Brevet FR2553879A1 — publié le 19850426

T ói présente invention concerne les débitmètres d ' un cpe p 5 ui forme vlae difference de pressions et plus précisément un débitmàtre à venturi qui crée des pertes minimales d'énergie lors de son fonctionnement. L'utilisation des débitmètres à venturi est très bien connue et divers dispositifs ont déjà été disponibles Le tube à venturi classique est un exemple et il comporte un organe tubulaire allongé ayant un tronçon sensiblement rectiligne d'entrée, un convergent allongé 10 dont la section diminue progressivement, un tronçon sensiblement rectiligne formant un col, un divergent allongé, de section croissant progressivement vers l'aval, et des prises de détection de pression à l'entrée et au col, destinées à déterminer les pressions statiques dans 15 les tronçons d'entrée et du col respectivement Le débit d'un fluide circulant dans le dispositif peut être déterminé à partir de la pression différentielle entre les prises d'entrée et du col, par utilisation d'une équation d'écoulement Les tubes classiques à venturi de ce type se sont révélés très efficaces pour la mesure des débits des liquides et des gaz En outre, les tubes clàssiques à venturi peuvent être utilisés efficacement pour la mesure des débits de fluides contenant des matières solides en suspension ou entraînées, puisqu'ils ne s'encras25 sent pas facilement et en fait ils présentent même un effet de nettoyage automatique Cependant, bien que les tubes classique à venturi se soient révélés très efficaces pour la mesure des débits de fluide, ils ont été caractérisés par une longueur relativement grande si bien que 30 leur fabrication a en général été relativement coûteuse par rapport à celle des autres débitmètres connus. En plus du tube classique à venturi, on utilise aussi beaucoup un dispositif connu sous le nom de "buse à venturi" dans les applications de débitmétrie Une 35 buse à venturi a un tronçon d'entrée sensiblement rectiligne, un convergent elliptique de longueur réduite, et un col sensiblement rectiligne Une buse à venturi peut être réalisée avec une longueur nettement inférieure à celle d'un tube classique à venturi de caractéristiques comparables Cependant, dans une buse à venturi, l'entrée du convergent est disposée en direction sensiblement 5 perpendiculaire vers l'intérieur du tronçon d'entrée et est ensuite disposée sous forme courbe vers l'aval. L'extrémité d'entrée du convergent d'une buse à venturi joue donc un rôle analogue à celui d'un barrage qui tend à piéger les matières solides en suspension ou entraînées 10 dans un fluide qui s'écoule En conséquence, la buse à venturi n'a pas l'effet de nettoyage automatique présenté par les tubes classiques à venturi. Un autre débitmètre du type différentiel constitue un tube universel à venturi, comme décrit dans le brevet 15 des Etats-Unis d'Amérique n 3 686 946 Ce tube universel a un tronçon sensiblementrectiligne d'entrée, un cône dientrée dirigé vers l'intérieur et constituant un convergent à partir du tronçon d'entrée, un cône constituant un col, convergeant à partir du cône d'entrée mais ayant un angle 20 réduit par rapport à celui du tronçon d'entrée, et un col sensiblement rectiligne Des prises de pression sont formées dans le tronçon d'entrée et au col d'un tel tube universel à venturi et déterminent les pressions statiques dans ces régions Les intersections des cônes d'entrée 25 et du col et du cône du col et du tronçon du col sont de préférence toutes deux à configuration relativement nette afin que deux veines contractées se forment dans le fluide circulant dans le débitmètre Ce tube universel a un effet de nettoyage automatique analogue à celui 30 d'un tube classique, il peut être réalisé avec une longueur réduite, et il donne des mesures précises des débits Cependant, les pertes d'énergie présentées dans un fluide qui circule dans le convergent d'un tube universel sont nettement supérieures à celles que présentent les fluides 35 circulant dans les convergents de tubes comparables à venturi ou de buses comparables à venturi. L'invention concerne un débitmètre du type 3 2553879 à venturi qui présente des avantages par rapport à tous les dispositifs précités Le débitmètre selon l'invention peut être réalisé avec une longueur réduite, il possède un effet de nettoyage automatique, il présente des pertes 5 minimales d'énergie, il donne des mesures précises des débits, et il peut être réalisé à de faibles coûts de fabrication Le débitmètre selon l'invention comporte un organe tubulaire dont la configuration comporte un tronçon d'entrée sensiblement longitudinal, un conver10 gent qui converge à partir du tronçon d'entrée, un tronçon sensiblement longitudinal formant un col et de préférence aussi un divergent