retour en début de paragraphe 
|
retour en début de paragraphe |
retour au début
|
retour à la page d'accueil
|
Le mot niveau a de nombreuses significations.
En ce qui concerne les mesures physiques, il s'agit de la distance H entre la surface libre du liquide contenu dans un réservoir et le fond de ce réservoir.
Plus généralement, cette définition peut s'étendre à tout appareil de production pouvant contenir un liquide ou un produit en poudre (on dit qu'il est pulvérulent) tel que le ciment par exemple ou granuleux (ex: grains de blé dans un silo).
Le réservoir peut être ouvert à l'atmosphère (on dit "à ciel ouvert") comme sur le schéma ci-dessus. Il peut être aussi fermé , c'est à dire avec une phase gazeuse (gaz ou vapeur du liquide) exerçant une pression au dessus du liquide comme sur le schéma ci-dessous.
Le niveau peut aussi parfois être un niveau de séparation entre deux liquides non miscibles (par exemple, l'eau et l'huile) contenus dans un même réservoir ouvert ou fermé. Ce niveau est appelé niveau interface. C'est le niveau H du schéma ci-dessous.
|
|
|
|
1.2. Pourquoi mesurer un niveau ? (exemples)
Voici quelques exemples courants montrant l'intérêt de cette mesure.
pour déterminer une quantité de liquide consommée ou produite. Cela nécessite de bien connaître la géométrie du réservoir.
Volume écoulé: V en m3.
V = S.(H1 - H2)
H1 et H2 sont les deux niveaux (en m) mesurés aux deux temps successifs t1 et t2 .
Le réservoir a une géométrie simple et parfaitement connue: cylindrique, d'axe vertical, de section S (en m2) constante.
Remarque: deux pesées successives du réservoir permettent aussi de déterminer la masse de liquide écoulée ou produite (en kg ou en tonnes). Ainsi, en pesant un camion citerne à son entrée et à sa sortie d'une usine, on peut facturer le produit apporté ou emporté.
|
|
- le niveau d'eau (H) dans un ballon de chaudière ne doit jamais être trop bas, sinon risque de surchauffe de la vapeur d'eau produite donc d'éclatement du ballon. Il ne doit pas non plus être trop haut, sinon l'eau liquide risque d'aller dans le circuit de vapeur. La régulation automatique du niveau H maintient en permanence celui-ci dans des limites acceptables.
- Réservoir de stockage de liquide: il faut que H < H maxi afin d'empêcher tout débordement.
- Cuve mélangeuse: le niveau H doit toujours être suffisant pour que les pales de l'agitateur soient immergées. Il doit aussi être inférieur à la hauteur de la cuve pour éviter tout débordement.
pour automatiser le remplissage ou la vidange d'un réservoir
Dans l'exemple ci-dessous, la régulation du niveau H maintient celui-ci constant afin d'évacuer en permanence ce qui arrive dans le réservoir. Ce dernier étant fermé sous pression, une évacuation par trop plein n'est pas possible. Le niveau est mesuré par le capteur LT qui transmet son signal de mesure M au régulateur LIC. Le régulateur envoie son signal de commande YR sur la vanne pour agir sur le débit de vidange du réservoir afin de maintenir le niveau H constant.
|
|
|
|
1.3. Comment mesurer un niveau ? (réflexion sur les méthodes)
Un niveau est une hauteur de liquide mesurée par rapport au fond du réservoir, soit H. La mesure du niveau est donc une mesure de longueur. Mais assez souvent on s'intéresse d'avantage aux variations de cette hauteur H, que nous noterons DH, plutôt qu'à la hauteur H proprement dite. Il s'agit donc d'une mesure de déplacement.
Il peut être plus facile de mesurer la "hauteur de creux" Hc plutôt que la "hauteur de plein" H. On déduit alors H de la hauteur Hc à condition de connaître la hauteur du réservoir Hr. Donc H = Hr - Hc.
Quelques dispositifs simples permettent de mesurer directement le niveau ou ses variations en donnant une indication locale le plus souvent. Ils effectuent une mesure directe de hauteur ou de déplacement. L'exemple classique de ce type de mesure est l'indicateur de niveau visuel dont le schéma de principe est donné ci-dessous.
D'après le principe des vases communicants, le niveau du liquide dans le tube transparent de droite (en verre ou plastique) est le même que celui du liquide dans le réservoir. On lit donc ce niveau sur la règle graduée le long du tube transparent. Deux robinets d'isolement et un robinet de purge en point bas permettent d'effectuer une intervention sur cet appareil.
