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I. Principe de fonctionnement : Un corps générateur de tourbillons (élément perturbateur) est placé dans le fluide, ce qui provoque la formation alternée de tourbillons réguliers des deux côtés de cet élément. Ces tourbillons sont appelés rangées de tourbillons de Kármán, comme le montre la figure 1. Les rangées de tourbillons sont disposées de manière asymétrique en aval du générateur de tourbillons. Soit la fréquence de formation des vortex f, la vitesse moyenne du flux du milieu à mesurer U, la largeur frontale de l’élément générateur de vortex d, le diamètre du corps de surface D. Selon le principe de la rangée de vortex de Karman, on a la relation suivante : f = SrU₁/d = SrU/md (1), où U₁ est la vitesse moyenne du flux des deux côtés de l’élément générateur de vortex, en m/s ； Sr--nombre de Strouhal ； m – Rapport entre les surfaces en arc de chaque côté du générateur de tourbillons et la surface de section transversale du tuyau. Figure 1 : Courant volumique qv dans le tuyau à filets de Karman, où qv = πD²U/4 = πD²mdf/4Sr (2). K = f/qv = -1 (3). Ici, K est le coefficient d’indication du compteur de débit, en impulsions/m³ (P/m³). K dépend non seulement des dimensions géométriques de l’élément générateur de tourbillons et du tuyau, mais aussi du nombre de Strouhal. Le nombre de Strouhal est un paramètre sans dimension, qui dépend de la forme du générateur de tourbillons et du nombre de Reynolds. La figure 2 montre la relation entre le nombre de Strouhal pour un générateur de tourbillons cylindrique et le nombre de Reynolds dans le tuyau. Comme on peut le voir sur le graphique, dans la plage ReD=2×104 à 7×106, le Sr peut être considéré comme constant, ce qui correspond à la plage de fonctionnement normal du dispositif. Lors de la mesure du débit de gaz, l’équation de calcul du débit pour le VSF est donnée par la courbe de relation entre le nombre de Strouhal et le nombre de Reynolds de la figure 2, où qVn et qV représentent respectivement le débit volumique en conditions normales (0 °C ou 20 °C, 101,325 kPa) et en conditions opérationnelles, en m³/h ； Pn, P représentent respectivement la pression absolue en conditions normales et en conditions de fonctionnement, en Pa ； Tn, T représentent respectivement la température thermodynamique en conditions normales et en conditions de fonctionnement, en K ； Zn, Z représentent respectivement le coefficient de compression du gaz à l’état standard et dans des conditions opérationnelles. Comme on peut le voir à partir de l’équation ci-dessus, le signal de fréquence pulsée généré par le VSF n’est pas affecté par les propriétés physiques du fluide ni par les variations de sa composition ; en d’autres termes, dans une certaine plage de nombres de Reynolds, le coefficient du capteur dépend uniquement de la forme et des dimensions de l’élément générateur de tourbillons ainsi que du tuyau. Cependant, en tant que débitmètre utilisé dans l’équilibre des masses et la mesure de l’énergie, il est nécessaire de mesurer le débit en masse ; dans ce cas, le signal de sortie du débitmètre doit en même temps surveiller le débit en volume et la densité du fluide. Les propriétés physiques et les composants du fluide ont également une influence directe sur la mesure du débit. II. Structure : Le VSF se compose de capteurs et de convertisseurs, comme le montre la figure 3. Les capteurs comprennent un générateur de vortex (élément de restriction), un élément de détection, le corps du instrument, etc ； Le convertisseur comprend un amplificateur préamplificateur, des circuits de filtrage et de mise en forme, des circuits de conversion D/A, des circuits d’interface de sortie, des bornes, un support et un boîtier de protection, etc. Ces dernières années, les compteurs de débit intelligents ont également intégré dans le convertisseur des microprocesseurs, des modules d’affichage et de communication, ainsi que d’autres fonctions. Figure 3 Compteur de débit à vortex (1) Générateur de vortex Le générateur de vortex est la composante principale du détecteur ; il est étroitement lié aux caractéristiques de débit de l’instrument (coefficient d’instrument, linéarité, plage, etc.) ainsi qu’à ses caractéristiques de résistance (perte de pression). Ses exigences sont les suivantes. 