Un tube de Pitot est un dispositif utilisé pour mesurer la vitesse d'écoulement d'un fluide en convertissant l'énergie cinétique de l'écoulement en énergie potentielle. Inventé par l'ingénieur français Henri Pitot en 1732 pour mesurer la vitesse d'écoulement des rivières, cet appareil détecte la pression dynamique du fluide en un point donné en captant la différence entre la pression de stagnation (pression totale) et la pression statique à l'intérieur du fluide.
Plus tard, en 1858, Henry Darcy l'a modifié pour lui donner sa forme moderne, améliorant ainsi sa précision et son applicabilité.
Qu'est-ce qu'un tube de Pitot ?
Le tube de Pitot est une alternative peu coûteuse à une plaque à orifice, et sa précision varie de 0,5 % à 5 % FS, ce qui est comparable à celle d'un orifice. Sa plage de débit de 3:1 (certains fonctionnent à 4:1) est également similaire à celle de la plaque à orifice. Les tubes de Pitot, comme les plaques à orifice et autres débitmètres à pression différentielle, fonctionnent selon les principes de l'équation de Bernoulli, qui stipule que lorsque le débit d'un fluide augmente, une perte de pression se produit.
La principale différence entre les tubes de Pitot et les plaques à orifice réside dans le fait que, tandis qu'un orifice mesure le débit total, le tube de Pitot détecte la vitesse d'écoulement en un seul point du flux. L'un des avantages du tube de Pitot fin est qu'il peut être inséré dans des conduites existantes et sous pression (ce qu'on appelle le perçage à chaud) sans nécessiter d'arrêt et sans causer de temps d'arrêt indésirable.
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Principe de fonctionnement des tubes de Pitot
Un tube de Pitot se compose d'une conception à double tube dans une seule sonde, utilisée pour mesurer à la fois la pression totale et la pression statique dans un écoulement de fluide. Le tube intérieur a une extrémité ouverte directement exposée au débit, capturant la pression totale (de stagnation), qui comprend à la fois les composantes de pression statique et dynamique. Autour de celui-ci, le tube extérieur est doté de petits trous radiaux perpendiculaires au débit, lui permettant de détecter la pression statique du fluide. L'espace annulaire entre les tubes intérieur et extérieur permet la transmission de ces pressions vers des raccords de pression séparés à l'extrémité opposée de la sonde.
Figure 1 : Les tubes de Pitot mesurent deux pressions La pression d'impact totale (P T) est la somme des pressions statique et cinétique et est détectée lorsque le flux d'air frappe l'ouverture du tube de Pitot. Pour mesurer la pression d'impact, la plupart des tubes de Pitot utilisent un petit tube, parfois en forme de L, dont l'ouverture est directement orientée vers le flux entrant. La vitesse ponctuelle d'approche (V P) peut être calculée en prenant la racine carrée de la pression dynamique, qui est la différence entre la pression totale (PT) et la pression statique (P) – et en la multipliant par le rapport C/D, où C est une constante dimensionnelle et D est la densité :
V P = C(P T – P) 1/2 / D
Lors de la mesure du débit, il est essentiel que la vitesse ponctuelle (V P) soit multipliée par la section transversale du tuyau ou du conduit. La mesure de la vitesse doit être effectuée à une profondeur d'insertion qui correspond à la vitesse moyenne. À mesure que la vitesse d'écoulement augmente, le profil de vitesse dans le tuyau passe d'allongé (laminaire) à plus plat (turbulent). Cela modifie le point de vitesse moyenne et nécessite un ajustement de la profondeur d'insertion. Les tubes de Pitot ne sont recommandés que pour les écoulements très turbulents (nombres de Reynolds > 20 000) et, dans ces conditions, le profil de vitesse a tendance à être suffisamment plat pour que la profondeur d'insertion ne soit pas critique.
Mesure de la pression statique
Dans les modèles de tubes de Pitot à double paroi, l'orifice de pression d'impact est orienté vers l'avant dans le flux, tandis que les orifices statiques sont espacés autour du tube extérieur. Les deux signaux de pression (P T et P) sont acheminés par des tuyaux vers un indicateur ou un transmetteur d/p. Dans les applications industrielles, la pression statique (P) peut être mesurée de trois façons :
- À l'aide de prises dans la paroi du tuyau : les prises de pression relient le tube à un manomètre qui indique la différence de pression.
