CH630175A5

CH630175A5 - Debitmetre a tube de pitot.

Info

Publication number: CH630175A5
Application number: CH1234278A
Authority: CH
Inventors: James Bernard Harbaugh; Edward Francis Brooks; Norman Alvin Alston
Original assignee: Dieterich Standard Corp
Priority date: 1978-01-09
Filing date: 1978-12-04
Publication date: 1982-05-28
Also published as: BE870900A; JPS607207B2; SE7810485L; CA1111281A; NL183367C; SE443451B; FR2414189A1; US4154100B1; GB2012056A; NL7809924A; FR2414189B1; IT1121121B; ZA786720B; GB2012056B; IL55570A; DE2842676A1; AU515238B2; AU3980678A; JPS54101357A; IT7909307A0

Description

La présente invention concerne un débitmètre à tube de Pitot destiné à mesurer des pressions différentielles avec une sonde pouvant être introduite dans un courant de fluide s'écoulant dans un tuyau, cette sonde comportant une surface dirigée vers l'amont que vient frapper le fluide s'écoulant et une surface dirigée vers l'aval située en aval de la première et comportant un orifice dirigé vers l'aval pour déceler la composante à basse pression de la différence mesurée.

Tous les débitmètres, quel que soit leur type ou leur conception, possèdent un «coefficient d'écoulement » ou facteur de correction d'écoulement ou de débit qui leur est associé et utilisé pour calculer le débit effectif en fonction de celui mesuré. Très fréquemment, le débit est calculé en multipliant ce coefficient par une certaine fonction du débit mesuré, comme par exemple un carré de celui-ci et il ne s'agit donc pas nécessairement d'une simple multiplication de l'un par l'autre. En tout cas, l'utilisation de ce facteur de correction permet à l'opérateur de parvenir à une certaine valeur pour le débit effectif, sur la base de celui mesuré par le débitmètre. Il s'ensuit par conséquent que la précision de ce facteur de correction dans la plage des débits mesurés est un élément clé pour la détermination des débits et la confiance qu'on peut leur accorder.

Ce facteur de correction d'écoulement est défini comme suit:

„ . , débit effectif

Facteur de correction d écoulement = —rrr-:—r~rr-

débit de 1 instrument

Le débit de l'instrument dans l'équation qui précède est calculé sur la base de la sorti de l'instrument et d'un modèle mathématique déterminant le type particulier d'écoulement fluide qui est mesuré. Par exemple, pour la plupart des écoulements fluides, l'équation hydraulique qui admet que les liquides sont incompressibles est considérée comme la mieux appropriée. D'un autre côté, pour des écoulements gazeux ou de vapeurs, un modèle basé sur un écoulement isentropique à une dimension est fréquemment considéré comme la meilleure solution. Malheureusement, très peu de débitmètres possèdent un facteur de correction d'écoulement qui reste constant même sur une large plage de débits avec tous les autres facteurs restant constants.

Il est par exemple connu d'après un brevet aux Etats-Unis d'Amérique no 3.581.565, de prévoir un débitmètre à tube de Pitot pour mesurer les pressions différentielles, avec une sonde pouvant être introduite dans un courant de fluide s'écoulant dans un tuyau, cette sonde comportant une surface dirigée en amont que vient frapper le fluide s'écoulant et une surface dirigée en aval située en aval de la première et contenant un orifice dirigé vers l'aval pour déceler la composante à basse pression de la différence mesurée.

Les débitmètres faisant l'objet du brevet précité ont tous pour problème commun que les coefficient de correction d'écoulement varient largement alors que le débit, caractérisé au mieux par l'indice de Reynolds de l'écoulement, varie. De plus, la reproductibilité des résultats est affectée de façon perturbatrice par la turbulence du courant libre. Une analyse détaillée d'une grande quantité de données d'exploitation a révélé que la cause des problèmes est l'emplacement de l'orifice à basse pression sur le côté en aval d'un corps renflé possédant une section transversale circulaire. D'un autre côté, l'emplacement de l'orifice à basse pression en ce point a également certains avantages importants, parmi lesquels le fait qu'il produit une pression inférieure à la pression statique du courant libre local, à cause de sa présence dans le sillage du corps renflé.

Les inconvénients de la technique antérieure sont surmontés par la présente invention. Le débitmètre suivant l'invention comprend les caractères définis dans la revendication 1.

