Brevet FR2128861A1 — publié le 19721020

La présente invention concerne un filtre antiturbulence destiné à la mesure du débit d'un fluide en phase unique , gazeuse ou liquide, qui circule dans une conduite cylindrique. 5 Des filtres antiturbulence cou rants existent déjà dans toute une "variété de types, tels que ceux illustrés par les figures 1 à 5. Ces figures représentent des dispositifs constitués par une plaque perforée 2, une grille 3, une toîle métallique 4, une plaque perforée 5 avec une grille 6 10 en aval, ou une toile métallique 7 avec une grille 8 en aval, le tout étant inséré dans une conduite 1• Ces dispositifs régularisent un écoulement soit parallèle, soit tourbillonnant en amont, soit les deux» et produisent un profil des vitesses d'écoulement uniforme. Mais ils ne conduisent pas à l'écoulement 15 laminaire que nécessite la mesure par un débitmètre à étranglement i Si un tel filtre antiturbulence doit provoquer un écoulement laminaire, il n'est pas d'autre alternative que d'utiliser une conduite rectiligne plus longue et de tirer profit du frottement supplémentaire du fluide sur la surface intérieure de la paroi de la 20 conduite• En. vue d'éliminer cet inconvénient, il a été proposé de monter dans une conduite cylindrique, ainsi que le montre la figure 6, un ensemble 9 constitué par une grille 10 sur la face amont de laquelle est accolée une plaque perforée 25 11 dont les trous ont un diamètre qui augmente vers le centre et diminue vers la périphérie. Comparé aux filtres antiturbulente des figures 1 à 5, ce dernier dispositif permet d'obtenir l'écoulement laminaire voulu avec une partie de canalisation rectiligne relativement courte. Ce dispositif présente néanmoins les incon-30 vénients suivants s Tout d'abord, une partie de conduite rectiligne, d'une longueur égale à environ dix fois le diamètre de la conduite, doit se trouver en aval du dispositif. Ensuite, la perte de pression est grande. Enfin le coût de fabri-35 cation est élevéi Aucun des filtres antiturbulence connus ne s'est donc avéré satisfaisant pour créer un écoulement laminaire. Pour cela, ainsi que pour d'autres raisons qui seront indiquées ci-après, l'introduction d'un filtre antiturbulence 40 qui permet d'obtenir un écoulement laminaire avec une courte Ion- 72 08526 2 2128861 gueur de conduite rectiligne est vivement souhaitée. En raison de la récente tendance industrielle à réaliser des usines et des machines de grande capacité, il n'est plus -facile de conserver des rapports longueur-5 diamètre importants dans les- parties rectiligo.es, en amont des déMtmètres'à étranglement destiné à la mesure du débit dans les pipelines. Par ailleurs, l'industrie exige une précision de plus en plus grande des mesures et recherche des filtres antiturbulents qui permettent d'atteindre à cette précision 10 avec des longueurs rectilignes les plus courtes possibles. lorsqu'un débitmètre a étranglement, qui a été étalonné, est utilisé pour la mesure réelle du débit d'un fuide, il existe une possibilité d'erreur due au manque de similitude hydro-dynamique eiles conditions de mesure diffè-15 reht des conditions d'étallonnage,et ceci en raison de l'influence de tout obstacle qui peut se rencontrer dans un conduit, tel qu'un coude en amont de l'élément principal du débitmètre. Il a été confirmé que, particulièrement lorsque le nombre de Reynolds est élevé, un débitmètre a étranglement indique une valeur anorma-20 le du coefficient de débit sous l'influence d'un débit non uniforme en amont. Pour cette raison, il est de la plus haute importance d'installer un filtre anti turbulence qui soit capable de neutraliser, avec une très grande efficacité, les effets d'un obstacle en amont tel qu'un embranchement de conduite, un coude, ou 25 une vanne entre l'élément principal du débitmètre et l'obstacle particulier. Il ressort clairement du grand nombre d'expériences faites jusqu'à présente, aussi bien que de la littérature, que le profil de vitesse en amont d'un débitmètre 30 à étranglement peut affecter notablement la précision de la mesure. Gela revient à dire qu'un filtre antiturbulence, permettant d'obtenir efficacement un écoulement laminaire, est d'une absolue nécess ité. les filtres antiturbulence de type 35 courant sont capables d'uniformiser le profil des vitesses, mais ils sont incapables de provoquer un écoulement laminaire. lorsque ce dernier doit être obtenu, une grande longueur rectiligne est nécessaire. la présente invention a donc pour 40 but essentiel de proposer un filtre antiturbulence grâce auquel 72 08526 3 2128861 - la figure 2 est une vue de face - la figure 3 est une vue de face tous les problèmes énumérés ci-dessus sont résolus. Un autre but de l'invention consiste à proposer un filtre antiturbulence de grande efficacité et qui réponde aux exigences qui viennent d'être mentionnées. 