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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 **.
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"Improvements relating to devices for measuring fluid flow."
The present invention relates to improvements relating to devices for measuring the flow of fluid of the species, hereinafter referred to as the specified species, comprising a throat orifice in a transverse wall situated in a pipe, and one or several outlets. pressure to measure the pressure difference created by the constricted orifice.
The invention particularly relates to improvements relating to devices comprising orifice plates, and the like, employed for
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flow measurements in closed conduits, such as pipes, but also applies to open-channel devices, weir plates and the like, employed in open conduits. - ..
For flow measurements in closed conduits, the merits of devices comprising orifice plates, on the one hand, and nozzles or Venturi tubes, on the other hand, have been the subject of very extensive research, particularly in with regard to the characteristics of the load coefficient and non-recoverable pressure drops. Said characteristics do not depend. tooth not only of the shape of the device, but also of the range of Reynolds numbers to be considered and of the velocity profile, that is, of the distribution of velocities in the approaching fluid stream, which , in turn, depends on the conditions prevailing in the boundary layer.
In devices comprising a nozzle or a vent, it ß has a shaped inlet section, between the upstream and throat pressure taps, which brings the fluid progressively into the throat, which gives a very low coefficient of contraction. - sin of the unit. However, problems arise with regard to the stability or reliability of operation, owing to the varying influence, the contour of the inlet section and the contact between the fluid and the wall. of this section exert on the range coefficient. In addition, the fact that the throat socket 'is actually in said wall increases its sensitivity to varying wall conditions, due, for example, to "aging". In addition, such devices are sensitive as regards the size of the pressure taps.
Finally, the nozzle and venturi devices are relatively complex from a manufacturing point of view.
The normal orifice plate, which generally uses pressure taps arranged in the wall of the pipe, has no
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no such shaped upstream section and is in general less subject. te to unpredictable instability. The orifice plate forms a barrier which produces abrupt changes in the speed and direction of the current. A high velocity jet is formed which has a minimum plane of contraction, the vein or contracted section where the threads are parallel, immediately downstream of the plate. The position of this plane varies with the ratio of the areas of the orifice and the pipe and with the flow rate.
The area of the jet in the plane of the downstream face of the plate and the pressure at a tap in this plane therefore also vary, thus producing changes in the value and characteristics of the range coefficient.
In addition, the rapid contraction produced by the orifice greatly reduces the average value of the throw coefficient compared to that of a nozzle or a venturi. The coefficient of con traction for an orifice is of the order of 0.63 and, for a nozzle or a venturi, it is almost equal to unity. The other component of the range coefficient, namely the speed coefficient, is roughly the same in both cases.
From a practical standpoint, this means that, for a given set of flow conditions, an orifice needs a measuring device with a greater differential load than a nozzle or a venturi tube. Likewise, the unrecoverable pressure drop, expressed as a percent of the differential load, is greater.
In the case of a venturi, a diffuser contributes to the retransformation of kinetic energy into potential energy.
In the case of an orifice plate without a diffuser, the high velocity jet begins to expand beyond the plane of the contracted section, and in so doing creates turbulent secondary areas of current behind the plate. In fact, it is the "bite" of this turbulence in the jet that ultimately slows it down and thus transforms the kinetic energy back into potential energy.
The alteration of the jet is therefore carried out in an inefficient manner,
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part of the available energy being lost in the form of heat, and the non-recoverable pressure drop is high.
One of the objects of the present invention is to provide a device which combines the properties of orifice plates, namely stability or reliability of operation and simplicity, in particular the linearity of the curve of the coefficient of pressure. range, with the properties inherent in nozzle and venturi devices, particularly with regard to pressure recovery.
According to the invention, in a flow measurement device of the species specified above, in particular but not exclusively. ment, an orifice plate, a barrier element surrounding the opening, but spaced, transversely with respect to the pipe, from this opening and from the pipe wall projects upstream from the upstream face of the pipe. transverse wall, the height of the barrier element (that is to say, its dimension taken axially with respect to the pipe) being within the limits of 0.06 to 0.35 of the width of the pipe, and its thickness not being greater than its height, while the width which the barrier member embraces is within the limits of 1.02 to 1.80 of the width of. the opening.
In such a device, it is advantageous for the upstream pressure tap, whether it be a single-hole tap or an annular tap, opens at the wall of the pipe or at a location between said wall and the pipe. outer surface of the barrier element.
