r2000 Étalonnage et vérification des compteurs de volume de gaz

Étalonnage et vérificationdes compteurs de volume de gaz

par Frédéric VULOVICIngénieur-chercheur à la Direction de la recherche de Gaz de France

1. Gazomètres de contrôle......................................................................... R 2 000 – 21.1 Description ................................................................................................... — 2

1.1.1 Dispositions générales ....................................................................... — 21.1.2 Liquide gazométrique......................................................................... — 21.1.3 Dispositifs permettant de maintenir constante la pression

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.© Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R 2 000 − 1

à l'intérieur de la cloche ..................................................................... — 31.2 Dispositifs annexes...................................................................................... — 31.3 Règles de construction................................................................................ — 41.4 Étalonnage des gazomètres........................................................................ — 4

1.4.1 Gazomètres de capacité inférieure ou égale à 500 dm3.................. — 41.4.2 Gazomètres de capacité supérieure à 500 dm3................................ — 61.4.3 Vérification de la constance de la pression de l'air à l'intérieur

de la cloche ......................................................................................... — 61.4.4 Incertitude de l'étalonnage ................................................................ — 6

2. Vérification des compteurs à la pression atmosphériqueet avec de l’air .......................................................................................... — 7

2.1 Vérification des compteurs à soufflets ...................................................... — 72.1.1 Généralités .......................................................................................... — 72.1.2 Précautions à prendre ........................................................................ — 72.1.3 Volume d'air à faire passer dans chaque compteur ........................ — 72.1.4 Essais pratiqués pour la vérification ................................................. — 82.1.5 Incertitude de l'étalonnage des compteurs à soufflets ................... — 8

2.2 Vérification des compteurs industriels ...................................................... — 82.2.1 Étalonnage à l'aide d'un gazomètre.................................................. — 82.2.2 Étalonnage à l'aide de compteurs de référence............................... — 92.2.3 Prescriptions réglementaires............................................................. — 10

3. Venturi-tuyères fonctionnant en régime sonique ........................... — 113.1 Tuyères à col sonique.................................................................................. — 11

3.1.1 Rappel sur la théorie des tuyères à col sonique .............................. — 113.1.2 Description de la tuyère à col sonique.............................................. — 11

3.2 Étalonnage des tuyères soniques .............................................................. — 123.2.1 Description des méthodes d’étalonnage .......................................... — 123.2.2 Incertitude des étalonnages............................................................... — 13

4. Vérification des compteurs industriels en pression ...................... — 134.1 Étalonnage d'un compteur de volume de gaz .......................................... — 13

4.1.1 Méthode .............................................................................................. — 134.1.2 Calcul théorique.................................................................................. — 134.1.3 Incertitude de l'étalonnage ................................................................ — 14

4.2 Étalonnage à l'aide de compteurs de référence........................................ — 144.3 Prescriptions réglementaires...................................................................... — 14

Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. R 2 000

ÉTALONNAGE ET VÉRIFICATION DES COMPTEURS DE VOLUME DE GAZ ___________________________________________________________________________

et article décrit les moyens mis en œuvre afin de vérifier les compteurs degaz dans le cadre réglementaire. Il présente plus particulièrement les dif-

férentes techniques de mesure des débits ou des volumes étalons, leurs règlesde construction, les méthodes pour les étalonner, leur mise en œuvre et lesincertitudes associées à la détermination des valeurs de référence.

Nota : Cet article est la refonte de l’article écrit précédemment par Régine GAUCHER.

C

1. Gazomètres de contrôle

Le gazomètre est l’appareil utilisé pour l’étalonnage et la vérifi-cation des compteurs de gaz ayant un débit maximal inférieur à1 600 m3/h. Il n’est utilisé que pour des étalonnages en air, à bassepression.

1.1 Description

��P

CPD

H

E

F

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.R 2 000 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle

1.1.1 Dispositions générales

Le gazomètre (figure 1) est essentiellement composé d’une clo-che plongeant plus ou moins dans le liquide d’une cuve.

La cuve L, généralement en fonte ou en tôle, est cylindrique.

La cloche F, étanche et rigide, également cylindrique, se déplaceverticalement suivant l’axe de la cuve. Elle est, le plus souvent,construite en cuivre ou en acier inoxydable. Sa surface (tant exté-rieure qu’intérieure) doit être aussi lisse que possible pour ne rete-nir sur les parois que le minimum du liquide contenu dans la cuve.

Elle est suspendue en deux ou trois points à l’aide de câbles ourubans d’acier P passant sur des poulies aussi légères que possi-ble, de grand diamètre, équilibrées, montées sur paliers ou roule-ments à billes assurant le minimum de frottement. Le poidsapparent de la cloche est équilibré à l’aide de contrepoids A, demasses variables, suspendus aux autres extrémités des câbles oudes rubans. On agit sur la pression régnant à l’intérieur de la clo-che en faisant varier la masse de ces contrepoids.

Afin d’assurer le meilleur équilibre possible de la cloche, onabaisse son centre de gravité, soit en ajoutant une ceinture à sa par-tie inférieure, soit en suspendant des masses à un tube E appelétube compensateur, dont on verra le rôle au paragraphe 1.1.3.1. Lecentre de gravité se trouve ainsi au-dessous du centre de la pousséeexercée sur la cloche par le fluide de la cuve. Cela permet à la clochede descendre verticalement et supprime les galets de guidage, dimi-nuant ainsi les frottements qui sont une cause d’incertitude.

Au cours de la descente de la cloche, une certaine quantité del’air emprisonné entre la cloche et la surface du liquide de la cuveest chassée par l’intermédiaire d’un tube central. Les volumes d’airchassé sont repérés sur une règle métallique graduée H, solidairede la cloche. Cette règle est suspendue librement à un porte-règlefixé sur le dessus de la cloche. Son propre poids assure sa des-cente verticale à l’extérieur de la cuve. Cette règle peut égalementêtre fixée directement sur la cloche. Elle plonge alors, avec la clo-che, dans le liquide de la cuve, ce qui peut nuire au repérage desvolumes. Ce repérage se fait en mettant en coïncidence un indexfixe solidaire de la cuve et un des traits gravés sur la règle.

Pour diminuer l’incertitude de lecture de la règle, plusieurs dis-positifs sont utilisés :

— soit une lunette comportant, dans l'oculaire, un micromètrepermettant d'apprécier le dixième de millimètre ; c'est le meilleurprocédé ;

— soit un fil tendu, fixé sur la cuve, et éclairé. On projettel'image de ce fil sur la règle, évitant ainsi toute incertitude de paral-laxe. On peut utiliser l'image du fil sur la règle si cette dernière estsuffisamment polie ou comporte un évidement sur lequel on fixeun miroir ;

— soit encore deux fils tendus, solidaires de la cuve, formant unplan dont la trace est mise en coïncidence avec un trait de la règle.

1.1.2 Liquide gazométrique

Il y a quelques années encore, les cuves des gazomètres étaientremplies d’eau. Outre des problèmes d’oxydation, l’eau présentaitl’inconvénient de saturer rapidement l’air sec expédié dans la clo-che, provoquant ainsi un abaissement appréciable de la tempéra-ture, ce qui augmentait l’incertitude de l’étalonnage (cf. § 1.4.1.3).

Actuellement, toutes les cuves sont remplies d’huile. Celle-ci doitêtre suffisamment fluide pour permettre un écoulement rapide.Ses caractéristiques principales sont les suivantes :

— viscosité cinématique de l'ordre de 30 mm2/s à 20 oC ;— masse volumique comprise entre 830 et 880 kg/m3 ;— tension de vapeur inférieure à 100 Pa.

Figure 1 – Gazomètre de contrôle

A contrepoidsB fausse clocheC voyant en verreD siphonE Tube compensateurF clocheG airH règle graduéeI index de viséeJ huileL cuveM masse de lestageN robinet de sortieO garde hydrauliqueP fils de suspension de

la cloche

��

��A

M

B

O

N

G

I

J

L

Les dispositifs annexes sont décrits au paragraphe 1,2

__________________________________________________________________________ ÉTALONNAGE ET VÉRIFICATION DES COMPTEURS DE VOLUME DE GAZ

1.1.3 Dispositifs permettant de maintenir constantela pression à l'intérieur de la cloche

Lorsque la cloche descend dans le liquide de la cuve, elle subitune poussée variable, qui doit être compensée pour que la pres-sion ne diminue pas à l’intérieur de cette cloche.

Les dispositifs utilisés sont de nature hydraulique ou mécanique.

1.1.3.1 Dispositifs hydrauliquesIls font passer, par un siphon, le liquide déplacé par la cloche au

cours de son mouvement de descente, dans une cavité aménagéedans la cloche elle-même et appelée tube compensateur.

Les dispositifs de compensation hydrauliques permettent d’obte-nir non seulement l’invariabilité de la pression, mais aussi celle duniveau du liquide gazométrique.

■ Tube compensateur et siphon fixe (figure 1)

Le tube compensateur E, de forme cylindrique, est fixé sur ledôme de la cloche et suivant le même axe. Il est fermé à sa partieinférieure. La partie supérieure est ouverte à l’atmosphère.

