Le débitmètre à plaque à orifice est un type de débitmètre à pression différentielle couramment utilisé pour mesurer le débit massique de liquides, de gaz et de flux propres. Il est disponible pour toutes les tailles de tuyaux et, si la perte de pression obligatoire pour lui est négligeable, il est très rentable pour mesurer les débits de liquides dans des tuyaux de plus grande taille (diamètre supérieur à 6 pouces). La plaque à orifice est également approuvée par de nombreux organismes de normalisation pour le transfert de propriété de liquides et de gaz.
Les équations de débit à orifice – qui utilisent l'équation de Bernoulli – utilisées aujourd'hui diffèrent encore les unes des autres, bien que les différents organismes de normalisation s'efforcent d'adopter une équation de débit à orifice unique et universellement acceptée. Les programmes de dimensionnement des orifices permettent généralement à l'utilisateur de sélectionner l'équation de débit souhaitée parmi plusieurs.
Comment fonctionne un débitmètre à plaque à orifice ?
La plaque à orifice peut être fabriquée dans n'importe quel matériau, bien que l'acier inoxydable soit le plus courant. L'épaisseur de la plaque utilisée (1/8 – 1/2") dépend de la taille de la conduite, de la température du processus, de la pression et de la pression différentielle. L'orifice traditionnel est une plaque circulaire mince (munie d'une languette pour la manipulation et les données), insérée dans la canalisation entre les deux brides d'un raccord à orifice. Cette méthode d'installation est économique, mais elle nécessite l'arrêt du processus chaque fois que la plaque est retirée pour entretien ou inspection. En revanche, un raccord à orifice permet de retirer l'orifice du processus sans dépressuriser la conduite et sans arrêter le débit. Dans ces raccords, on utilise une plaque à orifice universelle, une plaque circulaire sans languette.
La plaque à orifice concentrique (Figure 1 – A) présente un alésage concentrique tranchant (à bords carrés) qui assure un contact presque pur entre la plaque et le liquide, avec une résistance au frottement négligeable à la limite. Les rapports bêta (ou diamètre) des plaques à orifice concentrique varient entre 0,25 et 0,75. La vitesse maximale et la pression statique minimale se produisent à environ 0,35 à 0,85 diamètre de tuyau en aval de la plaque à orifice. Ce point est appelé vera contracta. La mesure de la pression différentielle à un endroit proche de la plaque à orifice minimise l'effet de la rugosité du tuyau, car le frottement a un effet sur le fluide et la paroi du tuyau.
Figure 1 : Ouvertures de la plaque à orifice Les robinets à bride sont principalement utilisés aux États-Unis et sont situés à 1 pouce de la surface de la plaque à orifice (Figure 2). Ils ne sont pas recommandés pour les pipelines de moins de 2 pouces de diamètre. Les prises d'angle sont principalement utilisées en Europe pour toutes les tailles de tuyaux et aux États-Unis pour les tuyaux de moins de 2 pouces (Figure 2). Avec les prises d'angle, les espaces relativement réduits représentent un problème potentiel d'entretien. Les prises vena contracta (proches des prises radiales, Figure 1) sont situées à un diamètre de tuyau en amont de la plaque et en aval au point de vena contracta. Cet emplacement varie (en fonction du rapport bêta et du nombre de Reynolds) de 0,35D à 0,8D.
Figure 2 : Emplacements possibles des prises de pression différentielle Les prises de pression au niveau de la vena contracta offrent la pression différentielle maximale, mais sont également les plus bruyantes. De plus, si la plaque est changée, il peut être nécessaire de modifier l'emplacement de la prise. De plus, dans les petits tuyaux, la veine contractée peut se trouver sous une bride. Par conséquent, les prises de pression de la veine contractée ne sont normalement utilisées que dans les tuyaux de plus de six pouces.
Les prises de pression radiales sont similaires aux prises de pression de la veine contractée, sauf que la prise en aval est fixée à 0,5 D de la plaque à orifice (schema 2). Les robinets de tuyau sont situés à 2,5 diamètres de tuyau en aval de l'orifice (Figure 2). Ils détectent la plus petite différence de pression et, en raison de la distance entre le robinet et l'orifice, les effets de la rugosité du tuyau, des incohérences dimensionnelles et, par conséquent, des erreurs de mesure sont les plus importants.
Orifice Types & Selection
La plaque à orifice concentrique est recommandée pour les liquides propres, les gaz et les flux de vapeur lors de la sélection des orifices dans des tuyaux de moins de six pouces. Étant donné que les équations de base relatives au débit à travers un orifice supposent que les vitesses de débit sont bien inférieures à la vitesse du son, une approche théorique et computationnelle différente est obligatoire si l'on prévoit des vitesses soniques. Le nombre de Reynolds minimum recommandé pour le débit à travers un orifice (Schéma 3) varie en fonction du rapport bêta de l'orifice et de la taille du tuyau. Dans les tuyaux de plus grande taille, le nombre de Reynolds minimum augmente également. En raison de cette considération relative au nombre de Reynolds minimum, les orifices à bords carrés sont rarement utilisés pour les liquides visqueux. Les plaques à orifice à bords quadrants et coniques (Schéma 4) sont recommandées lorsque le nombre de Reynolds est inférieur à 10 000. Les robinets à bride, les robinets d'angle et les robinets à rayon peuvent tous être utilisés avec des orifices à bords quadrants, mais seuls les robinets d'angle doivent être utilisés avec un orifice conique.
