Dispositif de mesure du débit d'un fluide dans un tuyau.
Cette invention a trait à un dispositif de mesure du débit d'un fluide gazeux ou liquide de faible viscosité dans un tuyau. Le tube de Pitot a le grand avantage d'être simple et de ne provoquer aucune perte dans la tête où est logé le tube; les montages ordinaires, dans lesquels la tête est placée dans l'axe du tube, ont l'inconvénient que l'étalonnage du tube dépend du nombre de Reynold, car le rapport existant entre la vitesse moyenne et la vitesse sur l'axe est une fonction du nombre de Reynold; ils ont en outre l'inconvénient que l'on n'est pas sûr si la répartition des vitesses à travers les différents diamètres du tuyau est symétrique, un changement de la vitesse sur l'axe du tuyau n'entraînant pas nécessairement un changement du débit.
Par conséquent, il est nécessaire d'utiliser une grande longueur du tuyau pour assurer que l'écoulement est symétrique à l'endroit de la tête.
Le dispositif suivant l'invention est Ca- ractérisé en ce qu'il comprend un segment de tuyau dans lequel est monté an moins un tube de Pitot, l'embouchure dudit tube étant située à une distance de l'axe du segment égale aux trois quarts du rayon dudit segment de sorte que la valeur mesurée ne dépende pas du nombre de Reynold.
Le dessin représente, à titre d'exemple, deux formes d'exécution de l'objet de l'invention.
La fig. 1 est une coupe longitudinale, et
la fig. 2 une coupe transversale d'un dispositif simple.
La fig. 3 est une section longitudinale d'une forme d'exécution plus perfectionnée.
Le dispositif comprend au moins un tube de Pitot placé de fanon que son embouchure soit à une distance de l'axe du segment du tuyau égale à 3/4 du rayon de la section du tube. On va montrer ci-après que l'étalonnage ne dépend alors pas du nombre de
Reynold, et que la contribution : au débit est maximum à travers une-section annulaire ayant ce rayon, d'où résulte une grande sensibilité du dispositif.
Ce dispositif n'est exempt d'erreur que si la distribution de vitesse à travers les différents diamètres du tuyau est la même. Pour tenir compte de ce fait, il est prévu plusieurs tubes de Pitot, dont les embouchures sont situées sur le même rayon indique ci. dessus et distribués de préférence régulière- ment autour dudit axe. Ainsi, la moyenne des lectures indique le débit indépendam- ment d'une distribution devitesses asymétrique.
Si plusieurs tubes de Pitot sont éta longés séparément, l'asymétrie peut être mesucrée mais ceci n'est pas nécessaire, car les tubes de Pitot et les trous statiques correspondants peuvent être reliés ensemble de La- çon qu'un seul manomètre soit nécessaire, ainsi qu'une seule lecture. Dans le cas d'une asymétrie prononcée provenant de la proxi mité d'un coude ou d'un brusque changement de section, il peut être nécessaire d'insérer un guide fin ou un alvéolage en forme de rayon d'abeilles à cet endroit où en amont de celui-ci pour atténuer la turbulence. Des tourbillons peuvent conduire à des imprécisions, mais leurs effets peuvent de même être éliminés par un alvéolage en forme de rayon d'abeilles.
Un nombre adéquat de tubes de Pitot est quatre.
Dans la forme d'exécution la plus simple, le dispositif comprend un segment de tuyau 1 tourné avec précision, présentant le diamètre intérieur nécessaire pour éviter une vitesse trop élevée ou trop basse du fluide et pour s'adapter au tuyau existant 2-2, ce segment portant un tube de Pitot 3a, 3b et un trou statique correspondant 4. Toutefois, il est préférable d'utiliser plusieurs tubes de
Pitot et trous statiques, et les figures représentent des dispositifs comprenant quatre tubes de Venturi et trous statiques distribués également autour de l'axe du segment de tuyau 1. Les parties axiales 3a de tous les tubes sont situées à une distance de 3/4 R de l'axe du segment, R étant le rayon du segment de tuyau 1.
