Brevet FR2492094A1 — publié le 19820416

La présente invention concerne un dispositif de mesure d'écoulement fluidique à tubes de Pitotet à tuyère utilisable pour détecter et mesurer efficacement une pression différen- tielle ou dynamique d'un écoulement d'air ou de gaz passant dans un conduit ou canalisation. Par la détermination de la pression différentielle ou de la pression dynamique, on peut facilement déterminer l'écoulement d'air ou de gaz. Pour mesurer avec précision un écoulement, un procédé connu consiste à disposer dans la section de passage du con- duit un dispositif de mesure de pression différentielle à tubes de Pitot et à effectuer de multiples lectures en de nombreuses positions transversales du conduit. On effectue ensuite une moyenne appropriée de ces lectures multiples et on peut en déduire ensuite la vitesse d'écoulement du fluide. Cependant, ce procédé de détermination d'écoulement fluidique est plus un procédé de laboratoire et il ne se prête pas à des applications commerciales ou industrielles en ligne. Il existe dans le commerce des dispositifs primaires de mesure d'écoulement fluidique qui sont utilisés, à l'heure actuelle pour la mesure d'un écoulement d'air. On pourra se référer, à titre d'exemple, aux objets des brevets des Etats-Unis d'Amérique Nos. 3 981 193, 4 036 054 et 3 785 206. Ces dispositifs comportent un ensemble de tubes de Pitot de mesure de pression statique et de pression totale qui sont disposés dans un conduit de façon à établir un écoulement moyen dans la section de passage du conduit. Pour la plupart, ces dispositifs de mesure d'écoulement fluidique ne sont pas très précis. Bien qu'ils utilisent une méthode d'établissement de valeur moyenne, le profil de vitesse sur les côtés et dans les coins du conduit n'est pas uniforme et, en conséquence, il risque de se produire une erreur assez grande se tradui- sant par des imprécisions dans la mesure d'écoulement. La présente invention a pour but de fournir un dispositif de mesure d'écoulement par établissement d'une valeur moyenne à l'aide de tubes de Pitot et d'une tuyère, ce dispositif étant conçu pour donner des mesures plus précises d'un écou- lement fluidique que les appareils de mesure d'écoulement d'air qui sont connus à l'heure actuelle. Plus particulièrement, le dispositif à tubes de Pitot et à tuyère selon l'invention a tendance à remédier aux inconvé- nients des dispositifs connus en établissant un profil de vitesse mieux prédéterminable, notamment dans les zones des côtés extérieurs et des coins du conduit d'écoulement de fluide. En fait, le dispositif à tubes de Pitot et à tuyère conforme à l'invention a tendance à établir un profil de vitesse prédéterminable essentiellement dans toute la section de passage de la partie du dispositif correspondant à la tuyère. Cela permet de disposer un ensemble de tubes de Pitot de me- sure de pression statique et de pression totale de façon à établir une valeur moyenne plus précise et plus correcte de la vitesse d'écoulement du fluide dans le système. En outre, lors de la mise au point du dispositif à tubes de Pitot et à tuyère selon l'invention, on a découvert certaines relations physiques entre la tuyère, l'ensemble de tubes de Pitot et les dimensions du conduit principal, ces relations semblant correspondre à des considérations de conception im- portantes. Par exemple, dans une structure de type cylindrique, le rapport entre le diamètre de l'ensemble de tubes de Pitot et le diamètre intérieur ou de col de la tuyère semble être un paramètre important pour la mesure et l'établissement de la valeur moyenne de la vitesse dans l écoulement fluidique. En outre, le rapport entre le diamètre intérieur ou de col de la tuyère et du diamètre du conduit principal semble également être important. On analysera dans la suite comment ces facteurs sont utilisés dans une conception particulière. L'invention a en conséquence pour but de fournir un dis- positif de mesure d'écoulement fluidique à tubes de Pitot et à établissement précis de valeur moyenne, qui permette de mesurer avec précision un écoulement de fluide dans un système fluidique. L'invention a également pour but de fournir un dispositif de mesure d'écoulement fluidique à tubes de Pitot et à éta- blissement précis de valeur moyenne du type défini ci-dessus, qui comprenne des moyens pour étrangler l'écoulement de fluide de manière à produire un profil de vitesse prédéterminable du fluide le traversant et un ensemble de tubes de Pitot pour mesure de pression