1) Permet de contrôler la séparation synchrone des tourbillons le long de l’axe du générateur de tourbillons ； 2) Dans une large plage de nombres de Reynolds, il existe un point de séparation des tourbillons stable, ce qui maintient un nombre de Strouhal constant ； 3) Capable de générer des vallées de tourbillon intenses, avec un rapport signal bruit élevé ； 4) Forme et structure simples, ce qui facilite la fabrication et la normalisation des paramètres géométriques, ainsi que l’installation et le montage de divers éléments de mesure ； 5) Le matériau doit répondre aux exigences des propriétés du fluide : être résistant à la corrosion, à l’usure et aux variations de température ； 6) La fréquence propre se trouve en dehors de la bande de fréquences du signal à ondes de vortex. De nombreux types d’éléments générateurs de tourbillons ont été développés, qui peuvent être divisés en éléments générateurs de tourbillon simples et en éléments générateurs de tourbillon multiples, comme le montre la figure 4. Les formes de base des générateurs à vortex simple sont le cylindre, le cylindre rectangulaire et le prisme triangulaire ; toutes les autres formes ne sont que des déformations de ces formes de base. Le générateur de tourbillon en prisme triangulaire est le type le plus largement utilisé, comme le montre la figure 5. Sur le schéma, D représente le diamètre de l’instrument. Pour améliorer la force et la stabilité des filets de tourbillons, on peut utiliser plusieurs générateurs de tourbillons, mais leur utilisation n’est pas courante. d/D=0,2～0,3 ; c/D=0,1～0,2 ; b/d=1～1,5 ; θ=15°～65° ⑵ Le compteur à élément de détection possède 5 méthodes pour détecter les signaux de vortex. 1) Détection directe de la différence de pression des deux côtés du générateur de tourbillons à l’aide d’un élément de détection intégré dans ce dernier ； 2) Des orifices de régulation de pression sont pratiqués sur le générateur de tourbillons, et des éléments de détection sont installés dans ces orifices pour mesurer la différence de pression des deux côtés du générateur ； 3) Détection du courant circulaire alternatif autour de l’ogive à vortex ； 4) Détection de la différence de pression alternative à l’arrière du générateur de tourbillons ； 5) Détection des séries de vortex dans le sillage. Selon ces 5 méthodes de détection, l’utilisation de différentes techniques de détection (thermique, ultrasonique, de contrainte, de déformation, capacitif, électromagnétique, optoélectrique, à fibre optique, etc.) permet de créer différents types de VSF, comme le montre le tableau 1. Tableau 1 : Liste des générateurs de tourbillons et des méthodes de détection. Les éléments de détection transforment le signal de rue de tourbillons en signal électrique, qui est à la fois faible et contient des bruits de différentes composantes. Il est nécessaire de l’amplifier, de le filtrer, de le former, etc., afin d’obtenir un signal pulsé proportionnel au débit. ⑶ Les différents modes de détection des convertisseurs doivent être équipés d’amplificateurs préamplificateurs aux caractéristiques distinctes, comme indiqué dans le tableau 2. ⑷ Le corps du tableau de mesure peut être de type à sertir ou de type à bride, comme le montre la figure 7. Figure 7 : Corps du compteur III. Précautions d’installation. Le VSF est un débitmètre sensible aux distorsions de la distribution des vitesses de flux dans les tuyaux, aux courants rotatifs et aux pulsations du flux ; par conséquent, il convient de prêter une grande attention aux conditions d’installation sur site et de se conformer aux exigences du manuel d’utilisation du fabricant. Le VSF peut être installé en intérieur ou en extérieur. S’il est installé dans un puits où il y a un risque d’inondation, il faut choisir un capteur de type salive. Les capteurs peuvent être installés sur les tuyaux horizontalement, verticalement ou en inclinaison, mais lors