Les trous statiques sont situés à une distance égale à dix fois le diamètre des tubes en amont de la partie radiale 3b et sont en alignement avec les embouchures des tubes, mais sont situés sur des diamètres décalés de 45" de ceux sur lesquels les tubes de Pitot sont disposés, pour éviter des interférences entre eux, ceci comme indiqué sur la fig. 2. Les trous statiques 4 peuvent être sur le même diamètre que les embouchures si le diamètre des tubes de
Pitot est inférieur à R/4. Le segment de tuyau 1 doit s'étendre sur une longueur égale à au moins la moitié du diamètre du tuyau en amont et en aval des trous 4 et doit s'engager dans le tuyau 2-2 sans présenter des fentes. L'instrument peut être étalonné au moyen d'un tube de Pitot disposé dans un segment du tuyau situé en amont du dispositif.
Un dispositif plus poussé peut être cous- titué en faisant déplacer chacun des quatre tubes de Pitot par un micromètre, à partir 'de la paroi du tuyau jusqu'à l'axe de la section. Cet instrument peut être calibré
avec précision une fois en place, et si néces
saire les tubes de Pitot peuvent être dis
posés à une distance telle de l'axe du seg
ment que la constante d'étalonnage est l'unité.
Un seul ajustement micrométrique peut
suffire pour ajuster les quatre tubes de Pitot
simultanément et également.
Différentes possibilités de réglage micro
métrique sont possibles, une de celles-ci
étant représentée à titre d'exemple à la fig. 3.
La partie radiale 3b de chacun des tubes de
Pitot est suffisamment longue pour per
mettre la pénétration voulue dans le segment.
Cette partie porte un collier 5 qui s'engage
sans jeu axial dans une rainure 6 que plé-
sente un écrou 7 vissé sur une vis microm6-
trique radiale 8 fixée à la section. L'écrou
présente une tête élargie 9 par laquelle il
peut être tourné et la tête est graduée et
coopère avec une échelle 10 permettant la
lecture des déplacements radiaux.
Une variante peut être prévue, dans la
quelle on n'a qu'un seul tube de Pitot monté
avec un micromètre, le dispositif étant sus
ceptible d'être amené par rotation autour de
l'axe du tube à 900, 1800, 270 de sa position
originale.
La fig. 3 montre une jointure 11 permet
tant une telle rotation, cette jointure pou
vant porter une graduation indiquant l'angle
dont a été tourné le dispositif.
Le dispositif est spécialement indiqué
pour la mesure de fluides animés de vitesses
élevées, à cause des pertes négligeables et du
fait que les corrections pour les erreurs dues
à la compressibilité peuvent être appliquees
pour les gaz dont la vitesse est supérieure à
60 m/sec. Pour les vitesses peu élevées, il est
nécessaire d'utiliser une jauge sensible; ainsi
une vitesse moyenne de 12 m/sec pour les gaz
ou de 0,6 m/sec pour les liquides de faible
viscosité sont les plus petites qui peuvent encore être mesurées avec précision si l'on utilise une jauge de Chattock ou un manomètre incliné.
Il n'y a pas de limite supérieure pour le diamètre du segment, pourvu que les tubes de Pitot soient de dimensions suffisantes pour assurer la rigidité voulue sans toutefois être trop grands pour ne pas diminuer la précision des mesures près de la paroi. la limite inférieure semble être constituée par un diamètre de 1,25 cm pour le segment, en utilisant les tubes de Pitot les plus fins possible.
Ceci détermine, pour le débit des gaz, une limite inférieure donnée par le produit de la vitesse moyenne par la section du segment, soit 12 m/sec X 1,5 cm, ce qui donne un débit minimum de 1,8 m3/sec. Pour les liquides, le débit minimum est 0,09 m3/sec.
Le dispositif se prête parfaitement à l'utilisation avec un jeu de section de tuyaux de diamètres standards.