statique et de pression totale qui sont répartis autour de la zone d'étranglement en vue de mesurer une pression différentielle ou dynamique dans cette zone. L'invention a en outre pour but de fournir un dispositif de mesure d'écoulement fluidique à tubes de Pitot et à éta-, blissement précis de valeur moyenne du type défini ci-dessus, qui utilise un moyen d'étranglement d'écoulement du typeà tuyère pour produire un profil de vitesse généralement pré- déterminable. L'invention a également pour but de fournir un dispositif de mesure d'écoulement fluidique à tubes de Pitot et à éta- blissement précis de valeur moyenne du type défini ci-dessus, qui crée une délimitation de paroi relativement nette pour faciliter l'établissement d'un profil de vitesse prédéter- minable et qui remédie aux inconvénients des dispositifs connus o les profils de vitesses sur les côtés et dans les coins sont très erratiques et imprévisibles. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence, dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels- la Fig. 1 est une vue en élévation latérale du dispositif de mesure d'écoulement primaire selon l'invention; la Fig. 2 est une vue en coupe du dispositif de mesure d'écoulement primaire, faite sur la ligne 2-2 de la Fig. 1; la Fig. 3 est une vue en coupe schématique de l'ensemble à tubes de Pitot et à tuyère, mettant en évidence les rapports y et e intervenant dans la présente invention; et la Fig. 4 est un graphique, basé sur des résultats de laboratoire et utilisé pour déterminer CI, comme cela va être décrit dans la suite, pour un rapport 0 de 0,707. Sur les dessins, on a représenté le dispositif de mesure d'écoulement à tubes de Pitotet à tuyère conforme à l'invention sous la forme d'un ensemble tubulaire, désigné par 12 et in- terposé fonctionnellement dans un conduit principal ou cana- lisation 10 dans lequel passe l'écoulement fluidique à mesurer. L'ensemble tubulaire 12 comprend deux tronçons cylindriques 14 et 16, chaque tronçon comportant deux parties extrêmes à brides 18. En amont et à l'intérieur du tronçon tubulaire 14, 249,2094 il est prévu un dispositif de redressement d'écoulement 20 qui a de préférence une section droite en nid d'abeille et qui peut être typiquement formé d'aluminium ou d'acier inoxy- dable. Ce dispositif de redressement d'écoulement agit de manière à redresser l'écoulement avant qu'il atteigne le dispositif de mesure d'écoulement fluidique à tubes de Pitot et a tuyère qui va être décrit dans la suite. Il est prévu à l'intérieur de l'ensemble tubulaire 12, entre les tronçons-cylindriques 14 et 16, un moyen d'étran- glement d'écoulement se présentant sous la forme d'une tuyère. Cette tuyère comporte une partie en forme de bride 22 qui s'étend entre les parties extrêmes en forme de bride 18 des deux tronçons cylindriques respectifs 14 et 16 et qui est maintenue entre elles par une série de boulons 21 qui sont engagés, au travers de la bride de tuyère 22, dans des trous ménagés dans les brides respectives 18. Il est à noter qu'un joint d'étanchéité est, de préférence, interposé entre chaque côté de la bride de tuyère 22 et les extrémités à brides respectives des tronçons 14 et 16. Comme le montrent les dessins, la tuyère comprend une partie de paroi principale 24 qui s'étend depuis une extré- mité d'entrée 26 de la tuyère jusqu'à une extrémité de sortie 28. Du fait de la nature de la tuyère, il est à noter que le diamètre de cette dernière diminue progressivement depuis son extrémité d'entrée 26 jusqu'à son extrémité de sortie 28, le diamètre intérieur de la tuyère étant appelé le diamètre de col, c'est-à-dire dans le mode de réalisation considéré, le diamètre de l'extrémité de sortie 28. Cette tuyère est associée à un groupe de tubes de Pitot servant à l'établissement d'une moyenne et désignés dans leur ensemble par la référence 30. Ce groupe de tubes de Pitot pour établissement de valeur moyenne comprend une série de tubes de Pitot pour mesure de pression statique et de pression totale 32 et 34 qui sont alternativement espacés. Ces tubes de Pitot 32 et 34 sont disposés circulairement et coaxialement par rapport à l'axe de la tuyère et ils sont répartis suivant un motif dans lequel le diamètre du groupe est plus petit que le diamètre intérieur ou diamètre de col de la tuyère. D'une manière classique, l'ensemble de tubes de Pitot 30 comprend une série de tubes de Pitot pour pression statique 32 qui sont alignés de telle sorte que leurs axes longitudi- naux soient orientés