5 La présente invention, qui répond aux objets ci-dessus, a pour objet un filtre antiturbulence caractérisé en ce qu'il comporte une plaque perforée dans laquelle des trous de même diamètre sont répartis avec une forte densité dans la partie centrale et une faible densité dans la partie périphéri-10 que. Un dispositif conforme à l'invention est représenté à titre d'exemple non limitatif sur les figures ci-jointes, qui représentent des filtres antiturbulents de type courant disposés dans une conduite cylindrique 1, 15 - la figure \ est une vue de face d'une plaque perforé 2, d'une grille 3, 20 d'une toile métallique 4, - la figure 4 est une coupe longitudinale d'une conduite cylindrique 1 dans laquelle sont montées une plaque perforées 5 et une grille 6 en aval de la plaque» - là figure 5 est une coupe lon-25 gitudinale d'une conduite cylindrique 1 dans laquelle sont montées une toile métallique 7 et une grille 8 en aval, - la figure 6 est une vue en pers — pective d'un filtre antiturbulence 9 constitué par la combinaison d'une grille 10 et d'une plaque perforée 11 fixée sur la face amont 30 de la grille, - la figure 7 est une vue de face d'un filtre anti turbulence selon l'invention, ajusté dans une conduite cylindrique 1, - la figure 8 est une coupe sui-35 vant la ligne "VTII-VTII de la figure 7, - la figure 9 illustre les variations du profil des vitesses dans une conduite 1 équipée du filtre antiturbulence 12 de type connu à plaque perforée, représenté sur la figure 1 (diamètre de la conduite 205 mm, épaisseur de la pla- 40 que 14 mm, diamètre des trous 7 mm, rapport de surface 0,5), 72 08526 4 2128861 — la figure 10 illustre les variations du profil des vitesses dans une conduite 1 dans laquelle est monté le filtre antiturbulence 2 selon l'invention, - la figure 11 est une vue com-5 parative des résultats d'expérience faites avec le filtre anti- turbulence de type courant de la figure 6 et le filtre antiturbulence selon l'invention représenté sur les figures 7 et 8, - la figure 12 est une courbe comparative des résultats d'expérience sur les longueurs rectilignes 10 nécessaires pour différents filtres antiturbulence, — la figure 13 est une courbe illustrant les résultats d'expérience sur les effets de régularisation obtenus au moyen de filtres antiturbulence selon l'invention et de dimensions différentes, 15 — la figure 14 est une vue en plan de la plaque perforée du filtre antiturbulence 9 de la figure 6, — la figure 15 est une vue en plan d'un quadrant de la plaque perforée du filtre anti turbulence 20 selon l'invention, - la figure 16 est une vue en coupe du quadranti Les figures 7» 8 et 15 représentent des réalisations de la présente invention, selon lesquel-25 les les trous 3 percés dans les plaques perforées 2 ont le même diamètre çU La distance 1 entre les trous 3 voisins augmente progressivement du centre de la conduite cylindrique 1 vers sa paroi latérale; En d'autres termes, le nombre de trous 3 par unité de surface de la plaque augmente vers le centre de la conduite et 30 diminue vers sa périphérie» Les extrémités amont, ou entrées des trous 3f sont chanfreinées» Les trous sont également réalisés de manière telle que le rapport t/d de l'épaisseur t de la plaque au diamètre d des trous est compris entre 1,0 et 3»0. Le fonctionnement du filtre anti-35 turbulence selon l'invention est décrit ci-après en regard des figures 9 et 10 et en comparaison avec le fonctionnement des dispositifs courants» La figure 9 montre les variations du profil des vitesses provoquées par un filtre antiturbulence 12 dans une conduite cylindrique 1• Un fluide, dont le profil des vitesses 40 A est rendu non uniforme par un obstacle, non représenté, et 72 00526 5 2128861 situé en amont du filtre antiturbulence 12, traverse ce dernier afin de passer à -un profil des vitesses B qui correspond à un débit presque uniforme, lorsque le fluide passe dans la partie rectiligne, le profil des vitesses devient celui représenté en 5 C et en aval, à une distance d'environ 10D (dix fois le diamètre de la conduite) du filtre antiturbulence, l'écoulement laminaire E est obtenu. Cela revient à dire qu'un instrument de