Un débitmètre à section variable (Figure 1) est un type de débitmètre à pression différentielle (d/p). Les débitmètres à section variable sont des appareils simples et polyvalents qui fonctionnent à une perte de charge relativement constante et permettent de mesurer le débit de liquides, de gaz et de vapeur.
Figure 1 : Plusieurs conceptions de débitmètres à section variable Le débitmètre à section variable est très utilisé dans l'industrie pour mesurer le débit, car il dispose d'une échelle linéaire, d'une plage de mesure relativement longue et d'une faible perte de charge. De plus, il est très simple à installer et à entretenir.
Les débitmètres à surface variable, comme tous les autres types de 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.
Fonctionnement des débitmètres à surface variable
La position du flotteur, du piston ou de l'ailette en ligne du débitmètre à surface variable est modifiée à mesure que l'augmentation du débit ouvre une plus grande section pour laisser passer le fluide. La position du flotteur, piston ou de l'ailette fournit une indication visuelle directe du débit. Les variations de conception comprennent le rotamètre (un flottant dans un tube conique), la combinaison orifice/rotamètre (rotamètre à dérivation), la vanne à canal ouvert, le bouchon conique et les modèles à ailette ou à piston.
La force de gravité ou un ressort est utilisé pour ramener l'élément de débit à sa position de repos lorsque le débit diminue. Les débitmètres à gravité (rotamètres) doivent être installés en position verticale, tandis que ceux à ressort peuvent être montés dans n'importe quelle position. Tous les débitmètres à section variable sont disponibles avec des indicateurs locaux. La plupart peuvent également être équipés de capteurs de position et de transmetteurs (pneumatiques, électroniques, numériques ou à fibre optique) pour se connecter à des affichages ou des commandes à distance.
Principe de fonctionnement du débitmètre à surface variable
Le fonctionnement du débitmètre à surface variable repose sur le principe de la zone variable : le débit du liquide soulève un flottant dans un tube conique, augmentant ainsi la section de passage du liquide. Plus le débit est important, plus le flottant est soulevé. La hauteur du flottant est directement proportionnelle au débit. Avec les liquides, le flottant est soulevé par la combinaison de la flottabilité du liquide et de la hauteur de chute du fluide. Avec un débit de gaz, la flottabilité est négligeable et le flottant réagit uniquement à la hauteur de chute. Le flotteur se déplace vers le haut ou vers le bas dans le tube proportionnellement au débit du fluide et à la section annulaire entre le flotteur et la paroi du tube. Le flotteur atteint une position stable dans le tube lorsque la force ascendante exercée par le fluide en écoulement est égale à la force gravitationnelle descendante exercée par le poids du flotteur. Une variation du débit perturbe cet équilibre des forces. Le flotteur se déplace alors vers le haut ou vers le bas, modifiant la surface annulaire jusqu'à ce qu'il atteigne à nouveau une position où les forces sont en équilibre. Pour satisfaire l'équation des forces, le flotteur du débitmètre à surface variable prend une position distincte pour chaque débit constant. Cependant, il est important de noter que, comme la position du flotteur dépend de la gravité, les débitmètres à surface variable doivent être orientés et montés verticalement.
Régulateurs de débit de purge
Si une vanne à pointeau est placée à l'entrée ou à la sortie d'un Rotamètre et qu'un régulateur d/p contrôle la différence de pression à travers cette combinaison, on obtient un régulateur de débit de purge. Ces ensembles d'instruments sont utilisés comme débitmètres de purge autonomes (schema 2). Ils font partie des débitmètres les plus largement utilisés et sont peu coûteux. Leur principale application consiste à contrôler de petits flux de purge de gaz ou de liquide. Ils sont utilisés pour protéger les instruments contre le contact avec des fluides chauds et corrosifs, pour protéger les prises de pression contre le colmatage, pour protéger la propreté des dispositifs optiques et pour protéger les dispositifs électriques contre l'inflammation au contact de combustibles.