parallèlement à l'axe de la tuyère et des tronçons cylindriques 14 et 16. De même, les tubes de Pitot pour pression totale 34 sont également disposés de manière à être orientés parallèlement à l'axe de la tuyère et des tronçons cylindriques 14 et 16. Il est à noter que les tubes de Pitot pour pression statique 32 comportent un orifice situé sur le côté de leur extrémité avant, lesdits orifices étant orientés dans un plan parallèle à la direction d'écoulement du fluide dans le conduit principal 10 et dans l'ensemble tubulaire 12. Egalement, d'une manière classique, les tubes de Pitot pour pression totale 34 comportent des orifices d'extrémité qui sont orientés transversalement à la direction générale d'écoulement du fluide. Un tube de sortie haute pression 38, qui s'étend à partir de l'ensemble de tubes de Pitot 30, est en communication avec les tubes de Pitot pour pression totale 34 et il est agencé pour transmettre à partir de ceux-ci un signal de pression totale. Un tube basse pression 36 est en communication avec les tubes de Pitot pour pression statique 32 et il est agencé pour transmettre un signal de basse pression ou de pression statique à partir de l'ensemble de tubes de Pitot pour pression statique. Il est bien connu que, en reliant les tubes haute pression et basse pression 38, 36 de l'ensemble de tubes de Pitot 30 avec un transmetteur de pression différentielle, tel que le modèle Brandt 21DPT2000, on peut dériver un signal de pression différentielle en soustrayant effectivement la pression sta- tique de la pression totale. En fait, on obtient ce qu'on appelle souvent une pression dynamique différentielle qui est en relation avec le carré de la vitesse. Cela permet évidemment de déterminer mathématiquement la vitesse d'écou- lement dans le conduit principal 10. Pour réduire au minimum la perte de charge et pour amélio- rer d'une façon générale le profil d'écoulement, il est prévu à peu près au centre de l'ensemble de tubes de Pitot une saillie 40 en forme de boulet, qui est dirigée vers l'amont, en regardant la Fig. 2. Dans une série d'essais, on a constaté qu'un certain nombre de relations physiques concernant le dispositif de mesure d'écoulement à tubes de Pitot et à tuyère étaient importantes. En premier lieu, dans un modèle cylindrique ou circulaire par exemple, on a trouvé que le rapport entre le diamètre de l'ensemble de tubes de Pitot et le diamètre intérieur ou de col de la tuyère était important. Cela correspond à ce qui est appelé le rapport Gamma (y) (cf. Fig. 3) et il est considéré comme important même dans des cas o la tuyère et/ou le conduit principal ne sont pas circulaires ou cylindriques. Lors de la conception du dispositif de mesure d'écoulement à ensemble de tubes de Pitot et à tuyère selon l'invention, il a semblé souhaitable que ce rapport ne soit relativement pas influencé par le nombre de Reynolds. Dans une série d'essais effectués avec un dispositif de mesure d'écoulement à tubes de Pitot et à tuyère de 150 mm par exemple, on a trouvé que la valeur appropriée du rapport Gamma était de 0,633.Pour cette valeur particulière du rapport Gamma, le nombre de Reynolds a un effet relativement faible sur les performances du dispositif de mesure d'écoulement à tubes de Pitot et à tuyère pour des nombres de Reynolds supérieurs à 100 000. En conséquence, sur la base de cet essai et d'autres essais semblables, on a trouvé que le rapport Gamma pour le dispositif de mesure d'écoulement à tubes de Pitot et à tuyère selon l'invention.était approximativement de 0,633. En outre, on a trouvé que le rapport entre le diamètre de col ou diamètre intérieur de la tuyère et le diamètre du con- duit principal canalisant le fluide correspondait à une autre relation importante. Ce rapport a été appelé le rapport Bêta (f). Sur la base d'une série d'essais, on a trouvé que ce rapport bêta devait avoir une valeur appropriée de 0,707 pour des conceptions du type revendiqué dans la présente demande de brevet. Enfin, du fait de la nature du dispositif d'écoulement à tubes de Pitot et à tuyère selon l'invention, il faut déter- miner un coefficient de correction C pour que la section effective AE puisse être calculée en vue d'une détermination précise de l'écoulement. Dans des essais effectués par l'inventeur, on a déterminé que ce coefficient de correction dépendait de trois facteurs avec lesquels il était en relation. En premier lieu, le coefficient de correction dépend de Ci, du profil de vitesse de l'écoulement passant dans la tuyère et