If the pipe is cylindrical and the opening is circular, as in the case of a normal orifice plate, the barrier element may take the form of a collar or a ring surrounding the opening of the pipe. concentrically, completely or largely. The respective diameters then constitute the aforementioned widths. The inside diameter of the collar or
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ring should not be larger than 1.40 times the diameter of the opening.
In such a device, by., Following contact with the approaching fluid, from an edge spaced axially and radially from the effective edge of the opening, the acceleration and guidance of the current are achieved before the plane of the upstream face of the opening is reached. It is therefore possible to modify the value of the span coefficient between wide limits and, at the same time, to improve the linearity of its curve and other general characteristics over a wide range of Reynolds numbers. and for the usual range of area ratios.
A more equal distribution of speeds can be obtained in the plane of the downstream pressure tap, and there is a tendency to establish a less pronounced contracted section and to prevent the position of this contracted section from varying as much as 'it does this with a normal orifice plate.
The effect of the collar or ring is probably to create, at the amo of the opening, a stable flow having a profile very similar to that of the inlet section of a venturi, with the advantage that there is fluid-to-fluid contact at this profile, rather than fluid-to-metal contact. '
Various ways of carrying out the invention will now be described more fully by way of example and with reference to the accompanying schematic drawings.
Figure 1 is a longitudinal section of a plate device, orifice mounted in a pipe.
Figure 2 is an elevational view of the orifice plate on a smaller scale.
Figures 3 and 4 are views similar to Figures 1 and 2 of an alternative arrangement of an orifice plate.
Figure 5 is a sectional view of an alternate orifice shape.
Figures 6a to 6g are sections showing alternative form of the ring.
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Figures 7 to 9 are sections showing alternative form of pressure taps.
Figure 10 is a sectional view of another form of an orifice plate.
Figures 11 and 12 are cross sections showing the addition of alternative diffuser shapes.
FIGS. 13 and 14 are respectively cross sections of modified venturi and nozzle devices.
Figures 15 and 16 are a horizontal section and end elevational view of a variant of an open duct device.
Figures 17 and 18 are similar views of weir plate devices.
With reference to figures let 2, a usual orifice plate 1, having an orifice 2, is arranged between the upstream and downstream pipe sections 3 and 4. Pressure taps 5 and 6 to be connected to a measuring instrument differential pressure, such as a manometer, are provided% in the pipe sections, substantially. in the planes of the upstream and downstream faces of the plate 1, opening towards the center of the conduct. In projection at right angles to the upstream face of the plate. Is provided a barrier element in the form of a ring or collar 7 concentric with the orifice 2 and the pipe. The inside of the ring is machined to be smooth. The upstream face inside and outside the ring 7 is at right angles, as shown, or substantially at right angles to the axis of the pipe.
The ring 7 can be formed integrally with the plate 1, or be provided separately and then mounted on this plate. In some cases there is a slight gap between the ring and the plate. The plate can be sealed between the flanges of pipe sections 3 and 4, as shown, or mounted in a bracket installed in the pipe.
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The proportional dimensions chosen will depend, to some extent, on the area m - area ratio of the orifice area of the pipe. Normally, values of m not exceeding 0.7 are used.
The height h of the ring 7 should be of the order of 0.06D to 0.35D D being the internal diameter of the upstream pipe section, the largest values being chosen for the largest values of D. A Proportional value suitable for an average case would be 0.125D.
The internal diameter dr of the ring should be in the range of 1.02 do to 1.40 do, where do is the diameter of the orifice.
For a given height $ per ring h, of average value in the aforementioned range, the greatest values of dr given by the above range will normally be associated with the lowest values of the area ratio m. For a given ring diameter dr, the value of the bearing coefficient increases as m decreases. For a given ring height h and for a given value of the coefficient, the larger values of m will normally be associated with the smaller values of dr.
The thickness of the ring should not be greater than its height, and it should be in the range 0.004 d to 0.05 do, the smaller values being normally used with the orifices of larger pipes. The axial dimension of the orifice should be about 0.05 do for m values less than 0.36, and 0.025 do for m values greater than 0.36. Generally, this thickness and this axial dimension can be equal. The total thickness of the orifice plate should not be more than 0.05D.
