Ce que vous devez savoir sur le tube de Pitot

En pensant à la façon dont la vitesse est mesurée dans des applications telles que les avions, le tube de Pitot est l'instrument conçu pour cette tâche. cet instrument appelé sonde de Pitot est constitué d'un tube à coude court à angle droit. L'appareil est utilisé pour calculer la vitesse en fonction du débit de fluide. Les tubes de Pitot sont utilisés dans les anémomètres pour mesurer la vitesse de l'air dans les souffleries et à bord des avions en vol. Ils sont utilisés pour mesurer le débit de liquide, d'air et de gaz.

Aujourd'hui, vous comprendrez la définition, la fonction, les applications, les composants, le diagramme, l'équation, les types et le fonctionnement d'un tube de Pitot. Vous découvrirez également ce qui suit :

• Pression statique
• Pression dynamique
• Pression de stagnation
• Vitesse d'écoulement
• Tubes de Pitot à port unique
• Moyennage des tubes de Pitot
• Comment mesurer le débit d'air avec un tube de Pitot, enfin
• Vous apprenez à connaître les avantages et les inconvénients d'un tube de Pitot.

Qu'est-ce qu'un tube de Pitot ?

Un tube de Pitot est un instrument de mesure de débit pour mesurer la vitesse (vitesse) d'un fluide en écoulement. Il a été inventé par Henri Pitot qui était un ingénieur français au 18 ^ème siècle. L'appareil a été modifié pour prendre sa forme moderne au milieu du 19 ^e siècle par un scientifique français Henry Darcy. Un tube de Pitot est un tube mince comportant deux trous. Le trou avant est placé dans le flux d'air, aidant à mesurer ce que l'on appelle la pression de stagnation. le trou latéral mesure ce qu'on appelle la pression statique. La mesure entre ces deux pressions est ce qui nous donne la pression dynamique, qui peut être utilisée pour calculer la vitesse. Eh bien, cela sera expliqué plus en détail.

Les tubes de Pitot qui sont des instruments de capteur de débit peuvent être une alternative peu coûteuse à une plaque à orifice. Sa précision varie de 0,5 % à 5 % FS, ce qui est similaire à celle d'un orifice. De plus, sa plage de débit de 3:1 (bien que certains fonctionnent à 4:1) ressemble plus à la capacité de la plaque à orifice. La différence entre ces deux appareils est que l'orifice mesure le débit total, tandis que le tube de Pitot peut détecter la vitesse d'écoulement en un seul point du débit.

Applications d'un tube de Pitot

Les tubes de Pitot peuvent maintenant être trouvés dans de nombreuses applications non seulement dans l'aviation. Il est populaire que l'instrument soit utilisé dans l'aviation, ils sont également courants dans les machines industrielles, les bateaux et même les voitures de sport. En fait, vous pouvez même utiliser un tube de Pitot pour votre projet qui nécessite la mesure de la vitesse d'un écoulement. Cependant, les avions utilisent souvent des tubes pitot-statiques qui contiennent deux ouvertures au lieu d'un tube séparé et de ports statiques.

Un seul tube de Pitot a la capacité de mesurer la pression statique et la pression de stagnation. Les ports statiques sur le côté du tube de Pitot permettent d'atteindre cette capacité tout-en-un. Cela élimine le besoin de ports statiques séparés. Je développerai plus à ce sujet sous cet article.

Comme mentionné précédemment, l'air de Pitot est largement utilisé pour déterminer la vitesse d'un avion et la vitesse d'un bateau. Il est utilisé pour mesurer les vitesses d'écoulement de liquide, d'air et de gaz dans certaines applications industrielles. Fondamentalement, l'instrument est utilisé dans les expériences en soufflerie et dans les avions pour mesurer la vitesse d'écoulement. Il est utilisé dans une large gamme d'applications de mesure de débit telles que la vitesse anémométrique dans les voitures de course et les avions de chasse de l'armée de l'air. Dans les applications industrielles, les tubes de Pitot sont utilisés pour calculer le débit d'air dans les tuyaux, les conduits et les cheminées. En outre, écoulement de liquide dans les tuyaux, les déversoirs et les canaux ouverts.

