Principes de mesure du niveau

On retrouve deux principaux types de techniques de mesure de niveau dans l'industrie, en fonction des exigences du procédé : la mesure continue et la mesure ponctuelle de niveau. La différence entre la mesure de niveau ponctuelle et la mesure de niveau continue réside dans le fait que la mesure de niveau ponctuelle utilise des commutateurs de niveau, qui ne vont déclencher la sortie de l'interrupteur binaire que lorsque le niveau atteint un point ou une position prédéfinie.

Pour la mesure continue du niveau, un transmetteur de niveau mesure en permanence le niveau sur une extension, dans une plage de 0 à 100 %, délivrant une sortie analogique proportionnelle au niveau mesuré.

Normalement, les interrupteurs de niveau sont utilisés comme dispositifs de sécurité pour éviter les débordements et protéger les pompes contre la marche à sec, en combinaison avec un transmetteur de niveau continu. Certaines applications simples de contrôle de niveau peuvent toutefois être réalisées avec des interrupteurs de niveau seuls.

Figure 1 – Mesures de niveau ponctuelle et continue

Figure 2 – Radar en espace libre (à gauche) et radar à ondes guidées (à droite)

Les dispositifs de mesure de niveau radar sont des appareils de mesure de niveau continu pour les liquides et les solides granulaires qui utilisent des ondes électromagnétiques. Les dispositifs de mesure de niveau radar conviennent à une grande variété d'applications dans toutes les industries. On les retrouve par exemple dans les réservoirs tampons, les rivières, la surveillance du niveau de la mer, les milieux agressifs, les déchets chimiques, le stockage du vin, l'eau et les eaux usées, le lait, le bitume, le ciment, et la mesure du débit sur les canaux ouverts.

Il existe deux méthodes d'évaluation pour ce type d'instrument : Le temps de vol (ou ToF pour Time-of-Flight) et les ondes continues à fréquence modulée (ou FMCW pour Frequency modulated continuous waves). En ce qui concerne la méthode du temps de vol, le transducteur de l'instrument émet une impulsion électromagnétique, qui va se réfléchir sur la surface du milieu et revenir à l'instrument. Le niveau est alors évalué en mesurant le temps que met l'impulsion à effectuer le trajet.

Pour la méthode des ondes continues, l'instrument émet en continu des ondes électromagnétiques à une fréquence modulée qui se déplacent dans l'air et se réfléchissent sur la surface du milieu. Tout changement de niveau provoque un décalage de fréquence. La différence de fréquence entre le signal émis et le signal réfléchi est utilisée pour déterminer le niveau.

Un autre type de radar, souvent utilisé dans l'industrie, est le radar à ondes guidées.Ces derniers utilisent le temps de vol comme méthode de mesure, mais cette fois-ci les impulsions se déplacent vers la surface du liquide en suivant une sonde métallique qui fait office de guide. Cela permet de concentrer le signal dans une zone plus petite, ce qui est particulièrement intéressant pour les installations dans les petits espaces et avec des liquides à faible constante diélectrique, comme les huiles.

Découvrir les dispositifs de mesure de niveau radar

Avantages des dispositifs de mesure de niveau radar :

• Les technologies au radar peuvent servir à mesurer des solides et des liquides
• La mesure est indépendante de certaines des conditions du procédé, comme la densité, la température, la pression et la viscosité
• Mesures sans contact, sauf pour les radars à ondes guidées
• Grande précision et fiabilité par rapport aux autres technologies de mesure du niveau
• Peut supporter des limites de températures et de pressions élevées

Limites des dispositifs de mesure de niveau radar :

• La constante diélectrique du milieu mesuré doit être supérieure à un certain seuil pour obtenir une mesure fiable
• De fortes turbulences à la surface du milieu peuvent affecter la mesure
• Les structures internes du réservoir, comme un agitateur, un interrupteur de pression et une bobine de chauffage peuvent provoquer des interférences
• Le radar à ondes guidées n'est pas recommandé pour les milieux visqueux
• Technologie plus coûteuse que les autres

Les dispositifs de mesure de niveau par ultrasons sont des appareils de mesure continue pour les liquides et les solides et qui utilisent les ondes ultrasonores, ou en d'autres mots, des ondes mécaniques à haute fréquence. On retrouve les dispositifs de mesure de niveau par ultrasons dans différentes applications, comme la mesure du niveau de l'eau dans les réservoirs souterrains, les réservoirs d'essence, les mares, les lacs, les solides granulaires dans les silos et les réserves et pour la mesure du débit dans des canaux ouverts.