Autres exemples de mesure directe du niveau:
- La mesure de niveau manuelle par pige. C'est une tige qu'on plonge depuis le haut du réservoir dans le liquide. L'exemple courant est la jauge à huile du moteur d'une voiture.
- La mesure de niveau par un flotteur, sorte de ballon flottant à la surface libre du liquide et accompagnant ses déplacements. Nous l'étudierons par la suite.
De très nombreux dispositifs, en fait, ne mesurent pas le niveau mais une grandeur intermédiaire qu'ils traduisent ensuite en une indication locale du niveau ou en un signal image.
L'exemple le plus classique est la pression hydrostatique P = r.g.H mesurée en bas du réservoir par un indicateur local (manomètre) ou un capteur de pression faisant office de capteur de niveau. Dans ce cas, la mesure est indirecte .
Cette grandeur intermédiaire peut aussi être, par exemple:
- Le poids apparent d'un objet plus ou moins immergé dans le liquide,
- la masse du réservoir et de son contenu (mesure par pesage),
- le temps de propagation d'une onde ultrasonore ou électromagnétique,
- la capacité électrique d'un condensateur dont le diélectrique est le liquide dont on mesure le niveau,
- ...
Avantages et inconvénients respectifs de ces deux méthodes
Supposons par exemple que nous désirions suivre le niveau ou le contenu (volume ou masse de liquide) du réservoir ouvert cylindrique d'axe vertical représenté ci-dessous en ayant le choix entre
- une mesure directe par flotteur ou tube transparent (mesure de hauteur)
- une mesure indirecte par un capteur de pression situé en bas du réservoir
- une mesure indirecte par pesage de ce même réservoir.
Le liquide est propre et non corrosif.
Quelle méthode de mesure devons nous utiliser ? Mesure directe ou indirecte ?
|
|
a) Nous voulons d'abord suivre le niveau H
du liquide dans le réservoir, par exemple pour le maintenir à une hauteur correcte, ni trop haut, ni trop bas.
P = r.g.H.
On déduit donc le niveau H de la valeur de la pression P mesurée et de la valeur de la mase volumique r qui malheureusement n'est pas parfaitement connue.
M = V.r = S.H.r,
V étant le volume de liquide contenu dans le réservoir et S la section du réservoir en m2.
D'où H = M / (S.r).
On déduit donc le niveau H de la masse M mesurée et de la valeur de la masse volumique r qui malheureusement n'est pas parfaitement connue.
Une mesure directe est donc préférable dans ce cas
car elle est indépendante de la masse volumique
r du liquide.
- lorsque la masse volumique r du liquide est constante et parfaitement connue, les deux méthodes conviennent.
V = S.H
Pour une mesure de pression en bas du réservoir
P = r.g.H
Pour une mesure de masse par pesage du réservoir
M = V.r
Nous voyons que, lorsque r est variable, la mesure directe du niveau H, indépendante de r, est préférable à la mesure indirecte.
c) Nous voulons maintenant déterminer la masse M de liquide contenue dans le réservoir.
M = V.r = S.H.r .
Donc, si nous faisons une mesure directe du niveau H (mesure par tube transparent ou par flotteur vues précédemment), il faut connaître la masse volumique r pour en déduire M. Si
cette masse volumique r est variable, il faut la mesurer pour connaître avec précision M.
M = V.r = S.H.r .
P = r.g.H donc
H = P / (r.g)
donc M = S.H.r
= S.[P / (r.g)].
r
soit en simplifiant M = S.P / g
Donc lorsqu'on mesure la pression hydrostatique P exercée par le liquide en bas du réservoir, nous voyons qu'elle varie comme la masse M de liquide contenu dans le réservoir car S et g sont des constantes parfaitement connues. La masse de liquide M ainsi calculée est indépendante de la masse volumique du liquide r.
Cette mesure indirecte est donc préférable à la mesure directe du niveau H.
Mais pour déterminer avec précision la masse M de liquide contenu dans le réservoir, la méthode de mesure la plus adaptée consiste à peser le réservoir en continu, à condition que M ne soit pas trop petite par rapport à la masse MR du réservoir vide.
En plus de ces considérations théoriques, il faut aussi tenir compte, dans le choix d'un dispositif de mesure
- lorsque la masse volumique r du liquide est variable, donc mal connue, faut-il choisir la méthode directe ou la méthode indirecte ?
La pression hydrostatique mesurée en bas du réservoir est
D'où H = P / (r.g)
La masse de liquide obtenue par pesage, après déduction de la masse du réservoir vide, est
b) Nous voulons maintenant déterminer le volume V de liquide contenu dans le réservoir
donc H = P / (r
.g)
et V = S.P / (r.g)
donc V = M / r
Lorsque r est constante et parfaitement connue, les deux méthodes conviennent.