Les détails et particularités de l'invention ressortiront de la description ci-après, donnée à titre d'exemple non limitatif et en se référant aux dessins annexés, dans lesquels:

Les figures 1,2 et 3 sont des vues en perspective et à même échelle de trois débitmètre du type à tube de Pitot différents, dont la différence essentielle réside dans la forme du corps renflé ou d'autres moyens de déviation d'écoulement situés imédiatement en amont de la partie contenant l'orifice dirigé vers l'aval et utilisée pour déceler la pression statique.

Les figures 4,5 et 6 sont des vues en coupe suivant la ligne 4-4,5-5 et 6-6, respectivement, des figures 1 à 3.

La figure 7 est une vue en perspective d'une quatrième variante du débitmètre, à une échelle légèrement réduite, certaines parties ayant été également éliminées par brisure pour révéler la construction interne.

La figure 8 est une vue en coupe suivant la ligne 8-8 de la figure 7.

La figure 9 est une demi-vue en coupe partielle essentiellement à la même échelle que la figure 7, illustrant le débitmètre de cette figure installé en position dans un tuyau.

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En se référant tout d'abord aux figures 1,2,3,7 et 9 des dessins, chaque version du débitmètre illustrée comporte une sonde désignée par les références 10 A-C et M et qui, lors de l'utilisation, est abritée à l'intérieur d'un tuyau ou conduit 12, comme illustré à la figure 9, conjointement avec une certaine structure externe 14. La fonction de cette dernière est simplement de fournir les deux valeurs de pression de fluide décelées à l'intérieur du tuyau à cause de l'écoulement d'un fluide dans celui-ci, vers des instruments de mesure ou d'enregistrement appropriés situés à l'extérieur de ce tuyau.

Des corps renflés 18 A à C et M possèdent un orifice dirigé en amont 16, situé de telle manière qu'il se trouvera sur l'axe du conduit 12 lorsqu'il est situé à l'intérieur de celui-ci, comme indiqué à la figure 9. Un tube d'interpolation 20 est situé à l'intérieur du corps renflé qui, évidemment, est creux. Ce tube d'interpolation contient un orifice protégé 22, dirigé vers l'amont, qui est situé approximativement suivant l'axe du tuyau 12 lorsque l'unité est en place comme indiqué à la figure 9. L'orifice 22 du tube d'interpolation 20 coopère avec les orifices dirigés vers l'amont 16 dans le corps renflé pour établir une moyenne de la pression du fluide décelée par ce corps sur tout le profil d'écoulement à l'intérieur du tuyau 12. De la sorte, le corps renflé avec ses orifices dirigés vers l'amont et le tube d'interpolation coopèrent pour définir une sonde dite «d'impact» agissant de manière à détecter la pression moyenne du fluide s'écoulant sur elle. Toutes les sondes illustrées comprennent un tube d'interpolation 20, comme il est évident d'après les figures 1,4,5,6,7 et 8. Des passages internes (non représentés) connectent le tube d'interpolation 20 à un tube 20 A qui fait partie de la structure externe 14. Chacune des diverses conceptions de débitmètres illustrées comporte également un tube à basse pression 24. Ce dernier contient un orifice dirigé vers l'aval 26, qui est également situé sur l'axe du tuyau lorsque le débitmètre est en place, comme illustré à la figure 9. Dans les versions des figures 1,2, 3,4,5 et 6, ce tube est situé à l'intérieur du corps renflé creux, avec l'orifice à basse pression 26 situé de manière à s'aligner avec un passage 28 dans le corps renflé, qui débouche vers l'aval. Comme c'était le cas avec le tube d'interpolation 20, le tube statique 24 est relié à une tuyauterie extérieure 24 A par des passages internes (non représentés).

La version des figures 7 à 9 est conçue en particulier pour des tuyaux de petit diamètre, dans lesquels les grands corps renflés des autres versions gêneraient de façon appréciable l'écoulement dans le tuyau. Ainsi, en situant le tube statique à l'extérieur du corps renflé, la dimension de ce dernier peut être nettement réduite. Les figures 7 et 9 indiquent que le tube statique est bien plus petit que le corps renflé et se situe en aval de ce dernier, en association protégée derrière lui. Au point où se présente l'orifice à basse pression 26, dirigé vers l'aval, des moyens de déviation d'écoulement 32 sont situés de manière à remplir exactement la même fonction de déviation commandée de l'écoulement que les corps renflés refaçonnés 18 A, 18 B et 18 C des versions illustrées aux figures 1 à 3, respectivement.

