, la hauteur de l'élément de barrière (c'est-à-dire, sa dimension prise axialement par rapport à la conduite)étant comprise dans les limites de 0,06 à 0,35 de la largeur de la conduite, et son épaisseur n'étant pas plus grande que sa hauteur, tandis que la largeur qu' embrasse l'élément de barrière est comprise dans les limites de 1,02 à 1,80 de la largeur de. l'ouverture.
Dans un tel dispositif, il est avantageux que la' prise de pression amont, que ce soit une prise à un seul trou ou une prise annulaire, s'ouvre à la paroi de la conduite ou-à un endroit situé entre ladite paroi et la surface extérieure de l'élément de barrière.
Si la conduite est cylindrique et que l'ouverture est circulaire, comme dans le cas d'une plaque à orifice normale, l'élé- ment de barrière peut prendre la forme d'un collet ou d'une bague entourant l'ouverture de manière concentrique, complètement ou en grande partie. Les diamètres respectifs constituent alors les lar- geurs susmentionnées. Le diamètre intérieur du collet ou de la
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bague ne doit pas être plus grand que 1,40 fois le diamètre de l'ou- verture.
Dans un tel dispositif, par.,suite du contact avec le fluide qui approche, d'un bord espacé axialement et radialement du bord effectif de l'ouverture, l'accélération et le guidage du cou- rant sont réalisas avant que le plan de la face amont de l'ouverture ne soit atteint. Il est donc possible de modifier la valuer du coef- ficient de portée entre de larges limites et, en même temps, d'amé- liorer la linéarité de sa courbe et d'autres caractéristiques géné- rales sur une large gamme de nombrés de Reynolds et pour la gamme habituelle de rapports d'aires.
Une répartition plus égale des vi- tesses peut être obtenue au plan de la prise de pression aval, et il y a tendance à l'établissement d'une section contractée moins prononcée et à empêcher que la position de cette section contractée ne varie autant qu'elle le fait avec une plaque à orifice normale.
L'effet du collet ou de la bague est probablement de créer, à l'amo de l'ouverture, un écoulement stable ayant un profil très semblable à celui de la section d'entrée d'un venturi, avec l'avantage qu'il y a un contact fluide à fluide à ce profil, plutôt qu'un contact fluide à métal.'
Diverses manières de mettre l'invention en oeuvre vont maintenant être décrites plus complètement à titre d'exemple'et en se référant aux dessins schématiques annexés.
La figure 1 est une coupe longitudinale d'un dispositif à plaquée, orifice monté dans un tuyau.
La figure 2 est ,une vue en élévation de la plaque à ori- fice à une échelle plus petite.
Les figures 3 et 4 sont des vues semblables aux figures 1 et 2 d'une variante d'agencement d'une plaque à orifice .
La figure 5 est Une coupe d'une variante de forme d'ori- fice.
Les figures 6a à 6g sont des coupes représentant des variantes de forme de la bague.
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Les figures 7 à 9 sont des coupes représentant des variantes de forme de prises de pression.'
La figure 10 est une couper d'une autre forme d'une pla- que à orifice.
Les figuresll et 12 sont des coupes représentant l'ad dition de variantes de forme de diffuseur.
Les figures 13 et 14 sont respectivement dès coupes de dispositifs modifiés à venturi et à tuyère..
Les figures 15 et 16 sont une coupe horizontale et une vue en élévation terminale d'une.variante d'un dispositif à cana- lisation ouverte.
Les figures 17 et 18 sont des vues semblables de dispow siti fs à plaques de déversoir.
En se référant aux figures let 2, une plaque à orifice habituelle 1, présentant un orifice 2, est disposée entre les sec- tions de conduite amont et aval 3 et 4. Des prises de pression 5 et 6 à relier à un instrument de mesure de la pression différen- tielle, tel qu'un manomètre, sont prévu% dans les sections,de con- duite, sensiblement.dans les plans des faces amont et aval de la plaque 1, en s'ouvrant en direction du centre de la conduite. En projection à angle droit par rapport à la face amont de la plaque .est prévu un élément de barrière en forme de bague ou collet 7 con- centrique à l'orifice 2 et à la conduite. L'intérieur de-la bague est usiné de manière à être lisse. La face amont intérieurement et extérieurement à la bague 7 se trouve à angle droit, comme repré- senté, ou sensiblement à angle droit par rapport à l'axe de la con- duite.
La bague 7 peut être formée d'une pièce avec la plaque 1, ou être prévue séparément et montée ensuite sur cette plaque. Dans certains cas, il y a.un léger intervalle entre la bague et la pla- que. La plaque peut être bloquée avec étanchéité entre les flas- ques des sections de conduite 3 et 4, comme représenté, ou montée dans un support installé dans la conduite.
