Les appareils de mesure et de détection du niveau des liquides

Les appareils de mesure de détection du niveau des liquides se classent en deux catégories :

1. 1) les détecteurs de niveaux ponctuels, utilisés suivant deux modes :

   • — soit pour délivrer des signaux de commutation à partir de niveaux limites fixés à l'avance ; ils conviennent dans ce cas à la détection de niveaux max. ou de niveaux min. Les détecteurs de niveau max. permettent d’éviter le débordement de réservoirs en arrêtant les dispositifs de remplissage. Les détecteurs de niveau min. délivrent un signal de commutation à l'atteinte du niveau minimal prédéterminé ; ils sont souvent utilisés pour la protection de marche à vide des pompes. L’emploi d’appareils temporisés est recommandé pour les produits à surface agitée (par exemple dans des réservoirs équipés d’agitateurs) ;
   • — soit pour commander le remplissage et la vidange automatique de réservoirs, en maintenant le niveau entre deux hauteurs données : à l'atteinte du niveau haut le relais de sortie bascule et il reprend son état initial à l'atteinte du niveau bas.

2. 2) Les détecteurs de niveau à mesure continue.

   Ces appareils indiquent à l'utilisateur à chaque instant, la hauteur du niveau ou le contenu du réservoir. Ils possèdent un indicateur pour la lecture du niveau et délivrent un signal normalisé 0-20 (ou 4-20) mA pour le raccordement d’indicateurs supplémentaires, d’enregistreurs, de relais à seuils, etc. Ils peuvent ne donner que de simples valeurs indicatives ou bien intervenir dans un circuit de réglage, étant reliés à des régulateurs ou à des ordinateurs.

   Les indications de l'appareil comme le courant de sortie, sont proportionnelles à la hauteur de remplissage entre deux niveaux donnés ; ces ensembles de mesure sont conçus pour délivrer un signal de sortie 0 (4 mA), le niveau mesuré étant au minimum souhaité et délivrant un signal 20 mA, le niveau mesuré étant au maximum souhaité. Les conditions initiales et finales différant d'une mesure à l'autre, l'utilisateur doit dans la plupart des cas procéder au réglage du 0 % et du 100 % à l'aide des organes dont sont équipés les appareils.

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Nous examinerons dans le présent article divers appareils que nous utilisons pour la mesure et le contrôle du niveau des liquides en les classant selon les systèmes de mesure suivants :

• — mesure capacitive basée sur les variations de capacité du liquide à surveiller ;
• — mesure hydrostatique ;
• — mesure ultrasonique ;
• — détection basée sur la résistivité des liquides.

I - MESURE CAPACITIVE

Cette mesure est basée sur la détermination électrique de la variation de capacité ΔC, résultant des variations du niveau de produit entre une électrode et la paroi du réservoir, suivant le schéma de la figure 1.

Ce principe convient pour la mesure continue comme pour la détection des niveaux de produits solides ou liquides.

La chaîne comporte :

• — élément primaire : sonde de mesure avec son étage électronique embrochable ;
• — le récepteur, traduisant les signaux de mesure pour l’indication ou la détection.

Dans le cas des appareils compacts, ces deux composants sont regroupés pour former une unité.

La sonde.

La sonde de mesure constitue l'élément principal d'une chaîne de mesure capacitive de niveau. De nombreuses variantes de sondes sont disponibles pour les multiples cas d'applications et le choix de la sonde appropriée est déterminé par la forme du réservoir, les propriétés physiques du produit mesuré, les conditions de température et de pression.

La sonde standard comporte un raccord avec l'électrode (tige ou câble) et un boîtier abritant l'étage électronique (préamplificateur). La combinaison des divers composants est fonction du lieu d'utilisation, du produit mesuré et des conditions de service.

a) Raccord.

Le raccord porte l'électrode partiellement ou totalement isolée (PA, PE, PTFE). Un procédé d'étanchéité breveté assure le passage robuste et étanche à la pression, avec isolation électrique entre électrode et raccord. Une étanchéité par soudure à l'extrémité des sondes à tige totalement isolées garantit la tenue aux températures et pressions élevées.

Le matériau constituant le raccord d'une sonde standard peut être au choix de l'acier inox (316 Ti), de l'acier, de l'aluminium, du polypropylène ou du P.T.F.E.

b) Étage électronique.

Quelle que soit la tête de sonde, la forme de construction est la même pour chaque type d'étage électronique. Celui-ci est une unité emboîtable sous boîtier métallique. Des exécutions spéciales pour la détection de très faibles variations de capacité ou pour la mesure continue de liquides conducteurs colmatants sont disponibles.

Les sondes à tige et les sondes à câble.

On distingue :

• a) les sondes à tige, réalisables pour des longueurs allant jusqu'à 4 m,
• b) les sondes à câble, utilisées pour des grandes longueurs, et comportant un poids tenseur ou un système d'ancrage,
• c) les sondes spéciales, telles que les sondes plaque, cône, collier ou bride.