Dans chacune des diverses formes de réalisation illustrées, une paire d'arêtes ou de surfaces de dérive à contour aigu 36 est prévue en association espacée sur les côtés opposés et en amont par rapport à l'orifice de tube statique 26 dirigé vers l'aval, en étant séparée de ce dernier par les surfaces nettement convergentes 38 dirigées vers l'aval. Les surfaces d'impact dirigées vers l'amont 40 M, 42 M à la figure 1,40 B à la figure 2 et 40 M à la figure 3 situées en amont des arêtes ou surfaces à contour aigu 36, sont beaucoup moins importantes que ces arêtes ou surfaces 36, pour autant qu'elles divisent l'écoulement approximativement également et amènent une moitié de celui-ci, sur la base d'une moyenne par rapport au temps, à s'écouler sur une surface à contour aigu, tandis que l'autre moitié s'écoule sur l'autre surface à contour aigu de la paire. De la sorte, ces surfaces d'impact devraient être symétriques autour d'un plan défini par l'axe du tuyau et celui de la sonde lorsque le débitmètre est situé de la manière indiquée à la figure 9.

Les figures 2 et 5 révèlent la plus simple de ces surfaces, à savoir une seule surface plane 40 B sur le corps renflé 18 B de la sonde 10 B, à disposer perpendiculairement à l'écoulement. Parmi les diverses surfaces de ce genre illustrée, celle représentée aux figures 2 et 5 est la plus difficile à fabriquer, à cause de la section transversale interne réduite disponible pour les tubulures internes.

Une division plus satisfaisante de l'écoulement peut être réalisée en utilisant une paire de surfaces inclinées à l'opposé 40 M, comme indiqué aux figures 1 et 4; 3 et 6, qui coopèrent mutuellement pour diviser l'écoulement et faire dévier approximativement la moitié sur chacune des deux surfaces à contour aigu. Les surfaces 40 M aux figures 3 et 6 se recoupent mutuellement en une arête aiguë avant 42, tandis que celles des figures 1 et 3 se recoupent en un bord émoussé 42 M.

Des surfaces 40 N sur les moyens de déviation d'écoulement 32 de la sonde 10 M illustrée aux figures 7 à 9 sont inclinées plus fortement que celles des figures 1,3,4 et 6, situées approximativement perpendiculairement entre elles, comme indiqué. Le bord de tête des moyens de déviation 32 est protégé par le corps renflé 18 M en amont et, pour cette raison, il a peu d'importance fonctionnelle. En fait, aux figures 7à 9, la surface d'impact 40 N dirigée en amont est une surface composée constituée à la fois par la surface cylindrique du corps renflé 18 M et les surfaces planes divergentes de l'écran de commande d'écoulement situé en amont des arêtes 36 de ce corps. En tout cas, la surface 40 N est formée par des surfaces symétriques qui coopèrent pour diviser l'écoulement approximativement également et fournir la moitié de celui-ci à chacune des deux arêtes 36.

Une surface arrondie convexe menant aux arêtes ou aux surfaces à contour aigu 36 doit être évitée, parce que de telles surfaces ne permettent pas de définir un contour de dérive nettement taillé sur lequel la couche limitrophe est forcée de quitter la surface de la sonde dans diverses conditions d'écoulement. Les surfaces d'impact dirigées vers l'amont avec une courbure concave divergente menant aux arêtes ou aux surfaces à contour aigu agiront de façon satisfaisante en produisant un bord bien défini où la couche limitrophe se séparera nettement dans des conditions d'écoulement variables, mais elles compliqueront la fabrication de la sonde sans avantages correspondants par rapport à des surfaces planes inclinées à l'opposé.

Les bords à contour aigu 36 espacés sur les côtés opposés de l'orifice à basse pression 26 dirigé vers l'aval sont situés et adaptés de manière à faire dévier l'écoulement autour d'elle tout en situant simultanément le point où séparation de la couche limitrophe a lieu. Dans chaque cas, ces bords sont relativement aigus. Des bords tels que ceux-ci se sont révélés forcer la couche limitrophe à quitter les côtés de la sonde en des emplacements précis même si les débits, les caractéristiques du fluide et d'autres facteurs varient largement. Tout arrondi appréciable de ces arêtes ou surfaces à contour aigu 36 permet au point où la couche limitrophe se sépare de la sonde de se déplacer sur une telle surface incurvée en fonction de l'indice de Reynolds, ce qui introduit les imprécisions que l'on cherche précisément à éliminer.

Dans la forme particulière illustrée, les deux surfaces de dérive à contour aigu 36 sont essentiellement coplanaires, parallèles, perpendiculaires à l'écoulement et équidistantes sur les côtés opposés de l'axe du tuyau dans les conditions d'installation. Bien que ceci soit désirable, ces relations ne s

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sont pas particulièrement critiques, bien que d'autres caractéristiques d'exploitation de la sonde puissent et soient fréquemment affectées de manière perturbatrice si elles ne sont pas maintenues. En d'autres mots, si l'une des surfaces 36 était plus proche du côté du tuyau que l'autre, ceci indiquerait que la sonde elle-même n'est pas située de façon diamétrale par rapport à ce tuyau et, dans ces conditions, elle ne détecterait pas la section transversale véritable de l'écoulement.