du rapport Bêta. En outre, la réduction de section dans le plan des tubes de Pitot constitue un second facteur C2 qui a une influence sur le coefficient de correction globale. En dernier lieu, on a déterminé un coefficient de correction C3 du rapport Gamma puisque la position de l'ensemble de tubes de Pitot par rapport à la tuyère peut influencer la mesure d'écoulement. En conséquence, le coefficient de correction finale C peut être considéré comme le produit des trois facteurs précités, c'est-à-dire que C = CI X C2X C3. Dans des essais de laboratoire, on peut déterminer ces facteurs individuels de correction et définir à partir desdits facteurs le coef- ficient de correction globale finale C. On va donner dansla suite un exemple de détermination du coefficient de correction C pour une tuyère ayant un diamètre de col de 550 mm, un rapport Gamma de 0,640, un rapport Bêta de 0,707 et huit tubes de Pitot de 3,2 mm. Comme indiqué ci-dessus, le coefficient de correction totale ou finale C est égal au produit de Ci (correction due au rapport Bêta et à la forme de profil), de C2 (correction due à la réduction de section des tubes de Pitot), et de C3 (cor- rection se rapportant au rapport Gamma). En premier lieu, en ce qui concerne C1, on va se référer à la Fig. 4. CI est une constante due au profil et on a tracé une courbe la représentant en fonction du nombre de Reynolds. Cette détermination peut être effectuée par l'intermédiaire d'essais de laboratoire et, comme le montre le graphique, on obtient, pour une valeur de 0,707 du rapport Bêta, une valeur de Ci qui est de 1,0479. C2 = (A - A p) / A, o A = section de tuyère Ap = section des tubes de Pitot. A (tuyère) = 2,6398 x 144 cm2 A = 0,0068 x 144 cm2 P C2 = (2,6398 - 0,00068)/2,6398 = 0,99974. Une équation a été définie pour C3 et elle s'exprime de la façon suivante: C3 = (0,25)x(0,640) + 0,841675 = 1,0017. C3 est correct seulement pour un rapport Bêta de 0,707 et pour des valeurs élevées du nombre de Reynolds. L'erreur la plus forte engendrée par le rapport Gamma est enregistrée lorsque le nombre de Reynolds est faible et, pour cette raison, le rapport Gamma doit être maintenu aussi près que possiblede 0,633. En conséquence, on peut calculer C d'après l'équation suivante: C = C1 x Cz X C3 C = 1,0479 x 0,99974 x 1,0017 = 1,0404. On peut maintenant calculer la section effective (AE) de la tuyère de la façon suivante: AE = AxC = 2,6398 x 1,0404 x 144 cm2 = 2,77 x 144 cm2 = 399 cm2. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limi- tée aux modes de réalisation décrits et représentés; elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Dispositif primaire de mesure d'écoulement à tubes de Pitot et à tuyère pour mesurer un écoulement d'air ou de gaz dans une canalisation, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen d'étranglement d'écoulement fluidique (22, 24, 26, 28) se présentant sous la forme d'une tuyère comportant une paroi extérieure (24) qui définit une ouverture d'écoulement de fluide permettant à un fluide tel que de l'air ou un gaz de la traverser, ladite tuyère étant agencée pour être posi- tionnée par rapport audit conduit (].2)de façon que le fluide passant dans ledit conduit soit obligé de s'écouler au tra- vers de ladite tuyère, un ensemble de tubes de Pitot (30) associésfonctionnellement à ladite tuyère et placésdans le trajet d'écoulement du fluide pour détecter efficacement la pression dynamique différentielle du fluide passant dans ladite tuyère, et en ce que ladite tuyère est profilée de façon à former un moyen d'étranglement d'écoulement servant à diriger le fluide la traversant de telle sorte que le pro- fil de vitesse résultant de l'écoulement fluidique soit rela- tivement uniforme dans une partie substantielle de la section de passage de l'ouverture existant dans ladite tuyère, en permettant ainsi une détermination relativement précise de l'écoulement fluidique. 2.- Dispositif primaire de mesure d'écoulement à tubes de Pitot et à tuyère selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite tuyère comprend une extrémité d'entrée (26) et une extrémité de sortie (28) et en ce que la paroi exté- rieure (24) de ladite tuyère est évasée vers l'intérieur de ladite extrémité d'entrée vers ladite extrémité de sortie, de telle sorte que l'écoulement fluidique subisse un étran- glement lorsqu'il traverse la tuyère, et en ce que ledit ensemble de tubes de Pitot (30) comprend un groupe de tubes de Pitot pour pression statique et pression totale et à fonction d'établissement de valeur moyenne, lesdits tubes de Pitot étant disposés suivant une configuration circulaire autour de ladite tuyère, des tubes de Pitot dudit ensemble comportant des extrémités de détection qui sont généralement situés dans un plan transversal placé dans une position adjacente à l'extrémité de sortie (28) de ladite tuyère. 