- À l'aide de sondes statiques insérées dans le flux du processus.
- À l'aide de petites ouvertures situées sur le tube de Pitot lui-même ou sur un élément aérodynamique séparé.
Les erreurs de détection de la pression statique proviennent de la viscosité, de la vitesse et de la compressibilité des liquides. La clé d'une détection précise de la pression statique consiste à minimiser la composante cinétique dans la mesure de la pression.
Tubes de Pitot à orifice unique
Un tube de Pitot à orifice unique peut mesurer la vitesse d'écoulement en un seul point de la section transversale d'un courant (figure 2). La sonde doit être insérée à un point du flux où la vitesse d'écoulement correspond à la moyenne des vitesses sur la section transversale, et son orifice d'impact doit être orienté directement vers le flux de fluide. Le tube de Pitot peut être rendu moins sensible à la direction du flux si l'orifice d'impact présente un biseau interne d'environ 15°, s'étendant sur environ 1,5 diamètre dans le tube.
Figure 2 : Installation du tube de Pitot dans une canalisation Si la différence de pression générée par le venturi est trop basse pour permettre une détection précise, le tube de Pitot classique peut être remplacé par un venturi de Pitot ou un capteur à double venturi. Cela permettra d'obtenir une différence de pression plus élevée.
Un tube de Pitot à port unique calibré, propre et correctement inséré peut fournir une précision de débit de ±1 % sur une plage de débit de 3:1 ; et, avec une certaine perte de précision, elle peut même mesurer sur une plage de 4:1. Ses avantages sont son faible coût, l'absence de pièces mobiles, sa simplicité et le fait qu'elle provoque très peu de perte de pression dans le flux. Ses principales limites sont les erreurs résultant des changements de profil de vitesse ou du colmatage des orifices de pression. Les tubes de Pitot sont généralement utilisés pour les mesures de débit de second ordre, lorsque le coût est un facteur important et/ou lorsque le diamètre du tuyau ou du conduit est important (jusqu'à 72 pouces ou plus).
Des sondes Pitot spécialement conçues ont été développées pour être utilisées avec des débits pulsés. L'une d'entre elles utilise une sonde Pitot remplie d'huile de silicone pour transmettre les pressions du processus à la cellule d/p. Dans les applications à débits pulsés à haute fréquence, l'huile sert de moyen d'amortissement des pulsations et de moyennage de la pression.
Les tubes Pitot peuvent également être utilisés dans des conduits d'air carrés, rectangulaires ou circulaires. En général, le tube de Pitot s'insère dans un trou de 5/16 pouces de diamètre dans le conduit. Le montage peut se faire à l'aide d'une bride ou d'un presse-étoupe. Le tube est généralement équipé d'un indicateur externe, de sorte que son orifice d'impact puisse être tourné avec précision pour faire face directement au flux. En outre, le tube peut être conçu pour détecter le profil de vitesse complet en effectuant des traversées rapides et régulières à travers le conduit.
Dans certaines applications, telles que l'échantillonnage des particules dans les cheminées imposé par l'EPA, il est nécessaire de faire traverser un échantillonneur Pitot à travers une cheminée ou un conduit. Dans ces applications, à chaque point indiqué sur la figure 3, une mesure de la température et du débit est effectuée en plus du prélèvement d'un échantillon de gaz, dont les données sont ensuite combinées et envoyées à un laboratoire pour analyse. Dans de telles applications, une seule sonde contient un tube de Pitot, un thermocouple et une buse d'échantillonnage.
Figure 3 : Emplacements des points de traversée Un tube de Pitot peut également être utilisé pour mesurer la vitesse de l'eau dans des canaux ouverts, au niveau des chutes, des toboggans ou au-dessus des crêtes de chute. À des vitesses d'écoulement faibles, typiques des conditions laminaires, les tubes de Pitot ne sont pas recommandés car il est difficile de trouver la profondeur d'insertion correspondant à la vitesse moyenne et parce que l'élément Pitot produit un différentiel de pression très faible. L'utilisation d'un venturi Pitot améliore cette situation en augmentant la différence de pression, mais ne résout pas le problème causé par le profil de vitesse allongé.