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Les dimensions proportionnelles choisies dépendront, dans une certaine mesure, du rapport d'aires m - aire de l'orifice aire de la conduite. On utilisera normalement des valeurs de m n'exédant pas 0,7..
La hauteur h de la bague 7 devrait être de l'ordre de 0,06D à 0,35D D étant le diamètre interne de la section de con- duite amont, les plus grandes valeurs étant choisies pour les plus grandes valeurs de D. Une valeur proportionnelle convenable pour un cas moyen serait de 0,125D.
Le diamètre interne dr de la bague devrait être de l'ordre de 1,02 do à 1,40 do, do étant, le diamètre de l'orifice.
Pour une hauteur$le bague h donnée, de valeur moyenne dans la gamme précitée, les plus grandes valeurs de dr données par la gamme ci-avant, seront normalement associées aux plus basses va, leurs du rapport d'aires m. Pour un diamètre de bague dr donné, la valeur du coefficient de portée augmente au fur et à mesure de la réduction de m. Pour une hauteur de bague h donnée et pour une va- leur donnée du coefficient, les plus grandes valeurs de m seront normalement associées aux plus petites valeurs de dr.
'L'épaisseur de la bague ne devrait pas être supérieure à sa hauteur, et elle devrait se situer dans la gamme de 0,004 d à 0,05 do, les plus petites valeurs étant normalement utilisées avec les orifices des plus grandes conduites. 'La dimension axiale de l'orifice devrait être d'environ 0,05 do pour des valeurs de m inférieures à 0,36, et de 0,025 do pour des valeurs de m supérieu- res à 0,36. Généralement, cette épaisseur et cette dimension axiale peuvent être égales. L'épaisseur totale de la plaque à orifice ne devrait pas être supérieure à 0,05D.
Le diamètre des prises de pression ne devrait pas excé- der nurmalement 0,03D.
En utilisant ces gammes de dimensions, on peut obtenir des valeurs du coefficient de portée de l'ordre de 0,65 à 0,93.
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Le coefficient aura, en tout cas, un degré élevé de linéarité, c'ést-à-dire, qu'il sera sensiblement constant sur une large gamme de nombres de Reynolds. En général, les valeurs proportionnelles plus basses de h seront utilisées pour les,¯plus petites valeurs de D. Si, cependant, la valeur susdite de h - 0,125D est' utilisée pour de petites conduites, on trouvera que le coefficient est d'en. viron 2% supérieur que pour'de grandes conduites, mais la linéarité est maintenue.
A titre d'exemple, une plaque à orifice pour une con- -duite de 6 pouces et avec un rapport d'aires m = 0,5 aurait avan- tageusement une bague dont-le diamètre intérieur dr serait égal à 4,61 pouces et dont la hauteur aurait 0,75 pouce, l'épaisseur de la bague et la dimension axiale de l'orifice étant de 0,125 pouce. Avec ces dimensions, on peut obtenir un coefficient de portée de 0,845.
Normalement, les diamètres des sections de conduite amont et aval 3 et 4 seront gaux, et on pense que le dispositif ne sera pas très sensible à cette condition.
La bague 7 ne doit pas nécessairement entourer complè- 'tement l'orifice 2, en particulier si 1'orifice est excentré ou même. tangentiel à l'alésage de la conduite. Dans ce cas, comme montré aux figures 3 et 4, la bague 7 est encore concentrique à l'orifice 2, mais elle est interrompue là où la bague et la paroi de la conduite se rencontrent. Les prises de pression.5 et 6 peu- vent être disposées à l'une ou l'autre des positions montrées à la figure 4.
Aux figures 1 et 3, l'orifice 2 est représenté avec un alésage parallèle habituel se terminant à angle droit. L'alésage peut cependant présenter un chanfrein 8 du côté aval, comme montré à la figure.5, et/ou du côté amont. Dans ce cas, les dimensions proportionnelles à l'orifice, dont il est quastion ci-avant, s'ap- pliquent à la section parallèle de l'alésage. Aux figures 1 et 3,
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de plus, le bord de la bague faisant face à l'am est également à angles droits, c'est-à-dire que la bague a une action transver- sale rectangulaire.
Cependant, cette section ne doit pas nécessai- rement être rectangulaire et, cornue illustre à la figure 6, le bord peut être chanfreiné (a,b),ou partiellement chanfreiné (c,d), ou à gradin (e,f) au coin intérieur ou au coin extérieur, ou arron- di (g).Dans tous ces cas, l'intérieur de la bagua. sera,parallèle à l'axe sur au moins la moitié de la nauteur h. De plus, bien qu'un bord continu soit préférable, le bord libre de la bague peut être crénelé, par exemple, en présentant des découpures d'une largeur égale à deux fois la hauteur h de la bague, sans grande perte de linéarité du coefficient de portée.
