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Mesure de niveau

Plongeur immergé

Principe

Un plongeur est partiellement immergé dans le liquide dont on veut mesurer le niveau.
Il subit une poussée dite d'Archimède, égale au poids du volume de liquide déplacé par sa partie immergée, qui diminue son poids apparent.
La mesure du poids apparent du plongeur, est représentative du niveau liquide et de sa masse volumique.
Le plongeur doit être aussi long que la plage de mesure de niveau, ce qui peut limiter son emploi aux capacités de faible hauteur (jusqu’à 1 m en général).
Il est souvent installé dans un pot monté sur le coté de la capacité à mesurer et relié à elle par des tuyauteries en partie basse et haute.

Principaux avantages

Son fonctionnement entièrement mécanique permet son utilisation à haute température et haute pression.
Il n’est pas perturbé par les turbulences du liquide ni par la présence de mousse.

Sources de perturbations

La force exercée sur le flotteur est proportionnelle à la masse volumique du liquide, et donc la mesure peut être faussée par une variation de celle-ci.
Des matières solides accrochées au flotteur modifieront son poids et son volume immergé pouvant fausser la mesure.

Principales applications

Procédés continus où les variations de niveau sont de faible amplitude
Pieds de colonnes à distiller
Mesure d’interface de décantation de deux liquides

Pression hydrostatique ou différentielle

Principe

La pression mesurée au sein d’un liquide est proportionnelle à :
- la hauteur de liquide au-dessus du point de mesure
- et la masse volumique du liquide
auxquels il faut ajouter la pression de l’atmosphère au-dessus du niveau liquide.
La mesure de pression est indépendante de la dimension ou de la forme du réservoir.
Pmes = Patm + ( msvol x 9,81xH )
et
H = Pmes – Patm / (9,81 x msvol)
avec:
H: en mètre
P : en Pascal
msvol : en kg/m3

En plaçant un capteur de pression en point bas d’une capacité on peut en déduire la hauteur de liquide au-dessus si la masse volumique et la pression à la surface sont connus.
En plaçant un second capteur de pression à un niveau supérieur au premier mais toujours immergé dans le liquide, on peut en déduire la masse volumique réelle du liquide et en tenir compte dans le calcul de la hauteur de liquide.
msvol = (Pinf – Psup) / (9,81 x dH)
et
H = dH x (Pinf – Patm) / (Pinf – Psup)
avec:
Pinf : pression mesurée au capteur inférieur
Psup : pression mesurée au capteur supérieur
dH : différence de hauteur entre les deux capteurs de pression

En utilisant un capteur de pression différentielle dont le compartiment basse pression est relié à la phase gazeuse au-dessus du niveau liquide, il possible de tenir compte de ses variations de pression
H = Pdif / (9,81 x msvol)

Si le compartiment basse pression d’un capteur de pression différentielle est connecté à un point immergé dans le liquide, il est possible de détecter le niveau (H1) d’une interface de deux liquides de masses volumiques différentes (msvol1 et msvol2).

Pour mesurer de grandes hauteurs de liquides, un capteur de pression simple est souvent suffisant si les variations de pression de l’atmosphère gazeuse peuvent être négligées.
Un capteur de pression différentielle est indispensable pour une bonne précision sur de faibles hauteurs de liquide ou si les variations de pression sont importantes. Le capteur de pression doit alors être relié aux points de mesure (prises d’impulsions) par de petites tuyauteries.

Principaux avantages

Utilise des capteurs de pression qui peuvent être très économiques (manomètre à tube de bourdon).

Sources de perturbations

Dans le cas d’un capteur de pression simple, il faut faire une hypothèse de pression de l’atmosphère au-dessus du niveau liquide et de masse volumique du liquide pour en déduire la hauteur. Des valeurs erronées ou fluctuantes induiront une mesure de hauteur erronée. Ainsi des variations de température en faisant varier la masse volumique fausseront la mesure du niveau réel. En fait, pour un réservoir dont la masse contenue est constante, des variations de température du liquide en feront varier le niveau réel, qui ne sera pas détecté par la mesure de pression.
Les capteurs de pression différentielle étant reliés aux prises d’impulsion par des tuyauteries, un bouchage de celles-ci, de même que la présence de liquide dans celle qui est reliée à l’atmosphère gazeuse alors qu’elle est supposée vide peuvent perturber la mesure.