tourné vers l'aval Le tronçon convergent a une partie formant un cône d'entrée, se rétrécissant par rapport au tronçon d'entrée, et une partie formant 15 un cône de col se rétrécissant du cône d'entrée vers le col, le cône d'entrée ayant cependant un angle réduit par rapport au tronçon d'entrée Une caractéristique importante du débitmètre selon l'invention et qui le distingue des débitmètres connus et en particulier du 20 tube universel à venturi, est la disposition d'intersections arrondies entre le cône d'entrée et le cône du col et entre le cône du col et le col Ces intersections arrondies sont destinées à empêcher la formation de veines contractées dans un fluide circulant dans le débitmètre 25 afin que les pertes d'énergie dues au fluide soient minimales Grâce à ces intersections arrondies à ces emplacements, les pertes d'énergie présentées par le dispositif selon l'invention sont nettement inférieures à celles que présente le tube universel à venturi Le débitmètre selon 30 l'invention a un effet de nettoyage analogue à celui qui existe dans un tube universel, il peut avoir une longueur réduite, et il donne des mesures précises de débit Le dispositif selon l'invention peut être fabriqué économiquement étant donné sa longueur réduite et en 35 outre les coûts de fabrication peuvent être réduits par utilisation des intersections arrondies comme décrit précédemment car de telles intersections sont plus fa- ciles à réaliser dans des opérations d'usinage que les intersections nettes des dispositifs connus de ce type. Ainsi, le débitmètre selon l'invention est de fabrication rentable et ilfonctionne avec des pertes minimales d'éner5 gie. Les brevets des Etats-Unis d'Amérique n 2 863 318, 2 868 012, 2 872 810, 3 013 432, 3 733 902, 3 733 901, 4 174 734 et le brevet britannique n 473 562 décrivent d'autres débitmètres à pression différentielle qui sont 10 des exemples de la technique antérieure Bien qu'ils décrivent divers débitmètres, ils n'enseignent ni ne suggèrent les caractéristiques de l'invention. Ainsi, l'invention concerne essentiellement des débitmètres efficaces du type à pression différentielle, 15 fonctionnant avec des pertes minimales d'énergie. Elle concerne aussi un tel débitmètre qui présente des pertes réduites d'énergie lors du fonctionnement et qui a un effet de nettoyage automatique. Elle concerne aussi un tel débitmètre qui fonc20 tionné avec des pertes réduites et qui peut être fabriqué d'une manière relativement peu coûteuse. Elle concerne aussi un tel débitmètre qui a des tronçons d'entrée, de convergent et de col, le convergent ayant une partie formant un cône d'entrée qui se 25 rétrécit à partir du tronçon d'entrée et une partie formant un cône de col qui se rétrécit à partir du cône d'entrée jusqu'au tronçon du col, avec un angle réduit par rapport à la partie d'entrée, et les intersections de la partie formant le cône d'entrée et de la partie formant le cône 30 du col et de la partie formant le cône du col et du tronçon du col ont des configurations arrondies empêchant la formation dans le dispositif de veines contractées. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, 35 faite en référence au dessin annexé sur lequel: la figure 1 est une vue en plan d'un débitmètre selon l'invention; -une coupe longitudinale suv-ant J.a' ii 1 _ 2 d U ia fi L e_; et la figure 3 est une coupe partielle agrandie représentant les intersections arrondies entre le cône 5 d'entrée et le cône du col et entre le cône du col et le tronçon du col. Les figures 1 et 2 représentent de façon générale un débitmètre 10 selon l'inventon Ce débitmètre est un organe de forme tubulaire comprenant un tronçon d'entrée 10 12, un convergent 14, placé en aval du tronçon 12, un col 16, tourné vers l'aval à partir du convergent 14, et de préférence un divergent 18 dirigé vers l'aval à partir du col 16 Des prises 20, 22 de détection de pression sont placées dans les tronçons 12 et 16 d'entrée 15 et du col et sont destinées à détecter les pressions du fluide afin que le débit d'un fluide circulant dans le dispositif 10 soit mesuré Plus précisément, lors de la mesure du débit d'un fluide, la pression différentielle entre les prises 20 et 22 est utilisée dans une équation 20 classique d'écoulement dans un venturi; d'une manière couramment utilisée dans de tels débitmètres Cependant, étant donné la configuration particulière du dispositif 10 et notamment celle du convergent 14, le dispositif 10 permet la mesure de débits de fluide avec des pertes 25 minimales d'énergie de pression En outre, étant donné la configuration du convergent 14, le débitmètre 10 a un effet de nettoyage automatique qui empêche l'accumulation de saletés dans le dispositif 10 lorsque celui-ci est utilisé avec un