Le siphon D est un tube métallique dont une extrémitécommunique avec le liquide de la cuve et dont l’autre plonge dansle tube compensateur, en évitant tout frottement contre les paroisde ce tube. Lorsqu’il est amorcé, il assure l’égalité des niveaux du

■ Dispositif à masselottes additionnelles ou à ruban pesant

Des masselottes sont fixées sur le ruban de suspension de la clo-che. Lorsque celui-ci descend, les masselottes qui se trouvent surla partie verticale du ruban de suspension alourdissent la cloche etcompensent ainsi la poussée du liquide.

En conservant les notations antérieures et avec :m masse linéique du ruban (masselottes comprises),S1 surface du plan du liquide à l’intérieur de la cloche,S2 surface du plan du liquide à l’extérieur de la cloche,

pour un déplacement dx de la cloche, le niveau du liquide varied’une quantité dh telle que :

σ dx = (S1 + S2) dh

La poussée du liquide est compensée si :

σ ρ (dx + dh ) = 2 m dx

ou

soit

En pratique, on utilise de petites masselottes assez courtes et

σ ρ dx 1 σS1 S2+-------------------+

2 m dx=

2m σ ρ 1 σS1 S2+-------------------+

=


liquide dans le tube compensateur et dans la cuve, à l’extérieur dela cloche.

La pression atmosphérique étant supposée constante, pendantun déplacement quelconque dx de la cloche, la pression intérieureet les niveaux de liquide seront invariables si la masse du volumede liquide déplacé par la cloche est égale à la masse du liquiderecueilli dans le tube compensateur. On a :

ρ σ dx = ρ s dx

avec ρ masse volumique du liquide,

s section intérieure du tube compensateur,

σ section du métal de la cloche (c’est-à-dire la couronne cir-culaire définie par l’épaisseur de la cloche),

dx déplacement de la cloche.

D’où : s = σ

relation simple, dans laquelle le diamètre du siphon n’intervientpas.

Ce procédé est très utilisé. Au cours du montage du gazomètre,il faut prendre bien soin que le siphon ne frotte pas dans le tubecompensateur. Il n’est pas toujours très facile de s’en assurer. Unegrossière erreur de centrage se verrait au moment où l’on vérifiel’invariabilité de la pression sous la cloche. Un frottement fugitifest, par contre, pratiquement impossible à déceler.

■ Tube compensateur et siphon mobile

Le tube compensateur E est le même, mais le siphon D est soli-daire de la cloche.

On peut alors écrire l’égalité des masses de liquides déplacés etrecueillis :

ρ (σ + σ' ) dx = ρ (s – σ') dx

avec σ ’ section extérieure du siphon.

D’où : s = σ + 2σ’

Le siphon intervient par son diamètre. Il faut aussi équilibrer lacloche qui se trouve alourdie du côté du siphon. On utilise généra-lement deux tubes-siphons, disposés aux extrémités d’un mêmediamètre de la cloche.

1.1.3.2 Dispositifs mécaniquesCes dispositifs n’assurent pas l’invariabilité des niveaux du

liquide gazométrique.

de forme arrondie, de manière à épouser le contour de la poulie.Leur masse théorique ayant été déterminée à l’aide de l’égalité ci-dessus, on les dispose au mieux, et on parfait le réglage de façonà obtenir une pression constante.

■ Dispositif à deux contrepoids et bras de levier variable

Un deuxième contrepoids de masse m ’ est suspendu, du mêmecôté que le premier, à un bras de levier variable dont le mouve-ment est solidaire de la poulie.

Le niveau de liquide n’est pas constant ; on a, comme au para-graphe précédent :

σ dx = (S1 + S2) dh

La poussée du liquide est compensée si, pour un déplacementdx, on a (égalité des moments des forces) :

a σ ρ (dx + dh ) = m ’ dr

avec a rayon de la poulie, r bras de levier variable.

Donc :

mais dx = a dω

avec dω angle de rotation de la poulie ;

et la relation de compensation devient :

d’où r = Aω + r0

relation qui permet de déterminer la courbe du bras de levier.

Ce dernier dispositif est peu utilisé en France. En revanche, on letrouve fréquemment aux États-Unis.

1.2 Dispositifs annexes

Les gazomètres comportent souvent une fausse cloche (c’esttoujours le cas pour les gazomètres de grande capacité) fixée aufond de la cuve, dont le rôle est de réduire le volume du liquidegazométrique placé dans la cuve. Les échanges de chaleur avecl’air ambiant s’en trouvent favorisés.

a σ ρ dx 1 σS1 S2+-------------------+

m ′dr=

dr@dω σ ρ a2@m ′ 1 σ

S1 S2+-------------------+

Cte A= = =


Du même côté que la règle se trouvent deux tubes de niveau,qui permettent de connaître les niveaux d’huile dans la cuve etsous la cloche. La différence de niveau correspond à la pression del’air situé sous la cloche. Cette pression est de l’ordre de 1 000 Pa(en réalité comprise entre 800 et 1 800 Pa).

Les cloches des gazomètres sont munies, sur le sommet, d’uneprise thermométrique qui permet de mesurer la température del’air sous la cloche. Il faut éviter que le thermomètre plonge dansle liquide gazométrique lorsque la cloche arrive en fin de course.

Un autre thermomètre plongeant dans le liquide gazométriquepermet de mesurer la température de ce dernier. Afin de limiter leplus possible les échanges thermiques entre l’air et le liquide, ondoit faire en sorte que l’écart de température entre ces deux pointssoit inférieur à 0,3 oC.

Un tuyau est branché sur la canalisation de sortie de l’air. Parraccordement à un manomètre, il permet de mesurer la pressionde l’air sous la cloche.

1.3 Règles de construction

La capacité nominale doit être de 50 dm3, 100 dm3 ou un mul-tiple entier de 100 dm3 jusqu’à 1 000 dm3, puis, au-dessus de

Les règles de construction imposées ci-dessus ont conduit à fixercertaines caractéristiques pour la cloche. On trouvera, dans letableau 2, à titre d’exemple, quelques caractéristiques relatives àplusieurs gazomètres de diverses capacités.

Il n’existe pas, en France, de constructeur spécialisé dans lafabrication de gazomètres. Chaque fabricant de compteursconstruit lui-même ou fait construire les gazomètres dont il abesoin.

1.4 Étalonnage des gazomètres

L’étalonnage des gazomètres consiste à déterminer, sur la règlesolidaire de la cloche, la position des traits correspondant aux mul-tiples de 50 dm3, 100 dm3, 200 dm3, 500 dm3 ou 1 000 dm3.

Les gazomètres étant maintenant exclusivement remplis d’huile,nous ne décrirons que la méthode correspondante.

1.4.1 Gazomètres de capacité inférieureou égale à 500 dm3

Pour étalonner ces gazomètres, on utilise une jauge de capacité


1 000 dm3, égale à des multiples entiers de 1 000 dm3.

La longueur minimale de l’échelon de la règle d’un gazomètreest fixée à 1,5 mm.

La valeur de cet échelon, en volume correspondant, est indiquéedans le tableau 1.

de 50 dm3 en verre, plongeant dans une huile ayant des caracté-ristiques voisines de celles de l’huile qui est utilisée pour les gazo-mètres (cf. § 1.1.2).

1.4.1.1 Description de la jauge

La jauge P proprement dite, entièrement en verre, se composed’un corps cylindrique terminé par deux cols sur lesquels sont tra-cés deux traits circulaires a et b (figure 2). Sa capacité utile est de50 dm3 entre ces traits, pour de l’huile dont la viscosité est del’ordre de 30 mm2/s à 20 oC.

La viscosité de l’huile intervient en effet dans la durée de l’écou-lement le long des parois. L’expérience a montré que le temps uti-lisé pour élever la jauge et la sortir totalement de son bain d’huilene devait pas être inférieur à 6 min. Passé ce temps, le volume utilede la jauge ne varie plus de façon sensible. Il est donc inutile desortir rapidement la jauge de sa cuve.

La jauge est fermée à sa partie supérieure par un bouchon encaoutchouc, et suspendue, comme la cloche d’un gazomètre, au-dessus de sa cuve.

Le matériau choisi est le verre, en raison du poli de sa surface,de la facilité du nettoyage et de la possibilité de repérer visuelle-ment le niveau de l’huile dans les cols.

Tableau 1 – Valeur de l’échelon de la règled’un gazomètre en fonction de sa capacité (1)

Capacité nominale

(dm3)Valeur de l’échelon

(dm3)

50 0,2

100 et 200 0,5

300 à 1 000 exclu 1

1 000 et 2 000 2

14 000 20

(1) Il n’y a que très peu de gazomètres de plus de 2 000 dm3 ; la sous-direction de la Métrologie décide alors de la valeur des échelons.

Tableau 2 – Caractéristiques de quelques gazomètres

Capacité nominale du gazomètre

Caractéristiques

Diamètre de la cloche

Hauteur totale de la cloche

Hauteur utile de la cloche (1) Diamètre de la cuve Volume d’huile

(dm3) (mm) (mm) (mm) (mm) (dm3)

200 620 960 660 720 environ 210

2 000 1 350 1 830 1 500 1 535 environ 1 300

14 000 2 770 3 050 2 331 3 140 environ 6 000

(1) On peut distinguer 3 parties dans la cloche du gazomètre :— une première partie sert à mettre en mouvement les compteurs ;— une deuxième partie (hauteur utile) sert à l’étalonnage proprement dit ;— une troisième partie est utilisée comme volume de sécurité.


