Les débitmètres à turbine sont un type de débitmètre à vitesse largement utilisé dans diverses applications industrielles, notamment dans l'aérospatiale, la cryogénie et le transfert de propriété, pour des mesures à précision élevée. Inventé par Reinhard Woltman au XVIIIe siècle, le débitmètre à turbine est fiable pour une utilisation avec des liquides et des gaz. Il se compose d'un rotor à plusieurs pales monté à angle droit par rapport au flux de fluide et suspendu dans le flux de fluide sur un palier à rotation libre. Le diamètre du rotor est très légèrement inférieur au diamètre intérieur de la chambre de mesure, et sa vitesse de rotation est proportionnelle au débit volumétrique. La rotation de la turbine peut être détectée par des dispositifs à semi-conducteurs (capteurs à réluctance, à inductance, capacitifs et à effet Hall) ou par des capteurs mécaniques (entraînements à engrenages ou magnétiques).
Dans le capteur à réluctance, la bobine est un aimant permanent et les pales de la turbine sont faites d'un matériau attiré par les aimants. Lorsque chaque pale passe devant la bobine, une tension est générée dans la bobine (Figure 1-A). Chaque impulsion représente un volume discret de liquide. Le nombre d'impulsions par unité de volume est appelé le facteur K du compteur.
Figure 1 : Génération du signal de débit de la turbine Dans le capteur à inductance, l'aimant permanent est intégré au rotor, ou les pales du rotor sont fabriquées dans un matériau magnétisé de manière permanente (Figure 1-B). Lorsque chaque pale passe devant la bobine, elle génère une impulsion de tension. Dans certaines conceptions, une seule pale est magnétique et l'impulsion représente une révolution complète du rotor.
Les sorties des bobines de détection à réluctance et inductives sont des ondes sinusoïdales continues dont la fréquence du train d'impulsions est proportionnelle au débit. À faible débit, la sortie (la hauteur de l'impulsion de tension) peut être de l'ordre de 20 mV crête à crête. Il n'est pas conseillé de transporter un signal aussi faible sur de longues distances. Par conséquent, la distance entre le capteur et l'électronique d'affichage ou le préamplificateur associé doit être courte.
Les capteurs capacitifs produisent une onde sinusoïdale en générant un signal RF modulé en amplitude par le mouvement des pales du rotor. Au lieu de bobines de détection, on peut également utiliser des transistors à effet Hall. Ces transistors changent d'état lorsqu'ils sont exposés à un champ magnétique de très faible intensité (de l'ordre de 25 gauss).
Dans ces débitmètres à turbine, de très petits aimants sont intégrés dans les extrémités des pales du rotor. Les rotors sont généralement fabriqués dans un matériau non magnétique, tel que le polypropylène, le Ryton ou le PVDF (Kynar). Le signal émis par un capteur à effet Hall est un train d'impulsions carrées, à une fréquence proportionnelle au débit volumétrique.
Comme les capteurs à effet Hall ne présentent aucune traînée magnétique, ils peuvent fonctionner à des vitesses d'écoulement plus faibles (0,2 ft/sec) que les modèles à capteur magnétique (0,5-1,0 ft/sec). De plus, le capteur à effet Hall fournit un signal de forte amplitude (généralement une onde carrée de 10,8 V), ce qui permet d'atteindre des distances allant jusqu'à 3 000 pi entre le capteur et les composants électroniques sans amplification.
Dans le secteur de la distribution d'eau, les débitmètres à turbine de type Woltman à entraînement mécanique restent la norme. Ces débitmètres à turbine utilisent un train d'engrenages pour convertir la rotation du rotor en rotation d'un arbre vertical. L'arbre passe entre le tube de mesure et la section du registre à travers un presse-étoupe mécanique, faisant tourner un ensemble de registre mécanique à engrenages pour indiquer le débit et actionner un compteur totalisateur mécanique.
Plus récemment, l'industrie de la distribution d'eau a adopté un entraînement magnétique comme amélioration par rapport aux débitmètres à turbine à entraînement mécanique nécessitant beaucoup d'entretien. Ce type de compteur comporte un disque d'étanchéité entre la chambre de mesure et le registre. Du côté de la chambre de mesure, l'arbre vertical fait tourner un aimant au lieu d'un engrenage. Du côté du registre, un aimant opposé est monté pour faire tourner l'engrenage. Cela permet d'utiliser un registre complètement étanche avec un mécanisme d'entraînement mécanique.