fluide qui contient des matières 30 solides entraînées ou en suspension. Le tronçon 12 d'entrée, le col 16 et le divergent 18 sont de façon générale de configuration classique et analogue à celle de tronçons correspondants de débitmètres connus tels que décrits dans le brevet des Etats-Unis 35 d'Amérique n 3 686 946 Le tronçon 12 d'entrée est disposé suivant la longueur du débitmètre 10 et il est délimité par une paroi sensiblement longitudinalement et sensiblement rectiligne 24 Le col 16 est aussi sensiblement dans la direction longitudinale du débitmètre 10 mais il a une section de dimension réduite par rapport au tronçon d'entrée 12, la dimension correspondant à peu près à 5 la moitié de la dimension correspondante du tronçon 12, et il est délimité par une paroi tubulaire sensiblement longitudinale et sensiblement rectiligne 26 dans laquelle est formée la prise 22 Le divergent 18 à une partie divergente 28 délimitée par une paroi conique 30 et dont 10 la section augmente progressivement vers l'aval Une partie 32 d'extrémité est aussi incorporée au divergent 18 et est en direction sensiblement longitudinale, en aval du divergent 28, la partie 32 d'extrémité ayant une partie tubulaire 34 qui a de préférence une section 15 sensiblement égale à celle du tronçon d'entrée 12 Le divergent 18 est destiné à restituer les pressions hydrostatiques du fluide d'une manière connue dans la technique. Le convergent 14 est disposé entre le tronçon 12 d'entrée et le col 16 et il a une configuration origi20 nale qui donne des avantages particuliers par rapport aux débitmètres connus A cet égard, le convergent -14 comporte un cône d'entrée 36 ayant une paroi conique 38 et un cône de col 40 qui a une paroi conique 42 La partie 38 du cône d'entrée 36 donne une section qui diminue 25 vers l'intérieur, vers l'aval, par rapport à la paroi 24 du tronçon d'entrée 12, et la paroi 42 du cône 40 délimite une section qui diminue vers l'aval, à partir du cône d'entrée 36 jusqu'au tronçon 16 du col, la paroi 42 du cône 40 faisant cependant un angle réduit par rapport 30 à la paroi 24 du tronçon d'entrée 12 par rapport à la paroi 38 du cône d'entrée 36 A cet égard, la paroi 38 fait de préférence un angle compris entre 30 et 40 et avantageusement d'environ 30 avec la paroi 24, et la paroi 42 part de la paroi 38 en faisant un angle de préfé35 rence compris entre 4 et 7 par rapport à la paroi 24 Le cône 40 du col a de préférence une longueur qui est au moins égale au quart du diamètre du col On a constaté que, lorsque le débitmètre 10 était réalisé de cette manière, il pouvait fonctionner efficacement avec des pertes réduites d'énergie, et il pouvait être réalisé avec une longueur globale réduite L'intersection de 5 la paroi 38 du cône 36 et de la paroi 42 du câne 40 a une configuration arrondie comme indiqué par la référence 44, et l'intersection de la paroi 42 du c 6 ne du col 40 et de la paroi 26 du col 16 a aussi une configuration arrondie comme l'indique la référence 46 Les configura10 tions arrondies des intersections 44 et 46 sont particulièrement importantes dans le débitmètre selon l'invention et donnent des avantages importants par rapport aux dispositifs connus car elles réduisent au minimum les pertes d'énergie Plus précisément, les intersections arrondies 15 44 et 46 empêchent la formation de veines contractées dans les fluides circulant dans le dispositif 10 si bien que la turbulence est minimale et les pertes d'énergie sont minimales En d'autres termes, la quantité d'énergie dissipée par le fluide sous forme de chaleur est minimale, 20 et un pourcentage élevé de la pression hydrostatique originale du fluide peut être restituée dans le divergent 18 En outre, il faut noter que, bien qu'on ait décrit le débitmètre 10 avec deux tronçons convergents, sa construction avec un nombre supplémentaire de tronçons conver25 gents, se rétrécissant par rapport à la paroi 24 du tronçon d'entrée 12 et reliés par des intersections arrondies, est aussi dans le cadre de l'invention. Lors du fonctionnement du débitmètre 10, le débit d'un fluide est mesuré par détermination des pressions 30 statiques dans les tronçons d'entrée et du col 12 et 16 respectivement, à l'aide des prises 20 et 22 Les pressions détectées par des prises sont comparées et la pression différentielle est transmise afin qu'elle permette, à l'aide d'une équation d'écoulement, de déterminer le 35 débit du fluide circulant dans le débitmètre 10 Plus précisément, la pression différentielle est utilisée dans une équation classique d'écoulement dans un venturi telle que par exemple: /2 _H Q = A 2 C _Q étant le débit, K la section du col, C le coefficient de décharge, c'est-à-dire le rapport du débit réel au débit théorique, B étant le rapport du diamètre