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.