Mesure du débit par plaque d'orifice: débit par pression différentielle déduit le débit d'un fluide à partir de la chute de pression créée lorsque le fluide passe à travers un rétrécissement usiné dans une conduite.
Elle reste l'un des principes de mesure de débit les plus largement utilisés dans les industries de procédés parce qu'elle est simple, sans pièces mobiles, et soutenue par des décennies de données normalisées de dimensionnement.
Une plaque d'orifice est un disque métallique mince percé d'un alésage usiné avec précision, serré entre deux brides de tuyau ou maintenu dans un support. Lorsque le fluide s'accélère en passant par l'alésage, sa vitesse augmente et la pression statique diminue, conformément au principe de Bernoulli.
En aval, l'écoulement se contracte encore jusqu'à la vena contracta avant de se réélargir vers la paroi du tuyau.
La différence de pression entre une prise en amont et une prise en aval est mesurée par un transmetteur de pression différentielle (DP) et convertie en débit selon une relation en racine carrée, corrigée par un coefficient de décharge.
Le rapport bêta (β) est le rapport entre le diamètre de l'alésage de la plaque d'orifice et le diamètre interne du tuyau, le paramètre de dimensionnement le plus important. Un petit β produit une grande pression différentielle facilement mesurable mais entraîne aussi une perte permanente importante et une usure accrue des bords.
Un grand β donne un signal plus faible mais une perte permanente moindre. Les conceptions typiques se situent entre environ 0,2 et 0,75, 0,4 à 0,65 étant courant pour les services généraux de procédé.
Le débit est proportionnel à la racine carrée de la pression différentielle, donc doubler le débit nécessite environ quatre fois la pression différentielle, et l'échelle du transmetteur DP doit être choisie pour l'enveloppe de débit prévue.
À faible débit, la pression différentielle devient faible par rapport au bruit du transmetteur et à la dérive du zéro, c'est pourquoi une seule plaque offre généralement une plage d'utilisation (rangeabilité) utilisable d'environ 3:1 à 5:1 sans re-réglage ou remplacement
une limitation réelle par rapport aux types de débitmètres qui conservent leur précision sur une plage plus large, compromis abordé dans cet aperçu des types de débitmètres industriels .
Une plaque concentrique a l'alésage centré sur l'axe du tuyau, standard pour les liquides propres monophasés, les gaz et la vapeur.
Une plaque excentrique a l'alésage décalé vers le haut ou le bas du tuyau pour rester à l'écart du liquide entraîné (en haut, gaz humide) ou des sédiments (en bas, boues).
Une plaque segmentaire utilise une ouverture en segment de cercle découpée affleurant la paroi du tuyau, pour les écoulements transportant des solides lorsque l'alésage excentrique n'est pas suffisant.
L'emplacement des prises modifie la pression différentielle mesurée et doit correspondre à l'équation du coefficient de décharge utilisée pour le dimensionnement :
| Type de prise | Emplacement en amont | Emplacement en aval | Usage typique |
|---|---|---|---|
| Prises sur bride | 25,4 mm (1 po) de la plaque | 25,4 mm (1 po) de la plaque | Pratique nord-américaine, tailles de tuyau fixes |
| Prises d'angle | Immédiatement adjacente à la plaque | Immédiatement adjacente à la plaque | Pratique européenne, petits diamètres |
| Prises D et D/2 | 1 diamètre de tuyau (D) en amont | 0,5 diamètre (D/2) en aval | Près de la vena contracta ; sensible à l'installation |
Contrairement à un tube Venturi ou à une buse d'écoulement, une plaque d'orifice provoque une perte de pression permanente et non récupérable relativement importante, car la restriction à bords vifs génère des turbulences et des tourbillons en aval qui dissipent l'énergie au lieu d'être récupérée sous forme de pression.
La perte est maximale pour de faibles rapports bêta et minimale pour des rapports élevés, typiquement 40 à 90 % de la pression différentielle mesurée selon β.
Cela s'ajoute directement au coût de pompage ou de compression dans des services économes en énergie, raison importante pour laquelle les ingénieurs optent parfois pour des tubes Venturi malgré leur coût d'installation plus élevé.
Le dimensionnement des plaques d'orifice, la géométrie d'installation et le calcul du coefficient de décharge sont régis au niveau international par la norme ISO 5167 (la partie 1 couvre les principes généraux, la partie 2 couvre les plaques d'orifice), l'API MPMS Chapitre 14.3 (historiquement AGA Report No.
3) étant utilisé pour la mesure du gaz naturel en transfert de custody en Amérique du Nord. Ces normes définissent les tolérances d'épaisseur de la plaque et de netteté des bords, les longueurs minimales de tronçon droit, la circularité admissible des tuyaux et la corrélation du coefficient de décharge, l'équation Reader-Harris/Gallagher.
S'écarter de ces tolérances introduit des erreurs qui ne peuvent être corrigées après coup, c'est pourquoi les montages avec plaque d'orifice sont généralement préfabriqués en tant que tronçon de tuyau dédié.
Parce que la précision dépend de la netteté du bord de l'alésage en amont, les plaques d'orifice sont sensibles à la dérive due à l'érosion, la corrosion et aux dépôts de tartre ou de cire.
L'inspection de routine consiste généralement à retirer la plaque lors d'un arrêt programmé pour vérifier l'état du bord et s'assurer que l'alésage ne s'est pas élargi. L'état des joints, l'orientation de la plaque et l'intégrité des lignes d'impulsion doivent également être contrôlés périodiquement, car une ligne qui fuit fausse silencieusement la mesure.
Le suivi de ces intervalles d'inspection et d'étalonnage est un flux de travail que Fabrico prend en charge, ainsi que pour des dispositifs connexes tels que le coefficient de débit (Cv) des vannes de régulation .
Les plaques d'orifice sont en concurrence avec les tubes Venturi, les buses d'écoulement, les débitmètres à vortex, les débitmètres ultrasoniques et les débitmètres Coriolis. Leurs avantages sont un faible coût d'investissement, l'absence de pièces mobiles et une vaste base de données de dimensionnement.
Leurs inconvénients sont une rangeabilité limitée, une perte de pression permanente élevée et une précision qui se dégrade avec l'usure des bords.
Les débitmètres à vortex et ultrasoniques offrent une rangeabilité plus large avec peu ou pas de perte permanente mais à un coût d'appareil plus élevé, compromis semblable à celui décrit pour la mesure de niveau par radar .
Pour évaluer si un montage avec plaque d'orifice ou un débitmètre alternatif convient à un service, réservez une démo Fabrico .
Le rapport bêta est le diamètre de l'alésage de la plaque d'orifice divisé par le diamètre interne du tuyau. Il définit le compromis entre l'amplitude du signal DP et la perte de pression permanente, et il est une donnée requise pour l'équation du coefficient de décharge de la norme ISO 5167.
Cela découle des équations d'énergie et de continuité appliquées à la restriction. Parce que le débit est proportionnel à la racine carrée de la DP, la plage utilisable est plus étroite que pour des débitmètres linéaires, car le signal diminue rapidement à faible débit.
Les intervalles d'inspection dépendent de la sévérité du service, mais les plaques soumises à l'érosion, à la corrosion ou à l'encrassement sont généralement vérifiées lors des arrêts programmés pour contrôler la netteté du bord de l'alésage et l'augmentation du diamètre, ces deux facteurs affectant la précision du coefficient de décharge.
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