Principe de mesure du débit 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 fermé, 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 écoulement.

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 fig. 2) :

Le physicien Theodore von Kármán a fait plus que simplement poser les bases théoriques pour la mesure du débit avec des débitmètres vortex en 1912, quand il décrit ce qui est maintenant connu sous le nom d'« allée de tourbillons ». Son analyse de la double rangée de tourbillons en aval d'un corps perturbateur dans un flux fluide a révélé un rapport fixe entre leur espacement transversal (d) et leur espacement longitudinal (L). Par exemple, si le corps perturbateur est cylindrique, ce rapport est de 0,281. Avec un diamètre de conduite uniforme, le volume des tourbillons est donc constant. En supposant que les tourbillons sont de même taille malgré des différences dans les conditions d'exploitation, le débit peut donc être obtenu directement à partir du nombre de tourbillons par unité de temps.

Le débit atteint sa vitesse maximale à la partie la plus large du corps perturbateur et perd ensuite une partie de cette vitesse. La figure 3 montre que le débit cherche à s'éloigner (a) du contour du corps perturbateur, au lieu de continuer à le suivre. Cela provoque une faible pression localisée, ce qui produit des contre-courants, et enfin des tourbillons (b). Ces tourbillons se détachent alternativement de chaque côté du corps perturbateur et sont portés par le fluide.

La forme des corps perturbateurs varie selon le fabricant. Ils peuvent être rectangulaires, triangulaires, ronds, en delta ou faire partie des nombreux designs propriétaires et brevetés. Ce design doit être tel que le nombre de Strouhal reste constant sur toute la gamme de mesure ; en d'autres termes, la fréquence vortex est indépendante de la pression, de la température et de la masse volumique. C'est cette gamme constante (Re > 10 000) qui est utilisée pour la mesure du débit volumique avec des débitmètres vortex (voir fig. 4). Les corps perturbateurs en delta présentent une linéarité quasi idéale et se sont révélés particulièrement fiables. Les ingénieurs de la NASA ont réalisé des études exhaustives sur ces designs de corps perturbateurs. La précision de mesure peut être de ±0,75 % de m., et la reproductibilité d'env. 0,1 %.

Il est courant de définir les caractéristiques des débitmètres vortex avec le « facteur K ». Ce facteur représente le nombre de tourbillons dans une unité de temps (impulsions par unité de volume). Le fabricant obtient ce facteur K par étalonnage et intègre ces informations sur la plaque de l'instrument. Il dépend de la forme du corps perturbateur et de la taille de la conduite.

Un débitmètre vortex (DN 50/2") a un facteur K de 10 impulsions par litre, ce qui signifie que chaque impulsion générée correspond à un volume de 0,1 litre, que le fluide mesuré soit de l'eau, de la vapeur ou tout autre fluide.

Les débitmètres vortex sont utilisés dans de nombreuses branches de l'industrie pour mesurer le débit volumique des vapeurs, liquides et gaz. Les débitmètres vortex sont de plus en plus courants dans les applications qui étaient autrefois réservées aux débitmètres à pression différentielle tels que des diaphragmes. Cette tendance se poursuit, et la raison est simple : les débitmètres vortex sont plus faciles à installer et ont une gamme de rangeabilité plus large. La figure 5 en illustre un exemple.

Depuis les années 80, les débitmètres vortex sont devenus particulièrement populaires dans tous les secteurs de l'industrie pour la mesure de la vapeur. Les débitmètres vortex ne mesurent que le débit volumique, mais les systèmes vapeur sont généralement classés selon leur contenu massique ou énergétique, et ces débitmètres sont fréquemment utilisés en combinaison avec des capteurs de pression et de température soit intégrés, soit séparés.

Contrairement aux débitmètres électromagnétiques, les débitmètres vortex peuvent être utilisés pour déterminer le débit de liquides non conducteurs ou très légèrement conducteurs tels que les hydrocarbures, l'eau déminéralisée, le condensat ou l'eau d'alimentation de chaudière. Ils peuvent également être utilisés à des pressions élevées et des températures beaucoup plus hautes que les débitmètres électromagnétiques.

Dans de telles applications, les débitmètres vortex sont largement utilisés pour le comptage d'air comprimé, de gaz naturel ou de composants individuels de l'air comme l'azote, l'oxygène, le dioxyde de carbone, les hydrocarbures, etc.

Les clients finaux ne recherchent plus une mesure purement volumétrique, mais plutôt une mesure de la masse compensée. Cette évolution permet d'établir des bilans précis. En tenant compte de la pression et de la température, des mesures de masse précises peuvent être obtenues, ce qui est indispensable pour l'équilibrage précis, le contrôle des process et l'optimisation.

En outre, la mesure spéciale de la vapeur humide (titre vapeur/qualité de vapeur) peut aider les opérateurs à comprendre la qualité de leur vapeur et à détecter l'accumulation potentielle de l'humidité en ligne. Ainsi, la sécurité et l'efficacité peuvent être améliorées de façon fiable. Des résultats d'une grande précision sont possibles dans les environnements de vapeur saturés/humides, ce qui permet aux clients de combler les lacunes potentielles dans leurs bilans massiques.

Les débitmètres Proline Prowirl d'Endress+Hauser combinent la mesure du débit, de la pression et de la température dans un seul instrument, pour une hausse nette de l'efficacité et de la précision.

• Précision : en enregistrant simultanément la pression et la température, des mesures de débit précises peuvent être déterminées indépendamment des fluctuations des conditions de fonctionnement, et donc idéales pour l'équilibrage massique du gaz et de la vapeur.
• Efficacité : l'intégration de plusieurs paramètres dans un seul appareil réduit considérablement les coûts d'installation et de maintenance.
• Fiabilité : les débitmètres Prowirl sont robustes et durables et assurent des performances fiables même dans des conditions exigeantes.