Un débitmètre à vortex est un type de débitmètre volumétrique qui utilise un phénomène naturel qui se produit lors de l'écoulement d'un liquide autour d'un objet non profilé. Les débitmètres à vortex fonctionnent selon le principe de la formation de tourbillons, où des tourbillons (ou remous) se forment alternativement en aval de l'objet. La fréquence de formation des tourbillons est directement proportionnelle à la vitesse du liquide s'écoulant à travers le débitmètre.
Les débitmètres à vortex sont particulièrement adaptés aux mesures de débit où l'introduction de pièces mobiles pose problème. Ils sont disponibles en version industrielle, en laiton ou entièrement en plastique. Ils sont peu sensibles aux variations des conditions de processus et, en l'absence de pièces mobiles, leur usure est relativement faible par rapport à d'autres types de débitmètres.
Historique de la formation des tourbillons
Theodor von Karman, alors qu'il pêchait dans les torrents des Alpes transylvaniennes, a découvert que lors de la présence d'un objet non profilé (également appelé corps non aérodynamique) dans le trajet d'un débit rapide, le fluide se sépare alternativement de l'objet sur ses deux côtés aval et, à mesure que la couche limite se détache et s'enroule sur elle-même, le fluide forme des tourbillons (également appelés remous ou tourbillons). Il a également remarqué que la distance entre les tourbillons était constante et dépendait uniquement de la taille de la roche qui les formait.
Du côté du corps abrupt où se forme le tourbillon, la vitesse du fluide est plus élevée et la pression est plus faible. À mesure que le tourbillon se déplace vers l'aval, il gagne en force et en taille, puis finit par se détacher ou se disloquer. Un tourbillon se forme alors de l'autre côté du corps abrupt (Figure 1). Les tourbillons alternés sont espacés à distances égales.
Figure 1 : Calcul de la vitesse d'écoulement à l'aide d'un débitmètre à vortex Le phénomène de vortex peut être observé lorsque le vent souffle sur un mât (qui agit comme un corps non aérodynamique) ; c'est ce qui provoque les ondulations régulières que l'on voit sur un drapeau. Des tourbillons se forment également autour des piliers de pont, des pieux, des supports de plates-formes de forage offshore et des immeubles de grande hauteur. Les forces causées par le phénomène de formation de tourbillons doivent être prises en compte lors de la conception de ces structures. Dans un système de tuyauterie fermé, l'effet vortex se dissipe à quelques diamètres de tuyau en aval du corps non aérodynamique et ne cause aucun dommage.
Conception du débitmètre à vortex
Un débitmètre à vortex est généralement fabriqué en acier inoxydable 316 ou en Hastelloy et comprend un corps non aérodynamique, un ensemble de capteurs à vortex et les composants électroniques du transmetteur, bien que ces derniers puissent également être montés à distance (figure 2). Ils sont généralement disponibles dans des tailles de bride allant de ½ pouce à 12 pouces. Le coût d'installation des débitmètres à vortex est compétitif par rapport à celui des débitmètres à orifice de moins de six pouces. Les débitmètres à corps wafer (sans bride) sont les moins coûteux, tandis que les débitmètres à bride sont préférables si le fluide de process est dangereux ou à haute température.
Figure 2 : Capteur de détection de tourbillons Les formes (carrées, rectangulaires, en T, trapézoïdales) et les dimensions des corps de déviation ont été testées afin d'obtenir les caractéristiques souhaitées. Les tests ont montré que la linéarité, la limitation du faible nombre de Reynolds et la sensibilité à la distorsion du profil de vitesse ne varient que légèrement en fonction de la forme du corps non aérodynamique. En termes de taille, le corps non aérodynamique doit avoir une largeur suffisamment importante par rapport au diamètre du tuyau pour que l'ensemble du flux participe au détachement. Deuxièmement, le corps non aérodynamique doit avoir des bords saillants sur la face amont afin de fixer les lignes de séparation du flux, quel que soit le débit. Troisièmement, la longueur du corps non aérodynamique dans le sens de l'écoulement doit être un certain multiple de la largeur du corps non aérodynamique.
