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Tout savoir sur la mesure de débit avec un débitmètre à effet Vortex

Les réponses à vos questions sur la définition, le principe de fonctionnement, installation et maintenance d’un débitmètre Vortex

Vous avez un débit de gaz à mesurer ? La technologie Vortex est l’une des solutions les plus utilisées : découvrez ses avantages.

Benefits

  • Idéal pour les gaz, gaz humide, gaz liquéfié

  • Température ou pression extrême

  • Insensible aux variations de température, pression, masse volumique ou viscosité

Quel est le principe de fonctionnement d’un débitmètre à effet Vortex ?

Ce principe de mesure est basé sur le fait que les tourbillons se forment en aval d'un obstacle dans un écoulement de fluide, soit dans un tuyau, soit dans un canal ouvert. Ce phénomène peut être constaté en observant les tourbillons formés en aval d'un pilier de pont, par exemple (Fig. 1). La fréquence des tourbillons en aval de chaque côté du pilier (corps perturbateur) est proportionnelle à la vitesse moyenne de l'écoulement et donc au débit volumique. Dès 1513, Léonard de Vinci avait esquissé des tourbillons stationnaires en aval des obstacles dans un l'écoulement.

En savoir plus sur les débitmètres à effet Vortex.

Comment fonctionne un débitmètre Vortex ?

En 1878, Strouhal tente de décrire sous forme scientifique les tourbillons qui se forment derrière les éléments perturbateurs. Ses études ont révélé qu'un fil tendu dans un flux d'air oscille. Il a découvert que la fréquence de cette oscillation est proportionnelle à la vitesse du flux d'air. Ce phénomène peut être observé dans une voiture ou une maison : le sifflement du vent est causé par le détachement des tourbillons, et monte ou descend en fonction des changements de vitesse. C'est ce que l'on appelle les "tons éoliens".

Le nombre de Strouhal utilisé dans ce contexte décrit la relation entre la fréquence de détachement du tourbillon, la vitesse d'écoulement et le diamètre du corps perturbateur (voir figure 2) :

Le nombre de Strouhal utilisé dans ce contexte décrit la relation entre la fréquence de déversement du tourbillon, la vitesse d'écoulement et le diamètre du corps de bluff ©Endress+Hauser

St : nombre de Strouhal
v : Vitesse du flux
f : Fréquence d'excitation du tourbillon
d : Diamètre du corps perturbateur

Pourquoi choisir un débitmètre à effet Vortex ?

Les débitmètres Vortex sont réputés pour être robustes et universels. Le principe de mesure est insensible aux variations de pression, masse volumique, température. Les débitmètres vortex supportent de très hautes températures et pression. Ainsi, ils sont souvent utilisés dans la chimie, la pétrochimie, le domaine de l'énergie. Ils sont particulièrement adaptés pour mesurer les débits de vapeur saturée, vapeur surchauffée, air comprimé, azote, gaz liquéfiés, gaz de combustion, dioxyde de carbone.

On les retrouve également comme point de mesure sur l’eau déminéralisée, les solvants, les fluides caloporteurs, l’eau de chaudière ou condensats. Les débitmètres vortex sont beaucoup employés pour la mesure du débit massique. Pour cette mesure le calculateur intégré à l’appareil réalise un calcul de compensation à partir du débit volumique, de la température et/ou pression. Les débitmètres vortex peuvent aujourd’hui être équipés de capteurs de température et/ou pression.

Sélectionnez le bon débitmètre pour votre application avec l'aide d'Applicator.

Quelles sont les contraintes d’installation d’un débitmètre vortex ?

Les soudures, bavures et joints ne doivent pas dépasser à l’intérieur du tuyau des longueurs droites d'entrée et de sortie. Ceci est très important pour garantir que le profil d'écoulement est exempt de perturbations . Pour les mêmes raisons, le compteur doit être centré dans la tuyauterie. De plus, son diamètre nominal et le diamètre intérieur du tuyau doivent être aussi proches que possible. Un facteur de compensation peut être programmé dans l'électronique si la différence entre ces deux diamètres est conséquente. Pour la mesure de liquide, il est indispensable que la conduite soit en charge.

Quelle maintenance pour un débitmètre vortex ?

Ils ne nécessitent pas de maintenance puisqu’il n’y a pas de pièce en mouvement. Ils offrent une grande stabilité à long terme : pas de dérive du point zéro et du facteur K "à vie". Avec la technologie Heartbeat, les appareils s’autocontrôlent en permanence. Elle vous permet également d’effectuer des diagnostics et des contrôles de bon fonctionnement à la demande.

Quels sont les effets des matières en suspension sur l’élément sensible ?

Contrairement aux autres types de capteurs, l’élément sensible également appelé capteur DSC n'est pas du tout affecté par les matières en suspension car il est installé juste en aval du corps perturbateur qui le protège.

Et si le capteur est soumis à de fortes vibrations de la tuyauterie ?

En raison du principe de mesure, on peut s'attendre à ce qu'un débitmètre vortex réagisse mal aux vibrations et aux coups de bélier. Les capteurs DSC d'Endress+Hauser disposent d'une compensation primaire pour les protéger contre les vibrations dans tous les axes.

Que se passe-t-il s'il y a des gaz ou des solides dans le liquide à mesurer ?

