Le plongeur est un tube métallique cylindrique d'axe vertical bouché de manière étanche (soudé) à ses deux extrémités et accroché à un dispositif de pesage. Sur l'animation ci-dessus, ce dispositif est un simple ressort dont l'étirement est proportionnel à la force exercée sur son extrémité mobile.
Quand le niveau du liquide à mesurer est bas, le plongeur n'est pas immergé et le poids mesuré (la force F_PA représentée par la flèche bleue sur l'animation) est égal au poids propre du plongeur Po.
Quand le liquide immerge le plongeur, la force mesurée F_PA est le poids apparent du plongeur égal à la différence entre le poids propre du plongeur Po et la force de poussée d'Archimède P_A exercée par le liquide (poids du liquide déplacé). F_PA diminue lorsque le niveau d'immersion H augmente.

Soit L la hauteur du plongeur. Il est immergé partiellement dans le liquide de masse volumique r, la hauteur d'immersion étant le niveau à mesurer H. Bien qu'étant creux, le plongeur est lesté par du sable ou des petites billes métalliques afin d'avoir une masse M telle qu'il coule si on l'abandonne dans le liquide sans le retenir, d'où l'appellation de plongeur et non pas flotteur. Accroché par sa tige à un levier, grâce à un ressort antagoniste, il ne se déplace que de quelques mm, valeur faible par rapport à sa longueur qui est l'étendue de mesure et peut aller de 0,35 m à plusieurs mètres.

Le poids du plongeur est la force Po dont le module est Po = M.g.

Le plongeur étant immergé dans le liquide sur une hauteur H, le liquide exerce sur lui une force de poussée d'Archimède P_A verticale mais dirigée de bas en haut donc s'opposant au poids Po.
Le module de P_A est P_A = r.g.Vi = r.g.S.H = r.g.(p.D²/4).H
Le poids apparent du plongeur est la force F_PA dirigée vers le bas comme Po et de module

A condition que la masse volumique du liquide r soit constante, le poids apparent a donc un module

F_PA = a - b.H.     (a et b sont des constantes)

Avec une masse volumique constante, les variations du poids apparent sont donc inversement proportionnelles aux variations du niveau H à mesurer. La courbe correspondante est une droite de pente négative car quand H augmente, F_PA diminue.

A la partie supérieure, un dispositif électromécanique traduit le poids apparent mesuré F_PA (d'abord mis sous forme d'un déplacement d par le ressort) en un signal électrique proportionnel au niveau H.

Exemples de dispositifs de traduction du poids apparent en un signal électrique

- mesure dynamométrique

Un ressort a une extrémité fixée à un support rigide, le plongeur étant suspendu à l'autre extrémité. Les variations du poids apparent du plongeur sont traduites en un déplacement proportionnel par un ressort dont l'étirement est proportionnel à la force de traction exercée par ce plongeur. On obtient donc un déplacement proportionnel aux variations du niveau H. Une transmission magnétique, sans frottements et d'une étanchéité parfaite, est réalisée par un tube métallique non ferreux bouché laissant le noyau mobile solidaire du plongeur modifier la valeur d'une inductance variable. Un dispositif électronique traduit ensuite la valeur de cette inductance en un signal de mesure électrique standard. Sur le schéma ci-dessus, le transmetteur n'est pas monté sur le réservoir même, mais sur un tube communicant avec le réservoir. Ce tube est parfois appelé "bouteille" de niveau. Cette "bouteille" peut être raccordée au réservoir avec deux robinets d'isolement et un robinet de purge afin de permettre une intervention sur le dispositif de mesure sans que cela nécessite l'arrêt de l'installation et la vidange du réservoir.

- transmetteur à tube de torsion

Le plongeur est accroché à l'extrémité d'un levier rigide. Ce levier est soudé à l'extrémité libre en rotation d'un tube métallique (le tube de torsion) dont l'autre extrémité est soudée sur une bride fixée sur le réservoir. Les variations du poids apparent du plongeur font donc tourner l'extrémité libre de ce tube dans un mouvement de torsion. Par une tige soudée à l'intérieur et au fond du tube de torsion, ce petit déplacement angulaire (de quelques degrés seulement) est transmis à un dispositif électrique de traduction du déplacement en un signal standard 4..20 mA. Le tube de torsion est donc un ressort traduisant le poids apparent du plongeur (force) en un déplacement proportionnel tout en réalisant une étanchéïté parfaite entre l'intérieur du réservoir et l'intérieur du boitier du transmetteur. C'est pourquoi ce dispositif est très bien adapté aux mesures du niveau d'un réservoir fermé sous haute pression.

Mesure d'un niveau interface

Poids apparent du plongeur:

F_PA = M.g - S.r₁.g.H - S.r₂.g.(L-H)

Donc   F_PA  =  a - b.H

avec   a = M.g - S.r₂.g.L   et   b = S.(r₁- r₂).g

Le poids apparent est donc ici aussi inversement proportionnel au niveau interface H à condition que les masses volumiques des deux liquides soient constantes.

Stabilité du plongeur

Le plongeur a tendance à osciller autour de son point d'attache. En effet, son poids qui s'exerce au centre de gravité et la poussée d'Archimède du liquide déplacé qui s'exerce au centre de poussée créent un couple. Ce couple déséquilibre le plongeur et amplifie le mouvement. En lestant le plongeur, on descend le centre de gravité ce qui inverse le sens d'action du couple et stabilise le plongeur. Il est quand même parfois nécessaire de guider le plongeur avec une "cage" qui est un cylindre percé de trous dans lequel le plongeur peut se déplacer verticalement sans se balancer.

Réglage et étalonnage du transmetteur

Plutôt que d'effectuer cette opération sur site avec le niveau bas (H = 0) ou le niveau haut (H = Hmax), avec ce principe de mesure il est possible de régler ou d'étalonner le transmetteur en atelier. Pour cela, on calcule le poids apparent du plongeur pour le niveau minimal (c'est le poids propre du plongeur pour un niveau simple avec Hmin = 0) et pour le niveau maximal, et on remplace le plongeur par un plateau sur lequel on pose des masses étalon, le poids total (masses + plateau) correspondant au poids apparent calculé.

A l'atelier, il est aussi possible d'immerger le plongeur (s'il n'est pas trop long) dans le liquide contenu dans un seau ou dans de l'eau en ayant calculé la hauteur équivalente à celle du liquide compte tenu de sa masse volumique.

Avantages et inconvénients de la mesure de niveau par plongeur

- Bonne précision (environ ±0,5%) et loi linéaire si la masse volumique r est bien connue et ne varie pas	- Plongeur en mouvement et en contact avec le liquide. Les dépôts solides sur ce plongeur ou son usure par corrosion faussent la mesure
- Etanchéïté parfaite, donc bonne adaptation à la mesure du niveau d'un réservoir sous haute pression de sa phase gazeuse.	- Mesure perturbée par les mouvements du liquide
- Mesure non influencée par les mousses à la surface du liquide	- Influence de la masse volumique r sur la mesure du niveau
- L'appareil peut être monté sur une bride en haut du réservoir ou sur une "bouteille" en dérivation isolable du réservoir par deux robinets et avec robinet de purge.	- ne convient pas avec les produits pulvérulents, granuleux ou colmatants
- réglage et étalonnage pouvant s'effectuer à l'atelier	- dispositif de mesure nécessitant une ouverture en haut du réservoir ou deux "piquages" sur le côté du réservoir
	- Coût d'achat et d'entretien important (transmetteur + plongeur + accessoires)