- de l'environnement (bruit, parasites, présence humaine, ...),
- de la maintenance du matériel (entretien, importance et fréquence des interventions),
- de son coût d'achat .
|
|
|
|
C'est le principe de mesure de niveau le plus utilisé lorsqu'on veut transmettre à distance un signal représentatif de cette grandeur physique.
2.1. Cas d'un réservoir ouvert
Un simple manomètre mesurant la pression statique du liquide en bas du réservoir peut être utilisé comme indicateur du niveau H.
En effet, la masse M du liquide contenu dans le réservoir exerce une force égale à son poids Po = M.g sur la surface S du fond.
Or cette masse est M = S.H.r
(réservoir supposé cylindrique d'axe vertical).
La pression exercée par le liquide sur le fond du réservoir égale au rapport entre la force Po et la surface S sur laquelle elle s'applique est donc
P = Po / S = M.g / S = S.H.r
.g / S
soit P = r
.g.H.
Le liquide transmet intégralement cette pression P dans toutes les directions donc sur le manomètre (ou le capteur de pression) situé en bas du réservoir.
La pression P mesurée est une pression statique effective afin de ne pas tenir compte des variations de la pression atmosphérique s'exerçant au dessus du liquide dans le réservoir.
A condition que la masse volumique du liquide r
soit constante, la pression P mesurée est proportionnelle au niveau de liquide H.
Schéma de montage du transmetteur
Transmetteur de niveau à membrane arasante
(on dit aussi affleurante)
Lorsque le liquide présente beaucoup de dépôts solides en fond de réservoir, qu'il cristallise, ou qu'il est très visqueux, le risque de bouchage de la prise de pression du capteur pose problème.
Protection du capteur par liquide tampon ou par insuflation de gaz neutre
Pour éviter tout contact entre le liquide du réservoir et le transmetteur lorsque ce fluide est très corrosif ou a une température élevée, on peut utiliser un liquide tampon. Il s'agit d'un liquide neutre chimiquement, plus dense que le liquide contenu dans le réservoir dont il va prendre la place dans le tuyau de prise de pression du capteur, ce dernier étant monté plus bas que la prise de pression sur le réservoir (piquage).
Le débit d'insufflation est faible et maintenu constant par un micro-régulateur de débit dont la consigne est ajustable. Ce régulateur, autonome, simple et bon marché, maintient constante la DP aux bornes d'un orifice de section réglable (réglage de la consigne du débit) par une membrane soumise à cette DP et agissant sur l'ouverture d'un orifice d'admission du gaz. Ainsi, la perte de charge dûe à l'écoulement du gaz dans la conduite et la canne d'insufflation est constante et négligeable. La pression Pm mesurée par le transmetteur est donc quasiment égale à la pression Pi du gaz insufflé à l'extrémité de la canne d'insufflation.
Pm = Pi = r.g.H.
Le capteur de pression n'est en contact qu'avec le gaz insuflé, pas avec le liquide du réservoir.
2.2.
Cas d'un réservoir fermé sous pression de gaz ou de vapeur
Dans ce cas, une mesure de pression différentielle
(abrégée DP) est nécessaire afin de rendre la mesure indépendante des variations de la pression statique (Pg) du gaz ou de la vapeur situé(e) au dessus du liquide dans le réservoir.
HP est l'abréviation de haute pression et BP celle de basse pression
Il s'agit d'une mesure indirecte: on ne mesure pas la hauteur H ou un déplacement mais la pression hydrostatique exercée par la colonne du liquide contenu dans le réservoir.
Cet appareil "pèse" donc le liquide contenu dans le réservoir car la pression P varie comme la masse M de liquide, g et S étant des constantes.
Le niveau H est mesuré mesuré à partir de la prise de pression du manomètre (ou du capteur de pression) et non pas à partir du fond du réservoir. Cette prise de pression est souvent située un peu au dessus du fond du réservoir pour éviter les dépôts de particules solides.
Première solution envisageable: un capteur hydrostatique de niveau spécial avec une membrane de grand diamètre. L'appareil est monté directement sur une bride en bas du réservoir. Il n'y a donc pas de prise de pression ni de robinet d'isolement, ce qui évite le risque de bouchage à ce niveau. Il faut simplement nettoyer périodiquement la membrane sur place (sans démonter le capteur, avec un jet d'eau par exemple) lorsque le réservoir est vide.
Autre solution, plus utilisée:
l'insufflation de gaz neutre.