Aux États-Unis, l'AWWA fixe les normes relatives aux débitmètres à turbine utilisés dans les systèmes de distribution d'eau. La norme C701 prévoit deux classes (classe I et classe II) de débitmètres à turbine. Les débitmètres à turbine de classe I doivent s'inscrire entre 98 et 102 % du débit réel au débit maximal lors des essais. Les débitmètres à turbine de classe II doivent s'inscrire entre 98,5 et 101,5 % du débit réel. Les débitmètres de classe I et de classe II doivent être équipés de compteurs mécaniques.
Les modèles à capteur à semi-conducteurs sont moins sensibles à l'usure mécanique que les débitmètres AWWA de classe I et de classe II.
Variantes de conception et de construction
La plupart des débitmètres à turbine industriels sont fabriqués en acier inoxydable austénitique (301, 303, 304SS), tandis que les débitmètres à turbine destinés au service municipal de distribution d'eau sont en bronze ou en fonte. Les matériaux du rotor et des roulements sont sélectionnés en fonction du fluide de process et de l'application. Les rotors sont souvent en acier inoxydable et les roulements en graphite, carbure de tungstène, céramique ou, dans des cas particuliers, en rubis synthétique ou saphir combiné à du carbure de tungstène. Dans tous les cas, les roulements et les arbres sont conçus pour offrir un frottement minimal et une résistance maximale à l'usure. Certaines conceptions résistantes à la corrosion sont fabriquées à partir de matériaux plastiques tels que le PVC.
Les petits débitmètres à turbine sont souvent appelés turbines à barre car, dans des tailles allant de 3/4 pouce à 3 pouces, ils sont usinés à partir de barres hexagonales en acier inoxydable. La turbine est suspendue par un palier entre deux ensembles de suspension qui servent également à conditionner le débit. Cette conception est adaptée à la haute pression (jusqu'à 5 000 psig).
Semblable à un débitmètre à pression différentielle à tube de Pitot, le débitmètre à turbine à insertion est un dispositif à vitesse ponctuelle. Il est conçu pour être inséré dans une conduite de liquide ou de gaz à une profondeur à laquelle le rotor de petit diamètre lira la vitesse moyenne dans la conduite. Comme ils sont très sensibles au profil de vitesse du flux, ils doivent être profilés en plusieurs points du trajet d'écoulement.
Les débitmètres à turbine à insertion peuvent être conçus pour des applications de gaz (rotor petit et léger) ou liquides (rotor plus grand, roulements lubrifiés à l'eau). Ils sont souvent utilisés dans les pipelines de grand diamètre où l'installation d'un débitmètre de taille normale serait trop coûteuse. Ils peuvent être raccordés à chaud à des pipelines existants (6 pouces ou plus) grâce à un système de vannes sans interrompre le processus. La précision typique d'un débitmètre à turbine à insertion est de 1 % de FS, et la vitesse d'écoulement minimale est d'environ 0,2 ft/sec.
Précision des débitmètres à turbine
La figure 2 montre une courbe d'étalonnage typique d'un débitmètre à turbine décrivant la relation entre le débit et le facteur K (impulsions/gallon). La précision des débitmètres à turbine est généralement exprimée en pourcentage du débit réel (% AR). Ce débitmètre particulier a une bande de tolérance de linéarité de ±0,25 % sur une plage de débit de 10:1 et une linéarité de ±0,15 % sur une plage de 6:1. La répétabilité est comprise entre ±0,2 % et ±0,02 % sur la plage linéaire.
Figure 2 : Courbe d'étalonnage type d'un débitmètre à turbine En raison de légères irrégularités dans le processus de fabrication, tous les débitmètres à turbine sont étalonnés avant leur expédition. Le facteur K résultant en impulsions par unité de volume variera dans les limites de la spécification de linéarité indiquée. Il est toutefois possible d'enregistrer plusieurs facteurs K pour différentes portions de la plage de débit et de passer électroniquement de l'un à l'autre lorsque le débit mesuré change. Naturellement, le facteur K ne s'applique qu'au fluide pour lequel le débitmètre a été calibré.
Les débitmètres à turbine Barstock sont généralement linéaires à ±0,25 % AR sur une plage de débit de 10:1. La linéarité des compteurs plus grands est de ±0,5 % AR sur une plage de débit de 10:1. Les compteurs à turbine présentent une non-linéarité typique (la bosse du compteur à turbine, illustrée au schéma 2) dans les 25 à 30 % inférieurs de leur plage. En maintenant la lecture du débit minimum au-dessus de cette région, la linéarité sera de 0,15 % pour les petits débitmètres à turbine et de 0,25 % pour les plus grands. Si la plage de 10:1 est insuffisante, certains débitmètres à turbine peuvent fournir des réductions allant jusqu'à 100:1 si la précision est réduite à 1 % de FS.