Aujourd'hui, la majorité des débitmètres à vortex utilisent des capteurs piézoélectriques ou de type capacitif pour détecter l'oscillation de pression autour du corps non aérodynamique. Ces détecteurs réagissent à l'oscillation de pression par un signal de sortie à basse tension qui a la même fréquence que l'oscillation. Ces capteurs sont modulaires, peu coûteux, faciles à remplacer et peuvent fonctionner dans une large plage de températures, des liquides cryogéniques à la vapeur surchauffée. Les capteurs peuvent être situés à l'intérieur ou à l'extérieur du corps du débitmètre. Les capteurs en contact avec le fluide sont directement soumis aux fluctuations de pression des tourbillons et sont enfermés dans des boîtiers renforcés pour résister aux effets de la corrosion et de l'érosion.
Les capteurs externes, généralement des jauges de contrainte piézoélectriques, détectent indirectement le détachement des tourbillons grâce à la force exercée sur la barre de détachement. Les capteurs externes sont préférés dans les applications hautement érosives/corrosives afin de réduire les coûts d'entretien & service, tandis que les capteurs internes offrent une meilleure gamme de mesure (meilleure sensibilité au débit). Ils sont également moins sensibles aux vibrations des tuyaux. Le boîtier électronique est généralement classé comme résistant aux explosions et aux intempéries, et contient le module émetteur électronique, les connexions de terminaison et, en option, un indicateur de débit et/ou un totalisateur.
Types de débitmètres à vortex
Les débitmètres à vortex intelligents fournissent un signal de sortie numérique contenant plus d'informations que le simple débit. Le microprocesseur du débitmètre peut corriger automatiquement les conditions de tuyaux droits insuffisants, les différences entre le diamètre intérieur et celui du tuyau correspondant, la dilatation thermique du corps de déviation et les changements du facteur K lorsque le nombre de Reynolds tombe en dessous de 10 000.
Les transmetteurs intelligents sont également équipés de sous-programmes de diagnostic pour signaler les défauts des composants ou autres. Les transmetteurs intelligents peuvent lancer des routines de test pour identifier les problèmes liés au débitmètre et à l'application. Ces tests à la demande peuvent également faciliter la vérification ISO 9000.
Certains débitmètres à vortex peuvent détecter le débit massique. L'un de ces modèles mesure simultanément la fréquence et la force des impulsions du vortex. À partir de ces mesures, il est possible de déterminer la densité du fluide de process et de calculer le débit massique avec une précision de 2 % de la plage.
Une autre conception est équipée de plusieurs capteurs qui détectent non seulement la fréquence des tourbillons, mais aussi la température et la pression du fluide de process. À partir de ces données, elle détermine à la fois la densité et le débit massique. Ce débitmètre offre une précision de 1,25 % pour la mesure du débit massique des liquides et de 2 % pour les gaz et la vapeur. Si la connaissance de la pression et de la température du processus est utile pour d'autres motifs, ce débitmètre offre une alternative pratique et moins coûteuse à l'installation de transmetteurs séparés.
Précision et gamme de mesure
Comme le nombre de Reynolds diminue lorsque la viscosité augmente, la gamme de mesure du débitmètre à vortex diminue également lorsque la viscosité augmente. La limite maximale de viscosité, en fonction de la précision et de la gamme admissibles, se situe entre 8 et 30 centipoises. On peut s'attendre à une capacité de mesure supérieure à 20:1 pour les applications gaz et vapeur et supérieure à 10:1 pour les applications liquides à faible viscosité si le débitmètre à vortex a été correctement dimensionné pour l'application.
L'imprécision de la plupart des débitmètres à vortex est de 0,5 à 1 % du débit pour des nombres de Reynolds supérieurs à 30 000. Lorsque le nombre de Reynolds diminue, l'erreur de mesure augmente. Pour des nombres de Reynolds inférieurs à 10 000, l'erreur peut atteindre 10 % du débit réel.