mesure, par exemple un débitmètre à étranglement 14 peut être monté plus en aval; 10 la figure 10 montre les varia tions du profil de vitesse dans une conduite cylindrique 1 avec un filtre antiturbulence 2 selon l'invention. Un fluide dont le profil des vitesses A est rendu irrégulier par un obstacle, non représenté, en amont du filtre antiturbulence 2 passe à l'écoulement 15 laminaire P après son passage dans une courte partie rectiligne après le filtre antiturbulence 2. le filtre antiturbulence selon la présente invention présente les avantages ci-après ï - la partie rectiligne en amont 20 d'un débitmètre à étranglement peut être extrêmement raccourcie. - les tourbillonnements du fluide peuvent être réduits presqu'à zéro. - la perte de pression est négligeable; 25 — Du fait que les diamètres des trous de la plaque perforée sont les mêmes, le filtre anti turbulent peut être fabriqué à bas prix. - la mesure de débit est possible avec un degré élevé de précision. 30 la caractéristique du profil des vitesses, la partie rectiligne nécessaire et l'atténuation de l'écoulement tourbillonnant par le filtre antiturbulence selon l'invention sont décrits ci-après en regard des résultats d'expériences représentés sous forme de diagrammes ou de courbes sur 35 les figures 11 à 13. Caractéristique du profil des vitesses (voir figure 11). Tout d'abord, des dispositifs de trois dimensions différentes E, F et G-, indiquées par le 40 tableau 1, ont été réalisés avec des plaques perforées telles que 72 08526 6 2128861 10 15 20 25 30 35 celles représentées en perspective sur la figure 6 et en plan sur la figure 14» TABLEAU 1. d/D E d/D F d/D G I 0,141 0,151 0,131 II 0,139 0,149 0,129 III 0,110 0,118 0,102 IV 0,139 0,149 0,129 V 0,136 0,146 0,126 VI 0,077 0,083 0,072 VII 0,110 0,118 0,102 VIII 0,077 0,083 0,072 Nota : d = diamètre des trous D — 0 intérieur de la conduite = 205 mm Epaisse-or de la plaque perforée = 0,02 D Epaisseur des plaques de la grille = 0,005 D Profondeur de la grille = 1,0 D Ensuite, des dispositifs H, I et J dont les dimensions sont données dans le tableau 2, ont été réalisés avec les plaques telles que celles représentées en plan sur les figures 15 et 16; TABLEAU 2; _ I J H0 H 40 X v X V X V I 00 0 0 0 0 12,0 II 0 28,5 0 29,0 12,0 38,0 III 0 57,0 0 58,0 0 63,0 IV 0 85,0 0 87,0 0 90,0 V 25,0 14,5 25,5 14,5 24,0 12,0 VI 26,5 46,0 26,0 44,5 35,0 35,0 VII 32,0 78,0 30,0 78,0 24,0 69,5 VIII 50,0 0 51,0 0 48,0 12,0 IX 50,0 28,5 51,0 29,0 56,0 48,0 X 59,0 59,0 55,5 60,0 50,0 74,0 XI 81,0 0 82,0 0 72,0 16,5 XII 79,0 31,0 80,0 33,0 79,5 40,5 Diamètre 26,5 28,0 20,0 des trous Nota s Unité = mm Rayon H de la plaque perforée = 102,55 mm; 72 08526 7 2128861 Le dispositif E du type courant et le dispositif H selon l'invention» dont les diamètres ont été ajustés à 200 mm, ont été introduits dans des conduites 1 rectilignes d'un diamètre intérieur de 200 mm, -un coude a été 5 raccordé en amont de chaque conduite et le profil des vitesses dans les conduites a été ensuite déterminé. Les données ?yîn«i ohtena.es sont représentées sous forme de diagramme sur la figure 11; En irn point ID, (à une distance égale au diamètre D de la conduite) en amont de chaque filtre anti— 10 turbulence, le profil des vitesses était irrégulier ainsi que le représente la courbe A. En un point 1,5 D en aval du filtre anti-turbulence, le profil des vitesses était modifié ainsi que le représente la courbe D dans le cas du filtre antiturbulent de type courant de la figure 6, ou par la courbe B dans le cas du 15 dispositif selon l'invention représenté par les figures 15 et 16; Dans un cas comme dans l'autre, la courbe résultante était sensiblement symétrique autour de l'axe central de la conduite. Néanmoins, ainsi que le montrent ces figures de manière évidente, le filtre antiturbulence de type courant donne un profil des vitesses 20 très différent de celui qui correspond à l'écoulement laminaire nécessaire pour un débitmètre à étranglement, tandis que le filtre anti-turbulence selon l'invention produit un écoulement laminaire sensiblement parfait. La détermination de la perte* de 25 pression subie â. montré que la perte introduite par le filtre antiturbulence selon l'invention est plusieurs dizaines pour cent inférieure à ce&e introduite par le dispositif de type courant; Caractéristique de longueur rectiligne (voir figure 12); 30 Les résultats d'expériences sur la longueur rectiligne nécessaire sont consignés sur la figure 12, les nombres portés en abscisse indiquant