Partie 1_Organe déprimogène

1Institut Algérien du pétrole

IAP

LES DÉBITMÈTRE 1ère Partie : A ORGANE DÉPRIMOGÈNE

2ème Partie : A TURBINE

École d’Ingénieurs de Boumerdès - Département d’InstrumentationMonographie sur

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE

INSTITUT ALGERIEN DU PETROLE (IAP)

IAP

Année universitaire 2006-2007

Présenté par Présenté par :: M. FITAS MOUNIR M. FASLA AZEDDINE

Dirigé par Dirigé par :: M .BOUDERBALA

1ère Partie : Débitmètre à organe déprimogène.

2 / 35 mercredi 12 avril 2023 Institut Algérien du pétrole

Introduction

Généralités

Mesure de débit

Les organes déprimogènes ( diaphragme , venturi, tuyère)

Comparaison des organes déprimogènes

Application à la mesure de débit massique d’un gaz



Il est habituellement mesuré par déduction, en mesurant la vitesse moyenne à travers une section connue.

Le débit mesuré par cette méthode indirecte est le débit volumique: Qv = S . V

QQVm

.ρ

Le débit volumique Qv : (en m3/s)

Le débit massique Qm : (en kg/s)

En appelant , la masse volumique du fluide (en kg/m3)

S

SV

Volume

l

Aire (superficie)

(Vitesse)

Le débit d’un fluide est la quantité de matière qui traverse une section droite d’une

canalisation pendant l’unité de temps.

Introduction



Les Pertes de charge

Les pertes de charge sont la diminution de la pression totale entre deux sections d'un écoulement. Elles s'expriment en mètres de colonne d'eau (MCE) et sont fonction de:

La section du tuyau

Du débit véhiculé

La nature du liquide.



Le choix d’un capteur de débit repose sur 3 critères:

Nature du fluide transporté (liquide ou gaz);

Type de signal de mesure;

Analogique, numérique ou logique.

La grandeur directement mesurée:

Vitesse, masse ou volume.



Nombre de Reynolds

Permet de connaître le comportement de l'écoulement d'un liquide.

Sans dimension et se calcule comme suit:

Rv D

e

= Vitesse du liquide du liquide (m/s)

= Densité du liquide (kg/m3)

D = Diamètre interne du conduit (m)

= viscosité du liquide (en Pa.s)



ÉCOULEMENT LAMINAIRE

Si Re < 2100.

Les filets de liquides sont rectilignes.

ÉCOULEMENT TURBULENT

Si Re > 4000.

Déplacement du liquide en tourbillonnant

+ Re est grand , + le fluide est parfait.



Facteurs influant sur l'écoulement des fluides dans les conduites :

Vitesse du fluide

Frottement de la conduite

Viscosité dynamique du fluide

Masse volumique du fluide



EXEMPLES de calculs

EAU ( = 1000 kg/m3, = 10-3 Pa·s)

100010

1.01001.03

3

Dv

Re

1000010

1.0101.03

3

Dv

Re

Vitesse de 0.1 m/s et conduite de 0.1 m:Vitesse de 0.1 m/s et conduite de 0.1 m:

Vitesse de 0.01 m/s et conduite de 0.1 mVitesse de 0.01 m/s et conduite de 0.1 m:



La loi de Bernouilli :

Mesurer le débit d'un fluide peut aussi s'effectuer par le biais de capteurs de

pression. L'idée la plus simple consiste à mesurer la pression en deux points

suffisamment distants d'une canalisation et en tenant compte de la perte de charge.

On pourra en déduire par le calcul le débit. Ce procédé présente l'inconvénient si

l'on désire une bonne résolution et une bonne sensibilité d'imposer une distance

importante entre les deux capteurs, on a donc imaginé de générer localement une perte

de charge importante en jouant non sur la distance mais sur la géométrie de la

canalisation ce qui permettra alors de faire une mesure de pression différentielle en un

seul point quasiment.

On va donc pour cela exploiter la loi de Bernouilli Bernouilli qui exprime la relation entre

débit et perte de charge lors d'un changement de section de la canalisation.



Mesure de débit par organe déprimogène

L'une des technique les plus utilisées.

Repose sur le théorème de Bernouilli:

Le long d'un écoulement de fluide parfait (viscosité nulle), la pression ou charge totale est constante.

tecpgzv

2

2

Définition des variables

: densité du fluide

v : vitesse moyenne d’écoulement

g : 9.81 m /s2

z : élévation moyenne

p : pression statique



Organes déprimogènes

1) Principe de conservation de masse :

vgz p

vgz p1

2

1 122

2 22 2

2) Théorème de Bernouilli :

BBBAAAm SvSvQ ....

Un resserrement de la conduite ou un changement de section créent entre amont et aval une différence de pression P liée au débit , et on transforme une partie de l’énergie de pression en énergie cinétique.



À partir de l’équation de Bernoulli, on trouve que:

Cette équation gouverne l’écoulement d’un fluide incompressible soumis à un changement de

pression dû à une variation de la section d’écoulement

Elle s’applique aux débitmètres suivants




Les termes d'élévation sont négligeables.