Figure 2 : Conception du débitmètre de purge Les débitmètres de purge sont très utiles pour ajouter de l'azote gazeux dans les espaces vapeur des réservoirs et autres équipements. La purge à l'azote gazeux réduit le risque de formation d'un mélange inflammable, car elle effectue le déplacement des gaz inflammables. Le régulateur de débit de purge est fiable, intrinsèquement sûr et peu coûteux.
Comme le montre le schéma 2, les débitmètres de purge peuvent fonctionner en mode à débit constant, où P 2 – P 0 est maintenu constant à environ 60 à 80 en différentiel H 2 0. Dans les applications de barboteur et de purge, la pression d'entrée (P1) est maintenue constante et la pression de sortie (P 0) est variable. La figure 2 décrit une configuration dans laquelle la pression de sortie (P 0) est maintenue constante et la pression d'entrée (P 1) est variable.
Ils peuvent gérer des débits extrêmement faibles, à partir de 0,01 cc/min pour les liquides et de 0,5 cc/min pour les gaz. La taille la plus courante est un rotamètre à tube en verre avec des connexions de 1/4 pouce (6 mm), une échelle de 0,05 à 0,5 gpm (0,2 à 2,0 lpm) pour l'eau ou de 0,2 à 2,0 scfm (0,3-3,0 cmph) pour l'air. La précision standard est de ±5 % FS sur une échelle de 10:1, et la pression nominale la plus courante est de 150 psig (1 MPa).
Rotamètres
Le rotamètre est le débitmètre à débit variable le plus largement utilisé en raison de son faible coût, de sa simplicité, de sa faible perte de charge, plage de mesure relativement large et sortie linéaire. Son fonctionnement est simple : pour passer à travers le tube conique, le débit du fluide soulève le flotteur. Plus le débit est important, plus le flotteur est soulevé. Dans le service liquide, le flotteur s'élève en raison d'une combinaison de la flottabilité du liquide et de la hauteur de vitesse du fluide. Avec les gaz, la flottabilité est négligeable et le flotteur réagit principalement à la hauteur de vitesse.
Dans un rotamètre (Figure 1), le tube de mesure est monté verticalement, la petite extrémité étant située en bas. Le fluide à mesurer entre par le bas du tube, passe vers le haut autour du flotteur et ressort par le haut. En l'absence de débit, le flotteur repose au fond. Lorsqu'un fluide entre, le flotteur de mesure commence à s'élever.
Le flottant se déplace de haut en bas proportionnellement au débit du liquide et à la surface annulaire entre le flottant et la paroi du tube. Lorsque le flottant monte, la taille de l'ouverture annulaire augmente. À mesure que cette surface augmente, la pression différentielle à travers le flottant diminue. Le flotteur atteint une position stable lorsque la force ascendante exercée par le fluide en écoulement est égale au poids du flotteur. Chaque position du flotteur correspond à un débit particulier pour une densité et une viscosité particulières du fluide. Pour cette raison, il est nécessaire de dimensionner le rotamètre pour chaque application. Lorsqu'il est correctement dimensionné, le débit peut être déterminé en faisant correspondre la position du flotteur à une échelle calibrée à l'extérieur du rotamètre. De nombreux rotamètres sont équipés d'une vanne intégrée permettant de régler manuellement le débit.
Plusieurs formes de flotteurs sont disponibles pour diverses applications. L'un des premiers modèles comportait des fentes qui faisaient tourner le flotteur à des fins de stabilisation et de centrage. C'est parce que ce flotteur tournait que le terme « rotamètre » a été inventé.
Les rotamètres sont généralement fournis avec des données d'étalonnage et une échelle de lecture directe pour l'air ou l'eau (ou les deux). Pour dimensionner un rotamètre pour d'autres services, il faut d'abord convertir le débit réel en un débit standard. Pour les liquides, ce débit standard est l'équivalent en eau en gpm ; pour les gaz, le débit standard est l'équivalent en air en pieds cubes standard par minute (scfm). Les tableaux indiquant les valeurs standard équivalentes en gpm pour l'eau et/ou en scfm pour l'air sont fournis par les fabricants de rotamètres. Les fabricants fournissent également souvent des règles latérales, des nomogrammes ou des logiciels informatiques pour le dimensionnement des rotamètres.
