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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R 2 010 − 1 Contrôle de niveaux Introduction par Michel RICHARD Ingénieur de l’École nationale supérieure de céramique industrielle ien ne semble plus banal qu’une mesure de niveau ! À côté des mesures de température, de pression et de débit, c’est une des quatre mesures fon- damentales assumées par l’instrumentation industrielle. Cependant, la multipli- cité des méthodes employées démontre que le niveau est, en réalité, un paramètre plus compliqué à maîtriser qu’il ne le paraît de prime abord. Ce premier article introduit les généralités sur le contrôle des niveaux, nécessaires à la compréhension des articles suivants : — R 2 011 - Contrôle de niveaux : systèmes pour liquides ou solides ; — R 2 012 - Contrôle de niveaux : systèmes propres aux liquides ; — R 2 013 - Contrôle de niveaux : systèmes propres aux solides ; — R 2 014 - Comparatif des méthodes de mesure et de détection de niveaux ; — Doc. R 2 015 - Pour en savoir plus. 1. Importance de la mesure de niveau.................................................... R 2 010 - 2 2. Déﬁnition d’un niveau liquide.............................................................. — 2 3. Systèmes de tranquillisation................................................................ — 3 4. Niveau de solides en vrac...................................................................... — 3 5. Fonctions des appareils ......................................................................... — 3 6. Fiabilité et sécurité.................................................................................. — 4 7. Adaptation à l’environnement ............................................................. — 4 8. Conditions d’implantation et problèmes de colmatage ............... — 4 9. Évolution des mesures de niveau........................................................ — 4 Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. R 2 015 R CONTRÔLE DE NIVEAUX _________________________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. R 2 010 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle 1. Importance de la mesure de niveau D’une manière générale, les procédés de fabrication n’exigent pas une très grande précision dans la mesure des niveaux. Les exceptions concernent les mesures de niveaux (et de capacités) relatives aux bilans d’exploitation, aux transactions commerciales, ou aux produits faisant l’objet de taxes. Quelquefois, le niveau représente un paramètre important du système, par exemple dans un réacteur, dans un four de verrerie, etc., et l’on s’efforce alors d’obtenir le maximum de précision. I Mesure ou repérage : on ne mesure pas un niveau, on le repère par rapport à un plan de référence choisi conventionnellement ; il est alors exprimé par la hauteur géométrique ou hauteur vraie H qui le sépare de ce plan, donc sa valeur s’exprime en unités de longueur usuelles et légales. I Hauteur vraie et hauteur manométrique : aux expressions hau- teur géométrique ou hauteur vraie s’oppose la notion de hauteur manométrique ou hauteur hydrostatique Hm : (1) avec hi hauteur d’une couche de liquide i homogène, di poids volumique à l’intérieur de la couche, pm pression au-dessus de la surface liquide. Ainsi mesure-t-on une pression, celle régnant à la base de la colonne verticale qui traverse toutes les couches à partir du plan de référence, et les unités de mesure de Hm sont alors homogènes à des pressions, ou parfois, ce qui est équivalent, à des hauteurs d’un liquide déﬁni (millimètres de colonne d’eau, symbolisés par mm H2O ou mm CE, ou millimètres de mercure, mm Hg, avec 1 mm H2O = 9,8 Pa et 1 mm Hg = 133 Pa). Dans le cas le plus usuel, le phénomène de stratiﬁcation à des densités (ou des températures) différentes est négligeable, et l’on retrouve la formule : Hm = h d + pm (hauteur par densité) (2) avec h hauteur de la couche de liquide, d poids volumique de ce liquide, pm pression au-dessus de la surface liquide. L’emploi de l’une ou l’autre des expressions de hauteur (hauteur vraie ou hauteur manométrique) n’est pas gratuit. Pour les détec- tions de niveau haut dans un réservoir, il est préférable d’utiliser la hauteur vraie. En effet, des variations importantes de sa tempéra- ture peuvent dilater le liquide et le faire déborder, si l’on se base sur la hauteur manométrique. Les stockages en volume ou en masse imposent le choix de l’une ou de l’autre unité de niveau. I Interface : par « niveau », on entend l’interface horizontale de séparation entre deux phases distinctes : liquide/gaz, solide/gaz ou liquide/ solide, ou entre deux liquides de densités différentes, ou même encore entre une suspension liquide ou solide et un gaz. On admet que l’interface est