Principe de la mesure de niveau hydrostatique
Une colonne de liquide exerce sur le fond d’une cuve une pression qui ne dépend que de sa hauteur et de sa masse volumique, pas de la forme ni du volume de la cuve. Un transmetteur de pression en fond de cuve, ou une sonde immergée suspendue dans le liquide, mesure donc le niveau :
p = ρ × g × h
ρ est la masse volumique en kg/m³, g l’accélération de la pesanteur et h la hauteur de liquide au-dessus de la membrane. Avec la pesanteur normale, un mètre d’eau à 20 °C donne 9,789 kPa, soit 97,89 mbar.
Choisir l’étendue du transmetteur
Le transmetteur est étalonné pour que 4 mA corresponde au niveau le plus bas à mesurer et 20 mA au plus haut :
LRV = ρ × g × (hmin + h0) URV = ρ × g × (hmax + h0)
h0 est la hauteur du niveau zéro au-dessus du transmetteur. Un transmetteur monté sur un piquage 0,3 m sous le fond de la cuve voit toujours 0,3 m de liquide en plus ; le début d’échelle est alors au-dessus de zéro (« zéro élevé »). L’étendue reste la même.
Choisissez un transmetteur dont la limite supérieure de mesure est égale ou un peu supérieure à la fin d’échelle, pour que l’étendue étalonnée utilise une bonne partie de la plage du capteur. Un capteur de plage beaucoup plus grande est davantage réduit, et ses erreurs, généralement exprimées en pourcentage de la limite supérieure, deviennent grandes par rapport à l’étendue ; vérifiez-le avec le calculateur de précision de transmetteur.
Exemple de calcul
Une cuve d’eau à environ 20 °C, niveau 0 à 5 m, transmetteur en fond de cuve :
- Masse volumique 998,21 kg/m³, pression par mètre 9,789 kPa
- Début d’échelle 0 bar, fin d’échelle 0,48945 bar (489,45 mbar)
- Un niveau de 3 m donne 0,29367 bar, 60 % de l’étendue, 13,6 mA
Si le même transmetteur se trouve 0,5 m sous le fond, l’étendue devient 0,04895 à 0,53840 bar ; l’étendue de mesure ne change pas.
Masse volumique et température
La masse volumique est la principale source d’erreur de la mesure hydrostatique. L’eau fait 999,97 kg/m³ à 4 °C, 998,21 kg/m³ à 20 °C et 983,20 kg/m³ à 60 °C : une cuve étalonnée à froid indique 1,5 % de moins quand l’eau est à 60 °C. Les saumures, huiles, acides et boues s’écartent bien davantage, et leur masse volumique peut varier avec la concentration. Utilisez la masse volumique à la température de service indiquée dans la fiche procédé, ou mesurez-la.
Cuves ouvertes, fermées et sous pression
Cuves ouvertes ou à l’air libre. Un transmetteur de pression relative ou une sonde immergée à mise à l’air mesure directement la colonne de liquide ; le tube de mise à l’air du câble doit rester ouvert et sec.
Cuves fermées avec gaz ou vapeur au-dessus du liquide. La pression du gaz s’ajoute à la mesure. Utilisez un transmetteur de pression différentielle dont le côté bas est relié au ciel gazeux : la pression du gaz agit des deux côtés et s’annule. Avec une jambe de référence sèche, le calcul ici s’applique tel quel.
Jambes de référence humides. Si la ligne côté bas se remplit de condensat ou d’un liquide de remplissage, elle ajoute une colonne constante côté bas. L’étendue se décale alors vers des valeurs négatives (suppression de zéro) et doit être calculée avec la hauteur de la jambe et sa propre masse volumique.
Erreurs fréquentes
Étalonner en mètres d’eau pour un autre liquide. Un transmetteur réglé sur 0–5 mH₂O indique 15 % de moins sur un liquide de 850 kg/m³.
Oublier le décalage de montage. Un transmetteur sous le fond de la cuve indique la hauteur du piquage même cuve vide.
Mesurer une cuve sous pression avec un transmetteur relatif. Chaque variation de la pression de ciel ressemble à une variation de niveau.
Réduire l’étendue à l’excès. Un transmetteur 0–10 bar réglé sur 0–0,5 bar fonctionne, mais son effet de température et sa stabilité, rapportés à la limite supérieure, sont vingt fois plus grands par rapport à l’étendue.
Questions fréquentes
Quelles unités puis-je utiliser ?
Longueurs en m, cm, mm, ft et in ; pression en bar, mbar, kPa, psi, mH₂O et inH₂O. Les colonnes d’eau se rapportent à 4 °C, comme dans le convertisseur d’unités de pression.
Comment convertir le niveau en volume ?
Cela dépend de la géométrie de la cuve : linéaire pour un cylindre vertical, non linéaire pour un cylindre horizontal ou une sphère. Le transmetteur mesure une hauteur ; la table de jaugeage est appliquée dans le système de conduite.
La sortie 4–20 mA est-elle proportionnelle au niveau ?
Oui, linéairement. Le courant pour un niveau quelconque figure sous « À » ; le convertisseur 4–20 mA convertit les mesures sur le terrain.