En général, le liquide doit être monophasique, c'est-à-dire qu'il ne doit contenir ni gaz ni solides.

  • Les gaz entraînés dans le liquide produisent une erreur de mesure positive. Dans ce cas, le débitmètre Vortex doit être monté pour que le corps perturbateur et le DSC soit horizontaux, soit appareil tête en bas. Dans ce dernier cas les gaz ne peuvent pas être mesurés.

  • Si des quantités importantes de solides sont entraînées, par exemple des particules de rouille, le capteur doit être installé dans une position où il n'est pas recouvert par les particules. Dans ce cas, nous recommandons de monter les capteurs et l'électronique à l’horizontale ou tête en haut.
     

  • Les accumulations de solides sur le corps perturbateur ou dans le tube de mesure modifient la géométrie de ces composants, affectant le facteur K et provoquant finalement des erreurs de mesure.

Que se passe-t-il si la vapeur humide doit être mesurée ?

Seule la vapeur dans le flux est mesurée, et non les gouttelettes d'eau entraînées.
Dans certains cas la qualité de la vapeur peut être mesurée, pour ce faire le capteur Prowirl F 200 doit être monté tête en bas.

Que se passe-t-il si des substances abrasives sont entraînées dans le flux ?

Une forte abrasion modifierait inévitablement le profil du corps perturbateur, car les arêtes vives s’arrondiraient. Le facteur K dériverait et générerait une erreur de mesure constante.

Que se passe-t-il si le nombre de Reynolds est inférieur à 10 000 ?

Les mesures pour un nombre de Reynolds inférieur à 10 000 sont affectées d’une erreur supplémentaire parce que les tourbillons ne sont pas réguliers. Si les paramètres du process tels que le fluide, la pression, la température et la viscosité sont connus, cette erreur peut être compensée dans la plage des nombres de Reynolds allant de 4 000 à 10 000. Le détachement des tourbillons aux nombres de Reynolds inférieurs à 4000 est plus aléatoire et mal défini, de sorte que la mesure devient impossible.

Et si l'appareil doit fonctionner au-dessus du débit maximal spécifié ?

Avec de nombreux liquides, les mesures à des vitesses d'écoulement supérieures à 9 m/s (30 ft/s) produisent des erreurs en raison de la cavitation. La perte de charge sera probablement relativement élevée. Le logiciel de sélection et de dimensionnement d'Endress+Hauser, Applicator, intègre des fonctions permettant de déterminer quand la cavitation peut se produire dans des conditions de process données.

Et si les longueurs droites amont / aval recommandées ne sont pas respectées ?

Pour fonctionner correctement et avoir une formation régulière de tourbillons le profil d'écoulement doit être bien formé. Les perturbations causées par les raccords en amont (vannes, coudes, soudures, etc.) peuvent produire des erreurs de mesure importantes. Par conséquent, selon le type de perturbation, des longueurs droites amonts de 10 à 40× le diamètre nominal du débitmètre vortex sont nécessaires.

Chaque fabricant spécifie la longueur droite d'entrée nécessaire. La longueur droite d'entrée peut être réduite à environ 10 × le diamètre nominal si un conditionneur de débit (plaque perforée) est installé. La longueur droite de sortie doit être suffisamment longue pour permettre aux tourbillons de se former librement (au moins 5 × le diamètre nominal).

Que se passe-t-il si le débit est pulsé ?

À certaines fréquences de pulsation, les débitmètres Vortex ne sont plus capables de distinguer le signal de mesure du signal de pulsation superposé et, par conséquent, la mesure du débit est erronée.

Que se passe-t-il si la vitesse est trop faible pour être mesurée ?

Il arrive souvent que les canalisation soient sur-dimensionnées ce qui a pour conséquence des vitesses trop faibles pour générer des Vortex. Endress+Hauser a développé un capteur spécifique avec réduction intégrée : le débitmètre Prowirl R 200. Il se monte sans aucune modification de la canalisation existante.

La mesure dépend-elle de la densité et de la viscosité du fluide ?

Dans la plage des nombres de Reynolds allant de 4 000 à 10 000 la précision de la mesure est dépendante des valeurs de densité et de viscosité du produit. Au-delà de 10000 Reynolds ces facteurs ne génèrent plus d’erreur significative.

Quels sont les effets de la température des fluides sur la mesure ?

Le facteur K change avec la température en raison de la dilatation du corps du compteur. En entrant la température du fluide dans le transmetteur, ou en la mesurant avec une sonde intégrée en option sur tous nos débitmètres Prowirl 200, ces effets peuvent être compensés.

Le principe de mesure du débit vortex

Tourbillons stationnaires en aval des obstacles déversant l'écoulement ©Endress+Hauser

Fig. 1 : A gauche : Vortex se détachant derrière un pilier de pont. A droite : Photo satellite des tourbillons dans la couverture nuageuse, causée par un pic volcanique (flèche). Photo : NASA.

Fig. 2 : Principe de mesure des débitmètres à tourbillon. ©Endress+Hauser

Fig. 2 : Principe de mesure des débitmètres à tourbillon.
d = Diamètre du corps de la falaise
f = Fréquence de déversement des tourbillons
v = Vitesse de l'écoulement
L = Longueur entre deux tourbillons

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