Enfin, dans les applications, les tubes de Pitot sont utilisés pour mesurer la vitesse d'écoulement du fluide en mesurant la différence de pression statique et dynamique. Ceci peut être réalisé en convertissant l'énergie cinétique d'un écoulement de fluide en énergie potentielle.

Composant d'un tube de Pitot

Schéma d'un tube de Pitot :

Équation du tube de Pitot

Le principe est basé sur l'équation de Bernoulli où chaque terme de l'équation peut être interprété comme une pression

p + 1/2 ρ v ² + ρ g h

      =p + 1/2 ρ v ² + γ h

      = constante le long d'une ligne de courant… (1)

Où :

p =  pression statique  (par rapport au fluide en mouvement) (Pa)

ρ =  densité  de liquide (kg/m ³ )

v =vitesse d'écoulement (m/s)

γ = ρ g =  poids spécifique  (N/m ³ )

g =  accélération de la gravité  (m/s ² )

h =hauteur d'élévation (m)

Chaque terme de l'équation a la force dimensionnelle par unité de surface N/m ²  (Pa) –  ou en unités impériales lb/ft ² (psi) .

Pression statique – Le terme P indique la pression statique. il est statique par rapport au fluide en mouvement et peut être mesuré à travers une ouverture plate parallèle à l'écoulement

Pression dynamique – Le deuxième terme – 1/2 ρ v ² – est appelée pression dynamique.

Pression hydrostatique – Le troisième terme – γ h – est appelée pression hydrostatique. Il représente la pression due à un changement d'altitude.

Pression de stagnation - L'équation de Bernoulli indique que l'énergie le long d'une ligne de courant est constante - et peut être modifiée pour

p₁ + 1/2 ρ v₁ ² + γh₁

    = p₂ + 1/2 ρ v₂ ² + γ h₂

    =constante le long de la ligne de courant … (2)

Où :

suffixe₁ est un point de l'écoulement libre en amont

suffixe₂ est le point de stagnation où la vitesse dans l'écoulement est nulle

Vitesse d'écoulement – En un point de mesure, nous considérons la pression hydrostatique comme une constante où h₁ =h₂ – et cette partie peut être éliminée. Depuis v₂ est zéro, (2) peut être modifié en :

p₁ + 1/2 ρ v₁ ² = p₂ … (3)

ou

v₁ =[2 (p₂ – p₁ ) / ρ]  ^1/2

    = [2 Δp / ρ]  ^½ … (4)

Où :

Δp =p₂ – p₁ (pression différentielle)

Avec (4) il est possible de calculer la vitesse d'écoulement au point 1 - le flux libre en amont - si nous connaissons la différence de pression différentielle Δp = p₂ – p₁ et la densité du fluide.

Il est courant d'utiliser l'avance au lieu de la pression. (4) peut être modifié en divisant par un poids spécifique γ à

v₁ =c [2 g Δh] ^1/2 … (5)

où :

c =coefficient - en fonction du liquide de référence et des unités utilisées ou calculées 

g =accélération de la gravité

Δh =h₂ – h₁ =différence de hauteur (colonne de fluide)

Remarque ! – dans l'équation de base, l'unité de tête concerne la densité du fluide en circulation. Pour d'autres unités et liquides de référence, comme mm de colonne d'eau – vérifier la tête de pression de vitesse.

Fonctionnement d'un tube de Pitot

Le fonctionnement d'un tube de Pitot est moins complexe et peut être facilement compris. Un tube de Pitot mesure deux pressions ; statique et la pression d'impact totale. la pression statique est la pression de service dans le tuyau, le conduit ou l'environnement, en amont du tube de Pitot. Elle est mesurée perpendiculairement à la direction de l'écoulement, souvent dans un endroit à faible turbulence.

