Niveau x

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C I R A - 1 l e s n i v e a u x - 1 - P a s c a l B I G O T

INSTRUMENTATION III :

MESURE DU NIVEAU

Pour assurer le bon droulement dun procd, il faut bien souvent stocker des produits

intervenant dans ce procd.

Par ailleurs, le stockage dans les rservoirs (ou capacits, mais ce nom peut avoir un autre

sens, cest pourquoi nous parlerons de rservoirs) doit tre fait sous haute surveillance parce

quune mauvaise estimation des niveaux des rservoirs peut entraner un surcot de la

production, et des risques de rupture des rservoirs ou des canalisations (donc, un rel danger

pour les personnes autour de linstallation).

Cest donc une mesure trs importante dans la rgulation.

Rappelons que les quatre grandes catgories de mesure sont :

la pression (Pressure) le niveau (Level) le dbit (Flow) la temprature (Temperature)I DEFINITIONS

On appelle NIVEAU un instrument permettant la mesure dune hauteur1

h sparant dans

un rservoir, un plan de rfrence et un plan de sparation

- liquide-gaz(surface libre du liquide)- solide en poudre ou en granul( unPULVERULENT) gaz- deux liquides non miscibles et de densit diffrentesCe plan de sparation sappelle lINTERFACE

1

h : hauteur mesure ; h : hauteur mesurable ;2

h : hauteur calculable

Le rsultat de la mesure sexprime a priori en mtres, mais il est vident que cette unit de

mesure ne prsente aucun intrt pour le procd. Cest pourquoi, la hauteur mesure sera

donne en pourcentage : le plan de rfrence reprsente 0%de ltendue de mesure, tandis

que h reprsente 100%de cette mme tendue.

Il convient de distinguer :

la dtection de niveau : signale quune hauteur prdtermine est atteinte. Il sagit

dun rsultat en Tout Ou Rien ( T.O.R.). Cette hauteur prdtermine fixe la position du

capteur.

la dtection de niveau : mesure en continu le niveau au-dessus du plan de rfrence,

cest dire que le transmetteur envoie un signal proportionnel la hauteur mesure.

Rappelons la hirarchie des systmes de contrle dans une installation :

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NIVEAU 1 : systme de conduite.Il comprend essentiellement linstrumentation decontrle du processus : capteurs, rgulateurs, programmateurs, vannes rgulatrices.

NIVEAU 2 : systme de protection. Il comprend une instrumentation de compositionvoisine de celle du niveau 1 , mais totalement indpendante fonctionnellement de ce

niveau.

NIVEAU 3 : systme de scurit.Il constitue la protection ultime du processus. Il necontient pas dinstrumentation identique celle des niveaux 1 et 2, mais des dispositifs

fonctionnant sans nergie auxiliaire.

Ainsi, les dtecteursse retrouveront la plupart du temps dans le niveau 3 du procd, alors

que les appareils pour la mesureseront eux placs dans les niveaux 1 et 2.

Le tableau de la page suivante donne un catalogue ( NON EXAUSTIF ! ! ! ) de niveaux

couramment utiliss dans les procds.

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C

I

R

A

-

1

l

e

s

n

i

v

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x

-

3

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P

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V

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visuelle

glace

Force

flotteur

plo

ngeur

Pression

hydrostatique

p

p

+

directe

barbotage

Rsonance

Capaci

t

Conduction

admittance

lames

sonde

sonde

sonde

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sonde

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dtecteur

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II NIVEAUX OPTIQUESIl sagit des niveaux verre (ou Plexiglas). Leur rle est limit celui dindicateur

local. Ils peuvent tre consults tout moment par les agents intervenant sur linstallation, et

sont un des derniers remparts pour la scurit. Ils rentrent de plain-pied dans le niveau 3 du

procd.

On distingue : les niveaux verre tubulaire :classiques et trs courants mais limits dans leur domaine

demploi

les niveaux verre arm :conus pour rsister des tempratures et pressions leves,ils exploitent les proprits de rflexion et de transmission de la lumire selon les indices

des milieux ( lois de Descartes).

les niveaux verre bicolores :obligatoire sur les chaudires pour des raisons descurit : le voyant apparat vert au contact de leau liquide, et rouge au contact de la

vapeur deau.

rfexion (1 seul

verre arm avec

stries verticales

transparence

( 2 verres arms)

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Type niveau Application

rflexion Interface LIQUIDE-GAZ pour liquides clairs tels que :

- eau-

hydrocarbures lgers

transparence

Interface LIQUIDE-GAZ pour liquides sombres

Interface LIQUIDE-LIQUIDE

III NIVEAUX A FLOTTEURCe type de niveau exploite la pousse dArchimde dvelopp par le fluide sur un corps

nomm selon les cas FLOTTEUR, ou PLONGEUR.