Comment sélectionner un débitmètre à section variable : variantes de conception
Un large choix de matériaux est disponible pour les flotteurs, les garnitures, les joints toriques et les raccords d'extrémité. Les tubes des rotamètres destinés à des applications sûres telles que l'air ou l'eau peuvent être en verre, tandis que, si leur rupture pouvait créer une situation dangereuse, ils sont équipés de tubes métalliques. Les tubes en verre sont les plus courants. Ils sont fabriqués avec précision à partir de verre borosilicaté blindé de sécurité. Les flotteurs sont généralement usinés à partir de verre, de plastique, de métal ou d'acier inoxydable pour résister à la corrosion. Les flotteurs peuvent également être fabriqués en carboloy, en saphir et en tantale. Les raccords d'extrémité sont disponibles en métal ou en plastique. Certains liquides attaquent le tube de mesure en verre, tels que les courants humides ou l'eau à pH élevé supérieure à 194 °F (qui peut ramollir le verre), la soude caustique (qui dissout le verre) et l'acide fluorhydrique (qui attaque le verre).
Les flottants ont un bord tranchant à l'endroit où la lecture doit être observée sur l'échelle montée sur le tube. Pour une meilleure précision de lecture, un Rotamètre à tube en verre doit être installé à hauteur des yeux. L'échelle peut être étalonnée pour une lecture directe de l'air ou de l'eau ou peut lire le pourcentage de la plage. En général, les rotamètres à tube en verre peuvent mesurer des débits allant jusqu'à environ 60 gpm d'eau et 200 scfh d'air.
Un rotamètre à corrélation dispose d'une échelle à partir de laquelle une lecture est prise (Figure 1). Cette lecture est ensuite comparée à un tableau de corrélation pour un gaz ou un liquide donné afin d'obtenir le débit réel en unités techniques. Des graphiques de corrélation sont facilement disponibles pour l'azote, l'oxygène, l'hydrogène, l'hélium, l'argon et le dioxyde de carbone. Bien qu'il ne soit pas aussi pratique qu'un appareil à lecture directe, un débitmètre à corrélation est plus précis. En effet, un appareil à lecture directe n'est précis que pour un gaz ou un liquide spécifique à une température et une pression particulières. Un débitmètre à corrélation peut être utilisé avec une grande variété de liquides et de gaz dans diverses conditions. Dans le même tube, différents débits peuvent être traités en utilisant différents flotteurs.
Les petits débitmètres à tube en verre conviennent pour des pressions allant jusqu'à 500 psig, mais la pression de service maximale d'un grand tube (2 pouces de diamètre) peut être aussi basse que 100 psig. La limite de température pratique est d'environ 400 °F, mais un fonctionnement à une température aussi élevée réduit considérablement la pression de service du tube. En général, il existe une relation linéaire entre la température de fonctionnement et la pression. Les rotamètres à tube en verre sont souvent utilisés dans des applications où plusieurs flux de gaz ou de liquides sont mesurés en même temps ou mélangés dans un collecteur, ou lorsqu'un seul fluide est évacué par plusieurs canaux (figure 3). Les débitmètres à tubes multiples permettent de monter jusqu'à six rotamètres dans le même châssis.
Schéma 3 : Station de rotamètre multitube Le fonctionnement d'un rotamètre sous vide est également possible. Si le rotamètre est équipé d'une soupape, celle-ci doit être placée à la sortie, en haut du compteur. Pour les applications nécessitant une large plage de mesure, un rotamètre à double bille peut être utilisé. Cet instrument est équipé de deux flotteurs à bille : une bille légère (généralement noire) pour indiquer les débits faibles et une bille lourde (généralement blanche) pour indiquer les débits élevés. La bille noire est lue jusqu'à ce qu'elle dépasse l'échelle, puis la bille blanche est lue. L'un de ces instruments a une plage de mesure noire de 235 à 2 350 ml/min et une plage blanche allant jusqu'à 5 000 ml/min.