De petites erreurs dans le positionnement des embouchures du tube de Pitot à une distance égale à 3/4 R de l'axe de la section ne provoqueront pas une grosse erreur sur la mesure du débit. il n'est pas nécessaire que les tubes de Pitot soient parfaitement alignés avec l'axe du segment, quoiqu'ils doivent l'être aussi bien que possible. Les trous sta- tiques doivent être aussi petits que possible, pourvu qu'ils permettent au liquide allant dans le manomètre de circuler librement.
Leur finissage doit être soigné, de façon à éviter des aspérités.
Les tubes de Pitot peuvent être faits en nickel ou en acier inoxydable, pour empê- cher toute corrosion. Il y a lieu de faire attention qu'il n'y ait pas de condensation dans les tubes de petits diamètres. Ceci provoque souvent et de façon inattendue des perturbations; ce qui se laisse facilement éviter en chauffant doucement. Si on utilise le dispositif pour la mesure de liquides, il faut prendre garde aux bulles d'air présentes dans les conduits des tubes de Pitot et dans les trous statiques.
Si l'on veut mesurer : des courants d'air chargés de poussière ou de suie, il y a lieu de s'attendre à ce que des tubes de Pitot de petit calibre soient obstrués, ce qui interdit l'utilisation du dispositif dans lequel les embouchures des tubes sont dirigées en amont.
Toutefois, il est possible de diriger les tubes en aval et de les calibrer en conséquence. La formule empirique = (R7) m1 pour la distribution de vitesse à travers le segment de tuyau, dans laquelle u désigne la vitesse à différentes distances de l'axe du segment, t71 la vitesse sur l'axe du segment, R le rayon du segment, Y la distance à la paroi et m une constante dépendant du nombre de
Reynold, donne une bonne approximation, si m est pris égal à 7 pour un nombre de
Reynold moyen et à 8, 9 etc. pour des nombres de Reynold élevés..
Une étude mathématique basée sur cette formule montre que si les tubes de Pitot sont situés à une distance r de l'axe du segment déterminée par r/R = 3/4, un étalonnage égal à l'unité peut être obtenu qui est valable pour une gamme étendue des valeurs de m, en particulier si m est compris entre 4 et : 10, l'erreur en valeur absolue est inférieure à 1/2 /OO. Pour m supérieur à 10, l'erreur est encore. plus petite.
Ceci montre également que cette position correspond sensiblement à la valeur maximum du produit u. r, c'est-à-dire que le débit à travers une section annulaire correspondante est maximum, ledit maximum se produisant à une distance égale à r/R = 3/4 pour m=3 et égale à r/R =7/8 pour wus=7.
On arrive au même résultat par des mesures pratiques. Le dispositif pour ces essais comprenait quatre tubes de Pitot de 9 mm de diamètre logés dans un segment de 5 cm.
Exception faite des basses vitesses, la courbe d'étalonnage est suffisamment plate pour qu'avec un facteur d'étalonnage égal à 0,992, on obtienne des résultats compris entre 0,60/g, ceci pour des vitesses comprises entre 30 et 135 m/sec. En outre, les essais pour mesurer les effets dus aux coudes montrent qu'après lin coude brusque à angle droit, une longueur égale à six fois le diamètre, et après un coude de 105 une longueur égale à neuf fois le diamètre suffisent pour obtenir des résultats suffisants. Ces essais montrent également que l'étalonnage varie peu pour des longueurs supérieures à quinze fois le diamètre.
Device for measuring the flow of a fluid in a pipe.
This invention relates to a device for measuring the flow rate of a gaseous or liquid fluid of low viscosity in a pipe. The Pitot tube has the great advantage of being simple and of not causing any loss in the head where the tube is housed; ordinary assemblies, in which the head is placed in the axis of the tube, have the disadvantage that the calibration of the tube depends on the Reynold number, since the ratio existing between the average speed and the speed on the axis is a function of the Reynold number; they also have the disadvantage that one is not sure whether the distribution of speeds through the different diameters of the pipe is symmetrical, a change in the speed on the axis of the pipe not necessarily causing a change in the debit.