1) Niveau flotteur fixe Le flotteur, en gnral une sphre creuse mtallique est soumis la pousse dArchimde

A

exerce par le liquide, laquelle se traduit par un FAIBLE DEPLACEMENTdu flotteur,dont lamplitude est limite mcaniquement. Ce dplacement est suffisant pour commander

un contact lectrique, par transmission magntique ( cf capteurs de dplacement).Ces niveaux sont exclusivement des dtecteursde niveaux.

2) Niveau flotteur mobile La pousse dArchimde est ici utilise pour maintenir le flotteur

la surface du liquide.

INDICATEUR LOCAL :entirement mtallique, avectransmission magntique permettant de reprer la position duflotteur lint rieur du tube de mesure, soit par un index se

dplaant dans un tube en verre, soit par un basculement de

volets ou de billes magntiques.

Cet instrument remplace avantageusement les niveaux glace dans

des applications difficiles : corrosion, hautes pressions et/ou hautes

tempratures.

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JAUGES DE RESERVOIR: soit flotteur, soit palpeur.

3) Niveau plongeurCes instruments sont aussi appels niveaux dplacement car leur principe repose sur la

mesure de la pousse dArchimde due au volume dplac par limmersion dun plongeur

cylindrique.

La pousse est donc proportionnelle la hauteur immerge, donc, on peut exploiter cette force

pour mesurer un niveau TRANSMETTEUR DE NIVEAU.

La pousse peut tre dtecte par un tube de torsion, ou par la membrane antagoniste (cest

dire oppose) dun transmetteur de pression diffrentielle modifi pour cette application.

Typiquement, le dplacement du plongeur reste faible devant sa taille (de lordre de quelquescentimtres.).

Le flotteur porte un aimant, et le

niveau est constitu de billes ou petits

volets aimants. Au passage du

flotteur les billes (ou volets) mobiles

se retournent et prsentent soit leurpartie rouge (niveau liquide) soit leur

partie blanche (niveau gaz).

Le flotteur est maintenu par deux fils

guides sur toute la hauteur du rservoir.

Le flotteur ou le palpeur se dplace

gnralement lintrieur dune

protection tubulaire quon nomme

puits tranquiliseur .

La pousse dArchimde vaut, en

norme :

ghS A

... = avec

g = 9,81 m/s ; h : hauteur immerge

S : section du plongeur

: masse volumique du liquide

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Dans le cas du tube de torsion, le dplacement du plongeur est converti en rotation de ce

tube (typiquement de lordre de quelques degrs ). Cette rotation est alors exploite par un

capteur de dplacement (effet Hall, effet inductif..).

RAPPEL : le moment de la pousse dArchimde applique au tube de torsion scrit :Moment = (bras de levier) x (norme de la force) ce qui donne ici :

dghSM A

....)( =et le tube de torsion soppose ce moment par un couple de torsion

.CMT O R S I O N

=

o C est la constante de torsiondu tube (dpend de son diamtre, de sa matire

notamment).

Ces transmetteurs de niveaux plongeur sont disponibles :

- en montage interne- en montage externe, dans une chambre de mesure

IV NIVEAUX HYDROSTATIQUES1)PrincipeLa diffrence de pression p en 2 points dun liquide en quilibre se mesure par le poids

dune colonne de liquide de section unit, de hauteur gale la diffrence de niveau1

h entre

les 2 points considrs.

Bref, cest notre relation dhydrostatique vue en cours de physique ( )(ABBA

zzgpp = ).

Les instruments de niveau hydrostatique sont bass sur :- la mesure de la pression hydrostatique au-dessus du plan de rfrence dans le cas dune

interface LIQUIDE-GAZ

- la mesure de la diffrence de pression entre un point du plan de rfrence et un pointdaltitude suprieure dans le cas dune interface LIQUIDE-LIQUIDE

Il en rsulte que pour un rservoirOUVERT, la mesure de niveau pour une interface

LIQUIDE-GAZ peut seffectuer avec un capteur de pression statique, alors que la mesure de

niveau dune interface LIQUIDE-LIQUIDE ncessite un capteur de pression diffrentielle.

Pour un rservoir FERME(cest dire sous pression !) lutilisation dun capteur de pression

diffrentielle est ncessaire que linterface soit LIQUIDE-GAZ ou LIQUIDE-LIQUIDE.