Alors que la plupart des débitmètres continuent à fournir une indication à des débits proches de zéro, le débitmètre à vortex est équipé d'un point de coupure. En dessous de ce niveau, la sortie du débitmètre est automatiquement bloquée à zéro (4 mA pour les transmetteurs analogiques). Ce point de coupure correspond à un nombre de Reynolds égal ou inférieur à 10 000. Si le débit minimum à mesurer est au moins deux fois supérieur au débit de coupure, cela ne pose pas de problème. En revanche, cela peut constituer un inconvénient si des informations sur les faibles débits sont souhaitées lors du démarrage, de l'arrêt ou d'autres conditions perturbatrices.
Applications et limites
Les débitmètres à vortex ne sont généralement pas recommandés pour le dosage ou d'autres applications à débit intermittent. En effet, le débit de goutte-à-goutte de la station de dosage peut être inférieur à la limite minimale du nombre de Reynolds du débitmètre. Plus le lot total est petit, plus l'erreur résultante est susceptible d'être importante.
Les gaz à basse pression (faible densité) ne produisent pas d'impulsion de pression suffisamment forte, en particulier si les vitesses des liquides sont faibles. Par conséquent, il est probable que dans de telles applications, la plage de mesure du débitmètre soit médiocre et que les faibles débits ne soient pas mesurables. D'autre part, si une plage de mesure réduite est acceptable et que le débitmètre est correctement dimensionné pour un débit normal, le débitmètre à vortex peut toujours être envisagé.
Si le fluide de process a tendance à se déposer ou à s'accumuler sur le corps non profilé, comme dans le cas des boues et des boues liquides, cela finira par modifier le facteur K du débitmètre. Les débitmètres à vortex ne sont pas recommandés pour de telles applications. Toutefois, si un fluide sale ne contient qu'une quantité modérée de solides non adhérents, l'application est susceptible d'être acceptable. Cela a été démontré par un test de deux ans sur une boue calcaire. À la fin du test, le facteur K n'avait varié que de 0,3 % par rapport à l'étalonnage d'usine d'origine, bien que le corps de déviation et le tube d'écoulement aient été fortement rayés et piqués.
Lors de la mesure d'un écoulement multiphasique (particules solides dans un gaz ou un liquide ; bulles de gaz dans un liquide ; gouttelettes de liquide dans un gaz), la précision du débitmètre à vortex diminue en raison de l'incapacité de l'appareil à différencier les phases. La vapeur humide de mauvaise qualité en est un exemple : la phase liquide doit être dispersée de manière homogène dans la vapeur et les lignes d'écoulement verticales doivent être évitées pour prévenir les coups de bélier. Lorsqu'il s'agit d'un tuyau horizontal, la phase liquide est susceptible de se déplacer au fond du tuyau. Il convient donc de laisser la partie inférieure du tuyau ouverte. Pour ce faire, il suffit d'installer le corps non profilé à l'horizontale. L'imprécision de mesure dans de telles applications est d'environ 5 % du débit réel, mais avec une bonne répétabilité.
La perte de charge permanente à travers un débitmètre à vortex est environ la moitié de celle d'une plaque à orifice, soit environ deux hauteurs de vitesse. (Une hauteur de vitesse est définie comme V2/g, où V est la vitesse d'écoulement et g est la constante gravitationnelle en unités cohérentes.) Si le tuyau et le débitmètre sont correctement dimensionnés et de même taille, la chute de pression ne devrait être que de quelques psi. Cependant, la réduction de la taille (installation d'un débitmètre plus petit que la taille de la conduite) afin d'augmenter le nombre de Reynolds peut augmenter la perte de charge à plus de 10 psi. Il faut également s'assurer que la pression de la veine contractée ne tombe pas en dessous de la pression de vapeur du fluide de process, car cela provoquerait une cavitation. Naturellement, si la contre-pression sur le débitmètre est inférieure à la pression de vapeur, le fluide de process s'évaporera instantanément et la lecture du débitmètre n'aura plus de sens.
