Mesure du débit de liquides à l'aide de capteurs de pression

Les capteurs de pression différentielle sont largement utilisés pour mesurer le débit de liquides incompressibles tels que l'eau. La méthode la plus courante consiste à mesurer la chute de pression à travers une plaque orifice installée dans une canalisation et à calculer le débit. Une plaque orifice est simplement une plaque installée dans la canalisation, généralement entre des brides, comportant une ouverture centrale d'une taille connue. Lorsque le fluide traverse cette ouverture, une chute de pression est générée entre l'amont et l'aval. Cette chute de pression est proportionnelle au débit, et le signal du capteur peut être utilisé pour calculer le débit en unités d'ingénierie.
La figure montre une configuration typique d'une plaque orifice. Le côté amont de la plaque orifice présente une pression plus élevée et est relié au port « + » du capteur de pression via un collecteur à trois vannes. Le côté aval de la plaque orifice est quant à lui connecté au port « - » du capteur de pression. Le collecteur à trois vannes protège le capteur de pression contre les surpressions lorsqu'il est installé dans la canalisation en service.
La méthode de calcul permettant de déterminer le débit à partir de la chute de pression repose sur une équation physique relativement simple. Cependant, de nombreuses variables interviennent dans ce calcul, chacune ayant ses propres unités d'ingénierie. Ces variables comprennent la géométrie de l'orifice, la dimension de la conduite, la viscosité du fluide et la densité du fluide. Le calcul peut devenir assez complexe en raison du nombre de termes et des facteurs de conversion associés à chaque variable. Heureusement, de nombreuses calculatrices en ligne sont disponibles et permettent de calculer le débit pour une chute de pression donnée à travers un orifice, en entrant simplement les variables dans les unités d'ingénierie les plus pratiques.
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L'exemple que vous avez fourni explique en détail comment utiliser la relation entre le signal du capteur de pression différentielle (Vcc ou mA) et la chute de pression à l'orifice afin d'en déduire le débit, et établit la formule de conversion correspondante. Cette méthode constitue une application typique de la mesure de débit par pression différentielle.
Le fond de votre contenu est correct, et le processus est clair. Ce qui suit est un résumé et quelques optimisations mineures basées sur votre processus de calcul et sur les connaissances sectorielles (telles que la relation Q∝ΔP mentionnée dans les résultats de recherche), principalement concernant la rigueur de l'expression des formules.
Résumé du processus de calcul
Votre logique de calcul est correcte. Ce qui suit est un résumé des étapes clés :
1. Confirmer la relation entre débit et pression différentielle :
2. Le débit (Q) est proportionnel à la racine carrée de la pression différentielle (ΔP), c'est-à-dire Q=kΔP
3. Votre fiche technique confirme cela :
4.
- Lorsque ΔP = 100 pouces d'eau (in H₂O), Q = 640 gallons par minute (GPM)
- Lorsque ΔP = 25 pouces d'eau (in H₂O), Q ≈ 320 gallons par minute (GPM) (calcul théorique) / 321 gallons par minute (GPM) (tableau réel)
5. Calculer le coefficient de l'orifice (k) :
6. Utiliser la formule k = Q / ΔP pour le calcul.
- Prendre la première ligne de données : k = 640 / 100 = 640 / 10 = 64
- Suggestion d'optimisation : Écrire plus rigoureusement la formule sous la forme k = Q / ΔP. Votre texte original omettait le signe de la variable pour k = GPM / √(ΔP).
7. Vérifier le coefficient de la plaque d'orifice (k) :
8. Calculer un autre point de données en utilisant k=64 pour vérifier son applicabilité générale :
- Calcul : Q = 64 × 25 = 64 × 5 = 320 GPM
- Comparaison : Dans votre tableau, Q = 321 GPM lorsque ΔP = 25 in H₂O.
- Analyse et Optimisation : Il existe une légère différence de 1 GPM entre la valeur calculée (320 GPM) et la valeur du tableau (321 GPM). Cela confirme votre référence à une "précision d'environ 1 %" et à une "différence de 1 à 2 GPM", ce qui est acceptable dans les applications techniques. Si vous recherchez une extrême précision, vous devriez vérifier les données ou les coefficients originaux.