Ils peuvent aussi tre utiliss dans le cas dune interface

LIQUIDE-LIQUIDE.Mais cette utilisation nest possible que si le plongeur est

immerg en permanence dans les liquides lorigine de cette

interface.

Ces niveaux dplacement peuvent encore tre utiliss

commeDENSIMETRES.

Cette utilisation nest possible quavec les 2 conditions

suivantes :

- liquide unique (ou mlange homogne)- plongeur immerg en permanence

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Les transmetteurs de pression se prsentent sous deux formes :

les transmetteurs de pression pour tous usages (pression, dbit, niveau) ncessitantdes conduites de raccordement (conduites pouce)

les transmetteurs de niveau brides (en anglais flange ) conus spcialement pour lamesure de niveau. Ceux-ci possdent soit une membrane sensible affleurante la bride,

soit une membrane installe lextrmit dune extension (vite le dpt dans la partieraccordement).

DECALAGE DU ZERO :Dans la spcification dun niveau hydrostatique, il convient de prendre en compte la

pression hydrostatique X exerce par le fluide de remplissage des conduites de

raccordement ct Basse Pression (BP) et/ou ct Haute Pression (HP), qui sajoute ou se

retranche de la pression hydrostatique p mesure.

Nous le verrons sur les diffrents cas tudis par la suite.

2)Interface LIQUIDE-GAZ pour rservoir ouvert

Le montage ci-dessus est celui ralis pour une interface LIQUIDE-GAZ, pour un rservoir

OUVERT, avec un transmetteur de pression diffrentielle tous usage.

Lemploi dun transmetteur bride donne le montage ci-dessous :

DECALAGE :

X =

ETENDUE DE MESURE :

p =

DECALAGE :

X =

ETENDUE DE MESURE :

p =

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REMARQUE : LE SEPARATEUR A MEMBRANEUn sparateur membrane ( diaphragm seal en anglais) est un dispositif permettant

dviter la mise en contact direct du fluide du processus avec le capteur. Ce dispositif consiste

intercaler un liquide de remplissage entre le capteur et une membrane mise en contact avec

le fluide du processus, soit en MONTAGE RIGIDE pour mesure de niveau, soit par TUBES

CAPILLAIRES (souples) pour toutes les autres applications. La pression sexerant sur lamembrane du sparateur est transmise par le fluide de remplissage la membrane de

sparation du capteur, puis la membrane de mesure.

MONTAGE RIGIDE : TUBES CAPILLAIRES :

Le sparateur membrane influe sur la rponse du transmetteur de pression.

Cest pourquoi, bien souvent on a recours un POT DE CONDENSATION

3)Interface LIQUIDE-GAZ pour rservoir fermPour les deux montages ci-dessous :

- toujours prendre H > h (H ~ 1,2 . h environ) afin dviter le risque de plafonnement de lamesure au-dessous de la lecture 100% si la masse volumique

1

relle est plus faible que

celle utilise pour le calcul

- ne jamais utiliser de colonne sche ct BP, car risque de remplissage par condensation oudbordement (pot de condensation, sparateur membrane)

- prendre le mme liquide de remplissage ct BP et ct HP

DECALAGE :

X =

ETENDUE DE MESURE :

p =

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4)Interface LIQUIDE-LIQUIDE pour rservoir ouvert ou fermPour les deux montages ci-dessous :

-

toujours prendre H > h (H ~ 1,2 . h environ) afin dviter le risque de plafonnement de lamesure au-dessous de la lecture 100% si la masse volumique

1

relle est plus faible que

celle utilise pour le calcul

- mesure possible si H > H en permanence- prendre le mme liquide de remplissage ct BP et ct HP (sauf si transmetteur bride)

DECALAGE :

X =

ETENDUE DE MESURE :

p =

DECALAGE :

X =

ETENDUE DE MESURE :

p =

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5)Interface LIQUIDE-GAZ barbotage pour rservoir ouvertEn insufflant un gaz en un point du plan de rfrence de manire juste provoquer la

sortie dune petite bulle (bulle bulle) on peut remonter la hauteur. En effet, la bulle est en

quilibre finissant et est soumise aux forces de pression du liquide (proportionnelles h)

et aux forces pressantes de la canne de bullage. Autrement dit, la pression ncessaire la

formation de la bulle et son dpart de la canne de bullage est gale la pression rgnant au

niveau de la sortie de la canne, cest dire hg.. .

