Brevet FR2068567A1 — publié le 19710827

La présente invention, due à Monsieur Jules BURTON, est relative à un dispositif et à un procédé de mesure du débit d'un fluide gazeux, particuliè- rement intéressants pour les fluides gazeux portés à haute température et notamment pour le vent chaud alimentant les tuyères d'un haut fourneau. La mesure du débit d'un fluide gazeux à haute température circulant dans des conduits de section quelconque et notamment circulaire est généralement effectuée au moyen d'appareils déprimogènes classiques tels que par exemple des diaphragmes, des venturis ou des tuyères. Le principal avantage de ces appareils est de fournir aux bornes de 1' organe deprimogene une pression différentielle élevée, facilement mesurable par un transmetteur électrique ou pneumatique. Par contre, les inconvénients sont nombreux - pertes de charges importantes dues à la conception meme de ces dispositifs; - encombrement important dans des conduits qui sont souvent courts et d'un diamètre plus ou moins grand - problèmes posés par la tenue aux hautes températures des matériaux consti tutifs et qui sont d'autant plus difficiles à résoudre que la masse de ces appareils est importante - accès interne impossible sauf démontage complet nécessitant l'arrêt momen tané d'une installation qui souvent entrain des dépenses importantes et auxquelles s'ajoute le manque à gagner consécutif à l'arrêt lui-meme - prix de revient élevé des éléments constituant ces diaphragmes, venturis ou tuyères. Plus particulièrement, en ce qui concerne le haut fourneau, la température du vent chaud aux tuyères atteint fréquemment 9500C et les exploitants considèrent qu'elle ne fera qu'augmenter, certains pensent qu'elle pourra atteindre 1 1000C et plus. I1 existe une autre méthode pour mesurer le débit de vent à une tuyère de haut fourneau ; elle consiste à se baser sur la mesure de la-pression dif férentielle existant entre la pression régnant d'une part dans la partie circulaire, et celle régnant au nez de la tuyère d'autre part. Cette méthode est simple et de réalisation aisée. Par contre, la pression différentielle que l'on mesure est faible,d'où l'obligation d'utiliser des transmetteurs très sensibles, ce qui augmente notablement le prix de revient de la mesure. La présente invention a pour objet de réduire notablement l'importance des inconvénients mentionnés ci-dessus en utilisant un dispositif simple, relativement peu coûteux et dont les indications sont reproductibles. Cette invention est basée sur la méthode du tube de Darcy suivant la quelle 1) quand l'orifice de la prise de pression située dans le courant gazeux est orienté vers l'amont, on mesure la somme de la pression statique et de la pression dynamique, soit (en unités S.I.) où PS est la pression statique P est la masse volumique du fluide V est la vitesse du fluide 2) quand l'orifice de la prise de pression située dans le courant gazeux est orienté vers l'aval, on mesure la différence entre la pression statique et la pression dynamique, soit où le coefficient K appelé généralement coèfficient d'écoulement du tube, que l'on peut établir expérimentalement après construction du tube, tient compte de l'influence des remous provoqués par le tube lui-meme sur l'ori fice de prise de pression orienté vers l'aval, 3) en soustrayant algébriquement les deux termes repris ci-dessus, on obtient la pression différentielle h c'est-à-dire la différence de pression lue aux bornes du tube. Dans le système d'unités S.I., cette pression différentielle s'exprime en pascals (9,81 Pa = 1 mm H20 lorsque l'accélération de la pesanteur (g) vaut 9,81 m/s2), 4) à partir de cette dernière formule, si le tube a été étalonné pour déter miner le coefficient K, on peut déduire la vitesse du fluide et calculer le débit. Cependant, cette méthode présente encore l'inconvénient de mesurer une vitesse locale c'est-à-dire la vitesse du fluide à l'endroit où l'on effectue des prises de pression, et non une vitesse moyenne qui seule peut servir à calculer correctement la vitesse et le débit du fluide. La présente invention a également pour objet de remédier à cet inconvé nient, etest-à-dire de permettre une mesure nettement plus précise de la vi- tesse moyenne du fluide dans le conduit. Conformément à un mode de réalisation représenté schématiquement sur la figure 1, donnée en annexe à titre d'exemple non limitatif, le dispositif objet de la présente invention est essentiellement caractérisé en ce qu'il comporte un corps allongé (1) muni - d'une part, de deux rangées de trous calibrés (2) et (3), ces deux rangées étant