Types de débitmètres

Jul 10, 2023

Connaître le débit dans un système de tuyauterie de fluide est l'une des mesures les plus utiles pour comprendre le fonctionnement du système.

L'équipement utilisé pour mesurer les débits est généralement entretenu et calibré par les groupes d'instrumentation et de contrôle de l'usine. Les débitmètres d'installation surveillent généralement le transfert de garde ou sont utilisés comme éléments principaux du circuit de contrôle de débit.

Les compteurs utilisés pour les transactions commerciales sont conçus pour fournir des valeurs précises et reproductibles des débits lorsque les produits sont vendus ou achetés. Ces types de débitmètres mesurent souvent un volume positif lorsqu'il s'agit de petits quantiles, ou le volume peut être totalisé dans le temps lors de la mesure de grands quantiles. La valeur du débit utilisé pour le transfert de garde aide également à exploiter et à entretenir d'autres équipements de l'usine.

Lorsque l'objectif de conception d'un système de tuyauterie est d'établir un débit défini d'un fluide de procédé, une boucle de contrôle de débit est utilisée (voir Image 1). Les éléments de contrôle du système fonctionnent ensemble pour atteindre le débit approprié.

Le débitmètre mesure une valeur qui est fonction du débit à travers le compteur. Le compteur transmet alors une valeur mesurée au contrôleur. Au contrôleur, la valeur souhaitée pour le débit est entrée.

Le contrôleur compare ensuite la valeur mesurée du compteur à la valeur de consigne et envoie un signal de sortie à l'actionneur. L'actionneur ajuste ensuite l'élément final (une vanne de régulation ou un variateur de fréquence [VFD]) pour éliminer l'excès d'énergie nécessaire pour équilibrer le débit à la valeur de consigne. Le contrôleur fournit à l'opérateur le débit réel mesuré.

Le coût initial de l'équipement et l'effort nécessaire pour calibrer et entretenir ces types de débitmètres peuvent être prohibitifs pour une large utilisation dans une usine. Dans cette colonne, nous examinerons les moyens de mesurer le débit dans un système de tuyauterie sans les dépenses des compteurs de transfert de garde ou la complexité d'une boucle de contrôle de débit.

Les débitmètres se répartissent en deux catégories générales : ceux qui déterminent le débit en fonction de la chute de pression à travers le compteur et ceux qui mesurent une valeur qui a une relation linéaire avec le débit à travers le compteur.

Les débitmètres à pression différentielle consistent en une restriction de débit dans le flux d'écoulement qui provoque une pression différentielle à travers le compteur. Basé sur le principe de Bernoulli, le débit à travers le compteur est une fonction de la racine carrée de la pression différentielle à travers la restriction de débit. Le compteur prend la racine carrée de la pression différentielle et affiche les résultats sur une échelle calibrée indiquant le débit.

Un débitmètre linéaire consiste en un signal mesuré qui est directement lié au débit à travers le compteur.

Le débitmètre le plus courant est un manomètre différentiel composé d'un orifice avec un trou rond concentrique usiné à une valeur spécifique.

L'orifice fournit la restriction de débit, tandis que les prises de pression en amont et en aval de la restriction fournissent la pression différentielle nécessaire.

Lorsque le fluide de traitement passe de la canalisation en amont dans le compteur, la restriction dans l'orifice provoque une augmentation de la vitesse du fluide lorsqu'il passe à travers la restriction. Dans la restriction, une partie de la hauteur manométrique est convertie en hauteur dynamique.

Après avoir traversé la restriction, le débit ralentit en raison de la conversion de la charge de vitesse en charge de pression. Connaissant les lois physiques derrière cette relation, nous pouvons déterminer le débit en fonction de la différence de pression. L'étude des équations montre que la racine carrée de la pression différentielle à travers la plaque à orifice est fonction du débit à travers l'orifice.

La raison de la large acceptation des plaques à orifice est leur fonctionnement simple. Ils peuvent être incorporés à l'aide d'instruments facilement disponibles pour lire les pressions différentielles et sont facilement fabriqués pour répondre aux exigences de débit de conception. En Amérique du Nord, les orifices peuvent être dimensionnés à l'aide des normes élaborées par la norme American Society of Mechanical Engineers (ASME-MFC-3M) ou la norme 2530 de l'American Petroleum Institute (API). La norme fournit des exigences pour l'emplacement des prises de pression différentielle. et le procédé de dimensionnement du diamètre de la prise dans la plaque à orifices.

