Principes de mesures de niveau

Les technologies les plus usitées pour la mesure du niveau de liquides et les opérations

de contrôle sont les sondes capacitives, les sondes de conductivité, les sondes

hydrostatiques pour jaugeages de réservoirs, les radars et les sondes ultrasoniques.

Au cours des dernières années, les technologies s’appuyant sur le développement des

microprocesseurs sont sorties du lot. Par exemple, la technique de mesure de la pression d’un

liquide a repris vigueur grâce à l’utilisation de transmetteurs intelligents de pression différentielle

(DP).

De nos jours, les instruments de mesure de niveau locaux, peuvent inclure des diagnostics ainsi

que des données de configuration et de traitement qui sont ensuite transmises via un réseau vers

des unités de surveillance et de contrôle à distance.

Les méthodes de mesure de niveau de liquides les plus courantes sont :

sonde capacitive

sonde de conductivité

sonde de pression hydrostatique (jaugeage de réservoir)

radar

sonde ultrasonique

Le réseau installé à Bruxelles utilise ces trois dernières technologies.

Pression hydrostatique

Une des plus anciennes et des plus habituelles méthodes de mesure du niveau d’un liquide consiste

en la mesure de la pression exercée par une colonne du liquide dans un récipient ou un cours

d’eau. Les rapports de base sont :

P = mHd, ou H = P/md (3)

soit :

P = pression, m = une constante, H = colonne d’eau, d = densité

P est généralement exprimé en Kg/cm² ou en livres par pouce carré ; H, en mètres ou en pieds ; et

d, en Kg/dm³ ou en livres par pied cube ; toute combinaison des unités est possible, tant que le

facteur m est correctement adapté.

La densité d’un liquide varie avec la température. Afin d’obtenir une grande précision en mesure de

niveau, la densité doit être compensée ou être exprimée en relation avec la température actuelle

du liquide mesuré. C’est le cas pour le jaugeage hydrostatique de réservoirs (HTG) ou le jaugeage

hydrostatique d’eau de surface (HWG) décrits ci-dessous :

Auparavant, des instruments de mesure de pression différentielle (DP) furent utilisés, longtemps

avant l’apparition des cellules DP. Des rhéomètres d’orifice, utilisés à l’origine pour la mesure de la

pression différentielle en travers d’un pipeline, furent facilement adaptés à la mesure du niveau. De

nos jours, des transmetteurs DP intelligents, se chargent des mesures de niveau en utilisant le

même principe de base que leurs précurseurs.

En réservoirs ou canaux ouverts (ni sous pression ni sous vide d’air) un tuyau près du sol ou sur le

sol du réservoir est connecté uniquement avec le côté haute pression du senseur et le côté basse

pression est à l’air libre.

Si le réservoir est sous pression ou sous vide d’air, le bas de l’instrument a une connexion par

tuyau au sommet du réservoir, de sorte qu’il ne réagit qu’aux changements de la colonne de

liquide.

Les transmetteurs DP sont actuellement utilisés intensivement dans l’industrie du traitement. En

fait, les nouveaux transmetteurs intelligents et les signaux conventionnels 4 – 20mA pour

communication à distance avec des DCS, PLC ou d’autre systèmes, rendent une nouvelle vie à

cette technologie. Les problèmes d’eaux chargées et les coûts de canalisations dans de nouvelles

installations, ont toutefois ouvert la porte à des méthodes alternatives nouvelles.

Technologie de mesure de niveau par ultrasons

Ultrasonique et sonique

Les instruments de mesure de niveau ultrasoniques et soniques fonctionnent tous deux en utilisant

le principe de base des ondes sonores pour déterminer le niveau du fluide. L’étendue de fréquence

de la méthode ultrasonique est de ~20 – 200 kHz, tandis que la méthode sonique utilise une

fréquence de < 10 kHz. Un transducteur monté dans le haut du réservoir ou au plafond du

collecteur envoie des ondes verticales par paquets vers la surface de la matière dont on souhaite

mesurer le niveau. Les échos de ces ondes retournent au transducteur, qui effectue le calcul de

conversion de la distance parcourue par les ondes en une mesure de niveau. Un cristal

piézoélectrique situé dans le transducteur convertit les pulsions électriques en énergie sonore

circulant sous la forme d’ondes à la fréquence choisie et ce à une vitesse constante dans un milieu

donné. Le milieu est généralement de l’air au-dessus de la matière à mesurer mais il pourrait s’agir

d’une couche d’un autre gaz. Les ondes sonores émises par paquets, retournent au transducteur

sous forme d’échos. L’instrument mesure le temps nécessaire au paquet pour atteindre la surface,