Il se produit un changement de pression statique:

p p p v v

v vA

Av

1 2 22

12

22

22 2

1

2

22 4

2

2 21




Q v A A E p

E

2 2 2

4 0 5

2

1

.

La mesure est non-linéaire



Coefficient de contraction – Cc < 1

Dépend:

du nombre de Reynolds

de du type et de l’emplacement des prises de pression

du capteur de pression



Coefficient de décharge C

Égal au produit Cc x Cv

Varie de 0.6 (plaque à orifice) à 0.99 (Venturi)

Nouvelle formule pour le débit:

Q C A E p A p 2 2

2 2

Coefficient de débit



Équation utilisée en pratique

Q A p

21

2

Table des facteurs de calibrage



Les différents organes déprimogène

Tout débitmètre à organe déprimogène est donc constitué de deux éléments : Un obstacle (responsable d’une p ) Un capteur de pression différentielle ( mesure de la p )



a. Le diaphragme

On intercale dans la conduite une plaque à orifice aux bornes

de laquelle on mesure la pression différentielle engendrée par cette plaque.



a. Le diaphragme



• Utilisation

Le débit massique est obtenu par calcul à partir de la mesure de ΔP et de la

connaissance de coefficients propres à la plaque à orifice.

Les longueurs droites amont et aval à respecter sont importantes.

C’est une technique de mesure bien maîtrisée, de mise en oeuvre facile et

peu onéreuse.

• Caractéristiques métrologiques

– Erreur de mesure de l’ordre de 1 %

– Dynamique de mesure faible

– Perte de charge importante

– Meilleur mesurage en écoulement turbulent



b. Les Venturis

Obstacle dont le diamètre diminue progressivement jusqu'à un minimum, avant de réaugmenter

progressivement.

Il est le plus coûteux des débitmètres par pression différentielles (fabrication plus

complexe, géométrie très précise)

Induit relativement peu de perte de charge

Le débit est simplement calculé à partir de la mesure expérimentale de P



b. Les Venturis

Pour un Venturi à l’horizontal, z1 et z2 ont la même valeur.

Les termes gρz1 et gρz2 s’annulent mutuellement

L’équation inclus un coefficient de décharge C qui prend en compte des phénomènes non

pris en compte dans l’équation de Bernoulli



Le coefficient C dépend:

Rapport des diamètresRapport des diamètres, , ββ = D2/D1 = D2/D1

Nombre de ReynoldsNombre de Reynolds, , Re Re = = ρρVD/μVD/μ

On peut utiliser des coefficients de décharge issus de la documentation technique , on

propose des valeurs de C pour des tubes Venturi fabriqués selon des spécifications précises



Bilan des Venturi:

Fiables

Simples

Ne requièrent souvent aucun calibrage

Induisent peu de pertes de charge de 10 à 14 %;

Ne doivent pas être utilisés avec des fluides qui engendrent des dépôts à la surface des

conduites ( Perte du calibrage )

Ils ne sont utilisables que pour des plages d’écoulement relativement étroites

• La différence de pression est fonction du carré du débit

• Pour des faibles débits (10% du débit max) la différence de pression devient très faible

(1% de P max) donc plus difficilement mesurable

Exigent Re > 150 000.



c. Les tuyères

Obstacle dont le diamètre diminue progressivement jusqu'à un minimum.

Prises de pression à D et 0.5 D.



Perte de charge de 5 %;

Utilisées dans des conduites de 25 à 1500 mm;

Fluides avec matières en suspension;

Gaz et vapeurs;

Précision jusqu'à ± 0.7 %;

Exigent Re > 50 000.

Bilan des tuyères



Alors qu’aux Etats-Unis la norme la plus utilisée pour ce type de calculs est l’API 2530,

en Europe, la référence est la norme ISO 5167-1.

Cette norme traite de la forme et des conditions d’emploi des différents appareils

déprimogènes, et donne également des informations relatives au calcul du débit et des

incertitudes associées.

La norme ISO 5167-1



Comparaison des organes déprimogène



Les Pertes de charge en fonction de



Application à la mesure de débit massique d’un gaz

PKP

KQQ mVVm

.....

TRM

TRM

m

VP ...

1...

1 M

mp.V = n.R.T ou encore puisque

T

Pk. P

T

PKQm ..

M : la masse molaire du gaz parfait



Conclusion

Un des principaux avantages de ces débitmètres à organe déprimogène est qu’il

n’est pas nécessaire de passer par une calibration, à partir du moment où ils ont été conçu

conformément aux normes établies. De plus, ils ne possèdent pas de parties mobiles, et par

conséquent, ils restent fiables dans le temps.

Parmi les principaux inconvénients , il y a leur rangeabilité limitée , la perte de

charge qu’ils provoquent sur l’installation, et leur sensibilité au comportement de

l’installation ( afin de minimiser cette sensibilité, on placera une certaine longueur en amont,

et en aval du débitmètre).

Cette rapide revue des moyens de mesurage montre la diversité des techniques et

par conséquent les multiples précautions à prendre pour effectuer un choix judicieux et

adapté tant aux détails techniques qu’au budget dont dispose l’instrumentiste.



Merci de votre attention

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