Étant donné que le fonctionnement et la précision de la plaque à orifice sont bien compris, et que la plaque à orifice et les prises de pression peuvent être situées sur les faces des brides dans un système de tuyauterie, ce type de débitmètre peut être fabriqué localement et inséré dans la canalisation en cas de besoin.

Un annubar est un autre type de compteur qui peut être inséré dans un pipeline pour une mesure précise du débit. Le compteur fonctionne en mesurant la différence entre la pression totale du fluide et la pression statique sur une grande section transversale du pipeline. La conception de l'annubar lui permet d'être facilement inséré dans le flux d'écoulement en cas de besoin. Ce type de compteur est conçu et testé par les fabricants de produits avant l'installation.

Ensuite, nous examinerons les compteurs où la valeur mesurée dans le compteur est une fonction directe du débit à travers le compteur.

Un vortexmètre utilise une barre spécialement conçue insérée dans le flux d'écoulement pour créer des vortex de fluide dans le flux d'écoulement. Le compteur compte le nombre de vortex créés au fil du temps, qui est une fonction linéaire du débit à travers le compteur.

Les compteurs de vortex sont disponibles auprès de divers fabricants d'instruments sous forme d'unité totale. La barre insérée dans le flux d'écoulement provoque une perte de pression, mais elle est bien inférieure à la perte de charge causée par une plaque à orifice.

Les débitmètres à ultrasons mesurent le changement de fréquence d'une onde sonore traversant le fluide de procédé. Les débitmètres à ultrasons peuvent mesurer en fonction du temps de vol de l'onde sonore à travers le fluide de traitement ou du changement de fréquence causé par l'effet Doppler.

Dans un débitmètre à temps de vol, un transducteur projette une onde sonore dans le tuyau. L'onde sonore traverse le fluide de procédé et est réfléchie par la paroi opposée du tuyau. Ensuite, il se dirige vers un deuxième transducteur en aval du premier.

Une seconde onde sonore quitte le transducteur aval et effectue le trajet en sens inverse. Connaître la distance et le temps nécessaire pour faire l'aller-retour fournit au compteur la vitesse du fluide dans le tuyau, fournissant une relation linéaire avec le débit à travers le tuyau.

Dans un compteur de type Doppler, un transducteur envoie une onde sonore à une fréquence donnée dans le flux d'écoulement.

Lorsque l'onde sonore est réfléchie par une petite particule ou une bulle dans le flux d'écoulement, la fréquence de l'onde sonore réfléchie change. En utilisant le principe Doppler, le compteur mesure le changement de fréquence de l'onde sonore pour déterminer la vitesse du fluide de traitement. La vitesse du fluide fournit une relation linéaire entre la vitesse du fluide et le débit.

L'installation d'un débitmètre dans un système de tuyauterie est un processus coûteux. Par conséquent, la plupart des débitmètres sont utilisés pour les applications de transfert de garde ou lorsque le débit avec un procédé est nécessaire pour répondre aux exigences de conception du système.

Comme nous l'avons vu dans les colonnes précédentes, connaître le débit d'une pompe, d'un pipeline, d'un réchauffeur ou d'une vanne de régulation peut être utile pour déterminer si cet équipement fonctionne correctement ou nécessite une maintenance. Tous les exemples présentés dans cette colonne peuvent être installés pour être utilisés dans le système de tuyauterie en cas de besoin. Par exemple, un orifice peut être installé entre des faces de bride existantes reliant des segments de tuyau. Les Annubars peuvent être insérés rapidement dans un pipeline lorsque l'usine est arrêtée et fourniront un débit en cas de besoin.

Un compteur vortex doit être installé dans une canalisation, mais l'étalonnage et l'entretien de ce type de compteur sont inférieurs à ceux d'un compteur de pression différentielle typique.

Enfin, les débitmètres à ultrasons portables peuvent être installés à l'extérieur d'un tuyau sans affecter le fonctionnement du système. Le compteur peut être fixé au tuyau et la mesure du débit peut être prise en cas de besoin, puis il peut être déplacé vers un autre emplacement.

Chacun de ces types de débitmètres fournira d'excellents résultats lorsqu'il est utilisé correctement, aidant les utilisateurs finaux à obtenir une image claire du fonctionnement de l'ensemble du système de tuyauterie.

Ray Hardee est l'un des principaux fondateurs de Engineered Software, créateurs des logiciels PIPE-FLO et PUMP-FLO. Chez Engineered Software, il a aidé à développer deux cours de formation et enseigne ces cours à l'international. Il peut être contacté à [email protected].