Cette mthode de mesure, utilisable uniquement sur des rservoirs ouverts, est intressante

employer dans les cas suivants :

- liquide corrosif (il ny a pas, avec cette mthode de contact entre le liquide, et letransmetteur)

- rservoir enterr ou puits de forageLinconvnient de cette mthode se situe sur la perte de charge. Le dbit inject doit tre

faible (bulle bulle, cest dire ~ 1 bulle par seconde) mais, alors les pertes de charge dans la

canne peuvent induire une erreur sur la pression mesure. Aussi prfre-t-on travailler dbit

constant (faible, mais constant). Ce dbit est choisi afin de pouvoir balayer toute la hauteur

mesurer. Lavantage dun dbit constant nest pas dliminer les pertes de charge (impossible)

mais de les rendre constantes sur ltendue de mesure. Ainsi, un dcalage du zro, par

talonnage rend possible une mesure prcise.

Le schma ci-dessous prsente une installation la base du rservoir :

DECALAGE :

X =

ETENDUE DE MESURE :

p =

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On peut aussi insuffler depuis la base du rservoir, mais avoir le dispositif au-dessus de lui :

Dans le cas dun rservoir dnus de piquage au niveau du plan de rfrence, ou enterr, ou

encore dun forage deau, on utilise le montage suivant :

V NIVEAUX BASES SUR DES GRANDEURS ELECTRIQUES1)Niveaux rsonance (lames vibrantes)Ce type de niveau est exclusivement pour la dtection.

La partie sensible de ce dtecteur est un rsonateur constitu de 2 ou 3 sondes en forme de

spatule associes un diaphragme mtallique. Cet ensemble est amen sa frquence de

rsonance par un oscillateur ( quartz par exemple)et cette frquence est mesure par un

frquencemtre. Lorsque le liquide (ou le pulvrulent) vient au contact des sondes (places

la hauteur dtecter) il en rsulte une diminution de la frquence de rsonance, qui est

mesure par le frquencemtre. Ce qui peut alors dclencher une action..

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2)Niveaux conduction

Ces remarques sont exactement celles faites en chimie lors des mesures de conductivit..Ds que le liquide conducteur dans le rservoir tablit une liaison conductrice entre sonde de

masse et sonde de dtection, le faible courant qui circule provoque une chute de tension

dcelable utilise pour commander un contact lectrique.

Lorsque le rservoir est mtallique, la masse de celui-ci peut remplacer llectrode de masse.

3)Niveaux capacitifsCe type de niveau permet une utilisation en dtecteur ou en transmetteur pour les liquides et

les pulvrulents.

RAPPEL :

de ltat physique de la substance, mais aussi, pour les champs variables, de la frquence du

champ lectrique.

Dans le cas dun condensateur plan (comme celui du schma) on montre que la capacit du

condensateur est donne par :

Il sagit encore dun dtecteur. Ce type de dtecteur

nest utilisable quavec des liquidesCONDUCTEURS de llectricit (conductivit > 5

1

.

cms ).

Une basse tension alternative est applique entre une

sonde de masse, et une sonde de dtection.

Lutilisation dun courant alternatif a pour but

dviter llectrolyse du liquide et la corrosion des

lectrodes (cest dire la raction, et la stagnation

dions autour des lectrodes)

Un condensateur est form de 2 armatures en regard lune

de lautre. On note S la surface des armatures enregard, et e la distance entre ces 2 armatures.

De plus, lespace entre ces armatures est occup par un

isolant lectrique caractris par sa permittivit relative

(ou constante dilectrique) noter

(celle du vide estnote quant elle

0

).

Cette constante dilectrique dpend de la composition et

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e

SC

r

.0

= et sexprime en farad (F)

Quelques valeurs de permittivits relatives :

air Vapeur

deau20C

Eau

20 C

Eau

100 C

essence fioul Huile

transformateur

Chlorure

daluminium

farine Pltre

1,0005 1,0080 80 48 2 2,2 2,2 7,0 3,0 2,5

interface LIQUIDE-LIQUIDE si leur permittivit respectives sont trs diffrenteseau-produit ptrolier par exemple).

On peut appliquer cette relation

la mesure dun niveau en

considrant la capacit dun

condensateur dont les armaturessont constitues par une

lectrode (sonde) et par la paroi

mtallique du rservoir.

Le condensateur form est alors

de type condensateur

cylindrique

Lorsque llectrode se touve entirement dansla phase gazeuse (

1

h = 0) la capacit ne

dpend que de la permittivit2

du gaz.

Quand le liquide, ou le pulvrulent monte dans

le rservoir, il immerge la sonde, et le

condensateur, form par la sonde, la paroi du

rservoir, et le liquide (ou le pulvrulent) voit

sa capacit modifie en fonction de la hauteur

1

h . Ce principe peut tre utilis pour une

Les mthodes utilises pour mesurer les

variations de capacits diffrent selon les

constructeurs. Dans tous les cas, la tension

applique entre lectrode et paroi est une

tension sinusodale haute frquence radio

comprise entre 20 kHz et 2 MHz. On mesure

soit la capacitance, soit ladmittance du circuit

sonde + paroi.