Figure 3 : Effet des nombres de Reynolds sur divers débitmètres 
Figure 4 : Orifices pour les écoulements visqueux Les plaques à orifice concentriques peuvent être équipées de trous de drainage pour empêcher l'accumulation de liquides entraînés dans les flux gazeux, ou de trous d'aération pour évacuer les gaz entraînés par les liquides (Figure 1-A). Le débit non mesuré passant par le trou d'aération ou de drainage est généralement inférieur à 1 % du débit total si le diamètre du trou est inférieur à 10 % de l'alésage de l'orifice. L'efficacité des trous de ventilation/drainage est toutefois limitée, car ils se bouchent souvent.
Les plaques à orifice concentrique ne sont pas recommandées pour les liquides multiphases dans les conduites horizontales, car la phase secondaire peut s'accumuler autour du bord amont de la plaque. Dans les cas extrêmes, cela peut obstruer l'ouverture ou modifier le schéma d'écoulement, ce qui entraîne une erreur de mesure. Les plaques à orifice excentrique et segmenté sont mieux adaptées à ces applications. Les orifices concentriques restent toutefois préférables pour les écoulements multiphases dans les conduites verticales, car l'accumulation de matière est moins probable et les données de dimensionnement de ces plaques sont plus fiables.
L'orifice excentrique (Figure 1 : B) est similaire à l'orifice concentrique, à l'exception du décalage de l'ouverture par rapport à l'axe central du tuyau. L'ouverture de l'orifice segmenté (Figure 1-C) est un segment de cercle. Si la phase secondaire est un gaz, l'ouverture d'un orifice excentrique sera située vers le haut du tuyau. Si la phase secondaire est un liquide dans un gaz ou une boue dans un flux liquide, l'ouverture doit se trouver au bas du tuyau. La zone de drainage de l'orifice segmentaire est plus grande que celle de l'orifice excentrique, par conséquent il est préférable dans les applications où la phase secondaire est très présente.
Ces plaques sont généralement utilisées dans des tuyaux de plus de quatre pouces de diamètre et doivent être installées avec soin afin de s'assurer qu'aucune partie de la bride ou du joint n'interfère avec l'ouverture. Les robinets à bride sont utilisés avec les deux types de plaques et sont situés dans le quadrant opposé à l'ouverture pour l'orifice excentrique, en ligne avec la hauteur maximale du barrage pour l'orifice segmenté.
Pour la mesure de faibles débits, une cellule d/p avec un orifice intégré peut être le meilleur choix. Dans cette conception, le débit total du processus passe par la cellule d/p, éliminant ainsi le besoin de conduites d'alimentation. Il s'agit de dispositifs propriétaires dont les performances sont peu documentées ; leurs coefficients de débit sont basés sur des étalonnages réels en laboratoire. Ils sont recommandés uniquement pour les liquides propres et monophasiques, car même de petites quantités d'accumulation peuvent entraîner des erreurs de mesure importantes ou obstruer l'appareil. Les orifices de restriction sont installés pour supprimer la pression excessive et fonctionnent généralement à des vitesses soniques avec des rapports bêta très faibles. La chute de pression à travers un seul orifice de restriction ne doit pas dépasser 500 psid en raison du colmatage ou du grippage. Dans les installations à orifices de restriction à éléments multiples, les plaques sont placées à environ un diamètre de tuyau les unes des autres afin d'éviter la récupération de pression entre les plaques.
Performances de l'orifice
Bien qu'il s'agisse d'un dispositif simple, la plaque à orifice est, en principe, un instrument de précision. Dans des conditions idéales, l'imprécision d'une plaque à orifice peut être comprise entre 0,75 et 1,5 % AR. Les plaques à orifice sont toutefois très sensibles à diverses conditions susceptibles d'induire des erreurs. La précision des calculs d'alésage, la qualité de l'installation et l'état de la plaque elle-même déterminent les performances globales. Les facteurs d'installation comprennent l'emplacement et l'état du robinet, l'état de la conduite de process, l'adéquation des tronçons de conduite droits, l'interférence des joints, le désalignement des alésages des conduites et des orifices, et la conception des conduites d'alimentation. D'autres conditions défavorables comprennent l'émoussement des bords tranchants ou les entailles causées par la corrosion ou l'érosion, le gauchissement de la plaque dû aux coups de bélier et à la saleté, et les dépôts de graisse ou de phase secondaire sur l'une ou l'autre des surfaces de l'orifice. N'importe laquelle des conditions ci-dessus peut modifier le coefficient de débit de l'orifice jusqu'à 10 %. Combinés, ces problèmes peuvent être encore plus préoccupants et leur effet net imprévisible. Par conséquent, dans des conditions de fonctionnement normales, on peut s'attendre à ce qu'une installation d'orifice type présente une imprécision globale de l'ordre de 2 à 5 % AR.
Les débitmètres à orifice de qualité commerciale sont généralement plus précis, car ils peuvent être étalonnés dans un laboratoire d'essai et sont équipés de sections de tuyaux rectifiés, de redresseurs de flux, de raccords d'orifice de qualité supérieure et d'enceintes à température contrôlée.
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