Ce volume représente une hauteur de 1 cm sur le col, dont lediamètre est d’environ 6 cm.

Pour obtenir un volume utile de 50 dm3, il est tenu compte del’huile qui reste dans la jauge après le vidage et l’égouttage de6 min.

Le volume est déterminé avec les étalons primaires, avec uneincertitude de l’ordre de ± 0,05 %.

Si la température est différente de 20 oC, une correction devolume est effectuée avant de tracer les traits a et b sur les cols dela jauge.

1.4.1.3 Étalonnage

■ Principe

On remplace le volume d’huile compris entre les deux traits gra-vés sur les cols de la jauge par un volume d’air provenant du gazo-mètre. On transfère donc 50 dm3 d’air de la cloche du gazomètredans la jauge en verre.

On trace sur la règle du gazomètre le trait correspondant, aprèsavoir repéré le trait du départ.

L’opération est ensuite recommencée après que la jauge remplied’air a été à nouveau plongée dans l’huile.

■ Mode opératoire

P

S

b

R R

M

3,07

0 m


La cuve M est remplie d’huile. Un tube y pénètre par le fond, sui-vant son axe, et dépasse de 3 à 4 cm le niveau de l’huile. Ce tubepermet de mettre en communication en T la cloche du gazomètreet l’intérieur de la jauge en verre. Une garde liquide permet d’obte-nir une bonne étanchéité.

Trois colonnes fixées sur les bords de la cuve supportent lesaxes de deux poulies qui assurent, au moyen de deux fils suppor-tant un contrepoids S, la montée ou la descente de la jauge.

Le contrepoids a une masse de 5 à 6 kg. Il assure l’équilibre del’ensemble lorsque la jauge est immergée. Des masses addition-nelles provoquent son déplacement vers le haut.

Deux regards R soudés sur la cuve, l’un en face de l’autre, per-mettent de s’assurer que le niveau de l’huile coïncide avec l’un destraits-repères (a ou b) tracés sur les cols de la jauge.

1.4.1.2 Détermination de la capacité utile de la jauge

La jauge en verre est étalonnée avec une incertitude de l’ordrede ± 0,05 %, soit 25 cm3.

Il faut, pour comparer les volumes d’air, que ceux-ci soientmesurés dans les mêmes conditions de pression et de tempéra-ture.

On s’efforce donc de maintenir l’égalité de pression et de tem-pérature entre l’air contenu dans la cloche et celui qui est transférédans la jauge.

● Pression

La pression de l’air situé sous la cloche du gazomètre est régléeaussi voisine que possible de la pression atmosphérique en agis-sant sur les contrepoids. La cloche doit alors être en équilibre lors-que la canalisation d’évacuation de l’air est mise à l’air libre.

Les laboratoires n’étant pas pressurisés, la pression de l’air situésous la cloche varie en même temps que la pression atmosphéri-que. Pendant l’étalonnage d’un gazomètre, on relève, à intervallesréguliers, la pression barométrique. Cette dernière ne doit pasvarier de plus de 0,5 mbar si l’on désire conserver une très bonnefidélité dans les résultats. Au-delà d’une variation supérieure à1 mbar au cours des opérations d’étalonnage, on annule cet éta-lonnage.

L’équilibre de pression étant toujours maintenu, seules les varia-tions de pression atmosphérique en cours d’étalonnage sontgênantes, puisqu’elles faussent le repérage des volumes.L’influence est d’autant plus sensible que le gazomètre a une capa-cité importante.

● Température

On doit maintenir aussi proches que possible les températuresde la salle où l’on opère, de l’air situé sous la cloche du gazomètre,de l’huile de la cuve ainsi que celle de l’huile de la jauge. On netolère pas un écart supérieur à 0,3 oC. Cela exige naturellementque les gazomètres soient situés dans des salles parfaitement cli-matisées, où la température ambiante est maintenue autour de20 oC ± 1 oC.

On relie ensuite le gazomètre à la jauge. On place la cloche dugazomètre en position haute.

La jauge en verre est plongée dans l’huile, dont le niveau supé-rieur coïncide avec le trait b de la jauge. À ce moment, on ouvre lerobinet de communication entre la jauge et le gazomètre, et l’onrepère, dans une lunette munie d’un micromètre, le trait de départsur la règle. À l’aide de contrepoids, on lève la jauge, créant ainsiune dépression qui provoque le transfert de l’air situé sous la clo-che. Quand la jauge se trouve en position haute, on rétablit l’équi-libre des pressions et l’on met le trait a de la jauge en coïncidence

Figure 2 – Jauge pour étalonnage des gazomètres

��P

T

A

B

B

T

S

A

a

A robinet d'arrêtB robinet permettant de faire redescendre la jauge après

chaque opération


avec le niveau d’huile. Cela n’est fait, naturellement, qu’après untemps d’égouttage de la jauge de 6 min. C’est seulement à cemoment que l’on ferme le robinet de communication entre la jaugeet le gazomètre.

Le trait d’arrivée du gazomètre est alors repéré sur la règle (onpeut fixer provisoirement des bandes de papier sur la règle aux en-droits où l’on doit graver le trait définitif. On trace sur chaquebande de papier le trait qui est repéré à chaque opération. Et c’estaprès avoir étalonné le gazomètre entièrement que l’on fait la gra-vure définitive des traits). Une fois le repérage effectué, on vide lajauge, qui plonge alors à nouveau dans l’huile, et l’on recommencela même opération pour les autres tranches du gazomètre. On peutainsi tracer sur la règle les traits correspondant à des tranches de50 dm3.

● Pression

On agit sur les contrepoids des deux gazomètres pour régler lapression de l’air sous chaque cloche aussi voisine que possible dela pression atmosphérique. Lorsque les deux gazomètres sont encommunication, il ne doit se produire aucun transfert d’air de l’unvers l’autre. Cela n’est pas toujours facile à établir car, ainsi qu’onl’a vu au paragraphe 1.1.3, les systèmes de compensation ne sontpas parfaits, et l’équilibre établi pour une position des deux clo-ches n’est pas obligatoirement respecté pour une autre position. Ily a donc lieu, éventuellement, d’apporter une correction en coursd’étalonnage.

● Température

On doit relever les températures de l’huile et de l’air contenusdans la cuve et sous la cloche des deux gazomètres, ainsi que latempérature ambiante ; on tolère un écart maximal de 0,3 oC, sansque l’écart entre les températures de l’air des deux gazomètres nedépasse 0,2 oC.

La cloche du gazomètre à étalonner est placée en position haute,tandis que celle du gazomètre de référence est plongée dans l’huilede la cuve. Chaque gazomètre étant équipé d’une lunettecomportant un micromètre au dixième de millimètre, on repère letrait correspondant à la capacité maximale du gazomètre de réfé-rence et le trait 0 du gazomètre à étalonner. Lorsque les deux gazo-

Remarque : en fait, l’étalonnage d’un gazomètre comportedeux stades.

Le premier consiste à repérer les traits, sur la règle, corres-pondant à des volumes de 50 dm3. On effectue ensuite la gra-vure définitive des traits de la règle, qui est alors fixée de façoninamovible sur la cloche du gazomètre.

Le second consiste à vérifier que le repérage et la gravure destraits sur la règle ont été faits correctement. Ce second stadeconstitue également la première vérification du gazomètre et


■ Détermination de l’incertitude

On opère de la façon suivante :— la jauge étant dans sa position basse, on observe, dans la

lunette de visée munie d'un micromètre, le trait de départ. Le traitgravé sur la règle ayant une largeur de quelques dixièmes de mil-limètre, on note le trait du micromètre coïncidant avec l'axe du traitde la règle ;

— la jauge étant arrivée dans sa position haute après un tempsde 6 min, on observe dans la lunette le trait suivant de la règle.

Connaissant la longueur de la règle correspondant à la capacitétotale du gazomètre, il est possible de calculer la différence devolume de la tranche par rapport à la jauge.

1.4.2 Gazomètres de capacité supérieure à 500 dm3

Pour des gazomètres de grande capacité, le nombre d’opérationsdevient trop important pour opérer de la même façon. Comme laconstruction d’une jauge en verre de grande capacité n’est pasenvisageable pour des raisons de coût et d’encombrement, on apréféré utiliser des gazomètres étalonnés à l’aide de la jauge enverre de 50 dm3. On utilise ainsi des gazomètres de 200 dm3 pourétalonner des gazomètres de 2 000 dm3, et des gazomètres de500 dm3 ou de 2 000 dm3 pour étalonner des gazomètres de trèsgrande capacité.

■ Principe

On transvase une partie de l’air du gazomètre à étalonner dansle gazomètre utilisé comme gazomètre de référence.

■ Mode opératoire

Il est peu différent de celui employé avec la jauge en verre(cf. § 1.4.1).

On s’assure d’abord de l’équilibre des pressions et des tempéra-tures.

mètres sont mis en communication, on surcharge les contrepoidsdu gazomètre de référence afin que la cloche de celui-ci monte :une partie de l’air du gazomètre à étalonner est alors transvasée.Quand la cloche du gazomètre de référence arrive en positionhaute, on fait coïncider le trait 0 de sa règle avec le repère dedépart du micromètre, après avoir rétabli l’équilibre des pressions ;la montée de la cloche doit se faire en 6 min pour conserver lesconditions de l’étalonnage. On isole alors les deux gazomètres etl’on fait la lecture dans la lunette du gazomètre à étalonner.