Sizing and Selection
Les débitmètres à turbine doivent être dimensionnés de manière à ce que le débit moyen prévu se situe entre 60 % et 75 % de la capacité maximale du débitmètre. Si le tuyau est surdimensionné (avec une vitesse d'écoulement inférieure à 1 pi/sec), il convient de sélectionner un capteur à effet Hall et d'utiliser un débitmètre plus petit que la taille de la conduite. Les vitesses d'écoulement inférieures à 1 pi/sec peuvent être insuffisantes, tandis que les vitesses supérieures à 10 pi/sec peuvent entraîner une usure excessive. La plupart des débitmètres à turbine sont conçus pour des vitesses maximales de 30 pi/sec.
Les débitmètres à turbine doivent être dimensionnés pour une chute de pression comprise entre 3 et 5 psid au débit maximal. Comme la perte de charge augmente avec le carré du débit, le fait de réduire la taille du débitmètre à la taille inférieure suivante augmentera considérablement la perte de charge.
La viscosité affecte la précision et la linéarité des débitmètres à turbine. Il est donc important d'étalonner le débitmètre pour le fluide spécifique qu'il est destiné à mesurer. La répétabilité n'est généralement pas très affectée par les variations de viscosité, et les débitmètres à turbine sont souvent utilisés pour contrôler le débit de liquides visqueux. En général, les débitmètres à turbine fonctionnent bien si le nombre de Reynolds est supérieur à 4 000 et inférieur ou égal à 20 000.
Comme elle affecte la viscosité, la variation de température peut également nuire à la précision et doit être compensée ou contrôlée. La température de fonctionnement du débitmètre à turbine varie de -200 à 450 °C (-328 à 840 °F).
Les variations de densité n'ont pas d'incidence significative sur les débitmètres à turbine. Pour les liquides à faible densité (SG < 0,7), le débit minimal est augmenté en raison de la réduction du couple, mais la précision du débitmètre n'est généralement pas affectée.
Installation et accessoires
Les débitmètres à turbine sont sensibles à la géométrie de la tuyauterie en amont, qui peut provoquer des tourbillons et des écoulements tourbillonnaires. Les spécifications techniques exigent 10 à 15 diamètres de conduite droite en amont et cinq diamètres de conduite droite en aval du débitmètre. Cependant, la présence de l'un des obstacles suivants en amont nécessiterait une conduite droite en amont de plus de 15 diamètres.
- 20 diamètres pour un coude à 90°, un té, un filtre, une crépine ou une sonde thermométrique
- 25 diamètres pour une soupape partiellement ouverte ; et
- 50 diamètres ou plus s'il y a deux coudes dans des plans différents ou si le débit est en spirale ou en tire-bouchon.
Afin de réduire cette exigence de section droite, des ailettes redressantes sont installées. Des faisceaux de tubes ou des éléments à ailettes radiales sont utilisés comme redresseurs de débit externes situés à au moins 5 diamètres en amont du compteur (Figure 3).
Figure 3 : Les redresseurs d'écoulement réduisent les longueurs de tuyaux droits Dans certaines conditions, la chute de pression à travers la turbine peut provoquer un flashage ou une cavitation. Le premier provoque une mesure haute du compteur, le second entraîne des dommages au rotor. Pour éviter cela, la pression en aval doit être maintenue à une valeur égale à 1,25 fois la pression de vapeur plus deux fois la chute de pression. De petites quantités d'air entraîné (100 mg/l ou moins) entraîneront seulement une légère surestimation des mesures, tandis que de grandes quantités peuvent détruire le rotor.
Les débitmètres à turbine peuvent également être endommagés par des solides entraînés dans le fluide. Si la quantité de solides en suspension dépasse 100 mg/l de taille supérieure à 75 microns, un filtre en Y à rinçage ou un filtre à cartouche motorisé doit être installé à au moins 20 diamètres de ligne droite en amont du débitmètre.
Nouveaux développements
Les turbines à liquide à double rotor augmentent la plage de fonctionnement dans les applications à petite taille de conduite (moins de 2 pouces). Les deux rotors tournent dans des directions opposées. Le rotor avant agit comme un conditionneur, dirigeant le débit vers le rotor arrière. Les rotors se verrouillent hydrauliquement et continuent à tourner même lorsque le débit diminue jusqu'à des débits très faibles.