Le schéma de principe de cette mesure de niveau (appelée aussi mesure de niveau par "bullage" ou "bulle à bulle") est donné ci-dessous
Prenons l'exemple le plus classique d'un réservoir fermé sous pression Pg de la vapeur du liquide stocké. Cette vapeur se condense dans les prises de pression du capteur de DP car la température extérieure est inférieure à celle de l'intérieur du réservoir.
Appelons
- r1 la masse volumique du liquide dans le réservoir,
- r2 la masse volumique de la vapeur condensée dans la prise de pression de droite (côté BP) égale à la masse volumique du liquide dans l'autre prise de pression (côté HP).
Mais c'est une simplification car ces deux masses volumiques sont souvent différentes du fait d'une température différente.
- rG la masse volumique de la vapeur
Nous pouvons donc écrire:
Nous pouvons en déduire que si les masses volumiques
r1,
r2, et
rG sont constantes,
DP = k.H + Cte.
Les variations du signal de sortie du transmetteur sont donc bien proportionnelles aux variations du niveau H. La courbe représentative est une droite. La pression différentielle mesurée
(DP) ne dépend plus de la pression de la phase gazeuse Pg.
L'étendue d'échelle est ici égale à
(r1 -
rG).g.(Hmax - Hmin), Hmax et Hmin étant les valeurs maximale et minimale du niveau H mesuré. En général, Hmin = 0 et Hmax = H2.
Le décalage de zéro du transmetteur est ici égal à
rG.g.H2 -
r2.g.H3. Cette valeur est négative car lorsque H=0, la haute pression HP est inférieure à la basse pression BP.
Exemple de schéma de montage du transmetteur de niveau
Les prises de pression sont représentées par un seul trait sur ce schéma.
Une pente du tuyau allant de la prise de pression supérieure au pot de condensation permet au trop plein de ce dernier de s'écouler dans le réservoir. Ainsi, le niveau de condensat dans ce pot est constant donc la hauteur H3 du schéma précédent est constante.
Les deux robinets d'isolement doivent être placés le plus près possible du réservoir afin de limiter les risques de fuite nécessitant un arrêt et une vidange complète du réservoir.
En haut du pot de condensation, un orifice permettant de le remplir avant la mise en service peut être ajouté avec un robinet d'isolement. Cela ne concerne évidemment pas les liquides dangereux mais surtout l'eau.
L'exemple type est le niveau de ballon d'une chaudière produisant de la vapeur d'eau.
|
|
|
|
2.3. Mesure d'un niveau interface (niveau de séparation entre 2 liquides non miscibles)
Le niveau interface à mesurer est le niveau H. Le niveau (H3) du liquide le moins dense doit toujours être situé plus haut que le piquage de la prise de pression supérieure sur le réservoir (côté BP). Ainsi, la prise de pression côté BP est toujours remplie du liquide le moins dense de masse volumique r2. La prise de pression inférieure (côté HP) est toujours remplie du liquide le plus dense de masse volumique r1. Nous supposerons (pour simplifier) que la masse volumique de chacun des deux liquides est la même à l'intérieur et à l'extérieur du réservoir. De la même manière que précédemment, en exprimant HP et BP puis en déduisant la DP, on obtient après simplification:
DP = (r1 - r2).g.H + (r1 - r2).g.H1 = (r1 - r2).g.(H1+H).
Dans ce cas aussi, la DP mesurée varie proportionnellement au niveau interface H à condition que les masses volumiques des deux liquides soient constantes.
Le montage du transmetteur nécessite ici aussi deux robinets d'isolement au plus près du réservoir et deux robinets de purge en point bas de chaque côté du transmetteur de DP, sans pot de condensation car on est en phase liquide dans les deux prises de pression.
|
|
|
|
2.4. Avantages et inconvénients de la mesure hydrostatique de niveau
| - loi linéaire et bonne précision (pouvant être meilleure que 0,5 %) si la (les) masse(s) volumique(s) ne varie(nt) pas | - Contact entre appareil de mesure et liquide (sauf liquide tampon ou insufflation) |
| - Coût raisonnable (transmetteur + prise(s) de pression + accessoires éventuels) | - Influence de la masse volumique sur la mesure du niveau et du volume de liquide |
| - Mesure de la masse de liquide contenu dans le réservoir indépendante de la masse volumique du liquide | - ne convient pas avec les produits pulvérulents, granuleux ou colmatants |
| - Mesure pas (ou peu) influencée par l'ébullition, les mousses ou les vagues à la surface du liquide | - dispositif de mesure nécessitant une ouverture dans le réservoir en bas ou en haut |
| - Etendue de mesure: de quelques cm à plusieurs dizaines de m. |
|
|
|
|