Therefore, it is necessary to use a long length of the pipe to ensure that the flow is symmetrical at the location of the head.
The device according to the invention is characterized in that it comprises a segment of pipe in which is mounted at least one Pitot tube, the mouth of said tube being located at a distance from the axis of the segment equal to the three quarters of the radius of said segment so that the measured value does not depend on the Reynold number.
The drawing represents, by way of example, two embodiments of the object of the invention.
Fig. 1 is a longitudinal section, and
fig. 2 a cross section of a simple device.
Fig. 3 is a longitudinal section of a more improved embodiment.
The device comprises at least one Pitot tube placed with dewlap that its mouth is at a distance from the axis of the segment of the pipe equal to 3/4 of the radius of the section of the tube. It will be shown below that the calibration does not then depend on the number of
Reynold, and that the contribution: to the flow is maximum through an annular section having this radius, resulting in a high sensitivity of the device.
This device is error free only if the speed distribution across the different pipe diameters is the same. To take this fact into account, several Pitot tubes are provided, the mouths of which are located on the same radius indicated here. above and preferably distributed evenly around said axis. Thus, the average of the readings indicates the flow regardless of an asymmetric speed distribution.
If several Pitot tubes are lined separately, the asymmetry can be measured but this is not necessary, as the Pitot tubes and the corresponding static holes can be connected together so that only one manometer is needed, as well as a single reading. In the case of a pronounced asymmetry resulting from the proximity of an elbow or from a sudden change of section, it may be necessary to insert a fine guide or a honeycomb-shaped socket at this point where upstream of it to reduce turbulence. Vortices can lead to inaccuracies, but their effects can also be eliminated by a honeycomb shaped honeycomb.
An adequate number of Pitot tubes is four.
In the simplest embodiment, the device comprises a precisely turned pipe segment 1 having the internal diameter necessary to avoid too high or too low a speed of the fluid and to adapt to the existing pipe 2-2, this segment carrying a Pitot tube 3a, 3b and a corresponding static hole 4. However, it is preferable to use several tubes of
Pitot and static holes, and the figures show devices comprising four Venturi tubes and static holes distributed equally around the axis of the pipe segment 1. The axial parts 3a of all the tubes are located at a distance of 3/4 R of the axis of the segment, R being the radius of the pipe segment 1.
The static holes are located at a distance equal to ten times the diameter of the tubes upstream of the radial part 3b and are in alignment with the mouths of the tubes, but are located on diameters offset by 45 "from those on which the tubes of Pitot are arranged, to avoid interference between them, this as indicated in fig. 2. The static holes 4 can be on the same diameter as the mouthpieces if the diameter of the tubes of
Pitot is less than R / 4. The pipe segment 1 must extend a length equal to at least half the diameter of the pipe upstream and downstream of the holes 4 and must engage in the pipe 2-2 without having any slits. The instrument can be calibrated using a Pitot tube placed in a segment of the pipe located upstream of the device.
A more extensive device can be made by moving each of the four Pitot tubes by a micrometer, from the wall of the pipe to the axis of the section. This instrument can be calibrated
with precision once in place, and if necessary
However, the Pitot tubes can be said
placed at such a distance from the axis of the seg
ment that the calibration constant is unity.
A single micrometric adjustment can
sufficient to adjust the four Pitot tubes
simultaneously and equally.
Various microphone adjustment possibilities
metric are possible, one of these
being shown by way of example in FIG. 3.
The radial part 3b of each of the tubes of
Pitot is long enough to per
put the desired penetration in the segment.
This part wears a collar 5 which engages
without axial play in a groove 6 than more
feel a nut 7 screwed on a screw microm6-
radial rod 8 fixed to the section. Nut
presents an enlarged head 9 by which it
can be rotated and the head is graduated and
cooperates with a scale 10 allowing the
reading of radial displacements.