Sur le plan électrique, les sondes se classent en deux groupes :

• a) les sondes totalement isolées (à tige de métal ou câble métallique complètement enrobé d'isolant). Toutes les matières conductrices, y compris les matériaux en vrac humides, sont à mesurer au moyen de sondes totalement isolées,
• b) les sondes partiellement isolées (où seul le passage de la tête de sonde au niveau du raccord est isolé). Tous les produits isolants électriques tels que les matières plastiques, ciment, huiles, essence peuvent être mesurés au moyen de sondes partiellement isolées.

Divers matériaux d'isolement sont utilisés suivant les conditions chimiques, mécaniques ou thermiques d'emploi : polyamide, polyéthylène, polypropylène, P.T.F.E.

Les têtes de sondes comportent des boîtiers submergeables ou étanches à l'eau sous pression.

En mesure continue et pour éviter des erreurs sur la mesure, les sondes à câble doivent être munies d'un dispositif d'ancrage ou d'un poids tenseur.

Les récepteurs reçoivent le signal délivré par l'étage électronique incorporé à la sonde et délivrent :

• - dans le cas des détecteurs, un signal de commutation (sortie relais) ;
• - dans le cas des indicateurs, un signal courant continu 0/4-20 mA et 0-5 V.

Les récepteurs peuvent être montés à distance en armoires, coffrets, etc., et les liaisons à la sonde se font par une ligne à 2, 3 ou 4 conducteurs.

Les détecteurs (figure 3)

Comportent en face avant les organes de réglage des points de commutation ainsi qu'un témoin lumineux indiquant l'état de commutation.

Les transmetteurs indicateurs (figure 4)

Possèdent en face avant les organes de réglage du 0 et du 100 % ainsi qu’un indicateur permettant la lecture de la mesure. Le niveau indiqué est proportionnel à la hauteur de remplissage entre un niveau min. (0 %) et un niveau max. (100 %). L'adjonction de relais à seuils permet d’obtenir le déclenchement d’alarmes ou de commandes à partir du signal continu.

Les appareils de cette catégorie sont utilisables pour mesurer le niveau de la plupart des produits en vrac et liquides, par exemple : eau, solvants, huiles, carburants, frigène, ammoniaque, plastiques, liquides, granulés de plastiques, ciment, chaux, gravier, sable, aliments pour bétail, céréales, farine, sucre (des appareils à sécurité intrinsèque sont employés en atmosphère explosive).

Ils possèdent les avantages suivants :

• — bonne reproductibilité ;
• — transmission à distance sans perturbations des valeurs mesurées ;
• — exécution robuste des sondes, sans pièces mobiles ;
• — installation simple des postes de mesure ;
• — facilité d’entretien ;
• — indépendance de la pression (ou dépression) et de la température dans la majorité des cas ;
• — prix modérés.

Cependant, la mesure continue est, pour certains produits, erronée si le diélectrique subit des changements importants, dus par exemple à des variations d’humidité ou de température (ce qui n’influe pas sur la détection capacitive).

II – MESURE HYDROSTATIQUE

Cette mesure est basée sur l’emploi de capteurs qui assurent la mesure de la pression hydrostatique des liquides (figure 5).

Reliés à un transmetteur-indicateur, ils conviennent à la mesure continue des niveaux d’un liquide.

La chaîne de mesure comprend (figure 6) :

• — le capteur de pression avec son préamplificateur ;
• — l’indicateur de niveau (identique à celui utilisé avec les sondes capacitices).

Le capteur de pression.

Son principe de fonctionnement est le suivant (figure 7) : la pression du produit à mesurer agit sur une membrane et se trouve ainsi convertie en déplacement mécanique ; un axe solidaire de la membrane de mesure et d’une pièce de guidage transmet ce déplacement à un condensateur concentrique, dont la capacité varie proportionnellement au niveau de remplissage ; un étage électronique incorporé convertit les variations de capacité en un signal électrique transmis au récepteur.

Un dispositif compensateur de pression corrige l’influence des variations de la pression atmosphérique.

On distingue essentiellement deux types de capteurs :

• — le capteur de pression destiné à être fixé en pied de bac ou sur tuyauteries ;
• — le capteur de pression pour montage pendulaire.

Le premier comporte soit un raccord de fixation, soit une bride, soit un raccord « union » ; le système de mesure est logé dans un boîtier en matière plastique qui abrite également l’étage électronique enfichable.

Certains de ces capteurs peuvent être installés de manière qu’aucune pièce ne fasse saillie dans le réservoir.

Le capteur pour montage pendulaire est construit de telle sorte que la partie mesure fixée à un câble porteur puisse être suspendue dans le réservoir.

Des modèles destinés à la mesure des produits corrosifs comportent une membrane plaquée or.

Certains types peuvent être également équipés « Sécurité intrinsèque ».

