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7/26/2019 Chapitre IV_Mesure des niveaux.pdf

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Mesure de P, Q, L et T Chapitre IV : Mesure des niveaux

Réalisé par : MSc. F.Tachi SONATRACH/IAP-CU64

Chapitre IV: Mesure des niveaux

IV.1. Définitions :

Par définition, le niveau est la hauteur entre la surface libre du liquide contenu dans une capacité,

et un point pris comme référence (niveau à simple liquide).

Aussi, le niveau peut être défini comme la hauteur entre la surface de séparation de deux liquides

(non miscibles et de densités différentes) et un point pris comme référence (niveau à interface).

Dans tous les cas, le niveau est une quantité repérable. Il est exprimé par une hauteur, donc parune mesure de longueur.

IV.2. Unités de mesure :

Les unités de mesure des niveaux sont les unités de longueur.





IV. 3. Méthodes de mesure des niveaux :

Il existe plusieurs méthodes de mesure de niveau. Mais dans la pratique et à 90 %, les méthodes

suivantes sont utilisées:

- Méthode basée sur la détection de la surface libre ou de séparation elle-même

-

Mesure de la pression de la pression au sein d’un liquide-

Utilisation des ultrasons

- Application du principe du radar

IV.4. Mesure du niveau par détection de la surface libre ou de séparation :

On peut utiliser des :

- Appareils optiques

-

Appareils appliquant le principe d’Archimède

Corps flottant (niveau à flotteur)

Corps immergé (niveau à plongeur)

IV.4.1. Appareils optiques :

a. Niveau à vue:

Son schéma de principe est donné par la figure ci-dessous.

Cet appareil est basé sur le principe des vases communicants. Le niveau dans le tube de verre

sera le même que dans la capacité. Une réglette graduée, dont le zéro sera positionné au point deréférence, peut placée en regard du tube de verre. Celle-ci permettra d’évaluer le niveau par

simple lecture.

b. Niveau a glaces à transparence :

La figure ci-dessous donne la constitution de cet appareil.





Un corps en acier moulé portant deux prises « p » sur lequel on a pratiqué des fenêtres où

viennent se placer des glaces.

Entre la glace « G » et le corps « C » on intercale un joint « J » assurant l’étanchéité.

Un flasque « F » maintient la glace sur le corps ; le serrage est assuré par des tiges filetées et desécrous « B ». Pour éviter d’ébrécher la glace, on intercale entre le flasque et la glace un joint de

portée « J1 ».

Sur la figure ci-dessus on voit qu’il y a une glace sur deux faces symétriques du corps ; le rayon

lumineux (sens des flèches), qui permet de voir le niveau, passe à travers le corps de l’appareil

d’où le nom de « niveaux à transparence » donné à ces appareils.

La figure ci-après montre comment le niveau à glaces doit être monté.





L’épaisseur du corps du niveau ainsi que celles des glaces dépend de la pression et de latempérature de travail.

IV.4.2. Application du principe d’Archimède :

a. Niveau à flotteur à câble et contrepoids pour capacité à l’atmosphère:

La figure ci-dessous illustre la constitution de cet appareil.

Le plus souvent le flotteur a une forme sphérique.

Le flotteur suit le déplacement du liquide en se déplaçant verticalement le long de deux câbles

tendus et servant de guides « g ». Ces câbles évitent la dérive du flotteur.





Le contrepoids maintient le câble tendu, et indique par son index sur la règle la hauteur du

niveau.

La règle est graduée : maximum en bas, minimum en haut.

Dans la pratique on s’arrange pour que le flotteur soit à moitié immergé.

A l’équilibre on peut écrire :

ps C PPV

−=.2

Où:

V: volume du flotteur

PS: poids volumique du liquide

C p : valeur des contrepoids

Remarque :

Le flotteur se maintient à la surface du liquide. II peut être solidaire d'un capteur de

position qui délivre un signal électrique correspondant au niveau. Sa position est peu

dépendante de la masse volumique de liquide.

b. Niveau à flotteur et contrepoids pour capacité sous pression :

La constitution de cet appareil est donnée par la figure ci-dessous.