Tubes de Pitot à moyenne
Les tubes de Pitot à moyenne ont été introduits pour résoudre le problème de la recherche du point de vitesse moyenne. Un tube de Pitot moyen est équipé de plusieurs orifices de pression dynamique et statique et est conçu pour s'étendre sur tout le diamètre du tuyau. Les pressions détectées par tous les orifices de pression dynamique (et séparément par tous les orifices de pression statique) sont combinées et la racine carrée de leur différence est mesurée pour indiquer le débit moyen dans le tuyau (Figure 4). L'orifice le plus proche de la sortie du signal combiné a une influence légèrement plus importante que l'orifice le plus éloigné, mais pour les applications secondaires où les tubes de Pitot sont couramment utilisés, cette erreur est acceptable.
Figure 4 : Tube de Pitot à moyenne multiple à ouvertures multiples Le nombre d'orifices d'impact, la distance entre les orifices et le diamètre du tube de Pitot à moyenne peuvent tous être modifiés pour répondre aux besoins d'une application particulière. Les orifices de détection des tubes de Pitot à moyenne sont souvent trop grands pour permettre au tube de se comporter comme une véritable chambre de moyenne. En effet, les ouvertures surdimensionnées des orifices sont optimisées non pas pour la moyenne, mais pour éviter le colmatage. Dans certaines installations, une purge au gaz inerte est utilisée pour maintenir les orifices propres, ce qui permet au capteur d'utiliser des orifices plus petits.
Les tubes de Pitot à moyenne offrent les mêmes avantages et inconvénients que les tubes à orifice unique. Ils sont légèrement plus chers et un peu plus précis, en particulier si le débit n'est pas complètement formé. Certains capteurs à tube de Pitot à moyenne peuvent être insérés dans la même ouverture (ou prise chaude) qui accueille un tube à orifice unique.
Moyenne de surface
Les stations Pitot à moyenne de surface sont utilisées pour mesurer les grands débits d'air à basse pression dans les chaudières, les séchoirs ou les systèmes CVC. Ces unités sont disponibles pour les différentes tailles standard de conduits circulaires ou rectangulaires (Figure 5) et pour les tuyaux. Elles sont conçues de manière à ce que chaque segment de la section transversale soit équipé d'un orifice de pression dynamique et statique. Chaque ensemble d'orifices est relié à son propre collecteur, qui combine les signaux de pression statique moyenne et de pression dynamique moyenne. En cas de risque d'obstruction, les collecteurs peuvent être purgés pour maintenir les orifices propres.
Figure 5 : Station Pitot à moyenne de surface Comme les stations Pitot à moyenne de surface génèrent de très faibles différences de pression, il peut être nécessaire d'utiliser des cellules à faible différence de pression avec des portées aussi faibles que 0-0,01 pouce de colonne d'eau. Pour améliorer la précision, un redresseur de flux de type cellulaire hexagonal et une buse de flux peuvent être installés en amont du capteur de débit Pitot à moyenne de surface. Le redresseur de flux supprime les turbulences locales, tandis que la buse amplifie la pression différentielle produite par le capteur.
Installation
Les tubes Pitot peuvent être utilisés comme capteurs de débit installés de manière permanente ou comme dispositifs de surveillance portables fournissant des données périodiques. Les unités en acier au carbone ou en acier inoxydable installées de manière permanente peuvent fonctionner à des pressions allant jusqu'à 1400 PSIG et sont insérées dans le tuyau par des raccords à bride ou à vis. Leur installation a généralement lieu avant le démarrage de l'usine, mais ils peuvent être raccordés à chaud à un processus en cours de fonctionnement.
Dans le cas d'une installation à chaud (figure 6), on soude d'abord un raccord au tuyau. Ensuite, une vanne de perçage est fixée au raccord et un trou est percé dans le tuyau. Puis, après avoir partiellement retiré le foret, la vanne est fermée, le foret est supprimé et le tube de Pitot est inséré. Enfin, la vanne est ouverte et le tube de Pitot est entièrement inséré.
Figure 6 : Installation d'un tube de Pitot par perçage à chaud Le profil de vitesse du flux à l'intérieur du tuyau est influencé par le nombre de Reynolds du liquide en circulation, la rugosité de la surface du tuyau et les perturbations en amont, telles que les soupapes, les coudes et autres raccords. Les tubes de Pitot ne doivent être utilisés que si le nombre de Reynolds minimum dépasse 20 000 et si une section droite d'environ 25 diamètres peut être prévue en amont du tube de Pitot ou si des ailettes de redressement peuvent être installées.
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