Les principaux avantages des débitmètres à vortex sont leur faible sensibilité aux variations des conditions de process et leur faible usure par rapport aux débitmètres à orifice ou à turbine. De plus, leurs coûts d'acquisition et d'entretien & service sont bas. Pour ces raisons, ils sont de plus en plus appréciés par les utilisateurs.
Recommandations d'installation
Lors de l'installation d'un débitmètre à vortex dans un processus existant où la plage de débit n'est pas connue, il est recommandé de commencer par effectuer quelques mesures approximatives (à l'aide de tubes de Pitot ou des appareils à ultrasons À fixation). Sinon, rien ne garantit que le débitmètre à vortex fonctionnera correctement.
Le débitmètre à vortex nécessite un profil de vitesse d'écoulement bien développé et symétrique, exempt de toute distorsion ou tourbillon. Cela nécessite l'utilisation de tuyaux droits en amont et en aval pour conditionner le débit. La longueur droite de la conduite doit être de la même taille que le débitmètre (Schéma 3) et sa longueur doit être à peu près la même que celle requise pour une installation à orifice avec un rapport bêta de 0,7. La plupart des fabricants de débitmètres à vortex recommandent un minimum de 30 diamètres de conduite en aval des vannes de régulation et 3 à 4 diamètres de conduite entre le débitmètre et les prises de pression en aval. Les éléments de température doivent être petits et situés à 5 ou 6 diamètres en aval.
Figure 3 : Recommandations d'installation Environ la moitié des installations de débitmètres à vortex nécessitent le « rétrécissement » des tuyaux de process surdimensionnés à l'aide de réducteurs et d'expandeurs concentriques. Même si des redresseurs de flux sont installés, des tuyaux droits (de détente) seront tout de même obligatoires.
Les débitmètres à vortex peuvent être installés verticalement, horizontalement ou à n'importe quel angle s'ils sont maintenus immergés. Le débitmètre peut être maintenu immergé en l'installant dans une conduite à écoulement vertical ascendant (Figure 3-B). Lors de l'installation du débitmètre dans une conduite à écoulement descendant (Figure 3-C) ou horizontal (Figure 3-D), la tuyauterie en aval doit être maintenue surélevée. Des clapets anti-retour peuvent être utilisés pour maintenir la tuyauterie remplie de liquide en l'absence d'écoulement. Des vannes d'arrêt et de dérivation sont obligatoires si le remplacement du capteur dans une conception particulière nécessite l'arrêt du débit et l'ouverture du processus.
Les brides d'accouplement (sur la tuyauterie d'accouplement schedule 40 ou schedule 80) doivent avoir le même diamètre et le même alésage lisse que le débitmètre. Les brides à collerette soudée sont préférables et les brides réductrices ne doivent pas être utilisées. La surface intérieure du tuyau d'accouplement doit être exempte de calamine, de piqûres, de trous, de rayures et de bosses sur une distance de 4 diamètres en amont et de 2 diamètres en aval du débitmètre. Les alésages du débitmètre, les joints et les tuyaux adjacents doivent être soigneusement alignés afin d'éliminer toute obstruction ou marche.
Les vibrations excessives des tuyaux peuvent être éliminées en soutenant la tuyauterie des deux côtés du débitmètre ou en tournant le débitmètre de manière à ce que le capteur soit déplacé hors du plan de vibration. Le bruit de processus dû au cliquetis des vannes, aux purgeurs de vapeur ou aux pompes peut entraîner des mesures hautes ou des mesures non nulles dans des conditions de débit nul. La plupart des composants électroniques des compteurs permettent d'augmenter les paramètres du filtre antibruit, mais une réduction accrue du bruit diminue généralement la sensibilité du compteur aux faibles débits. Une option consiste à déplacer le compteur vers une partie moins bruyante du processus.