A l’équilibre :

R

r C PP

V p

s2

..

2−=

P : poids du flotteur

V/2 : volume immergéPs : poids volumique du liquide

c. Niveau à flotteur et levier :

La constitution de cet appareil est donnée par la figure ci-dessous. Il représente le type interne.

Le flotteur est porté par une tige rigide. Le déplacement est transmis à l’extérieur par un axe

étanche.

Une grande partie des ennuis proviennent des fuites sur l’axe étanche. On ne peut pas intervenir

en marche.

La figure ci-dessous donne la constitution d’un appareil à flotteur type externe. Dans ce modèle

on place le flotteur dans une chambre que l’on peut isoler de la capacité pour intervenir enmarche.

Inconvénients : poids très important de la chambre pour les pressions élevées.





d. Niveau à plongeur :

Dans cet appareil on utilise le principe d’Archimède, mais ici le corps n’est pas un flotteur car la

poussée est plus faible que son poids, si on l’abandonne à lui-même il s’immerge complètement.

Le plongeur est un cylindre immergé dont la hauteur est au moins égale à la hauteur maximale du

liquide dans le réservoir. Il est suspendu à un capteur dynamométrique qui se trouve soumis à

une force F (le poids apparent), fonction de la hauteur L du liquide :

LsgPF ... ρ −=

Où P est le poids du plongeur,

s est l'aire de sa section, et

g.s.L est la poussée d'Archimède s'exerçant sur le volume immergé du plongeur ( :

masse volumique du liquide, g : accélération de la pesanteur).





Le système dynamométrique peut être par exemple un tube de torsion (voir figure ci-dessous).

Dans ce cas le tube de torsion doit être monté comme le montre la figure ci-dessous.

Nature des plongeurs :

Il existe plusieurs types de tubes de torsion ayant des couples de rappels différentes. Les

tubes sont dits quelquefois :

Légers

Standards

Lourds

Extra lourds





IV.5. Mesure du niveau par la pression due à la hauteur de liquide :

Le capteur de pression (manomètre) mesure la pression relative au fond du réservoir (cas d’une

capacité à l’atmosphère). La figure suivante illustre cet appareil.

La pression mesurée est l'image du niveau L du liquide :

g

P L

. ρ =

Où ρ est la masse volumique du liquide et g accélération de la pesanteur.

Dans la pratique, le cadran du manomètre (un tube de Bourdon par exemple) est gradué

directement en valeur du niveau.

Le schéma de montage est donné par les figures ci-dessous.





Dans le cas d’une capacité sous pression, le montage de la figure ci-dessous est effectué.

L’appareil utilisé est un manomètre différentiel tel que ceux vus dans le chapitre pression

(manomètre différentiel à membrane par exemple).

On raccorde la HP au point de référence, la prise BP dans la phase gazeuse de la capacité.

H gPPP B A .. ρ =−=Δ

Si le gaz contenu dans la phase gazeuse de la capacité est facilement condensable, on effectuera

plutôt le montage suivant :

Le manomètre est gradué en sens inverse d’un cadran normal.





IV.6. Niveau bulle à bulle :

Pour mesurer la pression, on peut utiliser un système à bulle (voir figure ci-dessous).

Le système comporte :

Une canne d'injection ;

Un manomètre mesurant la pression d'air de bullage ;

Un contrôleur de débit visuel (dit bulleur) ;

Un régulateur de débit ;

Le principe consiste à insuffler un débit d’air constant dans un petit tuyau débouchant sous la

surface de l’eau, la pression de l’air est équilibrée par la colonne d’eau. La pression de l’air qu’il

faut appliquer pour produire des bulles est égale à la pression du fluide en bout de canne. La

mesure de la hauteur d’eau est égale à la pression d’air fournie.