■ Détermination de l’incertitude

Le calcul de l’incertitude se fait de façon identique à celle vue auparagraphe 1.4.1.3. Il faut simplement tenir compte de l’incertitudeintroduite par le gazomètre de référence.

1.4.3 Vérification de la constance de la pressionde l'air à l'intérieur de la cloche

L’étalonnage des gazomètres doit être complété par la vérifica-tion de l’efficacité des dispositifs permettant de maintenirconstante la pression à l’intérieur de la cloche (cf. § 1.1.3). Pour cefaire, on branche un manomètre sur la tuyauterie de sortie dugazomètre et, la masse des contrepoids ayant été choisie en fonc-tion de la pression désirée, on fait descendre la cloche ; on mesurela pression pour une dizaine de positions de la cloche.

1.4.4 Incertitude de l'étalonnage

Cette incertitude dépend de l’incertitude avec laquelle estconnue la capacité de la jauge, des incertitudes commises lors del’appréciation du niveau d’huile dans les cols de la jauge, des incer-titudes de visées de la lunette, et de l’incertitude due à un éventuelécart de température entre l’air du gazomètre et l’huile de la jauge,soit, en récapitulant :

— incertitude sur la jauge : ± 0,05 % ;— incertitude d'appréciation du niveau d'huile (± 1 mm) :

± 0,01 % ;— incertitude de visées dans la lunette (± 1/2 division) :

± 0,06 % ;— incertitude de température (± 2/10 oC) : ± 0,07 %.

Ces causes d’incertitude peuvent être supposées aléatoires etindépendantes ; on aboutit ainsi, en faisant la somme quadratique,à une incertitude voisine de ± 0,12 % (valeur par excès).

permet d’évaluer l’incertitude commise sur ce dernier.

Remarque : la plupart des lunettes utilisées pour ce typed’opération donnent des images renversées : il faut en tenircompte pour déterminer le signe de l’erreur.


Lorsque l’on utilise un gazomètre de référence pour l’étalon-nage, on introduit deux causes d’incertitudes supplémentaires :l’incertitude avec laquelle est connu le volume du gazomètre deréférence et l’incertitude due à la deuxième visée dans la lunette.

On vient de voir que l’on peut estimer l’incertitude sur le volumedu gazomètre de référence à ± 0,12 %.

L’incertitude due à la deuxième visée est de l’ordre de ± 0,06 %,d’où une incertitude finale de ± 0,18 %.

2. Vérification des compteursà la pression atmosphériqueet avec de l’air

La réglementation française n’assujettit actuellement à la vérifi-

2.1.2 Précautions à prendre

■ Étanchéité de la rampe

Les compteurs sont placés en série ; ils sont reliés entre eux pardes cavaliers ; leur nombre varie suivant le débit d’essai et le typede compteur.

L’étanchéité de la rampe est essentielle si l’on veut avoir unebonne incertitude. Si une faible fuite ne porte pas trop àconséquence pour des essais de faible durée, elle peut en revanchefausser totalement les résultats des essais à faible débit, qui durentbeaucoup plus longtemps.

Une vérification rapide de l’étanchéité de la rampe peut être faiteen mettant cette dernière en communication avec le gazomètre. Onl’isole ensuite, et l’on s’assure que la pression de la rampe resteconstante ; si elle diminue, il y a fuite. Cette vérification est souvent

L’erreur maximale tolérée relative sur la capacité des gazomè-tres a été fixée à ± 0,2 %. Exemple : lors de la vérification des compteurs à soufflets de débit

maximal de 6 m3/h, on effectue l'essai à ce débit en faisant passer200 dm3 dans chaque compteur. L'essai dure donc 2 min. S'il se pro-duit, sur la rampe, une fuite de 0,2 dm3/h, on introduira une erreur de0,003 % qui peut être considérée comme négligeable. L'essai à petitdébit s'effectue au débit de 0,04 m3/h en faisant passer 20 dm3 danschaque compteur ; l'essai dure alors 30 min. On introduit, pour unemême fuite, une erreur de 0,6 % qui n'est plus négligeable.


cation que les compteurs appartenant à certains types : lescompteurs à soufflets (ou compteurs à parois déformables), lescompteurs à pistons rotatifs et les compteurs à turbine (oucompteurs de vitesse).

La réglementation prévoit que la vérification des compteurs sefait à l’air et à la pression atmosphérique. Nous ne décrirons queles principales méthodes utilisables dans ce cas.

Il y a lieu de distinguer la vérification des compteurs à souffletsde la vérification des compteurs à pistons rotatifs ou descompteurs à turbine, dits compteurs industriels.

2.1 Vérification des compteurs à soufflets

2.1.1 Généralités

Dans ces compteurs, une membrane flexible forme deuxcompartiments de la chambre de mesure. Ils se remplissent et sevident alternativement au cours du déplacement de la membrane,par l’intermédiaire d’un tiroir. Le comptage du nombre de cyclesdonne directement le volume de gaz ayant transité au travers ducompteur.

La vérification de ces compteurs s’effectue en prenant commeappareil de référence un gazomètre. Elle doit donc se faire dansune salle bien climatisée, où la température reste stable pendantles opérations (cf. § 2.1.2).

Les compteurs sont montés sur une rampe d’essai permettant derecevoir un ou plusieurs compteurs. Chaque rampe est reliée à ungazomètre dont la capacité est en rapport avec les débits d’essaides compteurs :

— gazomètre de 200 dm3 pour des compteurs de débit maximalinférieur ou égal à 10 m3/h ;

— gazomètre de 500 dm3 pour des compteurs de débit maximalinférieur ou égal à 40 m3/h ;

— gazomètre de 2 000 dm3 pour des compteurs de débit maxi-mal supérieur à 40 m3/h.

Chaque rampe est munie de robinets permettant de l’isoler afinde vérifier son étanchéité, et d’un jeu de robinets permettant derégler les débits nécessaires à la vérification des compteurs.

suffisante pour des essais courants.

■ Température

L’utilisation du gazomètre impose que l’on travaille dans unesalle climatisée. La réglementation française exige que l’écart entreles températures mesurées aux points suivants : air du gazomètre,air à l’entrée et à la sortie de rampe, soit inférieur à 1 oC. (Un écartde température de 1 oC entraîne une variation d’environ ± 0,3 % duvolume du gaz.) En pratique, cet écart est toujours inférieur à0,3 oC ; on commet ainsi une incertitude de mesure de l’ordre de± 0,1 %.

■ Perte de pression le long de la rampe

L’air passant dans chaque compteur subit une perte de pressionprovoquant une augmentation de son volume. Le derniercompteur de la rampe enregistre ainsi un volume plus grand quele premier. Il convient donc d’apporter des corrections au volumeindiqué ou, si l’on ne désire pas effectuer de telles corrections, d’enlimiter l’importance.

Une variation de pression de 10 Pa provoque une variation rela-tive de volume d’environ 0,01 %. La réglementation française aprévu de limiter à 300 Pa la différence de pression entre l’entrée etla sortie de la rampe, ce qui revient, si l’on n’effectue pas de cor-rection de pression, à limiter à ± 0,3 % l’incertitude de mesure dueà la variation de pression.

On a, en effet, une incertitude sur le volume v de :

∆ v / v = ∆ p / p = 300 /105 = 0,3 %

avec p pression atmosphérique ≈ 105 Pa.

On ne tient pas compte de l’influence des variations de pressionatmosphérique sur le résultat d’étalonnage, cette influence étantde l’ordre de 0,1 %, donc négligeable devant l’influence des autresgrandeurs.

2.1.3 Volume d'air à faire passerdans chaque compteur

Le volume d’air à faire passer dans les compteurs dépend dudébit auquel est effectué l’essai et de l’unité de graduation du dis-positif indicateur du compteur. Ce volume doit être suffisammentimportant pour que les incertitudes de lecture de la règle du gazo-mètre et du dispositif indicateur des compteurs soient négligea-bles.


En règle générale, ce volume est égal à 1 000 fois la valeur del’unité de graduation du dispositif indicateur. Le temps des essaisest ainsi de l’ordre de 5 à 10 min, ce qui est raisonnable.

Pour les compteurs à parois déformables et pour l’essai au débitminimal, le volume d’air est choisi égal au plus petit des volumescorrespondant soit à une demi-heure de fonctionnement, soit à5 volumes du cycle de fonctionnement du compteur.

2.1.4 Essais pratiqués pour la vérification

■ Tolérances

La vérification consiste à s’assurer que les erreurs descompteurs sont bien conformes à des erreurs maximales appeléeserreurs maximales tolérées. Pour le type de compteur considérédans ce paragraphe, la réglementation française a fixé, pour leserreurs maximales tolérées, les valeurs suivantes, en fonction dudébit Q :

— si Qmin < Q < 2 Qmin : erreur de ± 3 % ;

— si 2 Qmin < Q < Qmax : erreur de ± 2 % ;

avec Qmin débit minimal du compteur, Qmax débit maximal du compteur.

Cela conduit à une incertitude maximale de ± 0,8 %, incertitudequi peut être considérée comme surestimée. La combinaison qua-dratique des incertitudes conduit à une valeur voisine de ± 0,4 %,généralement plus proche de la réalité.