symétriques par rapport à l'axe longitudinal (4) du corps (1), les centres de ces trous calibrés étant situés deux à deux sur une même droite perpendiculaire audit axe longitudinal (4), - d'autre part, de deux chambres de mesure (5) et (6), indépendantes l'une de l'autre, s'étendant sur toute la longueur du corps (1) et reliées aux trous calibrés (2) et (3), à raison d'une chambre par rangée, ces deux chambres aboutissant chacune à leur sortie du corps (i) à un orifice respectivement (7), (8) destiné à mettre lesdites chambres en communication avec un appa reillage de mesure. Suivant une modalité constructive particulièrement avantageuse, le dispositif de l'invention comprend une première partie,appelée sonde,constituée du corps allongé (1) muni des trous calibrés (2), (3) et des chambres de mesure (5), (6) et une deuxième partie appelée porte-sonde munie d'une part des deux orifices de sortie (7), (8) en communication avec lesdites chambres de mesure (5), (6) et d'autre part d'une embase conique (9) destinée à prendre place sur le siège d'un support où l'ensemble sonde et porte-sonde est verrouillé au moyen d'une clavette, ledit support étant solidaire du conduit dans lequel circule le fluide gazeux dont on veut mesurer le débit. Egalement suivant l'invention, les dimensions de la section transversale des chambres de mesure (5), (6) sont aussi petites que le permet la mesure à effectuer de telle façon que l'ensemble sonde et porte-sonde comporte un maximum de parties pleines et présente une structure monolithique. La section transversale de la sonde peut avoir une forme quelconque, telle que par exemple rectangulaire, ovale, etc., mais elle est avantageusement circulaire pour réduire le plus possible les contraintes dues aux variations de températures. Il est avantageux, suivant l'invention, de munir la sonde d'ailettes extérieures dans le but de rendre son coefficient d'écoulement plus grand et la pression différentielle mesurée nettement plus importante. Pour combattre l'échauffement dû aux fortes températures atteintes par les gaz avec lesquels la sonde est en contact, ltensemble sonde et porte-sonde est avantageusement muni intérieurement d'un circuit de refroidissement par circulation d'un fluide tel que par exemple de l'eau. Afin de pouvoir enlever l'ensemble sonde et porte-sonde sans devoir arrêter l'écoulement du fluide gazeux dont on veut mesurer le débit, le sup port porte-sonde solidaire du conduit dans lequel circule ledit fluide est avantageusement muni d'un levier mobile (10) équipé d'un bouchon (il) de forme conique destiné à prendre la place de l'embase conique (9) du porte-sonde. La sonde est avantageusement constituée d'une matière réfractaire et notamment d'une matière métallique réfractaire telle que par exemple l'alliage connu sous la dénomination de Nimonic 75 dont la composition est la suivante Ti : 0,2 à 0,6 Fe : 5% maximum Cu : 0,5% maximum Cr f 18 à 21% Mn : 1% maximum Ni : reste. Si : 1% maximum c : 0,08 à 0,15% La présente invention a également pour objet un procédé de mise en oeuvre du dispositif décrit ei-dessus. Le procédé, objet de la présente invention, est essentiellement caractérisé en ce que l'on introduit la sonde dans le conduit où circule le fluide gazeux dont on veut mesurer le débit, de telle façon que l'axe longitudinal de la sonde soit situé transversalement au sens d'écoulement dudit fluide, en ce que l'on dispose ladite sonde de telle façon que l'une des deux rangées de trous calibrés de prise de pression soit orientée vers l'amont du courant gazeux, ce qui permet à la chambre de mesure en communication avec ces trous d'entrer directement en contact avec le fluide à l'encontre du courant, l'autre chambre étant dans la position exactement opposée, en ce que l'on verrouille le porte-sonde sur son support et en ce que l'on relie les orifices de sortie des deux chambres précitées à un appareillage de mesure indiquant pour la première chambre la moyenne des sommes de la pression statique et de la pression dynamique régnant aux endroits des trous correspondants, et pour la seconde chambre la moyenne des différences entre la pression statique et la pression dynamique, ce qui permet de déduire la vitesse du fluide et de calculer le débit. Les figures 2 et 3 sont données à titre d'exemple non limitatif pour bien faire comprendre l'objet de la présente invention. La figure 2 est une coupe verticale effectuée suivant l'axe longitudinal d'un porte-vent de haut fourneau. La figure 3 est une soupe transversale effectuée perpendiculairement à la direction d'écoulement du vent dudit