1. Méthodes hydrostatiques
1.1 Rappel de physique
1.2 Flotteur
1.3 Plongeur
1.4 Mesure de pression
1.4.1 Principe de fonctionnement
1.4.2 Mesure de niveau à bulles
1.4.3 Mesure en réservoir fermée
1.5 Mesure de masse volumique
2. Méthodes électriques
2.1 Capteurs conductimètriques
2.1.1 Présentation
2.1.2 Détection
2.2 Capteurs capacitifs
3. Ondes acoustiques
3.1 Principe
3.2 Radar
4. Absorption de rayonnement gamma
4.1 Principe
4.2 Détection
4.3 Mesure de densité
5. Comparaison des différentes méthodes
Pour un liquide homogène donné, la pression relative en fond de réservoir est proportionnelle au niveau de celui-ci. La mesure de cette pression nous informe directement sur le niveau de liquide, mais dépend de la masse volumique du liquide.
Dans la figure niveau on a la relation suivante :
 |
(1) |
Mesure de niveau[niveau]
LeÊflotteur se maintient à la surface du liquide. II est 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.
Principe mesure de niveau par flotteur[flotteur]
Flotteur
LeÊplongeur est un cylindre immergé (fig. plongeur) 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 :
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(2) |
Avec P le poids du plongeur, s sa section et &rho * g * s * L la poussée d'Archimède s'exerçant sur le volume immergé du plongeur (&rho : masse volumique du liquide, g : accélération de la pesanteur).
Principe mesure de niveau par plongeur[plongeur]
Plongeur
UnÊcapteur de pression mesure la pression relative au fond du réservoir. Cette pression est l'image du niveau L du liquide (fig.pression).
 |
(3) |
Principe mesure de niveau par capteur de pression[pression]
Capteur de pression
Pour mesurer la pression, on peut utiliser un système à bulle (fig.bulle).
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 régulateur agit de manière à avoir un débit très faible. Ainsi, en négligeant les pertes de charges, la pression mesurée est la pression en bout de canne. P fournie donc une mesure du niveau L.
Mesure de niveau par bullage[bulle]
Si le réservoir est fermé, on utilise un capteur de pression différentielle. Il existe alors deux montages différents. Si l'atmosphère est sans condensation, on utilisera un montage avec une canalisation sèche. Si l'atmosphère est avec condensation, le montage utilisera une canalisation humide.
Mesure de niveau dans un réservoir[reservoir]
 Atmosphère avec condensation - &Delta P<0 |
 Atmosphère sans condensation - &Delta P>0 |
La mesure de la différence de pression (P1 - P2) permet de connaître la masse volumique du liquide à l'intérieur du réservoir (fig. massev).
Mesure de masse volumique[massev]
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 Ïuvre.
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 (fig.cond). 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.
Principe mesure de niveau par capteur de pression[cond]
Capteur de niveau électrique[cond2]
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 (fig. elecdetecte).
Détection de niveau électrique[elecdetecte]
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.
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 epsilon r du liquide est supérieure à celle de l'air ; on prend généralement comme condition d'emploi de la méthode epsilon 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.
En mesure continue, on utilise un transducteur fonctionnant successivement en émetteur et en récepteur. Ce transducteur (fig.onde) 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 &Delta 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. &Delta t est inversement proportionnel à la célérité du son qui dépend de la températureÊ: 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 type électrodynamique 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.
Principe de mesure par ondes[onde]
Capteur de niveau acoustique
Le principe de fonctionnement est le même que celui des ondes acoustiques, celle-ci sont remplacée par des ondes électromagnétiques.
La vitesse des ondes électromagnétique est indépendante de :
- La composition du gaz ;
- La température ;
- La pression ;
- Densité;
- Les turbulations.
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 ex. pales dÕagitateur).
Source[source]
Recepteur[recepteur]
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 (fig. gamma). La montée du liquide dans le réservoir réduit progressivement l'intensité de 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 sont nécessaires.
Pour des étendue de mesure importante (fig. deux), plusieurs récepteurs peuvent être utilisés. L'emploi de deux sources peut être dicté non seulement pour des grande étendue de mesure, mais encore par l'exactitude de la mesure.
Principe de mesure par rayon gamma[gamma]
Principe de montage pour une mesure avec deux récepteurs[deux]
En détection de niveau, la source et le détecteur sont placés en regard, au niveau du seuil à signaler. La source convenablement colmatée émet vers le détecteur un faisceau étroit et de faible divergence, le détecteur est monté horizontalement.
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.
Monatage de detection de niveau[detectgamma]
On pourra utilisé cette technique pour mesurer la densité du fluide. Le récepteur sera monté en parallèle avec la canalisation transportant le fluide (fig. densite).
Mesure de densité[densite]
| |
Flotteur |
Plongeur |
Mesure de pression |
Capteurs conductimètriques |
Capteurs capacitifs |
Ondes acoustiques |
Radar |
Absorption de rayonnement gamma |
| Standard très bien connu |
++ |
++ |
++ |
++ |
++ |
- |
- |
- |
| Utilisable sur cuve synthétique |
++ |
++ |
++ |
- |
+ |
+ |
- |
+ |
| Insensible à la mousse |
+ |
+ |
++ |
- |
- |
- |
- |
- |
| Indépendant du diélectrique |
++ |
++ |
++ |
+ |
-- |
+ |
+ |
+ |
| Indépendant de la densité |
- |
-- |
- |
+ |
+ |
+ |
+ |
-- |
| Économique |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
- |
- |
- |
| Facilité d'étalonnage |
+ |
+ |
+ |
- |
- |
+ |
+ |
- |
| Pas de risque de bouchage ou d'encrassement |
- |
- |
- |
- |
- |
+ |
+ |
+ |
| Sans maintenance |
- |
- |
- |
- |
- |
+ |
+ |
+ |
| Montage économique |
- |
+ |
- |
+ |
+ |
++ |
++ |
++ |
| Pression maxi (bar) |
4 |
4 |
350 |
50 |
50 |
3 |
64 |
1000 |
| Température maxi (°C) |
100 |
100 |
250 |
500 |
500 |
95 |
250 |
600 |