2.2 Vérification des compteurs industriels

Ce sont essentiellement les compteurs à pistons rotatifs et lescompteurs à turbine.

Dans les compteurs à pistons rotatifs, le compteur est constituéde deux roues (parfois trois), en forme de 8, qui s’entraînentmutuellement avec un très faible jeu. Elles sont mises en rotationpar l’écoulement du fluide qui se trouve transporté dans les cham-bres formées entre les roues et le corps du compteur, de l’amontvers l’aval. La fréquence de rotation des roues est ainsi proportion-nelle au débit volumique traversant l’appareil.

Les compteurs à turbine sont équipés d’un distributeur de fluxqui dirige l’écoulement vers les pales d’une turbine axiale inséréedans une canalisation. La turbine est généralement à passage inté-gral. L’écoulement met en rotation la turbine. La vitesse de rotationde la turbine est directement proportionnelle au débit volumique.

Pour leur vérification, jusqu’à un débit de 1 600 m3/h, on peut


■ Essais effectués

Les essais sont de deux types : essais de justesse et essaisd’absorption de pression.

● Essais de Justesse

Ils sont effectués aux trois débits suivants : Qmin ; 0,2 Qmax ;Qmax .

● Essais d'absorption de pression

On mesure l’absorption moyenne de pression (considéréecomme la moyenne de la différence de pression existant entrel’entrée et la sortie du compteur, pendant le déroulement d’uncycle du compteur), au débit minimal et au débit maximal.

La réglementation fixe également les valeurs moyennes quepeut atteindre cette absorption de pression :

— au débit minimal, la valeur moyenne varie entre 60 et 100 Pa ;— au débit maximal, la valeur moyenne varie entre 200 et

400 Pa (pour de l'air de masse volumique 1,2 kg/m3), suivant lecalibre du compteur.

2.1.5 Incertitude de l'étalonnage des compteursà soufflets

L’incertitude de l’étalonnage dépend des facteurs suivants :— gazomètre : son volume est connu à ± 0,2 % près (cf. § 1.4.4) ;— température : on a vu (cf. § 2.1.2) que l’incertitude introduite

par les variations de température peut être estimée à ± 0,1 % ;— pression : si l'on n'effectue pas les corrections de pression

(cf. § 2.1.2), on peut commettre une incertitude de ± 0,3 % sur levolume ;

— lecture des volumes : on peut négliger l'incertitude de lecturedu volume d'air du gazomètre devant celle de la lecture du volumed'air passé dans le compteur. On peut estimer à ± 0,2 % cette incer-titude de lecture.

utiliser des gazomètres de capacité appropriée aux débits descompteurs à vérifier. Dans ce cas, on opère généralement avec ungazomètre de 2 000 dm3 pour des compteurs de débit maximalinférieur ou égal à 400 m3/h, avec un gazomètre de 10 m3 pour desdébits inférieurs ou égaux à 1 000 m3/h, avec un gazomètre de14 m3 pour un débit de l’ordre de 1 600 m3/h.

Compte tenu des problèmes de technologie et d’encombrementposés par les gazomètres de grande capacité, on utilise, pour desdébits supérieurs à 1 600 m3/h, des compteurs ou des tuyères soni-ques comme dispositif de référence.

2.2.1 Étalonnage à l'aide d'un gazomètre

2.2.1.1 Généralités

Les compteurs à pistons rotatifs ou à turbine demandent queleur étalonnage soit fait lorsque les parties mobiles des compteursont atteint leur régime permanent. Les lectures des volumes sur lecompteur et sur la règle du gazomètre devant être faites à la volée,l’étalonnage nécessite un dispositif spécial si l’on veut limiterl’incertitude.

Au niveau du compteur, on remplace généralement le dispositifindicateur par un dispositif constitué par une roue à fentes ou àplots se déplaçant devant un capteur (capteur magnétique ou cel-lule photoélectrique) qui envoie des impulsions dans un compteurd’impulsions. Chaque impulsion correspond à un volume théori-que connu, déterminé à partir des caractéristiques du compteur.

Au niveau du gazomètre, on place sur la règle des taquets quidéclenchent le départ et la fin du comptage des impulsions. Cestaquets sont placés en fonction des volumes que l’on désire fairepasser dans les compteurs. Leur position est vérifiée soigneuse-ment, afin que le volume ainsi déterminé corresponde au volumeréellement chassé par la cloche du gazomètre.

Les compteurs à pistons rotatifs sont étalonnés séparément. Onne peut placer plusieurs compteurs en série en raison des pertur-bations provoquées par chaque compteur (pulsations de pression).

2.2.1.2 Étalonnage

■ Rampe d'étalonnage

La rampe d’étalonnage comporte une tuyauterie sur laquelle estmonté le compteur en étalonnage. Cette rampe est équipée d’unesonde de température placée en aval du compteur, d’un manomè-tre servant à mesurer la pression de l’air au niveau du compteur

Remarque : les valeurs attribuées aux erreurs maximales tolé-rées peuvent être différentes entre la réglementation françaiseet les Recommandations de l’Organisation Internationale deMétrologie Légale (OIML), qui sont plus faibles. Le présent arti-cle fait référence aux décrets parus au Journal officiel sur lesinstruments de mesurage et compteurs de volume de gaz(cf. [Doc. R 2 000]).


(pression à l’amont du compteur pour un compteur à pistons rota-tifs, pression P au niveau de la turbine pour un compteur à tur-bine), ainsi que d’un manomètre pour mesurer la chute depression dans le compteur. La rampe est également équipée d’unpupitre comportant des compteurs d’impulsions, ainsi que d’unchronomètre qui sert à mesurer le temps nécessaire à l’écoulementdu volume d’air dans le compteur. Afin de déceler une éventuelledéfaillance dans le comptage des impulsions, les chaînes decomptage sont doublées.

Les compteurs à turbine pouvant être perturbés par une girationd’écoulement créée par une singularité de canalisation (coude,vannes, réduction), la rampe d’étalonnage devra être constituéed’une longueur droite de canalisation au moins égale à 20 fois lediamètre à l’amont du compteur, et de 5 fois le diamètre à l’aval.

■ Détermination de l'erreur E du compteur

● Calcul théorique

L’erreur du compteur dépendant du débit, on doit donc d’abordcalculer ce débit Q. On applique pour cela la loi des gaz parfaitsPV/T = Cte.

Nous avons :

On applique alors la formule pratique suivante, donnantl’erreur E :

E brute (%) = 100 (N – N0)/N0 + 0,03 ∆T – 0,001 ∆P

avec ∆T différence entre la température de l’air du gazomètre etla température de l’air dans le compteur (en 0,1 oC),

∆P différence entre la pression de l’air du gazomètre et lapression de l’air dans le compteur (Pa).

2.2.1.3 Incertitude de l'étalonnage

Plusieurs facteurs interviennent dans le calcul de l’incertitude : levolume déterminé par le gazomètre, le dispositif de comptage, lescorrections apportées à l’erreur brute :

— gazomètre : on a vu (cf. § 1.4.4) qu'on connaissait son volumeà ± 0,2 % près ;

— comptage : bien que les chaînes de comptage soient doublées,on peut omettre deux impulsions selon la position, au départ et à lafin du comptage, de la roue de mesure, soit, si l'on compte2 000 impulsions, une incertitude de ± 2/2 000 = ± 10–3 = ± 0,1 % ;

— corrections de température et de pression : les températuressont mesurées avec des sondes. On peut estimer à (2/10 oC) l'incer-titude sur la mesure de température, soit une incertitude de± 0,07 %. Les pressions sont mesurées avec des transmetteurs [1].On peut estimer l'incertitude sur la mesure de pression à 20 Pa,Q

V0

t------

P

0 P ------ T

T

0 ------=


avec P0 , T0 pression et température de l’air dans le gazomètre, P, T pression et température de l’air dans le compteur, t temps pour faire s’écouler le volume V0 dans le

compteur, V0 volume d’air s’écoulant du gazomètre.

On calcule ensuite le volume d’air qui est réellement passé dansle compteur. Ce volume V ’ résulte du calcul précédent :

L’erreur en pour-cent est donc égale à :

100 (V – V ’)/V ’

avec V volume lu sur le compteur.

● Calcul pratique

Afin de pouvoir calculer l’erreur rapidement, on applique, nonpas directement la loi des gaz parfaits, mais des corrections décou-lant de cette loi.

Pour une différence de température dT de 0,1 oC, il convient defaire une correction de 0,034 % sur le volume (en prenant la tem-pérature T = 300 K).

Pour une différence de pression dP de 1 Pa entre la cloche dugazomètre et le compteur, il convient de faire une correction de0,001 % sur le volume (en prenant la pression P = 105 Pa).

L’erreur du compteur est alors égale à l'erreur brute ducompteur, à laquelle on applique les corrections nécessaires duesaux différences de pression et de température.

L’erreur brute résulte de la comparaison du volume V indiquépar le compteur et du volume V0 indiqué par le gazomètre.

E brute (%) = 100 (V – V0)/V0

Nous avons vu au paragraphe 2.2.1.1 que l’on substitue à V(ou V0), un nombre d’impulsions N (ou N0) qui lui estproportionnel ; l’erreur brute est donc égale à :

E brute (%) = 100 (N – N0)/N0

soit une incertitude de ± 0,02 %.