Dans le cas d’une capacité à l’atmosphère, la prise HP est branchée au tube plongeur alors que la

BP à l’atmosphère.





Dans le cas d’une capacité sous pression on relie la prise BP à la phase gazeuse.

Cet appareil est utilisé dans le cas de fosses enterrées, puits, sur fluide liquide très chaud,

corrosifs, visqueux, etc…

IV.7. Méthodes électriques :

Ce sont des méthodes employant des capteurs spécifiques, c'est à dire traduisant directement le

niveau en signal électrique. Leur intérêt réside dans la simplicité des dispositifs et la facilité de

leur mise en œuvre.

a. Capteurs conductimètriques :

Présentation :

La sonde est formée de deux électrodes cylindriques, le rôle de l'une d'elles pouvant être assuré

par le réservoir lorsqu'il est métallique. La sonde est alimentée par une faible tension (10 V)alternative afin d'éviter la polarisation des électrodes.

En mesure continue, la sonde est placée verticalement et sa longueur s'étend sur toute la plage de

variation de niveau. Le courant électrique qui circule est d'amplitude proportionnelle à la

longueur d'électrode immergée, mais sa valeur dépend de la conductivité du liquide.

Détection :

En détection, on peut, par exemple, placer une sonde courte horizontalement au niveau seuil. Un

courant électrique d'amplitude constante apparaît dès que le liquide atteint la sonde.





Domaine d'utilisation :

Il est utilisable uniquement avec des liquides conducteurs (conductance minimale de l'ordre de 50

S), non corrosifs et n'ayant pas en suspension une phase isolante (huile par exemple). La pression

est comprise entre le vide et 160 bar et une température comprise entre -200 °C et +250 °C.

b. Capteurs capacitifs.

Lorsque le liquide est isolant, un condensateur est réalisé soit par deux électrodes cylindriques,

soit par une électrode et la paroi du réservoir si celui-ci est métallique. Le diélectrique est le

liquide dans la partie immergée, l'air en dehors. L'implantation des électrodes pour mesure en

continu ou en détection s'effectue comme pour le capteur conductimétrique.

La mesure ou la détection de niveau se ramène à la mise en variation de capacité qui est d'autant

plus importante que la constante diélectrique r du liquide est supérieure à celle de l'air ; on

prend généralement comme condition d'emploi de la méthode r > 2. Dans le cas d'un liquide

conducteur, on utilise une seule électrode recouverte d'un isolant qui constitue le diélectrique du

condensateur dont l'autre est formée par le contact du liquide conducteur.

IV.8. Méthodes fondées sur l’utilisation d’ondes acoustiques :

Elles permettent notamment des mesures sans contact avec le produit ce qui constitue un grandavantage.

a. Capteurs à ultrasons :

Principe :

En mesure continue, on utilise un transducteur fonctionnant successivement en émetteur et en

récepteur. Ce transducteur placé au sommet du réservoir émet, dans un cône de faible ouverture,





des trains d'onde acoustiques qui après réflexion sur la surface du liquide retournent vers le

transducteur qui les convertit en signal électrique.

L'intervalle de temps t séparant l'émission de la réception du train d'ondes réfléchi est

proportionnel à la distance du transducteur à la surface du liquide : il est donc fonction du niveau

; t est inversement proportionnel à la célérité du son qui dépend de la température : celle-ci doit

donc être mesurée afin que puisse être effectuée la correction nécessaire. Le transducteur est une

céramique piézo-électrique pour les ondes ultrasonores (40 kHz par exemple), il est de typeélectrodynamique pour les infrasonores (10 kHz par exemple). Les ondes sonores qui sont moins

atténuées par la propagation trouvent application pour la mesure de distances importantes (de 10

à 30 m) alors que les ondes ultrasonores procurent aux distances plus courtes une meilleure

précision.

L’amplitude de l’écho peut être sensiblement plus faible (rapport de 10) dans le cas d’un liquide

dont la surface est agitée.