Principales applications

- Pour les liquides exclusivement.
- Mesure de niveau, de masse volumique ou d’interface.

Bullage

Principe

Par une canne plongeante, on insuffle un débit de gaz dans le liquide dont mesure le niveau.
On mesure la différence de pression entre la canne plongeante et l'atmosphère au-dessus du liquide.
La mesure est représentative de la hauteur de liquide au-dessus de l'orifice inférieur de la canne, ainsi que de sa masse volumique.

Principaux avantages

Insensible aux turbulences, à la mousse, à la viscosité du liquide
Economique, il peut être facilement installé sur un réservoir plein de liquide

Sources de perturbations

La canne d’injection peut être partiellement bouchée, et alors la pression mesurée inclue la perte de charge pour le passage du gaz au travers du bouchon. La hauteur est alors surévaluée.
De même, un débit excessif de gaz peut entraîner une surpression qui engendrerait une surévaluation de la hauteur de liquide.

Principales applications

Sur liquides uniquement.
Mesure sur des cuves enterrées.
Mesure sur des liquides agressifs.

Sonde capacitive

Principe

La capacité électrique d'un condensateur formé de deux électrodes est fonction de la surface des électrodes et de la constante diélectrique du milieu et de la distance les séparant.
C = K x e x S / d
avec:
C: capacité en picofarad (pF)
e : constante diélectrique du milieu
S : surface des électrodes
d : distance des électrodes
La sonde est un conducteur partiellement immergé et formant condensateur avec la paroi métallique du réservoir ou un treillis métallique si la paroi est isolante.
Le produit dont on mesure le niveau est le diélectrique.
Si le produit est suffisamment conducteur, il peut constituer la seconde électrode, une gaine isolante entourant la sonde constitue le diélectrique.
La mesure de capacité est proportionnelle à la hauteur de produit à mesurer.
La constante diélectrique du produit doit être constante, et il ne doit pas pouvoir former une gangue autour de la sonde.
La mesure de capacité est aussi représentative du niveau d’interface de deux liquides de constante diélectrique différente.

Principaux avantages

Pas d’élément mécanique

Sources de perturbations

La principale source de perturbation est la variation de constante diélectrique du liquide ou de la phase gazeuse.
Les variations de température du liquide induisent une variation de la constante diélectrique de 0,1% par degré Celsius.
Un dépôt solide conducteur adhérant à la sonde perturbera également la mesure. Les dépôts solides non-conducteurs ont peu d’effet.

Principales applications

Mesure continue ou de seuil.
En raison de l’absence d’élément mécanique, ils sont bien adaptés aux mesures en milieu très visqueux ou avec de fortes turbulances.

Rayonnement Gamma

Principe

Une source de rayonnement gamma et un détecteur sont placés de part et d’autre du récipient. L’intensité du rayonnement détecté est inversement proportionnelle à la densité moyenne du milieu traversé.
Si le trajet entre la source et le détecteur est horizontal, seul un seuil de niveau peut être détecté.
Si le trajet allant de la source au détecteur est oblique, la mesure du niveau est continue dans une plage allant de la position de la source à celle du détecteur, et l’intensité mesurée est inversement proportionnelle au niveau.

Principaux avantages

La mesure est totalement externe.

Sources de perturbations

La mesure est sensible à la densité du produit traversé.

Principales applications

Ce type de mesure convient aussi bien aux mesures sur liquides que sur solides.
N’ayant pas besoin d’installation à l’intérieur de la capacité, elle est bien adaptée aux conditions de fonctionnement extrêmes en température, pression ou viscosité.
Elle est fréquemment employée pour des mesures ponctuelles sur des capacités non équipées, pour détecter un dysfonctionnement (engorgement de colonnes à distiller, dépots dans une tuyauterie, ...).