porte-vent de haut fourneau. Sur la figure 2, on voit la paroi métallique (20) du porte-vent ainsi que le garnissage réfractaire intérieur (21). Le vent chaud s'écoule dans ce porte-vent dans le sens de la flèche 22. Pour mesurer le débit de vent traversant ce porte-vent, on a introduit la sonde (1), de telle façon que son axe longitudinal soit disposé transversalement au sens d'écoulement du vent. Cette sonde comporte deux rangées de trous calibrés (2) et (3), ces deux rangées étant symétriques par rapport à l'axe longitudinal (4) de la sonde (1). Les centres des trous calibrés (2) et (3) sont situés deux à deux sur des droites (12) perpendiculaires à l'axe longitudinal (4). Cette sonde comporte également deux chambres de mesure (5) et (6), indépendantes l'une de l'autre, s'étendant sur toute la longueur de la sonde (1) et du porte-sonde (13), et reliées aux trous calibrés (2) et (3) à raison d'une chambre par rangée. Le porte-sonde (13) constitue la prolongation de la sonde (1) et comporte deux orifices de sortie (7), (8) en communication avec les chambres de mesure (5) et (6). Le porte-sonde (3) comporte également une embase conique (9) montée sur un levier mobile (10) et destinée à prendre place sur le siège (14) d'un support (15) porte-sonde.Ce support (15) est solidaire de la paroi (20) du porte-vent dans lequel circule le vent dont on veut mesurer le débit, et est muni de deux entailles (16) et (17) à l'intérieur desquelles on fait glisser une clavette (18) pour verrouiller l'ensemble sonde- et porte-sonde. Les orifices de sortie (7) et (8) en communication avec les chambres de mesure (5) et (6) sont destinés à être reliés à un appareillage de mesure de pression non représenté. On dispose la sonde (1) dans le porte-vent (20) de telle façon que la rangée de trous calibrés (2) de prise de pression soit orientée vers l'amont du courant gazeux représenté par la flèche (22), ce qui permet à la chambre de mesure (5) en communication avec ces trous (2) d'entrer directement en contact avec le vent à l'encontre du courant (22). L'autre chambre de mesure (6) est dans la position exactement opposée à celle de la chambre (5). Après avoir verrouillé le porte-sonde (13) sur son support (15) au moyen de la clavette (18), on relie les orifices de sortie (7) et (8) à un appareillage de mesure de pression. On obtient ainsi pour la chambre de mesure (5) une indication représentant la somme de la pression statique et de la pression dynamique régnant aux endroits des trous calibrés (2) et pour la chambre de mesure (6) une indication représentant la différence entre la pression statique et la pression dynamique régnant aux endroits des trous calibrés (3). A partir de ces indications, il est aisé de calculer la vitesse et le débit du fluide comme déjà expliqué ci-dessus. Bien entendu, l'appareillage de mesure peut être muni d'un cadran dont la graduation représente directement les indications de débit recherchées. Le dispositif faisant l'objet de la présente invention présente les avantages suivants 1) par sa conception monolithique et sa forme cylindrique, les contraintes dues aux variations de température sont réduites au maximum. Il est à noter que les contraintes dues aux variations de température sont d'autant plus sévères que l'on est en présence d'un milieu plus chaud 2) par la disposition des chambres de prises d'impulsion percées de trous multiples, on obtient une pression différentielle suffisamment élevée pour être détectée par un transmetteur de débit 3) il est de faible encombrement et élimine ainsi pratiquement les pertes de charges dans le conduit où circule le fluide gazeux dont on veut mesurer le débit 4) il présente un système de fixation d'une grande simplicité offrant robus tesse, facilité de montage et de démontage, permettant de ce fait des opérations de contrôle et de remplacement ne nécessitant pas l'arret de l'installation 5) il est d'un faible prix de revient eu égard au coût des appareils déprimo gènes classiques 6) il offre une précision tout à fait satisfaisante pour les cas d'utilisa tion envisagés et donne des indications reproductibles 7) il peut entre refroidi si nécessaire, ce qui autorise son utilisation aux hautes températures. gâce à ce dispositif, on peut effectuer notamment la régulation automatique de l'injection d'hydrocarbures aux tuyères d'un haut fourneau d'une façon simple et peu coûteuse. Bien entendu, l'invention ntest nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, elle est susceptible de nombreuses autres variantes, accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans que l'on s'écarte pour cela de ltesprit de l'invention. REVEIDICATIONS 1.