Aux figures I et 4, on observera que les surfaces à contour aigu 36 comprennent les bords de tête ou amont d'une paire de plats essentiellement parallèles dirigés à l'opposé 44, avec une largeur appréciable. En fait, les bords à contour aigu 36 se situent à l'endroit où la séparation de la couche limitrophe a lieu et ni les surfaces 44, ni le bord aval 46 à la jonction entre ces plats et les surfaces fortement convergentes dirigées vers l'aval 38a ne gênent ce phénomène, pour autant que ces plats soient maintenus suffisamment étroits pour toujours rester dans le sillage du fluide s'écoulant au-delà de la sonde. En d'autres mots, ni la forme, ni l'emplacement d'une surface quelconque de la sonde en aval des arêtes ou surfaces à contour aigu 36 n'a une importance quelconque, aussi longtemps qu'elle reste dans le sillage du fluide s'écoulant au-delà de la sonde dans toute la plage des conditions d'écoulement que le débitmètre doit mesurer. Ceci est vrai non seulement pour les plats 44, mais aussi pour la surface convergente dirigée vers l'aval 38 A, parce que si le fluide s'écoulant peut se refixer à une surface de sonde quelconque en aval des surfaces de dérive à contour aigu 36, la stabilité recherchée dans la pression décelée à l'orifice à basse pression dirigé vers l'aval est perdue, à moins que, comme expliqué ci-après à propos des figures 7,8 et 9, d'autres surfaces de dérive ou de rupture à contour aigu soient prévues en aval et toujours en amont de l'orifice à basse pression. Des plats avec une largeur de 4,75 mm environ n'ont entraîné aucun problème dans des débitmètres tels qu'illustrés aux figures 1 à 6, qui sont conçus pour l'utilisation dans des tuyaux de grand diamètre.

En se référant à présent aux figures 4,5,6 et 8, on observera que chaque paire de surfaces dirigées vers l'aval 38 A, B ou C est assez nettement convergente, les surfaces 38 A et 38 C des sondes 10 A et 10 B, respectivement (figures 4 et 6),

étant inclinées un peu plus fortement que les surfaces 38 B de la sonde 10 (figure 2). Les surfaces 38 A, 38 B et 38 C comprennent chacune des parties de leurs corps renflés respectifs 18 A, 18 B et 18 C, tandis que des surfaces convergentes analogues 38 M de la sonde 10 M illustrée à la figure 8 comprennent une partie de moyens de déviation ou d'écoulement 32 et aucun corps renflé 18 M, bien que sur le plan fonctionnel,

leur but et leur résultat soient identiques, à savoir l'élimination de toute surface en aval des arêtes 36 sur laquelle la couche limitrophe pourrait se rattacher dans la plage des conditions d'écoulement que le débitmètre est supposé mesurer. Dans le présent cas, encore plus qu'avec les surfaces d'impact dirigées en amont 40, la forme particulière de ces surfaces dirigées vers l'aval est sans importance, étant donné que l'unique critère pour celle-ci est qu'elles restent dans le sillage du fluide s'écoulant autour de la sonde dans toute la plage des conditions d'écoulement que le débitmètre est supposé mesurer. Les surfaces particulières illustrées sont toutes planes et symétriques par rapport à un plan parallèle à l'écoulement du fluide et contenant l'orifice à basse pression, précisément parce que de telles surfaces sont les plus faciles à fabriquer et qu'aucun résultat utile ne serait atteint en leur donnant une autre forme plus complexe, ou en donnant à une de ces surfaces une forme différente de celle de sa surface associée sur le côté opposé de l'orifice à basse pression.

Dans chacune des quatre formes de réalisation de sonde illustrées, le contour particulier venant d'être décrit est présent dans la section médiane désignée d'une façon générale par la référence C pour chaque débitmètre. C'est dans cette section médiane, évidemment, qu'est situé l'orifice à basse pression 26 autour duquel l'écoulement doit être dirigé. Dans les versions des figures 2 et 3, le contour particulier est limité à cette section médiane, tandis que les sections d'extrémité supérieure et inférieure UE et LE, respectivement, restent cylindriques. La version de la figure 1, d'autre part, est quelque peu différente en ce sens que la section d'extrémité supérieure U aussi bien que la section d'extrémité inférieure L ont toutes deux exactement le même contour particulier que la section centrale C. La section cylindrique X dans les quatre versions se situe à l'extérieur du tuyau comme illustré à la figure 9, de telle sorte qu'elle n'a pas d'influence sur l'écoulement du fluide à l'intérieur de ce dernier.