Ces incertitudes peuvent être considérées comme indépendan-tes et aléatoires, et l’incertitude globale peut donc être calculée enfaisant leur somme quadratique. On obtient ainsi une incertitudede l’ordre de ± 0,25 %.

2.2.2 Étalonnage à l'aide de compteursde référence

2.2.2.1 GénéralitésAu-delà d’un débit de 1 600 m3/h, on utilise généralement des

compteurs de référence qui permettent d’atteindre des débits de6 500 m3/h ou plus.

Pour des débits inférieurs à 1 600 m3/h, ces compteurs peuventêtre étalonnés par des gazomètres de référence selon les méthodesque nous avons vues précédemment. Au-delà de 1 600 m3/h ils sontétalonnés par comparaison à d’autres compteurs de référence pla-cés en parallèle ou à des tuyères soniques (cf. § 3). Cette méthodepermet d’obtenir la courbe complète de chaque compteur sans êtrelimité par la capacité des gazomètres. On utilise, pour ce faire, unerampe de compteurs construite conformément à la figure 3.

V ′ V0P0

P------ T

T

0 ------=

V ′ V0P0

P------ T

T

0 ------= d V ′ V ′⁄ – d P @ P d T @ T += ⇒

Figure 3 – Rampe pour étalonnage à l’aide de compteursde référence

T mesure de températureP mesure de pression

20 D

20 D

10 D

D

T P

T P

T P T P

10 D

Vannesd'isolement

Ventilateur

Décharge

Vanne deréglagede débit

Batterie de compteursde référence

Compteurà étalonner

Cette figure est schématique et ses proportions ne correspondent pasaux dimensions réelles (les dimensions réelles sont indiquées parrapport au diamètre D).


Cette rampe est constituée d’une batterie de compteurs de réfé-rence ; la batterie est en série avec le compteur dont on désire déter-miner la courbe d’erreurs. Ce dernier est situé en amont de la batterie.

L’air est aspiré dans la rampe dans le sens indiqué par la flèche.On évite ainsi que l’air, échauffé par son passage dans la pompecentrifuge d’aspiration, traverse la rampe, créant ainsi un écart detempérature important entre le compteur placé en amont et la batte-rie de compteurs de référence. De plus, travailler en dépression al’avantage de créer une légère chute de température permettant deréduire un éventuel échauffement de l’air dans le premier compteur.

L’équipement des rampes est identique à celui des rampes asso-ciées à un gazomètre (comptage d’impulsions, chronomètre, ther-momètres, manomètres).

Avant l’apparition sur le marché des compteurs à turbine, lescompteurs de référence étaient des compteurs à pistons rotatifs.Sans dispositifs d’atténuation, ces derniers ont l’inconvénient decréer des pulsations de pression qui sont préjudiciables au bonfonctionnement des autres compteurs placés en série avec eux.Les compteurs à turbine sont donc généralement préférés auxcompteurs à pistons rotatifs en tant que compteurs de référence.

Pour éviter les perturbations d’écoulement, il faut respecter cer-taines longueurs à l’amont et à l’aval des compteurs de référence.Ces longueurs sont indiquées sur la figure 3 à titre indicatif. Deslongueurs plus importantes sont cependant à privilégier.

avec ,

P, T pression et température de l’air au niveau du compteurà étalonner.

L’erreur du compteur E est ainsi égale à :

E (%) = 100 (V – V ’)/V ’

avec V volume indiqué par le compteur.

2.2.2.3 Incertitude de l'étalonnage d’un compteurpar rapport à des compteurs de référence

Les facteurs intervenant dans le calcul de l’erreur sont lessuivants :

— courbe d'erreur établie avec le gazomètre (cf. § 2.2.1.3) :l’incertitude globale est de ± 0,25 % ;

— comptage : nous avons vu, au paragraphe 2.2.1.3, que l'onpouvait admettre une incertitude de l'ordre de 10–3 sur la valeurdes volumes indiqués par les compteurs ; nous avons, dans ce cas,deux comptages ; on peut ainsi estimer l'incertitude à environ± 0,15 % ;

— corrections de température et de pression : en reprenant lesconclusions du paragraphe 2.2.1.3 : incertitude sur la température

Q ′i Qi 1 ei+( )Pi

P----- T

Ti-----=

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R 2 000

−

10

© Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle

Les compteurs de référence doivent être réétalonnés régulière-ment, au minimum une fois tous les cinq ans.

2.2.2.2 Étalonnage des compteurs par des compteursde référence

On place plusieurs compteurs, préalablement étalonnés, en sériepour déterminer la courbe d’erreurs du compteur (figure

3

).

Selon le calibre du compteur à étalonner, on utilise un ou plu-sieurs compteurs de référence. On choisit les compteurs de réfé-rence de la batterie les mieux adaptés au débit de l’essai. Ons’efforce, en fait, de travailler dans la gamme de débits pourlaquelle l’erreur des compteurs de référence varie très peu en fonc-tion du débit. Cela peut nécessiter qu’on commute les compteursde référence au cours de l’étalonnage.

■

Étalonnage

Pour calculer l’erreur du compteur en essai, on doit noter :— les volumes

V

i

passés dans chaque compteur de référence.On peut remplacer chacun de ces volumes par un nombre d'impul-sions

N

i

qui lui est proportionnel ;— les températures

T

i

de l'air au niveau de chaque compteur ;— les pressions P i de l'air au niveau de chaque compteur,

(même remarque qu'au paragraphe 2.2.1.2 en ce qui concernecette pression) ;

— la durée

t

de l'essai.

On affecte l'indice

i

aux grandeurs correspondant à la branche

i

de la batterie.

■

Calcul théorique

On détermine, pour chaque compteur de la batterie, le débit :

Q

i

=

V

i

/t

À ce débit correspond une erreur

e

i

lue sur la courbe d’erreursde ce compteur de référence

i

(cf. § 2.2.1). Le volume de référencecorrespondant est donc égal à :

V

i

(1 +

e

i

)

On calcule le volume d’air de référence

V

’ qui est réellementpassé dans le compteur à étalonner :

de l'ordre de ± 0,07 %, incertitude sur la pression de l'ordre de± 0,02 %.

On doit considérer ces incertitudes pour chaque branche de labatterie, soit, pour chaque branche, une incertitude de ± 0,3 %.

2.2.3 Prescriptions réglementaires

■

Tolérance

La réglementation concernant les compteurs à pistons rotatifs oules compteurs à turbine prévoit les erreurs maximales suivantes,en fonction du débit, pour les compteurs neufs :

Q

min

<

Q

< 0,2

Q

max

: erreur de ± 2 %

0,2

Q

max

<

Q

<

Q

max

: erreur de ± 1 %

■

Essais pratiqués pour la vérification

Les essais sont effectués aux débits suivants pour les compteursà pistons rotatifs et pour les compteurs à turbine :

Q

min

; 0,10

Q

max

(si cette valeur est supérieure à

Q

min

) ;0,25

Q

max

; 0,40

Q

max

; 0,70

Q

max

et

Q

max

.

Si l’essai est effectué dans d’autres conditions, celles-ci doiventgarantir un résultat identique aux essais mentionnés ci-dessus.

V ′ Q ′ii

∑ t=

Remarque importante :

contrairement à une idée acquise,pour réduire l’incertitude d’un étalonnage de compteur indus-triel, l’opérateur cherchera à utiliser le plus grand nombre pos-sible de compteurs de référence, dans la limite despréconisations présentées au paragraphe 2.2.2.2, afin que lapartie aléatoire des incertitudes de chaque compteur de réfé-rence s’élimine et réduise ainsi l’incertitude globale.

Exemple :

si l’on considère que tous les compteurs de référenced’une batterie ont la même incertitude, si un compteur est étalonnécontre un unique compteur de référence, l’incertitude du débit de réfé-rence sera égale à ± 0,3 %. Si deux compteurs sont utilisés et que ledébit de référence se répartit également entre les branches, l’incerti-tude sur le débit de référence sera égale à :

12---

2 12---

2+

0,50,3 %×


3. Venturi-tuyères fonctionnanten régime sonique

Les venturi-tuyères fonctionnant en régime sonique (appelés parla suite tuyères soniques) offrent des avantages importants parrapport aux autres types de référence de débit. Ils sont très stablesdans le temps, leur incertitude est essentiellement liée à celles desinstruments de mesures qui leur sont associés, et ils restent facilesà construire et simples d’utilisation. Cependant leur dynamique dedébit dépend de la pression génératrice à l’amont de la tuyèresonique. Ainsi, pour pouvoir faire varier le débit au travers d’unetuyère sonique, l’opérateur doit agir sur cette pression amont.Seule la présence d’une source de pression peut permettre l’utili-sation courante des tuyères soniques.

3.1 Tuyères à col sonique

3.1.1 Rappel sur la théorie des tuyères à col sonique

C* caractérise les propriétés thermodynamiques de l’écoule-ment et sera égal à la fonction f (γ) définie par l’équation (1) si legaz est parfait.

C, coefficient de décharge, est le rapport adimensionnel du débitréel sur le débit idéal défini par les conditions ci-dessus. Il corrigeles effets de viscosité (développement d’une couche limite) et decourbure, et lie donc le domaine expérimental à la théorie. Dans lecas où l’on génère un débit parfait, on aurait simplement C = 1.