La linéarité d'un débitmètre à turbine est affectée par le profil de vitesse (souvent dicté par l'installation), la viscosité et la température. Il est désormais possible d'inclure des fonctions de linéarisation complexes dans le préamplificateur d'un débitmètre à turbine afin de réduire ces non-linéarités. De plus, les progrès de la technologie des bus de terrain permettent de recalibrer en continu les débitmètres à turbine, corrigeant ainsi les variations de température et de viscosité.
Les calculateurs de débit sont capables d'effectuer la linéarité, la compensation automatique de température, le dosage, le calcul de la teneur en BTU, l'acquisition de données et le stockage de plusieurs facteurs K. Le contrôleur de dosage est réglé sur le volume cible souhaité et, lorsque son totalisateur est arrivé à zéro, il met fin au dosage. Ces ensembles sont équipés de circuits de débit goutte à goutte, d'alerte préalable ou de coupure goutte à goutte. Qu'elles fonctionnent par contact relais ou par rampe, ces fonctionnalités permettent de minimiser les éclaboussures ou les débordements et de terminer le dosage avec précision.
Compteurs à turbine à gaz et à dérivation
Les compteurs à gaz compensent le couple moteur plus faible produit par la densité relativement faible des gaz. Cette compensation est obtenue grâce à des moyeux de rotor très grands, des ensembles de rotor très légers et un nombre plus important d'ailettes de rotor. Les débitmètres à turbine à gaz sont disponibles dans des tailles allant de 2 à 12 pouces et avec des débits nominaux allant jusqu'à 150 000 pieds cubes/heure. Lorsqu'ils fonctionnent à des pressions de gaz élevées (1 400 psig), les débitmètres de plus grande taille peuvent atteindre une plage de mesure de 100:1. Dans des conditions de pression plus faible, la plage de mesure typique est de 20:1 avec une linéarité de ±1 %. La longueur minimale de conduite droite en amont requise est de 20 diamètres de tuyau.
Les débitmètres à dérivation sont utilisés dans les applications gaz et vapeur. Ils se composent d'un orifice dans la conduite principale et d'un ensemble rotor dans la dérivation. Ces débitmètres sont disponibles dans des tailles de 2 pouces et plus et ont une précision de ±2 % sur une plage de 10:1.
Autres débitmètres rotatifs
Les autres types de débitmètres à élément rotatif comprennent les modèles à hélice (roue à aubes), à dérivation et à roue à aube.
Les compteurs à hélice sont couramment utilisés dans les systèmes d'irrigation et de distribution d'eau de grand diamètre (plus de 4 pouces). Leur principal compromis est leur faible coût et leur faible précision (figure 4-A). La norme AWWA C-704 fixe le critère de précision des compteurs à hélice à 2 % de la lecture. Les débitmètres à hélice ont une plage de mesure d'environ 4:1 et affichent des performances très médiocres si la vitesse descend en dessous de 1,5 pi/sec. La plupart des débitmètres à hélice sont équipés de registres mécaniques. Les exigences en matière d'usure mécanique, de redressement et de conditionnement sont les mêmes que pour les débitmètres à turbine.
Figure 4 : Conceptions de débitmètres rotatifs Les débitmètres de roue à aube utilisent un rotor dont l'axe de rotation est parallèle à la direction du flux (Schéma 4-B). La plupart des débitmètres à roue à aubes ont des rotors à pales plates et sont intrinsèquement bidirectionnels. Cependant, plusieurs fabricants utilisent des rotors courbés qui ne tournent que dans le sens avant. Pour les tuyaux plus petits (1/2" à 3"), ces débitmètres ne sont disponibles qu'avec une profondeur d'insertion fixe, tandis que pour les tuyaux plus grands (4" à 48"), des profondeurs d'insertion réglables sont disponibles. L'utilisation de capteurs à couplage capacitif ou à effet Hall étend la plage des débitmètres à roue à aubes à la zone de faible vitesse d'écoulement de 0,3 pi/sec.
Les débitmètres à faible débit (généralement inférieurs à 1 pouce) sont équipés d'un petit orifice à jet qui projette le fluide sur une roue Pelton. En variant le diamètre et la forme de l'orifice du jet, on obtient la plage de débit requise et un débitmètre précis à 1 % de FS avec une plage de mesure de 100:1. Une précision élevée peut être obtenue en effectuant l'étalonnage du débitmètre et en réduisant sa plage de mesure. En raison de la petite taille de l'orifice du jet, ces débitmètres ne peuvent être utilisés qu'avec des liquides propres et entraînent une chute de pression d'environ 20 psid. Les matériaux de construction comprennent le polypropylène, le PVDF, le TFE et le PFA, le Laiton, l'Aluminium et l'Acier inoxydable.
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