être réfléchie et revenir. Ce temps est proportionnel à la distance entre le transducteur et la

surface et peut être utilisé pour déterminer le niveau du fluide dans le réservoir.

Cette méthode requiert la prise en considération de certains facteurs.

Quelques uns sont :

• La vitesse du son au travers du milieu (généralement de l’air) varie en fonction de la température

du milieu. Le transducteur peut contenir une sonde de température pour compenser les fluctuations

de température au cours de la mesure qui altèrent la vitesse du son et le calcul de la distance

déterminant une mesure précise.

• La présence d’une quantité conséquente de mousse sur la surface de la matière absorbe les sons.

Dans certains cas, cette absorption est suffisante pour empêcher l’utilisation de la technique

ultrasonique.

• Une turbulence extrême du liquide peut causer des fluctuations de lecture. L’utilisation d’un

réglage amorti dans l’instrument ou une réponse différée peut solutionner ce problème.

Pour améliorer les performances là où la mousse ou d’autres facteurs affectent le mouvement du

son vers la surface du liquide et son retour, certains modèles sont fournis avec un pavillon pour

guider les faisceaux.

Avantages de la technique de mesure de niveau par ultrasons :

Pas de contact, donc pas d’usure ni de dégât

Pas de pièces mobile

Pas d’influence de la densité, de la conductivité, du pH, de la constante diélectrique du

liquide

Calibration aisée

Convient pour produits agressifs

Précis et fiable

Pas de maintenance

Fourni en exécution intrinsèque (ATEX)

Désavantages de la technique de mesure de niveau par ultrasons :

Influencé par des poudres, des vapeurs importantes, la turbulence en surface et la mousse

Ne peut opérer sous vide ou sous haute pression

Nécessite une bonne réflexion en surface

Plus sensible au positionnement que d’autres technologies

Etendues de température et de pression limitées

L’ultrasons s’est installé au cours des années comme le premier choix en de nombreuses

applications de mesure sans contact du niveau de liquides et solides.

La qualité et les capacités du transmetteur de niveau ultrasonique sont reconnues mondialement.

Niveau par radar

Radar ou micro-ondes

Les méthodes de mesure de niveau par radar sont souvent comparées à celles de micro-ondes.

Elles utilisent toutes deux des ondes électromagnétiques, plus particulièrement dans le micro-onde

à étendue X-band (10 GHz). Cette technologie a été adaptée et affinée pour des mesures de

niveau. Le plupart des applications concernent une mesure de niveau en continu.

Au départ, tous les types travaillent sur base du principe de micro-ondes rayonnant vers le bas

depuis une sonde située au dessus du réservoir ou de l’écoulement d’eau. Le senseur reçoit en

retour une partie de l’énergie reflétée par la surface du fluide. Le temps nécessaire au signal pour

accomplir la distance (appelé « time of flight », temps de vol ou plus correctement temps de

transit) est utilisé pour déterminer le niveau. Pour des mesures de niveau en continu, il y a deux

systèmes principaux non-intrusifs, ainsi qu’un type intrusif utilisant un cable ou corde comme guide

d’onde et se prolonge pratiquement jusqu’au fond du réservoir.

Un des types non-intrusif utilise une technologie appelée onde continue à fréquence-modulée

(frequency-modulated continuous wave – FMCW). Depuis le module électronique au-dessus du

réservoir, un senseur oscillateur transmet verticalement un balayage de fréquence linéaire, à une

largeur de bande et un temps de balayage fixes. Le signal radar reflété est différé

proportionnellement à la distance avec la surface. Sa fréquence est différente de celle du signal

émis, et les deux signaux se confondent en une nouvelle fréquence proportionnelle à la distance.