Enfin, les'coins 9, rprésen- tés à angle droit aux figures 1 et 3, peuvent être arrondis ou pour vus d'éléments de congé rapportés.
On peut employer d'autres agenceme et. formes de prises de pression 5 et 6. Par exemple, comme montré à la figure 7, ces prises peuvent être agencées ans un- support annulaire 10 qui est constitué d'une pièce avec la plaque 1 et qui présente des alésages ayant le même d. mètre que les sections de conduite 3 et 4 entre lesquelles ce support est maintenu.
Ou bein, comme représenté à la figure 8, ces prises peuvent être prévues dans deux éléments annulaires 101 et 102 entre lesquels la plaque 1 est placée, avec un résultat similaire. De plus, soit dans la paroi de la conduite, soit dans un ou deux éléments séparés tels que 10 et 101 et 102, des prises à un seul alésage, ou trous, 5 et 6 peuvent être rem- placées par das pièces à ouverture annulaire 5', 6', telles que montrées à la figure 9. Les prises s'ouvrent dans les conduits annulaires ou chambres 11, 12 ou anneaux piézométriques, qui doivent, à leur tour, être reliés à l'instrument par les alésages 13 et 14. Dans tousses cas, les ouvertures des prises sont à une distance de D/2 de l'axe central.
L'une des prises de pression, ou les deux, peuvent être agencées d'une autre manière que dans le
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plan de la face correspondante de la plaque 1. Par exemple, elles peuvent être déplacées axialement à des distances égales à D en amont et à'D/2 en aval, ou en d'autres positions bien connues. Les valeurs et les caractéristiques du coefficient de portée seront cependant affectées par un tel.déplacement.
Au lieu de s'ouvrir en direction du centre de la con- duite, les prises peuvent s'ouvrir dans des directions sensiblement parallèles à l'axe de la conduite, ou même elles peuvent s'ouvrir ' en direction de la paroi de la conduite. Les prises peuvent être formées par un ou plusieurs alésagesou fentes prévus dans les face4 de la plaque à orifice-entre la bague et la paroi de la conduite ou bien, dans le cas de la prise amont, elle peut être prévue dans l'extérieur de la bague ou bien évidemment,elle peut s'ouvrir en tout autre point situé entre la bague et la paroi. De telles prises peuvent être reliées à l'extérieur de la conduite de façon directe par des voies de passage, ou/de façon indirecte par des conduits annu laires ou anneaux piézométriques. Dans certains cas, seule une pri- se de pression amont ou aval peut être nécessaire.
Comme représenté à la figure 10, des bagues 7 et 7' peuvent être prévues suivant les deux faces amont et aval de la plaque 1. Cet agencement permet la mesure de débits dans l'un ou l'autre sens, même s'ils sont sensiblement différents, sans nécessi- té de changer la dimension de l'orifice 2 et/ou d'utiliser deux instruments différents avec un dispositif de commutation. Avec l'agencement de la figure 10, les bagues 7 et 7' peuvent être de proportions et-de formes différentes, de sorte que les gammes de pressions différentielles produites peuvent être pratiquement les mêmes pour les deux sens de circulation.
Des trous d'écoulement peuvent être prévus, de manière connue, dans la plaque à orifice 1. De tels trous peuvent .même être prévus dans la bague 7 elle-même sans afecter de manière im- portante le rendement du dispositif, pourvu que l'aire totale des trous n'excède pas 2% de l'aire de l'orifice 2.
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Pour des dispositifs semblables à ceux décrits, les formules générales de débit normalement employées (par exemple, celles données dans la British Standards Spécification 1042/1943) peuvent être appliquées sans changement important. Cependant, le facteur de dilatation, pour des fluides compressibles, donné pour des orifices n'est pas applicable, et il faut adopter un facteur compris entre ceux prévus pour les orifices et ceux prévus pour les 'tubes venturi.
Bien qu'on obtienne une récupération de pression amélio rée avec des dispositifs telles que ceux qui ont été décrits, on peut obtenir une récupération supplémentaire en associant un dif- fuseur de sortie à la plaque à orifice. Cornue illustré à la figure 10, un diffuseur 15 peut consister en un simple cône divergent aveg un angle au sommet compris entre 7 et 15 . Comme représenté, le cône est supporté par quelques bras la partant de la plaque 1.