3.- Dispositif primaire de mesure d'écoulement à tubes de Pitot et à tuyère selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rapport entre le diamètre dudit ensemble de Pitot (30) et le diamètre intérieur de ladite tuyère (22, 24, 26, 28) est approximativement égal à 0,6. 4.- Dispositif primaire de mesure d'écoulement à tubes de Pitot et à tuyère selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rapport entre le diamètre dudit ensemble de Pitot (30) et le diamètre intérieur de ladite tuyère (22, 24, 26, 28) rentre dans une gamme comprise approximati- vement entre 0,5 et 0,7. 5.- Dispositif primaire de mesure d'écoulement à tubes de Pitot et à tuyère selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit conduit (12) dans lequel passe ledit écou- lement fluidique a une section droite circulaire et en ce que le-rapport entre le diamètre intérieur de ladite tuyère (22, 24, 26, 28) et le diamètre dudit conduit est approxima- tivement égal à 0,7. 6.- Dispositif primaire de mesure d'écoulement à tubes de Pitot et à tuyère selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit conduit (12) dans lequel passe ledit écou- lement fluidique a une section droite circulaire et en ce que le rapport entre le diamètre inférieur de ladite tuyère (22, 24, 26, 28) et le diamètre dudit conduit (12) rentre dans une plage générale comprise entre 0,6 et 0,8. 7.- Dispositif primaire de&mesure d'écoulement à tubes de Pitot et à tuyère selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit dispositif se présente sous la forme d'un ensemble tubulaire à l'intérieur duquel est placée ladite tuyère (22, 24, 26, 28), immédiatement entre les extrémités dudit ensemble tubulaire, et en ce que cet ensemble tubulaire (14, 16) est agencé pour être relié audit conduit (12) dans lequel passe l'écoulement fluidique. 8.- Dispositif primaire de mesure d'écoulement à tubes de Pitot et à tuyère selon la revendication 7, caractérisé il en ce que ledit ensemble tubulaire comprend deux tronçons tu- bulaires (14, 16), en ce que ladite tuyère (22, 24, 26, 28) comprend une partie en forme de bride (22) orientée vers l'extérieur, et en ce que ledit ensemble tubulaire comprend des organes de liaison (21) pour accoupler la bride de la tuyère entre deux extrémités respectives desdits tronçons tubulaires (14, 16) formant ledit ensemble tubulaire. 9.- Procédé de mesure d'un écoulement fluidique passant dans un conduit, caractérisé en ce qu'on dirige le fluide passant dans ledit conduit vers une station de-mesure d'écou- lement d'air, en ce qu'on dirige le fluide passant dans ladite station de mesure d'écoulement d'air vers l'extrémité d'entrée d'une tuyère, en ce qu'on dirige ensuite le fluide de ladite extrémité d'entrée de la tuyère vers et au travers d'une section d'étranglement d'écoulement en forme de col qui est placée en aval de l'extrémité d'entrée de la tuyère, en ce qu'on détecte et on mesure la pression dynamique différentielle dufluide passant au travers de la zone de col de la tuyère de manière à pouvoir aisément déterminer à partir de cette pression la vitesse et le débit du fluide passant dans ladite tuyère. 10.- Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la pression dynamique différentielle est déterminée en utilisant un ensemble de tubes de Pitot pour pression statique et pression totale qui sont placés dans une zone adjacente au col de ladite tuyère en vue d'établir une valeur moyenne de la pression dynamique différentielle transversalement au pro- fil fluidique passant dans ledit col de tuyère, notamment la phase de positionnement dudit ensemble de tubes de Pitot pour pression statique et pression totale par rapport au diamètre du col de ladite tuyère, de telle sorte que le rapport entre le diamètre dudit ensemble de tubes de Pitot et le diamètre de col de la tuyère soit approximativement de 0,6. 11.- Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit conduit et ladite tuyère à col ont une forme géné- ralement cylindrique et en ce que le procédé consiste à établir une section de tuyère qui soit telle que le rapport entre le diamètre de col et le diamètre de conduit soit approximativement de 0,7.