The diameter of the pressure taps should not normally exceed 0.03D.
Using these ranges of dimensions, one can obtain values of the span coefficient of the order of 0.65 to 0.93.
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The coefficient will, in any case, have a high degree of linearity, that is, it will be substantially constant over a wide range of Reynolds numbers. In general, the lower proportional values of h will be used for the smaller ¯ values of D. If, however, the above value of h - 0.125D is used for small runs, the coefficient will be found to be d ' in. about 2% higher than for large pipes, but linearity is maintained.
By way of example, an orifice plate for a 6 inch pipe and with an area ratio m = 0.5 would advantageously have a ring with an inside diameter dr equal to 4.61 inches. and having a height of 0.75 inch, the thickness of the ring and the axial dimension of the orifice being 0.125 inch. With these dimensions, we can obtain a coefficient of range of 0.845.
Normally, the diameters of the upstream and downstream pipe sections 3 and 4 will be equal, and it is believed that the device will not be very sensitive to this condition.
The ring 7 need not necessarily completely surround the orifice 2, particularly if the orifice is off-center or even. tangential to the pipe bore. In this case, as shown in Figures 3 and 4, the ring 7 is still concentric with the port 2, but it is interrupted where the ring and the pipe wall meet. The pressure taps. 5 and 6 can be arranged in either of the positions shown in figure 4.
In Figures 1 and 3, the orifice 2 is shown with a usual parallel bore terminating at a right angle. The bore may however have a chamfer 8 on the downstream side, as shown in FIG. 5, and / or on the upstream side. In this case, the dimensions proportional to the orifice, referred to above, apply to the parallel section of the bore. In Figures 1 and 3,
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in addition, the edge of the ring facing am is also at right angles, ie the ring has a rectangular transverse action.
However, this section does not necessarily have to be rectangular and, retort shown in Figure 6, the edge may be chamfered (a, b), or partially chamfered (c, d), or stepped (e, f) at inner corner or outer corner, or rounded (g). In all these cases the interior of the bagua. will be, parallel to the axis for at least half of the nautical h. In addition, although a continuous edge is preferable, the free edge of the ring can be crenellated, for example, by having cutouts of a width equal to twice the height h of the ring, without great loss of linearity of the ring. range coefficient.
Finally, les'coins 9, shown at right angles in Figures 1 and 3, may be rounded or seen from added fillet elements.
We can use other arrangements. forms of pressure taps 5 and 6. For example, as shown in Figure 7, these taps can be arranged in an annular support 10 which is formed integrally with the plate 1 and which has bores having the same size. . meter than pipe sections 3 and 4 between which this support is held.
Or bein, as shown in Figure 8, these sockets can be provided in two annular elements 101 and 102 between which the plate 1 is placed, with a similar result. In addition, either in the wall of the pipe or in one or two separate elements such as 10 and 101 and 102, single-bore plugs, or holes, 5 and 6 can be replaced by ring-opening parts. 5 ', 6', as shown in figure 9. The sockets open into annular conduits or chambers 11, 12 or piezometric rings, which must, in turn, be connected to the instrument through the bores 13 and 14. In all cases, the outlet openings are at a distance of D / 2 from the central axis.
One or both of the pressure taps can be arranged in a way other than in the
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plane of the corresponding face of the plate 1. For example, they can be displaced axially at distances equal to D upstream and D / 2 downstream, or in other well known positions. However, the values and characteristics of the span coefficient will be affected by such displacement.
Instead of opening towards the center of the duct, the plugs can open in directions substantially parallel to the axis of the duct, or even they can open towards the wall of the duct. conduct. The sockets can be formed by one or more bores or slots provided in the face 4 of the orifice plate between the ring and the wall of the pipe or, in the case of the upstream socket, it can be provided in the exterior of the pipe. the ring or, of course, it can open at any other point located between the ring and the wall. Such outlets can be connected to the outside of the pipe directly by passageways, or / indirectly by annular pipes or piezometric rings. In some cases, only an upstream or downstream pressure test may be necessary.
As shown in Figure 10, rings 7 and 7 'can be provided along the two upstream and downstream faces of the plate 1. This arrangement allows the measurement of flow rates in one or the other direction, even if they are significantly different, without the need to change the size of port 2 and / or to use two different instruments with a switching device. With the arrangement of Figure 10, the rings 7 and 7 'can be of different proportions and shapes, so that the ranges of differential pressures produced can be substantially the same for both directions of flow.