La somme des pressions statique et cinétique est la pression d'impact totale (PT). Il est détecté lorsque le flux d'eau impacte l'ouverture de Pitot. Pour mesurer cette pression d'impact, le tube de Pitot utilisé est souvent petit, et parfois en forme de L. L'ouverture doit faire directement face au flux d'écoulement venant en sens inverse. La vitesse ponctuelle d'approche (VP) est calculée en prenant la racine carrée de la différence entre la pression totale (PT) et la pression statique (P). Il sera ensuite multiplié par le rapport C/D, où C est une constante dimensionnelle et D est la densité. Il peut être exprimé mathématiquement comme ;

Vp =C(PT – P)½/D

Étant donné que le débit est obtenu en multipliant la vitesse ponctuelle (VP) par la section transversale du tuyau ou du conduit, la mesure de la vitesse doit être effectuée à une profondeur d'insertion qui correspond à la vitesse moyenne. Le profil de vitesse dans le tuyau passe d'allongé (laminaire) à plus plat (turbulent). Cela se produit parce que la vitesse d'écoulement augmente. Il modifie le point de vitesse moyenne et nécessite un ajustement de la profondeur d'insertion.

Les instruments à tube de Pitot ne sont utilisés que pour les écoulements fortement turbulents (nombres de Reynolds> 20 000). Par conséquent, le profil de vitesse doit être suffisamment plat pour que la profondeur d'insertion ne soit pas critique.

Regardez la vidéo ci-dessous pour en savoir plus sur le fonctionnement d'un tube de Pitot :

Un tube de Pitot à port unique

Un tube de Pitot à orifice unique ne mesure la vitesse d'écoulement qu'en un seul point de la section transversale d'un flux qui s'écoule. La sonde doit être insérée à un point dans un courant d'écoulement où la vitesse d'écoulement est la moyenne des vitesses à travers la section transversale. L'orifice d'impact doit faire face directement au flux de fluide.

Les tubes de Pitot à orifice unique peuvent être rendus moins sensibles à la direction de l'écoulement si l'orifice d'impact a n biseaux internes d'environ 15 degrés, s'étendant jusqu'à environ 1,5 diamètre dans le tube. Si le différentiel de pression créé par le venturi est trop faible pour une détection précise, le tube de Pitot conventionnel peut être remplacé par un venturi de Pitot. Un capteur à double venturi peut également être utilisé pour produire un différentiel de pression plus élevé.

Un tube de Pitot à port unique propre, calibré, propre et correctement inséré offrira ± 1 % de précision de débit à pleine échelle sur une plage de débit de 3:1. Avec une certaine perte de précision, l'instrument peut même mesurer sur une plage de 4:1. Les avantages d'un tube de Pitot à orifice unique incluent un faible coût, une conception simple, l'absence de pièces mobiles et une très faible perte de pression dans le flux qui coule. Bien qu'il présente certaines limitations, notamment les erreurs résultant des changements de profil de vitesse ou du colmatage des orifices de pression.

Moyenne des tubes de Pitot

Les tubes de Pitot moyens ont été inventés pour éliminer le problème de la recherche du point de vitesse moyenne. Ce tube est pourvu de plusieurs ports d'impacts et de pression statique. Il est conçu pour s'étendre sur tout le diamètre du tuyau. Les pressions détectées par tous les ports de pression d'impact seront jointes et la racine carrée de leur différence est mesurée comme une indication du débit moyen dans le tuyau.

Il y a un port plus proche de la sortie du signal combiné, il a une influence légèrement plus grande que le port le plus éloigné. Bien que pour les applications secondaires où les tubes de Pitot sont couramment utilisés, l'erreur peut être considérée comme nulle. Un tube de Pitot peut être modifié pour répondre aux besoins d'une application particulière, tels que le nombre d'orifices d'impact, la distance entre les orifices et le diamètre du tube de Pitot moyen.

Les orifices de détection des tubes de Pitot moyennés sont souvent trop grands pour que le tube puisse fonctionner comme une véritable chambre de moyenne. Les ouvertures de port sont optimisées pour empêcher le colmatage plutôt que la moyenne. Cependant, la purge avec un gaz inerte est utilisée pour garder les ports propres, permettant au capteur d'utiliser des ports plus petits.