dans le col 5 au diamètre dans le tronçon d'entrée, g étant l'accélération de la pesanteur et H étant la différence de pression entre les prises d'entrée et du col, exprimée en hauteur de fluide dans les conditions régnantes. Dans l'équation précédente d'écoulement, le 10 coefficient C de décharge représente une valeur empiriquement déterminée reliant le débit réel dans le débitmètre 10, déterminé par étalonnage (mesure physique du débit dans les conditions d'essai) au débit théorique dans un dispositif à venturi idéal Le coefficient de décharge, 15 pour un débitmètre particulier, est relié au rendement de fonctionnement du dispositif si bien que le coefficient de décharge est aussi relié à la quantité d'énergie perdue par le fluide dans son accélération Ainsi, un dispositif idéal ne présente pas de pertes d'énergie et a un coef20 ficient de décharge égal à 1 mais, en pratique, tous les coefficients de décharge sont un peu inférieurs à 1. Le tableau qui suit indique des exemples de valeurs des coefficients de décharge pour divers débitmètres y compris celui selon l'invention. Débitmètre Coefficient de décharge Tube classique à venturi 0,984 Buse à venturi 0,985 Tube universel à venturi 0,980 Débitmètre 10 0,985 On note dans le tableau que le débitmètre selon l'invention a un coefficient de décharge qui est nettement supérieur à celui d'un tube universel comparable à venturi et qui est à peu près égal à celui du tube classique comparable à venturi ou d'une buse comparable à venturi Ainsi, 35 la comparaison des coefficients de décharge précités montre que le débitmètre selon l'invention présente des pertes d'énergie dans le convergent nettement inférieures t;: ? L X:, _nts enturl ( 20 % envir on de pertes en moins cans le onvergent) avec des pertes d'énergie dans le convergent qui sont approximativement les mêmes que dans un tube classique à venturi et que 5 dans une buse à venturi Contrairement à la buse à venturi cependant, le débitmètre 10 présente un effet de nettoyage automatique si bien que les matières solides entraînées ne se déposent pas normalement dans le débitmètre En outre, contrairement au tube classique à venturi, le 10 débitmètre 10 peut avoir une longueur réduite si bien que les coûts de fabrication peuvent être réduits. On note ainsi que le débitmètre selon l'invention présente des avantages particuliers par rapport à un certain nombre de débitmètres connus Il présente des 15 pertes réduites d'énergie, et possède un effet de nettoyage automatique si bien qu'il peut être utilisé pour la mesure des débits de fluide ayant des matières solides entraînées ou en suspension Il peut aussi être réalisé avec une longueur réduite et sa fabrication est donc peu coûteuse. 20 Ainsi, le débitmètre selon l'invention constitue un progrès important dans la technique. REVENDICATIONS 1 Débitmètre, du type qui forme une pression différentielle et qui comporte un organe tubulaire comprenant des tronçons sensiblement longitudinaux d'entrée 5 et d'un col ( 12, 16), ayant des prises ( 20, 22) de détection de pression à l'entrée et dans le col respectivement, et un convergent ( 14) qui relie les tronçons d'entrée et du col, ledit débitmètre étant caractérisé en ce que le convergent ( 14) comporte un cône d'entrée ( 36) qui se rétrécit vers l'aval par rapport au tronçon d'entrée et un cône de col ( 40) qui se rétrécit vers l'aval à partir du cône d'entrée vers le col, le cône du col ( 40) faisant un angle réduit avec le tronçon d'entrée par rapport au cône d'entrée, les intersections ( 44, 46) du cône 15 d'entrée et du cône du col d'une part et du cône du col et du tronçon du col d'autre part ayant les configurations arrondies empêchant la formation de veines contractées dans les fluides circulant dans le débitmètre. 2 Débitmètre selon la revendication 1, caracté20 risé en ce que les parois du cône d'entrée ( 36) font un angle compris entre 30 et 40 environ avec le tronçon d'entrée. 3 Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parois du cône du col ( 40) forment un angle compris entre 4 et 7 environ avec le tronçon d'entrée. 4 Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parois du cône d'entrée ( 36) forment un angle d'environ 30 avec le tronçon d'entrée ( 12). 30 5 Débitmètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que les parois du cône d'entrée ( 36) forment un-angle d'environ 30 avec le tronçon du col ( 16). 6 Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cône du col ( 40) est disposé sur une 35 distance au moins à peu près égale au quart du diamètre du col ( 16). 7 Débitmètre selon la revendication 5, caracté- iln 2553879 risé en ce que le cône du col ( 40) est formé sur une distance au moins à peu près égale au quart du diamètre du col ( 16).