• domaine d’utilisation : Ils conviennent pratiquement pour tous les produits alimentaires

ou chimiques, fluides liquides ou pâteux de toute température (-190 à 250°C) et pour des

pressions jusqu’à 40 bars

•

gamme de mesure : jusqu’à 50 m

• précision : dépend de la température (normalement correctement compensée), des

turbulence de l’air, du taux d’humidité et des corps flottants et vaguelettes. De 1 à 9 mm

selon les fournisseurs soit de l’ordre de 1%.





Avantages de la technique de mesure de niveau par ultrasons :

• Pas de contact, donc pas d’usure ni de dégât

• Pas de pièces mobiles

• Pas d’influence de la densité, de la conductivité, du pH, de la constante diélectrique du

liquide

•

Calibration aisée• Convient pour produits agressifs

• Précis et fiable

• Pas de maintenance

• Fourni en exécution intrinsèque (ATEX)

Désavantages de la technique de mesure de niveau par ultrasons :

• Influencé par des poudres, des vapeurs importantes, la turbulence en surface et la mousse

• Ne peut opérer sous vide ou sous haute pression

• Nécessite une bonne réflexion en surface

• Plus sensible au positionnement que d’autres technologies

•

Etendues de température et de pression limitées

b. Radar.

Le principe est similaire à celui des ondes à ultrasons,, celle-ci sont alors remplacée par des

ondes électromagnétiques.

La vitesse des ondes électromagnétique est indépendante de :

• La composition du gaz

•

La température• La pression

• Densité

• Taux d’humidité et de poussière

Avantages de la technique de mesure de niveau par radar :

- Pas de contact, donc pas d’usure ni de dégât

- Pas de pièces mobile





-

Pas d’influence de la densité, de la conductivité, du pH, de la constante diélectrique

du liquide

- Calibration aisée

-

Convient pour produits agressifs

-

Précis et fiable

- Pas de maintenance

-

Fourni en exécution intrinsèque (ATEX)-

Pas d’influence de vapeurs

- Pas d’influence de la température de l’air, et de changement de l’humidité et de la

pression atmosphérique

Désavantages de la technique de mesure de niveau par radar :

-

assez coûteux

-

nécessite une surface réflective avec une constante diélectrique appropriée

-

sensible au positionnement

IV.9. Méthode basée sur l’absorption de rayonnement gamma :

Principe :

La source et le détecteur sont placés à l'extérieur, de part et d'autre du réservoir ; cette disposition

est particulièrement adaptée au cas de liquides très corrosifs ou sous haute pression ou à haute

température. La source est un émetteur gamma. Le détecteur est soit une chambre d'ionisation

soit un ou plusieurs tubes Geiger-Muller. La Mesure est fiable et sans contact, indépendante des

conditions de process variables comme la pression, la température, la viscosité, la corrosivité, ou

des éléments internes (par exemple pales d’agitateur).

Source Récepteur

Le blindage de la source est réalisé de façon qu'il y ait émission d'un faisceau avec un angle

d'ouverture qui balaie la hauteur totale du réservoir d'une part et du détecteur d'autre part (voir

figure ci-dessous). La montée du liquide dans le réservoir réduit progressivement l'intensité de




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dose reçue par le détecteur dont le courant de sortie décroît donc de façon continue, à mesure

qu'augmente le niveau.

Pour les grands réservoirs ou relativement étroits, la source d'émission peut être monté à une plus

grande distance du réservoir. Dans ce cas, des mesures de sécurité supplémentaire sontnécessaires.

Pour des étendues de mesure importante (voir figure ci-dessous), plusieurs récepteurs peuvent

être utilisés. L'emploi de deux sources peut être dicté non seulement pour des grandes étendues

de mesure, mais encore par l'exactitude de la mesure.

Détection :

Selon que le niveau du liquide est supérieur ou inférieur au seuil, le faisceau est ou non atténué

par le liquide, ce qui se traduit en un signal électrique binaire par le détecteur.

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