le rapport de diamètre de l'orifice 14; Les nombres portés en ordonnées représentent le rapport de la longueur rectiligne L au diamètre D de la 35 conduite, nécessaire pour que 1'erreur due aux effets des conditions en amont de l'orifice soit ramenée dans une tolérance de 0,5 i<> ainsi que spécifié par la recommandation ISO E 541 • La courbe tracée en traits mixtes sur la figure 12 indique la longueur rectiligne nécessaire en 40 mont d'un orifice lorsqu' .aucun filtre antiturbulent n'est 72 08526 8 2128861 utilisé en accord avec la recommandation ISO. les courbes en pointillés représentent les résultats obtenus avec des filtres antiturbulents de type courant de la forme illustrée sur les -figures 6 et 14 et dont les dimensions sont celles données en 5 E, F et G- sur le tableau I; les courbes en traits pleins représentent les résultats obtenus avec des filtres antiturbulents selon l'invention dont la forme est celle représentée sur les figures 15 et 16 et dont les dimensions sont celles données en H, I et J sur le tableau 2. Dans chaque expérience, la conduite 10 d1essai était raccordée à deux coudes de 90° dans des plans différents en scnont du débitmètre ; Ces courbes montrent que le filtre anti-trurlTulence selon la présente invention permet d'utiliser, en amont du débitmètre, des parties rectilignes nettement plus 15 courtes que celles nécessitées habituellement par les dispositifs courantsi Caractéristique d'atténuation d'écoulement tourbillonnant (voir figure 13)'; l'angle de tourbillonnement en 20 aval du dispositif a été déterminé avec des filtres antiturbulence selon l'invention, de différents rapports de l'épaisseur t de la plaque perforée 2 au diamètre d des trous et en introduisant un écoulement tourbillonnant avec un certain angle de tourbillons en amont de chaque filtre antiturbulence en essai; les résultats 25 sont consignés sur la figure 13; les angles ont été déterminés aux points 1D en amont et 1,5 D en aval de chaque filtre anti-turbulence en essai. les courbes H, I ét J correspondent aux colonnes H, I et J du tableau 2; Ainsi que le montrent les courbes, 30 le filtre antiturbulence selon l'invention élimine presque entièrement le tourbillonnement et ne laisse pratiquement aucun tourbillonnement dans son voisinage immédiat en aval, pourvu que le rapport t/d de l'épaisseur de la plaque au diamètre du trou soit égal ou supérieur à 1,0. Si le rapport t/d est inférieur à 1,0, 35 l'effet de régularisation est limité à une faible atténuation de l'écoulement tourbillonnant. Si t/d est supérieur à 3,0 l'écoulement tourbillonnant n'est pratiquement pas réduit et la précision de la mesure de débit n'est pratiquement pas émlioré. En outre, une plaque perforée épaisse est coûteuse et mal commode à manipuler. 40 le filtre anti turbulence selon 72 08526 9 2128861 la présente invention présente donc les avantages ci-après : Une mesure de grande précision du débit par un débitmètre à étranglement est possible. - le débit du fluide peut être 5 mesuré en se basant sur le calcul de la vitesse d'écoulement en un point à l'intérieur d'une conduite (par exemple sans le traverser avec un tube de Pitot). - le débit du fluide peut être mesuré avec des compteurs sans contact et des débitmètres (par 10 exemple compteurs ultrascniques et débitmètres électro-magnéti-ques) i le filtre antiturbulence selon la présente invention est destiné à la mesure du débit d'un fluide, particulièrement dans des conduites de grand diamètre de 15 machines et d'usines importantes, où les points de mesure ne peuvent pas être alimentés par des parties rectilignes appropriées» Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes 20 et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. 72 08526 10 2128861 SEYBffDI0 A T IOIS 1°) Filtre antiturbulence pour la régularisation d'écoulement de liquides du type à plaque perforée agencé de manière à être monté dans une conduite cylin-5 drique, en travers du passage d'un fluide qui circule dans la conduite, caractérisé en ce qu'il est constitué par une plaque perforée comportant plusieurs trous ronds de même diamètre, disposés de telle manière que la distance entre des trous voisins soit courte au centre de la conduite et augmente progressivement vers 10 la paroi latérale de la conduite; 2°) Filtre antiturbulence du type à plaque perforée selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport entre l'épaisseur de la plaque perforée et le diamètre des trous ronds qu'elle comporte est compris entre 1 et 3»