Les types de tubes de Pitot moyennés offrent les mêmes avantages et limites que les tubes à un seul port. Seulement ça, ils sont un peu plus chers et un peu plus précis, surtout si le débit n'est pas entièrement formé. De plus, certains capteurs de Pitot moyennés peuvent être insérés à travers la même ouverture (ou robinet chaud) qui accueille un tube à port unique.

Comment mesurer le débit d'air avec un tube de Pitot

Étant donné que les tubes de Pitot sont bien adaptés à la mesure du débit d'air à vitesse moyenne à élevée, il est important de savoir comment mesurer le débit d'air avec l'instrument. Prendre des mesures précises nécessite une correction de densité et une traversée soigneuse. En effet, la précision est dictée par le dispositif de mesure de pression qui est monté sur le tube de Pitot. Bien qu'une méthode plus économique (fil chaud et ailette) puisse être utilisée pour mesurer le débit d'air dans les applications à faible débit. Cependant, pour les applications à haut débit ou à haute température, le tube de Pitot est idéal.

Comme indiqué ci-dessus, un tube de Pitot mesure la pression totale et la pression statique pour déterminer la pression de vitesse. Ce processus a également dérivé la vitesse de l'air. Le tube est inséré dans le conduit avec la pointe dirigée vers le flux d'air. Le port positif du manomètre est connecté au port de pression totale (Pt) et le négatif au port de pression statique (Ps). Ce manomètre affichera alors la pression de vitesse qui peut être convertie en vitesse.

Les tubes pitot modernes sont conçus avec un nez ou une pointe appropriés et la distance entre le nez, les prises de pression statique et la tige est suffisante. Cela minimisera les turbulences et les interférences, ce qui permettra de l'utiliser sans facteurs de correction ou d'étalonnage.

Pour assurer une lecture précise de la pression de vitesse, la pointe du tube de Pitot doit être pointée directement dans (parallèlement) au flux d'air. Avec le bon alignement du tube de Pitot, l'indication de pression de vitesse sera à son maximum.

Notez que des lectures précises ne peuvent pas être prises dans un flux d'air turbulent. Les tubes de Pitot doivent au moins être insérés à 8-1/2 diamètres de conduit en aval des coudes, coudes ou autres obstructions pouvant provoquer des turbulences. Pour une mesure précise, les aubes de redressement doivent être situées à 5 diamètres de gaine en amont du tube de Pitot si disponible.

La vitesse de l'air n'est pas égale sur une section d'un conduit ou d'un laminaire. Par conséquent, une traversée du conduit doit être effectuée pour déterminer une vitesse moyenne. Le frottement plus près des parois du conduit ralentira le flux d'air car ils frottent les parois du conduit. Un modèle défini sera suivi pour assurer une mesure précise.

Avantages et inconvénients d'un tube de Pitot

Avantages :

• L'instrument est portable
• Il ne contient aucune pièce mobile.
• Malgré son énorme travail, il est peu coûteux
• Avoir une conception simple et fiable.
• Faible perte de pression permanente.
• Facilité d'installation dans un système existant.
• Adapté à différentes conditions environnementales, y compris des températures élevées et une large gamme de pressions.

Inconvénients :

Malgré les bons avantages du tube de Pitot, certaines limitations subsistent. Vous trouverez ci-dessous les inconvénients des tubes de Pitot dans leurs diverses applications.

• Faible portée
• Faible précision.
• La lecture peut être facilement obstruée, selon le liquide.
• Les vibrations peuvent fausser la lecture et même endommager l'instrument.

Conclusion

Un tube de Pitot est un excellent composant pour prendre des mesures de fluide en écoulement. Dans cet article, nous avons examiné la définition, la fonction, les applications, l'équation, les types et le fonctionnement d'un tube de Pitot. Nous avons également vu les avantages et les inconvénients des instruments à tube de Pitot.

J'espère que vous tirerez beaucoup de cet article, si c'est le cas, partagez-le avec d'autres étudiants. Merci d'avoir lu. À la prochaine !