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Un moyen de mesure de la capacit repose sur la mesure du temps de dcharge de la capacit

sonde + paroi dans une rsistance connue R :

CR.=

4)Niveaux admittanceLadmittance est linverse de limpdance.

On ralise un circuit sonde + paroi, comme ci-dessus et on mesure donc son admittance.

Celle-ci voluera en fonction de la hauteur dimmersion de la sonde dans le rservoir.

Toutes les mthodes de pont vues dans le cours dlectricit peuvent tre exploitable, la

mthode sera choisie en fonction des proprits lectriques du liquide, ou pulvrulent stock

dans le rservoir.

Lavantage de cette mthode sur celle vue juste au-dessus est quelle peut donner de bons

rsultats pour des substances conductrices ou non.

VI NIVEAUX UTILISANT LES ONDESCes niveaux sappuient sur la proprit des ondes pouvoir tre rflchies partiellement (ouencore, pour le 3- tre partiellement absorbes) par un obstacle. Ce sont les mmes

techniques qui sont utiliss dans le sonar (US) et le radar (EM).

1)Niveau ultrasons

occasionner des erreurs importantes sur la mesure. La temprature et la masse volumique

doivent notamment tre uniforme sur le trajet des ondes US. On peut alors envisager une

correction sur le transmetteur. Sinon, ce type de niveau ne peut tre employ..

Rappel :Une onde dans un milieu uniforme, se propage avec une vitesse constante, qui est nomme

clrit de l'onde et note c .

Dans notre schma, londe mise depuis la sonde (au sommet du rservoir) fonctionnant enEMETTEUR, met un temps

2

.hct A L L E R

=

Et, son arrive sur linterface, elle est rflchie, et repart en sens inverse vers la sonde

qui a bascul en RECEPTEUR. Le temps du retour est le mme que celui de laller (mme

milieu !) :2

.hctt A L L E R R E T O U R

==

la sonde a mesur le temps total mis par londe pour la dure dun aller-retour, il est alors

facile, un calculateur den dduire1

h partir des caractristiques du rservoir :

c

th

c

thh

A L L E RT O T A L

==.2

1

La frquence ultrasonique est de lordre de quelques

dizaines de kHz, et la clrit de londe est de lordre

de 340 m/s.

Linstallation doit prendre en compte les prcautions

ncessaires pour viter les chos parasites sur les

obstacles autres que la surface libre du liquide (pales

dun mlangeur, paroi du rservoir, canalisation dedversement).

De plus, si la masse gazeuse du gaz nest pas

constante, la clrit nest as uniforme, ce ui eut

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2)Niveaux radar

possible.

Par contre, lavantage, ici, est linsensibilit aux masses volumiques variables, et aux moussesjusqu 100 mm dpaisseur.

3)Niveau absorption gamma

Le dtecteur compte les coups reus (cest dire les particules). Ce nombre variera

fortement lorsque le liquide ou le pulvrulent se sera interpos entre la source et le dtecteur.

Il est IMPORTANT de ne jamais perdre de vue que la source met dans toutes les directions,

mme en dehors du champ du dtecteur, mme si on ne voit rien . NE JAMAIS

NEGLIGER LES RADIO-PROTECTIONS.

PAGE SUIVANTE, QUELQUES SYMBOLES DES DETECTEURS PASSES EN

REVUE.

radar : Radio Detection and Ranging

La frquence radar (ondes EM) est de lordre

du GHz, et la clrit de ce type donde est

celle de la vitesse de la lumire : 300 000km/s

Le principe de la mesure est le mme que

celui expos ci-dessus.

Les prcautions sont identiques aussi celles

cites prcdemment. Par ailleurs, il faut

choisir une antenne prsentant un angle le

plus troit possible, ce qui est ralis avec

une dimension de la sonde la plus grande

ossible, et une fr uence la lus leve

Dans ce domaine, on peut envisager des dtecteurs et

aussi des transmetteurs de niveau.

Le principe est bas sur labsorption lectromagntique

dun rayonnement radioactif : le rayonnement .

Ce type de rayons peut traverser des parois en acier

paisses, ce qui permet dinstaller le dispositif de

mesure (source et dtecteur) lextrieur du rservoir.

1 : source radioactive (cobalt 605,2 ans-

ou csium 13730 ans-)

2 : dtecteur (Geiger-Mller) ponctuel ou linaire

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