Les dispositifs de mesure de niveau par ultrasons utilisent le principe du temps de vol comme méthode d'évaluation, tout comme les radars, mais ils utilisent les ondes sonores (des ondes mécaniques) au lieu des ondes électromagnétiques. L'instrument émet une impulsion qui voyage dans l'air, se réfléchit sur la surface d'un milieu et retourne à l'instrument. Il est alors possible de déterminer le niveau en mesurant le temps qu'il faut à l'onde sonore pour revenir à l'instrument.

Découvrez les dispositifs de mesure de niveau par ultrasons

Figure 3 – Dispositifs de mesure de niveau par ultrasons

Avantages des dispositifs de mesure de niveau par ultrasons :

• Mesure sans contact
• La mesure ne dépend pas de la constante diélectrique pour les liquides, ce qui en fait une bonne alternative pour les huiles
• Mesure insensible aux changements de densité

Limites des dispositifs de mesure de niveau par ultrasons :

• Non recommandés pour les applications avec de la mousse ou une surface liquide turbulente
• La poussière, les vapeurs, la condensation et les changements de température ambiante peuvent affecter la mesure.
• La forme irrégulière de l'intérieur du récipient peut entraîner une perte de signal
• Inapplicable sur les réservoirs sous vide
• Limites de température et de pression par rapport aux autres technologies

Figure 4 – Montage direct (à gauche), sonde submersible (à droite)

Transmetteurs de pression à montage direct

Un appareil de mesure de la pression relative peut être monté au fond ou sur le côté d'un réservoir sans pression pour mesurer le niveau du liquide qu'il contient. Le niveau est directement proportionnel à la pression exercée par la colonne de liquide au-dessus du capteur ; en règle générale, 100 mbar équivalent à 1 mètre de colonne d'eau. Attention cependant, car différents liquides ont des valeurs de densité différentes, et par conséquent, la relation entre la pression et le niveau peut être différente.

Cliquez ici pour voir les dispositifs de mesure de la pression relative

Sondes submersibles

Dans les situations où il n'est pas possible de monter un transmetteur de pression dans le réservoir ou dans un réservoir souterrain, il est possible d'installer une sonde submersible, également appelé Dispositifs de mesure de la pression hydrostatique. Cet appareil applique le même principe de mesure. Le transmetteur de pression est alors installé dans le réservoiret submergé dans le liquide.

Vers les dispositifs de mesure de la pression hydrostatique

Pour mesurer le niveau du liquide à l'intérieur d'un réservoir pressurisé, il est nécessaire de compenser la hauteur de pression du réservoir afin que celle-ci n'affecte pas la mesure de la pression hydrostatique. Pour ce faire, il convient d'utiliser un dispositif de mesure de la pression différentielle

Les dispositifs de mesure de la pression différentielle sont conçus de manière à mesurer la différence de pression entre deux points. La procédure implique d'effectuer une mesure au fond du réservoir, laquelle va indiquer la pression hydrostatique additionnée à la hauteur de pression du réservoir, tandis qu'une autre est effectuée au sommet du réservoir, pour n'indiquer que la hauteur de pression. L'instrument peut alors compenser la hauteur de pression et donner alors uniquement la pression hydrostatique. Une autre possibilité pour ce cas de figure consiste à utiliser deux appareils de mesure de la pression relative séparés ; le calcul de compensation devra alors être effectué en externe avec une technique de contrôle.

Figure 5 – Mesure du niveau utilisant des dispositifs de mesure de la pression différentielle

Avantages de la mesure du niveau utilisant des dispositifs de mesure de la pression différentielle :

• Solution simple et économique pour la mesure du niveau
• Méthode de mesure bien connue
• Mesure fiable et précise

Limites de la mesure du niveau utilisant des dispositifs de mesure de la pression différentielle :

• Applicable uniquement à des liquides
• Les changements de température affectent la densité du liquide et donc la précision de la mesure.
• Contact direct avec le fluide ; des milieux agressifs peuvent imposer des accessoires supplémentaires, comme des conteneurs étanches
• Non recommandable pour les fluides à forte viscosité
• Les agitateurs produisent des pulsations de pression qui affectent la mesure