nette et bien marquée. Cependant, dans certains cas, l’interface existe, mais dotée d’un gradient de tran- sition (aérosol, émulsion, suspension, etc.) qui, s’il reste de faible amplitude, permet d’étendre la notion de niveau. I Horizontalité : on admet souvent implicitement que le niveau est horizontal, ce qui est vrai dans le cas des liquides immobiles. Dans les solides en vrac, il existe un angle de talus. Enﬁn, un assez grand nombre d’appareils de contrôle de niveau ﬁgurant dans les articles [R 2 011], [R 2 012] et [R 2 013] sont aussi capables de détecter les interfaces inclinées ou verticales (canalisations). I Mesures déduites de la mesure de niveau : — la capacité ou le volume : ici intervient la notion de barémage de réservoir, c’est-à-dire la relation entre le niveau et le volume, ou capacité, du contenu correspondant ; à titre indicatif, la figure 1 expose la relation entre niveau et volume pour les formes usuelles de réservoir : sphère et cylindre horizontal ; le barémage, plus précis, implique un véritable étalonnage du récipient par les orga- nismes habilités (cf. article Mesurage statique du volume des liquides [R 1 440]) ; — la pression différentielle : hauteur manométrique d’une colonne de liquide dans un tube en U inséré entre deux prises ; — la densité ou la masse volumique : hauteur manométrique d’une colonne de liquide entre deux niveaux définis ; — le débit : hauteur d’une lame de liquide s’écoulant d’un déver- soir à ciel ouvert, banc d’étalonnage mesurant le temps d’écou- lement d’un volume de liquide entre deux niveaux connus d’une capacité définie, débit du flux d’entrée ou de sortie relaté à une variation de niveau d’une surface de liquide de dimension connue. 2. Déﬁnition d’un niveau liquide I Plan de repérage : le repérage d’un niveau implique la présence d’un plan de référence, choisi d’ailleurs d’une manière purement conventionnelle. Ce pourrait être, par exemple, la base d’un réser- voir, le niveau zéro du sol d’une usine ou encore le niveau dit « normal » d’un ballon, à partir duquel les ﬂuctuations du niveau effectif du liquide seront appréciées. I Liquide en équilibre statique : un niveau liquide ne peut être déﬁni que s’il se trouve en parfait équilibre statique, avec une sur- face semblable à un miroir. En pratique, la précision doit tenir compte des ﬂuctuations autour d’une valeur moyenne statistique, avec un écart-type et une loi de distribution associée aux variations locales et globales du « plan » liquide. Usuellement, seule la mesure de ce niveau moyen possède un sens industriellement. Les perturbations à haute fré- quence (vaguelettes) peuvent être éliminées par un ﬁltre passe- bas ; il subsiste les balancements à basse fréquence, dans un grand réservoir par exemple. Des tableaux comparatifs des méthodes de mesure et de détection des niveaux peuvent être consultés dans l’article [R 2 014]. Une liste très complète des fabricants et constructeurs est donnée dans Pour en savoir plus [Doc. R 2 015]. Exemple : les jauges de niveau approuvées des grands réservoirs des rafﬁneries font l’objet d’un réétalonnage manuel mensuel. Hm hi di i ∑ pm + = Figure 1 – Coefﬁcient de forme (doc. Véga) 0 50 100 0 50 100 H (%) V (%) réservoir cylindrique couché réservoir sphérique ________________________________________________________________________________________________________________ CONTRÔLE DE NIVEAUX Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R 2 010 − 3 I Liquide en mouvement : les liquides industriels sont le plus souvent soumis à toutes sortes d’agitations : mécaniques, pneuma- tiques, opérations de remplissage-vidange, convections provo- quées par des transferts thermiques, etc. Les grandes masses sont susceptibles d’entrer en oscillations synchrones avec divers régi- mes d’exploitation. Les oscillations d’une masse liquide dans un tube en U, dans un réservoir, peuvent être assimilées à un système du second ordre, c’est-à-dire qu’apparaissent les notions classiques de fréquence d’excitation, de période naturelle, d’amplitude, de phase, d’amortissement. On peut réduire les oscillations par des systèmes de tranquillisation. 3. Systèmes de tranquillisation Des chicanes, des tôles perforées, des cloisonnements peuvent constituer une résistance hydraulique qui limite les mouvements de liquide ; c’est une solution indispensable, par exemple, dans les réservoirs embarqués soumis au roulis et au tangage. Le tube de tranquillisation entoure une sonde, un capteur. Son but est autant de soustraire ce dernier aux ondulations rapides de la surface, que de le protéger contre de violents courants latéraux. Une solution usuelle est constituée par la colonne de tranquilli- sation montée en parallèle sur un réservoir uploads/Industriel/ controle-de-niveaux-introduction.pdf