Mesure de débit

• Régimes d’écoulement

Un régime d’écoulement d’un fluide est conditionné par sa viscosité. C’est la résistance du fluide à son écoulement uniforme et sans turbulence. En fonction de la viscosité du fluide, la répartition du champ de vitesse de celui-ci n’est pas la même sur toute la surface.

Influence de la viscosité sur la vitesse d’un fluide

Le régime laminaire d’un fluide s’effectue par glissement des couches de fluide les unes sur les autres sans échange de particules entre elles, en opposition au régime turbulent.

Dans le cas d’un régime turbulent incompressible, le nombre de Reynolds permet de déterminer le type d’écoulement :

Avec :

V vitesse du fluide, diamètre du conduit et v la viscosité cinématique du fluide.

Si Re < 2000 : Le régime est dit laminaire.

Si 2000 < Re < 4000 : le régime est dit incertain.

Si Re > 4000 : le régime est dit turbulent.

Dans le cas d’un écoulement laminaire, on peut déterminer le débit d’un fluide grâce à sa vitesse :

Avec :

Q le débit volumique, V la vitesse du fluide et S la section du conduit.

2. Les débitmètres volumiques

Pour un écoulement laminaire, la connaissance de la vitesse du fluide et de la section du conduit suffit pour calculer le débit du fluide.

Lors de l’installation de ces capteurs, on veillera à les placer dans des parties droites de canalisation et à des distances respectables (plusieurs fois le diamètre) de dispositifs générant des pertes de charges importantes (coudes, restriction, vannes, etc…).

• Mesure du débit par anémomètre à fil chaud

Le débit est calculé par mesure de la vitesse d’air grâce à un fil chaud placé dans un «cône de mesure ». Ce dernier canalise l’air vers une section connue dans laquelle l’élément de mesure de vitesse est positionné.

En connaissant la section de mesure, on obtient la valeur du débit volumique circulant dans le conduit.

• Mesure de débit par tube de Pitot

Un tube de Pitot est constitué de deux tubes concentriques dont les orifices, en communication avec le fluide, sont disposés de façon particulière :

• Le tube extérieur s’ouvre perpendiculairement à l’écoulement du fluide. La pression à l’intérieur du tube est égale à la pression ambiante ou pression statique.

• Le tube intérieur est parallèle à l’écoulement du fluide et est ouvert en son bout, face au flux. La pression à l’intérieur de celui-ci est donc la pression totale.

Pour déterminer la valeur de la pression dynamique (ou différentielle) on utilise le théorème de Bernoulli.

En négligeant le terme z image de l’altitude.

Avec : Pt la pression totale, Ps la pression statique et ρ la masse volumique du fluide.

Exemple d’une aile de mesure basée sur le principe du tube de Pitot (distribué par Kimo)

• Mesure de débit par élément déprimogène

Un resserrement du conduit ou un changement de direction créent entre amont et aval une différence de pression ∆P liée au débit par une relation de la forme :

Avec :

ρ la masse volumique du fluide, et kc une constante fonction de l’organe. Les principaux éléments de mesure, sont représentés ci-dessous.

Ces dispositifs permettent de mesurer dans une très large gamme des débits allant de quelques m³/h à 10⁵ m³/h.

Les systèmes les plus utilisés restent le tube de venturi et la croix ou aile de mesure.

• Tube de venturi

C’est un tube qui comporte un rétrécissement et qui permet de mesurer un débit suivant l’effet venturi.

L’un des gros inconvénients d’un tel système est sa faible précision en dessous de 10m³/h et sa non réversibilité. C'est-à-dire qu’un tel organe de mesure ne peut mesurer le fluide que dans un seul sens. S’il y a un changement de direction la mesure est complètement erronée. De plus, il génère une perte de charge non négligeable pour l’écoulement du fluide dans un conduit.

• Croix de mesure

Inspirée du tube de Pitot, la croix de mesure est composée de quatre tubes équipés de petits orifices par lesquels l’air s’engouffre et crée une pression.

Les tubes qui sont face au flux permettent de créer la pression totale, et ceux qui sont opposés au flux permettent de créer la pression statique.

Les principaux avantages d’un tel système sont :

Une facilité de montage.

Une résistance au flux réduite (De par sa forme et son aérodynamisme).

Un faible niveau de bruit.

Une mesure du débit en plusieurs points créant ainsi une valeur moyenne (Meilleure résolution).

3. Mesure du débit

Pour mesurer le débit circulant en gaine, on utilisera un capteur de pression, encore faut il déterminer le type de capteur à utiliser.

• Mesure de pression différentielle dynamique

Avec la mesure dynamique, un échantillon du flux d’air (by-pass) circule à travers la sonde de pression. La sonde est conçue comme une gaine miniature de mesure de vitesse. Elle est composée d’un élément chauffé (Principe du fil chaud) qui perd une grande quantité de chaleur quand la vitesse de l’air augmente ce qui peut être utilisé comme un signal électrique relatif au débit d’air. Tant que l’échantillon d’air est proportionnel au débit total, le signal de mesure peut être calibré sur le débit total et fournit un signal électrique qui est linéaire au débit d’air.

• Mesure de pression différentielle statique

Un transmetteur de pression à diaphragme fonctionne sur le principe de mesure de la pression statique. Le capteur est composé d’un cylindre et d’un diaphragme entre deux chambres, pour les pressions positives et négatives. Le diaphragme est au centre quand la pression des deux chambres est identique. Un différentiel de pression déplace le diaphragme vers le côté où la pression est la plus faible. Ce changement de position est une mesure de la pression différentielle. C’est pourquoi, le signal électrique agit proportionnellement à la pression différentielle. Le régulateur de débit doit être adapté pour correspondre à la racine carré de ce signal ce qui n’est pas toujours le cas. De plus, les substances chimiques peuvent atteindre le diaphragme et les chambres de mesure par la diffusion et entraîner une réaction.