Débitmètres et indicateurs visuels de débit
Fonctionnement des débitmètres
Les débitmètres à section variable sont essentiellement des tubes verticaux à section conique interne, montés avec la grande extrémité vers le haut. Un flottant ou un rotor dont le diamètre extérieur est légèrement inférieur au diamètre minimum du tube est placé à l'intérieur de celui-ci. L'espace libre entre le flottant et le tube forme un passage annulaire ou un orifice. Le tube étant conique, la surface de cet orifice est plus grande lorsque le flottant est près du sommet que lors de sa présence près du fond. En connectant le tube à une conduite d'écoulement de fluide de manière à ce que le sens de débit soit de bas en haut, le flotteur se déplace vers le haut et est soutenu à un point où l'orifice est juste assez grand pour laisser passer le fluide qui s'écoule dans le système.
Plusieurs forces sont en jeu - La position précise du flotteur dans le tube est déterminée par plusieurs forces qui agissent sur lui. Ces forces sont les suivantes : 1. Le poids du flottant ; 2. La pression dynamique du fluide en débit multipliée par la surface du flottant ; 3. La flottabilité du flottant (poids du volume de fluide déplacé par le flottant) ; 4. La traînée aérodynamique ou hydrodynamique visqueuse du fluide sur le flottant. Le poids du flottant agit vers le bas, tandis que la pression dynamique, la flottabilité et la traînée agissent toutes vers le haut.
Lecture et échelles - En rendant le tube transparent afin que la position du flotteur soit visible et en ajoutant une échelle sur le côté, nous pouvons « lire » la position du flotteur en termes de chiffres sur l'échelle. Ces chiffres peuvent être de deux types : 1. De nature arbitraire (ils ne signifient rien en eux-mêmes, mais prennent tout leur sens lorsqu'ils sont comparés à une courbe d'étalonnage) ou : 2. Ils peuvent être préétalonnés pour une lecture directe, afin d'indiquer le débit volumique réel (en cfm, cc par minute, etc.) du fluide pour lequel le débitmètre est étalonné.
Facteurs limitants - Bien que la relation de base décrite ci-dessus soit linéaire, certaines propriétés des fluides ont tendance à modifier cette relation. Ces changements sont accentués lorsque l'orifice variable formé entre le flotteur et le tube devient très grand ou très petit. Par exemple...
Vitesse sonique - Où l'orifice est particulièrement grand et combiné à un flottant lourd, les vitesses du gaz ou d'un autre liquide à travers la zone de l'orifice peuvent approcher la vitesse sonique. Dans cette plage de vitesses, les ondes de choc réfléchies rendent le flottant instable, et celui-ci va généralement osciller d'un côté à l'autre et de haut en bas dans l'alésage. Au mieux, cette situation rend impossible toute mesure et, au pire, peut même détruire le débitmètre. L'ajout de guides d'écoulement (intégrés à certains débitmètres Dwyer Rate-Master®) peut souvent améliorer la stabilité et les performances du système en canalisant le débit en plusieurs flux qui égalisent les effets dynamiques et empêchent l'oscillation du flotteur. Cela a pour nouvel effet de repousser la limite de fonctionnement satisfaisant vers le haut, développant ainsi la plage et la précision que nous pouvons atteindre avec n'importe quel tube de débitmètre.
Écoulement laminaire - Dans les débitmètres où la surface de l'orifice est extrêmement petite, les conditions entraînent un écoulement régulier, ou laminaire. D'autres facteurs contribuent à la transition vers un écoulement laminaire, notamment une faible vitesse (souvent associée à un flotteur léger), une faible densité ou gravité spécifique et une viscosité élevée du fluide en écoulement. Lorsque les conditions d'écoulement laminaire prévalent, une échelle considérablement élargie est généralement nécessaire. Les débitmètres fonctionnant dans la zone d'écoulement laminaire sont très difficiles à fabriquer et à étalonner avec le degré de précision généralement attendu des débitmètres à section variable.