Cette nouvelle fréquence est convertie en une mesure très précise du niveau du fluide.

Le senseur émet un signal en fréquence modulée variant de 0 à ~200 Hz avec une étendue de

distances de 0 à 60 m (200 ft). L’avantage de cette technique c’est que les signaux de mesure de

niveau sont FM plutôt qu’AM, accordant les mêmes avantages que des ondes radio. Le niveau

sonore de la plupart des réservoirs se situe dans la bande AM et n’influe pas sur le signal FM.

La seconde technologie non-intrusive, radar pulsé ou temps de transit pulsé, opère sur un principe

très similaire à celui de la méthode ultrasonique pulsée. L’impulsion du radar est pointée sur la

surface du liquide et le temps de transit de l’impulsion en retour sert au calcul du niveau. Vu que

l’impulsion du radar est un courant plus faible que FMCW, ses performances peuvent être affectées

par des obstacles dans le réservoir ou par des mousses ou des éléments légèrement diélectriques

(K < 2).

Les antennes pour les méthodes non-intrusives se présentent sous deux formes : coupole

parabolique et cône. La parabole tend à diffuser le signal sur une surface plus large, tandis que le

cône confine le signal en un sillon vertical concentré. Le choix de l’un ou l’autre, et sa taille

(diamètre), dépend de facteurs tels qu’obstacles dans le réservoir ou la conduite qui pourraient

refléter, la présence de mousse, et la turbulence du liquide à mesurer.

Le radar à onde guidée (GWR) est une méthode intrusive utilisant un câble ou une corde pour

guider l’onde qui passe du senseur dans la matière et qui est mesurée tout au long du chemin

jusqu’au fond du réservoir. Le guide-ondes permet d’obtenir un sillon si efficace pour le trajet de

l’impulsion que la dégradation du signal est minimisée. Donc, des matières diélectriquement très

faible (K <1.7 vs. K = 80 pour l’eau) peuvent effectivement être mesurée. De plus, puisque le signal

pulsé est canalisé par le guide, les turbulences, la mousse ou des obstacles n’affectent pas la

mesure. Cette méthode GWR peut traiter des gravités spécifiques variables et des médias

composés ou en couches. C’est une méthode intrusive, et la sonde ou le guide peuvent être

endommagés par une ailette d’agitateur ou la causticité de la matière à mesurer. Le GWR ne

convient pas pour des applications en canal ouvert.

De plus en plus d’utilisateurs se tournent vers des méthodes réflectives sans contact pour les

mesures de niveau, tant pour les processus de fabrication et de stockage et de gestion

d’inventaires que pour des mesures de débit et de niveau en canal ouvert.

Des transmetteurs travaillant par radar sont en fonction depuis de nombreuses années pour des

mesures de niveau soit pour des taxations ou des mesures plus spécialisées.

Le développement de la technologie du radar pulsé a donné naissance à des sondes qui

conviennent avantageusement pour un grand nombre d’applications industrielles et de traitement,

surmontant la plupart des problèmes qui excluent l’utilisation de sondes ultrasoniques.

Avantages de la technique de mesure de niveau par radar :

Pas de contact, donc pas d’usure ni de dégât

Pas de pièces mobile

Pas d’influence de la densité, de la conductivité, du pH, de la constante diélectrique du

liquide

Calibration aisée

Convient pour produits agressifs

Précis et fiable

Pas de maintenance

Fourni en exécution intrinsèque (ATEX)

Pas d’influence de vapeurs

Pas d’influence de la température de l’air, et de changement de l’humidité et de la pression

atmosphérique

Désavantages de la technique de mesure de niveau par radar :

· assez coûteux

· nécessite une surface réflective avec une constante diélectrique appropriée

· sensible au positionnement

Théorie

Tout ceci est basé sur diverses théories développées durant les siècles derniers par des

scientifiques tells que Jean Daniel Colladon, Lord Rayleigh, Pierre Curie et d’autres. Vous trouverez

ci-dessous une courte biographie de ces trois célèbres hommes de sciences.