Dimensionnement et plage de mesure
La fréquence de détachement des tourbillons est directement proportionnelle à la vitesse du fluide dans la conduite, et donc au débit volumétrique. La fréquence de détachement est indépendante des propriétés des liquides telles que la densité, la viscosité, la conductivité, etc., sauf que le débit doit être turbulent pour que le détachement des tourbillons se produise. La relation entre la fréquence des tourbillons et la vitesse du fluide est la suivante :
St = f(d/V)
Où St est le nombre de Strouhal, f est la fréquence de détachement des tourbillons, d est la largeur du corps non aérodynamique et V est la vitesse moyenne du fluide. La valeur du nombre de Strouhal est déterminée expérimentalement et s'avère généralement constante sur une large gamme de nombres de Reynolds. Le nombre de Strouhal représente le rapport entre l'intervalle entre le détachement des tourbillons (l) et la largeur du corps non aérodynamique (d), qui est d'environ six (figure 4). Le nombre de Strouhal est un facteur d'étalonnage sans dimension utilisé pour caractériser divers corps non aérodynamiques. Si leur nombre de Strouhal est identique, deux corps non aérodynamiques différents auront alors un comportement similaire.
Figure 4 : Calcul de la vitesse d'écoulement à l'aide d'un débitmètre à vortex Étant donné que le débit volumétrique Q est le produit de la vitesse moyenne du fluide et de la section transversale disponible pour l'écoulement (A) :
Q = AV = (A f d B)/St
où B est le facteur de blocage, défini comme la surface ouverte laissée par le corps tronqué divisée par la surface totale du tuyau. Cette équation peut à son tour être réécrite comme suit :
Q = fK
où K est le coefficient du compteur, égal au produit (A f d B). Comme pour les turbines et autres débitmètres à fréquence, le facteur K peut être défini comme le nombre d'impulsions par unité de volume (impulsions par gallon, impulsions par pied cube, etc.). Il est donc possible de déterminer le débit en comptant les impulsions par unité de temps. Les fréquences des tourbillons varient de une à plusieurs milliers d'impulsions par seconde, en fonction de la vitesse d'écoulement, des caractéristiques du fluide et de la taille du débitmètre. Dans les applications gazières, les fréquences sont environ 10 fois plus élevées que dans les applications liquides.
Le facteur K est déterminé par le fabricant, généralement par étalonnage à l'eau dans un laboratoire d'écoulement. Comme le facteur K est le même pour les applications liquides, gazeuses et vapeur, la valeur déterminée à partir d'un étalonnage à l'eau est valable pour tout autre fluide. Le facteur d'étalonnage (K) à des nombres de Reynolds modérés n'est pas sensible à la netteté des bords ou à d'autres changements dimensionnels qui affectent les débitmètres à orifice à bords carrés.
Bien que les équations des débitmètres à vortex soient relativement simples par rapport à celles des plaques à orifice, il existe de nombreuses règles et considérations à garder à l'esprit. Les fabricants proposent des logiciels gratuits pour le dimensionnement, dans lesquels l'utilisateur saisit les propriétés du liquide (densité, viscosité et plage de débit souhaitée) et le programme dimensionne automatiquement le débitmètre.
La force générée par l'impulsion de pression vortex est fonction de la densité du liquide multipliée par le carré de la vitesse du liquide. La nécessité d'un débit turbulent et d'une force suffisante pour actionner le capteur détermine l'échelle du débitmètre. Cette force doit être suffisamment élevée pour être distinguable du bruit. Par exemple, un débitmètre à vortex typique de 2 pouces a une échelle de débit d'eau de 12 à 230 gpm. Si la densité ou la viscosité du liquide diffère de celle de l'eau, l'échelle du débitmètre changera.
Afin de minimiser le bruit de mesure, il est important de choisir un débitmètre capable de gérer de manière adéquate les débits minimaux et maximaux du processus à mesurer. Il est recommandé que le débit minimal à mesurer soit au moins deux fois supérieur au débit minimal détectable par le débitmètre. La capacité maximale du débitmètre doit être au moins cinq fois supérieure au débit maximal prévu.
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