Dans certains cas, un diffuseur peut être constitué par un cône complexe comprenant, par exemple, une section parallèle et deux sections divergentes ayant des angles au sommet différents, comme, par exemple, dans le cas du diffuseur 15' représenté à la figure 12. On pense qu'on n'obtient pas d'avantage lorsqu'on prévoit le diamètre de l'embouchure d'entrée du diffuseur ou de sa section parallèle, inférieur au diamètre do de l'orifice 2 et, comme il- lustré, on prévoit ce diamètre légèrement supérieur à do.
Si la distance de cette embouchure à partir de la face aval;de'la plaque à orifice 1 n'est pas inférieure à 0,25 do, le diffuseur n'affecte-. ra pas fortement la valeur ou la linéarité du coefficient de portée,
Cependant, si la récupération de pression est de plus grande importance que la linéarité du coefficient de portée sur une large gamme de débits, une autre amélioration de la récupéra- tion peut être obtenue en disposant le diffuseur avec son emboucha re plus près de la face aval de la plaque.
En effet, un diffuseur qui est formé d'un pièce avec la plaque, et qui a la prise de pres-
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sion aval disposée dans la paroi du diffuseur elle-même, mais encore dans le plan de la face aval de la plaque, peut être utilisé avec une perte de linéarité qui n'est pas plus grande, dans la portion la plus basse de la gamme de nombres de Reyolds, que celle déjà associée aux dispositifs standards à plaque à orifice.
Les exemples précédents concernent l'application de l'invention aux plaques à orifice. L'invention peut cependant être appliquée, de manière similaire, à d'autres dispositifs de mesure de débit, utilisés, soit dans des conduits ouverts, soit dans des conduits fermés, et comprenant une ouverture prévue dans une paroi transversale prévue en travers de la conduite. Dans de tels cas également, le courant du côté amont du dispositif,est modifié, et les caractéristiques du coefficient de portée, telles que sa linéa- rité, peuvent être améliorées..
C'est ainsi que l'invention peut être appliquée à un dispositif à tube venturi. Comme illustré à la figure 13, cela peut être réalisé en éliminant la portion d'entrée 16 dudit dispositif et en disposant une bague 7,.dans une section de conduite cylin- drique 17, sur la face amont d'une paroi 18 de laquelle s'étendent vers l'aval la partie étranglée restante 19 et la partie de diffu- sion 20 du dispositif-. Les dimensions proportionnelles pour la bagu '7 seront les mêmes que pour la plaque à orifice, do étant le dia- mètre de l'entrée de l'étranglement. Comme montré à la figure 4, un dispositif à gicleur peut être semblablement équipée la section d'entrée conique 21 étànt éliminée.
Dans le cas d'une canalisation ouverte à venturi, comme représenté aux figure 15 et 16, la section d'entrée 22 est éliminée et un élément de barrière sous forme de deux bords en saillie 23 est prévu sur la face amont de la paroi transversale 24 à partir de laquelle d'étend la section d'étranglement 25.
Les dimensions pro- portionnelles de l'élément de barrière se rapporteront aux largeurs horizontales respectives wl, w2 et w3, au lieu de se rapporter à
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des diamètres connue dans les cas précédents. h se situera dans les limites de 0,0ow1 à 0,35w w3 se situera dans les limites de 1,02w2 à 1,8ew2
Des déversoirs à plaque échancrée rectangulaire ou en V peuvent être modifiés en ajoutant un élément de barrière sous la forme d'un collet partiel 26, comme illustré aux figures 17 et 18 pour le cas d'une plaque de déversoir standard rétrécie 27 présen- tant une échancrure 28. A nouveau les dimensions proportionnelles se rapporteront aux largeurs, h se situant dans les mêmes limites. w3 se situera dans les limites de 1,02 w2 à 1,20 w2.
En outre, la dimension verticale 12 devrait se situer dans les limites de 0,021 11 à 0,80 11 (figure'18).
REVENDICATIONS
1. Un dispositif de mesure de débit de fluide de l'es- pèce spécifiée, plus particulièrement un dispositif à plaque à ori- fice, dans lequel un élément de barrière entourant l'ouverture, mais espacé, transversalement par rapport à la conduite, de cette ouverture et de la paroi de conduite, saillit vers l'amont à partir de la face amont,de.la paroi transversale, la hauteur de l'élément de barrière" étant comprise dans les limitas de 0,06 à 0,35 de la largeur de la conduite, et son épaisseur n'étant pas plus grande que sa hauteur, tandis que la largeur qu' embrasse l'élément'de barrière est comprise dans les limites de 1,02 à 1,80 de la lar- geur de l'ouverture.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.