Jean-Daniel Colladon 1802-1893

Jean-Daniel Colladon était Docteur en Droit et ingénieur, il provenait d’une famille réfugiée à

Genève en 1550 pour avoir adhéré à la Réforme.

Grâce à sa « Dissertation sur la compression des liquides et la vitesse du son dans l’eau », il reçut

de la Prix de l’Académie des Sciences de Paris alors qu’il avait vingt-cinq ans. De 1829 à 1839 il

occupa la Chaire de Mécanique à l’Ecole Centrale des Arts et Manufactures de Paris. Il fut rappelé à

Genève où une Chaire de Mécanique avait été créée pour lui à l’Académie.

En 1843 il mit au point l’éclairage de ville au gaz. Il inventa aussi le photomètre et le dynamomètre

et eut l’idée d’utiliser l’air comprimé pour le creusement de tunnels.

Il publia de nombreux ouvrages scientifiques en tant que membre correspondant de l’Institut de

France.

Gravure montrant Colladon pendant son expérience sur la vitesse du son dans l’eau sur le Lac de

Genève.

Lord Rayleigh

Les premières recherches de Lord Rayleigh étaient principalement mathématiques, et concernaient

des systèmes optiques et de vibrations, mais ensuite ses ouvrages concernèrent quasi tous les

domaines de la physique, depuis le son, la théorie de l’onde, la vison de la couleur,

l’électrodynamique, l’électromagnétisme, la dispersion de la lumière, le débit des liquides,

l’hydrodynamique, la densité des gaz, la viscosité, la capillarité, l’élasticité et la photographie. Ses

expériences patientes et délicates conduisirent à l’établissement de standards en résistance, en

courant et en force électromotrice ; et ses travaux ultérieurs furent concentrés sur les problèmes

électriques et magnétiques. Lord Rayleigh était un excellent pédagogue et sous sa supervision

active un système d’instruction pratique en expérimentation physique fut dispensé à Cambridge,

développé pour une classe de cinq à six étudiants et étendu à une école de septante physiciens

expérimentaux. Sa Theory of Sound (Théorie du Son) fut publiée en deux volumes pendant les

années 1877-1878. Le Volume 1 couvre les systèmes de vibrations harmoniques avec un degré de

liberté, les systèmes de vibrations en général, les vibrations transversales de cordes, les vibrations

longitudinales et torsionnelles de barres, les vibrations de membranes et plaques, d’écailles

courbes et plates et les vibrations électriques. Le Volume 2 couvre les vibrations aériennes, les

vibrations en tubes, la réflexion et la réfraction d’ondes planes, les équations générales, la théorie

de résonance, les fonctions et acoustiques de Laplace, feuillets d’air sphériques, la vibration de

corps solides, et des faits et théories auditives. Ses autres études approfondies sont reprises dans

son Journal Scientifique – six volumes édités entre 1889 et1920. Il a également contribué à

l’Encyclopaedia Britannica.

Pierre Curie 1859 - 1906

Pierre Curie est né à Paris le 15 mai 1859. Eduqué par son père, docteur, Curie a développé à 14

ans une passion pour les mathématiques et fit preuve d’aptitudes particulières pour la géométrie

spatiale, ce qui l’aida plus tard dans ses travaux de cristallographie. Inscrit à l’âge de 16 ans, il

obtint sa licence en sciences à 18 ans, il fut engagé en 1878 comme assistant de laboratoire à la

Sorbonne. Il accéda au Diplôme en Physiques en 1878 et poursuivit comme démonstrateur au

laboratoire de physique jusqu’en 1882. En 1895 il fut nommé Docteur es Sciences et engagé

comme Professeur de Physique. Il accéda au titre de Professeur à la Faculté des Sciences en 1900.