Drain holes may be provided, in a known manner, in the orifice plate 1. Such holes may even be provided in the ring 7 itself without significantly affecting the performance of the device, provided that the The total area of the holes does not exceed 2% of the area of the hole 2.
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For devices similar to those described, the general flow rate formulas normally employed (eg, those given in British Standards Specification 1042/1943) may be applied without material change. However, the expansion factor, for compressible fluids, given for orifices is not applicable, and a factor between those provided for the orifices and those provided for the venturi tubes must be adopted.
Although improved pressure recovery is achieved with devices such as those described, additional recovery can be achieved by associating an outlet diffuser with the orifice plate. Retort illustrated in Figure 10, a diffuser 15 may consist of a simple diverging cone with an apex angle between 7 and 15. As shown, the cone is supported by a few arms starting from the plate 1.
In some cases, a diffuser may consist of a complex cone comprising, for example, a parallel section and two divergent sections having different apex angles, as, for example, in the case of the diffuser 15 'shown in Figure 12. It is believed that no advantage is obtained when the diameter of the inlet mouth of the diffuser or of its parallel section is provided, smaller than the diameter do of the orifice 2 and, as illustrated, one predicts this diameter slightly greater than do.
If the distance of this mouth from the downstream face of the orifice plate 1 is not less than 0.25 do, the diffuser will not affect. not strongly the value or the linearity of the range coefficient,
However, if pressure recovery is of greater importance than the linearity of the throw coefficient over a wide range of flow rates, a further improvement in recovery can be obtained by placing the diffuser with its mouthpiece closer to the face. downstream of the plate.
Indeed, a diffuser which is formed integrally with the plate, and which has the pressure
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downstream ion disposed in the wall of the diffuser itself, but still in the plane of the downstream face of the plate, can be used with a loss of linearity which is not greater, in the lower portion of the range Reyolds number than that already associated with standard orifice plate devices.
The preceding examples relate to the application of the invention to orifice plates. The invention can, however, be applied, in a similar manner, to other flow measuring devices, used either in open conduits or in closed conduits, and comprising an opening provided in a transverse wall provided across the tube. conduct. In such cases, too, the current on the upstream side of the device is changed, and the characteristics of the span coefficient, such as its linearity, can be improved.
Thus the invention can be applied to a venturi tube device. As illustrated in FIG. 13, this can be achieved by eliminating the inlet portion 16 of said device and by placing a ring 7, in a cylindrical pipe section 17, on the upstream face of a wall 18 of which the remaining constricted portion 19 and the diffuser portion 20 of the device extend downstream. The proportional dimensions for the ring 7 will be the same as for the orifice plate, d0 being the diameter of the inlet of the throttle. As shown in Figure 4, a nozzle device may similarly be fitted with the tapered inlet section 21 removed.
In the case of an open venturi pipe, as shown in Figures 15 and 16, the inlet section 22 is eliminated and a barrier element in the form of two projecting edges 23 is provided on the upstream face of the transverse wall. 24 from which the throttle section 25 extends.
The proportional dimensions of the barrier element will relate to the respective horizontal widths wl, w2 and w3, instead of referring to
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diameters known in the previous cases. h will be within the limits of 0.0ow1 to 0.35w w3 will be within the limits of 1.02w2 to 1.8ew2
Rectangular or V scalloped plate weirs can be modified by adding a barrier member in the form of a partial collar 26, as shown in Figures 17 and 18 for the case of a standard narrowed weir plate 27 having a notch 28. Again the proportional dimensions will relate to the widths, h being within the same limits. w3 will be within the limits of 1.02 w2 to 1.20 w2.
In addition, the vertical dimension 12 should be within the limits of 0.021 11 to 0.80 11 (figure '18).
CLAIMS
1. A device for measuring the flow of fluid of the species specified, more particularly an orifice plate device, in which a barrier member surrounds the opening, but spaced apart transversely of the pipe, from this opening and from the pipe wall, projects upstream from the upstream face, de.la transverse wall, the height of the barrier element "being within the limits of 0.06 to 0.35 of the width of the pipe, and its thickness not being greater than its height, while the width which the barrier element embraces is within the limits of 1.02 to 1.80 of the width. size of the opening.
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