Dans la version de la figure 7, la section médiane comprend une partie de moyens de déviation d'écoulement 32 et pas de corps renflé 18 M, le corps restant cylindrique sur ■ toute sa longueur. Cependant, sur le plan fonctionnel, la section médiane est essentiellement identique aux sections médianes C des versions pour grands tuyaux illustrées aux figures 1,2 et 3.

Un rendement général quelque peu supérieur a été atteint en poursuivant le contour particulier rencontré dans la section médiane dans les deux sections d'extrémité supérieure et inférieure comme ceci a été fait pour la version de la figure 1, bien qu'une telle réalisation ne soit en aucune façon critique. D'un autre côté, il a été découvert que si de telles surfaces à contour particulier se terminent trop avant la paire la plus proche d'orifices d'impact 16, le rendement commence à diminuer de façon assez appréciable. La version pour petits tuyaux de la figure 7 a sa propre application particulière et pour des applications dans de grands tuyaux, la version de la figure 1 n'a que peu ou pas d'avantages par rapport à celle de la figure 3, en particulier si le contour spécial de la section centrale de la figure 3 devait être prolongé dans les deux sections d'extrémité de la sonde.

Dans chacune des formes d'exécution décrites les zones de la sonde, où survient la séparation de la couche limitrophe, sont situées sur des arêtes ou surfaces de déviation situées en amont de l'orifice dirigé vers l'aval, grâce à un contour aigu de ces surfaces. De plus, les surfaces en amont de ces arêtes ou surfaces à contour aigu sont façonnées de manière à diviser l'écoulement et à le diriger, ainsi divisé, sur ces dernières. Finalement, l'orifice à basse pression dirigé vers l'aval et toutes les surfaces le séparant des arêtes ou surfaces à contour aigu sont situés de manière à ce qu'ils se trouvent continuellement dans le sillage du fluide s'écoulant sur ces dernières surfaces, dans une plage déterminée de conditions d'écoulement. Aussi, la pression décelée par l'orifice dirigé en aval est stabilisée dans une large plage de débits, offrant ainsi un coefficient d'écoulement stable et reproductible.

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REVENDICATIONS

1. Débitmètre à tube de Pitot destiné à mesurer des pressions différentielles, avec une sonde pouvant être introduite dans un courant de fluide s'écoulant dans un tuyau, cette sonde comportant une surface dirigée vers l'amont que vient frapper le fluide s'écoulant et une surface dirigée vers l'aval située en aval de la première et comportant un orifice dirigé vers l'aval pour déceler la composante à basse pression de la différence mesurée, caractérisé en ce qu'il comprend deux arêtes ou deux surfaces à contour aigu situées, espacées transversalement, sur les côtés opposés de la sonde, entre les surfaces dirigées vers l'amont et aval, la surface amont ayant un contour lui permettant de diviser l'écoulement et de le diriger en parties pratiquement égales sur les arêtes ou les surfaces à contour aigu, tandis que la surface dirigée vers l'aval est façonnée de manière à se situer continuellement dans le sillage du fluide s'écoulant au-delà des arêtes ou des surfaces à contour aigu, dans une plage déterminée de conditions d'écoulement.
2. Débitmètre suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les arêtes ou les surfaces à contour aigu sont parallèles entre elles et à l'axe de la sonde, de telle sorte que lors de l'utilisation elles seront orientées perpendiculairement à l'axe d'écoulement.
3. Débitmètre suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les arêtes ou les surfaces à contour aigu s'étendent sur toute la longueur de la sonde.
4. Débitmètre suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'orifice dirigé vers l'aval est situé pratiquement à mi-distance entre les extrémités de la sonde, les arêtes ou les surfaces à contour aigu étant limitées à la partie médiane de la sonde contenant cet orifice.
5. Débitmètre suivant l'une des revendications 1,2 et 4, caractérisé en ce que la surface dirigée vers l'amont est plane, avec les arêtes ou les surfaces à contour aigu constituant ses marges latérales opposées.
6. Débitmètre suivant l'une des revendications 1,2 et 4, caractérisé en ce que la surface dirigée vers l'amont possède une section transversale généralement en forme de V.
7. Débitmètre suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la surface dirigée vers l'aval possède une section transversale généralement en forme de V.