A variant can be provided, in the
which we only have one Pitot tube mounted
with a micrometer, the device being known
capable of being rotated around
the tube axis at 900, 1800, 270 from its position
original.
Fig. 3 shows a join 11 allows
such a rotation, this joint for
must have a graduation indicating the angle
of which the device was shot.
The device is specially indicated
for measuring fluids moving at speeds
high, due to negligible losses and
makes corrections for errors due
compressibility can be applied
for gases with a velocity greater than
60 m / sec. For low speeds, it is
necessary to use a sensitive gauge; so
an average speed of 12 m / sec for gases
or 0.6 m / sec for liquids with low
viscosities are the smallest which can still be measured accurately if using a Chattock gauge or inclined manometer.
There is no upper limit for the diameter of the segment, provided that the pitot tubes are of sufficient size to provide the desired rigidity without being too large so as not to reduce the accuracy of measurements near the wall. the lower limit seems to be a diameter of 1.25 cm for the segment, using the thinnest Pitot tubes possible.
This determines, for the gas flow, a lower limit given by the product of the average speed by the section of the segment, i.e. 12 m / sec X 1.5 cm, which gives a minimum flow of 1.8 m3 / sec . For liquids, the minimum flow rate is 0.09 m3 / sec.
The device is ideal for use with a set of standard diameter pipe sections.
Small errors in the positioning of the pitot tube mouths at a distance of 3/4 R from the axis of the section will not cause a large error in the flow measurement. Pitot tubes do not need to be perfectly aligned with the segment axis, although they should be as well as possible. The static holes should be as small as possible, provided they allow the liquid going into the manometer to flow freely.
Their finishing must be neat, so as to avoid rough edges.
Pitot tubes can be made of nickel or stainless steel to prevent corrosion. Care should be taken that there is no condensation in the tubes of small diameters. This often and unexpectedly causes disturbances; which is easily avoided by heating gently. If the device is used for measuring liquids, care must be taken to air bubbles present in the ducts of the Pitot tubes and in the static holes.
If you want to measure: air currents laden with dust or soot, it is to be expected that small caliber Pitot tubes will be blocked, which prevents the use of the device in which the mouths of the tubes are directed upstream.
However, it is possible to direct the tubes downstream and calibrate them accordingly. The empirical formula = (R7) m1 for the velocity distribution through the pipe segment, where u denotes the velocity at different distances from the segment axis, t71 the velocity on the segment axis, R the radius of the segment, Y the distance to the wall and m a constant depending on the number of
Reynold, gives a good approximation, if m is taken equal to 7 for a number of
Reynold medium and at 8, 9 etc. for high Reynold numbers.
A mathematical study based on this formula shows that if the Pitot tubes are located at a distance r from the axis of the segment determined by r / R = 3/4, a calibration equal to unity can be obtained which is valid for a wide range of values of m, in particular if m is between 4 and: 10, the error in absolute value is less than 1/2 / OO. For m greater than 10, the error is still. smaller.
This also shows that this position corresponds substantially to the maximum value of the product u. r, i.e. the flow rate through a corresponding annular section is maximum, said maximum occurring at a distance equal to r / R = 3/4 for m = 3 and equal to r / R = 7 / 8 for wus = 7.
The same result is achieved by practical measures. The set-up for these tests consisted of four Pitot tubes 9 mm in diameter housed in a 5 cm segment.
With the exception of low speeds, the calibration curve is flat enough so that with a calibration factor equal to 0.992, results between 0.60 / g are obtained, this for speeds between 30 and 135 m / dry. Furthermore, the tests to measure the effects due to the bends show that after a sharp bend at right angles, a length equal to six times the diameter, and after a bend of 105 a length equal to nine times the diameter are sufficient to obtain sufficient results. These tests also show that the calibration varies little for lengths greater than fifteen times the diameter.