Figure 6 – Dispositif de mesure du niveau au laser

Avantages des dispositifs de mesure de niveau au laser :

• Angle étroit du rayon
• L'émetteur du laser peut être installé n'importe où sur le réservoir, y compris sur les parois
• Possibilité de régler une fréquence de mise à jour très rapide
• Les technologies au laser peuvent servir à mesurer des solides et des liquides
• La mesure est insensible à la densité du matériau ou à la constante diélectrique

Limites des dispositifs de mesure de niveau laser:

• La poussière en suspension peut interférer avec le rayon laser
• Non recommandé en cas de possibilité de formation de mousse
• Ne convient pas aux liquides transparents

Les dispositifs de mesure du niveau capacitifs servent à mesurer en continu le niveau des liquides ; ce sont là des instruments simples, fiables et abordables comparés à d'autres technologies. Ils peuvent constituer une bonne solution pour mesurer le niveau de l'eau, d'huiles et d'acides.

Les dispositifs de mesure du niveau capacitifs, comme leur nom l'indique, fonctionnent sur le principe de capacité électrique. La sonde de l'instrument et les parois du réservoir forment un condensateur ; toute variation du niveau à l'intérieur du réservoir en modifie la capacité électrique. L'instrument est alors en mesure d'en déduire le niveau. Dans le scénario où le réservoir fabriqué dans un matériau non conducteur, comme le plastique, il est nécessaire d'utiliser une sonde de mise à la terre. Certains modèles de dispositifs de mesure du niveau capacitifs sont dotés d'une sonde de mise à la terre intégré à cet effet.

Découvrez les dispositifs de mesure du niveau capacitifs

Vidéo 1 : Principes de base de la mesure de niveau capacitive (anglais)

Avantages des dispositifs de mesure du niveau capacitifs :

• Convient pour les liquides conducteurs et non conducteurs
• Mesure de l'interface liquide
• Technologie avec un bon rapport qualité/prix
• Il existe des modèles spéciaux pour les milieux visqueux

Limites des dispositifs de mesure du niveau capacitifs :

• Technologie intrusive
• L'installation dans un réservoir en plastique nécessite une sonde de mise à la terre
• Les variations de la constante diélectrique du milieu peuvent affecter la mesure

Avantages des dispositifs de détection du niveau capacitifs :

• Les dispositifs de détection de niveau capacitifs conviennent pour les solides et les liquides
• Technologie avec un bon rapport qualité/prix
• Il existe des modèles spéciaux pour les milieux visqueux

Limites des dispositifs de détection de niveau capacitifs :

• Technologie intrusive
• L'installation dans un réservoir en plastique nécessite une sonde de mise à la terre
• Le solide mesuré doit présente une constante diélectrique supérieure à une certaine valeur

Vidéo 2 : Principes de base de la mesure vibratoire de niveau (anglais)

Les dispositifs de détection de niveau par vibrations, qu'on appelle aussi dispositifs de détection vibroniques, sont des instruments qui servent à effectuer des détections ponctuelles sur des liquides et des solides. C'est l'une des solutions les plus fiables et les plus utilisées pour les mesures ponctuelles du niveau dans différents secteurs industriels, comme l'alimentation, l'industrie pharmaceutique, la chimie et la pétrochimie.

Les dispositifs de détection vibroniques fonctionnent sur la fréquence de résonnance d'un diapason. Un conducteur excite le diapason pour lui faire atteindre sa fréquence de résonnance et tout liquide qui vient recouvrir le diapason en atténue l'oscillation, ce qui produit un écart avec la fréquence de résonnance. L'appareil détecte alors ce changement et donc la présence de liquide.

Concernant les dispositifs de détection vibroniques pour solides granulaires, le fonctionnement est très similaire, à ceci près que le système surveille l'amplitude des oscillations et non plus leur fréquence. La présence de matériau en vrac modifie l'amplitude des oscillations, ce que l'appareil détecte.