Continue par ultra-sons

Principe

Un émetteur d’ ultra-son est placé sur le toit du réservoir à mesurer et émet une impulsion en direction de la surface à mesurer sur laquelle le son est réfléchi.
Le son réfléchi est détecté à son retour par un détecteur couplé à l’émetteur. Le temps mis par le son pour aller et venir est proportionnel à la distance parcourue.

Principaux avantages:

Le niveau mesuré est indépendant des propriétés (densité, constante diélectrique) du produit dont on mesure le niveau.
La mesure est sans contact.

Sources de perturbations

La qualité de la réflexion du son dépend de la nature de la surface ; les surfaces non rigides tendent à absorber le son.
Il est nécessaire de connaître avec précision la vitesse du son dans le milieu gazeux à traverser, or celle-ci dépend fortement de la pression, de la température, de la nature du gaz, de la présence de poussières, de condensats...
La mousse à la surface d’un liquide peut soit absorber le son soit le réfléchir elle-même.
Si la surface n’est pas horizontale, le son peut être réfléchi hors du champ de détection de l’appareil. Si la surface du liquide à mesurer est agitée, une zone de tranquillisation peut être nécessaire pour fiabiliser la mesure.
Le trajet du son ne doit rencontrer aucun obstacle tel qu’un agitateur.

Principales applications:

Pour la mesure de niveaux de liquides ou de solides.
Les sons de fréquences les plus basses (16 à 22 kHz) traversent plus facilement la masse gazeuse, sont moins perturbés par la présence de poussières, de brouillard ou de mousse, et sont adaptées aux longues distances.
Les sons de fréquences les plus élevées (30 à 70 kHz) offrent une plus grande précision et sont adaptées aux plages étroites de mesure. Cependant, étant plus facilement absorbés par la masse gazeuse, ils seront limités à de faibles distances.

Ponctuelle par ultra-son

Principe

Un émetteur et un récepteur à ultra-sons sont intégrés dans le même capteur et placés à une distance fixe. Lorsque l’espace entre émetteur et récepteur est emplie de liquide le signal détecté est fortement atténué comparé à ce qu’il est lorsque c’est du gaz et la présence de liquide est ainsi détectée.
Ce type de capteur peut être indifféremment placé sur le sommet ou la paroi latérale du réservoir.

Principaux avantages:

La détection est indépendante des caractéristiques du fluide.
Ce type de détecteur fiable et économique ne possède pas de pièce mécanique en mouvement.

Radar

Principe

Comme les mesures de niveau par ultra-son, la mesure par radar est constituée d’un émetteur de micro-ondes et d’un récepteur.
L’onde émise par l’émetteur, qui se déplace à la vitesse de la lumière, est réfléchie par la surface à mesurer, et détectée à son retour par le récepteur.
La distance parcourue est proportionnelle au temps entre l’émission et la réception.
La réflexion de l’onde est meilleure sur les surfaces de bon conducteurs électriques.
Pour mesurer des surfaces de produit peu conducteurs de l’électricité (constante diélectrique < 3), on peut effectuer la mesure dans un tube qui en quelque sorte prolonge l’antenne.
L’onde électromagnétique peut aussi être guidée le long d’un fil métallique.

Principaux avantages

Grande précision de mesure (1mm) sur de longues distances (jusqu’à 50 m).
La mesure est sans contact.
La mesure est indépendante des propriétés du matériau à mesurer ou de la masse gazeuse à traverser.

Principales applications

Pour solides aussi bien que liquides.

Niveau visible

Généralement constitué d’un tube transparent vertical monté sur le coté de la capacité à mesurer, et relié à celle-ci en partie haute et basse, et laissant apparaître le niveau liquide.
Si les connexions hautes et basses ne sont pas obstruées, les niveaux dans le tube et dans la capacité connectée sont à la même hauteur.
Pour des liquides transparents l’interface peut être difficile à repérer, tandis que les liquides colorés peuvent obscurcir le verre lui-même.
Une version moderne de ce système est constituée d’un élément magnétique flottant à la surface du liquide à l’intérieur d’un tube opaque interagissant avec de petits mobiles colorés disposés le long du tube à l’extérieur, dont l’orientation indique la position de l’interface.




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