Débit turbulent - La plupart des débitmètres à section variable fonctionnent dans la plage d'écoulement turbulent qui se produit en dessous des vitesses soniques et au-dessus de la plage d'écoulement laminaire. Dans un écoulement turbulent, les particules du fluide en écoulement se déplacent de manière aléatoire dans le courant, plutôt que sous forme d'ondes de choc violentes comme dans un écoulement sonique ou de trajectoires parallèles très régulières comme dans un écoulement laminaire. Dans un débit turbulent, les variables suivent les relations indiquées dans les courbes. Ces courbes sont assez précises pour de petits changements de pression et de densité. Pour les variations importantes ou lorsqu'il y a un changement de viscosité, il est préférable de faire recalibrer le débitmètre en fonction des conditions spécifiques dans lesquelles il sera utilisé.
Nombres de Reynolds - Les nombres de Reynolds sont utiles pour étudier le comportement des liquides et permettent de distinguer facilement un écoulement laminaire d'un écoulement turbulent. Le nombre de Reynolds d'un système d'écoulement de liquide est décrit comme un indice sans dimension. Il est équivalent au diamètre de l'orifice en pieds multiplié par la vitesse moyenne du liquide en pieds par seconde multiplié par la densité du liquide en livres par pied cube divisé par la viscosité absolue en livres par seconde pied. Un système fonctionnant avec un nombre de Reynolds inférieur à 2000 est considéré comme soumis à un écoulement laminaire, tandis que les nombres de Reynolds supérieurs à 3000 se situent clairement dans la zone de débit turbulent.
Fonctionnement des indicateurs de débit à voyant
Un indicateur de débit à voyant se compose essentiellement d'un petit boîtier équipé d'une fenêtre en verre qui est inséré dans un tuyau afin d'observer le débit du liquide dans le tuyau. Pour améliorer la visibilité du débit, un rotor est souvent intégré dans le débit afin que le fluide qui frappe les ailettes du rotor le fasse tourner. Le rotor facilite également la détection des débits bas et permet de voir le débit à distance. De plus, la vitesse de rotation donne une indication relative de la vitesse du débit. Les indicateurs de débit Midwest sont également disponibles avec des clapets à charnière au lieu de rotors pour indiquer un débit bidirectionnel.
Les indicateurs de débit peuvent être équipés d'une seule fenêtre à l'avant de l'indicateur ou de deux fenêtres, une à l'avant et une à l'arrière de l'indicateur. Les modèles à double fenêtre sont les plus adaptés pour observer la clarté ou la couleur d'un liquide. Les modèles à fenêtre unique de Midwest sont toujours équipés de rotors afin de permettre l'observation des débits de fluides clairs au moindre coût.Les indicateurs de débit à tube vertical se composent d'un tube en verre transparent, d'un diamètre égal ou supérieur à celui du tuyau dans lequel il est inséré, et sont utilisés pour observer les débits élevés dans les tuyaux verticaux. Ces unités ne comportent pas de rotors ni d'autres types de dispositifs de détection. Elles n'offrent donc aucune résistance significative au débit et présentent ainsi la perte de charge la plus faible de tous les types d'indicateurs de débit à voyant. Les indicateurs de débit à voyant Midwest sont disponibles avec des matériaux spéciaux pour répondre à diverses applications. Des matériaux optionnels sont disponibles pour les joints d'étanchéité, les rotors et les boîtiers ou brides.
Vertical tube-type sight flow indicators consist of a clear glass tube, equal to or greater than the diameter of the pipe into which it is inserted, and are utilized to observe high flow rates in vertical pipe runs. No spinners or other type of detection devices are incorporated in these units. As a result, they offer no significant resistance to flow and therefore provide the lowest pressure drop of any type sight flow indicator.
Midwest Sight Flow Indicators are available with special materials to meet various applications. Optional materials are available for the sealing gaskets, spinners, and housings or flanges.
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