La fonction de débit critique dépend de la pression et de la tem-pérature du gaz à l’amont de la tuyère mais aussi du type de gazutilisé comme fluide d’essai. Si, pour des gaz stables comme l’airsec, les valeurs sont tabulées et faciles à utiliser (cf. normeISO 9300 [Doc. R 2 000]), pour un gaz complexe comme le gaznaturel, le calcul de la fonction de débit critique proprement dit estun processus itératif dans lequel on cherche à réaliser la conditionvitesse d’écoulement = vitesse locale du son, en suivant un cheminisentropique depuis les conditions génératrices amont, en suppo-sant l’absence de tout phénomène de couche limite. Ces valeursdépendent des conditions génératrices et de la composition du gaznaturel. Il est ainsi nécessaire d’utiliser un calculateur pour pouvoireffectuer ce travail.

3.1.1.2 Pression stagnante et pression statique

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.© Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle

R 2 000

−

11

Le fonctionnement théorique d’une tuyère et venturi-tuyère en

mode critique

a été décrit par Saint-Venant, Stokes, Wilde et Rey-nolds. À partir du principe de conservation des masses et de la loide détente isentropique, on peut démontrer que le débit massiquetransitant au travers d’une tuyère sonique ne dépend que desconditions qui règnent en amont. La vitesse d’écoulement du gazn’est égale à la célérité du son qu’en la section de la tuyère où l’airest minimal lorsque le rapport des pressions prises à l’amont et àl’aval de la tuyère est supérieur à une certaine valeur. On dit alorsque le régime sonique est amorcé. Cette caractéristique permet dedéduire ainsi le débit massique transitant au travers d’une tuyèresonique par la formule suivante :

Q

m

=

A f

(

γ

)

P

0

/ (

rT

0

)

1/2

(1)

avec

f

(

γ

) ,

r

=

R

/

M

,

A

section de passage au col de la tuyère (m

2

),

P

0

et

T

0

pression (Pa) et température (K) stagnantes àl’amont de la tuyère,

M masse molaire du gaz (kg/mol), R

constante molaire des gaz [

R

= 8,314 J/(mol · K)],

γ

rapport des capacités thermiques massiques à pres-sion constante et à volume constant.

3.1.1.1 Débit réel au travers d’une tuyère à col sonique

L’application de la formule (1) pour calculer le débit massique autravers d’une tuyère fonctionnant en

régime critique impliquecependant quatre conditions principales :

— le gaz est parfait ;— l'écoulement est isentropique ;— l'écoulement est monodimensionnel ;— le gaz est à l'arrêt à l'amont de la tuyère.

L’expérience montre que ces conditions ne sont pas respectéesexpérimentalement. Pour tenir compte des conditions d’essai,deux coefficients, C* la fonction de débit critique et C le coefficientde décharge, sont alors introduits tels que :

Qm = A C C* P0 / (rT0)1/2 (2)

La théorie des tuyères critiques, présentée au paragraphe précé-dent, a été écrite en considérant que l’écoulement est créé par ladétente d’un gaz supposé initialement au repos à l’amont de latuyère, à une pression dite d’arrêt (ou stagnante). Si le gaz a unevitesse d’écoulement à l’approche de la tuyère, ce qui est expéri-mentalement le cas, cette hypothèse n’est plus respectée. La pres-sion amont mesurée est alors dite statique. En pratique, le gazn’est considéré à l’arrêt que si le diamètre au col est petit par rap-port au diamètre de la canalisation amont.

Pour réduire l’écart entre la pression stagnante et la pression sta-tique, il est recommandé de choisir un rapport entre le diamètreamont de la tuyère et le diamètre au col de 4 minimum.

3.1.2 Description de la tuyère à col sonique

Définition (figure 4)

Le profil optimal de tuyère est constitué d’un convergent toriqueou de profil courbé suivi ou non d’un col cylindrique. Ce profil detuyère permet d’obtenir une valeur du coefficient de décharge C,supérieure à 0,95 (généralement proche de 0,99) et stable sur laplage de fonctionnement critique. Enfin, à l’aval du col, un diver-gent conique permet une recompression du fluide dans le but demaintenir le régime sonique au col à une valeur du rapport depression aval sur pression amont inférieure à 0,9.

Les tuyères soniques utilisées en France sont normalisées(ISO 9300). Elles sont composées d’une entrée en quart de tore sui-vie d’un col cylindrique de longueur égale au diamètre du col, d’undivergent à 7o d’une longueur L (L = 16,5 D ), puis d’un court diver-gent à 45o.

Les tuyères soniques sont généralement fabriquées en acierinoxydable selon les tolérances de la norme ISO 9300. Un soin par-ticulier doit être apporté au raccordement entre le col de la tuyèreet le convergent et le divergent afin d’éviter toute discontinuitégéométrique. Le convergent de la tuyère est poli afin de réduire larugosité et ainsi de limiter les effets de frottement du fluide sur lesparois de la tuyère.

La tuyère ainsi fabriquée est alors montée serrée entre deuxmanchettes. Sur la manchette amont un emplacement doit êtreprévu afin de pouvoir effectuer des mesures de pression et de tem-pérature (supposées d’arrêt). Dans le cas où la tuyère est utiliséeavec un gaz dont les constituants peuvent varier au cours du temps(gaz naturel), une analyse du gaz utilisé est aussi nécessaire (utili-sation d’un chromatographe ou d’un analyseur de gaz naturel).

γ0,5 2γ--- 1+

γ 1+( )

2 γ 1–( )--------------------

=


r = 10

r = Ar = A

ø E

ø A

± 0

,005

ø D ø F7°7°

Poli

A

B

C

A

5 8

Grainsd'orge

Joint permaniteépaisseur 3 mm

Emboîtement bride profondeur 7jeu diamétral 3/10

Manchette

Régulateur

Capacité

HV24

Filtre

60 b

ar

VSE Tuyère

Capacité

VSSBy-pass

BP

T

P

T T

Mv T P

T

VS vanne à fermeture rapide (S pour sortie, E pour entrée)

T sonde température

P transmetteur de pression

Mv transmetteur de masse volumique

Schéma du banc d'étalonnage de tuyères ( Banc PISC )


3.2 Étalonnage des tuyères soniques

3.2.1 Description des méthodes d’étalonnage

Étalonner une tuyère à col sonique revient à déterminer, demanière expérimentale, le coefficient de décharge de cette tuyère ;C étant uniquement fonction de la tuyère.

■ Méthode 1 : étalonnage volumétrique d’une tuyère à l’aide d’unecapacité de volume connu V placée en série avec la tuyère à étalon-ner (figure 5).

On établit, en amont de la tuyère, des conditions de pression etde température bien stables, de telle sorte que le débit de la tuyèresoit constant. Quand le régime permanent est obtenu, on mesureles conditions thermodynamiques initiales dans la capacité, en par-ticulier la masse volumique initiale du gaz ρinitial . Par l’action surun jeu de vannes, on déclenche le remplissage de la capacité enfaisant débiter le gaz par la tuyère durant un temps t. Le remplis-sage est stoppé par une deuxième vanne à fermeture rapide.

Après stabilisation et uniformisation de la température dans lacapacité, on mesure les conditions thermodynamiques finales dansla capacité. Ces dernières sont la pression, la température et lamasse volumique du gaz ρfinal , dans les conditions d’essais.

La variation de la quantité de gaz que la capacité contient peutêtre calculée ; elle correspond au volume massique de gaz ayanttraversé la tuyère durant le temps t :

qm = V (ρfinal – ρinitial)/t {+ termes correctifs}

Connaissant de plus P0 et T0 , il vient :

Figure 4 – Profil et dimensions des tuyères à col cylindrique étalonnéessur le banc primaire de Gaz de France

Référencetuyère A B C

T 1000

T 800

T 500

T 400

T 200

T 100

T 80

T 50

T 40

T 20

T 10

T 5

T 2

T 1,5

38,90

34,80

27,50

24,60

17,40

12,30

11,00

8,70

7,78

5,50

3,89

2,75

1,74

1,50

642,20

574,40

454,00

405,80

287,20

202,40

182,00

143,60

128,44

91,00

64,22

45,50

28,72

24,60

720,00

644,00

509,00

455,00

322,00

227,00

204,00

161,00

144,00

102,00

72,00

51,00

32,20

27,60

DDN E F

200

150

100

270

216

157

220

170

120

170

140

70

Ces tuyères sont définies par un calibre qui correspond au débit

volumique en Nm3/h de gaz naturel que peut générer une tuyère,

par bar de pression absolue amont.

À titre d'exemple, une tuyère T 100 fonctionnant à 35 bar génère un

débit de 3 500 Nm3/h.

DN diamètre nominal

Les cotes sont en millimètres

Matière : acier Z 30 C 13

Figure 5 – Étalonnage d’une tuyère à col sonique à l’aide d’une capacitéde volume connu (méthode volumétrique au PVTt )

Remarque : pour limiter les effets du gaz ayant servi à étalon-ner la tuyère sonique, les résultats d’étalonnage sont présentéscomme une fonction liant le coefficient de décharge au nombrede Reynolds pris au col de la tuyère.

C qm/Qm théorique qm/AC*P0

rT0( )1 2⁄----------------------

= =


■ Méthode 2 : étalonnage d’une tuyère par comparaison.