de la mesure de liquides et de gaz, il convient de prêter attention à leur emplacement afin d’éviter les interférences dues aux bulles et aux gouttes, comme le montre la figure 16. Figure 16 Installation des fluides à phase mixte (a) Installation des instruments de mesure du débit de gaz contenant du liquide ； (b) L’installation du dispositif de mesure du débit de liquide gazeux VSF doit garantir que les tronçons de tuyau droits en amont et en aval possèdent la longueur nécessaire, comme le montre la figure 17. Les données varient dans différentes sources, ce qui peut s’expliquer par le fait que les générateurs de tourbillons ne sont pas encore standardisés, et l’impact des différences de forme et de taille reste à vérifier ； Les études expérimentales sur la longueur des tronçons de tuyau droits nécessaires pour différents types d’éléments de restriction sont encore insuffisantes, c’est-à-dire qu’elles ne sont pas encore matures ; par rapport aux débitmètres à différence de pression à restriction, les travaux dans ce domaine en sont encore à leur phase initiale. Figure 17 Exigences du compteur à flux par tourbillon en ce qui concerne la longueur des tronçons droits en amont et en aval (a) Un tournant de 90° ； (b) Étirement concentrique ； (c) Contraction concentrique – vanne complètement ouverte ； (d) Deux tournants de 90° sur des plans différents ； (e) Vanne de régulation, valve à moitié ouverte ； (f) La connexion de deux capteurs à angle droit de 90° dans le même plan avec le tuyau est illustrée à la figure 18. Lors de la connexion aux tuyaux, veuillez faire attention aux points suivants. Figure 18 : Connexion du capteur au tuyau 1) Le diamètre intérieur des tuyaux en amont et en aval, D, est identique au diamètre intérieur du capteur, D`, dont la différence satisfait la condition suivante : 0,95D ≤ D` ≤ 1,1D. 2) Les tuyauteries doivent être concentriques avec les capteurs, et la coaxialité doit être inférieure à 0,05D`. 3) La gaine d’étanchéité ne doit pas dépasser à l’intérieur du tuyau ; son diamètre intérieur peut être de 1 à 2 mm supérieur au diamètre intérieur du capteur. 4) Pour effectuer des vérifications de coupure et le nettoyage du capteur, il convient de mettre en place un conduit de dérivation comme indiqué à la figure 19. Figure 19 Schéma du tuyau de dérivation 5) La réduction de l’impact des vibrations sur le VSF doit être considérée comme un problème majeur lors de l’installation en site du VSF. Tout d’abord, lors du choix du lieu d’installation du capteur, veillez autant que possible à l’éviter près des sources de vibration. Ensuite, l’utilisation de tuyaux flexibles pour relier des diamètres petits peut être envisagée. Troisièmement, l’installation de supports pour les tuyaux est une méthode efficace d’amortissement des vibrations ; une méthode de soutien des tuyaux est présentée à la figure 20. Figure 20 : Exemple d’installation complète de supports de tuyauterie, incluant des tronçons de tuyau droits avant et arrière, des régulateurs de flux, etc., qui constituent des mesures visant à assurer des mesures de haute précision. Le fait que ces éléments soient assemblés dans l’usine de fabrication permet en outre de garantir la qualité de l’installation. La figure 21 montre un exemple d’installation. Figure 21 : Lors de l’installation électrique des tuyauteries pour des mesures haute précision, il convient de veiller à ce que les capteurs et les convertisseurs soient reliés par un câble blindé ou un câble à faible bruit, et que la distance entre eux ne dépasse pas celle spécifiée dans le manuel d’utilisation. Lors du câblage, il faut le tenir à l’écart des câbles d’alimentation à forte puissance et le protéger autant que possible avec une gaine métallique séparée. Il convient de suivre le principe du « contact en un seul point », avec une résistance de mise à la terre inférieure à 10 Ω. Les versions intégrées et séparées doivent toutes être mises à la terre du côté du capteur, et le point de terre de la boîtier du convertisseur doit être « au même niveau de terre » que le capteur. IV. Phénomènes de panne et traitement