Pour des pressions et des températures plus élevées, dépassant la plage pratique du verre, des Rotamètres à tube métallique peuvent être utilisés. Ces tubes sont généralement en acier inoxydable et la position du flotteur est détectée par des suiveurs magnétiques avec des lectures à l'extérieur du tube de mesure.
Les rotamètres à tube métallique peuvent être utilisés pour les alcalis chauds et forts, le fluor, l'acide fluorhydrique, l'eau chaude, la vapeur, les boues, les gaz acides, les additifs et les métaux fondus. Ils peuvent également être utilisés dans des applications où des pressions de fonctionnement élevées, des coups de bélier ou d'autres forces pourraient endommager les tubes en verre. Les rotamètres à tube métallique sont disponibles dans des diamètres allant de 3/8 pouce à 4 pouces, peuvent fonctionner à des pressions allant jusqu'à 750 psig, à des températures allant jusqu'à 540 °C (1 000 °F) et peuvent mesurer des débits allant jusqu'à 4 000 gpm d'eau ou 1 300 scfm d'air. Les rotamètres à tube métallique sont facilement disponibles en tant que transmetteurs de débit pour une intégration avec des contrôleurs analogiques ou numériques à distance. Les transmetteurs détectent généralement la position du flotteur par couplage magnétique et sont souvent équipés d'un indicateur externe sous la forme d'une hélice magnétique rotative qui déplace l'aiguille. Le transmetteur peut être à sécurité intrinsèque, basé sur un Microprocesseur, et peut être équipé d'alarmes et d'une sortie d'impulsions pour la totalisation.
Les rotamètres à tube en plastique sont des rotamètres à faible coût, idéaux pour les applications impliquant des liquides corrosifs ou de l'eau déionisée.
Accuracy
Les rotamètres de laboratoire peuvent être étalonnés avec une précision de 0,50 % AR sur une plage de 4:1, tandis que l'imprécision des rotamètres industriels est généralement de 1 à 2 % FS sur une plage de 10:1. Les erreurs des rotamètres à purge et à dérivation sont de l'ordre de 5 %.
Les rotamètres peuvent être utilisés pour régler manuellement les débits en ajustant l'ouverture de la vanne tout en observant l'échelle afin d'établir le débit requis pour le processus. Si les conditions de fonctionnement restent inchangées, les rotamètres peuvent être répétables à 0,25 % près du débit réel.
La plupart des rotamètres sont relativement insensibles aux variations de viscosité. Les plus sensibles sont les très petits rotamètres à flotteur à bille, tandis que les rotamètres plus grands sont moins sensibles aux effets de la viscosité. Les limites de chaque modèle sont publiées par le fabricant (figure 4). La forme du flotteur a une incidence sur la limite de viscosité. Si la limite de viscosité est dépassée, le débit indiqué doit être corrigé en fonction de la viscosité.
Figure 4 : Vitesse maximale du rotamètre Le flotteur étant sensible aux variations de densité du fluide, un rotamètre peut être équipé de deux flotteurs (l'un sensible à la densité, l'autre à la vitesse) et utilisé pour estimer le débit massique. Plus la densité du flotteur est proche de celle du fluide, plus l'effet d'une variation de densité du fluide sur la position du flotteur sera important. Les rotamètres massiques fonctionnent mieux avec des liquides à faible viscosité tels que le jus de sucre brut, l'essence, le kérosène et les hydrocarbures légers.