Deux tuyères, l’une, la plus petite, de coefficient de débit C,connu, l’autre, de coefficient de débit C ’ à déterminer, sont misesen série ; la quantité de gaz qui les traverse est identique pour lesdeux tuyères.

On a simplement :

3.2.2 Incertitude des étalonnages

Plusieurs facteurs interviennent dans le calcul de l’incertitude.

■ Méthode 1 :

4.1 Étalonnage d'un compteurde volume de gaz

4.1.1 Méthode

Une série de tuyères a été étalonnée pour obtenir un débit mas-sique connu de gaz.

En régime sonique, la valeur du débit massique de cette tuyèrene dépend que des conditions thermodynamiques du gaz àl’amont du col, pour un gaz et une tuyère donnés.

Pour couvrir la gamme des débits d’essais nécessaires à l’étalon-nage d’un compteur de volume de gaz, une batterie de plusieurstuyères est utilisée (figure 6). À l’amont des tuyères, la pression estmesurée ainsi que la température sur chacune des lignes.

Après mesurage des différents paramètres nécessaires au calcul,le fluide traverse les tuyères voulues, puis le compteur à étalonner.Les autres tuyères sont mises hors service à l’aide de robinetsd’arrêt R situés à leur aval.

Un soin particulier doit être pris afin d’éviter tout risque de fuiteentre le circuit amont sous pression et la ligne d’essais sur laquelleest installé le compteur. Il est généralement souhaitable de dispo-ser deux robinets d’arrêt sur chacune des lignes de tuyère avec unsystème de détection de fuite.

Remarque : l’étalonnage des tuyères soniques peut aussi êtreréalisé par une méthode gravimétrique en utilisant uncomparateur de masse comme référence afin de déterminer ledébit de référence. Il n’existe cependant pas de banc reposantsur ce principe en France.

C ′ C AA ′------ C*

C* ′---------

P0

P ′0--------

T ′0T0--------

1 2⁄=


— incertitude sur les pressions : ± 0,1 % ;— incertitude sur les températures : ± 0,07 % ;— incertitude sur les masses volumiques : ± 0,2 % ;— incertitude sur le temps : négligeable ;— incertitude sur les volumes :

• ± 0,06 % sur le volume de la capacité,• ± 0,1 % sur la mesure du volume du gaz.

On en déduit que l’incertitude totale sur le coefficient dedécharge est de ± 0,25 %.

■ Méthode 2 : la méthode comparative ajoute une incertitude del’ordre de ± 0,1 % à celle commise sur le coefficient de la tuyère deréférence, d’où l’incertitude totale sur le coefficient de débit :± 0,35 %.

4. Vérification des compteurs industriels en pression

La vérification des compteurs industriels (compteurs à turbine età pistons rotatifs) en pression présente l’avantage, sur la vérifica-tion à la pression atmosphérique, de permettre l’étude du fonction-nement du compteur dans les conditions de service. Elle peut êtreeffectuée soit avec de l’air, soit avec du gaz naturel.

Un jeu de vannes aval est utilisé pour pouvoir créer une contre-pression sur la ligne d’essais. L’opérateur devra cependant éviterde monter la pression sur le compteur jusqu’à une valeur pourlaquelle les tuyères soniques de référence risquent de ne plus êtresoniques (cf. § 3.1.2).

L’étalonnage vise à établir l’erreur du compteur en comparantson indication de débit à celle des tuyères de référence. Les tuyè-res soniques générant un débit massique, une conversion devolume en kilogramme de gaz est ainsi nécessaire.

Les conditions de pression et de température au niveau desappareils en essais doivent être suivies attentivement pour réduireau minimum l’incertitude liée aux variations thermiques du gaz.Les acquisitions ne doivent pas être déclenchées si la températureet la pression au niveau du compteur varient de plus de 0,1 oC oude 2 mbar toutes les 10 s.

Connaissant le volume de gaz V ayant traversé le compteur :

V = N IN étant le nombre d’impulsions enregistrées durant le temps t et I(en m3) le poids de l’impulsion (1 impulsion correspond à I m3), ilsuffit de ramener ce volume dans les conditions thermodynami-ques de pression et de température régnant à l’endroit où se situela prise de pression réglementaire du compteur. On applique la loide conservation de la masse afin de calculer l’erreur du compteur.

Si l’on fait varier le débit (du maximum vers le minimum pourpermettre à la mécanique de se roder), on obtient donc une courbed’erreur complète du compteur pour une pression donnée.

4.1.2 Calcul théorique

Une série de tuyères est utilisée pour obtenir un débit massiquede gaz de référence Qmr :

Le débit massique Qm du compteur est calculé à partir de la lec-ture de nombre d’impulsion N, du poids des impulsions I, de lamasse volumique mesurée ou calculée dans les conditionsd’exploitation du compteur ρ, et de la durée de l’essai t :

Qm = ρ NI/t


E (%) = 100 (Qm – Qmr)/Qmr

Remarque : la valeur du coefficient de décharge d’une tuyèresonique peut être calculée par la formule suivante, avec uneincertitude de l’ordre de ± 0,5 % :

C = 1 – 0,2165 Re – 0,2 (pour Re > 2,6 × 106)

C = 0,9887 (pour Re < 2,6 × 106)

avec Re = 4 Qm / (π d µ ), µ viscosité cinématique au col de la tuyère (Pa · s), d diamètre du col de la tuyère (m).

La réalisation d’un étalonnage permet de réduire l’incertitudesur la détermination du coefficient de décharge.

Qmr 3AiCiCi*P0/ rTi0( )1 2⁄ 4

i∑=


4.1.3 Incertitude de l'étalonnage

Plusieurs facteurs interviennent dans le calcul de l’incertitude :— incertitude sur le coefficient de débit de la tuyère : ± 0,25 à

± 0,35 % ;— incertitude sur le comptage d'impulsions : ± 0,1 % ;— incertitude sur la mesure de la température : ± 0,07 % ;— incertitude sur la mesure de la pression : ± 0,02 %.

On doit considérer ces incertitudes pour chaque branche du pei-gne (ensemble des tuyères) ; soit pour chaque branche, ± 0,25 %ou ± 0,32 %, suivant l’incertitude sur le coefficient de débit de latuyère.

Si l’on considère que les incertitudes de chaque branche peuventse combiner de façon aléatoire, on obtient finalement une incerti-tude égale à ± 0,35 %.

4.2 Étalonnage à l'aide de compteurs

TT TT T TT

FiltreSondes de

température

Réc

hau

ffeu

r

Capteur de pressionet de masse volumique

Piè

ges

à f

uit

es

y-p

ass

Redresseur

Robinetsd'arrêt R

Van

ne

d'is

ole

men

tFiltre

Régulateurde pression Remarque : la remarque du paragraphe 2.2.2.3 s’applique

aussi aux tuyères soniques. Afin de réduire l’incertitude sur ledébit étalon, l’opérateur doit, dans la mesure du possible, utili-ser un maximum de lignes de tuyères soniques de référence.


de référence

Des compteurs de référence étalonnés par des tuyères soniquespeuvent être utilisés comme référence pour les essais de vérifica-tion de compteurs. Dans ce cas, les compteurs de référence doi-vent être étalonnés à la pression de service du banc.

L’installation d’essais reste très semblable à celle de la figure 6.Les tuyères de référence sont remplacées par les compteurs. Lagénération de débit devra être réalisée par un détenteur-régulateurplacé suffisamment à l’amont des références pour ne pas perturberleur fonctionnement (voir aussi paragraphe 2.2.2.1 sur lesconditions d’installation des compteurs de référence sur la batteriede référence).

On détermine, pour chaque compteur de la batterie, le débitQi = Vi /t. À ce débit correspond une erreur ei lue sur la courbed’erreurs de ce compteur de référence i. Le volume de référencecorrespondant est comparé au volume V du compteur.

On calcule le volume d’air de référence V ’ qui est réellementpassé dans le compteur à étalonner :

avec ,

P, T pression et température, Z facteur de compressibilité du gaz aux conditions d’utili-

sation des différents compteurs.


E (%) = 100 (V – V ’)/V ’

Cette démarche, faite pour plusieurs compteurs, permet d’obte-nir des compteurs de référence aux plages de débits complémen-taires : un compteur placé en série peut donc être étalonné à l’aided’un de ces compteurs de référence.

4.3 Prescriptions réglementaires

L’étalonnage des compteurs de volume de gaz en pression nepeut être utilisé que pour leur vérification périodique ou leur véri-fication après réparation lorsqu’ils sont installés sur le territoirenational : l’erreur de mesurage obtenue est l’erreur du compteurdans les conditions de fonctionnement.

Figure 6 – Schémas de principe d’un banc de débitmétrie utilisant des tuyères soniques comme références

Pression et masse volumique

Signal de temps de mesure compteur

Température

Centraled'acquisition

Analysegaz

Pression atmosphérique

Composition du gaz

Terminal

T

CP

B

Compteuren essai

BP

∆P∆P

HP 20 bar

Vannes de sortiepour régler la

contre-pression

Ressort

P prise de pression

T sonde de température

∆P perte de charge de l'appareil

galerie techniqueb

banc de débitmétriea V ′ Q ′ii

∑ t=

Q ′i Qi 1 ei+( )Pi

P----- T

T

i ----- Z

Z

i -----=

r2000 Étalonnage et vérification des compteurs de volume de gaz

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