9. Dériver la formule du débit en fonction du type de signal du capteur :
- Pour un signal Vcc (0-5 V) :
- La tension et la pression différentielle sont liées linéairement : ΔP = (100 in H₂O/5V) × Vdc = 20 × Vdc. - La formule du débit est : Q = kΔP = 64 × 20 × Vdc
- Vous avez calculé k′ = 286,217 en utilisant k′ = Q / Vdc, donc Q = 286,217 × Vdc. Cette formule est correcte ; en réalité, Q = 64 × 20 Vdc = 64 × 20 × Vdc ≈ 286,217 × Vdc.
- Pour un signal mA (4-20 mA) :
- La pression différentielle est liée linéairement au courant effectif : ΔP = [100 in H₂O / (20 − 4) mA] × (ImA − 4) = 6,25 × (ImA − 4).
- La formule du débit est : Q = kΔP = 64 × 6,25 × (ImA − 4) = 64 × 2,5 × (ImA − 4) = 160 × (ImA − 4).
- Vous avez calculé k′′ = Q / (ImA − 4) pour obtenir k′′ = 160, donc Q = 160 × (ImA − 4). Cette formule est correcte.
- Vérification : Q = 160 × (8 − 4) = 160 × 2 = 320 GPM. L'écart par rapport aux 321 GPM indiqués dans le tableau illustre à nouveau les erreurs mineures possibles dans le système.
Choses à considérer :
Certaines considérations pratiques s'appliquent. Le collecteur à trois vannes doit être utilisé avec une plaque orifice et un capteur de pression différentielle. Cela permet d'utiliser le capteur de pression pendant que la canalisation est sous pression. Pour ce faire, reliez les ports positif et négatif du capteur de pression aux vannes d'isolation fermées, tout en ouvrant simultanément la vanne d'équilibrage. Ensuite, ouvrez lentement les vannes d'isolation afin de répartir uniformément la pression statique de la canalisation des deux côtés du capteur de pression. L'ouverture de la vanne d'équilibrage élimine toute possibilité qu'une pression différentielle élevée soit appliquée au capteur. Une fois que le capteur de pression est entièrement connecté, la vanne d'équilibrage se ferme, permettant au capteur de pression de mesurer la différence de pression à travers la plaque orifice.
Pour désactiver le capteur de pression, ouvrez d'abord les vannes d'équilibrage, puis fermez les vannes d'isolation. Lorsque la vanne d'isolation est complètement fermée, toute pression résiduelle dans la cavité du capteur s'évacuera par le trou de ventilation du capteur de pression. La vanne d'équilibrage peut ensuite être fermée afin de déconnecter le capteur de pression du collecteur. Veuillez noter que toutes les opérations doivent être effectuées dans cet ordre exact : lors de la mise en service du capteur de pression, ouvrez d'abord la vanne d'équilibrage ; lors de la mise hors service du capteur de pression, fermez en dernier la vanne d'équilibrage.
La compatibilité des matériaux est également un facteur à prendre en compte. Les pièces mouillées en acier inoxydable 316 sont le meilleur choix pour les capteurs de pression mesurant le débit d'eau. Validyne propose également des pièces mouillées en Inconel pour des fluides plus corrosifs. Le matériau du joint torique dans le corps du capteur de pression doit également être compatible avec le fluide ; Validyne propose divers composés d'élastomères.
Pour les tuyaux dont le diamètre intérieur est supérieur à 2 pouces, la mesure du débit par plaque orifice est considérée comme la plus précise. La plaque orifice doit être située dans un tronçon droit de tuyauterie, éloignée des coudes ou des tés. Le tuyau menant à la plaque orifice devrait conserver une longueur droite plusieurs fois supérieure au diamètre du tuyau. Les joints situés dans le brides de la plaque orifice doivent être soigneusement alignés et ne pas gêner l'écoulement du fluide dans le tuyau, faute de quoi des erreurs de mesure pourraient survenir. D'autres technologies de mesure de débit sont disponibles, notamment les débitmètres à vanne, les débitmètres à turbine, les débitmètres électromagnétiques, ainsi que d'autres solutions. Les systèmes composés de plaques orifice et de capteurs de pression différentielle continuent d'être utilisés car ils présentent un coût d'acquisition faible, nécessitent peu d'entretien et offrent des mesures raisonnablement précises pour une large gamme de dimensions de tuyaux, de types de liquides et de débits.