Trouvez les dispositifs de détection de niveau par vibrations ici

Avantages des dispositifs de détection de niveau par vibrations :

• Les dispositifs de détection de niveau par vibrations sont compacts et faciles à installer
• Aucun entretien n'est nécessaire
• Non affectés par les propriétés du fluide telles que la conductivité, la densité, la pression et la température
• S'adaptent aux applications avec des turbulences de fluide, de la mousse ou des liquides bouillonnants
• Options de revêtement pour la compatibilité chimique

Avantages des dispositifs de détection de niveau par vibrations :

• Méthode intrusive
• Non recommandé pour les supports collants à forte accumulation

Les dispositifs de détection de niveau conductifs sont utilisés pour la détection ponctuelle du niveau des liquides, étant une méthode rentable, surtout pour les applications simples, comme le contrôle du niveau à deux points des citernes et réservoirs d'eau, la protection contre le fonctionnement à sec des pompes.

En bref, un détecteur de niveau conductif se compose d'une sonde de masse et d'une ou plusieurs sondes de détection. Une tension alternative est appliquée à la sonde de terre et aux sondes de détection. Dès que le liquide recouvre à la fois la sonde de masse et la sonde de détection, un circuit électrique se forme. L'électronique de l'appareil détecte une circulation de courant électrique sur ce circuit ; ainsi, le niveau est détecté.

Sur les réservoirs métalliques, le réservoir lui-même peut être utilisé comme sonde de terre, dans ce cas, un détecteur de niveau à sonde unique peut être utilisé.

La tension alternative empêche la corrosion et la destruction électrolytique des sondes. La tension appliquée est totalement inoffensive et il n'y a aucun risque de choc électrique si les sondes sont touchées.

Vers les dispositifs de détection de niveau conductifs

Figure 7 - Dispositifs de détection de niveau conductifs

Laquelle ?

Avantages des dispositifs de détection de niveau conductifs :

• Solution simple et économique pour la détection ponctuelle
• La sonde peut être coupée à la longueur souhaitée, selon le modèle
• Multiples points de détection, selon le modèle

Limites des dispositifs de détection de niveau conductifs :

• Ne fonctionne qu'avec des liquides conducteurs
• Les limites de température et de pression

Figure 8 - Détecteur de niveau à palette rotative

Les détecteurss de niveau à palette rotative sont des contacteurs de niveau conçus pour la détection ponctuelle du niveau de solides granulaires, tels que les céréales, le sucre, la craie, les poudres, les copeaux de bois et autres. En fonction de la densité du milieu, différents modèles de palettes peuvent être sélectionnés.

Le détecteur de niveau à palette rotative est composé d'un moteur électronique qui fait tourner la palette, dès que la palette commence à être recouverte par des solides, elle arrête le moteur, et l'électronique de l'instrument peut déterminer la présence du niveau.

Explorez les détecteurs de niveau à palette rotative

Les avantages des détecteurs de niveau à palette rotative :

• Conception et fonctionnement simples
• S'adapte à différentes granulométries et densités
• Indépendant des propriétés électriques du matériau

Limites des détecteurs de niveau à palette rotative :

• Uniquement applicable pour les solides
• Les pièces mobiles peuvent s'user avec le temps
• Méthode intrusive

Les détecteurs de niveau à flotteur sont l'une des méthodes les plus simples pour mesurer le niveau ponctuel des liquides, étant une solution très coûteuse pour des applications simples, comme par exemple, le contrôle de pompes sur des citernes d'eau. Les détecteurs de niveau à flotteur peuvent avoir des conceptions et des principes de fonctionnement différents, selon le fabricant et le modèle, mais ils ont tous un élément commun : un corps flottant.

Dans l'une de ses versions les plus simples, un corps flottant en matière plastique possède à l'intérieur une bille métallique en mouvement libre qui agit en fermant et en ouvrant des contacts électriques. Quand il n'y a pas de liquide, le flotteur pointe vers le bas, quand il y a du liquide, le flotteur pointe vers le haut. La boule métallique suit ce mouvement et commute les contacts électriques.

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Figure 9 - Fonctionnement du détecteur de niveau à flotteur

Avantages des détecteurs de niveau à flotteur :

• Solution rentable
• Facile à installer et à mettre en service
• Les modèles de base ne nécessitent pas d'alimentation électrique

Limites des détecteurs de niveau à flotteur :

• Méthode intrusive
• Uniquement adapté aux liquides
• Normalement construit avec des matériaux simples qui peuvent s'user avec le temps ou réagir avec certains liquides
• Non recommandé pour les supports collants avec une accumulation importante
• Les limites de température et de pression

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