La précision du rotamètre n'est pas affectée par la configuration de la tuyauterie en amont. Le compteur peut également être installé directement après un coude de tuyau sans effet négatif sur la précision du comptage. Les débitmètres sont intrinsèquement autonettoyants car, lorsque le fluide s'écoule entre la paroi du tube et le flotteur, il produit une action de nettoyage qui tend à empêcher l'accumulation de matières étrangères. Néanmoins, les débitmètres ne doivent être utilisés qu'avec des liquides propres qui ne recouvrent pas le flotteur ou le tube. Les liquides contenant des matières fibreuses, des abrasifs et des particules de grande taille doivent également être évités.
Débitmètres à surface variable Omega
Débitmètres à tube en verre à débit variable
Le débitmètre à section variable de base est du type à tube en verre. Le tube est fabriqué avec précision en verre borosilicaté et le flotteur est usiné avec précision à partir de métal, de verre ou de plastique. L'échelle du débitmètre peut être calibrée pour une lecture directe de l'air ou de l'eau, ou elle peut comporter une échelle permettant de lire un pourcentage de la plage ou une échelle arbitraire à utiliser avec des équations ou des graphiques de conversion. Les débitmètres à section variable à tube en verre avec écran de sécurité sont couramment utilisés dans l'industrie pour mesurer à la fois les liquides et les gaz.
Débitmètres à tube métallique
Les débitmètres à tube métallique sont utilisés dans les applications où une pression de service élevée, une plage de températures élevées, des coups de bélier ou d'autres forces pourraient endommager les tubes de mesure en verre. Les débitmètres à tube métallique peuvent être utilisés pour la plupart des fluides, y compris les liquides et les gaz corrosifs. Ils sont particulièrement adaptés aux applications à vapeur, où les tubes en verre ne peuvent pas être utilisés.
Débitmètres à tube en plastique à débit variable
Les tubes en plastique sont utilisés dans certaines conceptions de débitmètres à section variable en raison de leur faible coût et de leur résistance élevée aux chocs. Ils sont généralement fabriqués en polycarbonate, avec des raccords d'extrémité en métal ou en plastique. Avec des raccords d'extrémité en plastique, il faut veiller lors de l'installation à ne pas déformer les filetages. Des débitmètres entièrement en plastique sont disponibles pour les applications où les pièces en contact avec le fluide ne peuvent pas être en métal, comme dans le cas de l'eau déionisée ou des produits corrosifs.
Autres types de débitmètres à surface variable
Les principaux inconvénients du rotamètre sont son coût relativement élevé pour les grandes tailles et la nécessité de l'installer verticalement (il se peut qu'il n'y ait pas assez d'espace libre). Le coût d'installation d'un grand rotamètre peut être réduit en utilisant un bypass à orifice ou un tube de Pitot en combinaison avec un rotamètre plus petit. Le débitmètre à dérivation de même taille peut être utilisé pour mesurer divers débits, la seule différence entre les applications étant la plaque à orifice et le différentiel qu'elle produit.
Les avantages d'un débitmètre à dérivation comprennent son faible coût ; son principal inconvénient est son imprécision et sa sensibilité à l'accumulation de matière. Les débitmètres à dérivation sont souvent équipés de vannes d'isolement afin de pouvoir être retirés pour entretien & service sans arrêter la ligne de production.
Les débitmètres à bouchon conique sont des débitmètres à surface variable avec un noyau fixe et un piston qui se déplace en fonction du débit. Dans une conception, le mouvement du piston déplace mécaniquement une aiguille, tandis que dans une autre, il déplace magnétiquement un indicateur de débit externe. La deuxième conception est dotée d'un corps métallique pour des applications allant jusqu'à 1 000 psig.
Un débitmètre à section variable de type à vanne ressemble à une vanne papillon. Le débit traversant le débitmètre force une ailette à ressort à tourner, et une connexion mécanique fournit une indication locale du débit. L'imprécision de ces débitmètres est de 2 à 5 % FS. Le débitmètre peut être utilisé pour l'huile, l'eau et l'air, et est disponible dans des tailles allant jusqu'à 4 pouces. Il est également utilisé comme commutateur de débit indicateur dans les systèmes de verrouillage de sécurité.
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