Ces capteurs possèdent les propriétés suivantes :

• — conversion de la grandeur mesurée sans frottements ;
• — très bonne reproductibilité des valeurs mesurées ;
• — grande sécurité de fonctionnement ;
• — entretien nul ;
• — bonne résistance chimique ;
• — longue durée de vie ;
• — surcharge de membrane permise = 15 fois la plage max.

Ils sont utilisés pour les mesures dans l'eau et les eaux résiduaires, l'encre d'imprimerie, les boues, la pâte à papier, les huiles, les sirops, le chocolat, le lait, la bière, le vin.

III - MESURE ULTRASONIQUE

Ce principe permet une mesure continue des niveaux sans contact avec le produit, suivant le schéma de la figure 8.

La méthode est basée sur la réflexion d’impulsions soniques par la surface du produit mesuré : un appareil à impulsions soniques émet pendant une courte durée un paquet d’impulsions qui est réfléchi par la surface du produit ; puis il recueille le signal réfléchi (écho) et mesure le temps écoulé entre l’émission et la réception (temps mis par le signal pour parcourir le trajet aller-retour). Connaissant la vitesse de propagation, on en déduit la distance entre l'appareil et la surface du liquide.

Une chaîne de mesure de niveau en continu comprend :

• — l'appareil à impulsions soniques Vegason regroupant transducteur, émetteur, récepteur et étage électronique associé ;
• — le transmetteur comprenant : alimentation, amplificateur, organes de réglage, autosurveillance et indicateur. L'appareil à impulsions soniques peut être relié au transmetteur par un câble électrique usuel, le signal de mesure transmis étant un courant continu.

L’appareil à impulsions soniques.

L'appareil comprend le transducteur acoustique (émetteur-récepteur), une bride de fixation et un boîtier abritant un étage électronique. Celui-ci délivre un courant proportionnel à la hauteur mesurée à partir de la durée de propagation de l'impulsion sonique ; il assure également l’élimination d’échos parasites fixes, sporadiques ou multiples et permet le verrouillage de la mesure sans les perturbations dues au passage de parties mobiles dans le faisceau sonique (pales d’un agitateur en particulier).

Certains modèles donnent une indication par cristaux liquides avec affichage soit de la distance en mètre, soit de l’intensité de l’écho.

Les erreurs de mesure dues à l’influence des variations de température sur la vitesse de propagation sont éliminées au moyen d'une thermosonde incorporée ou séparée.

Le transmetteur comprend un boîtier plastique abritant l’alimentation, l’étage électronique, deux relais à seuils et une surveillance de fonctionnement ; la face avant comportant l'indication par diodes électroluminescentes, les organes de réglage et les voyants de contrôle.

Il traite le signal courant délivré par l'appareil à impulsions soniques et délivre un signal courant normalisé 0/4 - 20 mA ; certains modèles permettent l’indication au choix de la distance en mètre, le niveau en % ou le contenu exprimé en kg, litre, etc.

Cet ensemble présente l’avantage de permettre des mesures de niveau sans contact avec le milieu, par exemple dans le cas de produits liquides fortement colmatants. Il permet également la mesure du niveau de l’eau dans les canaux à ciel ouvert.

Le procédé n'est toutefois utilisable qu’avec des produits dont la surface constitue un bon réflecteur.

IV - DÉTECTION RÉSISTIVE

Ce principe de mesure ne s’applique qu’à la détection des niveaux suivant le schéma de la figure 9.

À l'atteinte d’un niveau prédéterminé, le produit entre en contact avec l’électrode et ferme le circuit de mesure, conduisant au déclenchement de la commutation. Il ne s’applique évidemment qu’à des produits conducteurs d’électricité.

La chaîne de mesure se compose (figure 10) :

• — de la sonde de mesure avec électrode en acier inoxydable ;
• — du récepteur électronique comportant le ou les potentiomètres de réglage du ou des points de commutation et les bornes de raccordement.

Deux sondes de mesure sont nécessaires pour une régulation entre deux points.

Si la mesure est effectuée dans un réservoir à paroi isolante, il convient de prévoir en outre une sonde de référence (électrode de masse).

La sonde se compose d'une ou plusieurs électrodes en acier inoxydable, d'un raccord de fixation et d'un boîtier abritant les bornes de raccordement au récepteur. Différents modèles de sondes permettent une adaptation aux exigences de la pratique. Des sondes à trois électrodes permettent une régulation min./max. avec électrode de référence.

Les récepteurs assurent la détection de la présence ou de l’absence de produit à un niveau prédéterminé (sécurité trop-plein et protection de marche à vide de pompes). Il est possible d’obtenir une régulation min./max. par l’emploi de deux sondes.

Les détecteurs résistifs sont utilisés pour des commandes, lorsque le produit mesuré est conducteur (eau ou carbone).

Chacun des procédés décrits ci-dessus possède ses avantages et ses inconvénients; nous pensons avoir donné à nos lecteurs la possibilité de résoudre leurs problèmes en fonction de leurs besoins particuliers dans le domaine de la mesure et du contrôle du niveau des liquides.