Ses premières études concernèrent la cristallographie. Le problème de distribution de matière

cristalline suivant les lois de la symétrie devint une de ses préoccupations majeures. Ensemble

avec son frère aîné Jacques, ils observèrent que l’on obtient un potentiel électrique en exerçant une

pression mécanique sur un cristal de quartz tel que le sel de Rochelle (sodium potassium tartrate

tetrahydrate, KNaC4H4O6 4H2O). Alors que les Curie avaient prédit qu’un voltage différent pouvait

être produit depuis une tension appliquée sur des matières piézoélectriques, ils n’avaient pas prédit

le comportement réciproque de ces matières. Le comportement réciproque est juste une tension

mécanique à une différence de voltage. Cette propriété de réciprocité fut produite

mathématiquement depuis des principes thermodynamiques, par un physicien Nobel, Gabriel

Lippman en 1881. Peu après, les frères Curie vérifièrent la réciprocité. Ils nommèrent le phénomène

piézoélectricité. Plus tard Pierre fut capable de formuler le principe de symétrie, qui stipule

l’impossibilité de réaliser une réaction physique dans un environnement dénué d’un certain

minimum de caractéristiques dissymétriques de la réaction. De plus, cette dissymétrie ne peut se

trouver dans les résultats si elle ne préexiste pas dans les causes. Il poursuivit en définissant la

symétrie de divers phénomènes physiques.

Plus tard, il reporta toute son attention sur le magnétisme. Il entreprit d’écrire une thèse de

doctorat dans le but de découvrir l’existence de transition entre les trois types de magnétisme :

ferromagnétisme, paramagnétisme et diamagnétisme. Afin de mesurer les coefficients

magnétiques, il construisit une balance de torsion pesant au 0.01 mg, qui dans une version

simplifiée est utilisée et appelée la balance de Curie et Chèneveau. Il découvrit que les coefficients

magnétiques d’attraction de corps paramagnétiques varient inversément proportionnellement à la

température absolue – c’est la Loi de Curie. Il établit ensuite une analogie entre les corps

paramagnétiques et les gaz parfaits et par suite de ceci, entre les corps ferromagnétiques et les

fluides condensés.

Les études de Curie à propos des substances radioactives furent menées ensemble avec sa femme,

qu’il épousa en 1895. Elles furent achevées au prix de beaucoup de privations avec peu de moyens

adéquats au laboratoire et sous la pression de devoir beaucoup enseigner pour assurer leur moyen

de subsistance. Ils annoncèrent la découverte du plutonium et du radium par fractionnement de la

pechblende en 1898 et ensuite ils s’attelèrent à élucider les propriétés du radium et de ses dérivés.

Leurs travaux dans ce domaine furent à la base de la recherche ultérieure en physique nucléaire et

en chimie. Ensemble il reçurent la moitié du Prix Nobel de Physique en 1903 suite à leur étude de la

radiation spontanée découverte par Becquerel, qui reçut l’autre moitié du même Prix.

En 1903, Pierre Curie reçut également la Médaille Davy de la Société Royale de Londres (Royal

Society of London), en 1904 il fut nommé professeur de physique à l’Université de Paris, et en

France encore en 1905 il fut élu à l’Académie des Sciences. De telles nominations n’étaient pas

attribuées habituellement aux femmes et Marie n’eut pas la même reconnaissance. Pierre décéda

le 19 avril 1906 renversé par une voiture tirée par un cheval. Sa femme reprit ses classes et

poursuivit ses propres recherches. En 1911, elle reçut un second Prix Nobel sans précédent, cette

fois en chimie, pour ses travaux sur le radium et ses composés. Elle prit la direction de l’Institut du

Radium à Paris en 1914 et aida à fonder l’Institut Curie. La maladie qui emporta Marie Curie fut

diagnostiquée comme anémie pernicieuse. Elle mourut en Haute Savoie le 4 juillet 1934 à l’âge de

66 ans.

Le travail de Pierre Curie se retrouve dans de nombreuses publications dans les Comptes Rendus

de l’Académie des Sciences, le Journal de Physique et les Annales de Physique et Chimie.

Pierre et Marie Curie