- Procédé pour la mesure du débit d'un fluide gazeux traversant un conduit, caractérisé en ce que l'on introduit une sonde dans le conduit, de telle façon que l'axe longitudinal de la sonde soit situé transversalement au sens d'écoulement dudit fluide, en ce que ledit conduit comporte deux rangées de trous calibrés, symétriques par rapport à l'axe longitudinal du conduit, en ce que l'on dispose ladite sonde de telle façon que l'une des deux rangées de trous calibrés de prise de pression soit orientée vers l'amont du courant gazeux, ce qui permet à la chambre de mesure en communication avec ces trous d'entrer directement en contact avec le fluide à l'encontre du courant, une autre chambre étant dans la position exactement opposée, en ce que l'on verrouille le porte-sonde sur son support et en ce que l'on relie les orifices de sortie des deux chambres précitées à un appareillage de mesure indiquant pour la première chambre la moyenne des sommes de la pression statique et de la pression dynamique régnant aux endroits des trous correspondants et pour la seconde chambre la moyenne des différences entre la pression statique et la pression dynamique, ce qui permet de déduire la vitesse du fluide et de calculer le débit. 2.- Dispositif de mesure du débit d'un fluide gazeux traversant un conduit, caractérisé en ce qu'il comporte un corps allongé (1) muni d'une part de deux rangées de trous calibrés (2) et (3), ces deux rangées étant symétriques par rapport à l'axe longitudinal (4) du corps (1) et les centres de ces trous calibrés étant situés deux à deux sur une méme droite perpendiculaire audit axe longitudinal (4) et comportant d'autre part, deux chambres de mesure (5) et (6), indépendantes l'une de l'autre, s'étendant sur toute la longueur du corps (1) et reliées aux trous calibrés (2) et (3) à raison d'une chambre par rangée, ces deux chambres aboutissant chacune à leur sortie du corps (1) à un orifice respectivement (7), (8) destiné à mettre lesdites chambres en communication avec un appareillage de mesure. 3.- Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend une première partie appelée sonde constituée du corps allongé (1) muni des trous calibrés (2), (3) et des chambres de mesure (5), (6) et une deuxième partie appelée porte-sonde munie d'une part des deux orifices de sortie (7) (8), en communication avec lesdites chambres de mesure (5), (6), et d'autre part d'une embase conique (9) destinée à prendre place sur le siège d'un support où l'ensemble sonde et porte-sonde est verrouillé au moyen d'une clavette, ledit support étant solidaire du conduit dans lequel circule le fluide gazeux dont on veut mesurer le débit. 4.- Dispositif suivant la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les dimensions de la section transversale des chambres de mesure (5), (6) sont aussi petites que le permet la mesure à effectuer, de telle façon que l'ensemble sonde et porte-sonde comporte un maximum de parties pleines et présente une structure monolithique. 5.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la section transversale de la sonde a une forme circulaire pour réduire le plus possible les contraintes dues aux variations de température. 6.- Dispositif suivant la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il est muni d'ailettes extérieures dans le but de rendre son coefficient d'écoulement plus grand et la pression différentielle mesurée nettement plus importante. 7.- Dispositif suivant la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que pour combattre l'échauffement dû aux fortes températures atteintes par les gaz avec lesquels la sonde est en contact, l'ensemble sonde et porte-sonde est muni intérieurement d'un circuit dc refroidissement par circulation d'un fluide tel que par exemple de l'eau. 8.- Dispositif suivant une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que, afin de pouvoir enlever l'ensemble sonde et porte-sonde sans devoir arrêter l'écoulement du fluide gazeux dont on veut mesurer le débit, le support porte-sonde solidaire du conduit dans lequel circule ledit fluide est muni d'un levier mobile (10) équipé d'un bouchon (11), de forme conique destiné à prendre la place de l'embase conique (9) du porte-sonde. 9.- Dispositif suivant une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que la sonde est constituée d'une matière réfractaire. 10.- Dispositif suivant la revendication 9, caractérisé en ce que la sonde est constituée d'une matière métallique réfractaire telle que par exemple l'alliage Himonic 75.